KR102318170B1 - 배터리팩을 이용한 에너지 저장장치 - Google Patents

배터리팩을 이용한 에너지 저장장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리팩을 이용하는 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 본 발명은 복수의 배터리팩; 상기 복수의 배터리팩 각각의 충전전력 및 방전전력의 크기를 조절하는 복수의 DC/DC 전력변환부; 상기 복수의 DC/DC전력변환부를 통해 방전되는 방전전력을 교류로 변환하여 그리드 또는 부하에 제공하거나, 상기 그리드로부터 유입되는 충전전력을 직류로 변환하여 상기 복수의 DC/DC전력변환부에 제공하는 AC/DC전력변환부; 상기 복수의 배터리팩 각각의 SOC 및 SOH를 포함하는 상태정보 및 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전시최대허용출력값을 포함하는 부가정보, 상기 AC/DC전력변환부의 정격전력에 기반하여 상기 복수의 DC/DC 전력변환부를 개별적으로 제어하는 통합제어부를 포함하고, 상기 통합제어부는, 상기 복수의 배터리팩 각각의 완전충전시간 간의 차이 또는 완전방전시간 간의 차이를 최소화하도록, 상기 복수의 DC/DC전력변환부를 개별적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리팩을 이용한 에너지 저장장치{ENERGY STORAGE SYSTEM USING BATTERY PACK}
본 발명은 전기자동차에 사용되는 배터리팩을 이용한 에너지 저장장치(ESS, Energy Storage System)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기자동차용 사용 후 추출된 배터리팩을 이용하여 에너지를 저장하는 에너지 저장장치에 관한 것이다.
전기자동차 산업의 성장에 따라 전기자동차에 사용되는 배터리(EV사용후배터리팩)의 재사용 및 재활용 산업은 배터리기술이 가지는 에너지 저장을 통한 다양한 용도로 활용할 수 있다는 점과 배터리의 내부 원소재를 회수하여 재 활용할 수 있다는 점에서 이러한 재사용 및 재활용 산업은 현 이차전지 산업의 순환구조에서 매우 중요하게 인식되고 있다.
특히, 전기자동차에 사용되는 배터리는 재사용이라는 카테고리 산업으로 점진적으로 진입하고 있으며 에너지 저장장치에 사용할 수 있는 다양한 기술이나 방법들에 대해서 다양한 연구기관이나 기업들이 참여하고 있으며, 배터리 상태 분석을 통해 수명 및 특성 별로 분류해서 사용하는 방식 등이 개발되고 있는 추세이다. 국내의 경우, 초기에 보급되었던 전기자동차 모델들은 2021년경부터 순차적으로 EV사용후 배터리 상태로 재사용 시장에서 활용이 될 것으로 정부 및 전문기관들은 예상하고 있고, 그러한 준비를 하고 있다.
이러한 EV 사용후 배터리팩을 이용한 에너지 저장장치의 후방 산업은 EV 시장의 성장에 따라 더욱 가속화될 것으로 기대되고 있다.
전기자동차의 보급에 따라 EV사용후배터리팩(또는 사용후 배터리)가 기존에 사용되고 있는 일반적인 방식의 에너지 저장장치로 재사용될 경우, 배터리 별 분류 및 분석만으로는 한계가 있을 수 있다.
서로 다른 환경에서 사용되는 EV 사용후 배터리팩들의 조합은 서로 다른 SOH 상태로 인해서 서로 다른 충전 및 방전 특성을 나타낸다. 즉, 서로 다른 에너지 량을 가진 다양한 EV사용후배터리팩이 하나의 에너지 저장장치에 설치하여 사용을 할 경우 사용 방법에 있어 각각의 EV사용후배터리팩의 특성을 반영한 출력 제어 기술이 필요하며 EV사용후배터리팩의 상태와 무관하게 하나 이상의 EV사용후배터리팩을 연결하고 운영을 하더라도 EV사용후배터리팩의 특성을 반영하여 출력 제어를 할 수 있는 기술이 필요하다.
만일 서로 다른 SOH 상태의 EV사용후배터리팩을 분류하지 않고 에너지 저장장치에 사용할 경우 SOH가 가장 낮은 EV사용후배터리팩의 충전 및 방전 특성을 나머지 EV사용후배터리팩들은 따라가게 된다. 충전 및 방전 잔량을 SOH(State of Health, 사용회수)로 표시하는데 예를 들어, SOH 100%인 배터리의 경우 5,000회를 사용할 수 있고 완전방전에서 완전충전 또는 완전충전에서 완전방전까지 소요되는 시간이 1시간이라고 할 경우 SOH 50%인 EV사용후배터리팩은 2,500회를 사용할 수 있고 충전과 방전에 소요되는 시간은 30분으로 줄어든 상태라고 할 수 있다. 따라서 SOH 100%와 50%를 가진 각각의 EV사용후배터리팩을 에너지 저장장치(ESS)에 적용할 경우 일반적으로 SOH 100%를 가진 배터리는 SOH 50%를 가진 배터리의 충전 및 방전에 따른 운전 특성을 따라가게 되므로 완전충전 및 완전방전까지 최대 30분 정도만 사용할 수 있으므로 효율적으로 운전하는데 한계가 있다. 따라서 EV사용후배터리팩의 재사용을 위해서는 이러한 서로 다른 형태 및 사양을 가진 EV사용후배터리팩 및/또는 서로 다른 SOH 상태의 하나 이상의 EV사용후배터리팩을 에너지 저장장치로 사용할 때 효율적으로 사용할 수 있는 방법은 ESS 재사용 산업에서 매우 중요한 기술이라 할 수 있다.
이를 해결하기 위한 에너지 저장시스템으로서, 대한민국 특허출원 제10-2018-0131558호는 폐배터리 기반의 에너지 저장 시스템을 개시한다. 상기 에너지 저장 시스템은, 폐배터리 각각의 상태를 모니터링하여, 에너지 저장능력이 낮은 배터리부터 순차적으로 충전하고, 배터리 방전시에는 폐배터리 모두를 일괄 방전시키는 구성을 개시하고 있다.
