KR101934702B1

KR101934702B1 - 에너지 뱅크 시스템

Info

Publication number: KR101934702B1
Application number: KR1020180108641A
Authority: KR
Inventors: 박성준
Original assignee: 주식회사 지엔이피에스
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2019-01-03

Abstract

본 발명은 에너지 뱅크 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상기 에너지 뱅크 시스템은 복수개의 배터리 브릿지; 인덕터와 캐패시터로 구성된 LC 필터; 및 제어부;로 구성되며, 상기 배터리 브릿지는 배터리 모듈과 도통방향이 배터리 양극에서 음극방향으로 배치되되 상기 배터리 모듈의 양극과 음극 사이에 직렬로 순서대로 연결된 상단 스위치와 하단 스위치로 구성되고, 상기 상단 스위치와 하단 스위치는 프리휠링 다이오드를 포함한 반도체 스위치를 사용하며, 상기 배터리 브릿지는 하단의 배터리 브릿지의 상단 스위치와 하단 스위치의 접점이 상단의 배터리 브릿지의 하단 스위치와 배터리 음극의 접점에 연결되는 방식으로 복수개가 직렬로 연결 배치됨을 특징으로 하되, 상기 LC 필터는 최상단 배터리 브릿지의 상단 스위치와 하단 스위치의 접점과 최하단 배터리 브릿지의 배터리 모듈의 음극과 하단스위치의 접점 사이에 인덕터와 캐패시터가 순서대로 연결되어 구성되며, 상기 제어부는 사용자가 정하는 충전 또는 방전 전압 세팅부, 센서부, 상기 센서부에 의해 상기 각 배터리 모듈의 SOC를 추정하는 SOC 추정 알고리즘과 충방전시 사용자에 의해 세팅되는 충전 또는 방전 전압에 따라 연결되는 배터리 브릿지 개수를 정하는 알고리즘이 임베딩되어 있는 MCU 및 상기 상단 스위치와 하단 스위치에 도통신호를 주는 스위칭 신호부로 구성되는 에너지 뱅크 시스템에 관한 것이다.

Description

에너지 뱅크 시스템{Energy Bank System}

최근 도심지 지역이 디지털부하로 구성됨에 따라 직류전원 수요가 확대되고 고품질 전력공급의 중요성이 부각됨에 따라 대용량 ESS와 연계하여 전력 품질을 올리려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

ESS 시스템에서 배터리 모듈 직렬 개수에 의해 정격전압이 결정됨으로 고압화를 위한 많은 수의 직렬회로 구성이 필수적인데, 이는 BMS 측면에서 어려움이 많으며 모듈 고장시 전체 시스템이 가동 중지되는 문제를 안고 있다.

또한 단일한 기존의 ESS시스템이 고정된 입출력 범위를 갖게 됨에 따라 주위 환경의 충방전원에 대응할 수 없는 문제점이 발생하고 있다.

또한 ESS에 사용되는 개별 배터리와 이러한 개별의 배터리들이 군을 이뤄 에너지 충방전 시스템을 구성할 때, 모든 개별 배터리들의 SOC가 일정하지 않은 문제점이 있음에 따라 이를 추정하는 알고리즘이 개발되고 있고, 상기 알고리즘에 따라 추정된 SOC에 따라 배터리의 전압레벨 밸런싱을 맞추는 특유의 회로와 장치가 ESS에 필수적으로 부가되고 있는 실정이다.

이러한 문제점 발생요인을 상세하게 설명하면 아래와 같다.

높은 공칭전압을 갖는 ESS에서 배터리 모듈의 직렬연결은 필수적인데, 이러한 직렬로 연결된 동일한 용량의 배터리 용량은 처음에는 동일하지만, 시간이 지나면서 개별적인 셀의 화합물 미소 변동, 충전량 차, 방전율 및 방전 사이클 차, 배터리의 위치에 따른 온도의 영향 등에 따라 각기 다른 성능으로 자연스럽게 저하되는데, 특히 시간이 지남에 따라 배터리 모듈의 충방전시 배터리 용량이 줄어든 약한 배터리 모듈이 존재하게 되며 이 모듈이 실질적으로 배터리의 동작시간을 제한하고 수명에 지배적 영향을 끼치게 된다.

