KR101587333B1 - High reliabel battery energy storage system - Google Patents

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Abstract

안정적이며 신뢰성 있는 충방전 운전이 가능한 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치가 개시된다. 상기 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치는, 상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하며 각각이 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 팩을 포함하는 배터리부; 직류측 입출력단 및 교류측 입출력단을 포함하며, 상기 직류측 입출력단으로 입력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 교류측 입출력단으로 출력하고, 상기 교류측 입출력단으로 입력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류측 입출력단으로 출력하는 양방향 PWM 인버터; 및 제1 입출력단 및 제2 입출력단을 각각 포함하며, 상기 제1 입출력단으로 입력된 직류 전력의 전압을 변환하여 상기 제2 입출력단으로 출력하고, 상기 제2 입출력단으로 입력된 직류 전력의 전압을 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력하는 복수의 절연형 직류-직류 컨버터를 포함한다. 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각의 제1 입출력단은 상기 복수의 배터리 팩 각각에 연결되고, 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각의 제2 입출력단은 상기 양방향 PWM 인버터의 직류측 입출력단에 공통으로 연결되어 상호 병렬 연결구조를 형성하며, 상기 배터리부의 양단은 상기 양방향 PWM 인버터의 상기 직류측 입출력단에 직접 연결된다.A high reliability battery energy storage device capable of stable and reliable charging / discharging operation is disclosed. The high reliability battery energy storage device includes: a battery unit including a plurality of battery packs each including a predetermined number of battery cells mutually connected in series; A DC input / output stage, and an AC input / output stage, wherein DC power input to the DC input / output stage is converted into AC power and output to the AC input / output stage, A bidirectional PWM inverter for converting the power into electric power and outputting it to the DC side input / output stage; And a first input / output terminal and a second input / output terminal, respectively, and converts the voltage of direct current power input to the first input / output terminal and outputs the converted direct current power to the second input / output terminal, And a plurality of insulated DC-DC converters for converting the voltages and outputting the voltages to the first input / output stage. A first input / output terminal of each of the plurality of insulated DC / DC converters is connected to each of the plurality of battery packs, and a second input / output terminal of each of the plurality of insulated DC / DC converters is connected to a DC input / And both ends of the battery unit are directly connected to the DC input / output terminals of the bidirectional PWM inverter.

Description

고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치{HIGH RELIABEL BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM}[0001] HIGH RELIABLE BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM [0002]

본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 배터리 셀에 대한 셀 평형회로를 별도로 구비하지 않고서도 셀 불평형의 문제를 해소함으로써 배터리의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 안정적이며 신뢰성 있는 충방전 운전이 가능한 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an energy storage device, and more particularly, to an energy storage device capable of remarkably improving the lifetime of a battery by solving the problem of cell imbalance without separately providing a cell balancing circuit for a plurality of battery cells, To a high reliability battery energy storage device capable of charge / discharge operation.

일반적으로, PWM(Pulse Width Modulation) 인버터를 이용한 에너지 저장 장치(Energy Storage System: ESS)는, 계통의 전원이 공급되는 동안에는 배터리에 전기에너지를 저장하고, 계통의 전원이 공급되지 못하는 상황이 발생하였을 때 인버터를 통하여 부하에 안정된 전원을 공급하는 장치이다.Generally, an energy storage system (ESS) using PWM (Pulse Width Modulation) inverter stores electric energy in the battery while the power of the system is supplied, and the power supply of the system can not be supplied It is a device that supplies stable power to load through inverter.

도 1은 통상적인 에너지 저장 장치를 도시한다. 도 1에 도시된 에너지 저장 장치는 배터리(11)와 양방향 PWM 인버터(12) 및 상용 주파수 대역(예를 들어, 60 Hz)의 변압기(21)를 포함하여 구성될 수 있다. 배터리(11)는 상호 직렬 연결된 다수의 배터리 셀을 포함하는 구조를 가질 수 있으며, 양방향 PWM 인버터(12)로부터 직류 전력을 제공받아 저장할 수 있다.Figure 1 shows a typical energy storage device. The energy storage device shown in FIG. 1 may be configured to include a battery 11, a bidirectional PWM inverter 12, and a transformer 21 of a commercial frequency band (for example, 60 Hz). The battery 11 may have a structure including a plurality of battery cells connected in series and may receive DC power from the bidirectional PWM inverter 12 and store the same.

양방향 PWM 인버터(Bidirectional PWM Inverter)(12)는 교류측과 직류측 간의 양쪽 방향의 전력 흐름을 통하여 배터리의 충전과 방전이 가능하도록 하는 전력변환기(PCS; Power Conditioning System)로서, 배터리(12)로부터 제공받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통측으로 제공하거나 계통의 교류 전력을 직류로 변환하여 배터리(11)로 제공함으로써 배터리(11)를 충전되게 할 수 있다.A bidirectional PWM inverter 12 is a power conditioner (PCS) that allows charging and discharging of a battery through power flow in both directions between an AC side and a DC side. The provided direct current power is converted into alternating current power to be supplied to the system side, or the alternating current power of the system is converted into direct current and supplied to the battery 11, so that the battery 11 can be charged.

상용 주파수 대역의 변압기(21)는 양방향 PWM 인버터(12)와 계통 사이에 마련되어 배터리(11)와 계통을 절연할 수 있다.The transformer 21 in the commercial frequency band is provided between the bidirectional PWM inverter 12 and the grid to insulate the battery 11 from the grid.

이러한 통상적인 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는 선행기술문헌인 한국공개특허 제10-2011-0054041호에 상세하게 개시된다.An energy storage device using such a conventional bidirectional PWM inverter is disclosed in detail in Korean Patent Laid-Open No. 10-2011-0054041.

일반적으로, 에너지 저장 장치는 크게 두 가지 모드로 운전되고 있다. Generally, energy storage devices are largely operated in two modes.

두 가지 운전 모드 중 하나는 전압 제어 운전으로서, 계통으로부터 전원이 제공되지 않을 때, 부하에 안정된 전원을 공급하기 위한 모드이다. 전압 제어 운전 모드에서는, 독립운전을 위하여 계통과의 연결을 차단하고 전력 변환기(PCS)인 양방향 PWM 인버터(12)를 사용하여 배터리(11)에 저장된 직류 전력을 교류로 변환하여 부하 측에 공급한다. 전압 제어 운전 모드에서는 부하 측에 안정된 교류 전압을 제공하기 위해, 배터리의 직류 전력을 교류로 변환하여 부하로 제공하는 양방향 PWM 인버터(12)의 부하 측 교류 전압과 사전 설정된 기준 전압을 비교하여 일정한 크기의 교류 전압이 부하에 제공될 수 있도록 PWM 인버터를 제어한다. One of the two operation modes is a voltage control operation, which is a mode for supplying stable power to the load when no power is supplied from the system. In the voltage control operation mode, the connection to the system is disconnected for independent operation and the DC power stored in the battery 11 is converted to AC using the bidirectional PWM inverter 12, which is a power converter (PCS), and supplied to the load side . In order to provide a stable AC voltage on the load side in the voltage control operation mode, the load side AC voltage of the bidirectional PWM inverter 12, which converts the DC power of the battery to AC and supplies the load to the load, To control the PWM inverter so that the AC voltage of the inverter can be supplied to the load.

다른 하나의 운전 모드는 전류 제어 운전으로서, 계통의 전원이 정상적으로 공급되는 상황에서 계통의 전력을 공급받아 배터리(11)를 충전한다든지, 역으로 계통에 전류를 주입하여 전력을 판매하는 경우에 적용되는 모드이다. 전류 제어 운전 모드에서는, 배터리(11)의 충전을 위하여 배터리(11)로 안정된 직류 전류를 제공하기 위해, 양방향성 PWM 인버터(12)의 배터리측 전류와 사전 설정된 기준 직류전류를 비교하여 일정한 크기의 직류 전류가 배터리로 제공될 수 있도록 양방향 PWM 인버터(12)를 제어한다.The other operation mode is a current control operation, which is applied when charging the battery 11 by receiving the power of the system while the power of the system is normally supplied, or when the power is sold by injecting a current into the system . In the current control operation mode, the battery side current of the bidirectional PWM inverter 12 is compared with a predetermined reference direct current in order to provide a stable direct current to the battery 11 for charging the battery 11, Controls the bidirectional PWM inverter 12 so that current can be supplied to the battery.