상기 특허에 따르면, 어느 하나의 배터리가 완충되었을 때, 다른 배터리가 완충되지 못하는 문제점을 해결할 수 있지만, 에너지 저장능력이 낮은 배터리부터 순차적으로 충전시키므로, 충전시간이 길어지게 되는 문제가 존재한다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치는, 복수의 배터리팩; 상기 복수의 배터리팩 각각의 충전전력 및 방전전력의 크기를 조절하는 복수의 DC/DC 전력변환부; 상기 복수의 DC/DC전력변환부를 통해 방전되는 방전전력을 교류로 변환하여 그리드 또는 부하에 제공하거나, 상기 그리드로부터 유입되는 충전전력을 직류로 변환하여 상기 복수의 DC/DC전력변환부에 제공하는 AC/DC전력변환부; 상기 복수의 배터리팩 각각의 SOC 및 SOH를 포함하는 상태정보 및 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전시최대허용출력값을 포함하는 부가정보, 상기 AC/DC전력변환부의 정격전력에 기반하여 상기 복수의 DC/DC 전력변환부를 개별적으로 제어하는 통합제어부를 포함하고, 상기 통합제어부는, 상기 복수의 배터리팩 각각의 완전충전시간 간의 차이 또는 완전방전시간 간의 차이를 최소화하도록, 상기 복수의 DC/DC전력변환부를 개별적으로 제어한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 통합제어부는, 상기 복수의 배터리팩 각각의 상태정보 및 부가정보, 상기 AC/DC전력변환부의 정격전력을 획득하는 상태정보획득부; 상기 복수의 배터리팩 각각의 상태정보, 부가정보 및 상기 AC/DC전력변환부의 정격전력에 기반하여 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전전력을 산출하는 충방전전력산출부; 및 상기 산출된 배터리팩 각각의 충방전전력에 기반하여 상기 복수의 DC/DC전력변환부를 제어하는 충방전전력제어부를 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 충방전전력산출부는, 상기 복수의 배터리팩 각각의 SOH 및 SOC에 기반하여 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전가능시간을 산출하는 충방전가능시간산출부; 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전가능시간 중 가장 큰 충방전가능시간을 충방전가능기준시간으로 설정하는 충방전가능기준시간설정부; 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전가능시간을 상기 충방전가능기준시간으로 나누어 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전비율을 산출하는 충방전비율산출부; 상기 AC/DC전력변환부의 정격전력값을 상기 배터리 각각의 충방전비율을 모두 합산한 값으로 나눈 값에, 상기 배터리팩 각각의 충방전비율을 곱하여 상기 복수의 배터리팩 각각에 대한 보정출력값을 산출하는 보정출력산출부; 상기 복수의 배터리팩 각각에 대해 산출된 보정출력값이 상기 복수의 배터리팩 각각에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값을 초과하는지 판단하는 최대허용출력값판단부; 상기 복수의 배터리팩 각각의 보정출력값이 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전시최대허용출력값을 모두 초과하지 않은 경우, 상기 복수의 배터리팩 각각의 보정출력값을 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전전력으로 결정하는 제1 충방전전력설정부를 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 충방전전력산출부는, 상기 복수의 배터리팩 각각의 보정출력값 중 적어도 하나의 제1 배터리팩의 보정출력값이 상기 복수의 배터리팩 각각에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값을 초과하는 경우, 상기 적어도 하나의 제1 배터리팩의 충방전시최대허용출력값을 상기 적어도 하나의 제1 배터리팩의 충방전전력으로 설정하고, 상기 적어도 하나의 제1 배터리팩의 충방전시최대허용출력값과 충방전전력 간의 차이에 해당하는 전력을 상기 적어도 하나의 제1 배터리팩을 제외한 적어도 하나의 제2 배터리팩의 보정출력값에 더한 값을 상기 제2 배터리팩의 충방전전력으로 설정하는 제2 충방전전력설정부를 더 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 통합제어부는, 상기 복수의 패터리팩 중 적어도 하나의 제3 배터리팩의 충방전이 불가할 때, 상기 제3 배터리팩을 제외한 나머지 배터리팩 각각의 충방전전력을 산출하고, 상기 산출된 복수의 배터리팩 각각의 충방전전력에 기반하여 상기 복수의 DC/DC전력변환부를 제어한다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치는, 복수의 배터리팩; 상기 복수의 배터리팩 각각의 충전전력 및 방전전력의 크기를 조절하는 복수의 DC/DC 전력변환부; 상기 복수의 DC/DC전력변환부를 통해 방전되는 방전전력을 교류로 변환하여 그리드 또는 부하에 제공하거나, 상기 그리드로부터 유입되는 충전전력을 직류로 변환하여 상기 복수의 DC/DC전력변환부에 제공하는 AC/DC전력변환부; 상기 복수의 배터리팩 각각의 SOC 및 SOH를 포함하는 상태정보 및 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전시최대허용출력값을 포함하는 부가정보, 상기 AC/DC전력변환부의 정격전력에 기반하여 상기 복수의 DC/DC 전력변환부를 개별적으로 제어하는 통합제어부를 포함하고, 상기 통합제어부는, 상기 복수의 배터리팩 각각의 완전충전시간 간의 차이 또는 완전방전시간 간의 차이를 최소화하도록, 상기 복수의 DC/DC전력변환부를 개별적으로 제어한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 통합제어부는, 상기 복수의 배터리팩 각각의 상태정보 및 부가정보, 상기 AC/DC전력변환부의 정격전력을 획득하는 상태정보획득부; 상기 복수의 배터리팩 각각의 상태정보, 부가정보 및 상기 AC/DC전력변환부의 정격전력에 기반하여 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전전력을 산출하는 충방전전력산출부; 및 상기 산출된 배터리팩 각각의 충방전전력에 기반하여 상기 복수의 DC/DC전력변환부를 제어하는 충방전전력제어부를 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 충방전전력산출부는, 상기 복수의 배터리팩 각각의 SOH 및 SOC에 기반하여 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전가능시간을 산출하는 충방전가능시간산출부; 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전가능시간 중 가장 큰 충방전가능시간을 충방전가능기준시간으로 설정하는 충방전가능기준시간설정부; 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전가능시간을 상기 충방전가능기준시간으로 나누어 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전비율을 산출하는 충방전비율산출부; 상기 AC/DC전력변환부의 정격전력값을 상기 배터리 각각의 충방전비율을 모두 합산한 값으로 나눈 값에, 상기 배터리팩 각각의 충방전비율을 곱하여 상기 복수의 배터리팩 각각에 대한 보정출력값을 산출하는 보정출력산출부; 상기 복수의 배터리팩 각각에 대해 산출된 보정출력값이 상기 복수의 배터리팩 각각에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값을 초과하는지 판단하는 최대허용출력값판단부; 상기 복수의 배터리팩 각각의 보정출력값이 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전시최대허용출력값을 모두 초과하지 않은 경우, 상기 복수의 배터리팩 각각의 보정출력값을 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전전력으로 결정하는 제1 충방전전력설정부를 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 충방전전력산출부는, 상기 복수의 배터리팩 각각의 보정출력값 중 적어도 하나의 제1 배터리팩의 보정출력값이 상기 복수의 배터리팩 각각에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값을 초과하는 경우, 상기 적어도 하나의 제1 배터리팩의 충방전시최대허용출력값을 상기 적어도 하나의 제1 배터리팩의 충방전전력으로 설정하고, 상기 적어도 하나의 제1 배터리팩의 충방전시최대허용출력값과 충방전전력 간의 차이에 해당하는 전력을 상기 적어도 하나의 제1 배터리팩을 제외한 적어도 하나의 제2 배터리팩의 보정출력값에 더한 값을 상기 제2 배터리팩의 충방전전력으로 설정하는 제2 충방전전력설정부를 더 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 통합제어부는, 상기 복수의 패터리팩 중 적어도 하나의 제3 배터리팩의 충방전이 불가할 때, 상기 제3 배터리팩을 제외한 나머지 배터리팩 각각의 충방전전력을 산출하고, 상기 산출된 복수의 배터리팩 각각의 충방전전력에 기반하여 상기 복수의 DC/DC전력변환부를 제어한다.
