KR101749185B1 - 통신 방법, 통신 시스템, 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 - Google Patents

통신 방법, 통신 시스템, 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

배터리 시스템이 제공된다. 상기 배터리 시스템은 시스템 버스, 상기 시스템 버스에 연결되고 상기 시스템 버스에 하나 이상의 제1 시스템 프레임들을 전송하도록 구성되는 시스템 컨트롤러, 및 상기 시스템 버스에 연결되고 상기 시스템 버스에 하나 이상의 제2 시스템 프레임들을 전송하도록 구성되는 하나 이상의 배터리 서브시스템들을 포함한다. 상기 하나 이상의 배터리 서브시스템들 중 적어도 하나는 전력을 저장하기 위한 저장 시스템, 및 상기 저장 시스템의 충전 및 방전을 제어하고, 저장 시스템 데이터를 수신하고, 상기 시스템 버스에 상기 저장 시스템 데이터를 포함하는 상기 하나 이상의 제2 시스템 프레임들을 전송하도록 구성되는 저장 시스템 컨트롤러를 포함한다. 상기 시스템 컨트롤러와 상기 저장 시스템 컨트롤러 중 적어도 하나는 상기 제1 시스템 프레임들 및 상기 제2 시스템 프레임들을 포함하는 시스템 프레임들 사이에 상기 시스템 버스에 시스템 프레임 구분 신호를 인가하도록 구성된다.

Description

통신 방법, 통신 시스템, 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템{Communication method, communication system, and energy storage system including the same}
본 발명의 하나 이상의 실시예들은 통신 방법, 통신 시스템, 및 통신 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
환경 파괴, 자원 고갈 등이 심각한 문제로 제기되면서, 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 이와 함께 발전 과정에서 공해를 유발하지 않거나 적게 유발하는 신재생 에너지에 대한 관심도 높아지고 있다. 에너지 저장 시스템은 이러한 신재생 에너지, 전력을 저장하는 배터리 시스템, 그리고 기존의 계통을 연계시키는 시스템으로서, 오늘날의 환경 변화에 맞추어 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
이러한 에너지 저장 시스템은 전력을 공급하는 부하의 부하량에 따라서 배터리 시스템을 다양하게 설계할 수 있다. 배터리 시스템은 외부로부터 전력을 공급받아 전력을 저장할 수 있으며, 저장되어 있는 전력을 외부로 공급할 수 있다. 즉, 배터리 시스템은 충전 및 방전 동작을 수행할 수 있다.
배터리 시스템은 안정적인 동작을 위하여 내부 상태를 모니터링 하고, 모니터링에 의하여 측정된 데이터들을 취합한다. 이때, 배터리 시스템은 마스터-슬레이브 구조를 갖는 다양한 배터리 관리부를 구비한다. 슬레이브에 해당하는 배터리 관리부들이 마스터에 해당하는 배터리 관리부로 측정된 데이터들을 전송하며, 마스터에 해당하는 배터리 관리부는 데이터를 모두 수신하여 취합한다.
국내공개특허공보 제10-2011-0013747호 미국 특허공보 US7293103호 일본 공개특허공보 특개 제2010-146571호
본 발명의 하나 이상의 실시예들은 데이터 전송시 에러 발생 가능성을 감소시킬 수 있는 통신 방법, 통신 시스템, 및 통신 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리 시스템이 제공된다. 상기 배터리 시스템은 시스템 버스, 상기 시스템 버스에 연결되고 상기 시스템 버스에 하나 이상의 제1 시스템 프레임들을 전송하도록 구성되는 시스템 컨트롤러, 및 상기 시스템 버스에 연결되고 상기 시스템 버스에 하나 이상의 제2 시스템 프레임들을 전송하도록 구성되는 하나 이상의 배터리 서브시스템들을 포함한다. 상기 하나 이상의 배터리 서브시스템들 중 적어도 하나는, 전력을 저장하기 위한 저장 시스템, 및 상기 저장 시스템의 충전 및 방전을 제어하고, 저장 시스템 데이터를 수신하고, 상기 시스템 버스에 상기 저장 시스템 데이터를 포함하는 상기 하나 이상의 제2 시스템 프레임들을 전송하도록 구성되는 저장 시스템 컨트롤러를 포함한다. 상기 시스템 컨트롤러와 상기 저장 시스템 컨트롤러 중 적어도 하나는 상기 제1 시스템 프레임들 및 상기 제2 시스템 프레임들을 포함하는 시스템 프레임들 사이에 상기 시스템 버스에 시스템 프레임 구분 신호를 인가하도록 구성된다.
상기 저장 시스템 컨트롤러는 상기 저장 시스템의 충전 및 방전을 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 시스템 컨트롤러는 상기 시스템 버스에서 마스터로 동작하도록 구성되고, 상기 저장 시스템 컨트롤러는 상기 시스템 버스에서 슬레이브로 동작하도록 구성될 수 있다.
상기 시스템 컨트롤러는 상기 시스템 버스에 상기 제1 시스템 프레임들 중 적어도 하나를 전송함으로써 상기 저장 시스템 컨트롤러에게 상기 저장 시스템 데이터의 전송을 명령하도록 구성될 수 있다. 상기 시스템 컨트롤러 또는 상기 저장 시스템 컨트롤러는 상기 저장 시스템 데이터가 준비되는 동안 상기 시스템 버스에 상기 시스템 프레임 구분 신호를 인가하도록 구성될 수 있다.
상기 저장 시스템 컨트롤러는 상기 시스템 프레임 구분 신호가 상기 시스템 버스에 인가되는 것이 중단된 후에 상기 시스템 버스에 상기 제2 시스템 프레임들 중 적어도 하나를 전송함으로써 상기 시스템 컨트롤러에 상기 저장 시스템 데이터를 전송하도록 구성될 수 있다.
상기 시스템 컨트롤러와 상기 하나 이상의 배터리 서브시스템들 중 상기 적어도 하나의 상기 저장 시스템 컨트롤러 사이의 통신 프로토콜은 CAN(controller area network) 프로토콜일 수 있다.
상기 하나 이상의 배터리 서브시스템들 중 상기 적어도 하나는 서브시스템 버스, 및 상기 전력을 저장하기 위한 하나 이상의 배터리 모듈들을 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 배터리 모듈들 중 적어도 하나는 상기 서브시스템 버스를 통해 상기 저장 시스템 컨트롤러에 연결될 수 있다.
상기 하나 이상의 배터리 모듈들 중 상기 적어도 하나는 상기 전력을 저장하기 위한 하나 이상의 배터리 셀들, 및 상기 하나 이상의 배터리 셀들의 충전 및 방전을 제어하고 상기 하나 이상의 배터리 셀들의 정보에 대응하는 모듈 데이터를 상기 저장 시스템 컨트롤러에게 전송하도록 구성되는 모듈 컨트롤러를 포함할 수 있다.
상기 저장 시스템 컨트롤러는 상기 서브시스템 버스에서 마스터로 동작하도록 구성되고, 상기 모듈 컨트롤러는 상기 서브시스템 버스에서 슬레이브로 동작하도록 구성될 수 있다.
