KR101993640B1 - 통신장비에 사용되는 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템 - Google Patents

통신장비에 사용되는 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충전 셀들간 충전 불균형 발생시 불균형이 발생한 셀을 위한 충전 전원을 호핑 셀에 저장하여 충전 셀간 균형을 조절하면서도, 호핑 셀의 충전 전원을 부하로 공급하거나 전력 판매를 가능하게 하는 통신장비에 사용되는 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.

Description

통신장비에 사용되는 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템{BALANCING ENERGY STORAGE SYSTEM USING HOPPING BATTERY CELL}
본 발명은 충전 셀들간 충전 불균형 발생시 불균형이 발생한 셀을 위한 충전 전원을 호핑 셀에 저장하여 충전 셀간 균형을 조절하면서도, 호핑 셀의 충전 전원을 부하로 공급하거나 전력 판매를 가능하게 하는 통신장비에 사용되는 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
최근 전세계적으로 에너지 수요가 꾸준하는 증가 추세를 보이고 있으며, 소득 증대와 삶의 질 향상 및 각종 서비스의 고도화에 따라 새로운 에너지 수요가 지속적으로 발생하여 전력 의존도가 심화되고 있다.
특히, 화석 연료 고갈, 공해 저감, 전력 사용 집중 시기의 전력대란 등과 같은 전력 문제가 이슈화 되고 있으며, 에너지원의 상당수가 원유 및 원자력에 의존하고 있어 에너지 수급에 대한 개선이 시급하다.
이에, 효율적인 에너지 공급 방안 중 하나로 전지 셀을 이용한 에너지 공급 시스템이 대두되고 있다. 이러한 에너지 공급 시스템은 잉여 전기나 재생에너지를 저장하였다가 필요한 시점에 공급한다.
따라서, 전력을 저장하고 필요할 때 사용함으로써 에너지 이용 효율을 향상시키고 재생에너지 활용도 제고 및 전력 공급 시스템 안정화가 가능하여 신성장동력 산업의 하나로 그 중요성이 부각되고 있다.
그럼에도 종래의 에너지 공급 시스템은 처음부터 혹은 충전 중 충전 셀들간 충전 불균형이 발생하고 있어서, 특정의 충전 셀이 상대적으로 많은 충전 및 방전을 반복하는 과정에서 셀의 수명 단축, 공급 전압의 불안정 등을 야기한다.
대한민국 공개특허 제2017-0013537호
본 발명은 충전 셀들간 충전 불균형 발생시 불균형이 발생한 셀을 위한 충전 전원을 호핑 셀에 저장하여 충전 셀간 균형을 조절하면서도, 호핑 셀의 충전 전원을 부하로 공급하거나 전력 판매를 가능하게 하는 통신장비에 사용되는 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템을 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 통신장비에 사용되는 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템은 재생 전원이나 잉여 생산된 전원을 비롯한 충전 전원을 공급하는 충전 전원 공급기와; 각각 상기 충전 전원 공급기로부터 전원을 공급받아 충전하였다가 부하로 방전하는 다수개의 충전 셀과; 상기 충전 셀들의 충전 상태를 각각 감시하는 셀 감시기와; 상기 셀 감시기에서 검출된 충전 셀의 충전상태에 따라 상기 충전 전원 공급기에서 충전 셀로 공급되는 충전 전원을 각각 스위칭 제어하는 충전 제어기와; 상기 다수개의 충전 셀들 중에서 다른 충전 셀들보다 기준값 이상으로 충전된 상위 셀이 검출시, 상기 충전 제어기에 의해 상기 상위 셀에 공급되던 충전 전원을 공급받아 충전되어 통신장비에 충전 전원을 인가하는 적어도 하나 이상의 호핑 셀; 및 상기 호핑 셀의 충전량이 기준 값 이상이면, 상기 호핑 셀에 충전된 직류 전원을 인버터 및 매도용 전력량계를 통해 상용 전력 계통으로 송출 제어하는 메인컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 호핑 셀은 다수개이고, 상기 셀 감시기는 상기 호핑 셀들의 충전 상태를 각각 감시하며, 상기 충전 제어기는 상기 셀 감시기에서 검출된 호핑 셀의 충전상태에 따라 상기 충전 전원 공급기에서 호핑 셀로 공급되는 충전 전원을 각각 스위칭 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 충전 셀의 출력단과 부하 사이에 설치되는 부하측 절환 스위치를 더 포함하되, 상기 부하측 절환 스위치는 상기 충전 셀의 출력단과, 상기 