KR101711706B1 - 공통 모드 노이즈 시뮬레이터 - Google Patents

공통 모드 노이즈 시뮬레이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공통 모드 노이즈 시뮬레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 인덕터, 커패시터 및 저항의 임피던스를 제어하여 고주파 성분이 제거되고 진폭이 변조된 공통 모드 노이즈에 따른 배터리의 누설 전류를 측정하여 배터리의 절연 성능을 평가하는 공통 모드 노이즈 시뮬레이터에 관한 것이다.

Description

공통 모드 노이즈 시뮬레이터{Common mode noise simulator}
본 발명은 공통 모드 노이즈 시뮬레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 인덕터, 커패시터 및 저항의 임피던스를 제어하여 고주파 성분이 제거되고 진폭이 변조된 공통 모드 노이즈(Commmon Mode Noise; CMN)에 따른 배터리의 누설 전류를 측정하여 배터리의 절연 성능을 평가하는 공통 모드 노이즈 시뮬레이터에 관한 것이다.
대규모 전력망을 구동하는 발전소와 전력 소모량이 큰 빌딩 등에 설치되는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)은 일반적으로 배터리 모듈(Battery Module)이 다수로 구성된 배터리 랙(Battery Rack)을 포함하여 구성될 수 있으며, 결과적으로 수많은 배터리가 모여 공조 건물 또는 컨테이너 등과 같은 특수 공간에 설치될 수 있다. 이때, 배터리 모듈 및 배터리 랙에는 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)이 설치되어 전압, 전류, 온도, 차단기 등과 같은 제어 대상을 모니터링하고 제어한다.
한편, 에너지 저장 시스템에 설치된 전력 변환 시스템(Power Conversion System; PCS)은 외부로터 공급되는 전력과 배터리 랙에서 외부로 공급하는 전력을 제어하여 배터리 랙의 충방전을 제어하며, 전력 변환 시스템과 연결된 에너지 관리 시스템(Enery Management System; EMS)은 상술된 배터리 관리 시스템의 모니터링 및 제어 결과를 바탕으로 전력 변환 시스템의 출력을 제어한다.
즉, 에너지 저장 시스템은 배터리 랙의 전력 효율을 향상시키고 고출력 환경에서 발생할 수 있는 장애를 진단 및 예방하기 위하여 배터리 관리 시스템을 통해 배터리 랙을 실시간으로 모니터링 및 제어하고, 이를 바탕으로 에너지 관리 시스템을 통해 전력 변환 시스템의 출력 제어하여 배터리 랙의 충방전을 제어한다.
이에 따라, 에너지 저장 시스템 내의 배터리 랙, 배터리 관리 시스템, 에너지 관리 시스템 및 전력 변환 시스템 간에 신호를 이용한 통신을 안정적으로 수행하는 것이 중요하며 이를 위해, 에너지 저장 시스템 내에 유기되어 통신 장애 및 오작동을 일으키는 전도 노이즈에 대한 대책이 필요하다.
전도 노이즈의 전달방식에는 차동 모드(Differential Mode)와 공통 모드(Common Mode)의 두 가지 모드가 있으며, 그 차이에 따른 노이즈 대책이 상이하다. 특히, 공통 모드를 통해 유기되는 공통 모드 노이즈는 배선계의 임피던스 불평행 등에 의해 생기기도 하고 고주파일수록 현저해지며, 지면(地面) 등에 전달되어 큰 루프를 그리면서 되돌아 오기 때문에 멀리 떨어져 있는 전자기기에도 여러 가지 통신 장애를 발생시키므로 공통 모드 노이즈에 대한 대책이 중요시 되고 있다.
에너지 저장 시스템에 유기되는 공통 모드 노이즈로 인한 통신 장애 및 오작동은 배터리 랙의 절연 성능이 뛰어날수록 발생 빈도가 줄어드는 특성가짐으로써, 공통 모드 노이즈에 따른 배터리 랙 절연 성능을 평가하기 위한 공통 모드 노이즈 시뮬레이터의 개발이 요구되고 있다.
