KR102308220B1 - Soc 밸런싱 장치를 포함한 고전압형 레독스 흐름전지 - Google Patents

Soc 밸런싱 장치를 포함한 고전압형 레독스 흐름전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직렬 연결된 복수 개의 모듈(1001, 1002, 1003, ...100n); 및 상기 복수 개의 모듈(1001, 1002, 1003, ...100n)의 방전량(SOC)을 모니터링하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하고, 상기 모듈(1001) 각각은 스택(10), 양극 전해질 탱크(30a), 양극 전해질 탱크(30a)의 양극 전해질을 스택(10)으로 제공하기 위한 양극 펌프(20a), 양극 전해질 펌프(20a)와 상기 스택(10)을 연결하는 양극 입구 배관(21a), 상기 스택(10)과 상기 양극 전해질 탱크(30a)를 연결하는 양극 출구 배관(11a), 상기 양극 전해질 탱크(30a)와 상기 양극 전해질 펌프(20a)를 연결하는 양극 탱크 출구 배관(31a), 음극 전해질 탱크(30b), 음극 전해질 탱크(30b)의 음극 전해질을 스택(10)으로 제공하기 위한 음극 펌프(20b), 상기 음극 전해질 펌프(20b)와 상기 스택(10)을 연결하는 음극 입구 배관(21b), 상기 스택(10)과 상기 음극 전해질 탱크(30b)를 연결하는 음극 출구 배관(11b) 및 상기 음극 전해질 탱크(30b)와 상기 음극 전해질 펌프(20b)를 연결하는 음극 탱크 출구 배관(31b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 밸런싱 장치를 포함한 고전압형 레독스 흐름전지에 관한 것이다.

Description

SOC 밸런싱 장치를 포함한 고전압형 레독스 흐름전지 {High Voltage Redox Flow Battery Including SOC Balancing Device}
본 발명은 SOC 밸런싱 장치를 포함한 고전압형 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
RFB (레독스 흐름 전지)는 양극 전해질 탱크(30a)에 보관된 양극 전해질을 양극 전해질 펌프(20a)에 의해 스택(10)에 공급하고, 스택(10)에서의 양극 전해질은 출구 배관(11a)를 통해 양극 전해질 탱크(30a)로 보내진다 (도 1b).
마찬가지로, 음극 전해질 탱크(30b)에 보관된 음극 전해질을 음극 전해질 펌프(20b)에 의해 스택(10)에 공급하고, 스택(10)에서의 음극 전해질은 출구 배관(11b)를 통해 음극 전해질 탱크(30b)로 보내진다.
RFB (레독스 흐름 전지)는 전해질이 별도로 분리된 탱크(30a, 30b)에 저장되며 탱크 안에 저장된 액체 상태의 전해질이 스택(10a, 10b, 10c)를 구성하는 셀(9)내부를 순환하며 충방전이 이루어지는 구조를 가지고 있다.
이때 같은 탱크를 공유하고 있는 스택 내부의 셀은 공통 유로로 연결이 되게 되는데 전해질이 도체로 작용하기 때문에 전해질을 통하여 원하지 않는 전류가 흐르게 되며 이를 누설 전류라고 하고 누설 전류(도 1a)로 인한 손실을 션트 손실이라고 한다.
누설 전류가 발생하게 되면 시스템의 전류 효율이 떨어지며 셀간의 전압 편차가 생기는 등의 문제가 일어나므로 누설 전류의 크기를 최소화 하는 것은 RFB 설계에 있어서 중요하다.
누설 전류의 크기는 전압차가 커질수록 커지며 유로내 전해질의 저항이 작을수록 커진다. 즉, 직렬연결된 셀의 개수가 많아질수록 누설 전류가 커지며 유로의 구경이 커지고 길이가 짧아질수록 큰 누설 전류가 발생한다.
하지만 누설 전류를 줄이기 위하여 유로의 전기적인 저항을 높일 경우 유체 저항도 함께 높아져 펌프에서의 손실이 커지는 단점을 가지고 있어 유로 설계에 있어 누설 전류 및 펌프 손실 간의 균형을 잡는 것이 중요하다.