호핑 셀의 출력단 및 상기 상용 전력 계통에 연결되어, 그 중 어느 하나를 부하에 연결하도록 스위칭 절환되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 충전 전원 공급기는 재생 발전기측에서 생산된 충전 전원을 입력받는 입력 터미널과; 상기 입력 터미널의 후단에 설치된 전력 차단 스위치와; 상기 전력 차단 스위치를 통해 공급된 교류 충전 전원을 직류 충전 전원으로 정류하는 재생전원 정류기; 및 PWM 제어기에서 제공되는 펄스폭 제어신호에 따라 상기 직류 충전 전원의 크기를 변경시켜 상기 충전 제어기로 제공하는 PWM 컨버터;를 포함하되, 상기 메인컨트롤러는 상기 입력 터미널을 통해 입력되는 충전 전원의 크기 및 상기 충전 셀에서 부하로 공급되는 충전 전원의 크기 중 어느 하나 이상에 따라 상기 PWM 제어기를 제어하며, 상기 메인컨트롤러는 상기 전력 차단 스위치를 감시하고, 상기 전력 차단 스위치시의 스위칭 오프(OFF)시 상기 호핑 셀과 상용 전력 계통 사이에 구비된 매도용 스위치를 스위칭 오프시키는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명은 충전 및 방전을 목적으로 하는 충전 셀들간 충전 불균형 발생시 충전 전원을 호핑 셀에 저장하여 충전 셀간 균형을 조절한다. 따라서 충전 셀의 수명 단축을 방지하면서도 안정적인 전원 공급을 가능하게 한다.
또한, 본 발명은 위와 같이 충전 셀간 균형 조절을 위해 호핑 셀에 충전된 전원을 특정 조건에서 부하로 공급하거나 잉여 전력으로써 판매를 가능하게 한다. 따라서, 에너지 수급을 안정되게 하고 수익으로 직결되게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 통신장비에 사용되는 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 충전 전원 호핑 회로를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 충전 전원 공급기를 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 통신장비에 사용되는 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템에 대해 상세히 설명한다.
도 1과 같이, 본 발명에 따른 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템은 충전 전원 공급기(110), 다수의 충전 셀(120), 셀 감시기(130), 충전 제어기(140), 호핑 셀(150) 및 메인컨트롤러(160)를 포함한다.
또한, 본 발명은 바람직한 다른 실시예로써 부하측 절환 스위치(170) 및 매도용 스위치(180)를 포함하며, 그 외 부수적 구성으로 인버터(181)와 같은 전력 변환기나 매도용 전력량계(182)를 더 포함한다.
이러한 구성에 의하면 충전 및 방전을 목적으로 하는 충전 셀(120)들간 충전 불균형 발생시 그 불균형이 발생한 셀을 위한 충전 회로를 호핑 셀(150)로 전환 및 충전하여 충전 셀(120)간 균형을 조절한다. 따라서 충전 셀(120)의 수명 단축을 방지하면서도 안정적인 전원 공급을 가능하게 한다.
또한, 충전 셀(120)간 균형을 조절하는 동안 호핑 셀(150)에 충전된 전원을 특정 조건에서 부하로 공급하거나 잉여 전력으로써 판매를 가능하게 한다. 따라서, 에너지 수급을 안정하게 하고 수익으로 직결되게 한다.
좀더 구체적으로 설명하면, 상기 충전 전원 공급기(110)는 충전 전원을 저장하였다가 공급하는 충전 셀(120)에 공급하고, 나아가 충전 회로(라인)을 호핑하여 충전 전원을 호핑 셀(hopping cell)(150)에 공급한다.
충전 전원은 수력 에너지, 지열 에너지 및 태양 에너지와 같은 신재생 에너지나 부하량이 감소하는 심야전력은 물론, 충전 전원의 공급을 통해 활용할 수 있는 통신장비 시스템 등을 비롯한 각종 전원 공급원을 포함하며, 이러한 충전 전원을 에너지 공급 시스템에 공급한다.
이러한 충전 전원 공급기(110)의 구체적인 실시예는 아래에서 도 3을 참조하여 다시 상세히 설명한다.
다음, 충전 셀(120)은 에너지 저장(공급) 시스템의 메인 구성으로 통상적으로 다수개가 배터리 팩 타입으로 구성되어 각각 충전 전원 공급기(110)로부터 전원을 공급받아 충전하였다가 부하(LD)로 방전한다.
이러한 충전 셀(120)은 다수개가 직렬, 병렬 혹은 직병렬 방식으로 서로 연결된 상태에서 충전 전원 공급기(110)로부터 충전 전원을 공급받으며, 통상적으로 각각의 충전 셀(120)은 리튬이온 배터리나 리튬폴리머 배터리로 구성된다.