즉 충전시 용량이 적은 모듈이 용량이 큰 모듈보다 먼저 완전충전전압에 도달하므로, 용량이 큰 모듈은 100[%] 충전하지 못하게 되며, 특히 용량이 큰 모듈을 완전 충전을 하기 위해 충전을 지속하는 경우 용량이 적은 모듈은 과충전으로 인하여 폭발 위험이 생길 수 있다.

이러한 위험성을 방지하기 위해 BMS는 각 모듈의 과충전 보호 기능에 의해 용량이 큰 모듈이 아직 충전되지 못한 상태라도 용량이 적은 모듈이 완전충전전압에 도달하면 충전을 종료하게 됨에 따라 배터리 모듈간 밸랜싱이 깨어지게 되며, 이러한 차는 모듈 밸랜서 혹은 전압레벨 밸런스 장치에 의해 보상되어야 하는 것이다.

도 7은 기존의 일반적인 ESS시스템의 배터리 모듈 및 보호소자 구성도를 나타내고 있는데, ESS에서 배터리 모듈 직렬 개수에 의해 정격전압이 결정됨으로 고압화를 위해서는 많은 수의 직렬회로에 의해 하나의 전압원으로 사용하게 된다.

이러한 경우 배터리 전류 차단을 위한 스위치 소자는 ESS의 최대전압보다 높은 내압을 갖는 스위칭 소자가 필요하며, ESS 정격 전압이 높을 경우 스위칭 소자의 내압한계로 인하여 스위칭 소자 내압보다 높은 전압을 구현하기는 어려운 실정이다.

본 발명의 목적은 직렬연결된 배터리 브릿지의 개수를 가변하여 입출력 단자의 변동없이 다양한 입출력 전압의 구성이 가능한 에너지 뱅크 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 충전시는 SOC가 낮은 배터리 브릿지를 우선 선택하여 직렬연결되도록 하고, 방전시는 SOC가 높은 배터리 브릿지를 우선 선택하여 직렬연결되도록 하여 충방전시 자연스럽게 밸런싱 기능을 수행토록 함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 충방전시 자연스럽게 저장되는 무효전력을 SOC가 낮은 배터리 모듈에 저장되도록 하여 단기적으로 SOC의 밸런싱을 맞추는 것 외에 상기 배터리 모듈의 내부저항에 의한 발열에 의해 배터리 내부 온도를 제어함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 노후화되거나 고장난 모듈을 작동중에도 교체할 수 있는 핫스왑 기능을 갖는 에너지 뱅크 시스템을 제공함에 있다.

본 발명인 에너지 뱅크 시스템은 복수개의 배터리 브릿지(100_1......N); 인덕터(200)와 캐패시터(300)로 구성된 LC 필터(부호 미부여); 및 제어부(400); 로 구성된다.

상기 배터리 브릿지(100)는 배터리 모듈(Bat)과 도통방향이 배터리 양극에서 음극방향으로 배치되되 상기 배터리 모듈(Bat)의 양극과 음극 사이에 직렬로 순서대로 연결된 상단 스위치(S1)와 하단 스위치(S2)로 구성된다.

상기 상단 스위치(S1)와 하단 스위치(S2)는 프리휠링 다이오드를 포함한 반도체 스위치를 사용한다.

상기 배터리 브릿지(100)는 하단의 배터리 브릿지의 상단 스위치와 하단 스위치의 접점이 상단의 배터리 브릿지의 하단 스위치와 배터리 음극의 접점에 연결되는 방식으로 복수개가 직렬로 연결 배치됨을 특징으로 한다.

상기 LC 필터는 최상단 배터리 브릿지(100_N)의 상단 스위치(S1_N)와 하단 스위치(S2_N)의 접점과 최하단 배터리 브릿지(100₁)의 배터리 모듈(Bat₁)의 음극과 하단스위치(S2₁)의 접점 사이에 인덕터(200)와 캐패시터(300)가 순서대로 연결되어 구성된다.