이에, 본 발명자는 인덕터, 커패시터 및 저항의 임피던스를 제어하여 고주파 성분이 제거되고 진폭이 변조된 공통 모드 노이즈에 따른 배터리의 누설 전류를 측정하여 배터리의 절연 성능을 평가하는 공통 모드 노이즈 시뮬레이터를 발명하기에 이르렀다.
일본공개특허 제2010-246201호
본 발명의 목적은, 고주파 제거부에 포함된 제1 인덕터, 제2 인덕터, 제1 커패시터 및 제2 커패시터 중 어느 하나 이상의 임피던스를 제어하여 설정된 범위의 고주파 성분을 공통 모드 노이즈로부터 제거할 수 있는 공통 모드 노이즈 시뮬레이터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 진폭 변조부에 포함된 제1 저항 및 제2 저항 중 어느 하나 이상의 임피던스를 제어하여 공통 모드 노이즈의 진폭을 설정된 진폭 변조 범위 내로 제어할 수 있는 공통 모드 노이즈 시뮬레이터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 고주파 성분이 제거되고 진폭이 변조되어 배터리로 유기되는 공통 모드 노이즈의 파형 정보와 배터리의 누설 전류의 파형 정보를 근거하여 배터리의 절연 성능을 평가할 수 있는 공통 모드 노이즈 시뮬레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 공통 모드 노이즈 시뮬레이터는 배터리의 충방전을 제어하는 전력 변환 장치와 접지로부터 유기되는 공통 모드 노이즈의 고주파 성분을 제거하는 고주파 제거부; 상기 공통 모드 노이즈의 진폭을 변조시키는 진폭 변조부; 상기 고주파 제거부를 통해 고주파 성분이 제거되고 상기 진폭 변조부를 통해 진폭이 변조되어 상기 배터리로 유기되는 공통 모드 노이즈의 파형 정보와 상기 배터리의 누설 전류의 파형 정보를 근거하여 상기 배터리의 절연 성능을 평가하는 절연성 평가부;를 포함하여 구성된다.
상기 고주파 제거부는, 상기 배터리의 양극 단자와 상기 전력 변환 장치의 양극 단자 사이에 연결되는 제1 인덕터; 및 상기 전력 변환 장치의 양극 단자와 상기 접지 사이에 연결되는 제1 커패시터;를 포함할 수 있다.
상기 고주파 제거부는, 상기 배터리의 음극 단자와 상기 전력 변환 장치의 음극 단자 사이에 연결되는 제2 인덕터; 및 상기 전력 변환 장치의 음극 단자와 상기 접지 사이에 연결되는 제2 커패시터;를 더 포함할 수 있다.
상기 진폭 변조부는, 상기 전력 변환 장치의 양극 단자와 상기 접지 사이에 연결되는 제1 저항;을 포함할 수 있다.
상기 진폭 변조부는, 상기 전력 변환 장치의 음극 단자와 상기 접지 사이에 연결되는 제2 저항;을 더 포함할 수 있다.
상기 공통 모드 노이즈 시뮬레이터는 상기 제1 인덕터, 상기 제2 인덕터, 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터 중 어느 하나 이상의 임피던스를 제어하여 상기 공통 모드 노이즈에서 제거되는 고주파 성분의 범위를 설정하는 제어부;를 더
상기 제어부는, 상기 제1 저항 및 상기 제2 저항 중 어느 하나 이상의 임피던스를 제어하여 상기 공통 모드 노이즈의 진폭 변조 범위를 설정할 수 있다.
상기 절연성 평가부는, 상기 누설 전류의 전류값과 상기 배터리로 유기되는 공통 모드 노이즈의 파형 정보에 대응하는 기 설정된 전류값을 비교하고, 상기 누설 전류의 전류값이 상기 기 설정된 전류값 이하인 경우, 상기 배터리의 절연 성능이 양호한 것으로 판단할 수 있다.
