KR101761031B1 - 나트륨 이온 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이의 운영방법 - Google Patents

나트륨 이온 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이의 운영방법 Download PDF

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Abstract

별도의 전원장치 없이 히터를 구동할 수 있고 히터에서 소비되는 전력량을 최소화시킬 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 계통의 교류 전압을 이용하여 커패시터를 초기 충전하고, 초기 충전이 완료되면 상기 계통과 연계하는 전력 조절 장치; 및 배터리 랙을 포함하고, 상기 계통으로부터 공급받은 전력을 이용하여 상기 배터리 랙을 승온시키고, 상기 배터리 랙의 온도가 운영가능온도가 되면, 상기 배터리 랙에 대한 충방전 동작을 수행하는 배터리 관리 장치를 포함한다.

Description

나트륨 이온 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이의 운영방법{ENERGY STORAGE SYSTEM INCLUDING SODIUM ION BATTERIES AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}
본 발명은 에너지 저장 시스템 및 이의 운영방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 나트륨 이온 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이의 운영방법에 관한 것이다.
산업의 발달과 더불어 전력의 수요가 증대되고 있으며, 주야간, 계절간, 일별간의 전력 사용량의 격차가 점차 심화되고 있다. 최근에는 일시적으로 부하가 몰리면서 피크 부하가 발생하거나 전력계통에 이상이 발생하는 경우에도 안정적으로 전력을 공급하는 다양한 기술들이 개발되고 있다.
이러한 기술 중 하나로서, 계통의 잉여 전력을 저장하거나 계통의 부족 전력을 부하에 공급해주는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System)이 있다.
에너지 저장 시스템은 야간의 잉여 전력이나 풍력, 태양광 등의 신재생 에너지에서 발전된 잉여 전력을 저장하였다가 피크 부하 또는 계통 사고로 계통 전력의 공급이 일시적으로 중단될 때 저장된 전력을 계통 또는 부하에 공급한다. 이를 통해, 계통 전력을 안정화시키고, 계통에 이상이 발생하더라도 부하에 지속적으로 전력을 공급할 수 있다.
이러한 에너지 저장 시스템은 초기 구동시 DC 커패시터를 초기 전압 0V에서 DC 정격 전압으로 충전한다. 이때, 에너지 저장 시스템이 DC 커패시터를 충전하기 위하여 고압을 DC 커패시터에 인가하게 되면, DC 커패시터에 정격 전류 이상의 전류가 순간적으로 흐르게 되어 DC 커패시터가 파손될 수 있다.
상술한 바와 같은 돌입 전류가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 에너지 저장 시스템은 DC 커패시터 충전시 별도의 초기충전장치를 이용하여 DC 커패시터에 돌입전류가 흐르는 것을 방지한다.
도 1은 종래의 에너지 저장 시스템을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 에너지 저장 시스템(100)은 배터리(130)로부터 공급되는 직류전압을 이용하여 DC 커패시터(110)를 충전한다.
보다 구체적으로, 종래의 에너지 저장 시스템(100)은 초기충전장치(120)에 포함된 스위치를 온 시켜 배터리(130)로부터 공급되는 직류전압을 이용하여 DC 커패시터(110)를 충전한다. 그리고, 종래의 에너지 저장 시스템(100)은 DC 커패시터(110)의 전압이 DC 정격 전압이 되면, 초기충전장치(120)에 포함된 스위치를 오프 시킨다.
상술한 바와 같이, 종래의 에너지 저장 시스템(100)은 배터리(130)를 이용하여 DC 커패시터(110)를 충전하는데, 일반적으로 배터리(130)는 리튬 이온 배터리를 사용한다.
리튬 이온 배터리는 에너지 밀도와 출력이 높아 널리 사용되고 있으나, 리튬이 고갈됨에 따라 자원 부족으로 인한 가격 상승 및 공급 부족이 우려되고 있다.
최근에는 리튬 이온 배터리를 대체하는 것으로 나트륨 이온 배터리가 부각되고 있으며, 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 나트륨 이온 배터리는 지구에 매우 흔한 자원인 나트륨을 사용함으로써 배터리 수요를 모두 충족시킬 수 있으며, 가격도 저렴하다는 장점이 있다.
이러한 나트륨 이온 배터리는 고온 상태를 유지해야 한다는 특성이 있다. 이에 따라, 나트륨 이온 배터리는 배터리를 승온시키기 위한 별도의 히터를 포함하고, 히터에 의하여 배터리가 특정온도까지 승온되어야 운영 가능한 상태가 된다.
나트륨 이온 배터리를 리튬 이온 배터리 대신에 이용하는 경우, 종래의 에너지 저장 시스템(100)은 초기 구동 시 나트륨 이온 배터리가 운영 가능한 상태가 아니기 때문에 나트륨 이온 배터리를 이용하여 DC 커패시터(110)를 초기 충전하는 것이 불가능하다는 문제가 있다.
한편, 종래의 에너지 저장 시스템(100)은 나트륨 이온 배터리를 이용하여 DC커패시터(110)를 초기 충전하기 위해서는 나트륨 이온 배터리를 미리 승온시키기 위하여 히터에 전원을 인가해줄 별도의 전원장치를 구비해야 한다. 이로 인하여, 배터리를 제작하는 비용이 증가하고, 부피가 증가할 수 있다는 다른 문제가 있다.
또한, 나트륨 이온 배터리는 히터를 구동하는데 추가적인 에너지가 소비된다. 종래의 에너지 저장 시스템(100)은 추가적으로 소비되는 에너지를 효율적으로 관리할 수 없다는 또 다른 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 별도의 전원장치 없이 DC 커패시터를 초기 충전할 수 있는 나트륨 이온 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이의 운영방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 상술한 다른 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 별도의 전원장치 없이 나트륨 이온 배터리를 승온시킬 수 있는 나트륨 이온 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이의 운영방법을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 상술한 또 다른 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 히터 구동에 소비되는 에너지를 최소화할 수 있는 나트륨 이온 배터리를 포함하는 에너지 저장 시스템 및 이의 운영방법을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 계통의 교류 전압을 이용하여 커패시터를 초기 충전하고, 초기 충전이 완료되면 상기 계통과 연계하는 전력 조절 장치; 및 배터리 랙을 포함하고, 상기 계통으로부터 공급받은 전력을 이용하여 상기 배터리 랙을 승온시키고, 상기 배터리 랙의 온도가 운영가능온도가 되면, 상기 배터리 랙에 대한 충방전 동작을 수행하는 배터리 관리 장치를 포함한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 계통의 교류 전압을 이용하여 커패시터를 초기 충전하고, 초기 충전이 완료되면 상기 계통과 연계하는 전력 조절 장치; 및 상기 전력 조절 장치와 연결되어 상기 계통으로부터 전력을 공급받아 구동하는 히터를 포함하는 배터리 랙을 포함한다. 상기 전력 조절 장치는, 상기 배터리 랙의 온도를 기초로 상기 히터의 동작을 제어하는 전력 조절 장치를 포함한다.
