KR101483517B1 - Apparatus for controlling charging and discharging of batterry in step down converter for dc power grid - Google Patents

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KR101483517B1 KR20130099149A KR20130099149A KR101483517B1 KR 101483517 B1 KR101483517 B1 KR 101483517B1 KR 20130099149 A KR20130099149 A KR 20130099149A KR 20130099149 A KR20130099149 A KR 20130099149A KR 101483517 B1 KR101483517 B1 KR 101483517B1
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Abstract

Provided is a step down battery charging and discharging control device for a DC power system. The step down battery charging and discharging control device for the DC power system comprises; battery modules; a DC power system which supplies DC voltage to the battery modules; a plurality of converter modules which are arranged between the battery modules and the DC power system and controls the charge of the battery modules from the DC power system and the discharge to the DC power system from the battery modules and are connected in series. Each of the converter modules is paratactically connected to each of the battery modules on by one and comprises an inductor and upper and lower switching elements which are connected in series. The battery modules are charged and discharged by using the inductor according to the turn-on sequence of the upper and lower switching elements. Therefore, the charge and discharge of the battery module can be controlled effectively rapidly without a complex power conversion process and voltage imbalance between the battery modules can be solved.

Description

ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING CHARGING AND DISCHARGING OF BATTERRY IN STEP DOWN CONVERTER FOR DC POWER GRID}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a battery charge / discharge control device for a DC power system,

본 출원은 DC 전력 계통에 연결된 다수의 배터리 모듈들의 충방전을 제어하기 위한 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to an apparatus for controlling charge and discharge of a plurality of battery modules connected to a DC power system.

일반적으로, 전력 저장 장치는 신재생 에너지의 확대 보급을 위해 필수적으로 요구되는 장치의 하나로, 전력 저장 장치의 단위 배터리 모듈의 전압은 1.2V~3.7V 정도로 낮으므로, 직렬 연결을 통해 필요한 전압을 발생시킨다. 그리고 전원 변환 장치는, 계통 전원과 배터리 모듈 사이에 구비되어 계통 전원과 배터리 간의 전원 변환을 통해 배터리를 충전하거나 방전시키는 장치를 말한다.
Generally, the power storage device is one of the devices required to expand and distribute renewable energy. Since the voltage of the unit battery module of the power storage device is as low as 1.2V to 3.7V, the necessary voltage is generated through the serial connection . The power conversion device is provided between the system power source and the battery module to charge or discharge the battery through power conversion between the system power source and the battery.

도 1에는 특허 문헌(한국공개번호 제2011-0068690호)에 기재된 종래 전원 변환 장치가 도시되어 있다.
FIG. 1 shows a conventional power conversion apparatus disclosed in Patent Document (Korean Patent Publication No. 2011-0068690).

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전원 변환 장치는, 재충전 가능한 다수의 배터리(180)와, 다수의 배터리(180)에 각각 병렬로 연결된 양방향 컨버터(200)와, 양방향 컨버터에 각각 병렬로 연결된 DC 링크(130)와, DC 링크(130)에 각각 병렬로 연결된 동시에 교류 전력 계통(170)에 연결된 양방향 인버터(140)를 포함한다.
As shown in FIG. 1, the conventional power conversion apparatus includes a plurality of rechargeable batteries 180, a bidirectional converter 200 connected in parallel to each of the plurality of batteries 180, and a bidirectional converter 200 connected in parallel to the bidirectional converter And a bi-directional inverter 140 connected in parallel to the DC link 130 and connected to the AC power system 170, respectively.

상술한 구성을 가진 종래의 전원 변환 장치는, (ⅰ) 배터리(180)의 방전시 양방향 컨버터(200)는 배터리(180)의 직류 전원을 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하여 DC 링크(130)에 제공하며, 양방향 인버터(140)는 DC 링크(130)로부터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 교류 전력 계통(170)에 제공한다. 또한, (ⅱ) 배터리(180)의 충전시에, 양방향 인버터(140)는, 교류 전력 계통(170)으로부터의 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 DC 링크(130)에 제공하며, 양방향 컨버터(200)는 DC 링크(130)의 직류 전원을 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하여 배터리(180)에 제공하도록 구성된다.
The conventional power conversion apparatus having the above-described configuration is configured such that (i) when the battery 180 is discharged, the bidirectional converter 200 converts the DC power of the battery 180 to a DC power of another level, And the bidirectional inverter 140 converts the DC power from the DC link 130 to AC power and supplies the AC power to the AC power system 170. The bidirectional inverter 140 converts the AC power from the AC power system 170 to DC power and supplies the DC power to the DC link 130 and the bidirectional converter 200 Is configured to convert the DC power of the DC link 130 to a DC power of another level and provide it to the battery 180. [

하지만, 상술한 특허 문헌은 입력되는 교류 전원을 직류로 변환한 후 다시 다른 레벨의 직류 전원으로 변환하여 충전하여야 하는 등 복잡한 전원 변환 과정을 거쳐야 하며, 단위 배터리 모듈들간 전압 불균형이 발생할 경우 이를 해소하지 못하는 문제점이 있다.
However, the above-described patent documents must undergo a complex power conversion process, such as converting an input AC power source into a DC power and then converting the DC power source to a DC power source of a different level and charging it. In the event of voltage imbalance between unit battery modules, There is a problem that can not be done.