상기 공통 모드 노이즈 시뮬레이터는 상기 배터리의 누설 전류를 측정하는 전류 측정부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공통 모드 노이즈 시뮬레이터는 고주파 성분이 제거되고 진폭이 변조되어 배터리로 유기되는 공통 모드 노이즈의 파형 정보와 배터리의 누설 전류의 파형 정보를 근거하여 배터리의 절연 성능을 평가함으로써, 배터리의 출하 후 품질 관리 비용을 절감시키는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 모드 노이즈 시뮬레이터의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 모드 노이즈 시뮬레이터의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 작동을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 모드 노이즈 시뮬레이터의 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공통 모드 노이즈 시뮬레이터의 구체적인 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 공통 모드 노이즈 시뮬레이터(100)는 고주파 제거부(110), 진폭 변조부(120), 제어부(130), 전류 측정부(140) 및 절연성 평가부(150)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 공통 모드 노이즈 시뮬레이터(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
공통 모드 노이즈 시뮬레이터(100)는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)에 포함된 배터리(200)와 전력 변환 장치(Power Conversion System; PCS, 300) 사이에 구비되어, 전력 변환 장치(300)와 접지(Groud)에서 배터리(200)로 유기되는 공통 모드 노이즈(Common Mode Noise)의 고주파 성분을 제거하거나 공통 모드 노이즈의 진폭을 변조시키는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 공통 모드 노이즈 시뮬레이터(100)는 고주파 성분이 제거되고 진폭이 변조된 공통 모드 노이즈가 유기된 배터리로부터 누설 전류를 측정하여 배터리의 절연 성능을 평가하는 역할을 수행할 수 있다.
고주파 제거부(110)는 전력 변환 장치(300)와 접지로부터 유기되는 공통 모드 노이즈의 고주파 성분을 제거하는 역할을 수행할 수 있다.
이를 위해, 고주파 제거부(110)는 배터리(200)의 양극 단자와 전력 변환 장치(300)의 양극 단자 사이에 연결되는 제1 인덕터(111)와 전력 변환 장치(300)의 양극 단자와 접지 사이에 연결되는 제1 커패시터(112)를 포함할 수 있다.
고주파 제거부(110)의 제1 인덕터(111) 및 제1 커패시터(112)는 전력 변환 장치(300)의 양극 단자와 접지로부터 유기되는 공통 모드 노이즈의 고주파 성분을 제거할 수 있다.
또한, 고주파 제거부(110)는 배터리(200)의 음극 단자와 전력 변환 장치(300)의 음극 단자 사이에 연결되는 제2 인덕터(113)와 전력 변환 장치(300)의 음극 단자와 접지 사이에 연결되는 제2 커패시터(114)를 포함할 수 있다.
고주파 제거부(110)의 제2 인덕터(113) 및 제2 커패시터(114)는 전력 변환 장치(300)의 음극 단자와 접지로부터 유기되는 공통 모드 노이즈의 고주파 성분을 제거할 수 있다.
이때, 기 설정된 범위 내의 고주파 성분을 공통 모드 노이즈로부터 제거하기 위하여, 고주파 제거부(110)의 제1 인덕터(111), 제1 커패시터(112), 제2 인덕터(113) 및 제2 커패시터(114) 중 하나 이상의 임피던스는 후술되는 제어부로부터 제어될 수 있다.
진폭 변조부(120)는 전력 변환 장치(300)와 접지로부터 유기되는 공통 모드 노이즈의 진폭을 변조시키는 역할을 수행할 수 있다.
이를 위해, 진폭 변조부(120)는 전력 변환 장치(300)의 양극 단자와 접지 사이에 연결되는 제1 저항(121)을 포함할 수 있다.
진폭 변조부(120)의 제1 저항(121)은 전력 변환 장치(300)의 양극 단자와 접지로부터 유기되어 상술된 고주파 제거부(110)를 통해 고주파 성분이 제거된 공통 모드 노이즈의 진폭을 변조시킬 수 있다.
또한, 진폭 변조부(120)는 전력 변환 장치(300)의 음극 단자와 접지 사이에 연결되는 제2 저항(122)을 포함할 수 있다.