상기 제어부(400)는 사용자가 정하는 충전 또는 방전 전압 세팅부(미도시), 센서부(미도시), 상기 센서부에 의해 상기 각 배터리 모듈의 SOC를 추정하는 SOC 추정 알고리즘(미도시)과 충방전시 사용자에 의해 세팅되는 충전 또는 방전 전압에 따라 연결되는 배터리 브릿지 개수를 정하는 알고리즘이 임베딩되어 있는 MCU(미도시) 및 상기 상단 스위치(S1)와 하단 스위치(S2)에 도통신호를 주는 스위칭 신호부(미도시)로 구성된다.

사용자에 의해 방전전압이 세팅되면,

방전에 사용되는 배터리 브릿지(100)의 개수는 상기 방전전압에 대응하여 정해지되, 상기 SOC 추정 알고리즘(미도시)에 의해 상대적으로 높은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리 모듈(Bat)을 포함하는 배터리 브릿지(100)를 우선적으로 사용하되, 상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 방전에 사용되는 배터리 브릿지(100)의 상단스위치(S1)를 도통시켜 방전한다.

사용자에 의해 충전전압이 세팅되면,

충전에 사용되는 배터리 브릿지(100)의 개수는 상기 충전전압에 대응하여 정해지되, 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 낮은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리 모듈(Bat)을 포함하는 배터리 브릿지(100)를 우선적으로 사용하되, 상기 MCU(미도시)의 스위칭 신호부(미도시)의 도통신호에 의해 충전에 사용되지 않는 배터리 브릿지(100)의 하단스위치(S2)를 도통시켜 충전한다.

상기 상단 스위치(S1)와 하단 스위치(S2)는 인터락된 마그네틱 스위치 2개 또는 토템 폴 방식의 스위치(S)로 대체하여 사용할 수 있다.

충·방전이 종료된 후 캐패시터에 저장된 무효전력으로 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 낮은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리 모듈을 충전하면서 내부온도를 제어하기 위해,

충전할 배터리 모듈(Bat)을 포함하지 않는 나머지 배터리 브릿지(100)의 하단스위치(S2)를 상기 MCU(미도시)의 스위칭 신호부(미도시)의 도통신호에 의해 도통시키는 것을 특징으로 한다.

상기 배터리 모듈(Bat) 단독으로 착탈 가능하거나,

상기 배터리 모듈(Bat)과 상단스위치(S1)가 하나의 모듈을 구성하여 착탈 가능하다.

세팅된 충방전 전압값, 각 배터리 모듈의 SOC 데이터 및 충방전 상태를 표시하는 디스플레이부(미도시)를 더 포함하여 구성된다.

상기 방전에 사용되는 어느 하나의 배터리 브릿지(100)의 상단 스위치(S1)에 PWM 신호를 인가하거나, 상기 충전에 사용되는 어느 하나의 배터리 브릿지(100)의 하단 스위치(S2)에 PWN 신호를 인가하여 세팅된 충전 또는 방전전압에 대응하도록 한다.

상기 SOC 추정 알고리즘은 배터리 모듈의 전압을 센싱하여 추정하는 방식 혹은 출력 전류를 센싱하여 추정하는 전류 적산 방식 중 어느 하나이다.

본 발명은 에너지 뱅크 시스템으로서 직렬연결된 배터리 브릿지의 개수를 가변하여 입출력 단자의 변동없이 다양한 입출력 전압의 구성이 가능함 외에도 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 충전시는 SOC가 낮은 배터리 브릿지를 우선 선택하여 직렬연결되도록 하고, 방전시는 SOC가 높은 배터리 브릿지를 우선 선택하여 직렬연결되도록 하여 충방전시 자연스럽게 밸런싱 기능을 수행할 수 있어, 부가적인 밸런싱 회로 또는 장치를 추가할 필요가 없어 경제성을 확보한다.

