KR102111492B1 - 누설 전류 감지 기능을 갖는 에너지 저장 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 팩의 선간 전압을 이용하여 누설 전류 발생을 감지할 수 있도록 하는 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 이는 배터리 팩의 양극 신호들이 인입되는 양극 단자, 상기 배터리 팩의 음극 신호들이 인입되는 음극 단자, 및 접지에 연결되는 중간점 단자를 구비하는 적어도 하나의 입력부; 상기 입력부의 양극 단자와 음극 단자에 연결되는 양극 단자와 음극 단자를 구비하는 적어도 하나의 출력부; 상기 입력부와 상기 출력부의 연결 여부를 결정하는 적어도 하나의 스위칭부; 상기 입력부내 양극 단자와 상기 중간점 단자 사이에 인가되는 제1 전압과, 상기 음극 단자와 상기 중간점 단자 사이에 인가되는 제2 전압을 검출하는 선간 전압 검출부; 및 상기 제1 전압과 상기 제2 전압간 전압차를 기반으로 누설 전류 발생을 확인하고, 상기 스위칭부를 동작 제어하는 누설 전류 감지부를 포함할 수 있다.

Description

누설 전류 감지 기능을 갖는 에너지 저장 장치{ENERGY STORAGE SYSTEM WITH FUNCTION OF LEAKAGE CURRENT}
본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 특히 배터리 팩의 선간 전압 기반으로 누설 전류 발생을 보다 효과적으로 감지할 수 있도록 하는 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
신재생에너지와 스마트그리드가 회자되면서 덩달아 관심을 받고 있는 것이 있다. 바로 에너지저장시스템, ESS(Energy Storage System)다. 신재생 에너지는 스마트 그리드에서 중요하게 쓰이는데, ESS를 이용하면 원하는 시간에 전력을 생산하기 어려운 태양광, 풍력 등의 신재생 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있기 때문이다.
ESS는 전력 인프라를 구성하는 요소이자, 스마트 그리드와 같은 차세대 전력망을 구현하기 위한 핵심 요소 중 하나가 될 것이다. ESS는 전기를 생산하는 발전 영역, 생성된 전기를 이송하는 송배전 영역, 그리고 전달된 전기를 실제 사용하는 수용가(소비자) 영역에 모두 적용된다.
보통 필요 발전량은 냉난방 수요가 급증하는 최고 수요 시점을 기준으로 설정돼 있는데, ESS는 피크 수요 시점의 전력 부하를 조절해 발전 설비에 대한 과잉 투자를 막아준다. 그리고 ESS는 돌발적인 정전 시에도 안정적으로 전력을 공급할 수 있도록 해준다.
이러한 ESS는 배터리 팩과 장치 간의 절연상태가 잘 유지될 필요가 있다. 이는 배터리 팩의 절연상태가 유지되지 않으면 누설전류가 발생하여 여러 가지 문제를 야기하기 때문이다.
참고로, 배터리 팩 누설전류는 예상치 못한 배터리 팩의 방전이나 장치에 구비된 전자기기의 오작동을 일으킨다. 또한, 배터리 팩을 이용하여 구동할 수 있는 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같이 고전압 배터리 팩을 사용하는 장치에서는 사람에게 치명적인 감전피해를 줄 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0103205호(공개일자 : 2012.09.19)
이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 배터리 팩의 선간 전압을 이용하여 누설 전류 발생을 보다 효과적으로 감지할 수 있도록 하는 에너지 저장 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 배터리 팩의 양극 신호들이 인입되는 양극 단자, 상기 배터리 팩의 음극 신호들이 인입되는 음극 단자, 및 접지에 연결되는 중간점 단자를 구비하는 적어도 하나의 입력부; 상기 입력부의 양극 단자와 음극 단자에 연결되는 양극 단자와 음극 단자를 구비하는 적어도 하나의 출력부; 상기 입력부와 상기 출력부의 연결 여부를 결정하는 적어도 하나의 스위칭부; 상기 입력부내 양극 단자와 상기 중간점 단자 사이에 인가되는 제1 전압과, 상기 음극 단자와 상기 중간점 단자 사이에 인가되는 제2 전압을 검출하는 선간 전압 검출부; 및 상기 제1 전압과 상기 제2 전압간 전압차를 기반으로 누설 전류 발생을 확인하고, 상기 스위칭부를 동작 제어하는 누설 전류 감지부를 포함하는 누설 전류 감지 기능을 갖는 에너지 저장 장치를 제공한다.