상기 저장 시스템 컨트롤러는 상기 서브시스템 버스 상에 하나 이상의 제1 저장 시스템 프레임들을 전송하도록 구성될 수 있다. 상기 모듈 컨트롤러는 상기 서브시스템 버스 상에 하나 이상의 제2 저장 시스템 프레임들을 전송하도록 구성될 수 있다.
상기 저장 시스템 컨트롤러는 상기 서브시스템 버스 상에 상기 제1 저장 시스템 프레임들 중 적어도 하나를 전송함으로써 상기 모듈 데이터의 전송을 명령하도록 구성될 수 있다. 상기 저장 시스템 컨트롤러 또는 상기 모듈 컨트롤러는 상기 모듈 데이터가 준비되는 동안에 상기 서브시스템 버스 상에 저장 시스템 프레임 구분 신호를 인가하도록 구성될 수 있다.
상기 모듈 컨트롤러는 상기 저장 시스템 프레임 구분 신호가 상기 서브시스템 버스에 인가되는 것이 중단된 후에 상기 서브시스템 버스에 상기 제2 저장 시스템 프레임들 중 적어도 하나를 전송함으로써 상기 저장 시스템 컨트롤러에 상기 모듈 데이터를 전송하도록 구성될 수 있다.
상기 저장 시스템 컨트롤러와 상기 하나 이상의 배터리 모듈들 중 상기 적어도 하나의 상기 모듈 컨트롤러 사이의 통신 프로토콜은 CAN(controller area network) 프로토콜일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 마스터-슬레이브 구조를 갖는 통신 시스템이 제공된다. 상기 통신 시스템은 시스템 버스, 커맨드를 포함하는 커맨드 프레임을 상기 시스템 버스에 전송하도록 구성되는 마스터, 및 상기 시스템 버스로부터 상기 커맨드 프레임을 수신하고, 상기 커맨드 프레임 내의 상기 커맨드에 대응하는 동작을 수행하고, 상기 시스템 버스에 데이터를 포함하는 하나 이상의 데이터 프레임들을 전송하도록 구성되는 복수의 슬레이브들을 포함한다. 상기 복수의 슬레이브들과 상기 마스터 중 적어도 하나는 상기 커맨드 프레임 및 상기 데이터 프레임들을 포함하는 프레임들 사이에 상기 시스템 버스에 프레임 구분 신호를 인가하도록 구성된다.
상기 프레임 구분 신호는 상기 프레임들 중 가장 마지막 프레임을 수신한 상기 마스터 또는 상기 슬레이브들 중 하나에 의해 상기 시스템 버스에 인가될 수 있다.
상기 마스터는 상기 배터리 시스템의 시스템 컨트롤러일 수 있다. 상기 복수의 슬레이브들은 상기 배터리 시스템의 랙들에 대응하는 랙 컨트롤러들일 수 있다. 상기 데이터는 상기 배터리 시스템 내의 하나 이상의 배터리 셀들의 정보에 대응할 수 있다.
상기 마스터는 배터리 시스템의 랙에 대응하는 랙 컨트롤러일 수 있다. 상기 복수의 슬레이브들은 상기 랙의 트레이들에 대응하는 트레이 컨트롤러들일 수 있다. 상기 데이터는 상기 랙 내의 하나 이상의 배터리 셀들의 정보에 대응할 수 있다.
상기 프레임 구분 신호는 상기 프레임들 중 인접한 2개의 프레임들 사이의 인터프레임 구간 동안 인가될 수 있다. 상기 인터프레임 구간은 인터미션(intermission) 구간과 버스 아이들(bus idel) 구간을 포함할 수 있다. 상기 버스 아이들 구간 동안에 인가되는 상기 프레임 구분 신호의 전압 레벨은 상기 버스 아이들 구간의 나머지 부분의 전압 레벨과 반대일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 시스템 버스 및 상기 시스템 버스에 연결된 복수의 장치들을 포함하는 통신 시스템이 제공된다. 상기 장치들 중 적어도 하나의 제1 장치는 상기 시스템 버스에 커맨드를 포함하는 커맨드 프레임을 전송하도록 구성된다. 상기 장치들 중 상기 제1 장치와 다른 적어도 하나의 제2 장치는 상기 시스템 버스로부터 상기 커맨드 프레임을 수신하고, 상기 커맨드 프레임 내의 상기 커맨드에 대응하는 동작을 수행하고, 상기 시스템 버스에 하나 이상의 데이터 프레임들을 전송하도록 구성된다. 상기 장치들 중 적어도 하나는 상기 커맨드 프레임 및 상기 데이터 프레임들을 포함하는 프레임들 사이에 상기 시스템 버스에 프레임 구분 신호를 인가하도록 구성된다.
상기 프레임 구분 신호는 상기 장치들 중 상기 적어도 하나 중에서 상기 프레임들 중 가장 마지막 프레임을 수신한 장치에 의해 상기 시스템 버스에 인가될 수 있다.
상기 프레임 구분 신호는 상기 프레임 구분 신호가 인가되기 바로 전과 상기 프레임 구분 신호가 인가된 바로 다음에 인가되는 전압 레벨들과 상이한 전압 레벨을 가질 수 있다.
상기 프레임 구분 신호는 상기 프레임들 중 인접한 2개의 프레임들 사이의 인터프레임 구간 동안 인가될 수 있다. 상기 인터프레임 구간은 인터미션(intermission) 구간과 버스 아이들(bus idel) 구간을 포함할 수 있다. 상기 버스 아이들 구간 동안에 인가되는 상기 프레임 구분 신호의 상기 전압 레벨은 상기 버스 아이들 구간의 나머지 부분의 전압 레벨과 반대일 수 있다.
상기 프레임 구분 신호는 상기 장치들 중에서 상기 프레임 구분 신호를 인가하는 장치 외의 다른 장치들에 의한 전송을 방지하기 위해 상기 시스템 버스를 점유할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 데이터 전송 방법이 제공된다. 상기 데이터 전송 방법에 따르면, 마스터는 복수의 슬레이브들에게 버스로 커맨드를 전송한다. 상기 마스터 또는 상기 복수의 슬레이브들 중에서 상기 커맨드의 대상이 되는 슬레이브는 상기 버스에 프레임 구분 신호를 인가하여, 전송의 휴지를 시작한다. 상기 슬레이브들 중 하나가 상기 버스에 데이터를 전송할 준비가 되면, 상기 전송의 휴지가 해제된다. 상기 마스터에게 상기 버스로 상기 데이터가 전송된다. 상기 마스터는 상기 버스를 통해 전송된 상기 데이터를 수신한다.
상기 프레임 구분 신호는 상기 커맨드와 상기 데이터 중에서 가장 마지막으로 전송된 것을 수신한 상기 마스터 또는 상기 슬레이브들 중 하나에 의해 상기 버스에 인가될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 데이터 전송시 에러 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 서브시스템을 나타내는 블록도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예들에 따라서 마스터-슬레이브 구조를 갖는 통신 시스템을 나타내는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따라서 CAN 통신 프로토콜의 프레임 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따라서 CAN 통신 프로토콜의 인터프레임 구간을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 방법을 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 통신 방법을 나타내는 도면들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템의 데이터 전송 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 통신 시스템의 데이터 전송 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1)을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2), 계통(3)과 연계하여 부하(4)에 전력을 공급한다.