일반적인 에너지 저장 장치는 계통과 배터리(11)의 절연을 위해 상용 주파수 대역에서 동작하는 변압기(21)를 채용한다. 상용 주파수 대역과 같은 저주파수에서 동작하는 변압기(21)는 배터리와 계통 사이의 전기적 절연이 우수한 반면에 무게나 부피가 상당히 크고, 소형화에 불리한 문제점이 있다.A typical energy storage device employs a transformer 21 that operates in a commercial frequency band for insulation between the system and the battery 11. The transformer 21 operating at a low frequency, such as a commercial frequency band, is excellent in electrical insulation between the battery and the system, but is considerably large in weight and volume, and is disadvantageous in downsizing.

한편, 에너지 저장 장치에 적용되는 충전용 배터리(11)는 에너지 저장 장치의 중요한 부분중의 하나이며 전력 변환기(PCS)인 양방향 PWM 인버터의 직류측 전압을 관장한다. On the other hand, the rechargeable battery 11 applied to the energy storage device is one of the important parts of the energy storage device and is responsible for the dc side voltage of the bidirectional PWM inverter which is the power converter (PCS).

일반적으로, 에너지 저장 장치에 적용되는 충전용 배터리는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 통상 배터리 팩(Battery Pack)이라 지칭한다. Generally, a rechargeable battery applied to an energy storage device may include a plurality of battery cells connected in series. A battery including a plurality of battery cells connected in series is generally referred to as a battery pack.

배터리 팩으로 구현된 배터리(11) 내에서 직렬로 연결된 배터리 셀들은 시간이 경과하면서 내부저항, 충방전 용량 등의 편차가 발생하게 되어 문제를 일으킨다. 예를 들어, 충전시 충전용량이 감소한 일부 셀이 조기에 과충전 상태에 이르러 과열되면 전체 배터리 팩이 화재 및 폭발의 위험한 상황에 빠지게 된다. 또한, 일부 셀 들의 내부저항이 증가하게 되면 충전시 충분히 충전되지 않았음에도 불구하고 배터리(11) 전체의 전압이 높이 상승함으로써 충전이 중단되어 전체 배터리의 충전부족 현상이 발생할 수 있다. The battery cells connected in series in the battery 11 implemented with the battery pack cause a problem such that the internal resistance, the charge / discharge capacity, etc. are varied with time. For example, if some cells with reduced charge capacity during charging are overcharged early due to overcharging, the entire battery pack will be in danger of fire and explosion. In addition, if the internal resistance of some of the cells increases, the voltage of the entire battery 11 rises due to the increase in the voltage of the battery 11 even though the battery 11 is not fully charged.

이러한 문제를 해결하기 위하여 통상적으로 다수의 배터리 셀로 구현된 배터리에는 셀 평형회로(Cell balancing circuit)가 적용된다. 셀 평형회로는 복수의 배터리 셀 각각 전압을 검출하여 상호 비교하고 전체 배터리 셀의 전압을 상호 동일하게 유지하도록 제어하는 회로이다. 셀 평형회로에 적용되는 셀 평형 기법은 수동형(Passive) 방식과 능동형(Active) 방식이 있다. 수동형 방식의 셀 평형 방법은 과충전된 셀의 전하를 저항을 통하여 소비시킴으로써 셀간의 평형을 맞추어주는 방식이고, 능동형 방식의 셀 평형 방법은 부족 충전된 셀에 더 많은 전류를 공급하여 셀 간의 평형을 맞추어 주는 방식이다. In order to solve such a problem, a cell balancing circuit is generally applied to a battery implemented as a plurality of battery cells. The cell balancing circuit is a circuit that detects voltages of a plurality of battery cells, compares them, and controls the voltages of all the battery cells to be equal to each other. The cell balancing technique applied to the cell balancing circuit is a passive method and an active method. In the passive cell balancing method, the charge of the overcharged cells is consumed through the resistor to balance the cells. The active cell balancing method supplies more current to the undercharged cells to balance the cells It is a way of giving.

에너지 저장 장치와 같이 용량이 상대적으로 큰 배터리를 사용하는 경우 능동형 방식을 채용하는 것이 바람직하지만 전력변환기의 부피와 중량이 증가하고 가격이 상승한다는 문제가 있다.When a battery having a relatively large capacity such as an energy storage device is used, it is preferable to adopt an active type, but the volume and weight of the power converter increase and the price rises.

한국공개특허 제10-2011-0054041호Korean Patent Publication No. 10-2011-0054041

본 발명은, 복수의 배터리 셀에 대한 셀 평형회로를 별도로 구비하지 않고서도 셀 불평형의 문제를 해소함으로써 배터리의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 안정적이며 신뢰성 있는 충방전 운전이 가능한 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다. It is an object of the present invention to solve the problem of cell imbalance without separately providing a cell balancing circuit for a plurality of battery cells, thereby remarkably improving the service life of the battery, and realizing a stable and reliable charging / discharging operation. And to provide a storage device.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하며 각각이 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 팩을 포함하는 배터리부;
직류측 입출력단 및 교류측 입출력단을 포함하며, 상기 직류측 입출력단으로 입력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 교류측 입출력단으로 출력하고, 상기 교류측 입출력단으로 입력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류측 입출력단으로 출력하는 양방향 PWM 인버터; 및
제1 입출력단 및 제2 입출력단을 각각 포함하며, 상기 제1 입출력단으로 입력된 직류 전력의 전압을 변환하여 상기 제2 입출력단으로 출력하고, 상기 제2 입출력단으로 입력된 직류 전력의 전압을 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력하는 복수의 절연형 직류-직류 컨버터를 포함하며,According to an aspect of the present invention,
A battery unit including a plurality of battery packs each including a predetermined number of battery cells mutually connected in series and each connected in series;
A DC input / output stage, and an AC input / output stage, wherein DC power input to the DC input / output stage is converted into AC power and output to the AC input / output stage, A bidirectional PWM inverter for converting the power into electric power and outputting it to the DC side input / output stage; And
A first input / output terminal and a second input / output terminal, respectively, for converting a voltage of DC power input to the first input / output terminal and outputting the voltage to the second input / output terminal, And a plurality of insulated dc-dc converters for converting the output of the inverter to the first input / output stage,

상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각의 제1 입출력단은 상기 복수의 배터리 팩 각각에 연결되고, 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각의 제2 입출력단은 상기 양방향 PWM 인버터의 직류측 입출력단에 공통으로 연결되어 상호 병렬 연결구조를 형성하며, 상기 배터리부의 양단은 상기 양방향 PWM 인버터의 상기 직류측 입출력단에 직접 연결된 것을 특징으로 하는 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치를 제공한다.A first input / output terminal of each of the plurality of insulated DC / DC converters is connected to each of the plurality of battery packs, and a second input / output terminal of each of the plurality of insulated DC / DC converters is connected to a DC input / And the both ends of the battery unit are directly connected to the DC input / output terminals of the bidirectional PWM inverter.