RFB의 누설전류를 줄이기 위하여 직렬 연결된 셀 개수를 줄이는 것이 유리하나 그리드에 연결하려면 3상 380V 기준 DC 600V 이상의 출력 전압을 가져야 직류 전원을 교류 전원으로 변환할수 있다. 이러한 전력 변환 장치의 효율은 일반적으로 출력 전압이 높을수록 높아진다.
누설전류의 발생 때문에 RFB 셀을 직렬 연결하여 600V 이상의 고전압으로 만들기는 매우 어려우며 일반적으로 직렬 연결된 셀 개수를 줄이고 DC/DC 컨버터 등을 이용하여 그리드에 연계하는 방법을 사용한다.
하지만 승압비가 높은 DC/DC 컨버터의 가격이 높아 시스템 비용이 증가하며 DC/DC 컨버터의 변환 효율 때문에 시스템 효율이 감소하는 단점이 있다.
만일 전해질을 공유하지 않는 서로 다른 모듈을 직렬 연결한다면 모듈 간에는 누설전류가 없어 시스템을 고전압화하는 것이 가능하다.
하지만 이 경우 모듈간 SOC를 같게 유지할 수 없어 방전 용량이 줄어드는 문제가 발생한다.
공개 특허 제10-2013-0123098호 (2013.11.12)
본 발명은 전해질을 공유하지 않는 다수의 RFB 모듈(1001, 1002, 1003, ...100n)을 직렬 연결해서 출력 전압을 높여 전력 변환 효율을 높이고 전력 변환 장치의 비용을 줄이고자 한다.
또한, 본 발명에서 RFB에 최적화된 SOC 밸런싱 장치 및 그 운영 알고리즘을 적용하고 직렬 연결된 모듈간 SOC를 균일하게 하여 방전 용량을 극대화하고자 한다.
본 발명은 직렬 연결된 복수 개의 모듈(1001, 1002, 1003, ...100n); 및 상기 복수 개의 모듈(1001, 1002, 1003, ...100n)의 방전량(SOC)을 모니터링하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하고, 상기 모듈(1001) 각각은 스택(10), 양극 전해질 탱크(30a), 양극 전해질 탱크(30a)의 양극 전해질을 스택(10)으로 제공하기 위한 양극 펌프(20a), 양극 전해질 펌프(20a)와 상기 스택(10)을 연결하는 양극 입구 배관(21a), 상기 스택(10)과 상기 양극 전해질 탱크(30a)를 연결하는 양극 출구 배관(11a), 상기 양극 전해질 탱크(30a)와 상기 양극 전해질 펌프(20a)를 연결하는 양극 탱크 출구 배관(31a), 음극 전해질 탱크(30b), 음극 전해질 탱크(30b)의 음극 전해질을 스택(10)으로 제공하기 위한 음극 펌프(20b), 상기 음극 전해질 펌프(20b)와 상기 스택(10)을 연결하는 음극 입구 배관(21b), 상기 스택(10)과 상기 음극 전해질 탱크(30b)를 연결하는 음극 출구 배관(11b) 및 상기 음극 전해질 탱크(30b)와 상기 음극 전해질 펌프(20b)를 연결하는 음극 탱크 출구 배관(31b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 SOC 밸런싱 장치를 포함한 고전압형 레독스 흐름전지에 관한 것이다.