발전 시스템(2)은 에너지원을 이용하여 전력을 생산하는 시스템이다. 발전 시스템(2)은 생산한 전력을 에너지 저장 시스템(1)에 공급한다. 발전 시스템(2)은 예컨대 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로 발전 시스템(2)은 상기 언급한 종류에 한정되는 것은 아니다. 발전 시스템(2)은 태양열이나 지열 등, 신재생 에너지를 이용할 수 있다. 특히 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 태양 전지는, 각 가정 또는 공장 등에 설치하기 용이하여, 각 가정이나 공장에 분산된 에너지 저장 시스템(1)에 적용하기에 적합하다. 발전 시스템(2)은 다수의 발전 모듈을 병렬로 구비하고 발전 모듈별로 전력을 생산함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다.
계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비한다. 계통(3)은 정상 상태인 경우, 에너지 저장 시스템(1)으로 전력을 공급하여 부하(4) 및/또는 배터리 시스템(20)에 전력이 공급되도록 하고, 에너지 저장 시스템(1)으로부터 전력을 공급받는다. 계통(3)이 비정상 상태인 경우, 계통(3)으로부터 에너지 저장 시스템(1)으로의 전력 공급은 중단되고, 에너지 저장 시스템(1)으로부터 계통(3)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
부하(4)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력, 배터리 시스템(20)에 저장된 전력, 또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비할 수 있다. 가정이나 공장 등이 부하(4)의 일 예일 수 있다.
에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하고, 생산한 전력을 계통(3)으로 공급할 수 있다. 에너지 저장 시스템(1)은 배터리 시스템(20)에 저장된 전력을 계통(3)으로 공급하거나, 계통(3)으로부터 공급된 전력을 배터리 시스템(20)에 저장할 수도 있다. 또한, 에너지 저장 시스템(1)은 계통(3)이 비정상 상태일 경우, 예를 들면 정전이 발생한 경우에는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 동작을 수행하여 부하(4)에 전력을 공급할 수 있다. 또한 에너지 저장 시스템(1)은 계통(3)이 정상인 상태에서도 발전 시스템(2)이 생산한 전력이나 배터리 시스템(20)에 저장되어 있는 전력을 부하(4)로 공급할 수 있다.
에너지 저장 시스템(1)은 전력 변환을 제어하는 전력 변환 시스템(Power Conversion System, 이하 'PCS'라 함)(10), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 및 제2 스위치(40) 등을 포함한다.
PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 시스템(20)의 전력을 적절한 전력으로 변환하여 필요한 곳에 공급한다. PCS(10)는 전력 변환부(11), DC 링크부(12), 인버터(13), 컨버터(14), 통합 제어기(15)를 포함한다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)과 DC 링크부(12) 사이에 연결되는 전력 변한 장치이다. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 DC 링크부(12)로 전달하며, 이때 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환한다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 예컨대 컨버터, 정류회로와 같은 전력 변환 회로로 구성될 수 있다. 발전 시스템(2)이 생산하는 전력이 직류인 경우, 전력 변환부(11)는 직류를 직류로 변환하기 위한 컨버터일 수 있다. 발전 시스템(2)이 생산하는 전력이 교류인 경우, 전력 변환부(11)는 교류를 직류로 변환하기 위한 정류회로일 수 있다. 특히, 발전 시스템(2)이 태양광 발전 시스템인 경우, 전력 변환부(11)는 일사량, 온도 등의 변화에 따라서 발전 시스템(2)에서 생산하는 전력을 증가시키거나 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생산되는 전력이 없을 때에는 동작을 중지하여 컨버터 등에서 소비되는 전력을 감소시키거나 최소화시킬 수도 있다.
직류 링크 전압은 발전 시스템(2) 또는 계통(3)에서의 순시 전압 강하, 부하(4)에서의 피크 부하 발생 등으로 인하여 그 크기가 불안정해 지는 경우가 있다. 그러나 직류 링크 전압은 컨버터(14) 및 인버터(13)의 정상 동작을 위하여 안정화될 필요가 있다. DC 링크부(12)는 전력 변환부(11)와 인버터(13) 사이에 전기적으로 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 유지시킨다. DC 링크부(12)로서, 예를 들어 대용량 커패시터 등을 사용할 수 있다.
인버터(13)는 DC 링크부(12)와 제1 스위치(30) 사이에 전기적으로 연결되는 전력 변환 장치이다. 인버터(13)는 방전 모드에서 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)으로부터 출력된 직류 링크 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(13)는 충전 모드에서 계통(3)의 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하기 위하여, 계통(3)의 교류 전압을 정류하고 직류 링크 전압으로 변환하여 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다. 혹은 인버터(13)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 인버터일 수 있다.
인버터(13)는 계통(3)으로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 또한 인버터(13)는 무효 전력의 발생을 감소 또는 억제하기 위하여 인버터(13)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 그 밖에, 인버터(13)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다. 인버터(13)는 사용되지 않을 때, 전력 소비를 감소 또는 최소화하기 위하여 동작을 중지시킬 수도 있다.
컨버터(14)는 DC 링크부(12)와 배터리 시스템(20) 사이에 전기적으로 연결되는 전력 변환 장치이다. 컨버터(14)는 방전 모드에서 배터리 시스템(20)에 저장된 전력을 인버터(13)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 출력하는 컨버터를 포함한다. 또한, 컨버터(14)는 충전 모드에서 전력 변환부(11)에서 출력되는 전력이나 인버터(13)에서 출력되는 전력의 전압을 배터리 시스템(20)에서 요구하는 전압 레벨, 즉 충전 전압으로 DC-DC 변환하는 컨버터를 포함한다. 혹은 컨버터(14)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 컨버터일 수 있다. 컨버터(14)는 배터리 시스템(20)의 충전 또는 방전이 필요없는 경우에는 동작을 중지시켜 전력 소비를 감소 또는 최소화할 수도 있다.
통합 제어기(15)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 시스템(20), 및 부하(4)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과 및 알고리즘(예컨대, 미리 설정되어 있는 알고리즘)에 따라서 전력 변환부(11), 인버터(13), 컨버터(14), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 제2 스위치(40)의 동작을 제어한다. 통합 제어기(15)는 예컨대 계통(3)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지 여부, 발전 시스템(2)에서 생산되는 전력량, 배터리 시스템(20)의 충전 상태, 부하(4)의 소비 전력량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다. 또한 통합 제어기(15)는 계통(3)에 정전이 발생하는 등, 부하(4)로 공급할 전력이 충분하지 않은 경우에는 부하(4) 내에 포함된 전력 사용 기기들에 대하여 우선 순위를 정하고, 우선 순위가 높은 전력 사용 기기로 전력을 공급하도록 부하(4)를 제어할 수도 있다.
제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)는 인버터(13)와 계통(3) 사이에 직렬로 전기적으로 연결되며, 통합 제어기(15)의 제어에 따라서 on/off 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 스위치(30)와 제2 스위치(40)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및 배터리 시스템(20)의 상태에 따라서 on/off가 결정될 수 있다.
구체적으로, 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)의 전력을 부하(4)로 공급하는 경우 또는 계통(3)의 전력을 배터리 시스템(20)에 공급하는 경우, 제1 스위치(30)를 on 상태로 한다. 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)의 전력을 계통(3)으로 공급하는 경우 또는 계통(3)의 전력을 부하(4) 및/또는 배터리 시스템(20)에 공급하는 경우에는 제2 스위치(40)를 on 상태로 한다.