둘째, 본 발명은 충방전시 자연스럽게 저장되는 무효전력을 SOC가 낮은 배터리 모듈에 저장되도록 하여 단기적으로 SOC의 밸런싱을 맞추는 것 외에 상기 배터리 모듈의 내부저항에 의한 발열에 의해 배터리 내부 온도를 제어할 수 있다.

세째 본 발명은 에너지 뱅크 시스템으로서 노후화되거나 고장난 모듈을 작동중에도 교체할 수 있는 편의성을 제공한다.

넷째, 본 발명은 스위칭 신호로서 단순히 on/off 신호 외에도 PWM 신호를 인가하도록 하여 사용자가 원하는 충방전 전압에 정확하게 대응할 수 있다.

다섯째, 본 발명은 배터리 군을 개별로 분리하는 구조로 설계함에 따라 배터리의 개방전압 계측에 의해 SOC 추정이 용이하게 할 수 있으며, 이로 인하여 직렬로 연결된 배터리 군의 SOC 밸런싱 제어가 가능하게 하는 스위칭 알고리즘 구현이 가능하다.

도 1은 본 발명인 에너지 뱅크 시스템의 스키매틱 회로구성을 간략하게 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명인 에너지 뱅크 시스템를 구성하는 상단 스위치와 하단 스위치를 마그네틱 스위치와 토템폴 스위치로 사용할 수 있음을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명인 에너지 뱅크 시스템에서 SOC 높고 낮은 배터리 모듈이 혼재 되어 있을 때 방전시의 에너지 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명인 에너지 뱅크 시스템에서 SOC 높고 낮은 배터리 모듈이 혼재 되어 있을 때 충전시의 에너지 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명인 에너지 뱅크 시스템의 충방전 과정에서 캐패시터에 저장된 무효전력이 어떻게 배터리 모듈의 단주기 밸런싱을 하고 배터리 내부온도 제어를 하는지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명인 에너지 뱅크 시스템의 충방전 과정에서 배터리 브릿지 혹은 배터리 모듈 핫스왑이 가능함을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 기존의 일반적인 ESS시스템의 배터리 모듈 및 보호소자 구성을 개략적인 나타낸 도면이다.
도 8 및 9는 본 발명인 에너지 뱅크 시스템의 출력전압식과 그래프를 나타낸 도면이다.

먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라 질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "에너지 뱅크 시스템"을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

부호의 설명에서 100_1.......N표시는 구성요소인 동일한 배터리 브릿지가 복수개(N개) 존재함을 의미하는 것이고, 100₂와 같이 표기하였다면 N개의 배터리 브릿지중에서 특정한(즉 2번째) 배터리 브릿지를 나타내는 것이고, 만약 단순히 부호를 100으로 표기하였다면 이는 여러개의 배터리 브릿지 중에서 특정한 브릿지를 나타내는 것이 아니라 여러개의 배터리 브릿지 중에서 어느 하나의 배터리 브릿지를 나타내는 것으로서, 이는 타구성요소인 배터리 모듈, 상단 스위치, 하단 스위치, 토템폴 스위치의 부효 표기에서도 마찬가지로 적용된다.

도 1은 본 발명인 에너지 뱅크 시스템의 스키매틱 회로구성을 간략하게 나타낸 개념도이고, 도 2는 본 발명인 에너지 뱅크 시스템를 구성하는 상단 스위치와 하단 스위치를 마그네틱 스위치와 토템폴 스위치로 사용할 수 있음을 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명인 에너지 뱅크 시스템에서 SOC 높고 낮은 배터리 모듈이 혼재 되어 있을 때 방전시의 에너지 흐름을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명인 에너지 뱅크 시스템에서 SOC 높고 낮은 배터리 모듈이 혼재 되어 있을 때 충전시의 에너지 흐름을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명인 에너지 뱅크 시스템의 충방전 과정에서 캐패시터에 저장된 무효전력이 어떻게 배터리 모듈의 단주기 밸런싱을 하고 배터리 내부온도 제어를 하는지를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명인 에너지 뱅크 시스템의 충방전 과정에서 배터리 브릿지 혹은 배터리 모듈 핫스왑이 가능함을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 8 및 9는 본 발명인 에너지 뱅크 시스템의 출력전압식과 그래프를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면 상기 배터리 브릿지(100)는 배터리 모듈(Bat)과 도통방향이 배터리 양극에서 음극방향으로 배치되되 상기 배터리 모듈(Bat)의 양극과 음극 사이에 직렬로 순서대로 연결된 상단 스위치(S1)와 하단 스위치(S2)로 구성된다.