또한, 본 발명에서 상기 모듈(1001) 각각은 상기 양극 입구 배관(21a)과 상기 음극 출구 배관(11b)을 연결하는 제1 연결 배관(22a), 상기 음극 입구 배관(21b)과 상기 양극 출구 배관(11a)을 연결하는 제2 연결 배관(22b) 및 양극 전해질 탱크(30a)와 음극 전해질 탱크(30b)를 연결하는 제3 연결 배관(33)을 포함하고, 상기 제1 내지 제3 연결 배관(22a, 22b, 33)에는 제1 내지 제3 자동 밸브(23a, 23b, 33a)가 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 복수개의 전체 모듈 수는 1) 스택(10)의 최저전압 x (전체 모듈수 - 1) > 미리 설정된 PCS (Power Control System)의 변환가능 최저전압 및 2) 스택(10)의 최고전압 x 전체모듈 수 < 미리 설정된 PCS의 변환가능 최고전압
와 같이 상기 1) 및 2)의 조건을 구비할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 레독스 흐름 전지는 각 모듈과 병렬로 연결된 복수의 DC/DC 컨버터(2001, 2002, 2003, ...200n)를 포함하고, 상기 복수의 DC/DC 컨버터(2001, 2002, 2003, ...200n)의 출력단은 공통의 버스바(300)에 연결되고, 배터리 관리 시스템(BMS)는 충전과 방전 중 각 모듈의 SOC를 실시간으로 모니터링 하면서 각 모듈에 가해지는 전류가 다음의 식
In = I + I x dIn
(In: n번째 모듈에 걸리는 전류, I: 시스템 전류, dIn: 추가하거나 뺄 전류)
- 충전:
Figure 112020142424991-pat00001
(SOCavg: 가용가능한 모듈의 평균 SOC, SOCn: n번째 모듈의 SOC)
- 방전:
Figure 112020142424991-pat00002
(SOCavg: 가용가능한 모듈의 평균 SOC, SOCn: n번째 모듈의 SOC)
을 만족하도록 할 수 있다.
본 발명에서는 전해질을 공유하지 않는 다수의 RFB 모듈(1001, 1002, 1003, ...100n)을 직렬 연결하여 출력 전압을 높여 전력 변환 효율을 높이고 전력 변환 장치의 비용을 줄일 수 있게 하였다.
또한, 본 발명에서 레독스 흐름 전지의 다수의 모듈에 최적화된 SOC 밸런싱 장치 및 그 운영 알고리즘을 적용하여 직렬 연결된 모듈간 SOC를 균일하게 하여 방전 용량을 극대화할 수 있게 하였다.
본 발명에서는 전력 변환 장치의 변환 효율 증가로 시스템 효율을 증가하게 하였으며 고출력 DC/DC 컨버터 제거로 원가 절감하였다.
도 1a는 다수의 셀(9)을 구비한 하나의 스택에서의 누설 전류를 설명하는 도면이다.
도 1b는 다수의 스택을 구비한 종래 레독스 흐름 전지의 하나의 모듈의 개념도이다.
도 2는 본 발명 레독스 흐름 전지 구성도이다.
도 3a은 본 발명에서 제1 모듈(1001)의 구성도이다.
도 3b은 도 3a에서 다수의 스택(10a, 10b, 10c)을 구비하는 상태의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서는 도 3b에서 처럼 병렬 연결된 다수의 스택(10a, 10b, 10c)으로 구성된 모듈(1001)이 도 2에서 처럼 전기적으로 복수 개(1001, 1002, 1003, ...100n) 직렬 연결된 레독스 흐름 전지이다.
상기 직렬 연결한 모듈의 경우 모듈 중 하나라도 고장이 나면 그 라인 전체를 중지시켜야 하므로 예비용 모듈 1대를 포함한다.
아래 공식을 만족시키도록 예비 모듈을 포함한 직렬연결된 모듈 수를 결정한다.
스택의 최저전압 X (전체모듈수 - 1) > PCS (Power Control System)의 변환가능 최저전압
스택의 최고전압 X 전체모듈 수 <PCS의 변환가능 최고전압
예를 들어 380V 3상용 PCS의 변환가능 전압 범위는 600-1000V 이므로 만일 스택 (스택은 병렬 연결되어 있으므로 하나의 모듈의 출력은 하나의 스택 전압과 동일)의 최저/최고전압이 각각 40/60V라면 모듈은 16개로 구성하여 출력 전압 은 640/960V 로 되는 것이 바람직하다.
이 경우 모듈이 하나 고장난다고 하더라도 전체 최저전압은 600V로 변환가능 전압 범위에 포함 될 것이다.
하나의 모듈이 고장나거나 유지 보수가 필요한 경우 이를 수동/혹은 자동으로 바이패스시킬 수 있는 바이패스 회로(1091, 1092 ..... 109n)를 포함한다.
시스템은 다음의 패시브 밸런싱과 액티브 밸런싱 장치 중 적어도 하나를 포함한다.