계통의 교류 전압을 이용하여 초기 충전하고, 초기 충전이 완료되면 상기 계통과 연계하는 전력 조절 장치; 상기 계통으로부터 전력을 공급받아 구동하는 제1 히터를 포함하는 제1 배터리 랙, 및 상기 계통으로부터 전력을 공급받아 구동하는 제2 히터를 포함하는 제2 배터리 랙; 및 초기 구동시, 상기 제1 및 제2 히터를 상기 전력 조절 장치에 연결시켜 상기 제1 및 제2 배터리 랙을 승온시키고, 상기 제1 배터리 랙의 온도가 운영가능 상한온도 이상이 되면, 상기 전력 조절 장치와 상기 제1 히터의 연결을 차단하고 상기 제1 배터리 랙을 대기시키는 BCS 제어기를 포함한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 계통으로부터 전력을 공급받아 구동하는 히터, 상기 히터를 상기 계통에 연결시키는 제1 스위치, 상기 히터에 의해서 승온되는 배터리, 및 상기 배터리를 상기 계통에 연결시키는 제2 스위치를 포함하는 복수의 배터리 랙들; 상기 복수의 배터리 랙들의 온도를 모니터링하여 온도정보를 생성하고, 상기 제1 스위치를 온/오프 시켜 상기 히터와 상기 계통과의 연결을 제어하고, 상기 제2 스위치를 온/오프 시켜 상기 배터리와 상기 계통과의 연결을 제어하는 BCS 제어기; 및 상기 BCS 제어기로부터 상기 복수의 배터리 랙들의 온도정보를 수신하고, 상기 수신된 복수의 배터리 랙들의 온도정보를 기초로 상기 히터에 대한 모드 및 상기 배터리에 대한 모드를 결정하고, 상기 히터 및 상기 배터리가 결정된 모드에 따라 동작하도록 상기 BCS 제어기에 명령하는 전력 관리 장치를 포함한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 에너지 저장 시스템의 운영방법은, 계통의 교류 전압을 이용하여 커패시터를 초기 충전하고, 충전이 완료되면 상기 계통과 연계하는 단계; 상기 계통으로부터 공급되는 전력을 이용하여 히터를 포함하는 복수의 배터리 랙들을 운영 가능한 상태로 준비하는 단계; 및 준비가 완료되면, 상기 복수의 배터리 랙들에 상기 계통으로부터 공급되는 전력을 충전하거나 전력을 방전하여 상기 계통으로 공급하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 나트륨 이온 배터리가 운용 가능한 상태가 아니더라도 DC 커패시터를 충전시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전력 조절 장치로부터 전력을 공급받아 히터를 구동시킴으로써 별도의 전원장치를 제거할 수 있고, 이에 따라, 배터리 제작 비용을 절감하고, 배터리 부피를 줄일 수 있다는 다른 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 복수의 배터리 랙들 중 운영 가능 온도에 먼저 도달한 배터리 랙의 히터 구동을 멈춤으로써, 히터 구동에 소비되는 에너지를 절약할 수 있다는 또 다른 효과가 있다.
도 1은 종래의 에너지 저장 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(Energy Storage System: ESS)을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 에너지 저장 시스템을 개략적으로 보여주는 회로도이다.
도 4는 도 2에 도시된 배터리 랙의 구성을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 BCS 제어기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 6는 본 발명의 제2 실시예에 따른 BCS 제어기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 BCS 제어기에 의한 히터 구동 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 BCS 제어기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 BCS 제어기에 의한 히터 구동 과정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 BCS 제어기 및 전력 관리 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 운영방법을 설명하는 흐름도이다.
도 12는 배터리 관리 장치에 대한 초기 운영 준비 방법을 설명하는 흐름도이다.
본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(Energy Storage System: ESS)을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 에너지 저장 시스템을 개략적으로 보여주는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(200)은 풍력, 태양광 등과 같은 신재생 에너지원이나 계통(240)에서 생산된 전력을 제공 받아 충전하고, 피크부하 또는 계통 사고 발생시 충전되어 있던 전력을 계통(240)으로 방전하여 계통(240)에 전력을 공급하는 기능을 수행한다.
이러한 에너지 저장 시스템(200)은 배터리 관리 장치(Battery Conditioning System: BCS, 210), 전력 조절 장치(Power Conditioning System: PCS, 220), 및 전력 관리 장치(Power Management System: PMS, 230)를 포함한다.
먼저, 전력 조절 장치(220)는 배터리 관리 장치(210)와 계통(240)을 연계하는 역할을 수행한다. 보다 구체적으로, 전력 조절 장치(220)는 계통(240)과 연계되어 배터리 관리 장치(210)에 포함된 하나 이상의 배터리 랙(215)에 전력을 충전시키거나 하나 이상의 배터리 랙(215)에 저장된 전력을 방전시킨다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 조절 장치(220)는 계통(240)으로부터 공급되는 교류 전압을 이용하여 커패시터를 초기 충전시키고, 초기 충전이 완료되면 계통(240)에 연계한다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 조절 장치(220)의 구성을 보다 구체적으로 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 조절 장치(220)는 스위치 기어(310), 변압기(320), 제1 차단기(330), 필터(340), 인버터(350), 커패시터(360), 초기 충전부(370), 및 제1 스위치(380)를 포함한다.
스위치 기어(310)는 계통(240)과 전력 조절 장치(220)를 연결시킨다. 이러한 스위치 기어(310)는 전력 관리 장치(230)의 제어에 의해 온/오프 될 수 있다.
구체적으로, 스위치 기어(310)는 전력 조절 장치(220)에 오류, 과전류 또는 고장이 발생한 것으로 판단되면, 전력 관리 장치(230)의 제어에 의해 오프 되어 전력 조절 장치(220)와 계통(240)과의 연결을 차단시키게 된다.
또한, 스위치 기어(310)는 계통(240)에 이상이 발생한 것으로 판단되면, 전력 관리 장치(230)의 제어에 의해 오프 되어 전력 조절 장치(220)와 계통(240)과의 연결을 차단시키게 된다.
변압기(320)는 계통(240)으로부터 입력되는 교류 전압을 전력 조절 장치(220)에서 운용 가능한 교류 전압으로 감압하거나, 전력 조절 장치(220)로부터 출력되는 교류 전압을 계통(240)에서 운용 가능한 교류 전압으로 승압하는 역할을 수행한다.
제1 차단기(330)는 변압기(320) 또는 필터(340)로 과전류가 유입되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
필터(340)는 변압기(320)를 통해 감압된 교류 전압의 고조파를 감소시키거나 인버터(350)로부터 출력되는 교류 전압의 고조파를 감소시키는 역할을 수행한다. 도 3에서는, 이러한 필터(340)가 LCL타입으로 구성되는 것으로 도시하였지만, 이는 하나의 예일 뿐 다른 형태의 구성도 가능할 것이다.
인버터(350)는 필터(340)로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나, 배터리 관리 장치(210)로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 역할을 수행한다.
커패시터(360)는 배터리 관리 장치(210)에서 인버터(350)로 입력되는 직류 전압 또는 인버터(350)로부터 출력되는 직류 전압을 평활화하는 역할을 수행한다.
이러한 커패시터(360)는 전압이 미리 충전되어 있어야, 배터리 관리 장치(210)를 전력 조절 장치(220)에 연결할 때 돌입 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 만약, 배터리 관리 장치(210)를 전력 조절 장치(220)에 연결할 때 커패시터(360)가 충전되어 있지 않으면 돌입 전류가 발생하게 되어 소자가 파괴되거나 화재가 발생할 수 있다.
본 발명은, 이러한 커패시터(360)를 초기 충전하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 초기 충전부(370)를 포함한다.
초기 충전부(370)는 계통(240)으로부터 공급되는 교류 전압을 이용하여 커패시터(360)를 충전시키는 역할을 수행한다. 이러한 초기 충전부(370)는 제2 차단기(372), 다이오드(374), 제2 스위치(376), 및 저항(378)을 포함한다.
제2 차단기(372)는 초기 충전이 완료되면 오프 되어 계통(240)로부터 유입되는 교류 전류가 커패시터(360)로 유입되는 것을 차단한다.
다이오드(374)는 계통(240)으로부터 유입되는 교류 전류를 커패시터(360) 쪽으로 통과시키는 역할을 수행한다.
저항(378)은 다이오드(374)로부터 출력되어 커패시터(360)로 유입되는 교류 전류의 양을 제한하는 역할을 수행한다.
제2 스위치(376)는 커패시터(360)의 초기 충전을 위해 온 되어 저항(378)을 통과한 교류 전류가 커패시터(360)로 유입되게 하거나, 오프 되어 교류 전류가 커패시터(360)로 유입되지 못하게 한다.
제1 스위치(380)는 배터리 관리 장치(210)와 전력 조절 장치(220)를 전기적으로 연결시키는 역할을 수행한다. 제1 스위치(380)는 전력 조절 장치(220)와 계통(240)과의 연계가 완료되면, 전력 관리 장치(230)의 제어에 의하여 온 되어 배터리 관리 장치(210)와 전력 조절 장치(220)를 연결시킨다.