한국공개번호 제2011-0068690호Korea Publication No. 2011-0068690

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 복잡한 전원 변환 과정 없이도 배터리 모듈의 충방전을 효율적이고 신속하게 제어할 수 있는 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치를 제공한다.
According to one embodiment of the present invention, there is provided a step-down type battery charge / discharge controller for a DC power system capable of efficiently and rapidly controlling charge / discharge of a battery module without complicated power conversion process.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 배터리 모듈의 충전 상태에 따라 해당 배터리 모듈을 개별적으로 제어함으로써, 배터리 모듈들간 전압 불균형을 해소할 수 있는 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치를 제공한다.
According to an embodiment of the present invention, there is provided a DC / DC voltage battery charge / discharge control device capable of solving the voltage imbalance between battery modules by separately controlling the corresponding battery modules according to the charged state of the battery module do.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 배터리 모듈들; 상기 배터리 모듈들에 직류 전압을 공급하는 DC 전력 계통; 및 상기 배터리 모듈들과 상기 DC 전력 계통 사이에 배치되어, 상기 DC 전력 계통으로부터 상기 배터리 모듈들로의 충전 및 상기 배터리 모듈들로부터 상기 DC 전력 계통으로의 방전을 제어하는, 직렬 연결된 복수개의 컨버터 모듈을 포함하며, 상기 컨버터 모듈 각각은, 상기 배터리 모듈들 각각에 일대일로 병렬 연결되고, 인덕터, 직렬 연결된 상부 스위칭 소자 및 하부 스위칭 소자를 구비하며, 상기 상부 스위칭 소자와 상기 하부 스위칭 소자의 턴온 순서에 따라, 상기 인덕터를 이용하여 상기 배터리 모듈들을 충전 또는 방전시키는 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치를 제공한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a battery module comprising: battery modules; A DC power system for supplying a DC voltage to the battery modules; And a plurality of converter modules disposed between the battery modules and the DC power system for controlling charging from the DC power system to the battery modules and discharging from the battery modules to the DC power system, Wherein each of the converter modules is connected in parallel to each of the battery modules in a one-to-one manner and includes an inductor, an upper switching element and a lower switching element connected in series, Accordingly, there is provided a DC / DC battery charge / discharge control device for charging or discharging the battery modules using the inductor.

본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 배터리 모듈들 각각의 전압의 크기는, 미리 정해진 최소값과 최대값 사이의 값을 가지며, 상기 DC 전력 계통의 직류 전압은, 상기 배터리 모듈들 각각의 전압의 최대값의 합보다 적어도 1.1배 이상일 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, the magnitude of the voltage of each of the battery modules has a value between a predetermined minimum value and a maximum value, and the DC voltage of the DC power system is a maximum value of the voltage of each of the battery modules Gt; 1.1 times < / RTI >

본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 상부 스위칭 소자가 턴온되는 제1 충전 구간 동안 상기 DC 전력 계통의 직류 전압과 상기 배터리 모듈들 각각의 전압의 합의 차에 기초한 에너지가 상기 인덕터에 저장되며, 상기 하부 스위칭 소자의 턴온되는 제2 충전 구간 동안 상기 인덕터에 저장된 에너지에 의해 상기 배터리 모듈들이 충전될 수 있다.
According to the embodiment of the present invention, the energy based on the difference between the DC voltage of the DC power system and the sum of the voltages of the battery modules during the first charging period in which the upper switching element is turned on is stored in the inductor, The battery modules may be charged by the energy stored in the inductor during a second charging period during which the switching device is turned on.

본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 하부 스위칭 소자가 턴온되는 제1 방전 구간 동안 상기 배터리 모듈들 각각의 전압에 기초한 에너지가 상기 인덕터에 저장되며, 상기 하부 스위칭 소자의 턴온되는 제2 방전 구간 동안 상기 인덕터에 저장된 에너지가 상기 DC 전력 계통으로 방전될 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, energy based on the voltage of each of the battery modules is stored in the inductor during a first discharge interval during which the lower switching device is turned on, and during the second discharge interval during which the lower switching device is turned on, Energy stored in the inductor can be discharged to the DC power system.

