KR101969519B1 - 배터리 시스템 및 패시브 밸런싱 방법 - Google Patents

배터리 시스템 및 패시브 밸런싱 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 시스템 및 패시브 밸런싱 방법이 제공된다. 이 배터리 시스템은 복수의 배터리 스택이 전기적인 결선을 통하여 직렬 연결된 복수의 배터리부, 그리고 상기 복수의 배터리부로부터 공급되는 각각의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 그리드로 출력하고, 상기 그리드로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 복수의 배터리부로 각각 출력하는 직류-교류 인버터를 포함하고, 상기 복수의 배터리부는, 물리적으로 접촉된 복수개의 배터리 스택들 중에서 전해액을 공유하지 않는 일부 배터리 스택들이 전기적으로 연결된다.

Description

배터리 시스템 및 패시브 밸런싱 방법{BATTERY SYSTEM AND PASSIVE BALANCING METHOD}
본 발명은 배터리 시스템 및 패시브 밸런싱 방법에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)을 위한 다양한 배터리들이 연구되고 있다. 리튬이온전지(Lithium ion Battery, LiB)가 상업화에 근접하였으나, 아직 안정성 및 수명 측면에서 완벽한 검증을 이루어 내지 못하였다. 그래서 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery, RFB) 등의 다른 타입의 배터리가 개발이 활발하게 진행 중에 있다.
레독스 흐름 전지(RFB)는 레독스 커플(Redox couple)의 화학반응을 이용한 것으로서, 활성물질인 두 종류의 레독스 커플 용액이 양극과 음극에서 반응한다. 이때, 레독스 커플 용액을 전지셀의 외부에서 공급하여 충방전한다. 레독스 커플로는 Fe/Cr, V/Br, Zn/Br, Zn/Ce, V/V등이 사용된다.
이중에서 Zn/Br 레독스 흐름 전지는 스택(Stack)내 화학 반응을 기반으로 한 전지로서, 출력 및 용량 자율도, 가격 등의 장점을 가진다. 하지만, 스택내 불균형한 전해액의 흐름과 직렬 연결의 문제로 스택의 방전시 전압이 동일하게 방전되지 않는 경우가 발생한다.
레독스 흐름 전지는 여러 장의 단위 셀을 적층하여 스택화 할 수 있는 장점을 가지고 있지만, 레독스 흐름 전지는 높은 이온전도도를 갖는 전해액을 사용함에 따라 플로우 프레임(flow frame)의 유로를 통해 전해액에 의한 전기적 통로 형성으로 인해 션트 전류(shunt current)가 무조건적으로 발생한다.
레독스 흐름 전지는 비상용 전원 장치로 주로 사용되므로, 충전된 상태로 놓여 있다가 비상 상황시 작동되기 때문에, 대기시간이 길어질 수 있다. 이와 같이, 충전된 레독스 흐름 전지의 대기시간이 길어지면 션트 전류가 발생하게 된다.
셀을 직렬로 적층하여 스택 모듈(cell stack)을 구성한다. 스택 모듈은 다수의 전지 셀이 전기적으로 직렬로 연결되며, 전해액을 병렬로 공유하는 구조를 가진다. 전해액 공유 경로를 통해서 전지 셀 간에 흐르는 전류를 션트(shunt) 전류라 한다. 션트 전류는 스택 내부 또는 스택 사이에서 발생하고 스택의 자가 방전을 일으킨다. 자가 방전에 의해서 레독스 흐름 전지가 작동하지 않는 대기 상태에서도 스택 내에 저장된 에너지를 감소시킨다. 션트 전류가 전해질 순환 경로를 통해 직렬로 연결된 하나의 셀로부터 다른 하나의 셀로 흐를 수 있어서, 에너지 손실 및 셀의 개별적인 충전 상태에서의 불균형을 유발할 수 있다.
이와 같이, 스택내 불균형한 전해액의 흐름과 직렬 연결의 문제로 스택의 방전시 전압이 동일하게 방전되지 않는 경우가 발생한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배터리 스택 내 션트 전류 발생을 최소화할 수 있는 배터리 스트링 구조를 제공하고, 패시브 밸런싱 회로를 통하여 배터리 스택들간의 불균형 발생을 최소화하는 배터리 시스템 및 패시브 밸런싱 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 배터리 시스템은 복수개의 배터리 스택이 전기적인 결선을 통하여 직렬 연결된 복수의 배터리부, 그리고 상기 복수의 배터리부로부터 공급되는 각각의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 그리드로 출력하고, 상기 그리드로부터 공급되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 복수의 배터리부로 각각 출력하는 직류-교류 인버터를 포함하고, 상기 복수의 배터리부는, 물리적으로 접촉된 복수개의 배터리 스택들 중에서 전해액을 공유하지 않는 일부 배터리 스택들이 전기적으로 연결된다.