본 발명에 의하면, 서로 다른 상태의 하나 이상의 배터리팩을 이용하여 에너지 저장장치에 사용할 수 있는 기술을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 통합제어기능을 이용하여 배터리팩의 상태에 관계없이 에너지 저장장치에 사용이 가능하므로, 전기자동차에서 사용되고 추출된 배터리팩을 재사용함으로써 산업 활성화에 기여할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 에너지 저장장치에 적용되는 전기자동차에서 사용되고 추출된 배터리팩은 기존의 에너지저장장치(ESS)에 사용되는 배터리 보다는 매우 엄격한 기술 기준으로 제작 및 사용이 되고 있으며 냉매 쿨링 방식 등을 사용하기 때문에 기존의 에너지저장장치에 사용되는 배터리의 온도제어 방식대비 매우 온도 편차가 작고, 통상적인 목표 온도인 25도에 매우 가깝게 운전할 수 있으며, 충격에 매우 강한 구조를 가지고 있으며, 완전 방수 등의 밀폐 기능을 갖는다. 따라서 이러한 배터리팩을 적용한 에너지 저장장치는 일반적인 에너지 저장장치보다 다양한 용도로 사용이 가능하기 때문에 새로운 산업에도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 에너지 저장장치는, 전기자동차의 BMS에서 측정되는 SOH 및 SOC 상태만 확인되면, 전기자동차에서 분리되어 추출된 배터리팩을 바로 사용할 수 있다. 종래의 경우 배터리팩은 전기자동차에서 분리된 후에, 분석기관 및 업체에서 배터리팩의 현재 상태를 측정하고 배터리팩을 종류별로 분류하는 등의 복잡한 과정을 거쳐서 조립이 되는데, 본 발명의 저장장치는 이와 같은 복잡한 과정 없이 바로 사용할 수 있는 장점이 있다. 다만, BMS의 통신 매칭 등에 대한 보완작업은 제조사와의 논의를 거쳐 진행될 뿐, 기술적인 통신 호환 문제는 없다고 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 배터리팩을 이용한 에너지 저장장치는 트럭 등을 이용해서 이동이 가능할 만큼 견고하기 때문에, 공사 현장에서 이동 전원이 필요한 경우, 야외 행사에 이동 전원이 필요한 경우, 건물 내 이동형 비상전원이 필요한 경우, EV충전이 필요한 곳에 이동형 독립 전원 등의 다양한 용도로 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩을 이용한 에너지 저장장치의 기본적인 구성을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 에너지 저장장치에 적용될 수 있는 전기차용 배터리팩의 사양을 예로 들어 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 DC/DC전력변환부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 AC/DC전력변환부, DC/DC전력변환부의 제어부의 연결관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 DC/DC전력변환부가 모듈화된 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 통합제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 충방전전력산출부를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 배터리팩을 이용한 에너지저장시스템의 구동방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 8의 에너지 저장장치의 구동방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 일부 배터리의 탈락 시 남은 배터리팩으로 에너지 저장장치를 운전하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10의 남은 배터리팩으로 에너지 저장장치를 운전하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 하나 이상의 배터리팩들의 SOC가 다를 경우 가장 높은 SOC를 가진 배터리팩을 기준으로 Active-충전 SOC-밸런싱 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 하나 이상의 배터리팩들의 SOC가 다를 경우 가장 낮은 SOC를 가진 배터리팩을 기준으로 Active-방전 SOC-밸런싱 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 하나 이상의 배터리팩들의 SOC가 다를 경우 중간 값을 가지는 SOC를 가진 배터리팩을 기준으로 Active SOC-밸런싱 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 실시 예를 보여주는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 내용을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 실시 예를 보여주는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 내용을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등 물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 배터리팩을 이용한 에너지 저장장치는 기본적으로 전기자동차에서 사용된 배터리팩을 이용한다. 구체적으로 전기자동차에서 사용되고 추출된 배터리팩을 이용한다. 이때 배터리팩은 서로 SOH, SOC를 갖는 서로 다른 상태의 배터리팩일 수 있다. 본 발명은 서로 SOH, SOC를 갖는 서로 다른 상태의 배터리팩를 이용하여 에너지 저장장치를 구성할 수 있다.
이외에도 본 발명은 전기자동차에서 사용전 또는 사용중인 하나 이상의 배터리일 수 있다. 이 외에도 다른 형태의 배터리팩을 이용할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리팩을 이용한 에너지 저장장치의 기본적인 구성을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리팩을 이용한 에너지 저장장치(10)는, 복수의 배터리팩(120), 복수의 DC/DC전력변환부(110), AC/DC전력변환부(130), 통합제어부(140), 그리고 원격제어부(150)를 포함한다.
배터리팩(120)은, 적어도 하나로 구비되어 전력을 저장하거나 전력을 공급하기 위한 에너지 저장장치이다.
본 발명에서 배터리팩(120)은 전기자동차(EV)에서 사용된 전기자동차용 배터리팩을 의미한다. 물론 본 발명의 에너지 저장장치는 사용되지 않은 전기자동차용 배터리팩이나, 전기자동차용이 아닌 배터리팩을 사용할 수도 있다.
배터리팩(120) 각각에는 배터리팩을 관리하는 배터리관리시스템(BMS, Battery Management System, 121)이 구비된다. 배터리관리시스템(121)는 DC/DC전력변환부(110)의 제어부(141)과 연결되며, DC/DC전력변환부(110)의 제어부(141)에 BMS정보를 제공하거나, 제어부(141)의 제어 하에 배터리팩(120)을 제어하는 기능을 수행한다.
도 2는 도 1의 에너지 저장장치에 적용될 수 있는 전기차용 배터리팩의 사양을 예로 들어 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 배터리팩의 사양 자료는, 현재 운행중인 전기자동차 제조사에서 공개한 사양자료에 관한 것이다. 도 2를 참조하면, 현대자동차와 기아자동차의 배터리팩의 기본 사양을 살펴본다면 배터리팩의 전력은 100KW 급 출력을 사용할 수 있기 때문에 소형 에너지 저장장치가 아닌 100KW 급 이상의 에너지 저장장치로 사용되는 것이 바람직하다.
배터리팩은 전기자동차에 사용 예정이거나, 사용 중이거나, 사용이 되었던 배터리팩일 수 있다. 따라서 본 발명의 에너지 저장장치에 사용되는 복수의 배터리팩 각각은 SOC, SOH 상태가 모두 다를 확률이 매우 높다.
따라서 본 발명의 에너지 저장장치(10)가 서로 다른 상태의 복수의 배터리팩(120)를 사용하기 위해서는, 본 발명의 에너지 저장장치(10)는 각각의 배터리팩(120)마다 각각의 배터리팩(120) 상태를 반영하여 충방전전력을 조절할 수 있는 DC/DC전력변환부(110)를 포함한다.
또한 본 발명의 에너지 저장장치(10)는 DC/DC전력변환부(110)를 이용하여 전기자동차에서 사용된 배터리팩의 전압대는 350V 수준이므로 일반적인 100KW 이상의 AC/DC전력변환부(130)의 DC측 운영전압 600V와 맞추기 위해서도, DC/DC전력변환부(110)가 필요하다는 것을 알 수 있다.
앞으로 전기자동차용 배터리팩 모델이 더욱 많이 등장할 것으로 예상되며, 더 높은 전압 및 출력과 에너지를 가지는 다양한 종류의 배터리팩이 등장할 것으로 예상된다. 또한 본 발명의 에너지 저장장치(10)은 DC/DC전력변환부(110)를 이용하여 전기자동차에서 사용되고 추출된 다양한 배터리팩의 특성을 반영한 에너지 저장장치의 개발이 필요할 수 있다.
자동차용 배터리팩은 매우 엄격한 기준으로 제작되기 때문에 충격이나 진동 등으로부터 안전하다. 따라서 사용된 자동차용 배터리팩을 이용한 에너지 저장장치를 트럭과 같은 이동수단에 설치하여 이동가능한 에너지 저장장치로도 이용될 수도 있다.
DC/DC전력변환부(110)는 복수의 배터리팩(120)의 갯수와 대응되는 복수로 구비되며, DC/DC전력변환부(110)는 배터리팩(120)과 1:1로 연결된다. 그리고 복수의 DC/DC전력변환부(110)는 하나의 AC/DC전력변환부(130)에 연결된다.
DC/DC전력변환부(110)는 배터리팩(120)과 AC/DC전력변환부(130) 사이에 위치하여 입력되는 DC전력의 크기를 변환하여 DC전력으로 출력하는 역할을 수행한다.
구체적으로 DC/DC전력변환부(110)는 AC/DC전력변환부(130)으로부터 제공되는 DC형태의 충전전력의 크기를 변환하여 배터리팩(120)에 제공하거나, 배터리팩(120)으로부터 제공되는 DC형태의 방전전력의 크기를 변환하여 AC/DC전력변환부(130)에 제공한다.
DC/DC전력변환부(110)는 복수개로 구비되어 배터리팩(120) 각각과 연결되므로, 배터리팩(120) 각각은 서로 다른 크기의 DC전력을 입력받거나 출력할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 DC/DC전력변환부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, DC/DC전력변환부는 DC/DC모듈(111)과, 전력필터모듈(112)과, 차단부모듈(113), 그리고 제어부(141)을 포함한다.
DC/DC모듈(111)은 입력되는 직류전력을 다른 크기의 직류전력으로 변환하여 출력한다. 그리고 전력필터모듈(112)은 RLC 또는 LC회로로 구성되어 필터링 기능을 수행한다. 차단부 모듈(113)은 프리차지(Precharge) 기능과 전력차단기능을 수행한다.