한편, 계통(3)에서 정전이 발생한 경우에는, 제2 스위치(40)를 off 상태로 하고 제1 스위치(30)를 on 상태로 한다. 즉, 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)으로부터의 전력을 부하(4)에 공급하는 동시에, 부하(4)로 공급되는 전력이 계통(3) 측으로 흐르는 것을 방지한다. 에너지 저장 시스템(1)으로부터 계통(3)으로 전력이 전송되는 것을 방지함으로써, 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 에너지 저장 시스템(1)으로부터의 전력에 의하여 감전되는 등의 사고를 방지할 수 있게 한다.
제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)로는 예컨대 큰 전류에 견딜 수 있는 릴레이(relay) 등의 스위칭 장치가 사용될 수 있다.
배터리 시스템(20)은 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)의 전력을 공급받아 저장하고, 부하(4) 또는 계통(3)에 저장하고 있는 전력을 공급한다. 배터리 시스템(20)은 전력을 저장하는 부분과 이를 제어 및 보호하는 부분을 포함할 수 있다. 이하, 도 2를 참조하여 배터리 시스템(20)에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템(20)을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 시스템(20)은 복수의 배터리 서브시스템들(예컨대, 배터리 랙들)(210-1~210-l), 시스템 컨트롤러(예컨대, 시스템 BMS(Battery Management System))(200), 및 데이터 통신을 위한 제1 버스 라인(250)을 포함할 수 있다.
복수의 배터리 서브시스템들(210-1~210-l)은 외부, 즉 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 저장하고, 저장하고 있는 전력을 계통(3) 및/또는 부하(4)로 공급한다. 복수의 배터리 서브시스템들(210-1~210-l)은 저장 시스템(예컨대, 랙)(220), 저장 시스템 컨트롤러(예컨대, 랙 BMS)(230), 저장 시스템 보호회로(예컨대, 랙 보호회로)(240)를 각각 포함할 수 있다.
저장 시스템(220)은 전력을 저장하는 부분으로 하위 구성인 모듈(예컨대, 트레이)(222)를 포함할 수 있다(도 3을 참조). 저장 시스템(220)은 저장 시스템 컨트롤러(230)에 의하여 충전 및 방전 동작이 제어된다. 저장 시스템(220)들은 예컨대 저장 시스템들(220)으로부터 출력되도록 요구되는 출력 전압에 따라서 서로 직렬 전기적으로 연결되거나, 서로 병렬로 전기적으로 연결될 수 있다.
저장 시스템 컨트롤러(230)는 저장 시스템 보호회로(240)를 제어함으로써 저장 시스템(220)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. 또한 저장 시스템 컨트롤러(230)는 저장 시스템(220)의 상태들을 모니터링함으로써 측정되는 데이터, 예컨대, 저장 시스템(220)의 온도, 전압, 및 전류 등에 대응하는 데이터를 시스템 컨트롤러(200)로 전송한다.
저장 시스템 보호회로(240)는 저장 시스템 컨트롤러(230)로부터의 제어에 따라서 전력 공급을 차단할 수 있다. 또한 저장 시스템 보호회로(240)는 저장 시스템(220)의 전압 및 전류 등을 측정하여 그 결과를 저장 시스템 컨트롤러(230)로 전송할 수 있다.
저장 시스템(220)에서 출력되는 전력은 저장 시스템 보호회로(240)를 통하여 컨버터(14)로 공급될 수 있으며, 외부로부터 컨버터(14)로 공급된 전력은 저장 시스템 보호회로(240)를 통하여 저장 시스템(220)에 저장될 수 있을 것이다. 저장 시스템 보호회로(240)들로부터 연장되는 전력선은 서로 병렬로 컨버터(14)에 전기적으로 연결될 수 있을 것이다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 저장 시스템(220)에서 출력되는 전력량, 저장 시스템(220)에서 출력되는 전압의 크기 등에 따라서 직렬, 또는 직렬 및 병렬의 혼합 형태로 구성될 수도 있을 것이다.
제1 버스 라인(250)은 시스템 컨트롤러(200)와 저장 시스템 컨트롤러(230)들 사이에 데이터나 명령을 전송하는 경로이다. 시스템 컨트롤러(200)와 저장 시스템 컨트롤러(230) 사이의 통신 프로토콜로는 CAN(controller are network) 통신이 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 버스 라인을 사용하여 데이터나 명령을 전송하는 통신 프로토콜이라면 모두 적용 가능할 것이다.
이하, 첫 번째 배터리 서브시스템(210-1)에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 서브시스템(210-1)을 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 배터리 서브시스템(210-1)은 복수의 배터리 모듈들(예컨대, 배터리 트레이들)(221-1~221-m), 저장 시스템 컨트롤러(230), 및 데이터 통신을 위한 제2 버스 라인(224)을 포함할 수 있다. 또한 배터리 서브시스템(210-1)은 저장 시스템 보호회로(240)를 포함할 수 있으나 여기서는 생략한다.
복수의 배터리 모듈들(221-1~221-m)은 저장 시스템(220)의 하위 구성으로서, 전력을 저장하고, 저장하고 있는 전력을 계통(3), 부하(4) 등으로 공급한다. 이러한 배터리 모듈들(221-1~221-m)은 모듈(222), 및 모듈 컨트롤러(223)를 각각 포함할 수 있다.
모듈(222)은 전력을 저장하는 부분으로 그 하위 구성으로 배터리 셀을 포함할 수 있다. 모듈(222)에 포함되는 배터리 셀의 개수는 예컨대 모듈(222)로부터 출력되도록 요구되는 출력 전압에 따라서 결정될 수 있을 것이다. 이러한 배터리 셀로 충전가능한 다양한 이차 전지가 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀에 사용되는 이차 전지는 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등일 수 있다.
모듈(222)은 모듈 컨트롤러(223)(예컨대, 모듈 컨트롤러(223)의 프로그램)에 의하여 충전 및 방전 동작이 제어된다. 또한 복수의 모듈(222)들은 서로 직렬로 전기적으로 연결되어 저장 시스템(220)에서 필요로 하는 출력 전압을 생성하도록 할 수 있다. 그리고 직렬로 전기적으로 연결된 모듈(222)들 중 양끝에 위치한 모듈(222)들로부터 전력선이 연장되어 저장 시스템 보호회로(240)를 통하여 컨버터(14)로 전력을 공급할 수 있을 것이다.
모듈 컨트롤러(223)는 모듈(222)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. 또한 모듈 컨트롤러(223)는 모듈(222)의 상태, 예를 들어 온도나 전압, 흐르는 전류 등을 모니터링하여 측정된 데이터를 저장 시스템 컨트롤러(230)로 전송한다.
제2 버스 라인(224)은 저장 시스템 컨트롤러(230)와 모듈 컨트롤러(223)들 사이에 데이터나 명령을 전송하는 경로이다. 저장 시스템 컨트롤러(230)와 모듈 컨트롤러(223) 사이의 통신 프로토콜로는 CAN 통신이 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 버스 라인을 사용하여 데이터나 명령을 전송하는 통신 프로토콜이라면 모두 적용 가능할 것이다.