상기 복수의 배터리부는, 상기 전해액을 공유하지 않는 배터리 스택들이 전기적으로 연결되고, 연속해서 연결된 두개 이상의 배터리 스택이 하나의 배터리 스택 라인을 이루는 배터리 스트링, 복수의 배터리 스택 라인 별로 각각 설치되는 패시브 저항 및 개폐 스위치를 포함하는 패시브 밸런싱 회로, 그리고 상기 패시브 밸런싱 회로의 개폐 스위치의 온 또는 오프를 제어하는 모듈 밸런싱부를 포함하고, 상기 모듈 밸런싱부는, 복수의 배터리 스택 라인 별로 각각의 배터리 스택 라인 전압을 측정하고, 상기 각각의 배터리 스택 라인 전압에 따라 상기 개폐 스위치를 선택적으로 온 또는 오프시킬 수 있다.
상기 모듈 밸런싱부는, 상기 복수의 배터리 스택 라인 중에서 배터리 스택 라인 전압이 기 설정된 최대 배터리 스택 라인 전압 이상인 배터리 스택 라인의 개폐 스위치를 온시킬 수 있다.
상기 모듈 밸런싱부는, 상기 복수의 배터리 스택 라인 중에서 최대 배터리 스택 라인 전압과 최소 배터리 스택 라인 전압의 차이가 임계 조건을 충족하는지 판단하고, 상기 임계 조건을 충족하면, 최대 배터리 스택 라인 전압을 가진 배터리 스택 라인의 개폐 스위치를 온시키고, 상기 임계 조건을 충족하지 않으면, 모든 배터리 스택 라인의 개폐 스위치를 오프시킬 수 있다.
상기 모듈 밸런싱부는, 충전상태(SOC :State of Charge)가 기 정해진 임계 조건을 충족하면, 패시브(Passive) 방식의 배터리 스택간 또는 배터리 스트링간 밸런싱 구동을 시작하고, 상기 밸런싱 구동이 시작되면, 상기 복수의 배터리 스택 라인 별로 측정된 각각의 배터리 스택 라인 전압을 비교한 결과에 따라 각각의 개폐 스위치의 온 또는 오프를 결정시킬 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 패시브 밸런싱 방법은 배터리 시스템의 패시브 밸런싱(Passive Balancing) 방법으로서, 두개의 배터리 스택을 연결하는 전선에 각각 패시브 저항 및 개폐 스위치가 설치된 복수개의 배터리 스택 라인 별로 각각의 배터리 스택 라인 전압을 측정하는 단계, 상기 각각의 배터리 스택 라인 전압 중에서 최대 배터리 스택 라인 전압과 최소 배터리 스택 라인 전압의 차이가 임계치 이상이면, 상기 최대 배터리 스택 라인 전압을 가진 배터리 스택 라인의 개폐 스위치를 온시켜 배터리 스택 라인의 전압을 패시브 저항을 통해 방전시키는 단계, 그리고 상기 전압의 차이가 임계치 미만이면, 모든 배터리 스택 라인의 개폐 스위치를 오프시키는 단계를 포함한다.
상기 방전시키는 단계 이전에, 상기 각각의 배터리 스택 라인 전압 중에서 기 설정된 최대 배터리 스택 라인 전압 이상인 배터리 스택 라인의 개폐 스위치를 온시켜 배터리 스택 라인의 전압을 패시브 저항을 통해 방전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 측정하는 단계 이전에, 배터리 스택의 충전상태(SOC :State of Charge)가 기 설정된 임계값 이상인지 판단하는 단계를 더 포함하고, 상기 측정하는 단계는, 상기 충전상태(SOC :State of Charge)가 상기 임계값 이상인 경우, 각각의 배터리 스택 라인 전압을 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 물리적으로 접촉된 배터리 모듈 내 배터리 스택들 중에서도 전해액을 공유하지 않는 일부 배터리 스택들을 직렬로 결선함으로써, 션트 전류(shunt current) 발생을 최소화시킬 수 있다.
또한, 논 컨버터 타입(Non-converter-type)의 배터리 시스템으로 컨버터가 있는 배터리 시스템보다 높은 에너지 효율을 보인다.
또한, 배터리 스택들간 또는 배터리 스트링간 불균형 문제를 패시브 밸런싱 회로를 통하여 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템의 배터리 모듈 구조를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예와 비교하기 위한 종래의 배터리 시스템의 배터리 스트링 구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템의 배터리 스트링 구조를 나타낸다.
도 4의 (a)는 4개의 배터리 스트링의 충전량 추이를 나타낸 그래프이다.
도 4의 (b)는 4개의 배터리 스트링의 방전량 추이를 나타낸 그래프이다.
도 5의 (a)는 시간(Sampling Time)의 흐름에 따른 각 배터리 스트링의 전류량(Current for each string(#1~#4))을 나타낸 그래프이다.
도 5의 (b)는 배터리 스트링 별로 전류량의 최대값과 최소값의 차이(△A=max-min)를 시간의 흐름에 따라 나타낸 그래프이다.
도 6은 배터리 스트링간 전류 편차값을 나타낸 그래프이다.