본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 배터리 충방전 제어 장치는, 상기 배터리 모듈들 각각의 충전 상태(State Of Charge, SOC)를 연산하는 배터리 관리 유닛; 및 상기 충전 상태에 기초하여, 상기 배터리 모듈들 각각의 충방전을 제어하는 충방전 제어부를 더 포함할 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, the battery charge / discharge control device includes a battery management unit for calculating a state of charge (SOC) of each of the battery modules; And a charge / discharge control unit for controlling charge / discharge of each of the battery modules based on the charge state.

본 발명의 실시 형태에 의하면, 상기 충방전 제어부는, 상기 충전 상태에 기초하여, 상기 제1 방전 구간의 전체 구간 중 일부 구간 동안 상기 하부 스위칭 소자를 턴오프시키거나, 상기 제1 방전 구간을 증가시킬 수 있다.
According to the embodiment of the present invention, the charge / discharge control unit may control the charge / discharge control unit to turn off the lower switching element during a part of the entire section of the first discharge interval, or to increase the first discharge interval .

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 배터리 모듈들 각각에 일대일로 병렬 연결된 컨버터 모듈의 상부 스위칭 소자와 하부 스위칭 소자의 스위칭 순서만을 변경시킴으로써, 복잡한 전원 변환 과정 없이도 배터리 모듈의 충방전을 효율적이고 신속하게 제어할 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, by only changing the switching order of the upper switching element and the lower switching element of the converter module connected in parallel on a one-to-one basis to each of the battery modules, charging and discharging of the battery module can be performed efficiently and quickly Can be controlled.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 배터리 모듈의 충전 상태에 따라 해당 배터리 모듈을 개별적으로 제어함으로써, 배터리 모듈들간 전압 불균형을 해소할 수 있다.
In addition, according to the embodiment of the present invention, the voltage imbalance between the battery modules can be solved by individually controlling the battery modules according to the charged state of the battery modules.

도 1은 종래 특허문헌에 기재된 전원 변환 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치의 구성도이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치의 충전 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치의 방전 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.1 is a block diagram of a power conversion apparatus disclosed in the prior art.
2 is a configuration diagram of a step-down type battery charge / discharge control device for a DC power system according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining a charging control process of a step-down type battery charge / discharge control device for a DC power system according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 4A to 4D are diagrams for explaining a discharge control process of the step-down type battery charge / discharge controller for a DC power system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 출원의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present application is not limited to the embodiments described below. The shape and the size of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity and the same elements are denoted by the same reference numerals in the drawings.

도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치의 구성도이다.
2 is a configuration diagram of a step-down type battery charge / discharge control device for a DC power system according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에 따른 배터리 충방전 제어 장치는 복수개의 배터리 모듈들(211 ~ 21N)을 포함하는 배터리부(210)와, 배터리 모듈들(211 ~ 21N)에 직류 전압을 공급하는 DC 전력 계통(DC grid+, DC grid-)과, 배터리 모듈들(211 ~ 21N)과 DC 전력 계통(DC grid+, DC grid-) 사이에 배치되어, DC 전력 계통(DC grid+, DC grid-)으로부터 배터리 모듈들(211 ~ 21N)로의 충전 및 배터리 모듈들(211 ~ 21N)로부터 DC 전력 계통(DC grid+, DC grid-)으로의 방전을 제어하는, 컨버터 모듈(221 ~ 22N)을 복수개 구비한 컨버터부(220)를 포함하며, 컨버터 모듈(221 ~ 22N) 각각은, 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각에 일대일로 병렬 연결되고, 인덕터(L1 ~ LN), 직렬 연결된 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T) 및 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)를 구비하며, 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T)와 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)의 턴온 순서에 따라, 인덕터(L1 ~ LN)를 이용하여 배터리 모듈들(211 ~ 21N)을 충전 또는 방전시킬 수 있다.
2, the battery charge / discharge control device according to the embodiment of the present invention includes a battery unit 210 including a plurality of battery modules 211 to 21N, DC power system (DC grid +, DC grid-), DC power system (DC grid +, DC grid-) which are disposed between the battery modules 211 to 21N and DC power systems (DC grid + Converter modules 221 to 22N for controlling the charging from the DC grid- to the battery modules 211 to 21N and the discharging from the battery modules 211 to 21N to the DC power system (DC grid +, DC grid-) Each of the converter modules 221 to 22N is connected in parallel to each of the battery modules 211 to 21N in a one-to-one fashion and includes inductors L1 to LN, And the lower switching elements S1_B to SN_B and the upper switching elements S1_T to SN_T and the lower switching elements S1_B to SN_B, The inductors L1 to LN can be used to charge or discharge the battery modules 211 to 21N according to the turn-on sequence of the battery modules 211 to 21N.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치를 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a description will be given in detail of a step-down type battery charge / discharge control device for a DC power system according to an embodiment of the present invention with reference to FIG.

