KR102463396B1 - 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은, 전기 에너지를 생성하는 발전장치; 상기 발전장치를 통해 생성된 전기 에너지를 변환하고, 상기 변환된 전기 에너지를 충전하거나 출력하는 에너지 저장 장치; 및 상기 에너지 저장 장치를 통해 출력되는 전기 에너지를 구동 전력으로 하여 동작하는 부하를 포함하며, 상기 에너지 저장 장치는, 직류 전력의 전기 에너지를 출력하고, 상기 부하는, 상기 에너지 저장 장치를 통해 직접 출력되는 상기 직류 전력의 전기 에너지를 구동 전력으로 하여 동작한다.

Description

에너지 저장 시스템{ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것이며, 특히 부하와 일체로 형성되어 상기 부하에 교류 전력이 아닌 직류 전력을 바로 공급할 수 있는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System)은 생산된 전력을 발전소, 변전소 및 송전선 등을 포함한 각각의 연계 시스템에 저장한 후, 전력이 필요한 시기에 선택적, 효율적으로 사용하여 에너지 효율을 높이는 시스템이다.
에너지 저장 시스템은 시간대 및 계절별 변동이 큰 전기부하를 평준화시켜 전반적인 부하율을 향상시킬 경우, 발전 단가를 낮출 수 있으며 전력설비 증설에 필요한 투자비와 운전비 등을 절감할 수 있어서 전기요금을 인하하고 에너지를 절약할 수 있다.
이러한 에너지 저장 시스템은 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 이용되고 있으며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신재생에너지를 이용한 발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하 평준화(Load Leveling), 비상 전원 등의 기능으로 사용되고 있다.
에너지 저장 시스템은 저장방식에 따라 크게 물리적 에너지 저장과 화학적 에너지 저장으로 구분된다. 물리적 에너지 저장으로는 양수발전, 압축 공기 저장, 플라이휠 등을 이용한 방법이 있고, 화학적 에너지 저장으로는 리튬이온 배터리, 납축전지, Nas 전지 등을 이용한 방법이 있다.
이러한 에너지 저장 시스템은 전력이 필요한 경우 충전된 전력을 방전하여 전력을 공급한다. 이를 통해, 에너지 저장 시스템은 전력을 유동적으로 공급할 수 있도록 한다.
구체적으로 발전 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템은 다음과 같이 동작한다. 에너지 저장 시스템은 부하 또는 계통이 과부하인 경우 저장된 전기 에너지를 방전한다. 또한 부하 또는 계통이 경부하인 경우, 에너지 저장 시스템은 발전 장치 또는 계통으로부터 전력을 공급받아 충전한다.
또한 발전 시스템과 무관하게 에너지 저장 시스템이 독립적으로 존재하는 경우, 에너지 저장 시스템은 외부의 전력 공급원으로부터 유휴 전력을 공급 받아 충전한다. 또한 계통 또는 부하가 과부하인 경우, 에너지 저장 시스템은 충전된 전력을 방전하여 전력을 공급한다.
본 발명에 따른 실시 예에서는 발전장치에서 생성된 전력을 이용하여 중계기 및 카메라 구동을 위한 전원을 공급하고, 동시에 남는 전력을 이용하여 배터리를 충전시킬 수 있는 에너지 저장 시스템을 제공한다.
제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은, 전기 에너지를 생성하는 발전장치; 상기 발전장치를 통해 생성된 전기 에너지를 변환하고, 상기 변환된 전기 에너지를 충전하거나 출력하는 에너지 저장 장치; 및 상기 에너지 저장 장치를 통해 출력되는 전기 에너지를 구동 전력으로 하여 동작하는 부하를 포함하며, 상기 에너지 저장 장치는, 직류 전력의 전기 에너지를 출력하고, 상기 부하는, 상기 에너지 저장 장치를 통해 직접 출력되는 상기 직류 전력의 전기 에너지를 구동 전력으로 하여 동작한다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발전장치에서 발전된 전력을 이용하여 중계기 및 카메라로 구성되는 부하에 전원을 공급함으로써, 독립형으로 전원이 불가능한 지역에서 상기 부하에 안정적인 전원을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 에너지 저장 장치의 최종 출력을 교류 전력이 아닌 직류 전력으로 함으로써, 중계기와 같은 부하의 내부에 필수적으로 포함되어야 하는 인버터를 삭제할 수 있으며, 이에 따른 제품 단가 절감 및 제품 부피를 슬림화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 배터리의 완전 방전에 따라 배터리 관리 시스템의 운전이 정지된 경우, 발전장치를 통해 생성된 전력을 이용하여 상기 배터리 관리 시스템의 구동 전원을 우선적으로 공급함으로써, 상기 배터리 관리 시스템의 운전을 재개시키기 위한 추가적인 동작이 불필요하며, 상기 배터리 관리 시스템의 운전 정지에 따라 발생하는 시스템 이상 현상을 사전에 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 저장장치(200)의 상세 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 부하의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 제 1 중계기 및 제 2 중계기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치(200)의 각 컨버터의 출력 전력을 보여주는 도면이다.
도 6 내지 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치(200)의 각 동작 모드에 따른 전력 공급의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 충전 상태에 따른 동작 모드를 보여준다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 부하로의 전력 공급 흐름을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 저장장치(200)의 상세 구성도이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 동작 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 본 발명과 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 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 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 도면의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 도면의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 도면의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 도면의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장 시스템은 발전장치(100), 에너지 저장장치(200) 및 부하(300)를 포함한다.
