KR101398583B1 - 모듈화된 ｂｍｓ 연결 구조를 포함하는 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모듈화된 BMS 연결 구조를 포함하는 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 전력 저장 시스템은, 자신이 관리하는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 슬레이브 통신망을 통해 전송하는 n개의 슬레이브 BMS; 상기 슬레이브 통신망을 통해 전송된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 1차 가공하여 마스터 통신망을 통해 전송하는 m개의 마스터 BMS; 및 상기 마스터 통신망을 통해 전송된 데이터를 2차 가공하는 슈퍼 마스터 BMS;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 각 슬레이브 BMS에서 전달한 데이터를 마스터 BMS에서 가공 처리할 수 있으므로 통신 선로 상의 데이터 량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 전력 저장 시스템의 용량이 증가하여도 빠른 데이터 수집 및 제어가 가능하다.

Description

모듈화된 ＢＭＳ 연결 구조를 포함하는 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법{POWER STORAGE SYSTEM HAVING CONNECTION STRUCTURE OF MODULED BMS AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 다수의 전력 저장용 단위 랙을 조합하여 구성한 전력 저장 시스템 에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 각 단위 랙에 포함된 모듈화된 BMS의 연결 구조 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
제품군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
이차전지는 양극 집전체, 음극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액 등을 포함하여 구성 요소들 간의 전기 화학적 반응에 의하여 충방전이 가능한 구조를 가진다. 한편, 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서 복수 개의 이차전지가 직렬/병렬 등으로 연결되는 멀티 모듈 구조를 가지는 이차전지 팩이 보편적으로 이용되고 있다.
상기 전력 저장 시스템에 사용되는 이차전지 팩은 복수 개의 이차전지 셀이 집합된 이차전지 모듈 및 팩 케이스를 포함한다. 이러한 기본적 구조에 더하여, 이차전지 팩에는 부하에 대한 전력 공급 제어, 전류 또는 전압 등의 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge)의 추정 등을 위한 알고리즘이 적용되어 이차전지 셀 또는 이차전지 모듈의 상태를 모니터링하고 제어하는 BMS(Battery Management System) 등이 추가적으로 포함되어 구성된다.
한편, 다양한 전압과 용량 요구 조건을 만족시키기 위해 상기와 같은 이차전지 팩으로 이루어진 소용량의 전력 저장용 단위 랙을 직렬 또는 병렬로 조합하여 전력 저장 시스템을 구성하는 경우가 있다. 최근에는, 스마트 그리드에 대한 관심이 높아지면서 지능형 전력망을 구축하기 위해서는 유휴 전력을 저장하는 대용량의 전력 저장 시스템의 필요성이 높아지고 있다.
전력 저장용 단위 랙은 다수의 이차전지 팩으로 구성되며, 각각의 이차전지 팩에는 복수개의 이차전지 셀 또는 이차전지 모듈이 포함되어 있다. 그리고, 요구되는 전력 저장 시스템의 용량에 따라 상기와 같은 단위 랙을 다수 연결한다. 따라서 하나의 전력 저장 시스템 내에서는 수십에서 수만개 수준의 이차전지 셀 또는 이차전지 모듈이 포함되어 있다. 이러한 전력 저장 시스템의 운용에 있어서는 수십에서 수만개의 셀 또는 모듈 단위에서 전압, 전류, 온도, 충전량(SOC) 등을 지속적으로 모니터해야 한다.
각각의 이차전지 셀 또는 모듈의 상태를 모니터링하고 효율적인 제어를 위해, 상기 배터리 팩에 포함된 BMS를 슬레이브 BMS로 설정하고 상기 슬레이브 BMS를 제어할 수 있는 별도의 BMS를 마스터 BMS로 상호 관계를 설정하여 전력 저장 시스템을 통합적으로 운영 및 제어하는 방법이 사용되고 있다. 이에 대한 종래의 기술로서 대한민국 공개특허공보 10-2010-0094504에 간단한 마스터-슬레이브 BMS에 대한 기술이 개시되어 있다. 상기 종래 기술은 좌측에 있는 슬레이브 모듈이 우측의 슬레이브 모듈로 감시 정보를 전달한다. 그러면 우측에 있는 슬레이브 모듈은 전달 받은 감시정보에 자신이 수집한 감시정보를 부가하여 오른쪽에 있는 슬레이브 모듈로 다시 전달한다. 이 방식이 반복되면, 전체 슬레이브 모듈이 수집한 감시정보가 마스터 모듈로 취합되는 특징이 있다.