도 2를 참조하면, DC 전력 계통(DC grid+, DC grid-)은, 배터리 모듈들(211 ~ 21N)에 직류 형태의 전압을 공급할 수 있다.
Referring to FIG. 2, the DC power system (DC grid +, DC grid-) can supply a DC voltage to the battery modules 211 to 21N.

배터리부(210)는, 복수개의 배터리 모듈들(211 ~ 21N)을 포함할 수 있으며, 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각의 전압은 1.2V(최저값) ~ 3.7V(최대값) 사이의 값을 가질 수 있다. 특히 본 발명의 실시 형태에 의하면, DC 전력 계통(DC grid+, DC grid-)의 전압은 복수개의 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각의 전압의 최대값의 합보다 적어도 1.1배 이상인 경우에 적용될 수 있다. 다만, 상술한 구체적인 수치들, 1.2V, 3.7V, 1.1배는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 실시 형태에 따라서는 다른 값이 적용될 수 있을 것이다.
The battery unit 210 may include a plurality of battery modules 211 to 21N and the voltage of each of the battery modules 211 to 21N may be set to a value between 1.2V (lowest value) and 3.7V Lt; / RTI > Particularly, according to the embodiment of the present invention, the voltage of the DC power system (DC grid +, DC grid-) can be applied when the voltage is at least 1.1 times the sum of the maximum values of the voltages of the plurality of battery modules 211 to 21N have. However, the above specific values, 1.2 V, 3.7 V, and 1.1 times are intended to aid understanding of the present invention, and other values may be applied depending on the embodiment.

컨버터부(220)는 복수개의 컨버터 모듈(221 ~ 22N)로 이루어지며, 각각의 컨버터 모듈(221 ~ 22N)은, 배터리 모듈들(211 ~ 21N)과 DC 전력 계통(DC grid+, DC grid-) 사이에 배치되며, 충방전 제어부(240)로부터 인가된 스위칭 신호(S1 ~ SN)에 따라 DC 전력 계통(DC grid+, DC grid-)으로부터 배터리 모듈들(211 ~ 21N)로의 충전 및 배터리 모듈들(211 ~ 21N)로부터 DC 전력 계통(DC grid+, DC grid-)으로의 방전을 제어할 수 있다. 여기서, 스위칭 신호(S1 ~ SN) 각각은 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T)를 온오프시키기 위한 상부 스위칭 신호와 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)를 온오프시키기 위한 하부 스위칭 신호를 포함할 수 있다.
The converter unit 220 is composed of a plurality of converter modules 221 to 22N and each of the converter modules 221 to 22N is connected to the DC power system (DC grid +, DC grid-) and the battery modules 211 to 21N, Charging from the DC power system (DC grid +, DC grid-) to the battery modules 211 to 21N in accordance with the switching signals S1 to SN applied from the charging / discharging control unit 240, 211 to 21N) to the DC power system (DC grid +, DC grid-). Each of the switching signals S1 to SN may include an upper switching signal for turning on and off the upper switching elements S1_T to SN_T and a lower switching signal for turning on and off the lower switching elements S1_B to SN_B.

구체적으로, 각각의 컨버터 모듈(221 ~ 22N) 각각은, 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각에 일대일로 병렬 연결되고, 직렬 연결된 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T) 및 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B), 그리고 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T) 및 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)의 접점에 연결된 인덕터(L1 ~ LN)를 포함하는 하프 브리지 타입의 컨버터일 수 있으며, 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T)와 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)의 턴온 순서에 따라, 인덕터(L1 ~ LN)를 이용하여 배터리 모듈들(211 ~ 21N)을 충전 또는 방전시킬 수 있다.
Specifically, each of the converter modules 221 to 22N is connected in parallel to each of the battery modules 211 to 21N in a one-to-one manner, and the upper switching elements S1_T to SN_T and the lower switching elements S1_B to SN_B, Bridge type converter including inductors L1 to LN connected to the contacts of the upper switching elements S1_T to SN_T and the lower switching elements S1_B to SN_B and the upper switching elements S1_T to SN_T and The inductors L1 to LN can be used to charge or discharge the battery modules 211 to 21N according to the turn-on sequence of the lower switching elements S1_B to SN_B.

한편, 상술한 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T)와 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B) 각각은 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등과 같은 반도체 스위칭 소자로, 기생 성분인 바디 다이오드(D1_T ~ DN_T, D1_B ~ DN_B)를 포함할 수 있다.
Each of the upper switching elements S1_T to SN_T and the lower switching elements S1_B to SN_B is a semiconductor switching element such as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), and the body diodes D1_T to DN_T and D1_B ~ DN_B).