셀 감시기(130)는 충전 셀(120)들의 충전 상태를 각각 감시하는 것으로, 바람직하게는 후술하는 호핑 셀(150)의 충전 상태 역시 감시한다. 감시 결과는 충전 제어기(140)로 제공되며, 바람직하게는 메인컨트롤러(160)로도 제공된다.
구체적으로, 셀 감시기(130)는 충전 셀(120) 및 호핑 셀(150)들의 전압, 전류, 온도 및 이상 상태를 감시하여 제공함으로써 시스템에서 과충전 방지, 과방전 방지, 과전류 보호 및 단락 보호기능을 제공할 수 있게 한다.
충전 제어기(140)는 셀 감시기(130)로부터 충전 셀(120)의 충전상태 검출값을 제공받고, 그 검출된 충전 셀(120)의 현재 충전상태에 따라 충전 전원 공급기(110)에서 충전 셀(120)로 공급되는 충전 전원을 각각 스위칭 제어한다.
일 예로 충전 제어기(140)는 충전 셀(120)들과 연동되어 과충전 및 과방전을 방지하도록 충전 셀(120)의 최대정격 대비 20% 내지 80%의 범위 내에서 충전이 이루어지게 하고, 나아가 이상시 과전류 보호 및 단락 보호 회로를 작동시킨다.
특히, 충전 제어기(140)는 아래에서 다시 설명하는 메인컨트롤러(160)의 제어하에 충전 셀(120)을 충전하거나, 그 충전 회로를 호핑 셀(150)에 연결시킴으로써 충전 회로(라인)의 호핑(hopping)이 이루어지게 한다.
이를 위해, 도 2와 같이 충전 제어기(140)는 마이콤(141) 및 충전 셀(120)에 연결된 다수의 충전 제어 스위치(142)를 포함한다. 또한 충전 제어 스위치(142)는 각각 분기하여 적어도 하나 이상의 호핑 셀(150)에 병렬 연결된다.
따라서, 충전 제어기(140)는 마이콤(141)의 제어하에 충전 셀(120)을 충전하거나 혹은 스위칭 절환에 의해 호핑 셀(150)을 충전한다. 이러한 충전 회로의 호핑은 아래에서 다시 설명하는 바와 같이 충전 셀(120)들간 충전 불균형이 발생시 우회적으로 호핑 셀(150)을 충전하는 역할을 한다.
호핑 셀(150)은 충전 셀(120)들간 충전 불균형을 조정하여 충전 셀(120)들의 수명을 연장, 성능 향상 및 안정적인 전원공급을 위한 것으로, 기본적으로는 충전 제어기(140)의 제어하에 과충전된 충전 셀(120) 발생시 충전 전원을 대신 수용한다.
특히, 호핑 셀(150)은 다수개의 충전 셀(120)들 중에서 다른 충전 셀(120)들보다 기준값 이상으로 충전된 '상위 셀'이 검출시, 충전 제어기(140)에 의해 상위 셀에 공급되던 충전 전원을 공급받아 충전되며, 적어도 하나 이상 구비된다.
즉, 충전 셀(120)들 중 기준값 이상의 상위 셀 발생시 이를 셀 감시기(130)에서 검출하여 충전 제어기(140)에 알려주면, 충전 제어기(140)는 상위 셀의 충전 회로를 호핑 셀(150)로 절환하여 상위 셀 대신 호핑 셀(150)이 충전되도록 한다.
동시에 충전 셀(120)들 중 상위 셀 이외의 충전 셀(120)들은 충전 제어기(140)에 의해 계속적으로 충전이 되고, 이러한 과정을 반복하여 여러 충전 셀(120)들의 충전 레벨을 균등하게 맞추게 된다.
또한, 상위 셀의 충전 회로 호핑을 통해 호핑 셀(150)에 충전된 전원은 DC/AC 인버터(181) 및 매도용 전력량계(182)를 통해 전력 계통(P-S)으로 보냄으로써 전력 판매가 이루어지게 하거나 필요시 부하로 직접 공급한다.
메인컨트롤러(160)는 위에서 설명한 바와 같이 호핑 셀(150)의 충전량이 기준 값 이상이면, 호핑 셀(150)에 충전된 직류 전원을 인버터(181) 및 매도용 전력량계(182)를 통해 상용 전력 계통(P-S)으로 송출 제어한다.