다음, 배터리 관리 장치(210)는 신재생 에너지원 또는 계통(240)으로부터 공급되는 전력을 하나 이상의 배터리 랙(215)에 저장하거나, 하나 이상의 배터리 랙(215)에 저장된 전력을 계통(240)으로 공급한다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(210)는 배터리 랙(215)에 하나 이상의 나트륨 이온 배터리가 패킹(Packing)되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 나트륨 이온 배터리는 특정 온도, 예컨대, 280℃까지 승온이 되어야 배터리 운영이 가능하다. 이를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(210)는 배터리 랙(215)을 승온시키는 구성과 이를 제어하는 구성을 포함한다.
이하에서는 도 4를 참조하여 배터리 랙에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 도 2에 도시된 배터리 랙의 구성을 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙(215)은 히터(410), 제1 스위치(420), 나트륨 이온 배터리(430) 및 제2 스위치(440)를 포함한다.
히터(410)는 전력 조절 장치(220)로부터 전력을 공급받아 구동한다. 보다 구체적으로, 히터(410)는 배터리 관리 장치(210)가 전력 조절 장치(220)에 연결되면 전력 조절 장치(220)로부터 전력을 공급받는다.
종래에는 배터리 랙(130)의 전력을 이용하여 전력 조절 장치에 포함된 커패시터(110)를 초기 충전하였다. 이를 위하여, 배터리 랙(130)이 운영 가능한 상태가 되어야 하는데, 나트륨 이온 배터리를 사용하는 경우 히터를 구동하기 위한 별도의 전원장치가 요구된다는 문제가 있다.
본 발명은 배터리 랙(215)의 전력이 아닌 계통(240)으로부터 전력을 공급받아 커패시터(360)를 초기 충전하므로, 커패시터(360)의 초기 충전 이전에 배터리 랙(215)이 운영 가능한 상태일 필요가 없다. 이에 따라, 본 발명은 히터(410)를 구동하기 위한 전원을 별도의 전원장치로부터 공급받지 않고, 커패시터(360)에 대한 초기 충전이 완료되면 전력 조절 장치(220)와 배터리 관리 장치(210)를 연결하여 전력 조절 장치(220)로부터 공급받을 수 있다는 특징이 있다.
제1 스위치(420)는 BCS 제어기(217)의 제어에 의해 온/오프 되어 히터(410)와 전력 조절 장치(220) 간의 연결을 제어한다. 보다 구체적으로, 제1 스위치(420)는 BCS 제어기(217)의 제어에 의해 온 되어 히터(410)를 전력 조절 장치(220)에 연결시킨다. 한편, 제1 스위치(420)는 BCS 제어기(217)의 제어에 의해 오프 되어 전력 조절 장치(220)로부터 공급되는 전력이 히터(410)로 유입되는 것을 차단시킨다.
나트륨 이온 배터리(430)는 히터(410)에 의하여 승온되어 운영 가능한 상태가 되면, 전력 조절 장치(220)로부터 공급받은 전력을 충전하거나 전력 조절 장치(220)로 전력을 방전한다.
제2 스위치(440)는 BCS 제어기(217)의 제어에 의해 온/오프 되어 나트륨 이온 배터리(430)와 전력 조절 장치(220) 간의 연결을 제어한다. 보다 구체적으로, 제2 스위치(440)는 초기 구동시 BCS 제어기(217)의 제어에 의해 오프 되어 전력 조절 장치(220)로부터 공급되는 전력이 나트륨 이온 배터리(430)로 유입되는 것을 차단한다. 한편, 제2 스위치(440)는 나트륨 이온 배터리(430)가 운영 가능한 상태가 되면 BCS 제어기(217)의 제어에 의해 온 되어 나트륨 이온 배터리(430)를 전력 조절 장치(220)에 연결시킨다.
다시 도 2 및 도 4를 참조하면, BCS 제어기(217)는 배터리 랙(215)의 온도를 기초로 히터(410)에 대한 모드 및 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 결정하고, 결정한 모드에 따라 제1 및 제2 스위치(420, 440)에 대한 온/오프를 제어한다.
이하에서는 도 5 내지 도 9을 참조하여 BCS 제어기(217)에 대한 실시예들을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 BCS 제어기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 BCS 제어기(217)은 초기 설정부(510), 온도 확인부(520), 모드 변경부(530) 및 제어명령 생성부(540)를 포함한다.
먼저, 초기 설정부(510)는 배터리 관리 장치(210)가 전력 조절 장치(220)에 연결되면, 히터(410)에 대한 모드 및 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 초기 설정한다.
보다 구체적으로, 초기 설정부(510)는 히터(410)에 대한 모드를 승온모드로 설정하고, 제어명령 생성부(540)를 통해 제1 스위치(420)를 온 시키기 위한 제어명령을 생성한다. 그리고, 초기 설정부(510)는 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 초기모드로 설정하고, 제어명령 생성부(540)를 통해 제2 스위치(440)를 오프 시키기 위한 제어명령을 생성한다.
또한, 초기 설정부(510)는 배터리 랙(215)이 운영 가능한 상태가 되는 온도를 나타내는 운영가능온도를 초기 설정한다. 이때, 운영가능온도는 운영가능 상한온도 및 운영가능 하한온도로 설정될 수 있다.
다음, 온도 확인부(520)는 배터리 랙(215)의 온도를 확인한다. 온도 확인부(520)는 외부의 온도 센서(미도시)로부터 배터리 랙(215)의 온도정보를 주기적으로 수신할 수 있다.
다음, 모드 변경부(530)는 배터리 랙(215)의 온도를 기초로 히터(410)에 대한 모드 및 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 변경한다.
보다 구체적으로, 모드 변경부(530)는 배터리 랙(215)의 온도가 운영가능 상한온도 이상이 되면, 히터(410)에 대한 모드를 초기 설정한 승온모드에서 대기모드로 변경한다. 그리고, 모드 변경부(530)는 배터리 랙(215)의 온도가 운영가능 하한온도 미만이 되면, 히터(410)에 대한 모드를 대기모드에서 승온모드로 재변경한다.
또한, 모드 변경부(530)는 배터리 랙(215)의 온도가 운영가능 상한온도 이상이 되면, 나트륨 이온 배터리(430)에 대하여 운영 가능한 상태로 판단하고, 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 초기 설정한 초기모드에서 충방전 모드로 변경한다. 그리고, 모드 변경부(530)는 배터리 랙(215)의 온도가 운영가능 하한온도 미만이 되면, 나트륨 이온 배터리(430)에 대하여 운영 불가능한 상태로 판단하고, 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 충방전 모드에서 초기모드로 변경한다.
다음, 제어명령 생성부(540)는 모드 변경부(530)에 의하여 모드가 변경되면, 변경된 모드에 따라 제1 및 제2 스위치(420, 440)를 제어한다.
보다 구체적으로, 제어명령 생성부(540)는 모드 변경부(530)에 의하여 히터(410)에 대한 모드가 승온모드에서 대기모드로 변경되면, 제1 스위치(420)를 오프 시키기 위한 제어명령을 생성한다. 그리고, 제어명령 생성부(540)는 모드 변경부(530)에 의하여 히터(410)에 대한 모드가 대기모드에서 승온모드로 변경되면, 제1 스위치(420)를 온 시키기 위한 제어명령을 생성한다.
또한, 제어명령 생성부(540)는 모드 변경부(530)에 의하여 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드가 초기모드에서 충방전 모드로 변경되면, 제2 스위치(440)를 온 시키기 위한 제어명령을 생성한다. 그리고, 제어명령 생성부(540)는 모드 변경부(530)에 의하여 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드가 충방전 모드에서 초기모드로 변경되면, 제2 스위치(440)를 오프 시키기 위한 제어명령을 생성한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 BCS 제어기의 구성을 설명하는 도면이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 BCS 제어기(217)는 하나의 전력 조절 장치(220a)에 연결된 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b)을 제어한다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 BCS 제어기(217)가 2개의 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b)을 제어하는 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 BCS 제어기(217)는 하나의 전력 조절 장치(220a)에 연결된 복수의 배터리 랙(215)들을 제어할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 BCS 제어기(217)은 초기 설정부(610), 온도 확인부(620), 제1 모드 변경부(630), 제1 제어명령 생성부(640), 운영가능배터리 산출부(650), 제2 모드 변경부(660) 및 제2 제어명령 생성부(670)를 포함한다.