배터리 관리부(230)는, 복수개의 배터리 관리 유닛들(Battery Management Units)(231 ~ 23N)을 포함하며, 각각의 배터리 관리 유닛들(231 ~ 23N)은 복수개의 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각의 전압, 온도 등을 입력받아 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각의 충전 상태(State Of Charge, SOC)를 연산할 수 있다. 연산된 충전 상상태(SOC1 ~ SOCN)는 충방전 제어부(240)로 전달될 수 있다. 도 2에서는 각 배터리 모듈(211 ~ 21N) 당 하나씩의 배터리 관리 유닛(231 ~ 23N)을 도시하고 있으나, 이는 일 실시 형태에 불과할 뿐, 배터리 관리 유닛(231 ~ 23N)을 하나의 배터리 관리 유닛으로 대체할 수도 있음에 유의하여야 한다.
The battery management unit 230 includes a plurality of battery management units 231 to 23N and each of the battery management units 231 to 23N includes a plurality of battery modules 211 to 21N And the state of charge (SOC) of each of the battery modules 211 to 21N can be calculated. The calculated charged phase states SOC1 to SOCN may be transmitted to the charge and discharge control unit 240. [ Although FIG. 2 shows one battery management units 231 to 23N for each of the battery modules 211 to 21N, this is merely an embodiment, and the battery management units 231 to 23N may be referred to as a single battery management unit It should be noted that it may be replaced.

마지막으로, 충방전 제어부(240)는, 배터리 관리 유닛들(231 ~ 23N)로부터 전달받은 배터리 모듈들(211 ~ 21N)의 SOC에 기초하여, 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T) 또는 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)의 온오프를 제어함으로써, 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각의 충방전을 제어할 수 있다.
Finally, the charging / discharging control unit 240 controls the charging / discharging control unit 240 based on the SOCs of the battery modules 211 to 21N received from the battery management units 231 to 23N and the upper switching devices S1_T to SN_T or the lower switching devices Off of the battery modules 211 to 21N can be controlled by controlling the ON / OFF states of the battery modules 211 to 21N.

한편, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치의 충전 제어 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치의 방전 제어 과정을 설명하기 위한 도면이다.
3A to 3C are diagrams for explaining a charging control process of the step-down type battery charge / discharge control device for a DC power system according to an embodiment of the present invention. FIGS. 4A to 4D are views FIG. 4 is a diagram illustrating a discharge control process of the step-down type battery charge / discharge controller for a DC power system according to an embodiment of the present invention.

이하에서는, 도 2 내지 도 4d를 참조하여, 본 발명의 일실시 형태에 따른 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치의 동작 원리를 충전 제어 과정과 방전 제어 과정으로 나누어 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the operation principle of the step-down type battery charge / discharge controller for a DC power system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2 to FIG. 4D by dividing it into a charge control process and a discharge control process.

1. 충전 제어 과정1. Charge control process

이하 본 발명의 일실시 형태에 따른 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치의 방전 제어 과정을 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a discharge control process of the step-down type battery charge / discharge controller for a DC power system according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

우선, 도 2 및 도 3a에 도시된 바와 같이, 충방전 제어부(240)는 배터리 관리부(230)로부터 복수개의 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각의 SOC(State Of Charge)를 전달받아 실시간으로 모니터링하고 있다. 충전이 필요하다고 판단되면, 충방전 제어부(240)는, 상부 스위칭 신호(턴온 신호)를 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T)로 인가함으로써, 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T)를 턴온시킬 수 있다(이때 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)는 턴오프임).
2 and 3A, the charge / discharge control unit 240 receives SOC (State Of Charge) of each of the plurality of battery modules 211 to 21N from the battery management unit 230, . Discharge control section 240 can turn on the upper switching elements S1_T to SN_T by applying the upper switching signal (turn-on signal) to the upper switching elements S1_T to SN_T And the lower switching elements S1_B to SN_B are turned off).

상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T)가 턴온되는 제1 충전 구간 동안 DC 전력 계통(DC grid+, DC grid-)의 전압과 복수개의 배터리 모듈들(211~21N) 각각의 전압의 합의 차에 기초한 에너지가 각각의 인덕터(L1 ~ LN)에 저장됨과 동시에 배터리 모듈들(211~21N)이 충전될 수 있다. 구체적으로, 전류의 경로는 도면부호 301에 도시된 바와 같으며, 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T)의 턴온 구간 동안 전류는 일정한 기울기를 가지고 증가하게 된다. 이때, 증가되는 전류의 기울기는 DC 전력 계통(DC grid+, DC grid-)의 전압과 복수개의 배터리 모듈들(211~21N) 각각의 전압의 합의 차와 인덕터(L1 ~ LN)의 값에 따라 결정될 수 있다.
The energy based on the difference between the voltage of the DC power system (DC grid +, DC grid-) and the voltage of each of the plurality of battery modules 211 to 21N during the first charging period in which the upper switching elements S1_T to SN_T are turned on The battery modules 211 to 21N can be charged while being stored in the respective inductors L1 to LN. Specifically, the path of the current is as shown by reference numeral 301, and the current increases with a constant slope during the turn-on period of the upper switching elements S1_T to SN_T. At this time, the slope of the increased current is determined according to the difference between the voltage of the DC power system (DC grid +, DC grid-) and the sum of the voltages of the plurality of battery modules 211 to 21N and the values of the inductors L1 to LN .