한편, 본 발명의 실시예들에서는 시스템 컨트롤러(200)와 저장 시스템 컨트롤러(230) 사이의 통신 프로토콜, 및 저장 시스템 컨트롤러(230)와 모듈 컨트롤러(223) 사이의 통신 프로토콜이 모두 버스 라인(224, 250)을 사용하는 경우로 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 두 경우 중 적어도 어느 하나의 경우에 버스 라인을 사용하는 통신 프로토콜이 적용되면 될 것이다.
이하, 도 2 및 도 3에서 설명한 구조를 일반화하여 설명하도록 한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따라서 마스터-슬레이브 구조를 갖는 통신 시스템(300)을 나타내는 블록들이다. 도 4c 및 도 4d는 본 발명의 실시예에 따라서 마스터-슬레이브 구조를 갖는 통신 시스템(300)에 있어서 버스 라인(330)의 신호 파형을 나타내는 도면들이다.
도 4a를 참조하면, 통신 시스템(300)은 마스터(310), 복수의 슬레이브들(320-1~320-n), 제3 버스 라인(330)을 포함한다.
마스터(310)는 제3 버스 라인(330)으로 커맨드를 포함하는 프레임 신호(Cs)를 전송한다. 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)은 상기 프레임 신호(Cs)를 수신하고, 프레임 신호(Cs)에 포함된 커맨드에 대응하는 동작을 수행한다. 그리고 각 슬레이브들(320-1~320-n)은 데이터를 포함하는 프레임 신호(D1~Dn)를 제3 버스 라인(330)으로 전송한다. 이때, 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)은 데이터의 충돌을 방지하기 위하여 간격(예컨대, 소정의 시간 간격)을 두고 마스터(310)로 프레임 신호(D1~Dm)를 전송할 것이다. 그리고 마스터(310)는 전송된 프레임 신호(D1~Dn)을 수신하여 처리를 수행한다.
여기서, 마스터(310)는 도 2의 시스템 컨트롤러(200)에 대응되고, 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)은 도 2의 저장 시스템 컨트롤러(230)에 대응될 수 있을 것이다. 혹은 마스터(310)는 도 3의 저장 시스템 컨트롤러(230)에 대응되고, 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)은 도 3의 모듈 컨트롤러(223)에 대응될 수 있을 것이다.
도 4b를 참조하면, 마스터-슬레이브 구조의 통신 시스템(300)에 있어서, 마스터(310) 및 슬레이브(320-1~320-n)(이하, '단말'이라고 통칭함)와 버스 라인의 연결 관계를 더욱 구체적으로 도시한다.
버스 라인(330)은 제1 채널 라인(CAN H)과 제2 채널 라인(CAN L)으로 이루어지는 두 개의 라인을 포함한다. 또한 버스 라인(330)은 제1 채널 라인(CAN H)과 제2 채널 라인(CAN L) 사이에 종단 저항(331,332)를 더 포함할 수 있다. 그리고 통신 시스템(300)의 각 단말들은 제1 채널 라인(CAN H)과 제2 채널 라인(CAN L)과 각각 연결된다. 그리고 각 단말들은 제1 채널 라인(CAN H)과 제2 채널 라인(CAN L) 사이의 전위차를 감지함으로 인하여 통신을 수행한다. 즉, 제1 채널 라인(CAN H)과 제2 채널 라인(CAN L) 사이의 전위차가 양의 값이면 논리값 "0(Low)", 음의 값이면 논리값 "1(High)"로 인식한다. 대안적으로, 제1 채널 라인(CAN H)과 제2 채널 라인(CAN L) 사이의 전위차가 없으면 논리값 "0(Low)"으로 인식하고, 전위가차 있으면 논리값 "1(High)"로 인식한다. 도 4c 및 도 4d는 상기와 같은 두 가지 예시에 대하여 각각 설명한다.
도 4c를 참조하면, 제1 채널 라인(CAN H)과 제2 채널 라인(CAN L)은 각각 제1 전압(V1)을 갖는 제1 상태와 제1 전압(V1)보다 낮은 제2 전압(V2)을 갖는 제2 상태를 구비한다. 전위차(Vdiff)는 제1 채널 라인(CAN H)의 전압(V(CAN H))에서 제2 채널 라인(CAN L)의 전압(V(CAN L))을 뺀 값이다. 즉, Vdiff = V(CAN H) - V(CAN L)이다.
구간 a와 같이 제1 채널 라인(CAN H)이 제2 상태이고, 제2 채널 라인(CAN L)이 제1 상태인 경우, 전위차(Vdiff)는 음의 값이 되며, 단말은 이러한 상태를 논리값 "1(High)"로 인식한다.
반대로 구간 b와 같이 제1 채널 라인(CAN H)이 제1 상태이고, 제2 채널 라인(CAN L)이 제2 상태인 경우, 전위차(Vdiff)는 양의 값이 되며, 단말은 이러한 상태를 논리값 "0(Low)"로 인식한다.
도 4d를 참조하면, 제1 채널 라인(CAN H)은 공통 전압인 제3 전압(V3)을 갖는 제3 상태와 제3 전압(V3)보다 높은 제4 전압(V4)을 갖는 제4 상태를 구비한다. 그리고 제2 채널 라인(CAN L)은 공통 전압인 제3 전압(V3)을 갖는 제3 상태와 제3 전압(V3)보다 낮은 제5 전압(V5)을 갖는 제5 상태를 구비한다. 전위차(Vdiff)는 제1 채널 라인(CAN H)의 전압(V(CAN H))에서 제2 채널 라인(CAN L)의 전압(V(CAN L))을 뺀 값이다. 즉, Vdiff = V(CAN H) - V(CAN L)이다.
구간 c 및 e와 같이 제1 채널 라인(CAN H)과 제2 채널 라인(CAN L)이 모두 제3 상태인 경우, 전위차(Vdiff)는 0이 되며, 단말은 이러한 상태를 논리값 "1(High)"로 인식한다.
한편, 구간 d와 같이 제1 채널 라인(CAN H)이 제4 상태이고, 제2 채널 라인(CAN L)이 제5 상태인 경우, 전위차(Vdiff)는 양의 값이 되며, 단말은 이러한 상태를 논리값 "0(Low)"로 인식한다.
이하, 이러한 마스터-슬레이브 구조의 통신 시스템(300)에서 데이터를 전송하는 방법에 대하여 살펴보도록 한다. 다만, 도 5 내지 도 9에서 도시한 파형은 제1 채널 라인(CAN H)과 제2 채널 라인(CAN L) 사이의 전위차를 감지하여 논리 신호인 "0(Low)" 및 "1(High)"로 변환한 것으로, 어느 하나의 버스 라인의 구체적 신호 파형을 의미하는 것은 아니다.
도 5는 CAN 통신 프로토콜의 프레임 구조를 나타내는 도면이다. CAN은 자동차 산업 분야에 적용하기 위하여 보쉬(BOSCH) 사에서 개발된 통신 프로토콜로서, 최근에는 자동차 분야뿐만 아니라 다양한 산업 분야에서 적용되고 있으며, ISO 11898 규격(Specification)의 속도로 규정된 다중(Multi-Master) 메시지 방식의 직렬(serial) 네트워크 통신 방식이다.