먼저, 초기 설정부(610)는 배터리 관리 장치(210)가 전력 조절 장치(220)에 연결되면, 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b) 각각에 대하여 히터(410)에 대한 모드 및 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 초기 설정한다.
보다 구체적으로, 초기 설정부(610)는 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b) 각각에 대하여 히터(410)에 대한 모드를 승온모드로 설정하고, 제1 제어명령 생성부(640)를 통해 제1 스위치(420)를 온 시키기 위한 제어명령을 생성한다. 그리고, 초기 설정부(610)는 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b) 각각에 대하여 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 초기모드로 설정하고, 제1 제어명령 생성부(640)를 통해 제2 스위치(440)를 오프 시키기 위한 제어명령을 생성한다.
또한, 초기 설정부(610)는 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b) 각각에 대하여 운영가능온도를 초기 설정한다. 이때, 운영가능온도는 운영가능 상한온도 및 운영가능 하한온도로 설정될 수 있다.
다음, 온도 확인부(620)는 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b)의 온도를 확인한다. 온도 확인부(620)는 외부의 온도 센서(미도시)로부터 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b)에 대한 온도정보를 주기적으로 수신할 수 있다.
다음, 제1 모드 변경부(630)는 제1 배터리 랙(215a)의 온도를 기초로 제1 배터리 랙(215a)의 히터(410a)에 대한 모드를 변경하고, 제2 배터리 랙(215b)의 온도를 기초로 제2 배터리 랙(215b)에 포함된 히터(410b)에 대한 모드를 변경한다.
보다 구체적으로, 제1 모드 변경부(630)는 제1 배터리 랙(215a)의 온도가 운영가능 상한온도 이상이 되면, 제1 배터리 랙(215a)의 히터(410a)에 대한 모드를 초기 설정한 설정모드에서 대기모드로 변경한다. 그리고, 제1 모드 변경부(630)는 대기모드에서 제1 배터리 랙(215a)의 온도가 운영가능 하한온도 미만이 되면, 제1 배터리 랙(215a)의 히터(410a)에 대한 모드를 대기모드에서 승온모드로 변경한다.
또한, 제1 모드 변경부(630)는 제2 배터리 랙(215b)의 온도가 운영가능 상한온도 이상이면, 제2 배터리 랙(215b)의 히터(410b)에 대한 모드를 초기 설정한 설정모드에서 대기모드로 변경한다. 그리고, 제1 모드 변경부(630)는 대기모드에서 제2 배터리 랙(215b)의 온도가 운영가능 하한온도 미만이 되면, 제2 배터리 랙(215b)의 히터(410b)에 대한 모드를 대기모드에서 승온모드로 변경한다.
다음, 제1 제어명령 생성부(640)는 제1 모드 변경부(630)에 의하여 히터(410)에 대한 모드가 변경되면, 변경된 모드에 따라 제1 스위치(420)를 제어한다.
보다 구체적으로, 제1 제어명령 생성부(640)는 제1 모드 변경부(630)에 의하여 제1 배터리 랙(215a)의 히터(410a)에 대한 모드가 승온모드에서 대기모드로 변경되면, 제1 배터리 랙(215a)의 제1 스위치(420a)를 오프 시키기 위한 제어명령을 생성한다. 그리고, 제1 제어명령 생성부(640)는 제1 모드 변경부(630)에 의하여 제1 배터리 랙(215a)의 히터(410a)에 대한 모드가 대기모드에서 승온모드로 변경되면, 제1 배터리 랙(215a)의 제1 스위치(420a)를 온 시키기 위한 제어명령을 생성한다.
또한, 제1 제어명령 생성부(640)는 제1 모드 변경부(630)에 의하여 제2 배터리 랙(215b)의 히터(410b)에 대한 모드가 승온모드에서 대기모드로 변경되면, 제2 배터리 랙(215b)의 제1 스위치(420b)를 오프 시키기 위한 제어명령을 생성한다. 그리고, 제1 제어명령 생성부(640)는 제1 모드 변경부(630)에 의하여 제2 배터리 랙(215b)의 히터(410b)에 대한 모드가 대기모드에서 승온모드로 변경되면, 제2 배터리 랙(215b)의 제1 스위치(420b)를 온 시키기 위한 제어명령을 생성한다.
다음, 운영가능배터리 산출부(650)는 운영 가능한 상태인 배터리 랙(이하, '운영가능 배터리 랙'이라 함)의 개수를 산출한다.
일 실시예에 있어서, 운영가능배터리 산출부(650)는 온도 확인부(620)를 통하여 확인된 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b)의 온도를 기초로 운영가능 배터리 랙의 개수를 산출할 수 있다.
예컨대, 운영가능배터리 산출부(650)는 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b) 중 온도가 운영가능 하한온도 이상인 배터리 랙의 개수를 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 운영가능배터리 산출부(650)는 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b) 중 하나가 운영가능 하한온도 이상이 되면, 운영가능 배터리 랙의 개수를 증가시키고, 반대로, 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b) 중 어느 하나의 온도가 운영가능 하한온도 미만이면, 운영가능 배터리 랙의 개수를 감소시킬 수 있다.
다른 일 실시예에 있어서, 운영가능배터리 산출부(650)는 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b)의 히터(410)에 대한 모드를 기초로 운영가능 배터리 랙의 개수를 산출할 수 있다.
예컨대, 운영가능배터리 산출부(650)는 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b) 중 히터(410)에 대한 모드가 대기모드인 배터리 랙의 개수를 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 운영가능배터리 산출부(650)는 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b) 중 하나가 제1 모드 변경부(630)에 의하여 대기모드로 변경되면, 운영가능 배터리 랙의 개수를 증가시킬 수 있다.
다음, 제2 모드 변경부(660)는 운영가능배터리 산출부(650)에 의하여 산출된 운영가능 배터리 랙의 개수를 기초로 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b) 각각에 포함된 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 변경한다.
보다 구체적으로, 제2 모드 변경부(660)는 운영가능 배터리 랙의 개수가 2개이면, 즉, 제1 및 제2 배터리 랙(215a, 215b) 모두가 운영 가능한 상태이면, 상기 제1 배터리 랙(215a)의 나트륨 이온 배터리(430a) 및 제2 배터리 랙(215b)의 나트륨 이온 배터리(430b) 각각에 대한 모드를 초기모드에서 충방전 모드로 변경한다.
다음, 제2 제어명령 생성부(670)는 제2 모드 변경부(660)에 의하여 모드가 변경되면, 변경된 모드에 따라 제2 스위치(440)를 제어한다.
보다 구체적으로, 제2 제어명령 생성부(670)는 제2 모드 변경부(660)에 의하여 제1 배터리 랙(215a)의 나트륨 이온 배터리(430a)에 대한 모드가 초기모드에서 충방전 모드로 변경되면, 제1 배터리 랙(215a)의 제2 스위치(440a)를 온 시키기 위한 제어명령을 생성한다. 그리고, 제2 제어명령 생성부(670)는 제2 모드 변경부(660)에 의하여 제1 배터리 랙(215a)의 나트륨 이온 배터리(430a)에 대한 모드가 충방전 모드에서 초기모드로 변경되면, 제1 배터리 랙(215a)의 제2 스위치(440a)를 오프 시키기 위한 제어명령을 생성한다.