이후, 도 2 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 충방전 제어부(240)는 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T)를 턴오프(하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)는 여전히 턴오프 상태임)시킬 수 있다. 이때 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T)를 턴오프되는 제2 충전 구간 동안, 인덕터(L1 ~ LN)에 저장된 에너지에 의해 배터리 모듈들(211~21N)이 추가 충전될 수 있다. 이때. 전류의 경로는, 도면부호 302 도시된 바와 같이, 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)의 바디 다이오드(D1_B ~ DN_B)를 통해 흐를 수 있다.
2 and 3B, the charge / discharge control unit 240 may turn off the upper switching elements S1_T to SN_T (the lower switching elements S1_B to SN_B are still in the turned off state) . At this time, the battery modules 211 to 21N can be additionally charged by the energy stored in the inductors L1 to LN during the second charging period in which the upper switching elements S1_T to SN_T are turned off. At this time. The path of the current may flow through the body diodes D1_B to DN_B of the lower switching elements S1_B to SN_B, as shown at 302.

2. 방전 제어 과정2. Discharge control process

이하 본 발명의 일실시 형태에 따른 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치의 방전 제어 과정을 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a discharge control process of the step-down type battery charge / discharge controller for a DC power system according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

우선, 도 2 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 충방전 제어부(240)는 배터리 관리부(230)로부터 복수개의 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각의 SOC(State Of Charge)를 전달받아 실시간으로 모니터링하고 있다. 방전이 필요하다고 판단되면, 충방전 제어부(240)는, 하부 스위칭 신호(턴온신호)를 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)로 인가함으로써, 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)를 턴온시킬 수 있다(이때 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T)는 턴오프임). 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)가 턴온되는 제1 방전 구간 동안 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각의 전압에 기초한 에너지가 인덕터(L1 ~ LN)에 저장될 수 있다. 구체적으로, 전류의 경로는 도면부호 401에 도시된 바와 같으며, 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)가 턴온되는 제1 방전 구간 동안 전류는 일정한 기울기를 가지고 증가하게 된다. 이때, 증가되는 전류의 기울기는 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각의 전압과 인덕터(L1 ~ LN)의 값에 따라 결정될 수 있다.
2 and 4A, the charge and discharge control unit 240 receives SOC (State Of Charge) of each of the plurality of battery modules 211 to 21N from the battery management unit 230, . Discharge control section 240 can turn on the lower switching elements S1_B to SN_B by applying the lower switching signal (turn-on signal) to the lower switching elements S1_B to SN_B The upper switching elements S1_T to SN_T are turned off). The energy based on the voltage of each of the battery modules 211 to 21N may be stored in the inductors L1 to LN during the first discharge period in which the lower switching elements S1_B to SN_B are turned on. Specifically, the current path is as shown at 401, and the current increases with a constant slope during the first discharge period in which the lower switching elements S1_B to SN_B are turned on. At this time, the slope of the increased current may be determined according to the voltage of each of the battery modules 211 to 21N and the value of the inductors L1 to LN.

이후, 도 2 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 충방전 제어부(240)는 하부 스위칭 신호(턴오프신호)를 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)로 인가함으로써, 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)를 턴오프시킬 수 있다(이때 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T)는 여전히 턴오프임). 이에 따라 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)가 턴오프되는 제2 방전 구간 동안 인덕터(L1 ~ LN)에 저장된 에너지는 DC 전력 계통(DC grid+, DC grid-)으로 전달될 수 있다. 구체적으로, 전류의 경로는 도면부호 402 도시된 바와 같이 상부 스위칭 소자(S1_T ~ SN_T)의 바디 다이오드(D1_T ~ DN_T)를 통해 흐를 수 있다.
2 and 4B, the charging / discharging control unit 240 applies the lower switching signal (turn-off signal) to the lower switching devices S1_B to SN_B so that the lower switching devices S1_B to SN_B (The upper switching elements S1_T to SN_T are still turned off). Accordingly, the energy stored in the inductors L1 to LN during the second discharge period during which the lower switching elements S1_B to SN_B are turned off can be transferred to the DC power system (DC grid +, DC grid-). Specifically, the path of the current may flow through the body diodes D1_T to DN_T of the upper switching elements S1_T to SN_T, as shown at 402.