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본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 배터리 팩 각각에 포함된 배터리 셀의 개수는, 상호 직렬 연결된 배터리 셀 간의 셀 불평형 현상을 발생시키지 않는 개수로 결정될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the number of battery cells included in each of the plurality of battery packs may be determined to be a number that does not cause cell imbalance between battery cells connected in series.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 배터리 팩 각각과 그에 연결된 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각은 하나의 모듈로 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, each of the plurality of battery packs and each of the plurality of insulated DC-DC converters connected thereto may be formed of one module.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 양방향 PWM 인버터의 교류측 입출력단의 전압과 전류 및 직류측 입출력단의 전압과 전압을 감시하여 충방전 운전을 선택 결정하는 호스트 제어부; 및 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각마다 하나씩 구비되어, 상기 호스트 제어부의 결정에 따라 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터의 충방전 동작을 제어하고, 상기 배터리 팩의 전압 및 전류를 감시하고 상기 호스트 제어부로 보고하는 하위 제어부를 포함할 수 있다.One embodiment of the present invention includes a host controller for monitoring a voltage and a current of an AC input / output terminal and a voltage and a voltage of a DC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter to select a charge / discharge operation; And one of the plurality of insulated DC-DC converters, respectively, for controlling charging and discharging operations of the plurality of insulated DC-DC converters according to the determination of the host controller, monitoring the voltage and current of the battery pack, And a lower control unit reporting to the host control unit.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 호스트 제어부는, 상기 양방향 PWM 인버터의 직류측 입출력단에서 출력되는 직류 전압을 상호 직렬 연결된 상기 복수의 배터리 팩 전체 전압보다 높게 결정하여 상기 배터리 팩의 충전 시간을 단축시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the host controller determines the DC voltage output from the DC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter to be higher than the total voltage of the plurality of battery packs connected in series so as to shorten the charging time of the battery pack .

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상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명은,
상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하며 각각이 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 팩을 포함하는 배터리부;
직류측 입출력단 및 교류측 입출력단을 포함하며, 상기 직류측 입출력단으로 입력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 교류측 입출력단으로 출력하고, 상기 교류측 입출력단으로 입력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류측 입출력단으로 출력하는 양방향 PWM 인버터;
제1 입출력단 및 제2 입출력단을 각각 포함하며, 상기 제1 입출력단으로 입력된 직류 전력의 전압을 변환하여 상기 제2 입출력단으로 출력하고, 상기 제2 입출력단으로 입력된 직류 전력의 전압을 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력하는 복수의 절연형 직류-직류 컨버터; 및
상기 배터리부와 상기 양방향 PWM 인버터의 직류측 입출력단에 양단이 각각 직접 연결된 다이오드를 포함하며,According to another aspect of the present invention,
A battery unit including a plurality of battery packs each including a predetermined number of battery cells mutually connected in series and each connected in series;
A DC input / output stage, and an AC input / output stage, wherein DC power input to the DC input / output stage is converted into AC power and output to the AC input / output stage, A bidirectional PWM inverter for converting the power into electric power and outputting it to the DC side input / output stage;
A first input / output terminal and a second input / output terminal, respectively, for converting a voltage of DC power input to the first input / output terminal and outputting the voltage to the second input / output terminal, A plurality of insulated DC-DC converters for converting the input signals to the first input / output stage; And
And a diode directly connected to the battery unit and a DC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter,

상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각의 제1 입출력단은 상기 복수의 배터리 팩에 각각 연결되고, 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각의 제2 입출력단은 상기 양방향 PWM 인버터의 직류측 입출력단에 공통으로 연결되어 상호 병렬 연결구조를 형성하며, 상기 다이오드의 캐소드는 상기 양방향 PWM 인버터의 상기 직류측 입출력단에 직접 연결되어 상기 배터리부의 충전 시 상기 다이오드는 상기 양방향 PWM 인버터에서 제공되는 전류가 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터를 통하지 않고 직접 상기 배터리부로 제공되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치를 제공한다.A first input / output terminal of each of the plurality of insulated DC / DC converters is connected to the plurality of battery packs, and a second input / output terminal of each of the plurality of insulated DC / DC converters is connected to a DC input / And the cathode of the diode is directly connected to the DC side input / output terminal of the bidirectional PWM inverter so that when the battery is charged, the diode supplies the current supplied from the bidirectional PWM inverter And the DC voltage is directly supplied to the battery unit without passing through the plurality of insulated DC-DC converters.

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본 발명에 따르면 다음과 같은 우수한 효과를 기대할 수 있다.According to the present invention, the following excellent effects can be expected.

첫째, 종래의 단일 전력 변환 구조를 사용하는 경우 하나의 배터리 팩 내에서 상호 직렬 연결된 다수의 배터리 셀 중 한 개가 고장날 확률은 복수의 에너지 저장 모듈로 분할한 것에 비해 매우 높다. 즉, 직렬 연결된 배터리 셀의 개수가 증가할수록 고장의 확률이 높아진다. 본 발명에 따르면, 하나의 배터리 팩에 상호 직렬 연결되는 배터리의 수를 종래에 비해 감소시켜 배터리 고장의 확률을 현저하게 감소시킬 수 있다. First, in the case of using a conventional single power conversion structure, the probability of failure of one of a plurality of battery cells mutually connected in series in one battery pack is very high as compared with a case where the battery cell is divided into a plurality of energy storage modules. That is, as the number of battery cells connected in series increases, the probability of failure increases. According to the present invention, the number of batteries connected in series to one battery pack can be reduced compared to the prior art, and the probability of battery failure can be remarkably reduced.

둘째로, 본 발명에 따르면, 배터리 셀의 고장을 감시하기가 용이하다. 예를 들어 60개의 직렬 연결된 배터리 팩을 통합적으로 감시하는 것 보다는 2~3개의 소규모로 직렬 연결된 배터리 팩을 감시하는 것이 훨씬 용이하고 정확할 수 있다.Secondly, according to the present invention, it is easy to monitor the failure of the battery cell. For example, it may be easier and more accurate to monitor two or three small-scale, cascaded battery packs, rather than an integrated monitoring of 60 cascaded battery packs.

셋째로, 본 발명에 다르면, 보수유지가 간편하고 비용이 적게 든다. 종래의 에너지 저장 장치에서는 하나의 배터리 셀이 고장날 경우 배터리 팩 전체를 교체하여야 하지만, 본 발명의 일 실시형태는 고장이 발생한 배터리 셀을 갖는 배터리 팩 또는 에너지 저장 모듈만 교체하면 되기 때문에 배터리 교체비용이 적게 들고, 교체과정이 간단하여 보수유지 비용이 적게 발생한다. 더욱이 표준화된 에너지 저장 모듈을 사용하게 되면, 운전 중에도 고장난 에너지 저장 모듈 핫스와프(hot-swap) 방식으로 간단히 교체할 수 있다.Thirdly, according to the present invention, maintenance is simple and costs are low. In the conventional energy storage device, when one battery cell fails, the entire battery pack must be replaced. However, since the battery pack or the energy storage module having the battery cell in which the failure occurs can be replaced, The replacement process is simple and the maintenance cost is low. Furthermore, using a standardized energy storage module allows for a simple replacement of the failed energy storage module hot-swap during operation.

넷째로, 본 발명에 따르면, 셀 평형 회로가 따로 필요 없으므로 전체 시스템의 에너지효율이 높아지고, 제품의 무게, 크기 및 제조원가가 감소한다. Fourthly, according to the present invention, since the cell equilibration circuit is not required, the energy efficiency of the entire system is increased, and the weight, size, and manufacturing cost of the product are reduced.

다섯째로, 본 발명에 따르면, 고장감내(FRT: Fault ride Through) 운전이 가능하다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀 중 하나의 배터리 셀이 고장 나는 경우, 해당 배터리 셀을 사용하는 배터리 팩과 그에 연결된 절연형 직류-직류 컨버터만 정지시키고 교류 측을 바이패스 시킴으로써 고장 중에도 연속적인 운전이 가능하다. 고장난 에너지 저장 모듈은 시간적 여유를 확보하고 추후에 교체 가능하다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는 비상상황에서의 대처능력이 향상시킬 수 있다.Fifth, according to the present invention, a fault ride through (FRT) operation is possible. For example, when one of the battery cells of a plurality of battery cells fails, by stopping only the battery pack using the battery cell and the insulated DC-DC converter connected thereto and bypassing the AC side, continuous operation It is possible. The failed energy storage module has time to spare and can be replaced later. As described above, the embodiment of the present invention can improve coping ability in an emergency situation.