상기 반도체 스위치는 예를들면 FET, IGBT가 이에 해당한다.

상기 배터리 브릿지와 상단스위치, 하단스위치의 연결은 하브 브릿지 형태로 배열된 스위치가 배터리 모듈과 결합된 토폴로지 형식이다.

상기 LC 필터는 안정적인 전압으로 출력이 되게 하는 기능등을 갖는다.

충전 또는 방전 전압 세팅부는 현재 배터리 모듈이 특정 개수로 직렬연결된 경우 그 한계전압값까지 세팅가능한 것으로서, 사용자가 전압값을 세팅할 수 있는 것이면, 버튼식, 가변저항 혹은 포텐셔미터를 이용한 회전식 등 어느 것이든 무방하다.

사용자에 의해 정해진 충전 또는 방전 전압값은 MCU에 입력되고, 배터리 브릿지 개수가 MCU에 임베딩된 알고리즘에 의해 정해지고, 그 개수에 포함되는 배터리 브릿지는 충전의 경우는 SOC가 낮은 배터리 브릿지를 우선하고, 방전의 경우는 SOC가 높은 배터리 브릿지를 우선하여 선정하여 각각의 배터리 브릿지의 상단 스위치 또는 하단 스위치에 도통신호를 주게 되는 것이다.

상기 스위칭 신호부의 도통신호는 단순히 도통시키기 위한 On 신호일 수 있으며, 경우에 따라서는 PWM 신호가 될 수 있음은 물론이다.

도 3을 참조하면 사용자에 의해 방전전압이 세팅되면,

방전에 사용되는 배터리 브릿지(100)의 개수는 상기 방전전압에 대응하여 정해지되, 상기 SOC 추정 알고리즘(미도시)에 의해 상대적으로 높은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리 모듈(Bat)을 포함하는 배터리 브릿지(100)를 우선적으로 사용하되, 상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 방전에 사용되는 배터리 브릿지(100)의 상단스위치(S1)를 도통시켜 방전하는데, 이 때 하단스위치(S2)는 오프상태를 유지(도통 안됨)하고, 또한 방전에 선택되지 않은 배터리 모듈을 포함한 배터리 브릿지의 상단 스위치와 하단 스위치도 오프 상태를 유지하는데, 다만 스위칭 신호와 관계없이 다이오드 양단에 도통 방향으로 + - 전압(문턱전압 이상이어야 함)이 걸리면 도통되는 다이오드 특성상 방전에 선택되지 않은 배터리 모듈을 포함한 배터리 브릿지의 하단 스위치에 포함된 프리휠링 다이오드를 통해 도통되어 뱅크시스템이 방전된다.

도 4를 참조하면 사용자에 의해 충전전압이 세팅되면,

충전에 사용되는 배터리 브릿지(100)의 개수는 상기 충전전압에 대응하여 정해지되, 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 낮은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리 모듈(Bat)을 포함하는 배터리 브릿지(100)를 우선적으로 사용하되, 상기 MCU(미도시)의 스위칭 신호부(미도시)의 도통신호에 의해 충전에 사용되지 않는 배터리 브릿지(100)의 하단스위치(S2)를 도통시켜 충전하고, 이때 상단스위치(S1)는 오프상태(도통 안됨)를 유지하고, 충전에 사용되는 배터리 모듈을 포함한 배터리 브릿지의 상단 스위치와 하단 스위치도 오프 상태를 유지하는데, 다만 스위칭 신호와 관계없이 다이오드 양단에 도통 방향으로 + - 전압(문턱전압 이상이어야 함)이 걸리면 도통되는 다이오드 특성상 충전에 선택되어 사용되는 배터리 모듈을 포함한 배터리 브릿지의 상단 스위치에 포함된 프리휠링 다이오드를 통해 도통되어 뱅크 시스템이 충전된다.