패시브 밸런싱은 도 3a [다수의 스택 (10a, 10b, 10c)를 하나의 스택(10)으로 간략화함] 및 도 3b 에서 처럼 각각의 모듈(1001)은 양극과 음극간 전해질을 섞어주는 리믹싱 배관 및 자동조절되는 밸브를 포함한다.
즉, 본 발명에서는 양극 펌프(20a)로부터 스택(10)으로 양극 전해질을 공급하는 양극 입구 배관(21a)과 스택(10)으로부터 음극 전해질을 음극 탱크(30b)로 보내는 음극 출구 배관(11b)을 연결하는 제1 연결 배관(22a), 음극 펌프(20b)로부터 스택(10)으로 음극 전해질을 공급하는 음극 입구 배관(21b)과 스택(10)으로부터 양극 전해질을 양극 탱크(30a)로 보내는 양극 출구 배관(11a)을 연결하는 제2 연결 배관(22b), 및 양극 전해질 탱크(30a)와 음극 전해질 탱크(30b)를 연결하는 제3 연결 배관(33)을 포함한다.
또한, 제1 내지 제3 연결 배관(22a, 22b, 33)에는 제1 내지 제3 자동 밸브(23a, 23b, 33a)가 설치되어 개폐를 자동으로 조절할 수 있다.
제1 내지 제2 자동밸브(23a, 23b)가 열릴 경우 제1 및 제2 연결 배관(22a, 22b)을 통해 전해질이 서로 다른 극으로 섞이면서 방전이 이루어지게 되고 에너지가 소모되며 밸브의 개폐 시간을 조정하면 방전량을 조정할 수 있다.
제3 연결 배관(22a, 22b, 33)은 한쪽 탱크의 수위가 높아지는 것을 방지하기 위한 수위 유지용 배관이며 탱크 등에 수위센서를 추가하여 한쪽 탱크의 수위가 기준보다 높아지거나 낮아질 경우 제3 자동밸브(33a)를 조정하는 안전 장치를 추가할 수 있다.
bms (배터리 관리 시스템: Battery Management System)는 직렬 연결된 RFB 모듈(1001, 1002, 1003, ...100n)로 구성된 시스템에서 충전중 각 모듈의 SOC 및 스택 전압을 모니터링하다가 특정 모듈의 SOC 혹은 스택 전압이 기준보다 높아질 경우 해당 모듈의 제1 내지 제2 자동밸브(23a, 23b)를 개폐하여 일부 방전시킴으로써 패시브 밸런싱을 구현할 수 있다.
이 때 밸브의 개폐 타이밍은 미리 실험을 통하여 얻은 테이블을 활용할 수도 있고 실시간으로 SOC 및 스택 전압을 모니터링하며 원하는 값에 도달할 경우 밸브를 다시 닫는 방법으로 구현할 수도 있다.
액티브 밸런싱은 다음과 같은 방법으로 구현한다. 각 모듈은 모듈과 병렬로 연결된 DC/DC 컨버터(2001, 2002, 2003, ...200n)를 포함한다. DC-DC 컨버터(2001, 2002, 2003, ...200n)의 출력단은 공통의 버스바(300)에 연결되어 특정 모듈의 에너지를 DC/DC 컨버터를 통하여 다른 모듈로 옮길 수 있는 구조를 갖는다.
BMS는 충전과 방전 중 각 모듈의 SOC를 실시간으로 모니터링 하면서 각 모듈에 가해지는 전류가 다음과 같아지도록 DC-DC 컨버터를 제어한다.