여섯째로, 본 발명에 따르면, 급속충전을 필요로 하는 경우에 양방향 PWM 컨버터의 직류측 입출력단의 전압의 크기를 증가시켜 전체 배터리부에 공통적으로 공급되는 전류(ibatt_0)를 발생시킴으로써 배터리부 전체의 충전시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 방전 운전시, 배터리부는 전체 배터리팩이 직렬 연결된 상태로 양방향PWM 인버터의 직류측 입출력단에 연결되므로 양방향 PWM 인버터의 직류측에 요구되는 높은 직류전압을 공급할 수 있다. 또한, 방전 운전시에 절연형 직류-직류 컨버터는 역방향 운전을 하여 양방향 PWM 인버터의 직류측 입출력단의 전압을 안정되게 유지하게 할 수 있다.Sixth, according to the present invention, when the rapid charging is required, the magnitude of the voltage of the DC input / output terminal of the bidirectional PWM converter is increased to generate the current (i batt - 0 ) Can be shortened. Also, during discharging operation, the battery unit is connected to the DC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter in a state where all the battery packs are connected in series, so that a high DC voltage required on the DC side of the bidirectional PWM inverter can be supplied. Also, in the discharging operation, the insulated DC-DC converter can operate in the reverse direction to stably maintain the voltage of the DC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter.

도 1은 통상적인 배터리 에너지 저장 장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치의 회로도이다.
도 3는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치의 회로도이다.1 is a circuit diagram of a conventional battery energy storage device.
2 is a circuit diagram of a high-reliability battery energy storage device according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram of a high-reliability battery energy storage device according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail 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 invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. In addition, in describing the present invention, the defined terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and they may be changed depending on the intention or custom of the technician working in the field, so that the technical components of the present invention are limited It will not be understood as meaning.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치의 회로도이다.2 is a circuit diagram of a high-reliability battery energy storage device according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치는, 복수의 배터리 팩(111)을 포함하는 배터리부(11)와, 복수의 배터리 팩(111) 각각에 연결된 복수의 절연형 직류-직류 컨버터(13)와, 배터리부(11) 및 절연형 직류-직류 컨버터(13)와 전기적으로 연결된 양방향 PWM 인버터부(12)를 포함하여 구성될 수 있다.2, a high-reliability battery energy storage device according to an embodiment of the present invention includes a battery unit 11 including a plurality of battery packs 111, a plurality of battery packs 111 connected to each of the plurality of battery packs 111, Directional PWM inverter unit 12 electrically connected to the insulated DC-DC converter 13 and the battery unit 11 and the insulated DC-DC converter 13, as shown in FIG.

배터리부(11)에 포함된 복수의 배터리 팩(111) 각각은 전기 에너지를 저장하기 위한 요소로서, 사전 설정된 개수의 상호 직렬 연결된 배터리 셀을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 팩(11) 각각은 양방향 PWM 인버터(12)로부터 변환된 직류 전력을 제공받아 충전되거나, 방전됨으로써 양방향 PWM 인버터(12)로 직류 전력을 제공하여 계통 또는 부하로 전력을 제공하게 할 수 있다.Each of the plurality of battery packs 111 included in the battery unit 11 is an element for storing electric energy and may include a predetermined number of mutually serially connected battery cells. Each of the plurality of battery packs 11 is supplied with DC power converted from the bidirectional PWM inverter 12 and is charged or discharged to provide DC power to the bidirectional PWM inverter 12 to provide power to the system or load have.

본 발명의 일 실시형태에서 배터리부(11)는, 셀 평형 회로(Cell Balancing Circuit)가 요구되는 상호 직렬 연결된 다수의 배터리 셀을 포함하는 단일 배터리 팩의 형태가 아니라, 복수의 배터리 팩(111)으로 분리된 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩(111)은 단일 배터리 셀 또는 사전 설정된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 복수의 배터리 팩(111) 각각에 포함된 배터리 셀의 개수는, 셀 평형 회로를 이용하여 통상의 셀 평형 기법을 적용할 필요가 없이 셀 불평형의 문제가 발생하지 않는 적은 개수(예를 들어, 2 내지 3 개)의 배터리 셀을 포함하도록 구현될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the battery unit 11 is not a single battery pack including a plurality of mutually serially connected battery cells requiring a cell balancing circuit, but a plurality of battery packs 111, As shown in FIG. The battery pack 111 according to an embodiment of the present invention may include a single battery cell or a predetermined plurality of battery cells. In an embodiment of the present invention, the number of battery cells included in each of the plurality of battery packs 111 is determined by the number of battery cells 111 that do not require the application of the normal cell balancing technique using the cell balancing circuit, May be implemented to include a small number (e.g., two to three) of battery cells.

이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는, 셀 평형회로를 필요로 하지 않는 매우 적은 개수의 배터리 셀을 포함하는 다수의 배터리 팩(111)으로 전체 배터리부(11)를 구현함으로써, 셀 불평형의 문제가 거의 발생하지 않으며, 하나의 배터리 팩(111) 내의 2 내지 3 개의 배터리 셀 중에 한 개의 셀에 문제가 발생하더라도 직류링크측 전압을 실시간으로 감시함으로써 사고가 악화되는 것을 간단히 예방할 수 있다. 또한, 각 배터리 팩(111)은 독립적으로 동작하므로, 배터리에 고장이 발생하는 경우 문제가 되는 배터리 팩만 운전 중에 교체함으로써 전체 배터리를 교환할 필요가 없어서 보수 유지가 간단하고 보수 유지에 따른 비용을 절감할 수 있다.As described above, according to one embodiment of the present invention, the entire battery unit 11 is implemented by a plurality of battery packs 111 including a very small number of battery cells that do not require a cell balancing circuit, And even if a problem occurs in one cell out of two or three battery cells in one battery pack 111, it is possible to easily prevent an accident from being deteriorated by monitoring the DC link side voltage in real time. In addition, since each battery pack 111 operates independently, when a failure occurs in the battery, only the problematic battery pack is replaced during operation so that it is not necessary to replace the entire battery, so that the maintenance is simple and the maintenance cost is reduced can do.

본 발명의 일 실시형태에서, 복수의 배터리 팩(111) 각각은 상호 직렬연결될 수 있다.In an embodiment of the present invention, each of the plurality of battery packs 111 may be connected to each other in series.

복수의 절연형 직류-직류 컨버터(13)는, 양방향으로 직류-직류 변환이 가능한 컨버터로서 배터리 팩(111) 각각에 연결되는 입출력단과 양방향 PWM 인버터(12) 측에 연결되는 입출력단을 가질 수 있다. The plurality of insulated DC-DC converters 13 may have an input / output stage connected to each of the battery packs 111 and an input / output stage connected to the bidirectional PWM inverter 12 side, as a converter capable of DC-DC conversion in both directions .

절연형 직류-직류 컨버터(13)는 배터리 팩(111)에 연결된 입출력단과 양방향 PWM 인버터(12) 측에 연결되는 입출력단이 상호 절연되도록 구현된 직류-직류 컨버터로서 그 내부에 양쪽 입출력단을 절연시킬 수 있는 트랜스포머를 포함하는 회로구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 절연형 직류-직류 컨버터(13)는 양 입출력단에 각각 연결되어 풀 브릿지 스위칭 되는 스위칭 소자를 포함한 두 개의 양방향 직류-교류 변환부 두 개의 양방향 직류-교류 변환부를 상호 전자기적을 연결하는 고주파 트랜스포머를 포함하는 절연형 직류-직류 컨버터로 구현될 수 있다.The insulated DC-DC converter 13 is a DC-DC converter implemented such that input / output ends connected to the battery pack 111 and input / output ends connected to the bidirectional PWM inverter 12 are insulated from each other, A transformer may be provided. For example, the insulated DC-DC converter 13 has two bidirectional DC-AC conversion sections, each of which is connected to both input and output stages and includes a switching device that is full bridge-switched. The two bidirectional DC- A DC-DC converter including a high-frequency transformer for converting a DC voltage into a DC voltage.