제어부(141)는 DC/DC모듈(111), 전력필터모듈(122), 차단부모듈(113)을 제어한다. 제어부(141)는 통합제어부(140)와 연결되어, 통합제어부(140)에 배터리팩(120)의 양단 전력, 배터리팩(120)에 구비되는 BMS의 정보값 등을 포함하는 정보를 제공한다. 그리고 제어부(141)는 통합제어부(140)의 제어 하에 DC/DC모듈(111), 전력필터모듈(122), 차단부모듈(113)을 제어한다.
제어부(141)는, 배터리팩(120) 및 AC/DC전력변환부(130)의 현재상태를 측정하는 측정부(142)와, 현재상태를 기반으로 연산 및 제어를 수행하는 연산제어부(143), 필요할 경우 전력을 차단하거나 연결하는 차단부(144)를 포함한다.
측정부(142)는 DC/DC전력변환부(110)의 양단의 전력, 배터리팩(120)의 양단의 전력 등을 검출할 수 있으며, AC/DC전력변환부(130)의 전력 값을 읽어 들이거나 배터리팩(120)의 BMS값을 읽어들인다. 이외에 측정부(142)는 다양한 다양한 수단과 방법으로 상기 값들을 측정할 수 있다.
차단부(144)는 프리차지(Precharge)기능을 포함한 릴레이를 이용할 수 있는데, 턴 온 시 과전압 또는 과전류로 인한 회로손상을 해결할 수 있다. 또한 배터리팩에 문제가 발생하여 작동불능 시, 차단부(144)는 연산제어부(143)의 제어 하에 릴레이를 턴 오프시켜 해당 배터리팩을 제외시킬 수 있으며, 문제가 해결되어 정상상태로 회복된 경우, 릴레이를 턴 온 시켜 해당 배터리팩을 동작할 수 있다.
DC/DC전력변환부(110)에 구비되는 DC/DC전력변환 모듈(111), 전력필터 모듈(112) 및 차단부 모듈(113)은 일반적인 DC/DC전력변환 장치의 모듈로도 구비될 수 있다.
본 발명의 에너지 저장장치는, 배터리팩(120)과 1:1로 연결된 DC/DC전력변환부(110)를 이용하여, 적어도 하나의 서로 다른 상태의 배터리팩들의 충방전전력을 개별적으로 제어할 수 있다.
AC/DC전력변환부(130)는 에너지 저장장치(10)에 구비되는 전력변환장치(PCS. Power Conversion System)에 대응되는 구성으로서, AC/DC전력변환부(130)는 AC전력을 DC전력으로 변환하거나 DC전력을 AC전력으로 변환하는 기능을 수행한다. AC/DC전력변환부(130)는 복수의 DC/DC전력변환부(110), 그리드/부하(160), 통합제어부(140)와 연결된다.
AC/DC전력변환부(130)는 DC/DC전력변환부(110)를 통해 방전되는 직류형태의 방전전력을 교류형태의 전력으로 변환하여 부하(160)에 제공하거나, 그리드(160)로부터 유입되는 교류형태의 충전전력을 직류형태로 변환하여 DC/DC전력변환부(110)에 제공한다.
도 4는 도 1에 도시된 AC/DC전력변환부, DC/DC전력변환부의 제어부의 연결관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 하나의 AC/DC전력변환부(130)에 복수의 DC/DC전력변환부(110)가 연결되고, DC/DC전력변환부 각각에 배터리팩(120)이 연결된다.
본 발명에 따른 에너지 저장장치(10)에서, 하나의 AC/DC전력변환부(130)에 복수의 DC/DC전력변환부(110)가 연결된다. 본 발명의 에너지 저장장치(10)는 AC/DC전력변환부(130)의 출력에 대응되도록 배터리팩(120)의 상태에 따라 DC/DC전력변환부(110)를 이용하여 개별적으로 출력제어를 할 수 있다.
예를 들어, 동일한 50KW 출력을 가지는 배터리팩 10개를 연결할 경우, 50KW용 DC/DC 컨버터 10개를 연결한 500KW용 PCS에 배터리팩 10개를 연결하여 사용할 수 있다.
또는, 30KW 출력을 가지는 배터리팩 5개와 50KW 출력을 가지는 배터리팩 5개를 연결할 경우, 각각의 배터리팩마다 50KW용 DC/DC 컨버터를 연결하되, 30KW 출력을 가지는 5개의 배터리팩의 출력을 30KW로 조정한 후 400KW용 AC/DC전력변환부(130)에 연결하여 사용할 수 있다. 배터리팩이 추가되거나 제외되는 경우에, AC/DC전력변환부(130)의 정격전력에 맞추어 DC/DC전력변환부(110)의 출력을 조정함으로써 자유로운 배터리팩의 추가/제외가 가능하다.
도 5는 도 1에 도시된 DC/DC전력변환부가 모듈화된 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 복수의 DC/DC전력변환부(110)는 모듈형태로 구비되어 설치용랙(115)에 장착되어 설치될 수 있다. 이때 DC/DC전력변환부(110) 각각에는 제어부(141)가 포함된다.
복수의 DC/DC전력변환부(110)는 하나의 AC/DC전력변환부(130)와 DC-BUS전력선(116)을 통해 연결되며, 복수의 배터리팩(120) 각각은 DC전원선(117)을 통해 대응되는 DC/DC전력변환부(110)에 연결된다. 복수의 DC/DC전력변환부(110)는 서로 병렬로 연결되어 AC/DC전력변환부(130)와 연결된다.
본 발명에 따르면, 모듈형태의 DC/DC전력변환부(110)를 설치용랙(115)에 추가장착 또는 제거하는 것만으로 에너지 저장장치의 출력을 올리거나 용량을 늘릴 수 있다. 구성하고자 하는 에너지 저장장치의 출력과 용량을 정하고, 배터리팩의 단위 용량만 계산해서 필요한 DC/DC전력변환부(110)의 수량만 파악하면, 간단한 방법으로 필요한 에너지 저장장치를 구성할 수 있다.
이와는 달리, 배터리팩(120) 내에 DC/DC전력변환부(110)가 일체로 포함된 상태로 구비될 수도 있다. 내부에 DC/DC전력변환부(110)를 포함하는 배터리팩(120)의 경우, 배터리팩의 모델 및 상태와 무관하게 에너지 저장장치에 장착 연결할 수 있게 되며, 적어도 하나의 배터리팩을 연결하여 운전 중 일부 배터리팩이 탈락되더라도 남은 배터리팩을 이용하여 계속 운전할 수 있게 된다.
도 6은 도 1에 도시된 통합제어부를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 충방전전력산출부를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 통합제어부(140)는 복수의 배터리팩(120) 각각의 SOC 및 SOH를 포함하는 상태정보 및 복수의 배터리팩(120) 각각의 충방전시최대허용출력값을 포함하는 부가정보, AC/DC전력변환부(130)의 정격전력에 기반하여 복수의 DC/DC전력변환부(110)를 개별적으로 제어한다. 이때 통합제어부(140)는 복수의 배터리팩(120) 각각의 완전충전시간 간의 차이 또는 완전방전시간 간의 차이를 최소화하도록, 그리고 가장 이상적인 경우는 각각의 배터리팩(120)의 충전시간 또는 방전시간이 서로 동일하도록, 복수의 DC/DC전력변환부(110)를 개별적으로 제어한다.
통합제어부(140)는 상태정보획득부(1410), 충방전전력산출부(1420), 충방전전력제어부(1430)을 포함한다.
상태정보획득부(1410)는 복수의 배터리팩(120) 각각의 SOC 및 SOH를 포함하는 상태정보 및 복수의 배터리팩(120)각각의 충방전시최대허용출력값을 포함하는 부가정보, AC/DC전력변환부(130)의 정격전력을 획득한다.
상태정보 및 부가정보는 배터리팩의 C-rate에 따른 표준 충전시간 및 방전시간 등의 충방전시간, 현재의 SOH 값(%), 현재의 SOC 값(%), 배터리팩 전체 수, 배터리팩의 최대 충전 및/또는 방전가능 전력을 나타내는 충방전시최대허용출력값 중 적어도 하나를 포함한다.