In = I + I x dIn
(In: n번째 모듈에 걸리는 전류, I: 시스템 전류, dIn: 추가하거나 뺄 전류)
- 충전:
Figure 112020142424991-pat00003
(SOCavg: 가용가능한 모듈의 평균 SOC, SOCn: n번째 모듈의 SOC)
방전:
Figure 112020142424991-pat00004
(SOCavg: 가용가능한 모듈의 평균 SOC, SOCn: n번째 모듈의 SOC)
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
9: 셀 10, 10a, 10b, 10c: 스택
11a: 양극 출구 배관 11b: 음극 출구 배관
20a: 양극 펌프 20b: 음극 펌프
21a: 양극 입구 배관 21b: 음극 입구 배관
30a: 양극 전해질 탱크 30b: 음극 전해질 탱크
31a: 양극 탱크 출구 배관 31b: 음극 탱크 출구 배관

Claims (5)

  1. 직렬 연결된 복수 개의 모듈(1001, 1002, 1003, ...100n); 및
    상기 복수 개의 모듈(1001, 1002, 1003, ...100n)의 방전량 (SOC)을 모니터링하는 배터리 관리 시스템 (BMS)을 포함하고,
    상기 모듈(1001) 각각은 스택(10), 양극 전해질 탱크(30a), 양극 전해질 탱크(30a)의 양극 전해질을 스택(10)으로 제공하기 위한 양극 펌프(20a), 양극 전해질 펌프(20a)와 상기 스택(10)을 연결하는 양극 입구 배관(21a), 상기 스택(10)과 상기 양극 전해질 탱크(30a)를 연결하는 양극 출구 배관(11a), 상기 양극 전해질 탱크(30a)와 상기 양극 전해질 펌프(20a)를 연결하는 양극 탱크 출구 배관(31a), 음극 전해질 탱크(30b), 음극 전해질 탱크(30b)의 음극 전해질을 스택(10)으로 제공하기 위한 음극 펌프(20b), 상기 음극 전해질 펌프(20b)와 상기 스택(10)을 연결하는 음극 입구 배관(21b), 상기 스택(10)과 상기 음극 전해질 탱크(30b)를 연결하는 음극 출구 배관(11b) 및 상기 음극 전해질 탱크(30b)와 상기 음극 전해질 펌프(20b)를 연결하는 음극 탱크 출구 배관(31b)를 포함하고,
    상기 복수개의 전체 모듈수는
    1) 스택(10)의 최저전압 x (전체 모듈수 - 1) > 미리 설정된 PCS (Power Control System)의 변환가능 최저전압 및 2) 스택(10)의 최고전압 x 전체모듈 수 < PCS의 변환가능 최고전압
    와 같이 상기 1) 및 2)의 조건을 구비하고,
    복수 개의 모듈(1001, 1002, 1003, ...100n)은 수동 또는 자동으로 바이패스 회로(1091, 1092, ... 109n)로 연결되어 문제가 발생한 모듈이 생긴 경우 문제가 발생한 모듈을 제외하고 나머지 모듈만으로 직렬 연결될 수 있고,
    레독스 흐름 전지는 각 모듈과 병렬로 연결된 복수의 DC/DC 컨버터(2001, 2002, 2003, ...200n)를 포함하고,
    상기 복수의 DC/DC 컨버터(2001, 2002, 2003, ...200n)의 출력단은 공통의 버스바(300)에 연결되고,
    배터리 관리 시스템(BMS)는 충전과 방전 중 각 모듈의 SOC를 실시간으로 모니터링 하면서 각 모듈에 가해지는 전류가 다음의 식
    In = I + I x dIn
    (In: n번째 모듈에 걸리는 전류, I: 시스템 전류, dIn: 추가하거나 뺄 전류)
    - 충전:
    Figure 112021502434544-pat00012
    (SOCavg: 가용가능한 모듈의 평균 SOC, SOCn: n번째 모듈의 SOC)
    - 방전:
    Figure 112021502434544-pat00013
    (SOCavg: 가용가능한 모듈의 평균 SOC, SOCn: n번째 모듈의 SOC)

    을 만족하도록 시스템을 제어하는 것을 특징으로 하는 SOC 밸런싱 장치를 포함한 고전압형 레독스 흐름전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 모듈(1001) 각각은 상기 양극 입구 배관(21a)과 상기 음극 출구 배관(11b)을 연결하는 제1 연결 배관(22a), 상기 음극 입구 배관(21b)과 상기 양극 출구 배관(11a)을 연결하는 제2 연결 배관(22b) 및 양극 전해질 탱크(30a)와 음극 전해질 탱크(30b)를 연결하는 제3 연결 배관(33)을 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 연결 배관(22a, 22b, 33)에는 제1 내지 제3 자동 밸브(23a, 23b, 33a)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 SOC 밸런싱 장치를 포함한 고전압형 레독스 흐름전지.


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