본 발명의 일 실시형태에서, 하나의 배터리 팩(111)과 그에 연결된 하나의 절연형 직류-직류 컨버터(13)는 하나의 에너지 저장 모듈로 구현될 수 있다. 즉, 셀 불평형의 문제가 발생하지 않는 개수의 배터리 셀을 포함하는 하나의 배터리 팩(111)과 그에 연결된 하나의 절연형 직류-직류 컨버터(13)가 실제 구현된 에너지 저장 장치에서 모듈의 형태로 구비될 수 있다. 하나의 배터리 팩 및 하나의 절연형 직류-직류 컨버터가 에너지 저장 모듈로 구현되는 경우, 에너지 저장 모듈이 독립적으로 동작하므로, 배터리에 문제가 발생하는 경우 문제가 되는 에너지 저장 모듈만 운전 중에 교체함으로써 전체 배터리를 교환할 필요가 없게 되므로 보수유지가 간단하고 비용이 절감될 뿐만 아니라 에너지 저장 시스템의 동작을 계속 유지시킨 상태에서 보수가 가능하게 된다.In one embodiment of the present invention, one battery pack 111 and one insulated DC-DC converter 13 connected thereto may be implemented as one energy storage module. That is, one battery pack 111 including a number of battery cells in which the problem of cell unbalance does not occur, and one insulated DC-DC converter 13 connected thereto are formed in the form of modules in an actual implemented energy storage device . In the case where one battery pack and one insulated DC-DC converter are implemented as an energy storage module, since the energy storage module operates independently, only a problematic energy storage module is replaced during operation Since it is not necessary to replace the battery, it is possible to repair and maintain the operation of the energy storage system as well as to reduce the maintenance cost.

도 2에 도시된 실시형태에서, 복수의 절연형 직류-직류 컨버터(13)의 양방향 PWM 인버터(12) 측 입출력단은 상호 병렬 연결된 회로구조를 형성하며, 이러한 병렬 연결된 회로구조가 양방향 PWM 인버터(12)의 직류측 입출력단에 연결된다. 즉, 복수의 절연형 직류-직류 컨버터(13)의 양방향 PWM 인버터(12) 측 입출력단 각각이 양방향 PWM 인버터(12)의 직류측 입출력단에 각각 개별 연결된 구조를 형성할 수 있다.In the embodiment shown in Fig. 2, the input / output terminals of the plurality of insulated DC-DC converters 13 on the bidirectional PWM inverter 12 side form a circuit structure connected to each other in parallel, and these parallel- 12). That is, the input / output terminals of the bidirectional PWM inverter 12 of the plurality of insulated DC-DC converters 13 can be individually connected to the DC input / output terminals of the bidirectional PWM inverter 12, respectively.

이러한 병렬 연결된 회로 구조는 양방향 PWM 인버터(12)의 전류용량이 큰 경우, 복수의 배터리 팩(111) 각각과 그에 연결된 절연형 직류-직류 컨버터(13) 각각으로 구성된 에너지 저장 모듈으로 전류를 분배하여 제공할 수 있어, 높은 전류의 공급이 가능해진다. 이 경우, 각 에너지 저장 모듈에 포함된 절연형 직류-직류 컨버터(13)의 입출력 간의 전압레벨은 그 내부에 포함된 절연용 변압기의 권선비로 조정할 수 있다.This parallel-connected circuit structure distributes the electric current to the energy storage module composed of each of the plurality of battery packs 111 and the insulated DC-DC converter 13 connected thereto when the current capacity of the bidirectional PWM inverter 12 is large So that a high current can be supplied. In this case, the voltage level between the input and output of the insulated DC-DC converter 13 included in each energy storage module can be adjusted by the turns ratio of the insulating transformer included therein.

양방향 PWM 인버터(12)는 교류측과 직류측 간의 양쪽 방향의 전력 흐름을 통하여 배터리의 충전과 방전이 가능하도록 하는 전력변환기이다.즉, 양방향 PWM 인버터(12)는 배터리부(11)부터 직류 전력을 제공받아 교류 전력으로 변환하여 계통 또는 부하로 제공하고, 계통으로부터 교류 전력을 제공받아 배터리(11)로 제공함으로써 배터리(11)의 충전이 가능하게 한다. 양방향 PWM 인버터(12)는 풀 브릿지 스위칭 되는 스위칭 소자(SW1 내지 SW4)의 PWM 제어를 통해 계통으로부터 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 직류 측(배터리부 측)으로 출력하고, 직류 측으로부터 입력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통 또는 교류 전력으로 동작하는 부하로 출력한다.Way PWM inverter 12 is a power converter that allows charging and discharging of the battery through power flow in both directions between the AC side and the DC side. In other words, the bidirectional PWM inverter 12 converts the DC power And provides AC power to the system or load. The AC power is supplied from the system to the battery 11, so that the battery 11 can be charged. Bidirectional PWM inverter 12 converts the AC power that is input from the system through the PWM control of the switching device (SW 1 to SW 4) which is switched full bridge with a DC power DC side (battery portion thereof) as an output, and a direct current side And converts the DC power into AC power and outputs it to a load operating as a system or AC power.

이에 더하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치는 양방향 PWM 인버터(12)와 계통 사이에 연결된 LC 필터(14)를 더 포함할 수 있다.In addition, a high reliability battery energy storage device according to an embodiment of the present invention may further include an LC filter 14 connected between the bi-directional PWM inverter 12 and the grid.

도 2에 도시된 실시형태에서, 각각이 절연형 직류-직류 컨버터(13)에 연결되고 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 팩(111)을 포함하는 배터리부(11)는 양방향 PWM 인버터(12)의 직류 측 입출력단에 직접 연결될 수 있다. 즉, 패터리팩(111) 각각은 절연형 직류-직류 컨버터(13)를 통해 양방향 PWM 인버터(12)의 직류 측 입출력단에 연결됨과 동시에, 전체 배터리부(11)가 양방향 PWM 인버터(12)의 직류 측 입출력단에 직접 연결되는 회로 연결 구조를 형성할 수 있다.2, a battery section 11 including a plurality of battery packs 111 connected to an insulated DC-DC converter 13 and connected in series to each other is connected to a DC Side input / output terminals. That is, each of the battery packs 111 is connected to the DC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter 12 through the insulated DC-DC converter 13, and the entire battery unit 11 is connected to the bidirectional PWM inverter 12, And a circuit connection structure that is directly connected to the DC input /