또한, 제2 제어명령 생성부(670)는 제2 모드 변경부(660)에 의하여 제2 배터리 랙(215b)의 나트륨 이온 배터리(430b)에 대한 모드가 초기모드에서 충방전 모드로 변경되면, 제2 배터리 랙(215b)의 제2 스위치(440b)를 온 시키기 위한 제어명령을 생성한다. 그리고, 제2 제어명령 생성부(670)는 제2 모드 변경부(660)에 의하여 제2 배터리 랙(215b)의 나트륨 이온 배터리(430b)에 대한 모드가 충방전 모드에서 초기모드로 변경되면, 제2 배터리 랙(215b)의 제2 스위치(440b)를 오프 시키기 위한 제어명령을 생성한다.
종래에는 초기 구동시 복수의 배터리 랙들 중 일부가 운영가능 상한온도에 먼저 도달하더라도 나머지 배터리 랙 모두가 운영가능 상한온도에 도달할 때까지 운영가능 상한온도에 도달한 배터리 랙의 히터를 계속 구동하였다.
이에 따라, 종래의 시스템은 운영가능 상한온도에 도달한 배터리 랙의 히터에 대하여 불필요한 전력이 소비된다는 문제점이 있다. 이와 같은 전력 손실은 에너지 저장 시스템과 같은 대용량 시스템에서 더욱 커진다.
상술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 복수의 배터리 랙들(215) 중 일부가 운영가능 상한온도에 먼저 도달하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 운영가능 상한온도에 도달한 배터리 랙(215)의 히터(410)를 대기모드로 변경하고, 히터(410)에 전력이 공급되는 것을 차단함으로써 전력 손실을 최소화할 수 있다.
그리고, 본 발명은 해당 배터리 랙(215)의 온도가 운영 가능한 운영가능 하한온도까지 떨어지면, 도 7에 도시된 바와 같이, 히터(410)를 승온모드로 변경하여 배터리 랙(215)을 다시 승온시킴으로써 배터리 랙(215)이 운영 가능한 상태를 유지하도록 한다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 BCS 제어기의 구성을 설명하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 BCS 제어기(217)는 초기 설정부(810), 온도 확인부(820), 제1 모드 변경부(830), 제1 제어명령 생성부(840), 운영가능배터리 산출부(850), 제2 모드 변경부(860), 제2 제어명령 생성부(870), 제3 모드 변경부(880) 및 온도 변경부(890)를 포함한다.
도 8에 도시된 초기 설정부(810), 온도 확인부(820), 제1 모드 변경부(830), 제1 제어명령 생성부(840), 운영가능배터리 산출부(850), 제2 모드 변경부(860) 및 제2 제어명령 생성부(870)는 도 6에서 상술한 초기 설정부(610), 온도 확인부(620), 제1 모드 변경부(630), 제1 제어명령 생성부(640), 운영가능배터리 산출부(650), 제2 모드 변경부(660) 및 제2 제어명령 생성부(670)와 유사하다. 이하에서는 차이가 있는 내용을 중점적으로 설명하며, 동일한 내용에 대한 설명은 생략하고 있으나, 도 8의 구성은 도 6에서 상술한 내용을 모두 포함한다.
도 8에 도시된 초기 설정부(810)는 배터리 관리 장치(210)에 대한 모드를 초기 설정한다. 보다 구체적으로, 초기 설정부(810)는 배터리 관리 장치(210)가 전력 조절 장치(220)에 정상적으로 연결되면, 배터리 관리 장치(210)에 대한 모드를 계통연계모드로 초기 설정한다.
또한, 초기 설정부(810)는 배터리 랙(215)이 운영 가능한 상태가 되는 운영가능 상한온도 및 운영가능 하한온도를 초기 설정한다. 보다 구체적으로, 초기 설정부(810)는 제1 온도를 운영가능 상한온도로 설정하고, 제1 온도 보다 작은 제2 온도를 운영가능 하한온도로 초기 설정할 수 있다.
제3 모드 변경부(880)는 전력 관리 장치(230)에 의하여 계통(240)과의 연결이 차단되면, 배터리 관리 장치(210)에 대한 모드를 계통연계모드에서 독립운전모드로 변경한다.
배터리 관리 장치(210)는 계통연계모드에서 전력 조절 장치(220)를 통해 계통(240)으로부터 전력을 공급받아 히터(410)를 구동한다. 그러나, 계통(240)에 이상이 발생하여 계통(240)과의 연결이 차단되면, 배터리 관리 장치(210)는 나트륨 이온 배터리(430)에 저장된 전력을 히터(410)에 공급하여 히터(410)를 구동한다.
온도 변경부(890)는 제3 모드 변경부(880)에 의하여 배터리 관리 장치(210)에 대한 모드가 독립운전모드로 변경되면, 배터리 랙(215)이 운영 가능한 상태로 되는 운영가능 상한온도 또는 운영가능 하한온도를 변경한다.
보다 구체적으로, 온도 변경부(890)는 운영가능 상한온도를 초기 설정한 제1 온도 보다 낮은 제3 온도로 변경한다.
본 발명은 히터(410)의 소비 전력량 및 열 손실을 고려하여 독립운전모드에서 배터리 랙(215)의 평균온도를 계통연계모드에서 보다 낮게 유지하는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로 설명하면, 히터(410)는 나트륨 이온 배터리(430)의 온도에 따라 소비 전력량이 상이하다. 다시 말해, 히터(410)는 나트륨 이온 배터리(430)를 고온 상태로 승온시키는 것 보다 저온 상태로 승온시키는 것이 소비 전력량이 적다는 특성이 있고, 배터리 랙(215)은 고온 상태 보다 저온 상태에서 외부와의 온도 차에 따른 열 손실이 적다는 특성이 있다.
이러한 이유로, 본 발명은 배터리 관리 장치(210)에 대한 모드가 계통연계모드에서 독립운전모드로 변경되면, 배터리 랙(215)에 대한 운영가능 상한온도를 초기 설정한 제1 온도 보다 낮은 제3 온도로 변경하여 히터(410)의 소비 전력량을 최소화시킨다.
한편, 온도 변경부(890)는 운영가능 상한온도 뿐만 아니라 운영가능 하한온도도 초기 설정한 제2 온도 보다 낮은 제4 온도로 변경할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 배터리 관리 장치(210)는 계통연계모드 보다 독립운전모드에서 배터리 랙(215)의 평균온도를 낮게 유지할 수 있다.
예컨대, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 BCS 제어기(217)는 계통연계모드에서 제1 온도를 운영가능 상한온도로 초기 설정하고, 상기 제1 온도 보다 낮은 제2 온도를 운영가능 하한온도로 초기 설정할 수 있다.
BCS 제어기(217)는 전력 조절 장치(220)를 통해 계통(240)으로부터 전력을 공급받아 히터(410)를 구동하고, 배터리 랙(215)의 온도가 제1 온도가 되면, 히터(410)를 대기모드로 변경할 수 있다. 이후, BCS 제어기(217)는 배터리 랙(215)의 온도가 제2 온도가 되면, 히터(410)를 승온모드로 변경하여 배터리 랙(215)을 다시 승온시킬 수 있다.
계통연계모드로 동작하던 중 계통(240)에 이상이 발생하여 계통(240)과의 연결이 차단되면, BCS 제어기(217)는 배터리 관리 장치(210)에 대한 모드를 독립운전모드로 변경할 수 있다. 그리고, BCS 제어기(217)는 운영가능 상한온도를 제1 온도 보다 낮은 제2 온도로 변경하고, 운영가능 하한온도를 제2 온도 보다 낮은 제3 온도로 변경할 수 있다.
BCS 제어기(217)는 나트륨 이온 배터리(430)로부터 전력을 공급받아 히터(410)를 구동하고, 배터리 랙(215)의 온도가 제2 온도가 되면, 히터(410)를 대기모드로 변경할 수 있다. 이후, BCS 제어기(217)는 배터리 랙(215)의 온도가 제3 온도가 되면, 히터(410)를 승온모드로 변경하여 배터리 랙(215)을 다시 승온시킬 수 있다.