한편, 최근에는 스마트 그리드와 같이 전력 저장 시스템이 사용되는 개념이 하나의 가정, 건물을 넘어서 대형 빌딩, 소규모 지역, 도시, 국가의 형태로 점차 확대되어 가는 추세이다. 그러나 상기와 같은 종래의 방식은 이차전지 팩 내에 존재하는 슬레이브 BMS 개수만큼의 개별적인 하드웨어 또는 소프트웨어 구동 메커니즘이 필요하고 관리되어야 한다. 또한 전력 저장 시스템의 규모가 커지면서, 마스터 BMS가 각각의 슬레이브 BMS로부터 정보를 수신하고 이를 처리하는 시간이 늘어나게 되는 단점이 있다. 즉, 종래의 방식은 외부의 변화에 빠르게 대처하지 못하고, 에너지의 효율적인 사용이라는 스마트 그리드 본래의 목적에도 반하게 된다.
따라서 전력 저장 시스템의 경우는 셀, 모듈 또는 팩 별로 BMS(Battery management system)를 설치하고 효과적으로 통합 관리할 수 있는 BMS 연결 구조를 포함하는 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법에 대한 개발 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 감안하여 창안된 것으로서, 모듈화된 BMS 연결 구조를 포함하는 전력 저장 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 저장 시스템은, 자신이 관리하는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 슬레이브 통신망을 통해 전송하는 n개의 슬레이브 BMS; 상기 슬레이브 통신망을 통해 전송된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 1차 가공하여 마스터 통신망을 통해 전송하는 m개의 마스터 BMS; 및 상기 마스터 통신망을 통해 전송된 데이터를 2차 가공하는 슈퍼 마스터 BMS;를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 전기적 특성값은 배터리 셀의 전압 측정값, 충방전 전류 측정값, 온도 측정값, 충전량 추정값 및 퇴화도 추정값 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 마스터 BMS 또는 상기 슈퍼 마스터 BMS는 수신된 데이터의 평균값, 표준편차값, 미리 설정된 조건에 해당하는 데이터의 개수, 최대값 및 최소값 중 적어도 어느 하나의 방식으로 데이터를 가공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 마스터 BMS는 상기 n개의 슬레이브 BMS 중 어느 하나이고, 상기 슈퍼 마스터 BMS는 상기 m개의 마스터 BMS 중 어느 하나이다.