도 2에 도시된 회로 연결 구조에서, 배터리부(11)를 충전하는 충전 운전 시, 양방향 PWM 인버터(12)는 계통과 같은 교류 전원으로부터 교류전력을 입력 받아 직류측 입출력단에서 출력되는 직류 전압을 일정하게 제어하여 배터리부(11)를 충전하기 위한 전원으로 공급한다. 이 때, 양방향 PWM 컨버터(12)의 직류측 입출력단의 전압의 크기는 배터리부(11) 전체의 전압과 같거나 커야 한다. 양방향 PWM 컨버터의 직류측 입출력단의 전압의 크기가 배터리부(11) 전체의 전압과 같은 경우에 전체 배터리부(11)에 공통적으로 공급되는 전류(ibatt_0)는 흐르지 않는다. 그러나 양방향 PWM 컨버터(12)의 직류측 입출력단의 전압 크기가 배터리부(11) 전체의 전압보다 큰 경우는 전체 배터리부(11)에 공통적으로 공급되는 전류(ibatt_0)가 존재하게 되며, 각 배터리팩(111)에 접속되어있는 절연형 직류-직류 컨버터(13)의 충전전류와 전체 배터리부(11)에 공통적으로 공급되는 전류(ibatt_0)가 합산된 전류가 각 배터리팩(111)의 실제 충전전류가 된다. 예를 들어, 배터리팩(111)을 충전하기 위한 시간적 여유가 있을 때는 전체 배터리부(11)에 공통적으로 공급되는 전류(ibatt_0)를 0(zero)로 하고 절연형 DC/DC 컨버터(13)만를 통해서 각 배터리 팩(111)을 충전하고, 급속충전을 필요로 하는 경우에는 양방향 PWM 컨버터(12)의 직류측 입출력단의 전압의 크기를 증가시켜 전체 배터리부(11)에 공통적으로 공급되는 전류(ibatt_0)를 발생시킴으로써 배터리부(11) 전체의 충전시간을 단축시킬 수 있다.In the circuit connection structure shown in Fig. 2, the bidirectional PWM inverter 12 receives AC power from an AC power source such as a system and outputs a DC voltage output from a DC side input / output terminal And supplies the battery unit 11 with power for charging. At this time, the voltage of the DC input / output terminal of the bidirectional PWM converter 12 must be equal to or greater than the voltage of the battery 11 as a whole. The current (i batt - 0 ) commonly supplied to the entire battery unit 11 does not flow when the magnitude of the voltage of the DC input / output terminal of the bidirectional PWM converter is equal to the voltage of the entire battery unit 11. [ However, when the voltage level of the DC input / output terminal of the bidirectional PWM converter 12 is larger than the voltage of the entire battery unit 11, the current i batt_0 commonly supplied to the entire battery unit 11 exists. The sum of the charging current of the insulated DC-DC converter 13 connected to the battery pack 111 and the current (i batt - 0 ) commonly supplied to the entire battery unit 11 is supplied to the battery pack 111 It becomes the actual charge current. For example, when there is a time to charge the battery pack 111, the current (i batt - 0) commonly supplied to the entire battery unit 11 is set to 0 (zero) Side PWM input terminal of the bidirectional PWM converter 12 to increase the voltage level of the DC input and output terminals of the bidirectional PWM converter 12 so that the current supplied to all the battery units 11 (i batt - 0 ), the charging time of the entire battery unit 11 can be shortened.

또한, 방전 운전시, 배터리부(11)는 전체 배터리팩(111)이 직렬 연결된 상태로 양방향PWM 인버터(12)의 직류측 입출력단에 연결되므로 양방향 PWM 인버터(12)의 직류측에 요구되는 높은 직류전압을 공급할 수 있다. 또한, 방전 운전시에 절연형 직류-직류 컨버터(13)는 역방향 운전을 하여 양방향 PWM 인버터(12)의 직류측 입출력단의 전압을 안정되게 유지하게 할 수 있다.In the discharge operation, the battery unit 11 is connected to the DC input / output terminals of the bidirectional PWM inverter 12 in a state where the entire battery packs 111 are connected in series. Therefore, DC voltage can be supplied. In the discharge operation, the insulated DC-DC converter 13 can operate in the reverse direction to stably maintain the voltage of the DC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter 12.

전술한 것과 같은, 회로 동작의 제어를 위해 본 발명의 일 실시형태는 호스트 제어부(21) 및 하위 제어부(22)를 포함할 수 있다.One embodiment of the present invention for controlling the operation of the circuit as described above may include a host control unit 21 and a lower control unit 22. [

호스트 제어부(21)는 양방향 PWM 인버터(12)의 교류측 입출력단의 전압과 전류 및 직류측 입출력단의 전압과 전압을 감시하여 에너지 저장 장치의 충방전 동작을 결정할 수 있다. 또한, 호스트 제어부(21)는 하위 제어부(22)와의 통신을 통해 충방전 동작에 대한 명령 및 운전 상황을 보고 받고 배터리팩의 상태에 따른 대응 운전을 결정할 수 있다.The host control unit 21 can monitor the voltage and current of the AC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter 12 and the voltage and voltage of the DC input / output terminal to determine the charge / discharge operation of the energy storage device. Also, the host control unit 21 can receive the command and the operation status of the charge / discharge operation through the communication with the lower control unit 22, and can determine the corresponding operation according to the state of the battery pack.

하위 제어부(22)는 절연형 직류-직류 컨버터(13) 각각마다 하나씩 구비되어 절연형 직류-직류 컨버터(13)의 충전 및 방전을 위한 동작을 제어할 수 있다. 하위 제어부(22)는 절연형 직류-직류 컨버터(13)에 연결된 배터리팩(111)의 전압 및 전류를 감시하여 정전류, 정전압 충전이 가능하게 절연형 직류-직류 컨버터(13)를 제어하고, 누적전류 및 전압 프로파일을 감시하여 배터리의 상태를 진단하고 적절한 보호동작을 수행하며, 배터리팩(111)의 충방전 상태 등을 호스트 제어부(21)로 보고할 수 있다.The lower control unit 22 is provided for each of the insulated DC-DC converters 13, and can control operations for charging and discharging the insulated DC-DC converter 13. The lower control unit 22 monitors the voltage and current of the battery pack 111 connected to the insulated DC-DC converter 13 to control the insulated DC-DC converter 13 so as to be capable of constant current and constant voltage charging, The current and voltage profiles can be monitored to diagnose the state of the battery, perform an appropriate protection operation, and report the charging / discharging state of the battery pack 111 to the host controller 21.

도 2의 실시형태에서, 호스트 제어부(21)는 하위 제어부(22)에서 제공되는 충전 상태를 보고 받고 신속한 충전이 필요한 경우에는 전체 배터리부(11)에 공통적으로 공급되는 전류(ibatt_0)를 발생시키도록 양방향 PWM 인버터(12)의 직류측 입출력단의 전압이 증가하도록 양방향 PWM 인버터(12)를 제어할 수 있다.
In the embodiment of FIG. 2, the host control unit 21 receives the charge state provided by the lower control unit 22 and generates a current (i batt - 0 ) commonly supplied to all the battery units 11 when rapid charging is required Way PWM inverter 12 so that the voltage of the DC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter 12 is increased so as to increase the voltage of the DC input /

도 3는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치의 회로도이다.3 is a circuit diagram of a high-reliability battery energy storage device according to another embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 실시형태는, 전체 배터리부(11)와 양방향 PWM 인버터(12) 사이에 일방향의 전류 흐름을 차단하기 위한 다이오드(15)를 더 포함할 수 있다. 더욱 상세하게, 도 3의 실시형태에서, 다이오드(15)의 애노드는 배터리부(11)에 연결되고 캐소드는 양방향 PWM 인버터(12)에 연결될 수 있다.The embodiment shown in Fig. 3 may further include a diode 15 for interrupting a current flow in one direction between the entire battery section 11 and the bi-directional PWM inverter 12. [ 3, the anode of the diode 15 is connected to the battery unit 11 and the cathode can be connected to the bidirectional PWM inverter 12. In the embodiment shown in Fig.

도 3에 도시된 실시형태에서, 다이오드(15)는 충전 운전시 역저지 다이오드로서 작용하여 양방향 PWM 인버터(12)의 직류측 출력단에서 배터리부(11)로 직접 전류가 제공되어 배터리부(11)를 충전하는 것을 방지하고, 절연형 직류-직류 컨버터(13)를 통해서 리플이 없는 안정된 직류 전류 및 전압으로 배터리 팩(111)을 정전류-정전압 충전하도록 한다. 이 경우 양방향 PWM 인버터(12)는 직류측 입출력단의 전압이 배터리 전체 전압보다 높게 유지시키는 것이 바람직하다.3, the diode 15 acts as a reverse blocking diode during a charging operation so that a direct current is supplied from the dc side output terminal of the bidirectional PWM inverter 12 to the battery unit 11, And the battery pack 111 is charged with a constant DC current and voltage without ripple through the insulated DC-DC converter 13 so as to charge the battery pack 111 at a constant current-constant voltage. In this case, the bidirectional PWM inverter 12 preferably maintains the voltage of the DC input / output terminal higher than the battery total voltage.