한편, 도 4c는, 특정 배터리 모듈(212)이 낮은 충전 상태(SOC)를 가진 것으로 판단되는 경우, 방전 제어 과정 중 특정 배터리 모듈(212)의 과방전을 제한하기 위한 과정이다. 즉, 특정 배터리 모듈(212)의 충전 상태가 낮은 경우, 충방전 제어부(240)는, 도 4a에 도시된 제1 방전 구간 중 일부 구간(즉, 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)가 턴온 상태인 구간 중 일부 구간)동안 충전 상태가 낮은 특정 배터리 모듈(212)에 병렬 연결된 컨버터(222)의 하부 스위칭 소자(S2_B)를 턴오프시킬 수 있다. 이에 따라 충전 상태가 낮은 배터리 모듈(212)의 방전량을 줄일 수 있어 전체 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각의 충전 상태를 균등하게 제어할 수 있다.
4C is a process for limiting over discharge of a specific battery module 212 during a discharge control process when it is determined that the specific battery module 212 has a low state of charge (SOC). That is, when the charge state of the specific battery module 212 is low, the charge / discharge control unit 240 determines that the charge / discharge control unit 240 is in a state in which a part of the first discharge interval shown in FIG. 4A (i.e., the lower switching devices S1_B to SN_B) The lower switching device S2_B of the converter 222 connected in parallel with the specific battery module 212 having a low charging state may be turned off during a certain period of time. Accordingly, the discharge amount of the battery module 212 having a low charge state can be reduced, and the charge state of each of the battery modules 211 to 21N can be controlled evenly.

마지막으로, 도 4d는, 특정 배터리 모듈(212)이 높은 충전 상태(SOC)를 가진 것으로 판단되는 경우로, 방전시 다른 배터리 모듈보다 더 많이 방전되도록 함으로써, 전체 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각의 충전 상태를 균등하게 제어하기 위한 방법이다.
Lastly, FIG. 4D shows a case where the specific battery module 212 is judged to have a high state of charge (SOC) and discharges more than other battery modules at the time of discharging, so that each of all the battery modules 211 to 21N In order to uniformly control the state of charge of the battery.

즉, 도 4a에 도시된 제1 방전 구간, 즉, 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)가 턴온 상태인 제1 방전 구간을 다른 배터리 모듈들보다 많이 가져감(즉, 다른 배터리 모듈들의 제1 방전 구간이 종료된 이후에도 일정 시간 동안 하부 스위칭 소자(S1_B ~ SN_B)가 턴온 상태가 유지되도록 함)으로써, 이후의 제2 방전 구간 동안 배터리 모듈(212)로부터 더욱 많은 양이 방전되도록 함으로써, 전체 배터리 모듈들(211 ~ 21N) 각각의 충전 상태를 균등하게 제어할 수 있다
That is, the first discharge period shown in FIG. 4A, that is, the first discharge period in which the lower switching devices S1_B to SN_B are turned on, is taken more than other battery modules (i.e., The lower switching elements S1_B to SN_B are kept turned on for a certain period of time after the completion of the second discharging period) so that the battery modules 212 are discharged from the battery module 212 during the subsequent second discharging period, It is possible to control the charging states of the respective batteries 211 to 21N evenly

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 배터리 모듈들 각각에 일대일로 병렬 연결된 컨버터 모듈의 상부 스위칭 소자와 하부 스위칭 소자의 스위칭 순서만을 변경시킴으로써, 복잡한 전원 변환 과정 없이도 배터리 모듈의 충방전을 효율적이고 신속하게 제어할 수 있다.
As described above, according to the embodiment of the present invention, by only changing the switching order of the upper switching element and the lower switching element of the converter module connected in parallel to each of the battery modules in a one-to-one manner, Can be efficiently and quickly controlled.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 배터리 모듈의 충전 상태에 따라 해당 배터리 모듈을 개별적으로 제어함으로써, 배터리 모듈들간 전압 불균형을 해소할 수 있다.
In addition, according to the embodiment of the present invention, the voltage imbalance between the battery modules can be solved by individually controlling the battery modules according to the charged state of the battery modules.

본 출원은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
The present application is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be self-evident.