본 발명에 따른 전력 저장 장치는, 상기 슈퍼 마스터 BMS로부터 2차 가공된 데이터를 수신하고, 이를 기초로 생성된 제어 신호를 상기 슈퍼 마스터 BMS로 전송하는 외부 모니터링 장치;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 슈퍼 마스터 BMS는 상기 외부 모니터링 장치로부터 수신한 제어 신호에 기초하여 상기 마스터 BMS를 제어하는 마스터 제어 신호를 상기 마스터 통신망을 통해 출력할 수 있다. 또한, 상기 마스터 BMS는 상기 슈퍼 마스터 BMS로부터 수신한 마스터 제어 신호에 기초하여 상기 슬레이브 BMS를 제어하는 슬레이브 제어 신호를 상기 슬레이브 통신망을 통해 출력할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 저장 시스템의 제어 방법은, n개의 슬레이브 BMS, m개의 마스터 BMS 및 슈퍼 마스터 BMS를 포함하는 전력 저장 시스템의 제어 방법으로서, (a) 상기 n개의 슬레이브 BMS가 자신이 관리하는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 슬레이브 통신망을 통해 전송하는 단계; (b) 상기 m개의 마스터 BMS가 상기 슬레이브 통신망을 통해 전송된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 1차 가공하여 마스터 통신망을 통해 전송하는 단계; 및 (c) 상기 슈퍼 마스터 BMS가 상기 마스터 통신망을 통해 전송된 데이터를 2차 가공하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 각 슬레이브 BMS에서 전달한 데이터를 마스터 BMS에서 가공 처리할 수 있으므로 통신 선로 상의 데이터량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 전력 저장 시스템의 용량이 증가하여도 빠른 데이터 수집 및 제어가 가능하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전력 저장 시스템을 구성하는 전력 저장용 단위 랙에 포함된 다수의 셀 모듈에 대응하는 모듈화된 BMS의 효율적인 통합 관리가 가능하고 전력 저장 시스템의 통합 관리를 수행하는 외부 모니터링 수단의 부하를 분산 및 경감시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 연결 구조를 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 랙의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 제어 방법의 흐름을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 저장 시스템(100)의 연결 구조를 개략적으로 나타낸 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전력 저장 시스템(100)은 슬레이브 BMS(110), 마스터 BMS(120) 및 슈퍼 마스터 BMS(130)를 포함한다. 그리고, 상기 슬레이브 BMS(110)와 상기 마스터 BMS(120)사이에서 데이터를 주고 받기 위한 슬레이브 통신망(140) 및 상기 마스터 BMS(120)와 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)사이에서 데이터를 주고 받기 위한 마스터 통신망(150)을 더 포함하고 있다.
상기 슬레이브 BMS(110)는 자신이 관리하는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 전기적 특성값을 수집한다. 전기적 특성값이란 각 배터리 셀의 상태를 나타내는 값으로서, 배터리 셀의 전압 측정값, 충방전 전류 측정값, 온도 측정값, 충전량 추정값 및 퇴화도 추정값 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 슬레이브 BMS(110)는 상기 마스터 BMS(120)의 제어 명령에 의해서 또는 미리 정해진 주기에 의해서 자신이 관리하는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 전기적 특성값을 측정한다. 그리고, 상기 측정된 전기적 특성값에 대한 데이터를 상기 슬레이브 통신망(140)을 통해서 상기 마스터 BMS(120)에게 전송한다. 또한, 상기 슬레이브 BMS(110)는 전기적 특성값 측정 외에도 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어 등을 포함하여 당업자 수준에서 적용 가능한 다양한 제어 기능을 수행할 수 있다.
상기 마스터 BMS(120)는 슬레이브 통신망(140)을 통해 전송된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 수신 및 저장한다. 그리고, 상기 마스터 BMS(120)는 상기 수신된 데이터를 가공하여 상기 마스터 통신망(150)을 통해서 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)에게 전송한다.
본 발명에 따른 전력 저장 시스템(100)이 대규모 스마트 그리드에 적용되는 경우, 전력 요구량에 비례하여 배터리 랙의 개수가 증가한다. 배터리 랙의 개수에 해당하는 m개의 마스터 BMS(120)가 존재하고 각 배터리 랙에는 n개의 슬레이브 BMS(110)가 존재한다고 가정해 보자. 상기 마스터 BMS(120)가 자신이 관리하는 n개의 슬레이브 BMS(110)로부터 받은 데이터를 가공하지 않고 전부 그대로 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)에게 전송할 경우, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 m×n개의 데이터를 수신하게 된다. 그러면, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 통신망을 통해서 m×n개의 데이터를 수신하는데 많은 시간이 소요되고, 수신된 정보를 처리하여 전력 저장 시스템(100)의 현재 상태를 파악하는데 많은 시간이 소요될 것이다. 이렇게 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)가 데이터를 수신하는데 많은 시간이 소요되면, 상기 전력 저장 시스템(100)이 외부 환경에 적절하게 대처하기 어렵다.
따라서, 본 발명에 따른 마스터 BMS(120)는 상기 슬레이브 통신망(140)을 통해 전송된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 가공하여 데이터량을 줄인다. 그리고 상기 마스터 BMS(120)는 가공된 데이터를 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)에게 전송한다.