도 7의 (a)는 △A=1.19인 경우의 전류 흐름을 나타낸다.
도 7의 (b)는 △A=1.25인 경우의 전류 흐름을 나타낸다.
도 7의 (c)는 △A=1.26인 경우의 전류 흐름을 나타낸다.
도 7의 (d)는 △A=2.2인 경우의 전류 흐름을 나타낸다.
도 8은 임의의 배터리 스트링 내 배터리 스택들의 전압을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 패시브 밸런싱 회로를 도시한다.
도 10은 도 9의 패시브 밸런싱 회로를 실제 구현한 예시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템의 에너지 효율을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 충전 곡선 특성을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 패시브 밸런싱 동작 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서에서, 다음과 같이 용어를 정의한다.
하나의 배터리 스택(Battery Stack)은 복수개의 배터리 셀(Battery Cell)이 전기적으로 직렬 연결되거나 또는 병렬 연결되어 있다. 예를들면, 하나의 배터리 스택은 전기적으로 직렬 연결된 60개의 배터리 셀로 구성될 수 있다.
여기서, 복수개의 배터리 스택은 화학흐름전지 스택을 포함할 수 있다. 또한, 레독스흐름전지(redox flow battery) 스택을 포함할 수 있다. 이때, 레독스 흐름 전지의 한 예시로서, 징크-브로민 흐름전지를 포함할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니며, 다양한 레독스 흐름전지가 사용될 수 있음은 당업자에게 선택적인 사항이다.
하나의 배터리 스트링(Battery String)은 복수개의 배터리 스택이 전기적으로 직렬 연결되어 있다. 예를들면, 하나의 배터리 스트링은 전기적으로 직렬 연결된 8개의 배터리 스택으로 구성될 수 있다.
하나의 배터리 모듈(Battery Module)은 복수개의 배터리 스택이 물리적으로 조립된 구조 또는 적층된 구조로 이루어진다. 예를들면, 하나의 배터리 모듈은 복수개의 배터리 스택이 좌우 방향으로 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템의 배터리 모듈 구조를 도시한다.
도 1을 참조하면, 배터리 시스템(100)은 4개의 배터리 모듈(101, 103, 105, 107)을 포함한다. 각각 4개의 배터리 모듈(101, 103, 105, 107)은 전선(109)을 통해 전기적으로 연결되어 있다. 이중에서 임의의 배터리 모듈(101, 107)은 전력 변환 장치(power conversion system, 이하, 'PCS'라 통칭함)와 연결된다.
제1 배터리 모듈(101)은 8개의 배터리 스택, 즉, A-1, B-1, C-1, D-1, B-2, A-2, D-2, C-2로 구성되고, 4개의 배터리 스택이 한 쌍을 이루며, 한 쌍을 이루는 배터리 스택들은 전해액을 공유한다. 배터리 스택들, 즉, A-1, B-1, C-1, D-1이 전해액을 공유하고, 배터리 스택들, 즉, B-2, A-2, D-2, C-2이 전해액을 공유한다.
제2 배터리 모듈(103)은 8개의 배터리 스택, 즉, A-3, B-4, B-3, A-4, C-3, D-4, D-3, C-4로 구성되고, 2개의 배터리 스택이 한 쌍을 이루며, 한 쌍을 이루는 배터리 스택들은 전해액을 공유한다. 2개의 배터리 스택, 즉, A-3, B-4는 서로 전해액을 공유한다. 2개의 배터리 스택, 즉, B-3, A-4는 서로 전해액을 공유한다. 2개의 배터리 스택, 즉, C-3, D-4는 서로 전해액을 공유한다. 2개의 배터리 스택, 즉, D-3, C-4는 서로 전해액을 공유한다.
제3 배터리 모듈(105)은 8개의 배터리 스택, 즉, D-5, C-5, B-5, A-5, C-6, D-6, A-6, B-6으로 구성되고, 4개의 배터리 스택이 한 쌍을 이루며, 한 쌍을 이루는 배터리 스택들은 전해액을 공유한다. 배터리 스택들, 즉, D-5, C-5, B-5, A-5이 전해액을 공유하고, 배터리 스택들, 즉, C-6, D-6, A-6, B-6이 전해액을 공유한다.
제4 배터리 모듈(107)은 8개의 배터리 스택, 즉, A-7, B-7, C-7, D-7, C-8, D-8, A-8, B-8로 구성되고, 4개의 배터리 스택이 한 쌍을 이루며, 한 쌍을 이루는 배터리 스택들은 전해액을 공유한다. 배터리 스택들, 즉, A-7, B-7, C-7, D-7이 전해액을 공유하고, 배터리 스택들, 즉, C-8, D-8, A-8, B-8이 전해액을 공유한다.
이러한 배터리 모듈 구조에서, 전기적으로 연결된 복수개의 배터리 스택이 하나의 배터리 스트링을 구성하며, 도 2 및 도 3은 배터리 시스템의 배터리 스트링 구조를 나타낸다.