상태정보 및 부가정보는 배터리팩의 BMS 정보 및 전기자동차용 배터리팩 제조사가 제시하는 사양자료 등으로부터 획득되거나, 일부는 전기자동차용 배터리의 BMS(121) 및 DC/DC전력변환부(110)에 구비되는 제어부(141), 그리고 통합제어부(140) 등에 의해 획득될 수 있다. 또는 상태정보획득부(1410)는 원격제어부(150)로부터 사용자에 의해 설정된 충방전시최대허용출력값을 획득할 수 있다.
충방전전력산출부(1420)는 복수의 배터리팩(120) 각각의 상태정보, 부가정보 및 AC/DC전력변환부(130)의 정격전력에 기반하여 복수의 배터리팩 각각의 충방전전력을 산출한다.
이때 충방전전력산출부(1420)는 복수의 배터리팩(120) 각각의 완전충전시간 간의 차이 또는 완전방전시간 간의 차이를 최소화하도록, 복수의 DC/DC전력변환부(110)의 충방전전력의 크기를 산출한다.
도 7을 참조하면, 충방전전력산출부(1420)은, 충방전가능시간산출부(141), 충방전가능기준시간설정부(1422), 충방전비율산출부(1423), 보정출력산출부(1424), 최대허용출력값판단부(1425), 제1 충방전전력설정부(1426), 제2 충방전전력설정부(1427)을 포함한다.
충방전가능시간산출부(1411)은, 상태정보에 포함된 복수의 배터리팩(120) 각각의 SOH 및 SOC에 기반하여 복수의 배터리팩(120) 각각의 충방전가능시간을 산출한다.
예를 들어, 어느 한 배터리팩의 SOH 100% 상태에서 SOC 0%에서 SOC 100%로 배터리팩을 충전하는 데 소요되는 시간이 충전시간이 100분이고, 현재 배터리팩의 SOH가 50%이고 SOC상태가 30%인 경우, 배터리팩을 완충하는 데 필요한 충방전가능시간은 35분으로 산출될 수 있다. 이러한 배터리 충방전시간을 산출하는 방법은 이미 알려진 기존의 방법을 이용할 수 있다.
한편 배터리팩의 수명을 연장하기 위해, 배터리팩의 최대충전시 SOCmax값과, 최대방전시 SOCmin값이 설정될 수 있다. 예를 들어, 배터리팩 충전 시 SOC값이 90%를 넘지 않게 SOCmax값이 설정되거나, 배터리팩 방전 시 SOC값이 10% 미만이 되지 않게 SOCmin값을 설정될 수 있다. 이 경우, 설정된 SOCmax, SOCmin값을 함께 고려하여 충방전가능시간을 산출할 수 있다.
충방전가능기준시간설정부(1422)는, 산출된 복수의 배터리팩 각각의 충방전가능시간 중 가장 큰 충방전가능시간을 충방전가능기준시간으로 설정한다. 가장 큰 충방전가능시간을 갖는 배터리팩의 충방전가능시간을 기준으로, 나머지 배터리팩의 충방전가능시간을 조절하기 위함이다.
충방전비율산출부(1423)는, 복수의 배터리팩 각각의 충방전가능시간을 충방전가능기준시간으로 나누어 복수의 배터리팩 각각의 충방전비율을 산출한다.
예를 들어, 충방전가능시간이 가장 큰 배터리팩 a의 충방전가능시간이 35분이고, 다른 하나의 배터리팩b의 충방전가능시간이 17.5분일 때, 충방전가능기준시간이 35이 되므로, 배터리팩 a의 충방전비율은 100%로 산출되고, 배터리팩b의 충방전비율은 50%로 산출된다.
보정출력산출부(1424)는, AC/DC전력변환부(130)의 정격출력값을 배터리 각각의 충방전비율을 모두 합산한 값으로 나눈 결과값에, 배터리팩 각각의 충방전비율을 곱하여 복수의 배터리팩 각각에 대한 보정출력값을 산출한다.
최대허용출력값판단부(1425)는 배터리팩 각각에 대해 산출된 보정출력값이 복수의 배터리팩 각각에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값을 초과하는지 여부를 판단한다. 충방전시최대허용출력값은 배터리팩의 안전을 위해 사용자에 의해 설정되는 독립변수에 해당되며, 배터리팩 충전 시, 안전을 위해 충방전시최대허용출력값을 초과하지 않도록 한다.
최대허용출력값판단부(1425)의 판단결과 복수의 배터리팩 각각에 대한 보정출력값이 복수의 배터리팩 각각에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값을 모두 초과하지 않은 경우, 제1 충방전전력설정부(1426)은, 복수의 배터리팩 각각의 보정출력값을 복수의 배터리팩 각각의 충방전전력으로 결정한다.
이 경우, 복수의 배터리팩 각각의 보정출력값이 배터리팩 각각에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값을 초과하지 않으므로, 보정출력값 그대로 충방전전력으로 설정될 수 있다.
제2 충방전전력설정부(1427)는 복수의 배터리팩 각각의 보정출력값 중 적어도 하나의 제1 배터리팩의 보정출력값이 복수의 배터리팩 각각에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값을 초과하는 경우, 적어도 하나의 제1 배터리팩의 충방전시최대허용출력값을 적어도 하나의 제1 배터리팩의 충방전전력으로 설정하고, 적어도 하나의 제1 배터리팩의 충방전시최대허용출력값과 충방전전력 간의 차이에 해당하는 전력을 상기 적어도 하나의 제1 배터리팩을 제외한 적어도 하나의 제2 배터리팩의 갯수로 나눈 결과값에 제2 배터리팩 각각의 보정출력값에 더한 값을 제2 배터리팩 각각의 충방전전력으로 설정한다.
즉, 제2 충방전전력설정부(1427)은 어느 하나의 배터리팩의 보정출력값이 배터리팩에 설정된 충방전시최대허용출력값을 초과하는 경우, 충방전시최대허용출력값으로 배터리팩을 충전하도록하고, 충방전시최대허용출력값과 보정출력값의 차이만큼의 잉여전력이 남으므로 해당 잉여전력을 나머지 배터리팩의 충전에 이용할 수 있다.
충방전전력제어부(1430)는 충방전전력산출부(1420)에 의해 산출된 배터리팩 각각의 충방전전력에 기반하여 복수의 DC/DC전력변환부(110)를 제어한다.
종래의 에너지 저장장치의 경우, 어느 하나의 배터리팩이 완충되거나 완방되는 경우, 배터리팩의 충전 또는 방전동작이 중지되는 문제가 존재한다. 본 발명에 따르면, 통합제어부가 배터리팩 각각에 구비되는 DC/DC전력변환부를 제어하여 배터리팩 별 완전충전시간 간의 차이 또는 완전방전시간간의 차이를 최소화하여 모든 배터리를 완전충전 또는 완전방전시킬 수 있게 되어 배터리팩을 효율적으로 이용할 수 있게 한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 배터리팩을 이용한 에너지저장시스템의 구동방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 배터리팩의 현 상태 측정하는 단계(A110), 에너지 저장장치의 입력을 측정하는 단계(A120), 측정값을 이용해서 배터리팩 별 출력제어하는 단계(A130), 배터리팩 별 동일시간 운전(A140)을 포함한다.
배터리팩의 현 상태 측정(A110) 단계에서는, 배터리팩의 BMS 정보 및 배터리팩 제조사가 제시하는 사양자료 등을 이용해서 측정할 수 있다.
측정내용은, 배터리팩의 C-rate에 따른 표준 충전시간 및 방전시간 등의 충방전시간, 현재의 SOH 값(%), 현재의 SOC 값(%), 배터리팩 전체 수, 배터리팩의 최대 충전 및/또는 방전가능 전력을 나타내는 충방전시최대허용출력값 등을 포함한다. 이러한 측정내용은 상태정보 및 부가정보로서, 배터리팩 각각의 충방전전력을 산출하는 데 필요한 정보이다.
이러한 측정 값들 중 일부는 배터리의 BMS(121) 및 DC/DC전력변환부(110)에 구비되는 제어부(141), 그리고 통합제어부(140) 등을 통해서 측정할 수 있다.