또한, 도 3에 도시된 실시형태는, 방전 운전시 직류-직류 컨버터(13)는 역방향 운전을 통하여 양방향 PWM 인버터(12)의 직류측 입출력단에 필요한 리플 성분의 전력을 공급하도록 함으로써 배터리로부터 리플전류가 흐르지 않도록 보호할 수 있다.
In the embodiment shown in Fig. 3, the DC-DC converter 13 supplies the power of the ripple component necessary for the dc input / output of the bidirectional PWM inverter 12 through the reverse operation during the discharging operation, It is possible to protect the current from flowing.

이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 사용한 에너지 저장 장치는 배터리의 관리 측면에 있어서 매우 우수한 장점을 갖는다. As described above, the energy storage device using the bidirectional PWM inverter according to the embodiment of the present invention has a very good advantage in terms of the management of the battery.

첫째로, 종래의 단일 전력 변환 구조를 사용하는 경우 하나의 배터리 팩 내에서 상호 직렬 연결된 다수의 배터리 셀 중 한 개가 고장날 확률은 복수의 에너지 저장 모듈로 분할한 것에 비해 매우 높다. 즉, 직렬 연결된 배터리 셀의 개수가 증가할수록 고장의 확률이 높아진다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치는 하나의 배터리 팩 내에 상호 직렬 연결되는 배터리 셀의 수를 종래에 비해 감소시켜 배터리 고장의 확률을 현저하게 감소시킬 수 있다. First, when a conventional single power conversion structure is used, the probability of failure of one of a plurality of battery cells connected in series in one battery pack is very high compared to the case of dividing into a plurality of energy storage modules. That is, as the number of battery cells connected in series increases, the probability of failure increases. The high reliability battery energy storage device according to an embodiment of the present invention can reduce the number of battery cells connected in series in one battery pack compared with the conventional one to significantly reduce the probability of battery failure.

둘째로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치는 배터리 셀의 고장을 감시하기가 용이하다. 예를 들어 60개의 직렬 연결된 배터리 팩을 통합적으로 감시하는 것 보다는 2~3개의 소규모로 직렬 연결된 배터리 팩을 감시하는 것이 훨씬 용이하고 정확할 수 있다.Secondly, a high reliability battery energy storage device according to an embodiment of the present invention is easy to monitor the failure of a battery cell. For example, it may be easier and more accurate to monitor two or three small-scale, cascaded battery packs, rather than an integrated monitoring of 60 cascaded battery packs.

셋째로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치는 보수유지가 간편하고 비용이 적게 든다. 종래의 에너지 저장 장치에서는 하나의 배터리 셀이 고장날 경우 배터리 팩 전체를 교체하여야 하지만, 본 발명의 일 실시형태는 고장이 발생한 배터리 셀을 갖는 배터리 팩 또는 에너지 저장 모듈만 교체하면 되기 때문에 배터리 교체비용이 적게 들고, 교체과정이 간단하여 보수유지 비용이 적게 발생한다. 더욱이 표준화된 에너지 저장 모듈을 사용하게 되면, 운전 중에도 고장난 에너지 저장 모듈 핫스와프(hot-swap) 방식으로 간단히 교체할 수 있다.Third, the high reliability battery energy storage device according to an embodiment of the present invention is simple in maintenance and low in cost. In the conventional energy storage device, when one battery cell fails, the entire battery pack must be replaced. However, since the battery pack or the energy storage module having the battery cell in which the failure occurs can be replaced, The replacement process is simple and the maintenance cost is low. Furthermore, using a standardized energy storage module allows for a simple replacement of the failed energy storage module hot-swap during operation.

넷째로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치는 셀 평형 회로가 따로 필요 없으므로, 전체 시스템의 에너지효율이 높아지고, 제품의 무게, 크기 및 제조원가가 감소한다. Fourth, since a high-reliability battery energy storage device according to an embodiment of the present invention does not require a cell balancing circuit, the energy efficiency of the entire system is increased, and the weight, size, and manufacturing cost of the product are reduced.

다섯째로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치는 고장감내(FRT: Fault ride Through) 운전이 가능하다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀 중 하나의 배터리 셀이 고장 나는 경우, 해당 배터리 셀을 사용하는 에너지 저장 모듈을 정지시키고 교류 측을 바이패스 시킴으로써 고장 중에도 연속적인 운전이 가능하다. 고장난 에너지 저장 모듈은 시간적 여유를 확보하고 추후에 교체 가능하다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는 비상상황에서의 대처능력이 향상시킬 수 있다.Fifth, a high reliability battery energy storage device according to an embodiment of the present invention is capable of operating in a fault tolerance (FRT). For example, when one of the plurality of battery cells fails, the energy storage module using the corresponding battery cell is stopped and the AC side is bypassed, so that continuous operation is possible even during a failure. The failed energy storage module has time to spare and can be replaced later. As described above, the embodiment of the present invention can improve coping ability in an emergency situation.

여섯째로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치는, 급속충전을 필요로 하는 경우에 양방향 PWM 컨버터의 직류측 입출력단의 전압의 크기를 증가시켜 전체 배터리부에 공통적으로 공급되는 전류(ibatt_0)를 발생시킴으로써 배터리부 전체의 충전시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 방전 운전시, 배터리부는 전체 배터리팩이 직렬 연결된 상태로 양방향PWM 인버터의 직류측 입출력단에 연결되므로 양방향 PWM 인버터의 직류측에 요구되는 높은 직류전압을 공급할 수 있다. 또한, 방전 운전시에 절연형 직류-직류 컨버터는 역방향 운전을 하여 양방향 PWM 인버터의 직류측 입출력단의 전압을 안정되게 유지하게 할 수 있다.
Sixth, the high-reliability battery energy storage device according to an embodiment of the present invention increases the voltage of the DC input / output terminals of the bidirectional PWM converter when rapid charging is required, By generating the current (i batt - 0 ), the charging time of the entire battery can be shortened. Also, during discharging operation, the battery unit is connected to the DC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter in a state where all the battery packs are connected in series, so that a high DC voltage required on the DC side of the bidirectional PWM inverter can be supplied. Also, in the discharging operation, the insulated DC-DC converter can operate in the reverse direction to stably maintain the voltage of the DC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the embodiments described, but should be determined by the scope of the following claims and equivalents thereof.

11: 배터리부 111: 배터리 팩
12: 양방향 PWM 인버터 13: 절연형 직류-직류 컨버터
14: LC 필터 15: 다이오드
21: 호스트 제어부 22: 하위 제어부11: Battery part 111: Battery pack
12: Bidirectional PWM inverter 13: Isolated DC-DC converter
14: LC filter 15: Diode
21: host control unit 22:

Claims (11)