이때, 도 2는 본 발명의 실시예와 비교하기 위한 종래의 배터리 시스템의 배터리 스트링 구조를 나타내고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템의 배터리 스트링 구조를 나타낸다.
이때, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 컨버터가 없는 배터리 시스템에 종래의 배터리 스트링 구조만을 채용한 것이다. 즉, 도 2의 모든 구성이 종래 기술에 해당하는 것은 아니며, 배터리 스트링 구조만 종래 기술에 해당된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 배터리 시스템(100)은 복수의 배터리부(113, 115, 117, 119), 복수의 커넥터(121, 123, 125, 127), DC(Direct Current)/AC(Analog Current) 인버터(Inverter)(129)를 포함한다.
DC/AC 인버터(129)는 전력선(131)을 통해 복수의 커넥터(121, 123, 125, 127)및 그리드(133)와 연결된다. DC/AC 인버터(129)는 직류 전원을 공급하는 배터리부(113, 115, 117, 119) 및 교류 전원을 공급하는 그리드(Grid)(또는 계통)(133)를 연계하여 배터리부(113, 115, 117, 119)의 충전 및 방전을 수행한다.
DC/AC 인버터(129)는 배터리부(113, 115, 117, 119)로부터 출력되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 그리드(133)로 출력함으로써, 배터리부(113, 115, 117, 119)의 방전을 수행한다.
DC/AC 인버터(129)는 그리드(133)로부터 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여, 배터리부(113, 115, 117, 119)로 출력함으로써, 배터리부(113, 115, 117, 119)의 충전을 수행한다.
배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하, 'BMS'라 통칭함)(135)은 배터리부(113, 115, 117, 119)의 동작을 관리 및 제어한다. BMS(135)는 전력 공급 제어, 전류, 전압 등의 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge) 추정, SOH(State Of Health) 추정 등을 수행한다.
복수의 배터리부(113, 115, 117, 119)는 각각의 커넥터(121, 123, 125, 127)를 통해 DC/AC 인버터(129)에 연결된다.
이때, 복수의 배터리부(113, 115, 117, 119)는 각각 복수개의 배터리 스택으로 이루어진 배터리 스트링(A, B, C, D)과 복수개의 배터리 스택 간 전압을 제어하는 모듈 밸런싱부들(113-1, 115-1, 117-1, 119-1)을 포함한다.
모듈 밸런싱부(103)는 복수개의 배터리 스택 간 전압을 밸런싱한다. 모듈 밸런싱부(103)는 배터리 전압 차가 발생하면, 패시브(Passive) 방식으로 배터리 전압을 균등하게 제어한다.
도 2를 참조하면, 배터리 스트링(A, B, C, D)은 도 1의 각 배터리 모듈(101, 103, 105, 107) 내 배터리 스택들로 구성된다. 배터리 스트링 A는 도 1의 배터리 모듈(101)에 포함되는 배터리 스택들(A-1, B-1, C-1, D-1, A-2, B-2, C-2, D-2)이 전기적으로 연결된다. 배터리 스트링 B는 도 1의 배터리 모듈(103)에 포함되는 배터리 스택들(A-3, B-3, C-3, D-3, A-4, B-4, C-4, D-4)이 전기적으로 연결된다. 배터리 스트링 C는 도 1의 배터리 모듈(105)에 포함되는 배터리 스택들(A-5, B-5, C-5, D-5, A-6, B-6, C-6, D-6)이 전기적으로 연결된다. 배터리 스트링 D는 도 1의 배터리 모듈(107)에 포함되는 배터리 스택들(A-7, B-7, C-7, D-7, A-8, B-8, C-8, D-8)이 전기적으로 연결된다.
즉, 전해액을 공유하는 배터리 모듈(101, 103, 105, 107) 내 배터리 스택들이 전기적으로 연결되어 있다. 매니폴드(Manifold), 채널(channel), 파이프(pipe) 등과 같이 전해액이 지나는 경로가 맞물려있는 배터리 스택들을 전기적으로 결선함으로써, 션트 전류(shunt current)로 인한 손실(loss)이 크다.
이처럼, 배터리 모듈 내의 8개의 배터리 스택을 직렬로 전기적 결선하던 종래와 달리, 본 발명의 실시예에서는 도 3과 같이, 션트 전류로 인한 영향을 최소화할 수 있도록 배터리 스트링 구조를 제안하였다.
도 3을 참조하면, 배터리 스트링(A, B, C, D)은 도 1의 각 배터리 모듈(101, 103, 105, 107) 내 배터리 스택들 중에서 2개씩 선택한 배터리 스택들로 하나의 배터리 스트링을 구성한다.
배터리 스트링 A는 도 1의 배터리 모듈(101)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(A-1, A-2), 도 1의 배터리 모듈(103)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(A-3, A-4), 도 1의 배터리 모듈(105)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(A-5, A-6), 도 1의 배터리 모듈(107)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(A-7, A-8)이 전기적으로 직렬 연결된다. 이때, 각각의 배터리 모듈(101, 103, 105, 107)에서 선택된 배터리 스택들(A-1, A-2, A-3, A-4, A-5, A-6, A-7, A-8)은 물리적으로 접촉되어 있지 않다.