본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 BCS 제어기(217)는 배터리 랙(215)의 온도를 기초로 히터(410)에 대한 모드 및 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 변경하는 구성을 포함하고 있으나, 다른 실시예에 있어서, 배터리 랙(215)의 온도를 기초로 히터(410)에 대한 모드 및 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 변경하는 구성이 전력 조절 장치(220)에 포함될 수도 있다.
보다 구체적으로, 전력 조절 장치(220)는 BCS 제어기(217)로부터 배터리 랙(215)의 온도정보를 수신하고, 수신한 배터리 랙(215)의 온도정보를 기초로 히터(410)에 대한 모드 및 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 변경할 수 있다.
전력 조절 장치(220)는 배터리 관리 장치(210)가 연결되면, 히터(410)에 대한 모드를 승온모드로 설정하고, 제1 스위치(420)를 온 시키기 위한 제어명령을 생성하여 BCS 제어기(217)로 출력할 수 있다. 그리고, 전력 조절 장치(220)는 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 초기모드로 설정하고, 제2 스위치(440)를 오프 시키기 위한 제어명령을 생성하여 BCS 제어기(217)로 출력할 수 있다. 전력 조절 장치(220)는 배터리 랙(215)이 운영 가능한 상태가 되는 온도를 나타내는 운영가능온도를 초기 설정할 수 있다. 이때, 운영가능온도는 운영가능 상한온도 및 운영가능 하한온도로 설정될 수 있다.
전력 조절 장치(220)는 배터리 랙(215)의 온도가 운영가능 상한온도 이상이 되면, 히터(410)에 대한 모드를 초기 설정한 승온모드에서 대기모드로 변경하고, 제1 스위치(420)를 오프 시키기 위한 제어명령을 생성하여 BCS 제어기(217)에 출력할 수 있다. 그리고, 전력 조절 장치(220)는 배터리 랙(215)의 온도가 운영가능 하한온도 미만이 되면, 히터(410)에 대한 모드를 대기모드에서 승온모드로 재변경하고, 제1 스위치(420)를 온 시키기 위한 제어명령을 생성하여 BCS 제어기(217)에 출력할 수 있다.
한편, 전력 조절 장치(220)는 배터리 랙(215)의 온도가 운영가능 상한온도 이상이 되면, 나트륨 이온 배터리(430)에 대하여 운영 가능한 상태로 판단하고, 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 초기 설정한 초기모드에서 충방전 모드로 변경하고, 제2 스위치(440)를 온 시키기 위한 제어명령을 생성하여 BCS 제어기(217)로 출력할 수 있다. 그리고, 전력 조절 장치(220)는 배터리 랙(215)의 온도가 운영가능 하한온도 미만이 되면, 나트륨 이온 배터리(430)에 대하여 운영 불가능한 상태로 판단하고, 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 충방전 모드에서 초기모드로 변경하고, 제2 스위치(440)를 오프 시키기 위한 제어명령을 생성하여 BCS 제어기(217)로 출력할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 도 5, 도 6 및 도8에 도시된 BCS 제어기(217)의 구성 일부는 전력 관리 장치(230)에 포함될 수도 있다. 이에 대한 설명은 도 10을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 BCS 제어기 및 전력 관리 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 BCS 제어기(217)는 배터리 관리 장치(210)에 포함된 복수의 배터리 랙(215)들의 상태를 모니터링하고, 모니터링한 배터리 랙 상태 정보를 전력 관리 장치(230)에 전달한다. 그리고, BCS 제어기(217)는 전력 관리 장치(230)의 제어에 따라 제1 및 제2 스위치(420, 440)를 제어한다. 이러한 BCS 제어기(217)는 배터리 모니터링부(1080), 제1 제어신호 생성부(1090) 및 제2 제어신호 생성부(1100)를 포함한다.
그리고, 전력 관리 장치(230)는 BCS 제어기(217)로부터 수신된 배터리 랙 상태 정보를 기초로 히터(410)에 대한 모드 및 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 설정 및 변경하고, 설정 또는 변경된 모드로 동작하도록 제어한다. 이러한, 전력 관리 장치(230)는 초기 설정부(1010), 온도 확인부(1020), 제1 모드 변경부(1030), 운영가능배터리 산출부(1040), 제2 모드 변경부(1050), 제3 모드 변경부(1060), 및 온도 변경부(1070)를 포함한다.
이하에서는 상술한 실시예들과 차이가 있는 내용을 중점적으로 설명하고, 중복되는 내용은 생략하기로 한다.
전력 관리 장치(230)는 전력 조절 장치(220)와 배터리 관리 장치(210)와의 연결이 확인되면, 배터리 관리 장치(210)를 운영하기 위하기 위하여 복수의 배터리 랙(215)들을 승온시킨다.
전력 관리 장치(230)에 포함된 초기 설정부(1010)는 히터(410)에 대한 모드를 승온모드로 설정하고, 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 초기모드로 설정한다.
전력 관리 장치(230)는 히터(410)와 나트륨 이온 배터리(430)가 초기 설정부(1010)에 의해 설정된 모드로 동작하도록 BCS 제어기(217)를 제어한다.
BCS 제어기(217)에 포함된 제1 제어신호 생성부(1090)는 전력 관리 장치(230)로부터 히터(410)에 대하여 승온모드 명령이 수신되면, 제1 스위치(420)를 온 시키기 위한 제어명령을 생성하여 제1 스위치(420)를 온 시킨다.
그리고, BCS 제어기(217)에 포함된 제2 제어신호 생성부(1100)는 전력 관리 장치(230)로부터 나트륨 이온 배터리(430)에 대하여 초기모드 명령이 수신되면, 제2 스위치(440)를 오프 시키기 위한 제어명령을 생성하여 제2 스위치(440)를 오프 시킨다.
한편, BCS 제어기(217)에 포함된 배터리 모니터링부(1080)는 배터리 랙(215)의 상태를 모니터링하여 배터리 랙 상태 정보를 생성하고, 생성된 배터리 랙 상태 정보를 전력 관리 장치(230)로 제공한다.
일 실시예에 있어서, 배터리 랙 상태 정보는 각 배터리 랙에 충전되어 있는 전력량, 각 배터리 랙의 전류값, 각 배터리 랙의 SOC(State Of Charge) 정보, 각 배터리 랙의 성능 상태값(State Of Health, SOH) 정보, 각 배터리 랙의 정격용량, 각 배터리 랙의 고장상태, 및 각 배터리 랙의 온도정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전력 관리 장치(230)는 BCS 제어기(217)로부터 수신된 배터리 랙 상태 정보를 확인하고, 이를 기초로 복수의 배터리 랙(215)들을 제어한다. 특히, 본 발명에 따른 전력 관리 장치(230)에 포함된 온도 확인부(1020)는 복수의 배터리 랙(215)들 각각의 온도정보를 확인한다.
전력 관리 장치(230)에 포함된 제1 모드 변경부(1030)는 배터리 랙(215)의 온도를 기초로 히터(410)에 대한 모드를 승온모드에서 대기모드로, 대기모드에서 승온모드로 변경한다. 히터(410)에 대한 모드가 변경되면, 전력 관리 장치(230)는 히터(410)가 변경된 모드로 동작하도록 BCS 제어기(217)의 제1 제어신호 생성부(1090)를 통해 제1 스위치(420)를 제어한다.
그리고, 전력 관리 장치(230)에 포함된 제2 모드 변경부(1050)는 배터리 랙(215)의 온도 또는 히터(410)에 대한 모드를 기초로 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 초기모드에서 충방전 모드로, 충방전 모드에서 초기모드로 변경한다. 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드가 변경되면, 전력 관리 장치(230)는 나트륨 이온 배터리(430)가 변경된 모드로 동작하도록 BCS 제어기(217)의 제2 제어신호 생성부(1100)를 통해 제2 스위치(440)를 제어한다.