이를 위해 메인컨트롤러(160)는 호핑 셀(150)의 출력단을 스위칭 제어하며, 스위칭 제어에 의해 호핑 셀(150)이 방전되고, 이를 통해 계속해서 충전 회로 호핑 및 호핑 셀(150)의 충전을 가능하게 한다.
한편, 이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명에서 호핑 셀(150) 역시 장시간 충분한 호핑이 가능할 수 있도록 다수개인 것이 바람직하다. 다수개의 호핑 셀(150)로 이루어진 호핑 셀(150) 전체 그룹은 충전 셀(120)과 병렬로 연결된다.
또한, 셀 감시기(130)는 호핑 셀(150)의 충전 상태를 각각 감시하고, 충전 제어기(140)는 셀 감시기(130)에서 검출된 호핑 셀(150)의 충전상태에 따라 충전 전원 공급기(110)에서 호핑 셀(150)로 공급되는 충전 전원을 각각 스위칭 제어한다.
따라서, 다수개의 호핑 셀(150) 각각이 충전 셀(120) 중 상대적으로 많이 충전된 상위 셀에 대한 호핑 셀(150)로 기능하며, 이때 충전 제어기(140)는 호핑 셀(150)들 내에서도 상대적으로 호핑(충전)이 많이 이루어진 상위 셀을 분석하여 충전 순서를 조절한다.
또한, 도 1에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 충전 셀(120)의 출력단과 부하 사이에 설치되는 부하측 절환 스위치(170)를 더 포함한다. 부하측 절환 스위치(170)는 충전 셀(120)의 출력단과, 호핑 셀(150)의 출력단 및 상용 전력 계통(P-S)에 연결된다.
구체적으로, 부하측 절환 스위치(170)의 공통 출력단은 부하(LD)에 연결되고, 3개의 입력단은 각각 충전 셀(120)의 출력단, 호핑 셀(150)의 출력단 및 상용 전력 계통(P-S)에 연결됨에 따라 스위칭시 그 중 어느 하나를 부하(LD)에 연결시킨다.
따라서, 1차로 전원공급이 주 목적인 충전 셀(120)을 통해 부하(LD)에 전원을 공급하고, 2차로 호핑 셀(150)의 충전량이 기준값 이상이면 호핑 셀(150)에서 부하로 전원을 공급하며, 3차로 상기한 셀들로 충전이 불가능한 경우에는 상용 전력 계통(P-S)에서 부하로 전원을 공급한다.
도 3과 같이, 위에서 구체적인 설명을 생략한 충전 전원 공급기(110)는 재생 전원이나 잉여 전원을 공급하는 것으로, 일 예로 입력 터미널(111), 전력 차단 스위치(112), 재생전원 정류기(113) 및 PWM 컨버터(114)를 포함한다.
여기서, 상기 입력 터미널(111)은 발전측에서 생산된 충전 전원을 본 발명에 따른 시스템으로 입력받는 물리 단자로써, 심야 전력(잉여 전력)이나 각종 재생 에너지 발전기로부터 충전 전원을 입력받는다.
전력 차단 스위치(112)는 입력 터미널(111)의 후단에 설치되는 것으로, 스위칭 온 또는 오프함으로써, 후단측으로 충전 전원을 공급하거나 공급을 차단한다. 이를 통해 후속 부품의 대기 전력을 차단한다.
재생전원 정류기(113)는 전력 차단 스위치(112)를 통해 공급된 교류 충전 전원을 직류 충전 전원으로 정류하는 것으로, 일 예로 풀 브릿지 컨버터를 이용하여 입력된 교류 전원을 직류 전원으로 변환한다.
또한 재생전원 정류기(113)는 풀 브릿지에 평활 컨덴서 및/또는 필터를 구비하여 니플을 제거하여 평활도를 높이고 셀에 충전하기 적합한 직류 전원을 공급할 수 있게 한다.
PWM 컨버터(114)는 PWM 제어기(114a)에서 제공되는 펄스폭 제어신호에 따라 직류 충전 전원의 크기를 변경시켜 충전 제어기(140)로 제공한다. 예컨대, PWM 컨버터(114)는 PWR(Pulse Width Ratio)를 조절하여 전원 레벨을 조절한다.
이때, 메인컨트롤러(160)는 입력 터미널(111)을 통해 입력되는 충전 전원의 크기 및 충전 셀(120)에서 부하로 공급되는 충전 전원의 크기 중 어느 하나 이상에 따라 PWM 제어기를 제어한다. 이를 통해 입력 및 방전 환경에 따라 최적 레벨을 조절한다.