상기 데이터 가공의 실시예로서, 상기 마스터 BMS(120)는 수신된 데이터의 평균값을 산출할 수 있다. 상기 전력 저장 시스템(100)이 전력 그리드에 전력을 공급하는 상황을 가정해 보자. 상기 전력 저장 시스템(100)은 각각의 배터리 랙에 충전된 현재 전력량을 고려하여 어느 배터리 랙에서 우선적으로 전력을 공급할지 결정할 필요가 있다. 이 경우, 각 슬레이브 BMS(110)는 자신이 관리하는 배터리 셀의 충전량에 대한 데이터를 자신이 속한 네트워크의 마스터 BMS(120)에게 전송한다. 그러면, 상기 마스터 BMS(120)는 각 배터리 팩의 충전량에 대한 평균값을 산출하여 자신이 속한 네트워크의 슈퍼 마스터 BMS(130)에게 충전량에 대한 평균값을 전송한다. 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 각 배터리 랙의 충전량에 대한 평균값을 고려하여 가장 높은 값을 가지는 배터리 랙을 우선적으로 방전하도록 제어할 수 있다.
상기 데이터 가공의 다른 실시예로서, 상기 마스터 BMS(120)는 수신된 데이터의 표준편차값을 산출할 수 있다. 상기 전력 저장 시스템(100)이 각 배터리 랙의 전압 평활화(equalization) 작업을 하는 상황을 가정해 보자. 상기 전력 저장 시스템(100)은 어느 배터리 랙이 우선적으로 전압 평활화 작업이 필요한지 판단할 필요가 있다. 이를 위해 상기 마스터 BMS(120)는 상기 슬레이브 BMS(110)로부터 수신한 각 배터리 팩의 충전량에 대한 표준편차값을 산출하고, 이를 자신이 속한 네트워크의 슈퍼 마스터 BMS(130)에게 전송한다. 그러면, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 충전량에 대한 표준편차값이 가장 큰 배터리 랙부터 우선적으로 전압 평활화 작업을 수행하도록 제어할 수 있다.
상기 데이터 가공의 또 다른 실시예로서, 상기 마스터 BMS(120)는 상기 슬레이브 BMS(110)로부터 수신한 데이터 중에서 미리 설정된 조건에 해당하는 데이터의 개수에 관한 값을 산출할 수 있다. 예를 들어, 상기 슬레이브 BMS(110)로부터 각 배터리 셀의 퇴화도 추정치에 대한 데이터를 수신한 상기 마스터 BMS(120)는 퇴화도가 60% 이하에 해당하는 배터리 팩에 대한 개수를 산출한다. 그리고 상기 마스터 BMS(120)는 배터리 팩에 대한 개수를 자신이 속한 네트워크의 슈퍼 마스터 BMS(130)에게 전송한다. 그러면, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 퇴화도 60%이하인 배터리 셀이 많은 배터리 랙에 관한 데이터를 사용하여 상기 전력 저장 시스템(100)의 충방전량을 조절하도록 제어할 수 있다.
상기 데이터의 가공은 데이터 최대값의 산출 또는 최소값의 산출 등 상기 열거된 예시뿐만 아니라 당업자라면 누구나 용이하게 데이터량을 줄이는 방식으로 이루어진다. 이를 통해 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)에 전송하는 데이터량이 줄어들게 되고, 줄어든 데이터량으로 인해 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)가 수신한 데이터를 처리하고 판단하는 시간 역시 감소할 것이다. 본 명세서에서는 상기 마스터 BMS(120)가 데이터를 가공하는 것을 '1차 가공'이라고 명명한다.