한편, 전력 관리 장치(230)에 포함된 제3 모드 변경부(1060)는 계통(240)에 이상이 발생하면 계통(240)과 전력 조절 장치(220)와의 연결을 차단하고, 시스템에 대한 모드를 계통연계모드에서 독립운전모드로 변경한다. 그리고, 전력 관리 장치(230)에 포함된 온도 변경부(1070)는 운영가능 상한온도 및 운영가능 하한온도를 변경한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구동방법을 설명하는 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(200)은 전력 조절 장치(220)에 포함된 커패시터(360)를 초기 충전한다(S1101). 보다 구체적으로, 에너지 저장 시스템(200)은 계통(240)으로부터 공급되는 교류 전압을 이용하여 커패시터(360)를 초기 전압 0V에서 정격 전압까지 초기 충전한다.
다음, 에너지 저장 시스템(200)은 전력 조절 장치(220)를 계통(240)에 연계한다(S1102). 보다 구체적으로, 에너지 저장 시스템(200)은 커패시터(360)에 대한 초기 충전이 완료되면, 인버터(350) 출력 전압의 주파수, 위상 및 크기가 계통(240)의 교류 전압의 주파수, 위상 및 크기와 동일해지도록 인버터(350) 출력 전압과 계통(240)의 교류 전압을 동기화시킨 후, 제1 차단기(330)를 온 시켜 전력 조절 장치(220)가 계통(240)에 연계되도록 한다.
다음, 에너지 저장 시스템(200)은 배터리 관리 장치(210)에 대한 운영 준비를 시작한다(S1103). 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(200)은 배터리 관리 장치(210)에 대하여 충방전을 수행하기 위해서 우선적으로 복수의 배터리 랙(215)들을 운영 가능한 상태로 만들어야 한다.
이하에서는 도 12를 참조하여 배터리 관리 장치(210)에 대한 초기 운영 준비 방법에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 12는 배터리 관리 장치에 대한 초기 운영 준비 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 먼저, 에너지 저장 시스템(200)은 배터리 관리 장치(210)와 전력 조절 장치(220)를 연결하여 배터리 관리 장치(210)가 계통(240)에 연결되도록 한다(S1201).
다음, 에너지 저장 시스템(200)은 복수의 배터리 랙(215)들 각각에 대하여 히터(410)에 대한 모드 및 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 초기 설정하고, 배터리 랙(215)의 운영가능온도를 초기 설정한다(S1202).
보다 구체적으로, 에너지 저장 시스템(200)은 복수의 배터리 랙(215)들 각각에 대하여 히터(410)에 대한 모드를 승온모드로 설정하고, 복수의 배터리 랙(215)들 각각에 대하여 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 초기모드로 설정한다. 그리고, 에너지 저장 시스템(200)은 운영가능 상한온도를 제1 온도로 설정하고, 운영가능 하한온도를 상기 제1 온도 보다 낮은 제2 온도로 설정한다.
다음, 에너지 저장 시스템(200)은 승온모드에 따라 제1 스위치(420)를 온 시키고, 계통(240)으로부터 입력되는 전력을 히터(410)에 공급하여 히터(410)를 구동한다(S1203). 이때, 에너지 저장 시스템(200)은 초기모드에 따라 제2 스위치(440)를 오프 시켜 계통(240)으로부터 공급되는 전력이 나트륨 이온 배터리(430)에 유입되는 것을 차단한다.
다음, 에너지 저장 시스템(200)은 복수의 배터리 랙(215)들 각각의 온도를 주기적으로 확인하고, 복수의 배터리 랙(215)들 중 적어도 하나의 온도가 초기 설정한 운영가능 상한온도, 즉, 제1 온도 이상이 되면, 해당 배터리 랙에 포함된 히터(410)에 대한 모드를 대기모드로 변경한다(S1204 및 S1205).
이때, 에너지 저장 시스템(200)은 대기모드로 변경된 히터(410)와 연결된 제1 스위치(420)를 오프 시켜 히터(410) 구동을 멈추고 대기시킨다.
다음, 에너지 저장 시스템(200)은 복수의 배터리 랙(215)들 중 운영 가능한 배터리 랙의 개수를 확인하고, 모든 배터리 랙(215)이 운영 가능하다고 판단되면, 복수의 배터리 랙(215)들 각각에 대하여 나트륨 이온 배터리(430)에 대한 모드를 충방전 모드로 변경한다(S1206 및 S1207).
일 실시예에 있어서, 에너지 저장 시스템(200)은 복수의 배터리 랙(215)들 각각의 온도를 기초로 운영 가능한 배터리 랙의 개수를 산출할 수 있다. 예컨대, 에너지 저장 시스템(200)은 복수의 배터리 랙(215)들 중 온도가 운영가능 하한온도 이상인 배터리 랙의 개수를 산출할 수 있다.
다른 일 실시예에 있어서, 에너지 저장 시스템(200)은 복수의 배터리 랙(215)들 각각의 히터(410)에 대한 모드를 기초로 운영 가능한 배터리 랙의 개수를 산출할 수 있다. 예컨대, 에너지 저장 시스템(200)은 복수의 배터리 랙(215)들 중 히터(410)에 대한 모드가 대기모드인 배터리 랙의 개수를 산출할 수 있다.
이때, 에너지 저장 시스템(200)은 충방전 모드로 변경된 나트륨 이온 배터리(430)와 연결된 제2 스위치(440)를 온 시켜 나트륨 이온 배터리(430)를 계통(240)에 연결한다.
다음, 에너지 저장 시스템(200)은 복수의 배터리 랙(215)들 모두가 운영 가능한 상태가 아니라고 판단되면, 복수의 배터리 랙(215)들 각각의 온도를 확인하고, 온도가 운영가능 하한온도 미만이 되는 배터리 랙(215)에 대하여 히터(410)에 대한 모드를 대기모드에서 다시 승온모드로 변경한다(S1209).
이때, 에너지 저장 시스템(200)은 승온모드로 변경된 히터(410)와 연결된 제1 스위치(420)를 온 시켜 계통(240)으로부터 입력되는 전력을 히터(410)에 공급한다.
다시 도 11을 참조하면, 에너지 저장 시스템(200)은 복수의 배터리 랙(215)들이 충방전 준비가 완료되면, 계통(240)으로부터 공급되는 전력을 복수의 배터리 랙(215)들에 충전하거나 복수의 배터리 랙(215)들에 저장된 전력을 방전하여 계통(240) 또는 부하에 공급한다(S1104).
다음, 에너지 저장 시스템(200)은 계통(240)에 이상이 발생하면, 운전모드를 계통연계모드에서 독립운전모드로 변경한다(S1105 및 S1106). 이때, 에너지 저장 시스템(200)은 스위칭 기어(310)를 오프 시켜 계통(240)의 이상 전류가 전력 조절 장치(220)로 유입되는 것을 차단한다.
다음, 에너지 저장 시스템(200)은 독립운전모드로 변경됨에 따라 운영가능온도를 변경한다(S1107). 이때, 운영가능온도는 계통연계모드에서 초기 설정한 제1 온도 보다 낮은 제3 온도로 변경한다.