130: DC 링크 140: 양방향 인버터
170: 교류 전력 계통 180: 배터리
210: 배터리부 211 ~ 21N: 배터리 모듈
220: 컨버터부 221 ~ 22N: 컨버터 모듈
230: 배터리 관리부 231 ~ 23N: 배터리 관리 유닛
240: 충방전 제어부 S1 ~ S3: 스위칭 신호
SOC1 ~ SOCN: 충전 상태130: DC link 140: Bi-directional inverter
170: AC power system 180: Battery
210: battery units 211 to 21N: battery module
220: Converter section 221 to 22N: Converter module
230: Battery management units 231 to 23N:
240: Charge / discharge control unit S1 to S3:
SOC1 ~ SOCN: Charging status

Claims (6)

배터리 모듈들;
상기 배터리 모듈들에 직류 전압을 공급하는 DC 전력 계통; 및
상기 배터리 모듈들과 상기 DC 전력 계통 사이에 배치되어, 상기 DC 전력 계통으로부터 상기 배터리 모듈들로의 충전 및 상기 배터리 모듈들로부터 상기 DC 전력 계통으로의 방전을 제어하는, 직렬 연결된 복수개의 컨버터 모듈을 포함하며,
상기 컨버터 모듈 각각은,
상기 배터리 모듈들 각각에 일대일로 병렬 연결되고,
인덕터, 직렬 연결된 상부 스위칭 소자 및 하부 스위칭 소자를 구비하며,
상기 상부 스위칭 소자와 상기 하부 스위칭 소자의 턴온 순서에 따라, 상기 인덕터를 이용하여 상기 배터리 모듈들을 충전 또는 방전시키는 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치.
Battery modules;
A DC power system for supplying a DC voltage to the battery modules; And
A plurality of converter modules disposed in series between the battery modules and the DC power system for controlling charging from the DC power system to the battery modules and discharging from the battery modules to the DC power system, ≪ / RTI &
Each of the converter modules includes:
A plurality of battery modules connected in parallel on a one-to-one basis,
An inductor, an upper switching element connected in series and a lower switching element,
Wherein the inductors are used to charge or discharge the battery modules according to a turn-on sequence of the upper switching device and the lower switching device.
제1항에 있어서,
상기 배터리 모듈들 각각의 전압의 크기는, 미리 정해진 최소값과 최대값 사이의 값을 가지며,
상기 DC 전력 계통의 직류 전압은, 상기 배터리 모듈들 각각의 전압의 최대값의 합보다 적어도 1.1배 이상인 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치.
The method according to claim 1,
The magnitude of the voltage of each of the battery modules has a value between a predetermined minimum value and a maximum value,
Wherein the DC voltage of the DC power system is at least 1.1 times the sum of the maximum values of the voltages of the battery modules.
제1항에 있어서,
상기 상부 스위칭 소자가 턴온되는 제1 충전 구간 동안 상기 DC 전력 계통의 직류 전압과 상기 배터리 모듈들 각각의 전압의 합의 차에 기초한 에너지가 상기 인덕터에 저장되며,
상기 하부 스위칭 소자의 턴온되는 제2 충전 구간 동안 상기 인덕터에 저장된 에너지에 의해 상기 배터리 모듈들이 충전되는 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치.
The method according to claim 1,
Energy is stored in the inductor during a first charging interval during which the upper switching device is turned on, the energy based on a difference between a DC voltage of the DC power system and a sum of voltages of the battery modules,
Wherein the battery modules are charged by the energy stored in the inductor during a second charging period during which the lower switching device is turned on.
제1항에 있어서,
상기 하부 스위칭 소자가 턴온되는 제1 방전 구간 동안 상기 배터리 모듈들 각각의 전압에 기초한 에너지가 상기 인덕터에 저장되며,
상기 하부 스위칭 소자의 턴온되는 제2 방전 구간 동안 상기 인덕터에 저장된 에너지가 상기 DC 전력 계통으로 방전되는 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치.
The method according to claim 1,
The energy based on the voltage of each of the battery modules is stored in the inductor during a first discharge interval during which the lower switching device is turned on,
Wherein the energy stored in the inductor is discharged to the DC power system during a second discharge period during which the lower switching element is turned on.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 배터리 충방전 제어 장치는,
상기 배터리 모듈들 각각의 충전 상태(State Of Charge, SOC)를 연산하는 배터리 관리 유닛; 및
상기 연산된 충전 상태에 기초하여, 상기 배터리 모듈들 각각의 충방전을 제어하는 충방전 제어부를 더 포함하는 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치.
The method according to claim 3 or 4,
The battery charge / discharge control device includes:
A battery management unit for calculating a state of charge (SOC) of each of the battery modules; And
And a charge / discharge controller for controlling charge / discharge of each of the battery modules based on the calculated state of charge.
제4항에 있어서,
상기 충방전 제어부는,
상기 충전 상태에 기초하여, 상기 제1 방전 구간의 전체 구간 중 일부 구간 동안 상기 하부 스위칭 소자를 턴오프시키거나, 상기 제1 방전 구간을 증가시키는 ＤＣ 전력 계통용 강압형 배터리 충방전 제어 장치.5. The method of claim 4,
The charge /
And turns off the lower switching element or increases the first discharge interval for a part of the entire section of the first discharge interval based on the charged state.
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