에너지 저장장치의 입력을 측정하는 단계(A120)는 AC/DC전력변환부(130)의 정격전력값(PCS출력값)을 측정한다. 정격전력값(PCS출력값)은, 배터리팩 별 출력제어에 필요한 기준이 되며, 정격출력값은 통합제어부(140) 또는 PMS 또는 EMS에서 측정하는 값으로 할 수 있다. 이러한 배터리팩의 출력제어에 필요한 주요정보는 배터리팩의 현재상태이고, 주요정보는 다양한 경로에 의해 획득될 수 있다.
측정값을 이용해서 배터리팩 별 출력을 제어하는 단계(A130)에서는, 다음과 같은 단계를 거친다.
1. A110, A120단계에서 획득된 측정값인 기본정보 및 부가정보를 이용해서 각 배터리팩의 충전가능시간 또는 방전가능시간 등의 충방전가능시간을 계산한다. 이때 충방전가능시간은 충방전시간, 현재의 SOH 값(%), 현재의 SOC 값(%)을 이용하여 계산한다.
2. 충방전시간이 가장 긴 배터리팩의 충방전시간 대비 배터리팩 각각의 충방전 시간을 백분율로 계산하여 충방전비율을 산출한다.
3. 백분율로 계산된 각 배터리팩의 충방전비율 및 AC/DC전력변환부(130)의 정격전력값(PCS출력값)을 이용해서 균등하게 전력 값으로 세분화하여 계산한다.
구체적으로 복수의 배터리팩 각각의 충방전비율을, 복수의 배터리팩 각각의 충방전비율을 모두 합산한 값으로 나누고, 이에 AC/DC전력변환부(130)의 정격전력값(PCS출력값)을 곱하여 복수의 배터리팩 각각에 대한 보정출력값을 산출한다.
4. 복수의 배터리팩 각각에 대해 산출된 보정출력값 각각이 배터리팩에 대해 설정된 최대 충전 및/또는 방전가능 전력 제한 값인 충방전시최대허용출력값을 초과하는 지 판단한다. 그리고 복수의 배터리팩에 대해 산출된 보정출력값 각각이 복수의 배터리팩 각각에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값보다 작은 경우, 해당 보정출력값을 충방전전력으로 설정하고, 설정된 충방전전력으로 DC/DC전력변환부(110)의 출력을 조절한다.
그리고 복수의 배터리팩에 대해 산출된 보정출력값 중 어느 하나가 해당 배터리팩에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값보다 큰 경우, 해당 배터리팩의 충방전시최대허용출력값으로 해당 배터리팩의 충방전전력으로 설정하고, 해당 배터리팩의 충방전시최대허용출력값과 충방전전력과의 차이만큼의 전력을 나머지 배터리팩에 분배한다.
그리고 복수의 배터리팩에 대해 산출된 보정출력값 중 어느 하나가 해당 배터리팩에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값보다 작은 경우, 에너지 저장장치의 입력값(PCS출력값)과 동일한 값을 가지도록 각 EV사용후배터리 팩의 보정 출력값을 다시 계산할 수 있다.
배터리팩 별 동일시간 운전하는 단계(A140)에서는, 상기와 같은 방법으로 배터리팩의 출력제어를 한 후 운영을 한다.
이 경우, 배터리팩의 상태에 관계없이 보정된 출력으로 충전 또는 방전을 하기 때문에 배터리팩 간의 완전충전시간 간의 차이 또는 완전방전시간 간의 차이를 최소화할 수 있다.
또한, 충전 또는 방전하는 동안마다 SOH 및 SOC가 BMS의 내부 연산에 따라 변경되는 경우, 통합제어부(140)은 일정시간 간격으로 상기의 측정 값을 읽고 변경된 배터리팩 별 출력 제어를 할 수 있으며, 이러한 지속적인 반복 연산 및 제어를 통해서 배터리팩의 지속적인 상태 변경에 따른 효율적인 운전을 가능하게 한다.
원격제어부(150)는 제어 및 운영을 위한 것으로서, UI프로그램 등이 설치된 컴퓨터와 같은 연산처리장치로 구비될 수 있다. 원격제어부(150)는 배터리팩의 충방전시최대전력, 배터리팩의 최대 SOC 및 최소 SOC 등과 같은 다양한 독립변수를 설정할 수 있다.
도 9는 도 8의 에너지 저장장치의 구동방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
첫 번째의 예는(A210), 종래의 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 배터리팩 별 출력제어가 불가능하므로 배터리팩 각각을 동일한 출력으로 충전할 수 밖에 없다. 종래의 에너지 저장장치는 SOH와 SOC의 상태를 전혀 고려하지 않기 때문에 일반적으로 가장 SOC가 낮은 배터리팩 기준으로 운전 시간이 정해질 가능성이 높다고 볼 수 있다.
두 번째의 예는(A220), 본 발명의 에너지 저장장치에서 배터리팩의 SOC만 고려하여 배터리팩 별로 충전 가능시간을 계산하게 되면 SOH에 의한 운전 가능 시간이 반영되지 않기 때문에 SOH가 가장 낮은 배터리팩의 기준으로 운전 시간이 정해질 가능성이 높다. 즉, SOH를 반영하지 않은 경우에는 배터리팩 별 운영 시간의 차이를 최소화할 수 없게 된다. 배터리팩의 SOC는 충전과 방전의 가능시간과 관계가 있고, 또한 SOH의 상태에 따라 실제 충전 및 방전 시간의 변화가 발생한다는 것을 알 수 있다.
SOH가 다른 하나 이상의 배터리팩은, SOC를 조정하여 매칭을 하더라도 서로 다른 SOH로 인해서 충전 및 방전 중 서로 다른 SOC를 갖게된다. 따라서 SOC 매칭은 서로 다른 SOH를 가진 하나 이상의 배터리팩을 복합 연결하여 운영하는 기술에는 운영시간의 한계가 있음을 알 수 있다.
세 번째의 예는(A230)는, 본 발명의 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 서로 다른 SOH와 SOC를 가지는 하나 이상의 배터리팩은 배터리팩의 상태에 기반하여 서로 다른 충전 출력으로 배터리팩을 구동하기 때문에 배터리팩 간의 완전방전시간 간의 차이 또는 완전충전시간 간의 차이를 최소화할 수 있다.
첫번째 예에서, 100KW(A211)를 충전할 경우 에너지 저장장치는 33.8분(A212)동안 배터리팩 1 내지 5를 충전한다. 이때 배터리팩2를 제외한 나머지 배터리팩1, 3, 4, 5는 완충되지 않는다.
두번째 예와 같이 본 발명에서 SOC조건만 반영한 경우(A220)에는, 100KW(A221)를 충전할 경우 에너지 저장장치는 44.1분(A222) 동안 배터리팩 1 내지 4를 충전한다. 이때 배터리팩 4 및 5를 제외한 배터리팩 1 내지 3은 완충되지 않는다.
세번째 예와 같이 본 발명에서 SOC와 SOH 조건을 모두 반영한 경우(A230)에는 100KW(A231)를 충전할 경우, 48.8분(A232) 동안 배터리팩 1 내지 5를 충전한다. 이때 배터리팩 1 내지 5는 모두 완충된다.
본 발명의 에너지 저장장치는 세번째 예와 같이 배터리팩의 SOH와 SOC의 조건을 모두 반영하고 운전하므로, 가장 효율적인 운영이 가능하다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 일부 배터리의 탈락 시 남은 배터리팩으로 에너지 저장장치를 운전하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 도 10의 남은 배터리팩으로 에너지 저장장치를 운전하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 배터리팩이 탈락되는 경우는, 배터리팩의 관리 범위를 벗어난 경우, 배터리팩 자체 문제로 인해 사용할 수 있는 경우, 운영자에 의해 사용중지된 상태인 경우 등 운영에 관여할 수 없는 다양한 경우를 포함한다고 할 수 있다.