도 5를 참조하면, 'SOF(Start of Frame)'로 메시지 프레임의 시작을 표시한다. 이때 'SOF'는 메시지 프레임의 최우선에 위치하며 디폴트로 우성(dominant) 비트인 '0' 값을 갖는다.
'Arbitration Field'는 식별자(Identifier)와 원격 전송 요구(RTR:Remote Transmission Request) 비트를 갖는다. 이때, RTR 비트는 메시지 프레임이 데이터 프레임인지 원격 프레임인지를 나타낸다. 현재 메시지 프레임이 데이터를 전송하는 데이터 프레임인 경우, RTR 비트는 '0' 값을 갖는다. 반면에 현재 메시지 프레임이 데이터를 전송을 요청하는 원격 프레임인 경우, RTR 비트는 열성(recessive) 비트인 '1' 값을 갖는다.
'Control Field'는 6 비트로 이루어진다. 이중 2 비트는 예약되어 있는(reserved) 예비 영역이며, 나머지 4 비트는 데이터 필드의 byte 수를 나타내는 데이터 길이 코드(data length code) 영역이다.
'Data Field(데이터 필드)'는 데이터 프레임에서 전송하고자 하는 데이터를 포함한다. 'Data Field'의 크기는 0~8 byte이며, 각각의 byte는 8 비트를 포함한다. 이때 데이터는 각 byte에서는 MSB(most significant bit)부터 전송된다.
'CRC(Cyclic Redundancy Code) Field'는 주기적인 중복 확인 코드를 나타낸다. 'CRC Field'는 'CRC Sequence'와 '1' 값을 갖는 'CRC Delimiter'로 이루어진다.
'ACK Field'는 2 비트로 구성되며, 'ACK Slot'과 'ACK Delimiter'로 이루어진다. 첫 번째 비트인 'ACK Slot'은 '0' 값을 가지며, 두 번째 비트인 'ACK Delimiter'는 '1' 값을 갖는다. 그러나 'ACK Slot'은 메시지를 성공적으로 수신한 다른 노드로부터 전송된 '1' 값으로 기록될 수도 있다.
'EOF(End of Frame)'는 모두 1의 값을 갖는 7 비트로 구성되어 메시지 프레임이 종료되었음을 나타낸다.
'Interframe Space'는 'Intermission'과 'Bus Idle'을 포함하며(도 6을 참조), 이전 또는 다음 메시지 프레임과 현재 메시지 프레임을 구분한다.
이하, 마스터(310)와 슬레이브(320-1~320-n) 사이의 통신시 에러 발생을 방지하는 방법에 대해서 살펴보도록 한다. 설명의 편의를 위하여 마스터(310)가 하나의 슬레이브(320-1)와 데이터 프레임을 주고받는 것으로 가정하여 설명하도록 한다.
도 6은 CAN 통신 프로토콜의 인터프레임 구간(INTERFRAME SPACE)을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 프레임과 프레임 사이에 인터프레임 구간이 구비된다. 인터프레임 구간은 'Intermission' 구간과 'Bus Idle' 구간을 포함한다.
'Intermission' 구간은 '1' 값을 갖는 연속한 3 개의 열성 비트로 구성된다. 'Intermission' 구간 동안에는 어떤 장치(station)도 데이터 프레임이나 원격 프레임을 전송할 수 없다.
'Bus Idle' 구간은 임의의 길이를 갖는다. 제3 버스 라인(330)이 free라고 인식될 때에는 어느 장치나 메시지, 예를 들어 명령이나 데이터를 전송하기 위하여 제3 버스 라인(330)에 접속할 수 있다. 다른 메시지의 전송 동안에 대기하고 있던 메시지는 'Intermission' 구간 뒤의 첫 번째 비트부터 전송이 시작된다. 우성 비트인 하나의 '0' 값이 제3 버스 라인(330)에서 검출되면 'SOF'로 해석한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 방법을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 'Bus Idle' 구간에서 프레임 구분 신호로서 우성 비트인 '0' 값이 임의의 기간만큼 인가된다. 즉, 일정 기간(예컨대, 미리 결정된 기간) 동안 어느 하나의 장치가 'Bus Idle' 구간에서 메시지 전송과 무관하게 제3 버스 라인(330)을 강제로 점유한다. '0' 값이 일정 기간 동안 지속되기 때문에 프레임 구분 신호가 다른 장치들에 의하여 'SOF'로 해석되지 않을 수 있다. 즉, 프레임 구분 신호의 파형은 데이터를 전송하는 경우의 파형과는 상이하므로 장치들 사이에 제3 버스 라인(330)을 점유하는 기능 이외의 다른 영향을 미치지는 않는다.
어느 하나의 장치가 제3 버스 라인(330)을 점유하는 경우, 다른 장치들은 메시지 전송을 개시하지 못한다. 반면에, 제3 버스 라인(330)을 점유하는 장치는 언제든지 제3 버스 라인(330)의 점유를 해제하고 자신이 새로운 메시지를 전송하거나 다른 장치가 새로운 메시지를 전송할 수 있도록 할 수 있게 된다. 따라서 프레임 구분 신호를 전송하는 장치는 마스터(310)일 수도 있으며, 슬레이브(320-1)일 수도 있다. 즉, 통신 시스템(300) 내의 어느 장치라도 프레임 구분 신호로 제3 버스 라인(330)을 강제로 점유할 수 있을 것이다.
이때, 'Bus Idle' 구간에서 제3 버스 라인(330)을 점유하는 프레임 구분 신호의 지속시간은 임의로 결정할 수 있다. 상기 지속시간이 너무 긴 경우에는 통신 가능한 시간을 낭비하는 것이 된다. 반대로 상기 지속시간이 너무 짧은 경우에는 메시지간의 충돌에 의하여 에러가 발생할 수 있게 된다. 상기 지속시간은 예컨대 1ms 이내일 수 있다. 또한 상기 지속시간은 데이터나 명령을 전송하는 메시지와 관련된 프레임 길이의 20% 이상인 것이 바람직하다. 대안적으로, 상기 지속시간은 예컨대 100~500us일 수 있다.
복수의 장치들이 서로 명령이나 데이터를 주고받는 상황에서, 다음과 같은 상황이 발생할 수 있다. 예를 들어, 마스터(310)가 데이터를 전송할 것을 명령하는 메시지를 전송하면, 슬레이브(320-1)는 이를 수신하고 동작(예컨대, 필요한 동작)을 수행한다. 이때 슬레이브(320-1)가 동작을 수행하는데 다소간의 시간을 필요로 한다. 동작이 완료되면 슬레이브(320-1)는 다시 마스터(310)로 확인 메시지를 전송하거나 데이터 등을 전송한다. 그러나 메시지와 메시지 사이의 인터프레임 구간이 free 상태가 되면 어떤 장치든 메시지를 전송할 수 있게 되기 때문에 데이터 충돌이 발생할 수 있다. 예를 들어, 슬레이브(320-1)가 동작을 수행하는데 걸리는 시간을 짧게 설정하는 경우, 마스터(310)는 명령의 대상이 되는 슬레이브(320-1)가 아닌 다른 장치에서 전송된 메시지를 슬레이브(320-1)가 전송한 메시지라고 오인식할 가능성이 발생한다.