상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하며 각각이 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 팩을 포함하는 배터리부;
직류측 입출력단 및 교류측 입출력단을 포함하며, 방전 동작시 상기 직류측 입출력단으로 입력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 교류측 입출력단으로 출력하고, 충전 동작시 상기 교류측 입출력단으로 입력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류측 입출력단으로 출력하는 양방향 PWM 인버터; 및
제1 입출력단 및 제2 입출력단을 각각 포함하며, 방전 동작시 상기 제1 입출력단으로 입력된 직류 전력의 전압을 변환하여 상기 제2 입출력단으로 출력하고, 충전 동작시 상기 제2 입출력단으로 입력된 직류 전력의 전압을 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력하는 복수의 절연형 직류-직류 컨버터를 포함하며,
상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각의 제1 입출력단은 상기 복수의 배터리 팩 각각에 연결되고, 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각의 제2 입출력단은 상기 양방향 PWM 인버터의 직류측 입출력단에 공통으로 연결되어 상호 병렬 연결구조를 형성하며, 상기 배터리부의 양단은 상기 양방향 PWM 인버터의 상기 직류측 입출력단에 직접 연결되며, 상기 양방향 PWM 인버터는 충전 동작시 상기 직류측 입출력단의 전압 크기가 상기 배터리부 전체의 전압과 같거나 큰 것을 특징으로 하는 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치.A battery unit including a plurality of battery packs each including a predetermined number of battery cells mutually connected in series and each connected in series;
A DC input / output stage, and an AC input / output stage, wherein DC power input to the DC input / output stage during a discharging operation is converted into AC power and output to the AC input / output stage, A bidirectional PWM inverter for converting input AC power into DC power and outputting the DC power to the DC side input / output stage; And
A first input / output terminal and a second input / output terminal, respectively, for converting a voltage of DC power input to the first input / output terminal during a discharging operation and outputting the voltage to the second input / output terminal, And a plurality of insulated DC-DC converters for converting a voltage of the input DC power and outputting the voltages to the first input / output stage,
A first input / output terminal of each of the plurality of insulated DC / DC converters is connected to each of the plurality of battery packs, and a second input / output terminal of each of the plurality of insulated DC / DC converters is connected to a DC input / Wherein the bidirectional PWM inverter is connected directly to the DC input terminals of the bidirectional PWM inverter so that both ends of the battery are directly connected to the DC input and output terminals of the bidirectional PWM inverter, Is equal to or greater than the voltage across the battery. 제1항에 있어서,
상기 복수의 배터리 팩 각각에 포함된 배터리 셀의 개수는, 상호 직렬 연결된 배터리 셀 간의 셀 불평형 현상을 발생시키지 않는 개수인 것을 특징으로 하는 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치.The method according to claim 1,
Wherein the number of battery cells included in each of the plurality of battery packs is a number that does not cause cell imbalance between battery cells connected in series. 제1항에 있어서,
상기 복수의 배터리 팩 각각과 그에 연결된 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각은 하나의 모듈로 형성된 것을 특징으로 하는 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치.The method according to claim 1,
Wherein each of the plurality of battery packs and each of the plurality of insulated DC-DC converters connected thereto is formed of one module. 제1항에 있어서,
상기 양방향 PWM 인버터의 교류측 입출력단의 전압과 전류 및 직류측 입출력단의 전압과 전압을 감시하여 충방전 운전을 선택 결정하는 호스트 제어부; 및
상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각마다 하나씩 구비되어, 상기 호스트 제어부의 결정에 따라 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터의 충방전 동작을 제어하고, 상기 배터리 팩의 전압 및 전류를 감시하고 상기 호스트 제어부로 보고하는 하위 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치. The method according to claim 1,
A host controller for monitoring a voltage and a current of an AC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter and a voltage and a voltage of a DC input / output terminal to select a charge / discharge operation; And
Wherein each of the plurality of insulated DC-DC converters controls the charging and discharging operation of the plurality of insulated DC-DC converters according to the determination of the host controller, monitors the voltage and current of the battery pack, And report the information to the host control unit. 제4항에 있어서, 상기 호스트 제어부는,
상기 배터리부의 충전 동작 시, 상기 양방향 PWM 인버터의 직류측 입출력단에서 출력되는 직류 전압을 상기 배터리부의 전압보다 높게 결정하여 상기 배터리 팩의 충전 시간을 단축시키는 것을 특징으로 하는 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치.5. The apparatus of claim 4,
Wherein a DC voltage output from a DC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter is determined to be higher than a voltage of the battery unit during a charging operation of the battery unit, thereby shortening the charging time of the battery pack. 삭제delete 상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하며 각각이 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 팩을 포함하는 배터리부;
직류측 입출력단 및 교류측 입출력단을 포함하며, 상기 직류측 입출력단으로 입력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 교류측 입출력단으로 출력하고, 상기 교류측 입출력단으로 입력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 직류측 입출력단으로 출력하는 양방향 PWM 인버터;
제1 입출력단 및 제2 입출력단을 각각 포함하며, 상기 제1 입출력단으로 입력된 직류 전력의 전압을 변환하여 상기 제2 입출력단으로 출력하고, 상기 제2 입출력단으로 입력된 직류 전력의 전압을 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력하는 복수의 절연형 직류-직류 컨버터; 및
상기 배터리부와 상기 양방향 PWM 인버터의 직류측 입출력단에 양단이 각각 직접 연결된 다이오드를 포함하며,
상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각의 제1 입출력단은 상기 복수의 배터리 팩에 각각 연결되고, 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각의 제2 입출력단은 상기 양방향 PWM 인버터의 직류측 입출력단에 공통으로 연결되어 상호 병렬 연결구조를 형성하며, 상기 다이오드의 캐소드는 상기 양방향 PWM 인버터의 상기 직류측 입출력단에 직접 연결되어 상기 배터리부의 충전 시 상기 다이오드는 상기 양방향 PWM 인버터에서 제공되는 전류가 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터를 통하지 않고 직접 상기 배터리부로 제공되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치.A battery unit including a plurality of battery packs each including a predetermined number of battery cells mutually connected in series and each connected in series;
A DC input / output stage, and an AC input / output stage, wherein DC power input to the DC input / output stage is converted into AC power and output to the AC input / output stage, A bidirectional PWM inverter for converting the power into electric power and outputting it to the DC side input / output stage;
A first input / output terminal and a second input / output terminal, respectively, for converting a voltage of DC power input to the first input / output terminal and outputting the voltage to the second input / output terminal, A plurality of insulated DC-DC converters for converting the input signals to the first input / output stage; And
And a diode directly connected to the battery unit and a DC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter,
A first input / output terminal of each of the plurality of insulated DC / DC converters is connected to the plurality of battery packs, and a second input / output terminal of each of the plurality of insulated DC / DC converters is connected to a DC input / And the cathode of the diode is directly connected to the DC side input / output terminal of the bidirectional PWM inverter so that when the battery is charged, the diode supplies the current supplied from the bidirectional PWM inverter Wherein the DC voltage is cut off directly to the battery unit without passing through the plurality of insulated DC-DC converters. 제7항에 있어서,
상기 복수의 배터리 팩 각각에 포함된 배터리 셀의 개수는, 상호 직렬 연결된 배터리 셀 간의 셀 불평형 현상을 발생시키지 않는 개수인 것을 특징으로 하는 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치.8. The method of claim 7,
Wherein the number of battery cells included in each of the plurality of battery packs is a number that does not cause cell imbalance between battery cells connected in series. 제7항에 있어서,
상기 복수의 배터리 팩 각각과 그에 연결된 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각은 모듈로 형성된 것을 특징으로 하는 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치.8. The method of claim 7,
Wherein each of the plurality of battery packs and each of the plurality of insulated DC-DC converters connected thereto is formed as a module. 제7항에 있어서,
상기 양방향 PWM 인버터의 교류측 입출력단의 전압과 전류 및 직류측 입출력단의 전압과 전압을 감시하여 충방전 운전을 선택 결정하는 호스트 제어부; 및
상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터 각각마다 하나씩 구비되어, 상기 호스트 제어부의 결정에 따라 상기 복수의 절연형 직류-직류 컨버터의 충방전 동작을 제어하고, 상기 배터리 팩의 전압 및 전류를 감시하고 상기 호스트 제어부로 보고하는 하위 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치.8. The method of claim 7,
A host controller for monitoring a voltage and a current of an AC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter and a voltage and a voltage of a DC input / output terminal to select a charge / discharge operation; And
Wherein each of the plurality of insulated DC-DC converters controls the charging and discharging operation of the plurality of insulated DC-DC converters according to the determination of the host controller, monitors the voltage and current of the battery pack, And report the information to the host control unit. 제10항에 있어서, 상기 호스트 제어부는,
상기 배터리부의 충전 동작시, 상기 양방향 PWM 인버터의 직류측 입출력단에서 출력되는 직류 전압을 상기 배터리부의 전압보다 높게 결정하는 것을 특징으로 하는 고신뢰성 배터리 에너지 저장 장치.11. The apparatus of claim 10,
Wherein the DC voltage output from the DC input / output terminal of the bidirectional PWM inverter is determined to be higher than the voltage of the battery unit during the charging operation of the battery unit.
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