상기 누설 전류 감지부는 상기 입력부와 상기 스위칭부가 다수개인 경우, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압간 전압차가 기 설정값 이상인 입력부에 대응되는 스위칭부만을 차단시키는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 저장 장치는 상기 입력부 각각의 양단 전압을 검출 및 비교하여, 기 설정값 이상의 편차가 발생하는 입력부를 검출하고, 상기 검출된 입력부에 연결된 배터리 팩의 건전성이 나빠졌음을 확인 및 통보하는 건전성 평가부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다르게는, 상기 에너지 저장 장치는 상기 입력부의 양단 전압이 기 설정값 이하인 경우, 상기 입력부에 연결된 배터리 팩의 건전성이 나빠졌음을 확인 및 통보하는 건전성 평가부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 배터리 팩의 양극 신호들이 인입되는 양극 단자, 및 상기 배터리 팩의 음극 신호들이 인입되는 음극 단자를 구비하는 적어도 하나의 입력부; 상기 입력부의 양극 단자에 연결되는 양극 단자, 상기 입력부의 음극 단자에 연결되는 음극 단자, 및 접지에 연결되는 중간점 단자를 구비하는 적어도 하나의 출력부; 상기 입력부와 상기 출력부의 연결 여부를 결정하는 적어도 하나의 스위칭부; 상기 출력부내 양극 단자와 상기 중간점 단자 사이에 인가되는 제1 전압과, 상기 음극 단자와 상기 중간점 단자 사이에 인가되는 제2 전압을 검출하는 선간 전압 검출부; 및 상기 제1 전압과 상기 제2 전압간 전압차를 기반으로 누설 전류 발생을 확인하고, 상기 스위칭부를 동작 제어하는 누설 전류 감지부를 포함하는 누설 전류 감지 기능을 갖는 에너지 저장 장치를 제공한다.
본 발명의 에너지 저장 장치는 배터리 팩의 선간 전압을 이용하는 새로운 방식으로 누설 전류 발생을 감지할 수 있도록 한다. 특히, 종래와 달리 선간 전압 검출 동작만으로 누설 전류가 발생한 배터리 팩의 위치까지 감지할 수 있도록 함으로써, 이에 소요되는 시간과 노력이 최소화될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 입력부의 등가회로를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 에너지 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 4실시예에 따른 에너지 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 저장 장치(100)은 배터리 팩(110)과 인버터(300) 사이에 위치하며, 입력부(121), 출력부(122), 스위칭부(130), 선간 전압 검출부(140), 누설 전류 감지부(150), 및 스위치 제어부(160) 등을 포함한다.
입력부(121)은 배터리 팩(110)의 양극 신호들이 인입되는 양극 단자(+ni) 배터리 팩의 음극 신호들이 인입되는 음극 단자(-ni), 및 접지에 연결되는 중간점 단자(ni)를 구비한다. 즉, 중간점 접지방식으로 접지된 입력 단자들을 구비하도록 한다.
출력부(122)는 입력부(121)의 양극 단자(+ni)와 음극 단자(-ni)에 연결되는 양극 단자(+no)와 음극 단자(+no)를 구비한다.
스위칭부(130)는 입력부(121)과 출력부(122) 사이에 위치하여, 스위치 연결 여부를 결정하며, 이는 입력부(121)과 출력부(122)의 양극 단자 사이에 위치하는 제1 스위치(sw1), 음극 단자 사이에 위치하는 제2 스위치(sw2)로 구현될 수 있다.
선간 전압 검출부(140)는 입력부(121)내 양극 단자(+ni)와 중간점 단자(ni) 사이에 인가되는 제1 전압(V1)과, 음극 단자(-ni)와 중간점 단자(ni) 사이에 인가되는 제2 전압(V2)을 검출한다. 즉, 배터리 팩의 선간 전압을 검출하도록 한다.
누설 전류 감지부(150)는 선간 전압 검출부(140)를 통해 검출된 제1 전압(V1)과 제2 전압(V2)간 전압차가 기 설정된 값 이상이면, 누설 전류 발생을 감지 및 통보한다.
스위치 제어부(160)는 누설 전류 발생 여부에 따라 스위칭부(130)를 동작 제어한다. 즉, 누설 전류가 발생되면, 스위칭부(130)의 제1 및 제2 스위치(sw1, sw2)를 턴 오프시켜, 입력부(121)과 출력부(122)를 즉각적으로 연결 해제시키도록 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 입력부의 등가회로를 도시한 도면이다.