상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 상기 마스터 통신망(150)을 통해 전송된 데이터를 가공한다. 상기 슈퍼 마스터 BMS(130) 역시 상기 마스터 BMS(120)와 마찬가지로 수신된 데이터 평균값의 산출, 표준편차값의 산출, 미리 설정된 조건에 해당하는 데이터 개수의 산출, 최대값의 산출 및 최소값의 산출 중 적어도 어느 하나의 방식으로 데이터를 가공할 수 있다. 본 명세서에서는 상기 마스터 BMS(120)가 수행하는 데이터의 가공과 구별하기 위해 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)의 데이터 가공을 '2차 가공'이라고 명명한다.
상기 마스터 BMS(120)는 상기 슬레이브 BMS(110)와 다른 별도의 구성이 될 수도 있지만, 상기 n개의 슬레이브 BMS(110) 중 어느 하나가 될 수도 있다. 상기 마스터 BMS(120)가 상기 n개의 슬레이브 BMS(110) 중 어느 하나인 경우, 상기 마스터 BMS(120)는 슬레이브 BMS의 제어 알고리즘과 마스터 BMS의 제어 알고리즘을 함께 포함한다.
한편, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 상기 마스터 BMS(120)와 다른 별도의 구성이 될 수도 있지만, 상기 m개의 마스터 BMS(120) 중 어느 하나가 될 수도 있다. 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)가 상기 m개의 마스터 BMS(120) 중 어느 하나인 경우, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 마스터 BMS의 제어 알고리즘과 슈퍼 마스터 BMS의 제어 알고리즘을 함께 포함한다.
본 발명에 따른 전력 저장 시스템(100)은 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)로부터 2차 가공된 데이터를 수신하고, 이를 기초로 생성된 제어 신호를 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)로 전송하는 외부 모니터링 장치(160)를 더 포함할 수 있다. 상기 외부 모니터링 장치는 전력 저장 시스템(100)의 상태를 사용자 또는 관리자에게 표시하고, 사용자 또는 관리자가 입력한 제어 신호를 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)에게 전송하는 장치일 수 있다. 또한, 2이상의 슈퍼 마스터 BMS(130)로부터 2차 가공된 데이터를 수신하여 각각의 전력 저장 시스템(100)을 제어하는 장치가 될 수 있다.
상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 상기 외부 모니터링 장치(160)로부터 수신한 제어 신호에 기초하여 상기 마스터 BMS(120)를 제어하는 마스터 제어 신호를 출력할 수 있다.
일 예로, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)가 상기 외부 모니터링 장치(160)에게 배터리 랙의 충전량에 대한 평균값이 50%라고 전송한 상황을 가정해 보자. 상기 외부 모니터링 장치(160)는 배터리 랙의 충전량에 대한 평균값이 미리 설정된 충전량인 70%보다 낮다고 판단하여 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)에게 충전을 통해 평균 충전량을 70%까지 증가시키라는 제어 신호를 전송한다. 이때, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)가 전송한 제어 신호에는 충전량 목표치에 대한 내용만 포함되고, 구체적인 대상 또는 수행 방법에 대해서는 포함되지 않을 수 있다. 따라서, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 상기 m개의 마스터 BMS(120)로부터 수신한 각 배터리 랙의 충전량에 대한 데이터를 참조하여, 어느 배터리 랙의 충전량이 70%이하에 해당하여 충전이 필요한지 판단할 수 있다. 즉, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 상기 외부 모니터링 장치(160)로부터 수신한 제어 신호에 기초하여 상기 마스터 BMS(120)를 제어하는 신호를 상기 마스터 통신망(150)을 통해서 출력할 수 있다. 본 명세서에서는 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)가 출력하는 제어 신호를 '마스터 제어 신호'라고 명명한다.
상기 마스터 BMS(120)는 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)로부터 수신한 마스터 제어 신호에 기초하여 상기 슬레이브 BMS(110)를 제어하는 슬레이브 제어 신호를 출력할 수 있다.