그러나, 도 7에서와 같이 제3 버스 라인(330)이 free가 되는 'Bus Idle' 구간에서 프레임 구분 신호에 의하여 제3 버스 라인(330)을 강제로 점유함으로 인하여 메시지 사이의 충돌을 방지할 수 있으며, 어느 하나의 장치에서 메시지를 잘못 수신하는 경우를 방지할 수 있게 된다. 또한 에러 감지 알고리즘이 없는 시스템에서도 에러 발생을 감소시킬 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 실시예들과 같은 통신 시스템(300)은 통신 빈도수가 많거나 통신 시스템(300) 내에 객체, 즉 마스터(310) 및/또는 슬레이브들(320-1~320-n)의 수가 많은 경우에 더욱 효율적일 수 있다. 대안적으로, 1 대 다 통신에 의하여 어느 한 장치의 부하가 큰 경우에도 효율적일 수 있을 것이다.
또한 본 발명의 실시예들과 같은 통신 시스템(300)의 적용 분야는 에너지 저장 시스템(1) 분야에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 전기 자동차(Electric Vehicle)나 기타 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 통신 방법을 나타내는 도면이다. 본 실시예의 경우, CAN 통신 프로토콜이 아닌 버스 라인을 사용하는 다른 임의의 통신 프로토콜이 사용되는 것을 상정하였다. 또한 본 실시예를 설명함에 있어서 도 4a에 도시되는 실시예의 통신 시스템(300)이 적용되는 것으로 가정하여 설명하도록 한다.
도 8을 참조하면, 프레임 1(FRAME 1)과 프레임 2(FRAME 2) 사이에 휴지 구간을 구비한다. 프레임 1 및 프레임 2는 하이 레벨 논리 신호와 로우 레벨 논리 신호를 갖는 메시지를 전송한다. 그리고 휴지 구간에서는 로우 레벨 논리 신호가 지속적으로 인가된다.
도 9를 참조하면, 휴지 구간에서 프레임 구분 신호로서 하이 레벨 논리 신호가 인가된다. 통신 시스템(300) 내의 어느 하나의 장치에 의하여 휴지 구간에서 제3 버스 라인(330)이 프레임 구분 신호에 의하여 강제로 점유되면, 나머지 장치들은 메시지를 전송할 수 없게 된다.
프레임 구분 신호를 전송하여 제3 버스 라인(330)을 점유한 장치는 적절한 시기에 제3 버스 라인(330)의 점유를 해제한다. 즉, 다른 장치들이 메시지를 전송할 수 있는 상태로 만든다. 여기서 적절한 시기란 메시지를 전송하기로 예정되어 있는 장치가 메시지를 전송하기 위한 준비가 완료되는 시점 이후를 의미할 수 있다.
프레임 구분 신호의 지속시간은 앞서 설명한 바와 같이 메시지를 전송하는 프레임 길이의 20% 이상인 것이 바람직하다. 또한 상기 지속시간은 예컨대 1ms 이내일 수 있으며, 혹은 예컨대 100~500us 일 수 있다.
이와 같이 제3 버스 라인(330)이 free가 되는 휴지 구간에서 프레임 구분 신호에 의하여 제3 버스 라인(330)을 강제로 점유함으로 인하여 메시지 사이의 충돌을 방지할 수 있으며, 어느 하나의 장치에서 메시지를 잘못 수신하는 경우를 방지할 수 있게 된다. 또한 에러 감지 알고리즘이 없는 시스템에서도 에러 발생을 감소시킬 수 있게 된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템(300)의 데이터 전송 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 먼저 마스터(310)에서 슬레이브(320-1~320-n)로 데이터를 전송할 것을 명령한다(S100). 그리고 마스터(310) 혹은 어느 하나의 슬레이브, 예를 들어 명령의 대상이 되는 슬레이브(320-1)에 의하여 프레임 구분 신호가 전송되며 이로 인하여 휴지 구간을 점유한다(S101). 슬레이브(320-1~320-n)에서는 데이터를 측정한다(S102). 휴지 구간 점유 후 적절한 시점, 예를 들어 슬레이브(320-1~320-n)에서 데이터 전송을 위한 준비가 완료되었다고 판단되는 시점에서 휴지 구간의 점유를 해제한다(S103).
슬레이브(320-1~320-n)는 측정한 데이터를 마스터(310)로 전송한다(S104). 그리고 마스터(310)는 전송된 데이터를 수신하여 통신을 종료한다(S105).
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 통신 시스템(300)의 데이터 전송 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 먼저 마스터(310)에서 슬레이브(320-1~320-n)로 데이터를 전송할 것을 명령한다(S200). 그리고 마스터(310) 혹은 어느 하나의 슬레이브, 예를 들어 명령의 대상이 되는 슬레이브(320-1)에 의하여 프레임 구분 신호가 전송되며 이로 인하여 휴지 구간을 점유한다(S201). 슬레이브(320-1~320-n)에서는 데이터를 측정한다(S202).
슬레이브(320-1~320-n)는 데이터를 마스터(310)로 전송하기 위하여 전송하고자 하는 데이터량이 기준량보다 큰지 판단한다(S203). 예를 들어, CAN 통신의 경우 데이터 필드에 삽입할 데이터량이 8 byte 보다 큰지 판단한다.
데이터량이 기준량 이하인 경우 휴지 구간의 점유를 해제하고(S210), 슬레이브(320-1~320-n)는 한 데이터 프레임의 데이터 필드에 측정한 데이터를 삽입하여 마스터(310)로 전송한다(S211). 마스터(310)는 슬레이브(320-1~320-n)로부터 전송된 데이터 프레임을 수신한다(S212).
반면에, 데이터량이 기준량보다 큰 경우 슬레이브(320-1~320-n)는 측정된 데이터를 데이터 조각으로 분할한다(S220). 그리고 휴지 구간의 점유를 해제하고(S221), 슬레이브(320-1~320-n)는 분할된 데이터 조각들을 마스터(310)로 전송한다(S222).
슬레이브(320-1~320-n)는 모든 데이터 조각이 전송되었는지를 판단하고(S223), 전송되지 않은 데이터 조각이 있는 경우 다시 휴지 구간을 점유한다(S224). 그리고 S221 단계로 돌아가 모든 데이터 조각이 전송되도록 한다.
마스터(310)는 슬레이브(320-1~320-n)로부터 전송된 데이터 프레임을 수신한다(S225). 마스터(310)는 모든 데이터 프레임을 수신하였는지를 판단하여(S226) 슬레이브(320-1~320-n)가 측정한 모든 데이터를 수신하도록 한다.
상기와 같이 버스 라인이 free가 되는 구간에서 프레임 구분 신호에 의하여 버스 라인을 강제로 점유함으로 인하여 메시지 사이의 충돌을 방지할 수 있으며, 어느 하나의 장치에서 메시지를 잘못 수신하는 경우를 방지할 수 있게 된다. 또한 에러 감지 알고리즘이 없는 시스템에서도 에러 발생을 감소시킬 수 있게 된다.
본 발명에서 설명하는 실시예들은 본 발명의 예시적인 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.