참고로, 본 발명의 에너지 저장 장치(은 외함 접지방식으로 접지된다. 이러한 상태에서 배터리 팩이 발전하여 소정의 전압(V)이 출력하기 시작하면, 배터리 팩의 양극 신호 라인과 접지 사이에 존재하는 공기, 음극 신호 라인과 접지 사이에 존재하는 공기는 캐패시터로써 작용하여, 도 2의 (a)와 같이 배터리 팩의 양극 신호 라인(L+)과 접지 사이, 음극 신호 라인(L-)과 접지 사이에는 출력 전압의 1/2씩 인가되게 된다.
그러나 절연 파괴로 인해 접지로 흘러가게 되는 전류, 즉 누설 전류가 발생하게 되면, 양극 신호 라인(L+)과 접지 사이, 음극 신호 라인(L-)과 접지 사이에 인가되는 전압값이 달라지는 현상이 발생하게 된다.
이에 본 발명에서는 입력부(121)을 배터리 팩(110)의 양극 신호들이 인입되는 양극 단자(+ni) 배터리 팩의 음극 신호들이 인입되는 음극 단자(-ni), 및 접지에 연결되는 중간점 단자(ni)로 구현함으로써, 도 2의 (b)와 같은 등가 회로를 가지도록 한다.
즉, 본 발명에서는 입력부(121)이 양극 단자(+ni)와 음극 단자(-ni) 사이에 직렬 연결되는 두 개의 임피던스(Z1,Z2)로 표현되는 등가 회로를 가지도록 한 후, 임피던스(Z1,Z2) 각각에 인가되는 전압값을 측정 및 비교함으로써, 누설 전류의 발생 여부를 감지할 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 저장 장치(100')은 입력부(121), 출력부(122), 및 스위칭부(130)를 다수개씩 구비할 수도 있도록 한다.
그러면, 선간 전압 출력부(140')는 다수의 입력부(121) 각각에 대한 선간 전압을 검출하고, 누설 전류 감지부(150')는 다수개의 선간 전압 검출 결과를 기반으로 누설 전류가 발생한 입력부(121), 즉 누설 전류 발생 위치를 감지하도록 한다.
그리고 스위치 제어부(160')는 누설 전류가 발생한 입력부(121)에 연결된 스위칭부(130)만을 턴 오프시켜, 해당 입력부(121)의 누설 전류가 인버터(300)로 전달되는 것을 차단하도록 한다.
즉, 본 발명은 배터리 팩과 인버터간 연결 경로가 다수개인 경우, 연결 경로 단위로 누설 전류 차단 동작을 수행할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 에너지 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4을 참고하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 에너지 저장 장치(100")은 입력부(121") 대신에 출력부(122")가 중간점 접지방식으로 접지될 수 있도록 한다.
즉, 입력부(121")는 배터리 팩(110)의 양극 신호들이 인입되는 양극 단자(+ni) 배터리 팩의 음극 신호들이 인입되는 음극 단자(-ni)를 구비하고, 출력부(122")는 인버터(300)에 연결되는 양극 단자(+no), 음극 단자(+no), 그리고 접지에 연결되는 중간점 단자(ni)를 구비하도록 한다.
그러면, 선간 전압 출력부(140")는 입력부(121") 대신에 출력부(122")에 대한 선간 전압을 검출하고, 누설 전류 감지부(150)는 선간 전압 출력부(140")의 선간 전압 검출 결과를 기반으로 누설 전류 발생 여부를 감지하도록 한다.
도 5는 본 발명의 제 4실시예에 따른 에너지 저장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5을 참고하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 에너지 저장 장치(100')는 입력부(121), 출력부(122), 스위칭부(130), 선간 전압 검출부(140), 누설 전류 감지부(150), 및 스위치 제어부(160) 이외에 건전성 평가부(170)를 더 포함할 수 있다.
이때, 건전성 평가부(170)는 입력부(121)의 양극 단자(+ni)와 음극 단자(-ni)에 인가되는 전압을 모니터링하고, 모니터링 결과를 기반으로 배터리 팩의 건전성을 평가하도록 한다.
본 발명의 건전성 평가는 크게 두 가지 방식으로 수행될 수 있다.