또한, 상기 메인컨트롤러(160)는 충전 전원 공급기(110)의 전력 차단 스위치(112)를 감시하고, 전력 차단 스위치(112)시의 스위칭 오프(OFF)시 호핑 셀(150)과 상용 전력 계통(P-S) 사이에 구비된 매도용 스위치(180)를 스위칭 오프시킨다.
따라서, 잉여 전력(심야 전력)이나 각종 재생 에너지 발전기로부터 공급되는 충전 전원이 부족 혹은 중단된 경우에는 전력의 판매를 중단하고 부하(LD)를 위해 비상 대기를 가능하게 한다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
110: 충전 전원 공급기
120: 충전 셀
130: 셀 감시기
140: 충전 제어기
150: 호핑 셀
160: 메인컨트롤러
170: 부하측 절환 스위치
180:매도용 스위치
181:인버터
182: 매도용 전력량계
LD: 부하
P-S: 전력 계통

Claims (4)

  1. 재생 전원이나 잉여 생산된 전원을 비롯한 충전 전원을 공급하는 충전 전원 공급기(110)와;
    각각 상기 충전 전원 공급기(110)로부터 전원을 공급받아 충전하였다가 부하로 방전하는 다수개의 충전 셀(120)과;
    상기 충전 셀(120)들의 충전 상태를 각각 감시하는 셀 감시기(130)와;
    상기 셀 감시기(130)에서 검출된 충전 셀(120)의 충전상태에 따라 상기 충전 전원 공급기(110)에서 충전 셀(120)로 공급되는 충전 전원을 각각 스위칭 제어하는 충전 제어기(140)와;
    상기 다수개의 충전 셀(120)들 중에서 다른 충전 셀(120)들보다 기준값 이상으로 충전된 상위 셀이 검출시, 상기 충전 제어기(140)에 의해 상기 상위 셀에 공급되던 충전 전원을 공급받아 충전되어 통신장비에 충전 전원을 인가하는 적어도 하나 이상의 호핑 셀(150); 및
    상기 호핑 셀(150)의 충전량이 기준 값 이상이면, 상기 호핑 셀(150)에 충전된 직류 전원을 인버터 및 매도용 전력량계를 통해 상용 전력 계통(P-S)으로 송출 제어하는 메인컨트롤러(160);를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신장비에 사용되는 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 호핑 셀(150)은 다수개이고,
    상기 셀 감시기(130)는 상기 호핑 셀(150)들의 충전 상태를 각각 감시하며,
    상기 충전 제어기(140)는 상기 셀 감시기(130)에서 검출된 호핑 셀(150)의 충전상태에 따라 상기 충전 전원 공급기(110)에서 호핑 셀(150)로 공급되는 충전 전원을 각각 스위칭 제어하는 것을 특징으로 하는 통신장비에 사용되는 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충전 셀(120)의 출력단과 부하 사이에 설치되는 부하측 절환 스위치(170)를 더 포함하되,
    상기 부하측 절환 스위치(170)는 상기 충전 셀(120)의 출력단과, 상기 호핑 셀의 출력단 및 상기 상용 전력 계통(P-S)에 연결되어, 그 중 어느 하나를 부하에 연결하도록 스위칭 절환되는 것을 특징으로 하는 통신장비에 사용되는 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 충전 전원 공급기(110)는,
    재생 발전기측에서 생산된 충전 전원을 입력받는 입력 터미널(111)과;
    상기 입력 터미널(111)의 후단에 설치된 전력 차단 스위치(112)와;
    상기 전력 차단 스위치(112)를 통해 공급된 교류 충전 전원을 직류 충전 전원으로 정류하는 재생전원 정류기(113); 및
    PWM 제어기에서 제공되는 펄스폭 제어신호에 따라 상기 직류 충전 전원의 크기를 변경시켜 상기 충전 제어기(140)로 제공하는 PWM 컨버터(114);를 포함하되,
    상기 메인컨트롤러(160)는 상기 입력 터미널(111)을 통해 입력되는 충전 전원의 크기 및 상기 충전 셀(120)에서 부하로 공급되는 충전 전원의 크기 중 어느 하나 이상에 따라 상기 PWM 제어기를 제어하며,
    상기 메인컨트롤러(160)는, 상기 전력 차단 스위치(112)를 감시하고, 상기 전력 차단 스위치(112)시의 스위칭 오프(OFF)시 상기 호핑 셀(150)과 상용 전력 계통(P-S) 사이에 구비된 매도용 스위치(180)를 스위칭 오프시키는 것을 특징으로 하는 통신장비에 사용되는 호핑 셀을 이용한 밸런싱 에너지 저장 시스템.
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