진폭 변조부(120)의 제2 저항(122)은 전력 변환 장치(300)의 음극 단자와 접지로부터 유기되어 상술된 고주파 제거부(110)를 통해 고주파 성분이 제거된 공통 모드 노이즈의 진폭을 변조시킬 수 있다.
이때, 공통 모드 노이즈의 진폭을 기 설정된 범위 내로 변조시키기 위하여, 진폭 변조부(120)의 제1 저항(121) 및 제2 저항(122) 중 하나 이상의 임피던스는 후술되는 제어부로부터 제어될 수 있다.
제어부(130)는 고주파 제거부(110)의 제1 인덕터(111), 제1 커패시터(112), 제2 인덕터(113) 및 제2 컨덕터(114) 중 하나 이상의 임피던스를 제어하여 공통 모드 노이즈에서 제거되는 고주파 성분의 범위를 설정할 수 있다.
여기서, 기 설정된 범위는 공통 모드 노이즈 중에서 주파수 대역이 높아 에너지 저장 시스템에 포함된 배터리, 전력 변환 장치, 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS) 및 에너지 관리 시스템(Energy Management System; EMS) 간에 통신 장애 및 오작동을 일으키는 공통 모드 노이즈의 주파수 범위일 수 있다.
또한, 상술된 제1 인덕터(111) 및 제2 인덕터(113)의 임피던스는 인덕터 소자의 인덕턴스일 수 있으며, 상술된 제1 커패시터(112) 및 제2 커패시터(114)의 임피던스는 커패시터 소자의 컨덕턴스일 수 있다.
제어부(130)는 고주파 제거부(110)의 제1 저항(121) 및 제2 저항(121) 중 하나 이상의 임피던스를 제어하여 공통 모드 노이즈의 진폭 변조 범위를 설정할 수 있다.
여기서, 진폭은 공통 모드 노이즈의 피크(Peak) 전압 또는 피크 투 피크(Peak to Peak) 전압일 수 있다.
제어부(130)는 진폭 변조부(120)의 중 하나 이상의 임피던스를 제어하여 공통 모드 노이즈의 진폭 변조 범위를 설정할 수 있다.
여기서, 진폭은 공통 모드 노이즈의 피크(Peak) 전압 또는 피크 투 피크(Peak to Peak) 전압일 수 있다.
또한, 상술된 제1 저항(121) 및 제2 저항(121)의 임피던스는 가변 저항 소자의 저항값일 수 있으며, 제어부(130)는 가변 저항의 저항값을 변경하여 제1 저항(121) 및 제2 저항(121)의 임피던스를 제어할 수 있다.
한편, 고주파 제거부(110) 및 진폭 변조부(120)를 통해 고주파 성분이 제거되고 진폭이 변조된 공통 모드 노이즈는 배터리(200)에 유기될 수 있고, 유기된 공통 모드 노이즈 및 배터리(200)의 절연 성능에 따라 배터리(200)의 누설 전류가 상이할 수 있다.
이때, 전류 측정부(140)는 배터리(200)와 접지 사이에 직렬로 연결되어 배터리(200)로부터 누설되는 누설 전류를 측정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 전류 측정부(140)는 측정된 누설 전류를 파형의 신호로 후술되는 제어부(150)로 전송할 수 있다.
이러한 역할을 수행하는 전류 측정부(140)는 배터리(200)의 누설 전류를 측정 하기 위해 변류기(Current transformer) 방식, 홀 소자(Hall element) 방식 및 퓨즈(Fuse) 방식 중 하나 이상에 해당하는 전류 센서(Current sensor)를 이용할 수 있고, 하나 이상의 스위치 소자, 캐패시터, 도선 등을 포함할 수 있으며, 고전류로부터 내부를 보호하기 위한 안정기(예를 들어, 높은 저항값을 가지는 저항체 등)(미도시)를 더 포함할 수 있다.