상기 예시에 이어서, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)가 1번과 2번 배터리 랙만 충전이 필요하다고 판단한 상황을 가정해 보자. 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 배터리 랙 중 1번과 2번 배터리 랙만 충전을 수행하여 평균 충전량을 70%로 증가하라는 마스터 제어 신호를 출력한다. 그러면, 상기 m개의 마스터 BMS(120) 중 1번과 2번 마스터 BMS만 충전을 수행한다. 이 경우에도, 상기 마스터 BMS(120)가 전송한 마스터 제어 신호에는 대상 및 충전량 목표치에 대한 내용만 포함되고, 배터리 팩의 구체적인 제어 또는 수행 방법에 대해서는 포함되지 않을 수 있다. 따라서, 상기 마스터 BMS(120)는 상기 n개의 슬레이브 BMS(110)로부터 수신한 각 배터리 셀의 충전량에 대한 데이터를 참조하여, 어느 배터리 셀의 충전량이 70%이하에 해당하여 충전이 필요한지 판단할 수 있고, 해당하는 배터리 셀의 충전을 제어할 수 있다. 즉, 상기 마스터 BMS(120)는 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)로부터 수신한 마스터 제어 신호에 기초하여 상기 슬레이브 BMS(110)를 제어하는 신호를 상기 슬레이브 통신망(140)을 통해서 출력할 수 있다. 본 명세서에서는 상기 마스터 BMS(120)가 출력하는 제어 신호를 '슬레이브 제어 신호'라고 명명한다.
상기 예시와 같이, 상위 BMS는 하위 BMS에게 제어 신호를 출력할 때 구체적인 제어 방법 또는 제어 대상에 대해서는 하위 BMS에게 위임하는 방식으로 제어 신호를 출력할 수 있다. 이와 같은 제어 신호의 출력은 데이터 가공을 통해서 하위 BMS에서 상위 BMS에게 전송하는 데이터량을 줄인 것과 대응이 된다. 즉, 전력 저장 시스템(100)의 운영 과정에서 상위 BMS에게 인가되는 부담을 줄일 수 있어서, 보다 신속하고 유연한 운영이 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 팩(200)의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 상기 배터리 팩(200)은 복수 개의 배터리 셀(211)이 집합된 배터리 모듈(210), 배터리 팩 케이스(220) 및 BMS(230, Battery Management System)를 포함한다. 상기 BMS(230)는 충방전 전류, 각 셀(211)의 전압을 포함한 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge)의 추정 등을 포함하여 당업자 수준에서 적용 가능한 다양한 제어 기능을 수행한다. 본 발명에 따른 전력 저장 시스템(100)의 기본 단위가 배터리 팩인 경우, 상기 BMS(230)가 슬레이브 BMS에 해당한다. 그러나 상기 배터리 팩(200)은 어디까지 일 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 랙(300)의 구성을 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 배터리 랙(300)은, 3단으로 적층된 각각의 선반(300a, 300b, 300c)에 3 개의 배터리 팩(200)이 수납되는 것으로 도시하였다. 그러나, 이는 하나의 예시일 뿐 배터리 팩(200)의 개수와 선반(300a, 300b, 300c)의 적층 단수는 얼마든지 변경이 가능하다.
상기 배터리 랙(300)에 있어서, 하단(300a)의 배터리 팩(200)들은 전력을 공급하거나 공급받을 수 있는 전력선(310)이 연결된 상태이고, 중간 단(300b)의 배터리 팩(200)들은 선반 장착이 완료된 후 전력선(310)이 아직 연결되지 않은 상태이다. 그리고 맨 상단(300c)의 배터리 팩(200)은 선반 장착 작업이 진행되고 있는 상태를 도시하였다.
상기 전력선(310)은 필요에 따라 모든 또는 일부 배터리 팩(200)에 연결될 수 있고, 배터리 랙(300)의 일부 슬롯(slot)에 배터리 팩(200)이 장착되지 않을 수 있다. 또한, 상기 배터리 랙(300)은 어디까지 일 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
상기 슬레이브 통신망(140) 또는 마스터 통신망(150)은 병렬 통신망 또는 직렬 통신망이 될 수 있다. 도 1에서 상기 슬레이브 통신망(140)은 직렬 통신망으로, 상기 마스터 통신망(150)은 병렬 통신망으로 도시하였으나 이는 일 실시예에 불과하며 상기 실시예에 본 발명이 한정되지 않는다.