Claims (25)

  1. 시스템 버스;
    상기 시스템 버스에 연결되고 상기 시스템 버스에 하나 이상의 제1 시스템 프레임들을 전송하도록 구성되는 시스템 컨트롤러; 및
    상기 시스템 버스에 연결되고 상기 시스템 버스에 하나 이상의 제2 시스템 프레임들을 전송하도록 구성되는 하나 이상의 배터리 서브시스템들을 포함하고,
    상기 하나 이상의 배터리 서브시스템들 중 적어도 하나는,
    전력을 저장하기 위한 저장 시스템; 및
    상기 저장 시스템의 충전 및 방전을 제어하고, 저장 시스템 데이터를 수신하고, 상기 시스템 버스에 상기 저장 시스템 데이터를 포함하는 상기 하나 이상의 제2 시스템 프레임들을 전송하도록 구성되는 저장 시스템 컨트롤러를 포함하고,
    상기 시스템 컨트롤러와 상기 저장 시스템 컨트롤러 중 적어도 하나는 상기 제1 시스템 프레임들 및 상기 제2 시스템 프레임들을 포함하는 시스템 프레임들 사이에 상기 시스템 버스에 시스템 프레임 구분 신호를 인가하도록 구성되고,
    상기 저장 시스템 컨트롤러 또는 상기 시스템 컨트롤러 중 적어도 하나는 상기 시스템 프레임 구분 신호를 인가하여 상기 시스템 버스를 점유하고, 상기 시스템 버스를 점유하지 않는 상기 서브시스템에 포함된 저장 시스템 컨트롤러의 상기 제2 시스템 프레임이 상기 시스템 버스에 전송되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 시스템 컨트롤러는 상기 시스템 버스에서 마스터로 동작하도록 구성되고, 상기 저장 시스템 컨트롤러는 상기 시스템 버스에서 슬레이브로 동작하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 시스템 컨트롤러는 상기 시스템 버스에 상기 제1 시스템 프레임들 중 적어도 하나를 전송함으로써 상기 저장 시스템 컨트롤러에게 상기 저장 시스템 데이터의 전송을 명령하도록 구성되고,
    상기 시스템 컨트롤러 또는 상기 저장 시스템 컨트롤러는 상기 저장 시스템 데이터가 준비되는 동안 상기 시스템 버스에 상기 시스템 프레임 구분 신호를 인가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 저장 시스템 컨트롤러는 상기 시스템 프레임 구분 신호가 상기 시스템 버스에 인가되는 것이 중단된 후에 상기 시스템 버스에 상기 제2 시스템 프레임들 중 적어도 하나를 전송함으로써 상기 시스템 컨트롤러에 상기 저장 시스템 데이터를 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 시스템 컨트롤러와 상기 하나 이상의 배터리 서브시스템들 중 상기 적어도 하나의 상기 저장 시스템 컨트롤러 사이의 통신 프로토콜은 CAN(controller area network) 프로토콜인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 배터리 서브시스템들 중 상기 적어도 하나는,
    서브시스템 버스; 및
    상기 전력을 저장하기 위한 하나 이상의 배터리 모듈들을 포함하고,
    상기 하나 이상의 배터리 모듈들 중 적어도 하나는 상기 서브시스템 버스를 통해 상기 저장 시스템 컨트롤러에 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 배터리 모듈들 중 상기 적어도 하나는,
    상기 전력을 저장하기 위한 하나 이상의 배터리 셀들; 및
    상기 하나 이상의 배터리 셀들의 충전 및 방전을 제어하고 상기 하나 이상의 배터리 셀들의 정보에 대응하는 모듈 데이터를 상기 저장 시스템 컨트롤러에게 전송하도록 구성되는 모듈 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 저장 시스템 컨트롤러는 상기 서브시스템 버스에서 마스터로 동작하도록 구성되고, 상기 모듈 컨트롤러는 상기 서브시스템 버스에서 슬레이브로 동작하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 저장 시스템 컨트롤러는 상기 서브시스템 버스 상에 하나 이상의 제1 저장 시스템 프레임들을 전송하도록 구성되고,
    상기 모듈 컨트롤러는 상기 서브시스템 버스 상에 하나 이상의 제2 저장 시스템 프레임들을 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 저장 시스템 컨트롤러는 상기 서브시스템 버스 상에 상기 제1 저장 시스템 프레임들 중 적어도 하나를 전송함으로써 상기 모듈 데이터의 전송을 명령하도록 구성되고,
    상기 저장 시스템 컨트롤러 또는 상기 모듈 컨트롤러는 상기 모듈 데이터가 준비되는 동안에 상기 서브시스템 버스 상에 저장 시스템 프레임 구분 신호를 인가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 모듈 컨트롤러는 상기 저장 시스템 프레임 구분 신호가 상기 서브시스템 버스에 인가되는 것이 중단된 후에 상기 서브시스템 버스에 상기 제2 저장 시스템 프레임들 중 적어도 하나를 전송함으로써 상기 저장 시스템 컨트롤러에 상기 모듈 데이터를 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 저장 시스템 컨트롤러와 상기 하나 이상의 배터리 모듈들 중 상기 적어도 하나의 상기 모듈 컨트롤러 사이의 통신 프로토콜은 CAN(controller area network) 프로토콜인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  14. 마스터-슬레이브 구조를 갖는 통신 시스템으로서,
    시스템 버스;
    커맨드를 포함하는 커맨드 프레임을 상기 시스템 버스에 전송하도록 구성되는 마스터; 및
    상기 시스템 버스로부터 상기 커맨드 프레임을 수신하고, 상기 커맨드 프레임 내의 상기 커맨드에 대응하는 동작을 수행하고, 상기 시스템 버스에 데이터를 포함하는 하나 이상의 데이터 프레임들을 전송하도록 구성되는 복수의 슬레이브들을 포함하고,
    상기 복수의 슬레이브들과 상기 마스터 중 적어도 하나는 상기 커맨드 프레임 및 상기 데이터 프레임들을 포함하는 프레임들 사이에 상기 시스템 버스에 프레임 구분 신호를 인가하도록 구성되고,
    상기 복수의 슬레이브들과 상기 마스터 중 적어도 하나는 상기 프레임 구분 신호를 인가하여 상기 시스템 버스를 점유하고, 상기 시스템 버스를 점유하지 않는 상기 슬레이브의 상기 데이터 프레임이 상기 시스템 버스에 전송되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 시스템 버스; 및
    상기 시스템 버스에 연결된 복수의 장치들을 포함하고,
    상기 장치들 중 적어도 하나의 제1 장치는 상기 시스템 버스에 커맨드를 포함하는 커맨드 프레임을 전송하도록 구성되고,
    상기 장치들 중 상기 제1 장치와 다른 적어도 하나의 제2 장치는 상기 시스템 버스로부터 상기 커맨드 프레임을 수신하고, 상기 커맨드 프레임 내의 상기 커맨드에 대응하는 동작을 수행하고, 상기 시스템 버스에 하나 이상의 데이터 프레임들을 전송하도록 구성되고,
    상기 장치들 중 적어도 하나는 상기 커맨드 프레임 및 상기 데이터 프레임들을 포함하는 프레임들 사이에 상기 시스템 버스에 프레임 구분 신호를 인가하도록 구성되며,
    상기 제1 장치와 다른 적어도 하나의 제2 장치는 상기 프레임 구분 신호를 인가하여 상기 시스템 버스를 점유하고, 상기 시스템 버스를 점유하지 않는 상기 제2 장치의 상기 데이터 프레임이 상기 시스템 버스에 전송되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
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