배터리 스트링 B는 도 1의 배터리 모듈(101)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(B-1, B-2), 도 1의 배터리 모듈(103)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(B-3, B-4), 도 1의 배터리 모듈(105)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(B-5, B-6), 도 1의 배터리 모듈(107)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(B-7, B-8)이 전기적으로 직렬 연결된다. 이때, 각각의 배터리 모듈(101, 103, 105, 107)에서 선택된 배터리 스택들(B-1, B-2, B-3, B-4, B-5, B-6, B-7, B-8)은 물리적으로 접촉되어 있지 않다.
배터리 스트링 C는 도 1의 배터리 모듈(101)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(C-1, C-2), 도 1의 배터리 모듈(103)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(C-3, C-4), 도 1의 배터리 모듈(105)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(C-5, C-6), 도 1의 배터리 모듈(107)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(C-7, C-8)이 전기적으로 직렬 연결된다. 이때, 각각의 배터리 모듈(101, 103, 105, 107)에서 선택된 배터리 스택들(C-1, C-2, C-3, C-4, C-5, C-6, C-7, C-8)은 물리적으로 접촉되어 있지 않다.
배터리 스트링 D는 도 1의 배터리 모듈(101)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(D-1, D-2), 도 1의 배터리 모듈(103)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(D-3, D-4), 도 1의 배터리 모듈(105)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(D-5, D-6), 도 1의 배터리 모듈(107)에 포함되는 배터리 스택들 중에서 2개의 배터리 스택(D-7, D-8)이 전기적으로 직렬 연결된다. 이때, 각각의 배터리 모듈(101, 103, 105, 107)에서 선택된 배터리 스택들(D-1, D-2, D-3, D-4, D-5, D-6, D-7, A-8)은 물리적으로 접촉되어 있지 않다.
이처럼, 각 배터리 모듈(101, 103, 105, 107)에서 선택되는 2개의 배터리 스택은 매니폴드에서 발생하는 션트 전류의 발생을 최소화하기 위하여 물리적으로 접촉되지 않는 배터리 스택이 선택된다. 즉, 같은 배터리 스트링의 배터리 스택이 같은 라인 또는 물리적으로 접촉되지 않도록 구성하여, 전기적인 직렬 연결시 전해액으로 병렬분산되는 전류 흐름 패스를 최대한 발생시키지 않는 구조로 결선한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 전해액을 공유하지 않는 서로 다른 배터리 모듈 내 배터리 스택들을 전기적으로 결선함으로써, 션트 전류로 인한 손실을 최소화할 수 있다.
한편, 도 3과 같은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템(100)은 컨버터(Converter)가 없다. 따라서, 전해액을 공유하지 않는 모듈끼리의 전기적 결선으로 션트 전류 손실을 최소화하여 시스템 효율이 향상함에도 불구하고, 종래의 컨버터 타입의 배터리 시스템과 비교할때 각 배터리 스트링들 간의 뷸균형, 각 배터리 스트링 내부에서 발생하는 배터리 스택들 간의 불균형 문제가 있다.
도 3과 같은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 스트링들에 대하여, 실험한 결과를 나타내면 다음과 같다.
도 4의 (a)는 4개의 배터리 스트링의 충전량 추이를 나타낸 그래프이고, 도 4의 (b)는 4개의 배터리 스트링의 방전량 추이를 나타낸 그래프이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 14 cycle에서 배터리 스트링 간 충전량을 비교한 결과, 12 cycle에서 특정 배터리 스트링의 충전량이 많았다. 이는 배터리 스트링 별로 밸런싱 제어가 필요한 순간이 있음을 의미한다.
도 4의 (b)를 참조하면, 14 cycle에서 배터리 스트링 간 방전량을 비교한 결과, 9 cycle, 10 cycle에서 특정 배터리 스트링의 방전량의 변화가 큼을 알 수 있다. 방전량이 다른 배터리 스트링들보다 큰 값을 가져, 배터리 스트링의 밸런싱 제어가 필요함을 알 수 있다.
이처럼, 도 4의 (a), (b)에 보인 바와 같이, 배터리 스트링들 간에 충방전량의 불균형이 발생하였다.
보다 충분한 현상 분석을 위해 도 5와 같이 4개의 배터리 스트링중 최대(Max)/최소(Min)값을 정리하여 전류 편차의 크기, 발생 시점 등을 파악하여 원인을 분석해보았다.
도 5의 (a)는 시간(Sampling Time)의 흐름에 따른 각 배터리 스트링의 전류량(Current for each string(#1~#4))을 나타낸 그래프이다. 도 5의 (b)는 배터리 스트링 별로 전류량의 최대값과 최소값의 차이(△A=max-min)를 시간의 흐름에 따라 나타낸 그래프이다. 여기서, △A가 배터리 스트링 간의 균형(balance) 기준이 된다. 도 5의 (a), (b)에 따르면, 각 배터리 스트링의 전류 편차가 발생함을 알 수 있다.