일부 배터리의 탈락 시 남은 배터리팩으로 운전하는 방법은, 배터리팩의 현 상태 측정하는 단계(B110), 에너지 저장장치의 입력(PCS출력)을 측정하는 단계(B120), 측정값을 이용해서 배터리팩 별 출력을 제어하는 단계(B130), 남은 배터리팩을 이용한 운전하는 단계(B140)를 포함한다.
먼저, 배터리팩의 현 상태를 측정하는 단계(B110)에서는, 배터리팩의 BMS 정보 및 배터리팩 제조사가 제시하는 사양자료 등을 이용해서 측정할 수 있으며, 다음과 같은 순서로 배터리팩의 현 상태를 측정할 수 있다.
우선 배터리팩의 현 상태를 측정하는 단계(B110)에서는, 배터리팩의 BMS 정보 및 배터리팩 제조사가 제시하는 사양자료 등을 이용해서 측정할 수 있다.
측정내용은, 배터리팩의 C-rate에 따른 표준 충전시간 및 방전시간 등의 충방전시간, 현재의 SOH 값(%), 현재의 SOC 값(%), 배터리팩 전체 수, 배터리팩의 최대 충전 및/또는 방전가능 전력을 나타내는 충방전시최대허용출력값 등을 포함한다. 이러한 측정내용은 상태정보 및 부가정보로서, 배터리팩 각각의 충방전전력을 산출하는 데 필요한 정보이다.
이러한 측정 값들 중 일부는 배터리의 BMS(121) 및 DC/DC전력변환부(110)에 구비되는 제어부(141), 그리고 통합제어부(140) 등을 통해서 측정할 수 있다.
에너지 저장장치의 입력을 측정하는 단계(B120)는 AC/DC전력변환부(130)의 정격전력값(PCS출력값)을 측정한다. 정격전력값(PCS출력값)은, 배터리팩 별 출력제어에 필요한 기준이 되며, 정격출력값은 통합제어부(140) 또는 PMS 또는 EMS에서 측정하는 값으로 할 수 있다. 이러한 배터리팩의 출력제어에 필요한 주요정보는 배터리팩의 현재상태이고, 주요정보는 다양한 경로에 의해 획득될 수 있다.
측정값을 이용해서 배터리팩 별 출력을 제어하는 단계(B130)는 다음과 같은 단계로 이루어진다.
1. B110, B120 단계에서 획득한 측정값을 이용해서 각 배터리팩이 충전 또는 방전 SOC 관리범위 내에 있는지 유무를 판단해서 벗어 난 경우 탈락으로 판단하고 나머지 배터리팩을 구분한다.
2. 탈락된 배터리팩을 제외한 나머지 배터리팩 별로 획득된 측정값인 기본정보 및 부가정보를 이용해서 각 배터리팩의 충전가능시간 또는 방전가능시간 등의 충방전가능시간을 계산한다. 이때 충방전가능시간은 충방전시간, 현재의 SOH 값(%), 현재의 SOC 값(%)을 이용하여 계산한다.
3. 충방전시간이 가장 긴 배터리팩의 충방전시간 대비 배터리팩 각각의 충방전 시간을 백분율로 계산하여 충방전비율을 산출한다.
4. 백분율로 계산된 각 배터리팩의 충방전비율 및 정격전력값(PCS출력값)을 이용해서 균등하게 전력 값으로 세분화하여 보정출력값을 계산한다.
구체적으로 복수의 배터리팩 각각의 충방전비율을, 복수의 배터리팩 각각의 충방전비율을 모두 합산한 값으로 나누고, 이에 정격전력값(PCS출력값)을 곱하여 복수의 배터리팩 각각에 대한 보정출력값을 산출한다.
5. 복수의 배터리팩 각각에 대해 산출된 보정출력값 각각이 배터리팩에 대해 설정된 최대 충전 및/또는 방전가능 전력 제한 값인 충방전시최대허용출력값을 초과하는 지 판단한다. 그리고 복수의 배터리팩에 대해 산출된 보정출력값 각각이 복수의 배터리팩 각각에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값보다 작은 경우, 해당 보정출력값을 충방전전력으로 설정하고, 설정된 충방전전력으로 DC/DC전력변환부(110)의 출력을 조절한다.
그리고 복수의 배터리팩에 대해 산출된 보정출력값 중 어느 하나가 해당 배터리팩에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값보다 큰 경우, 해당 배터리팩의 충방전시최대허용출력값으로 해당 배터리팩의 충방전전력으로 설정하고, 해당 배터리팩의 충방전시최대허용출력값과 충방전전력과의 차이만큼의 전력을 나머지 배터리팩에 분배한다.
일부 배터리팩 탈락 시 남은 배터리로 계속 운전하는 단계(140)에서는, 일부 배터리팩이 탈락되더라도 남은 배터리팩의 출력제어를 한 후 운영을 할 경우 계속 운전이 가능하며, 배터리팩의 상태에 관계없이 보정된 출력으로 충전 또는 방전을 하기 때문에 배터리팩 별로 동일한 운전 시간으로 운영을 할 수 있다.
또한, 충전 또는 방전하는 동안마다 SOH 및 SOC가 BMS의 내부 연산에 따라 변경되는데, 통합제어부(140)는 일정시간 간격으로 상기의 측정 값을 읽고 변경된 배터리팩 별 출력 제어를 할 수 있으며, 이러한 지속적인 반복 연산 및 제어를 통해서 배터리팩의 지속적인 상태 변경에 따른 효율적인 운전을 가능하게 할 수 있다.
도 11을 참조하면, 배터리팩2가 운영 중에 탈락이 된 상태를 나타낸다. 에너지 저장장치는 나머지 4개의 배터리팩을 이용하여 구동된다.
에너지 저장장치가 100KW(B210)로 충전을 하는 경우, 하나의 배터리팩이 탈락되었음에도 나머지 4개의 배터리팩을 이용해서 100KW(B210)의 충전조건을 만족하도록 출력을 보정하여 운전가능함을 알 수 있다.
일반적인 에너지 저장장치의 경우라면 운영 중 하나의 배터리팩이 탈락될 경우, 에너지 저장장치는 운전 중지가 되며, 탈락된 배터리팩이 정상상태가 된 후에야 비로서 운전을 할 수 있다.
본 발명의 에너지 저장장치는, DC/DC전력변환부를 이용하여 배터리팩 별로 독립적인 운전이 가능하기 때문에, 다양한 상태에서도 원하는 방식의 운전이 가능한다.
도 12는, 본 발명의 실시예에 따른 하나 이상의 배터리팩들의 SOC가 다를 경우 가장 높은 SOC를 가진 배터리팩을 기준으로 Active-충전 SOC-밸런싱 방법에 대한 흐름도이다.
도 12에서, 각 단계의 수행 주체는 제어부(141) 및 통합제어부(140)이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 DC/DC전력변환부(110)를 이용해서 충전을 이용한 Active SOC 밸런싱하는 방법은, 배터리팩의 현 SOC상태를 측정하는 단계(C110), SOC 및 충전하고자 하는 입력을 설정하는 단계(C120), 설정값을 이용해서 배터리팩 별로 충전 운전하는 단계(C130)를 포함한다.
먼저, 배터리팩의 현 SOC상태를 측정하는 단계에서는, 배터리팩의 BMS 정보를 이용해서 측정할 수 있으며, 다음과 같은 순서로 각 배터리팩의 출력제어를 할 수 있다.
1. 각 배터리팩의 현 SOC 상태를 측정한다(C110).
2. 가장 높은 배터리팩 및 해당 SOC값을 선정하고, 충전 목표값을 설정한다(C120).
3. 목표 SOC를 가진 배터리팩을 제외한 나머지 EV사용후배터리팩의 목표 충전 전력으로 운전한다(C130).
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 하나 이상의 배터리팩들의 SOC가 다를 경우 가장 낮은 SOC를 가진 배터리팩을 기준으로 Active-방전 SOC-밸런싱 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13에서, 각 단계의 수행 주체는, 제어부(141) 및 통합제어부(140)이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 Active-방전 SOC-밸런싱은 배터리팩의 현 SOC상태 측정하는 단계(D110), SOC 및 방전하고자 하는 입력 설정하는 단계(D120), 설정 값을 이용해서 배터리팩 별로 방전 운전하는 단계(D130)를 포함한다.