상기 슬레이브 통신망(140) 또는 마스터 통신망(150)이 병렬 통신망인 경우, 상기 병렬 통신망은 CAN(Controller Area Network) 통신망이 될 수 있다. CAN 통신망은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 널리 알려진 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 슬레이브 통신망(140) 또는 마스터 통신망(150)이 직렬 통신망인 경우, 상기 직렬 통신망은 데이지 체인(Daisy Chain) 통신망이 될 수 있다. 데이지 체인 통신망 역시 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 널리 알려진 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 배터리 랙에 포함된 배터리 팩들의 연결은 직렬 또는 병렬 관계로 연결될 수 있다. 또한, 상기 배터리 랙들의 연결 관계 역시 직렬 또는 병렬 관계로 연결될 수 있다. 상기 전력 저장 시스템(100)내에 배터리 팩 또는 배터리 랙의 연결 관계는 요구되는 충방전 전력량 또는 출력 전압 등에 의해서 다양하게 연결 관계가 설정될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
이하에서는 상술한 전력 저장 시스템(100)의 동작 메커니즘에 해당하는 전력 저장 시스템의 제어 방법을 개시한다. 다만, 앞서 설명된 전력 저장 시스템(100)의 구성 등에 대한 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력 저장 시스템의 제어 방법의 흐름을 도시한 순서도이다.
먼저 단계 S400에서, 상기 슬레이브 BMS(110)가 자신이 관리하는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 수집한다. 이 때 수집된 전기적 특성값은 배터리 셀의 전압 측정값, 충방전 전류 측정값, 온도 측정값, 충전량 추정값 및 퇴화도 추정값 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고, 단계 S410에서, 상기 슬레이브 BMS(110)가 상기 슬레이브 통신망(140)을 통해 수집된 전기적 특성값에 대한 데이터를 전송한다.
다음 단계 S420에서, 상기 마스터 BMS(120)가 상기 슬레이브 통신망(140)을 통해 전송된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 1차 가공한다. 데이터의 1차 가공은 수신된 데이터 평균값의 산출, 표준편차값의 산출, 미리 설정된 조건에 해당하는 데이터 개수의 산출, 최대값의 산출 및 최소값의 산출 중 적어도 어느 하나의 방식으로 데이터를 가공할 수 있다. 그리고, 단계 S430에서, 상기 마스터 BMS(120)가 상기 마스터 통신망(150)을 통해 가공된 데이터를 전송한다.
다음 단계 S430에서, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 상기 마스터 통신망(150)을 통해 전송된 데이터를 수신한다. 그리고, 단계 S440에서, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)가 수신된 데이터를 2차 가공한다. 상기 슈퍼 마스터 BMS(130) 역시 수신된 데이터 평균값의 산출, 표준편차값의 산출, 미리 설정된 조건에 해당하는 데이터 개수의 산출, 최대값의 산출 및 최소값의 산출 중 적어도 어느 하나의 방식으로 데이터를 가공할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 저장 시스템의 제어 방법은 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)가 2차 가공된 데이터를 외부 모니터링 장치(160)에 전송하는 단계 S450를 더 포함할 수 있다. 외부 모니터링 장치(160)에 대해서는 이미 상술하였기 때문에 반복적인 설명은 생략한다.
이 경우, 다음 단계 S460에서, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 상기 외부 모니터링 장치(160)로부터 제2차 가공된 데이터를 기초로 생성된 제어 신호를 수신한다. 그리고, 단계 S470에서, 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)는 상기 외부 모니터링 장치(160)로부터 수신한 제어 신호에 기초하여 상기 마스터 BMS(120)를 제어하는 마스터 제어 신호를 상기 마스터 통신망(150)을 통해 출력한다. 또한, 단계 S480에서, 상시 마스터 BMS(120)가 상기 슈퍼 마스터 BMS(130)로부터 수신한 마스터 제어 신호에 기초하여 상기 슬레이브 BMS(110)를 제어하는 슬레이브 제어 신호를 상기 슬레이브 통신망(140)을 통해 출력한다. 상기 마스터 제어 신호 및 슬레이브 제어 신호에 대해서는 이미 상술한바 반복적인 설명은 생략한다.