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 출원의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 계통 연계시 돌입 전류가 발생하는 것을 방지하기 위하여 계통의 교류 전압을 이용하여 커패시터를 초기 충전하는 초기 충전부를 포함하고, 초기 충전이 완료되면 상기 계통과 연계하는 전력 조절 장치; 및
    적어도 하나의 배터리 랙을 포함하고, 상기 전력 조절 장치를 통해 상기 계통으로부터 공급받은 전력을 이용하여 상기 배터리 랙을 승온시키고, 상기 배터리 랙의 온도가 운영가능온도가 되면, 상기 배터리 랙에 대한 충방전 동작을 수행하는 배터리 관리 장치를 포함하고,
    상기 배터리 랙은 적어도 하나의 나트륨 이온 배터리 및 상기 전력 조절 장치에 연결되고, 상기 계통으로부터 전력을 공급받아 구동하여 상기 나트륨 이온 배터리를 운영가능온도 이상 승온시키는 히터를 포함하고,
    상기 히터는 상기 계통과 제1 스위치로 연결되고, 상기 적어도 하나의 나트륨 이온 배터리는 상기 계통과 제2 스위치로 연결되며,
    상기 배터리 관리 장치는 상기 적어도 하나의 배터리 랙의 온도를 기초로 상기 적어도 하나의 배터리 랙 각각에 대한 상기 히터의 모드를 변경하고, 상기 변경된 모드에 따라 상기 제1 스위치 및 제2 스위치를 제어하는 BCS 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 운영가능온도는 상기 배터리 랙에 대하여 운영 가능한 상태의 상한기준이 되는 운영가능 상한온도를 포함하고,
    상기 BCS 제어기는,
    상기 배터리 랙의 온도가 운영가능 상한온도 이상이면, 해당 배터리 랙에 포함된 상기 히터의 모드를 대기모드로 변경하고, 상기 제1 스위치를 오프 시키고, 상기 배터리 랙의 온도가 운영가능온도가 되면, 해당 배터리 랙에 포함된 상기 나트륨 이온 배터리의 모드를 충방전 모드로 변경하고, 상기 제2 스위치를 온 시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 운영가능온도는 상기 배터리 랙에 대하여 운영 가능한 상태의 하한 기준이 되는 운영가능 하한온도를 포함하고,
    상기 BCS 제어기는,
    상기 배터리 랙의 온도가 운영가능온도가 되면, 해당 배터리 랙에 포함된 상기 나트륨 이온 배터리의 모드를 충방전 모드로 변경하고, 상기 제2 스위치를 온 시키고, 상기 배터리 랙의 온도가 운영가능 하한온도 미만이면, 해당 배터리 랙에 포함된 상기 히터의 모드를 승온모드로 변경하고, 상기 제1 스위치를 온 시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  6. 삭제
  7. 계통 연계시 돌입 전류가 발생하는 것을 방지하기 위하여 계통의 교류 전압을 이용하여 커패시터를 초기 충전하는 초기 충전부를 포함하고, 초기 충전이 완료되면 상기 계통과 연계하는 전력 조절 장치; 및
    적어도 하나의 배터리 랙을 포함하고, 상기 전력 조절 장치를 통해 상기 계통으로부터 공급받은 전력을 이용하여 상기 배터리 랙을 승온시키고, 상기 배터리 랙의 온도가 운영가능온도가 되면, 상기 배터리 랙에 대한 충방전 동작을 수행하는 배터리 관리 장치를 포함하고,
    상기 배터리 랙은 적어도 하나의 나트륨 이온 배터리 및 상기 전력 조절 장치에 연결되고, 상기 계통으로부터 전력을 공급받아 구동하여 상기 나트륨 이온 배터리를 운영가능온도 이상 승온시키는 히터를 포함하고,
    상기 배터리 관리 장치는 상기 계통에 이상이 발생하여 상기 계통과의 연결이 차단되면, 상기 나트륨 이온 배터리에 저장된 전력을 상기 히터로 공급하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 배터리 관리 장치는,
    상기 운영가능온도를 제1 온도로 초기 설정한 후, 상기 계통과의 연결이 차단되면, 상기 운영가능온도를 상기 제1 온도 보다 낮은 제2 온도로 변경하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  9. 계통 연계시 돌입 전류가 발생하는 것을 방지하기 위하여 계통의 교류 전압을 이용하여 커패시터를 초기 충전하는 초기 충전부를 포함하고, 초기 충전이 완료되면 상기 계통과 연계하는 전력 조절 장치; 및
    나트륨 이온 배터리를 포함하는 적어도 하나의 배터리 랙을 포함하고, 상기 전력 조절 장치를 통해 상기 계통으로부터 공급받은 전력을 이용하여 상기 배터리 랙을 승온시키고, 상기 배터리 랙의 온도가 운영가능온도가 되면, 상기 배터리 랙에 대한 충방전 동작을 수행하는 배터리 관리 장치를 포함하고,
    상기 초기 충전부는,
    상기 계통의 교류 전류를 상기 커패시터 쪽으로 통과시키는 다이오드;
    상기 다이오드로부터 출력되어 상기 커패시터로 유입되는 교류 전류의 양을 제한하는 저항; 및
    상기 커패시터의 초기 충전을 위해 상기 저항을 통과한 교류 전류가 상기 커패시터로 유입되거나 차단되도록 하는 제3 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  10. 계통으로부터 전력을 공급받아 구동하는 히터, 및 상기 히터를 계통에 연결시키는 제1 스위치를 포함하는 적어도 하나의 배터리 랙; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 랙의 온도를 기초로 상기 히터의 모드를 변경하고, 상기 히터의 모드에 따라 상기 제1 스위치를 제어하는 전력 조절 장치를 포함하고,
    상기 전력 조절 장치는 상기 적어도 하나의 배터리 랙의 온도를 기초로 운영가능 배터리 랙의 개수를 산출하고, 산출한 값이 상기 적어도 하나의 배터리 랙의 개수와 동일하면, 상기 적어도 하나의 배터리 랙에 대한 모드를 충방전 모드로 변경하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 랙이 복수개이고,
    상기 전력 조절 장치는 상기 복수의 배터리 랙들 각각의 온도를 기초로 상기 복수의 배터리 랙들 각각에 포함된 히터들과 연결된 제1 스위치들을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전력 조절 장치는,
    상기 계통의 교류 전압을 이용하여 커패시터를 초기 충전하고, 초기 충전이 완료되면 상기 계통과 연계하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 랙이 복수개이고,
    상기 전력 조절 장치는 상기 복수의 배터리 랙들 중 적어도 하나의 온도가 운영가능 상한온도 이상이면, 운영가능 상한온도 이상인 배터리 랙에 포함된 상기 히터에 대한 모드를 대기모드로 변경하고, 상기 제1 스위치를 제어하여 상기 히터와 상기 계통과의 연결이 차단되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 랙이 복수개이고,
    상기 전력 조절 장치는 상기 복수의 배터리 랙들 중 적어도 하나의 온도가 운영가능 하한온도 미만이면, 운영가능 하한온도 미만인 배터리 랙에 대한 모드를 승온모드로 변경하고, 상기 제1 스위치를 제어하여 상기 히터와 상기 계통이 연결되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  15. 삭제
  16. 계통으로부터 전력을 공급받아 구동하는 히터, 및 상기 히터를 계통에 연결시키는 제1 스위치를 포함하는 적어도 하나의 배터리 랙; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 랙의 온도를 기초로 상기 히터의 모드를 변경하고, 상기 히터의 모드에 따라 상기 제1 스위치를 제어하는 전력 조절 장치를 포함하고,
    상기 전력 조절 장치는, 상기 계통과 연계시 돌입 전류가 발생하는 것을 방지하기 위하여 상기 계통의 교류 전압을 이용하여 커패시터를 초기 충전하는 초기 충전부를 포함하고,
    상기 초기 충전부는,
    상기 계통의 교류 전류를 상기 커패시터 쪽으로 통과시키는 다이오드;
    상기 다이오드로부터 출력되어 상기 커패시터로 유입되는 교류 전류의 양을 제한하는 저항; 및
    상기 커패시터의 초기 충전을 위해 상기 저항을 통과한 교류 전류가 상기 커패시터로 유입되거나 차단되도록 하는 제3 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  17. 계통으로부터 전력을 공급받아 구동하는 히터, 및 상기 히터를 계통에 연결시키는 제1 스위치를 포함하는 적어도 하나의 배터리 랙; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 랙의 온도를 기초로 상기 히터의 모드를 변경하고, 상기 히터의 모드에 따라 상기 제1 스위치를 제어하는 전력 조절 장치를 포함하고,
    상기 전력 조절 장치는 상기 계통에 이상이 발생하여 상기 계통과의 연결이 차단되면, 상기 배터리 랙에 저장된 전력을 상기 히터로 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
  18. 제10항에 있어서, 상기 전력 조절 장치는,
    상기 배터리 랙에 대한 운영가능온도를 제1 온도로 초기 설정한 후, 상기 계통과의 연결이 차단되면, 상기 운영가능온도를 상기 제1 온도 보다 낮은 제2 온도로 변경하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
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