도 8 및 9를 참조하면 충방전을 함에 있어서, On/Off 신호를 주는 경우와 어느 하나의 배터리 브릿지의 해당 스위치에 PWM 신호를 주는 경우에 있어서 출력전압 내지 방전전압이 설정되는 것을 수식과 그래프로 나타내고 있다.

도 8을 참조하면 배터리 모듈이 N개가 직렬회로로 구성되는 경우 스위칭 상태에 따른 출력전압은 아래식으로 정해진다.

특히 배터리 브릿지에 PWM 신호를 인가하는 경우 사용자가 설정한 충방전 전압에 정교하게 대응할 수 있는 장점이 있게 되는데, 도 9의 수식과 그래프가 이를 나타내고 있다.

배터리 모듈의 12개로 구성되어 있고, 각각의 전압이 아래의 표 1과 같이 구성되어 있고, 사용자가 출력전압을 12V로 하여 방전하고자 가정한다.

배터리모듈	현재 센싱되는 오픈 전압	비고
Bat₁	3.56
Bat₂	3.54
Bat₃	3.51
Bat₄	3.48
Bat₅	3.57	SOC 가장 큰 것으로 추정
Bat₆	3.55
Bat₇	3.54
Bat₈	3.53
Bat₉	3.51
Bat₁₀	3.45	SOC 가장 작은 것으로 추정
Bat₁₁	3.54
Bat₁₂	3.56

이 때 배터리 개수와 특정의 배터리 모듈을 선정하는 알고리즘은 오픈 전압이 가장 큰 배터리 모듈부터 순서대로 4개를 선정하게 되는데, 즉 Bat₅, Bat₁, Bat₁₂, Bat₆를 선정하게 된다.

이 경우 방전에 사용되는 배터리 브릿지의 상단스위치(S1)를 도통시켜 방전하게 되는바, 이때 상단스위치를 도통시키는 스위칭 신호가 단순히 On 신호일때에는 14.24 V로 방전하게 되고, Bat₆를 포함하는 배터리 브릿지외에 다른 배터리 브릿지에는 On 신호를 주고, Bat₆를 포함하는 배터리 브릿지에는 듀티비 가변에 따른 PWM 신호를 줄 경우 정확하게 12V로 방전하게 할 수 있는 것이다.

이러한 장점은 어떠한 충방전원이 있다 하더라도 전체 배터리 모듈의 개수에 따른 전압내에 있는 한, 자유롭게 배터리 모듈의 개수를 선택하여 충전 또는 방전할 수 있게 되는데, 특히 충전의 경우 태양광이나 풍력등의 전력원으로부터 충전할 수 있게 되고, 더불어 MCU에 MPPT 알고리즘이 임베딩되어 있다면 태양광으로부터 최대전력을 추종하여 충전할 수 있는 효과가 있다.

더불어 본 토폴로지에 정류회로를 추가하여 AC 상용전원으로 충전할 수 있음은 물론이다.

본 발명은 또한 SOC 판별과 관련하여 방전시 SOC가 높은 배터리 모듈을 포함한 배터리 브릿지를 우선 선택하게 되는데, 방전이 진행됨에 따라 SOC가 낮아지게 되면 상대적으로 SOC가 높은 배터리 모듈을 포함한 배터리 브릿지로 순차적으로 교체하여 방전하게 됨에 따라 배터리 모듈의 밸런싱을 맞출 수 있다.

충전시에는 SOC가 낮은 배터리 모듈을 포함한 배터리 브릿지를 우선 선택하게 되는데, 충전이 진행됨에 따라 다른 배터리 모듈보다 SOC가 높아지게 되면 상대적으로 SOC가 낮은 배터리 모듈을 포함한 배터리 브릿지로 순차적으로 교체하여 충전하게 됨에 따라 배터리 모듈의 밸런싱을 맞출 수 있다.