본 발명에 따르면, 각 슬레이브 BMS에서 전달한 데이터를 마스터 BMS에서 가공 처리할 수 있으므로 통신 선로 상의 데이터량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 전력 저장 시스템의 용량이 증가하여도 빠른 데이터 수집 및 제어가 가능하다. 또한, 전력 저장 시스템을 구성하는 전력저장용 단위 랙에 포함된 다수의 셀 모듈에 대응하는 모듈화된 BMS의 효율적인 통합 관리가 가능하고 전력저장 시스템의 통합 관리를 수행하는 외부 모니터링 수단의 부하를 분산 및 경감시킬 수 있다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 도 1에 도시된 본 발명에 따른 전력 저장 시스템의 각 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관하게 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 전력 저장 시스템 110 : 슬레이브 BMS
120 : 마스터 BMS 130 : 슈퍼 마스터 BMS
140 : 슬레이브 통신망 150 : 마스터 통신망
160 : 외부 모니터링 장치 200 : 배터리 팩
210 : 배터리 모듈 211 : 배터리 셀
220 : 배터리 팩 케이스 230 : BMS
300 : 배터리 랙 310 : 전력선

Claims (10)

  1. 자신이 관리하는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 슬레이브 통신망을 통해 전송하는 n개의 슬레이브 BMS;
    상기 슬레이브 통신망을 통해 전송된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 1차 가공하여 데이터량을 감소시킨 다음 데이터량이 감소된 데이터를 마스터 통신망을 통해 전송하는 m개의 마스터 BMS; 및
    상기 마스터 통신망을 통해 전송된 상기 데이터량이 감소된 데이터를 2차 가공하는 슈퍼 마스터 BMS;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기적 특성값은 배터리 셀의 전압 측정값, 충방전 전류 측정값, 온도 측정값, 충전량 추정값 및 퇴화도 추정값 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 BMS 또는 상기 슈퍼 마스터 BMS는 수신된 데이터 평균값의 산출, 표준편차값의 산출, 미리 설정된 조건에 해당하는 데이터 개수의 산출, 최대값의 산출 및 최소값의 산출 중 적어도 어느 하나의 방식으로 데이터를 가공하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 BMS는 상기 n개의 슬레이브 BMS 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼 마스터 BMS는 상기 m개의 마스터 BMS 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
  6. n개의 슬레이브 BMS, m개의 마스터 BMS 및 슈퍼 마스터 BMS를 포함하는 전력 저장 시스템의 제어 방법에 있어서,
    (a) 상기 n개의 슬레이브 BMS가 자신이 관리하는 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 슬레이브 통신망을 통해 전송하는 단계;
    (b) 상기 m개의 마스터 BMS가 상기 슬레이브 통신망을 통해 전송된 배터리 셀들의 전기적 특성값에 대한 데이터를 1차 가공하여 데이터량을 감소시킨 다음 데이터량이 감소된 데이터를 마스터 통신망을 통해 전송하는 단계; 및
    (c) 상기 슈퍼 마스터 BMS가 상기 마스터 통신망을 통해 전송된 상기 데이터량이 감소된 데이터를 2차 가공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전기적 특성값은 배터리 셀의 전압 측정값, 충방전 전류 측정값, 온도 측정값, 충전량 추정값 및 퇴화도 추정값 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 마스터 BMS 또는 상기 슈퍼 마스터 BMS는 수신된 데이터 평균값의 산출, 표준편차값의 산출, 미리 설정된 조건에 해당하는 데이터 개수의 산출, 최대값의 산출 및 최소값의 산출 중 적어도 어느 하나의 방식으로 데이터를 가공하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 마스터 BMS는 상기 n개의 슬레이브 BMS 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 슈퍼 마스터 BMS는 상기 m개의 마스터 BMS 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어 방법.
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