절연성 평가부(150)는 고주파 제거부(110)를 통해 고주파 성분이 제거되고 진폭 변조부(120)를 통해 진폭이 변조되어 배터리(200)로 유기되는 공통 모드 노이즈의 파형 정보와 전류 측정부(140)를 통해 측정된 배터리(200)의 누설 전류의 파형 정보를 근거하여 배터리(200)의 절연 성능을 평가하는 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 절연성 평가부(150)는 배터리(200)로 유기되는 공통 모드 노이즈의 파형 정보에 대응하는 기 설정된 전류값과 배터리(200)의 누설 전류의 전류값을 비교하고, 누설 전류값이 기 설정된 전류값 이하에 해당하는 경우, 배터리(200)의 절연 성능이 양호한 것으로 판단할 수 있다.
여기서, 누설 전류의 전류값은 누설 전류의 파형의 피크 전압 또는 피크 투 피크 전압일 수 있다.
또한, 기 설정된 전류값은 배터리(200)로 유기되는 공통 모드 노이즈의 파형 정보 즉, 피크 전압 또는 피크 투 피크 전압에 따른 배터리(200)의 허용 누설 전류값일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 공통 모드 노이즈 시뮬레이터
110 : 고주파 제거부
111 : 제1 인덕터 112 : 제1 커패시터
113 : 제2 인덕터 114 : 제2 커패시터
120 : 진폭 변조부
121 : 제1 저항 122 : 제2 저항
130 : 제어부
140 : 전류 측정부
150 : 절연성 평가부
200 : 배터리
300 : 전력 변환 장치

Claims (9)

  1. 배터리의 충방전을 제어하는 전력 변환 장치(Power Conversion System; PCS)와 접지(Ground)로부터 유기되는 공통 모드 노이즈(Commmon Mode Noise; CMN)의 고주파 성분을 제거하는 고주파 제거부;
    상기 공통 모드 노이즈의 진폭을 변조시키는 진폭 변조부;
    상기 고주파 제거부를 통해 고주파 성분이 제거되고 상기 진폭 변조부를 통해 진폭이 변조되어 상기 배터리로 유기되는 공통 모드 노이즈의 파형 정보와 상기 배터리의 누설 전류의 파형 정보를 근거하여 상기 배터리의 절연 성능을 평가하는 절연성 평가부;를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 고주파 제거부는,
    상기 배터리의 양극 단자와 상기 전력 변환 장치의 양극 단자 사이에 연결되는 제1 인덕터; 및
    상기 전력 변환 장치의 양극 단자와 상기 접지 사이에 연결되는 제1 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공통 모드 노이즈 시뮬레이터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고주파 제거부는,
    상기 배터리의 음극 단자와 상기 전력 변환 장치의 음극 단자 사이에 연결되는 제2 인덕터; 및
    상기 전력 변환 장치의 음극 단자와 상기 접지 사이에 연결되는 제2 커패시터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공통 모드 노이즈 시뮬레이터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 진폭 변조부는,
    상기 전력 변환 장치의 양극 단자와 상기 접지 사이에 연결되는 제1 저항;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공통 모드 노이즈 시뮬레이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 진폭 변조부는,
    상기 전력 변환 장치의 음극 단자와 상기 접지 사이에 연결되는 제2 저항;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공통 모드 노이즈 시뮬레이터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 인덕터, 상기 제2 인덕터, 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터 중 어느 하나 이상의 임피던스를 제어하여 상기 공통 모드 노이즈에서 제거되는 고주파 성분의 범위를 설정하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공통 모드 노이즈 시뮬레이터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 저항 및 상기 제2 저항 중 어느 하나 이상의 임피던스를 제어하여 상기 공통 모드 노이즈의 진폭 변조 범위를 설정하는 것을 특징으로 하는,
    공통 모드 노이즈 시뮬레이터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 절연성 평가부는,
    상기 누설 전류의 전류값과 상기 배터리로 유기되는 공통 모드 노이즈의 파형 정보에 대응하는 기 설정된 전류값을 비교하고, 상기 누설 전류의 전류값이 상기 기 설정된 전류값 이하인 경우, 상기 배터리의 절연 성능이 양호한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는,
    공통 모드 노이즈 시뮬레이터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 누설 전류를 측정하는 전류 측정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공통 모드 노이즈 시뮬레이터.
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