즉 따로 배터리 밸런싱을 위한 회로와 장치를 부가할 필요없이 에너지 뱅크 시스템의 토폴로지와 제어 알고리즘에 따라 자연스럽게 배터리간 밸런스를 갖출 수 있게 되는 것이다.

도 2를 참조하면 상기 상단 스위치(S1)와 하단 스위치(S2)는 인터락된 마그네틱 스위치 2개 또는 토템 폴 방식의 스위치(S)로 대체하여 사용할 수 있다.

이 때 마그네틱 스위치의 사용에 있어서는 프리휠링 다이오드가 있는 반도체 스위치와 달리 도통 방향과는 관계없이 어느 방향으로든 도통시키기 위해서는 On 신호를 인가해야 함은 물론이다.

도 5를 참조하면 충·방전이 종료된 후 캐패시터에 저장된 무효전력으로 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 낮은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리 모듈을 충전하면서 내부온도를 제어하기 위해,

상기 내부 온도 제어와 관련하여 설명하자면, 배터리 모듈에는 내부 임피던스 성분이 있으므로 배터리에 전류를 흘리게 되면 임피던스 크기에 대응하는 발열현상이 있는데, 이를 배터리 모듈의 내부 온도 제어로 활용하겠다는 것이다.

또한 SOC가 낮은 배터리에 전류를 흘리게 됨에 따라 단기적으로 SOC의 밸런싱을 맞출 수 있게 되는 효과가 있다.

도 6을 참조하면 상기 배터리 모듈(Bat) 단독으로 착탈 가능하거나,

즉 SOC, 특히 SOH가 악화된 것으로 판별이 된 배터리 모듈이 있으면 에너지 뱅크 시스템의 충방전 작동 여부와 관계없이 해당 배터리 모듈 혹은 배터리 모듈을 포함한 구성을 간편하게 떼어내어 새로운 것으로 교체할 수 있게 되는바, 유지보수가 매우 용이하게 된다.

이러한 HOT SWAP 기능이 가능한 것은 본 발명이 제안한 배터리 모듈을 포함한 배터리 브릿지의 연결방식과 배터리 브릿지 내부의 배터리 모듈과 두개의 스위치가 하프 브릿지 방식으로 연결된 방식에 기인한 것인바, 발명 전체의 구성이 유기성을 가짐에 따라 달성된 효과이다.

상기 방전에 사용되는 어느 하나의 배터리 브릿지(100)의 상단 스위치(S1)에 PWM 신호를 인가하거나, 상기 충전에 사용되지 않는 어느 하나의 배터리 브릿지(100)의 하단 스위치(S2)에 PWM 신호를 인가하여 세팅된 충전 또는 방전전압에 대응하도록 하는데, 상기 충전에 사용되지 않는 어느 하나의 배터리 브릿지(100)라 함은 충전시에 충전되지 않는 배터리 모듈을 포함한 배터리 브릿지(100)를 의미한다.

이중에서 전압 센싱방식은 배터리 브릿지마다 개별적으로 상단 스위치에 도통 신호를 줄수 있으므로 직렬 연결된 배터리 브릿지에서 배터리 모듈의 Open Voltage를 용이하게 측정할 수 있게 되는바, 보다 효율적으로 SOC를 판별할 수 있을 것이라 예상된다.

넷째, 본 발명은 스위칭 신호로서 단순히 on/off 신호 외에도 PWM 신호를 인가하도록 하여 사용자가 원하는 충방전 전압에 정확하게 대응할 수 있으므로 대용량 ESS 시스템은 물론 이동용 배터리 충방전 장치로 활용될 수 있다.