첫 번째, 입력부(121)이 다수개인 경우에 적용 가능한 방법으로, 입력부(121) 각각의 양단 전압을 감지한 후 서로 비교함으로써, 기 설정값 이상의 편차가 발생하는 입력부를 검출하고, 해당 입력부에 연결된 배터리 팩의 건전성이 나빠졌음을 확인하고 사용자 안내할 수 있도록 한다.
두 번째, 입력부(121)이 하나인 경우에도 적용 가능한 방법으로, 양단 전압이 기 설정값 이하로 낮아지는 경우, 해당 입력부에 연결된 배터리 팩의 건전성이 나빠졌음을 확인하고 사용자 안내할 수 있도록 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 배터리 팩의 양극 신호들이 인입되는 양극 단자, 상기 배터리 팩의 음극 신호들이 인입되는 음극 단자, 및 접지에 연결되는 중간점 단자를 구비하는 적어도 하나의 입력부;
    상기 입력부의 양극 단자와 음극 단자에 연결되는 양극 단자와 음극 단자를 구비하는 적어도 하나의 출력부;
    상기 입력부와 상기 출력부의 연결 여부를 결정하는 적어도 하나의 스위칭부;
    상기 입력부내 양극 단자와 상기 중간점 단자 사이에 인가되는 제1 전압과, 상기 음극 단자와 상기 중간점 단자 사이에 인가되는 제2 전압을 검출하는 선간 전압 검출부; 및
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압간 전압차가 기 설정값 이상이면 누설 전류 발생을 확인하고, 상기 스위칭부를 동작 제어하는 누설 전류 감지부를 포함하며,
    상기 입력부는 상기 양극 단자와 상기 음극 단자 사이에 직렬 연결되는 제1 및 제2 임피던스로 표현되는 등가 회로를 가지며, 상기 양극 단자와 접지 사이의 공기와 상기 음극 단자와 접지 사이의 공기는 제1 및 제2 임피던스로 작용하며,
    상기 선간 전압 검출부는 상기 제1 및 제2 임피던스 각각에 인가되는 전압값을 상기 제1 및 제2 전압으로 측정하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 감지 기능을 갖는 에너지 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 누설 전류 감지부는
    상기 입력부와 상기 스위칭부가 다수개인 경우, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압간 전압차가 기 설정값 이상인 입력부에 대응되는 스위칭부만을 차단시키는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입력부 각각의 양단 전압을 검출 및 비교하여, 기 설정값 이상의 편차가 발생하는 입력부를 검출하고, 상기 검출된 입력부에 연결된 배터리 팩의 건전성이 나빠졌음을 확인 및 통보하는 건전성 평가부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 입력부의 양단 전압이 기 설정값 이하인 경우, 상기 입력부에 연결된 배터리 팩의 건전성이 나빠졌음을 확인 및 통보하는 건전성 평가부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  5. 배터리 팩의 양극 신호들이 인입되는 양극 단자, 및 상기 배터리 팩의 음극 신호들이 인입되는 음극 단자를 구비하는 적어도 하나의 입력부;
    상기 입력부의 양극 단자에 연결되는 양극 단자, 상기 입력부의 음극 단자에 연결되는 음극 단자, 및 접지에 연결되는 중간점 단자를 구비하는 적어도 하나의 출력부;
    상기 입력부와 상기 출력부의 연결 여부를 결정하는 적어도 하나의 스위칭부;
    상기 출력부내 양극 단자와 상기 중간점 단자 사이에 인가되는 제1 전압과, 상기 음극 단자와 상기 중간점 단자 사이에 인가되는 제2 전압을 검출하는 선간 전압 검출부; 및
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압간 전압차가 기 설정값 이상이면 누설 전류 발생을 확인하고, 상기 스위칭부를 동작 제어하는 누설 전류 감지부를 포함하며,
    상기 입력부는 상기 양극 단자와 상기 음극 단자 사이에 직렬 연결되는 제1 및 제2 임피던스로 표현되는 등가 회로를 가지며, 상기 양극 단자와 접지 사이의 공기와 상기 음극 단자와 접지 사이의 공기는 제1 및 제2 임피던스로 작용하며,
    상기 선간 전압 검출부는 상기 제1 및 제2 임피던스 각각에 인가되는 전압값을 상기 제1 및 제2 전압으로 측정하는 것을 특징으로 하는 누설 전류 감지 기능을 갖는 에너지 저장 장치.
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