이때, 도 5의 (b)에 따르면, 충방전 중 전류 편차가 크게 발생함을 알 수 있다. 초기 충전시 전류편차가 크게 발생하였던 일자들의 배터리 스트링 별 전류 흐름을 분석해 보았다. 또한, 방전 후반부가 아닌 초중반 전류편차가 크게 발생하는 현상도 관측되어 상관 관계를 분석해보았다.
도 6은 배터리 스트링간 전류 편차값을 나타낸 그래프로서, 이 중에서 충전 초기 5분(291초)간 전류 편차 흐름을 살펴보면, △A(=max-min)는 1.19, 1.25, 1.26, 2.2로 나타났다. 이러한 전류 편차 발생시 배터리 스트링 별로 충방전 전류 특이사항을 분석한 결과가 도 7과 같다. 도 7은 11 Cycle 에서 모든 배터리 스트링의 전류 흐름(Current for all string)을 나타낸다.
도 7의 (a)는 △A=1.19인 경우의 전류 흐름을 나타낸다. 도 7의 (b)는 △A=1.25인 경우의 전류 흐름을 나타낸다. 도 7의 (c)는 △A=1.26인 경우의 전류 흐름을 나타낸다. 도 7의 (d)는 △A=2.2인 경우의 전류 흐름을 나타낸다.
도 7의 (a), (b), (c), (d)의 배터리 스트링 별 충방전 전류 특이사항을 표로 나타내면, 다음과 같다.
△A 전류값이 최대인 배터리 스트링 비고(방전중 현상)
1.19 #3 배터리 스트링 #3 배터리 스트링이 먼저 다운
1.25 #3 배터리 스트링 방전 중반부 출력전류 저하
1.26 #4 배터리 스트링 #3 배터리 스트링이 먼저 다운
2.2 #3 배터리 스트링 특이사항 없음
충전 초반부 높은 전류 편차를 보인 배터리 스트링 들은 각각 방전 중에도 출력이 저하(다운)되거나, 전류 흐름이 다른 라인(line)과 다르게 보이는 현상이 발생하였다. 위에 언급한 방전 초중반부 전류 편차 발생도 분석한 사이클에 해당하였다.
또한, 멀티-미터(Multi-meter)로 배터리 스택 전압(Stack voltage)을 측정한 결과, 도 8과 같이 배터리 스택간의 불균형이 발생함을 발견하였다.
도 8은 임의의 배터리 스트링 내 배터리 스택들의 전압을 나타낸다. 이때, 도 8은 도 3의 배터리 스트링 중 임의의 배터리 스트링 내 배터리 스택들의 전압을 측정한 값을 나타낸다.
도 8을 참조하면, 배터리 스택#1-배터리 스택#2 라인 전압이 222V이고, 배터리 스택#3-배터리 스택#4 라인 전압이 224V이고, 배터리 스택#5-배터리 스택#6 라인 전압이 224V이고, 배터리 스택#7-배터리 스택#8 라인 전압이 228V이다.
전술한 바와 같이, 컨버터가 없는 배터리 시스템 구조에서, 배터리 스트링 간 전류 불균형, 배터리 스트링 내 배터릭 스택 들간의 전압 불균형 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 패시브 저항(Passive resistor)을 이용하여 패시브 밸런싱(Passive balabcing)을 구현한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 패시브 밸런싱 회로를 도시하는데, 도 3의 각각의 배터리 스트링 내부의 회로를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 하나의 배터리 스트링은 8개의 배터리 스택(스택#1, …, 스택#8)이 직렬로 연결되어 있다. 직렬로 연결된 2개의 배터리 스택 각각은 1개의 패시브 저항(resistor)과 1개의 패시브 릴레이(relay)와 연결된다. 따라서, 하나의 배터리 스트링은 8개의 배터리 스택, 4개의 패시브 저항 및 4개의 패시브 릴레이로 구성된다. 패시브 릴레이는 필요 조건에 따라 온(on) 및/또는 오프(off)된다.
도 10은 도 9의 패시브 밸런싱 회로를 실제 구현한 예시도이다. 도 10은 특정 배터리 스트링에 도 9의 패시브 밸런싱 회로를 구현하였다.
도 10을 참조하면, 패시브 저항은 RQB40 1Kw/40W 저항을 사용하고, 패시브 릴레이는 차단기(PA1A-24V)를 사용하였다. 이때, 저항의 예상 전력 소모량은 0.23A 정도로 예상된다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템의 에너지 효율을 나타낸다.
도 11을 참조하면, 배터리 모듈 간 전기적 결선 사이의 전류 손실(loss)이 없음을 확인하였다. 따라서, 배터리 스택 간 교차 결선으로 배터리 스택의 직렬 결선으로 인하여 션트 전류의 발생을 최소화함을 알 수 있다.