EBS : 에너지 뱅크 시스템 100_1......N: 배터리 브릿지
Bat_1.....N : 배터리 모듈 S1_1......N: 상단 스위치
S2_1.......N: 하단 스위치 S_1........N: 토템폴 스위치
200 : 인덕터 300 : 캐패시터
400 : 제어부 C/D : 충전원 또는 방전원

Claims

복수개의 배터리 브릿지; 인덕터와 캐패시터로 구성된 LC 필터; 및 제어부; 로 구성되되,
상기 배터리 브릿지는 배터리 모듈과 도통방향이 배터리 양극에서 음극방향으로 배치되되 상기 배터리 모듈의 양극과 음극 사이에 직렬로 순서대로 연결된 상단 스위치와 하단 스위치로 구성되며,
상기 상단 스위치와 하단 스위치는 프리휠링 다이오드를 포함한 반도체 스위치를 사용하며,
상기 배터리 브릿지는 하단의 배터리 브릿지의 상단 스위치와 하단 스위치의 접점이 상단의 배터리 브릿지의 하단 스위치와 배터리 음극의 접점에 연결되는 방식으로 복수개가 직렬로 연결 배치되며,
상기 LC 필터는 최상단 배터리 브릿지의 상단 스위치와 하단 스위치의 접점과 최하단 배터리 브릿지의 배터리 모듈의 음극과 하단스위치의 접점 사이에 인덕터와 캐패시터가 순서대로 연결되어 구성되며,
상기 제어부는 사용자가 정하는 충전 또는 방전 전압 세팅부, 센서부, 상기 센서부에 의해 각 배터리 모듈의 SOC를 추정하는 SOC 추정 알고리즘과 충방전시 사용자에 의해 세팅되는 충전 또는 방전 전압에 따라 연결되는 배터리 브릿지 개수를 정하는 알고리즘이 임베딩되어 있는 MCU 및 상기 상단 스위치와 하단 스위치에 도통신호를 주는 스위칭 신호부로 구성되되, 사용자에 의해 방전전압이 세팅되면, 방전에 사용되는 배터리 브릿지의 개수는 상기 방전전압에 대응하여 정해지고, 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 높은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리 모듈을 포함하는 배터리 브릿지를 우선적으로 사용하되, 상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 방전에 사용되는 배터리 브릿지의 상단스위치를 도통시켜 방전하며,
상기 방전에 사용되는 어느 하나의 배터리 브릿지의 상단 스위치에 PWM 신호를 인가하여 세팅된 방전전압에 선형적으로 정전압 제어하여 대응할 수 있으며,
충·방전이 종료된 후 캐패시터에 저장된 무효전력으로 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 낮은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리 모듈을 충전하면서 내부온도를 제어하기 위해, 충전할 배터리 모듈을 포함하지 않는 나머지 배터리 브릿지의 하단스위치를 상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 도통시키며,
상기 배터리 모듈 단독으로 착탈 가능하거나, 상기 배터리 모듈과 상단스위치가 하나의 모듈을 구성하여 착탈 가능한 에너지 뱅크 시스템.
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청구항 1에 있어서,
사용자에 의해 충전전압이 세팅되면,
충전에 사용되는 배터리 브릿지의 개수는 상기 충전전압에 대응하여 정해지되, 상기 SOC 추정 알고리즘에 의해 상대적으로 낮은 SOC를 갖는 것으로 추정되는 배터리 모듈을 포함하는 배터리 브릿지를 우선적으로 사용하며,
상기 MCU의 스위칭 신호부의 도통신호에 의해 충전에 사용되지 않는 배터리 브릿지의 하단스위치를 도통시켜 충전하는 에너지 뱅크 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 상단 스위치와 하단 스위치는 인터락된 마그네틱 스위치 2개 또는 토템 폴 방식의 스위치로 대체하여 사용할 수 있는 에너지 뱅크 시스템.
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청구항 1에 있어서,
세팅된 충방전 전압값, 각 배터리 모듈의 SOC 데이터 및 충방전 상태를 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 에너지 뱅크 시스템.
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청구항 1에 있어서,
상기 SOC 추정 알고리즘은 배터리 모듈의 전압을 센싱하여 추정하는 방식 혹은 출력 전류를 센싱하여 추정하는 전류 적산 방식 중 어느 하나인 에너지 뱅크 시스템.