먼저, 각 배터리팩의 현 SOC 측정 단계(D110)에서는, 배터리팩의 BMS 정보를 이용해서 측정할 수 있으며, 다음과 같은 순서로 각 배터리팩의 출력제어를 할 수 있다.
1. 각 배터리팩의 현 SOC 상태를 측정(D110)한다.
2. 가장 낮은 배터리팩 및 해당 SOC값을 선정하고, 방전 목표값(D120)을 설정한다.
3. 목표 SOC를 가진 배터리팩을 제외한 나머지 배터리팩의 목표 방전 전력으로 운전(D130)한다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 하나 이상의 EV사용후배터리팩들의 SOC가 다를 경우 중간 값을 가지는 SOC를 가진 EV사용후배터리팩을 기준으로 Active SOC-밸런싱 방법에 대한 흐름도이다.
도 14에서, 각 단계의 수행 주체는, 제어부(141) 및 통합제어부(140)이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 충전 및 방전을 이용한 Active SOC 밸런싱 방법은, 배터리팩의 현 SOC상태 측정하는 단계(E110), SOC 그리고 충전 및 방전하고자 하는 입력을 설정하는 단계(E120), 설정 값을 이용해서 배터리팩 별로 충전 및 방전 운전을 하는 단계(E130)를 포함한다.
도 14의 내용에 있는 중간 값을 가지는 SOC는, 사용자가 직접 SOC 밸런싱을 하기 위한 배터리팩의 SOC값을 선정할 수 있으며, 일반적으로 충전과 방전을 수행하므로 일반적으로 전체 SOC값의 중간에 있는 SOC를 선정할 수 있다.
먼저, 각 배터리팩의 현 SOC 측정(E110) 단계에서는, 배터리팩의 BMS 정보를 이용해서 측정할 수 있으며, 다음과 같은 순서로 각 배터리팩의 출력제어를 할 수 있다.
1. 각 배터리팩의 현 SOC 상태를 측정(E110)한다.
2. 가장 낮은 배터리팩 및 해당 SOC값을 선정하고, 충전 및 방전 목표값(E120)을 설정한다.
3. 목표 SOC를 가진 배터리팩을 제외한 나머지 EV사용후배터리팩의 목표 충전 및 방전 전력으로 운전(E130)한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110: DC/DC전력변환부
111: DC/DC모듈(Buck-Boost)
112: 전력필터모듈
113: 차단부모듈
115: 설치용 랙
116: PCS연결 DC-BUS
117: DC전원선
120: 배터리팩
121: BMS
130: AC/DC전력변환부
140: 통합제어부
1410: 상태정보획득부
1420: 충방전전력산출부
1430: 충방전전력제어부
141: 제어부
150: 원격제어부
160: 그리드/부하

Claims (5)

  1. 복수의 배터리팩;
    상기 복수의 배터리팩 각각의 충전전력 및 방전전력의 크기를 조절하는 복수의 DC/DC전력변환부;
    상기 복수의 DC/DC전력변환부를 통해 방전되는 방전전력을 교류로 변환하여 그리드 또는 부하에 제공하거나, 상기 그리드로부터 유입되는 충전전력을 직류로 변환하여 상기 복수의 DC/DC전력변환부에 제공하는 AC/DC전력변환부;
    상기 복수의 배터리팩 각각의 SOC 및 SOH를 포함하는 상태정보 및 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전시최대허용출력값을 포함하는 부가정보, 상기 AC/DC전력변환부의 정격전력에 기반하여 상기 복수의 DC/DC 전력변환부를 개별적으로 제어하는 통합제어부를 포함하고,
    상기 통합제어부는, 상기 복수의 배터리팩 각각의 완전충전시간 간의 차이 또는 완전방전시간 간의 차이를 최소화하도록, 상기 복수의 DC/DC전력변환부를 개별적으로 제어하되,
    상기 통합제어부는,
    상기 복수의 배터리팩 각각의 SOC, SOH, 상기 AC/DC전력변환부의 정격전력을 기반으로 상기 복수의 배터리팩 각각에 대한 보정출력값을 산출하여 상기 보정출력값을 상기 복수의 배터리팩 각각에 대한 충방전전력으로 결정하되, 상기 복수의 배터리팩 중 어느 하나의 제1 배터리팩에 대한 보정출력값이 상기 제1 배터리팩에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값을 초과하는 경우, 상기 제1 배터리팩의 충방전시최대허용출력값을 상기 제1 배터리팩의 충방전전력으로 결정하고, 상기 제1 배터리팩에 대해 산출된 보정출력값과 충방전시최대허용출력값의 차이에 해당되는 전력을 상기 복수의 배터리팩 중 상기 제1 배터리팩을 제외한 제2 배터리팩 각각의 보정출력값에 분배하여 상기 제2 배터리팩의 충방전전력을 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리팩을 이용하는 에너지 저장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 통합제어부는,
    상기 복수의 배터리팩 각각의 상태정보 및 부가정보, 상기 AC/DC전력변환부의 정격전력을 획득하는 상태정보획득부;
    상기 복수의 배터리팩 각각의 상태정보, 부가정보 및 상기 AC/DC전력변환부의 정격전력에 기반하여 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전전력을 산출하는 충방전전력산출부; 및
    상기 산출된 배터리팩 각각의 충방전전력에 기반하여 상기 복수의 DC/DC전력변환부를 제어하는 충방전전력제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리팩을 이용하는 에너지 저장장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충방전전력산출부는,
    상기 복수의 배터리팩 각각의 SOH 및 SOC에 기반하여 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전가능시간을 산출하는 충방전가능시간산출부;
    상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전가능시간 중 가장 큰 충방전가능시간을 충방전가능기준시간으로 설정하는 충방전가능기준시간설정부;
    상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전가능시간을 상기 충방전가능기준시간으로 나누어 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전비율을 산출하는 충방전비율산출부;
    상기 AC/DC전력변환부의 정격전력을 상기 배터리 각각의 충방전비율을 모두 합산한 값으로 나눈 값에, 상기 배터리팩 각각의 충방전비율을 곱하여 상기 복수의 배터리팩 각각에 대한 보정출력값을 산출하는 보정출력산출부;
    상기 복수의 배터리팩 각각에 대해 산출된 보정출력값이 상기 복수의 배터리팩 각각에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값을 초과하는지 판단하는 최대허용출력값판단부;
    상기 복수의 배터리팩 각각의 보정출력값이 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전시최대허용출력값을 모두 초과하지 않은 경우, 상기 복수의 배터리팩 각각의 보정출력값을 상기 복수의 배터리팩 각각의 충방전전력으로 결정하는 제1 충방전전력설정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리팩을 이용하는 에너지 저장장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 충방전전력산출부는,
    상기 복수의 배터리팩 각각의 보정출력값 중 적어도 하나의 제1 배터리팩의 보정출력값이 상기 복수의 배터리팩 각각에 대해 설정된 충방전시최대허용출력값을 초과하는 경우, 상기 적어도 하나의 제1 배터리팩의 충방전시최대허용출력값을 상기 적어도 하나의 제1 배터리팩의 충방전전력으로 설정하고, 상기 적어도 하나의 제1 배터리팩의 충방전시최대허용출력값과 충방전전력 간의 차이에 해당하는 전력을 상기 적어도 하나의 제1 배터리팩을 제외한 적어도 하나의 제2 배터리팩의 보정출력값에 더한 값을 상기 제2 배터리팩의 충방전전력으로 설정하는 제2 충방전전력설정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리팩을 이용하는 에너지 저장장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 통합제어부는,
    상기 복수의 패터리팩 중 적어도 하나의 제3 배터리팩의 충방전이 불가할 때, 상기 제3 배터리팩을 제외한 나머지 배터리팩 각각의 충방전전력을 산출하고, 상기 산출된 복수의 배터리팩 각각의 충방전전력에 기반하여 상기 복수의 DC/DC전력변환부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리팩을 이용하는 에너지 저장장치.
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