또한, 컨버터가 없는 배터리 시스템 구조에 대하여, 시스템 평균 효율이 64.83%이고, 모듈 효율이 67.45%임을 확인하였다. 이러한 효율은 컨버터가 있는 배터리 시스템 구조에 비해, 대략 5~7% 가량 높은 효율을 보였다.
배터리 스트링 별 전류 분석 결과, 전류 차간이 발생하는 구간이 발견되었으며, 이를 방지하기 위하여 도 9와 같이 패시브 밸런싱 회로를 적용하였다. 이때, 패시브 밸런싱 회로의 활용 조건은 다음 도 12와 같다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 충전 곡선 특성을 나타낸다.
도 12를 참조하면, 배터리의 충전 전압 특성은 도 12의 (a)와 같고, 도 12의 (b)에 따르면, SOC(State of charge)가 70%인 이후부터 상승 국면을 가진다.
SOC가 70%가 되기전까지는 전압이 하강하거나 유지한다. 따라서, 패시브 밸런싱 적용 여부를 판단하기가 어렵다. 전압 상승 구간부터 전압 모니터링으로 배터리 스택 과충전을 판단할 수 있다. 충전 초반에 패시브 밸런싱을 사용하여 충전을 진행하면, 충전 후반부에 더큰 전압 차이와 불균형(non-balance)을 야기할 수 있다.
도 12의 (b)에 따르면, 최대 충전 전압은 116.54V이고, 최소 충전 전압은 114.16V이다. 최대 충전 전압과 최소 충전 전압의 격차는 2.38V이므로, 최대 설정 전압치는 116.54+2.38= 118.92V로서, 대략 119V가 된다.
따라서, 패시브 밸런싱의 적용은 충전 후반부 스택간 전압이 상승하여 격차가 커질 때 활용하는 것이 바람직하다.
예를들면, 임의의 배터리 스택 라인 전압이 나머지 배터리 스택 라인 전압과 차이가 발생할 경우, 최대 배터리 스택 라인 전압과 최소 배터리 스택 라인 전압의 차이, 즉, △A(=max-min)가 3V 이상인지 판단하고, 3V 이상인 경우, 최대 배터리 스택 라인의 패시브 릴레이를 온시켜 해당 패시브 저항을 이용하여 에너지를 소모시켜, 전압을 낮춘다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 패시브 밸런싱 동작 제어 방법을 나타낸 순서도로서, 도 3의 모듈 밸런싱부(113-1, 115-1, 117-1, 119-1)의 패시브 밸런싱 제어 동작을 나타낸다. 이때, 도 3 및 도 9의 구성과 연계하여 설명한다.
도 13을 참조하면, 모듈 밸런싱부(113-1, 115-1, 117-1, 119-1)는 BMS(135)로부터 SOC를 체크한다(S101). 즉, 해당 배터리 스트링 내 8개의 배터리 스택의 SOC를 확인한다.
모듈 밸런싱부(113-1, 115-1, 117-1, 119-1)는 SOC가 70% 이상인지를 판단한다(S103). 앞서 설명한 바와 같이, SOC가 70% 이하일 경우, 배터리 전압 특성이 상승 지점이 아니므로, 배터리 전압이 줄어들지 않을 수 있다. 따라서, 배터리 상승이 발생하는 지점인, SOC가 70% 이상인 지점부터 배터리 스택 간 전압 차이가 명확해질 것으로 예상된다.
모듈 밸런싱부(113-1, 115-1, 117-1, 119-1)는 배터리 스트링 내 배터리 스택 라인 전압을 각각 측정한다(S105). 도 9를 참조하면, 하나의 배터리 스트링 내에는 4개의 배터리 스택 라인(①, ②, ③, ④)이 존재한다. 모듈 밸런싱부(113-1, 115-1, 117-1, 119-1)는 각각의 배터리 스택 라인 전압(V1, V2, V3, V4)을 측정한다.
모듈 밸런싱부(113-1, 115-1, 117-1, 119-1)는 측정(S105)한 배터리 스택 라인 전압(V1, V2, V3, V4)이 모두 최대 전압인 238V 미만인지를 판단한다(S107). 여기서, 최대 전압은 상한 전압 임계치로서, 상한 전압 임계치를 초과하면, 가동을 중지하기 위한 설정값이다. 238V는 최대 전압의 실시예로서, 도 12의 (b)와 같이 실험을 통해 도출된 값이다.
이때, 238V를 초과하는 배터리 스택 라인 전압이 존재하면, 모듈 밸런싱부(113-1, 115-1, 117-1, 119-1)는 해당 배터리 스택 라인(①, ②, ③, ④)의 릴레이(Contactor)(P3)를 온(On) 시킨다(S109). 이어서, 모듈 밸런싱부(113-1, 115-1, 117-1, 119-1)는 기 설정된 타이머를 구동(S111)하고, 타이머가 만료하면(S113), S101 단계를 시작한다.
이처럼, 최대 전압 이상인 배터리 스택 라인의 릴레이(P3)를 온시키는 이유는 과전압이라 판단하여 패시브 저항으로 에너지를 소모시켜 전압을 낮추기 위해서이다.
한편, 배터리 스택 라인 전압(V1, V2, V3, V4)이 모두 최대 전압 미만이면, 배터리 스택 라인 전압(V1, V2, V3, V4)을 비교하여 최대 배터리 스택 라인 전압과 최소 배터리 스택 라인 전압 간의 차이가 3V 이상인지 판단한다(S117).
3V 이상이면, 배터리 스택 라인 전압(V1, V2, V3, V4) 중에서 최대 전압을 가진 배터리 스택 라인의 릴레이(P3)를 온 시킨다(S119).
반면, 3V 미만이면, 모든 배터리 스택 라인의 릴레이(P3)를 오프 시킨다(S121). 3V 미만이면, 배터리 스택들 간에 전압 균형(BALANCING) 상태라고 판단하여, 릴레이(P3)를 오프시킨다.
모듈 밸런싱부(113-1, 115-1, 117-1, 119-1)는 기 설정된 타이머를 구동(S123)하여, 타이머가 만료하면(S125), S101 단계부터 다시 시작한다.
이상 기술한 바에 따르면, 전해액을 공유하지 않는 배터리 스택들을 전기적 결선함으로써, 션트 전류를 저감할 수 있다.
또한, 컨버터가 없는 배터리 시스템 구조에서, 유도성 저항을 활용한 패시브 밸런싱 회로를 이용하여, 배터리 스트링 또는 배터리 스택간 불균형 문제를 해결할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
본 명세서의 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서에서 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절한 부결합(subcombination)에서 구현될 수 있다.

Claims (8)

  1. 전해액을 공유하지 않는 배터리 스택들이 전기적으로 직렬 연결되고, 상기 배터리 스택들 중에서 서로 인접한 두개의 배터리 스택으로 각각 구성된 복수의 배터리 스택 라인을 포함하는 배터리 스트링,
    상기 복수의 배터리 스택 라인에 각각 연결되는 복수의 패시브 저항 및 복수의 개폐 스위치를 포함하는 패시브 밸런싱 회로, 그리고
    상기 복수의 개폐 스위치의 온 또는 오프를 제어하는 모듈 밸런싱부를 포함하고,
    상기 모듈 밸런싱부는,
    상기 복수의 배터리 스택 라인 별로 복수의 배터리 스택 라인 전압을 측정하고,
    상기 복수의 배터리 스택 라인 전압이 모두 기 정의된 제1 임계치 미만이면, 상기 복수의 배터리 스택 라인 중에서 최대 배터리 스택 라인 전압과 최소 배터리 스택 라인 전압의 차이를 제2 임계치와 비교하며,
    상기 차이가 상기 제2 임계치 이상이면, 상기 복수의 배터리 스택 라인 중에서 상기 최대 배터리 스택 라인 전압을 가진 배터리 스택 라인의 개폐 스위치를 온시키고,
    상기 차이가 상기 제2 임계치 미만이면, 상기 복수의 개폐 스위치를 모두 오프시키는, 배터리 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 모듈 밸런싱부는,
    상기 배터리 스트링에 포함되는 배터리 스택들의 충전상태(SOC: State of Charge)가 충전상태 임계치 이상이면, 상기 복수의 개폐 스위치의 온 또는 오프를 제어하는 모듈 밸런싱을 개시하는, 배터리 시스템.
  6. 배터리 시스템의 패시브 밸런싱(Passive Balancing) 방법으로서,
    전기적으로 직렬 연결된 복수의 배터리 스택 중에서 서로 인접한 두개의 배터리 스택으로 각각 구성된 배터리 스택 라인 별로 각각의 배터리 스택 라인 전압을 측정하는 단계,
    상기 복수의 배터리 스택 라인 전압이 모두 기 정의된 제1 임계치 미만이면, 상기 복수의 배터리 스택 라인 중에서 최대 배터리 스택 라인 전압과 최소 배터리 스택 라인 전압의 차이를 제2 임계치와 비교하는 단계,
    상기 차이가 상기 제2 임계치 이상이면, 상기 복수의 배터리 스택 라인 중에서 상기 최대 배터리 스택 라인 전압을 가진 배터리 스택 라인의 개폐 스위치를 온시키는 단계, 그리고
    상기 차이가 상기 제2 임계치 미만이면, 상기 복수의 개폐 스위치를 모두 오프시키는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 배터리 스택은,
    전해액을 공유하지 않는 배터리 스택들이 전기적으로 직렬 연결되는, 패시브 밸런싱 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에서,
    상기 측정하는 단계 이전에,
    배터리 스택의 충전상태(SOC: State of Charge)가 기 설정된 임계값 이상인지 판단하는 단계를 더 포함하고,
    상기 측정하는 단계는,
    상기 충전상태(SOC: State of Charge)가 상기 임계값 이상인 경우, 각각의 배터리 스택 라인 전압을 측정하는, 패시브 밸런싱 방법.
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