발전장치(100)는 전기 에너지를 생산한다. 발전장치(100)는 태양광 발전장치일 수 있으며, 이와 다르게 풍력 발전장치일 수 있다.
상기 발전장치(100)가 태양광 발전장치인 경우, 상기 발전장치(100)는 태양 전지 어레이일 수 있다.
태양전지 어레이는 복수의 태양전지 모듈을 결합한 것이다. 태양전지 모듈은 복수의 태양전지 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하여 소정의 전압과 전류를 발생시키는 장치이다. 따라서, 태양전지 어레이는 태양 에너지를 흡수하여 전기 에너지로 변환한다.
또한, 상기 발전장치(100)가 풍력 발전장치인 경우, 상기 발전장치(100)는 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 팬일 수 있다.
한편, 상기 발전장치(100)는 이에 한정되지 않으며, 상기 태양광 발전장치 및 풍력 발전장치 이외에도 조력 발전장치로 구성될 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것으로, 상기 발전장치(100)는 상기 언급한 종류에 한정되는 것은 아니며, 태양열이나 지열 등, 신재생 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전 시스템을 모두 포함할 수 있다.
에너지 저장장치(200)는 상기 발전장치(100)를 통해 변환된 전기 에너지를 이용하여 배터리(240)의 충전을 위한 충전 전력을 공급하거나, 부하(300)의 구동을 위한 구동 전력을 공급한다.
이를 위해, 상기 에너지 저장장치(200)는 전력 관리 시스템(PCS: Power Condition System)을 구성하는 전력 변환부와, 에너지 저장 시스템(ESS:Energy Storage System)을 구성하는 에너지 저장부를 포함한다.
전력 변환부는, 상기 발전장치(100)와 연결되고, 상기 발전장치(100)로부터 출력되는 직류 전력을 수신하며 상기 수신한 직류 전력을 이용하여 상기 충전 전력 및 구동 전력을 공급하기 위한 다수의 직류-직류 컨버터를 포함한다.
에너지 저장부는, 상기 다수의 직류-직류 컨버터 중 어느 하나의 특정 직류-직류 컨버터와 연결되어 상기 연결된 직류-직류 컨버터를 통해 출력되는 전력에 따라 충전 동작을 수행하거나, 다른 직류-직류 컨버터로의 전력 공급을 위한 방전 동작을 수행하는 배터리(240)와, 상기 배터리(240)의 상태를 관리하는 배터리 관리 시스템(BMS, 250)를 포함한다.
부하(300)는 상기 에너지 저장장치(200)로부터 전기 에너지를 공급받아 전력을 소모한다. 실시 예에서, 상기 부하(300)는 상기 에너지 저장장치(200)와 일체로 형성되고, 그에 따라 상기 에너지 저장장치(200)를 통해 공급되는 전기 에너지를 공급받아 전력을 소모할 수 있다.
바람직하게, 상기 부하(300)는 이동통신 단말기(도시하지 않음)와 이동통신 서버(도시하지 않음) 사이의 신호 중계를 위한 중계기와, 상기 중계기가 설치된 위치에 설치되어 상기 중계기의 주변 상태를 촬영하는 카메라를 포함한다.
본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은 음영지역으로 분류되는 산악 지역과 같은 장소에 설치될 수 있다. 상기 발전장치(100)는 가대와 같은 구조물에 설치되고, 상기 에너지 저장장치(200)는 무게 등을 고려하여 바닥에 설치되는 것이 바람직하다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 에너지 저장 시스템에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 저장장치(200)의 상세 구성도이다.
도 2를 참조하면, 에너지 저장장치(200)는 제 1 컨버터(210), 제 2 컨버터(220), 제 3 컨버터(230), 배터리(240), BMS(250) 및 시스템 제어부(260)를 포함한다.
제 1 컨버터(210)는 일단이 발전장치(100)와 연결되고, 타단이 제 2 컨버터(220), 제 3 컨버터(230) 및 배터리(240)와 연결된다. 또한, 제 1 컨버터(210)는 실시 예에 따라 상기 타단이 BMS(250)와 더 연결될 수 있다.
제 1 컨버터(210)는 발전장치(100)를 통해 출력되는 직류 전력의 전압을 변환한다. 즉, 제 1 컨버터(210)는 직류-직류 컨버터이며, 그에 따라 상기 발전장치(100)를 통해 출력되는 제 1 레벨의 직류 전력을 제 2 레벨의 직류 전력으로 변환한다.
즉, 상기 발전장치(100)가 공급하는 전력을 상기 배터리(240), 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)에 입력하기 위해서는 강압이 필요하다. 이에 따라, 상기 제 1 컨버터(210)는 상기 발전장치(100)가 생산하는 전력의 전압을 상기 제 2 컨버터(220), 상기 제 3 컨버터(230) 및 상기 배터리(240)에 입력할 수 있는 전압의 크기로 변환한다.
예를 들어, 상기 발전장치(100)를 통해 생성된 직류 전력의 전압은 120V일 수 있으며, 이에 따라 상기 제 1 컨버터(210)는 상기 직류 전력의 전압을 52V로 강압하여 출력한다.
한편, 상기 제 1 컨버터(210)는 상기 발전장치(100)에서 출력되는 전력이 교류 전력인 경우, 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류회로(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 컨버터(210)는 일사량, 온도, 풍속 등의 변화에 따라 상기 발전장치(100)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(MPPT: Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다. 한편, 상기 제 1 컨버터(210)는 상기 발전장치(100)에서 생산되는 전력이 없는 경우, 소비 전력을 최소화할 수 있다.
제 2 컨버터(220)는 일단이 상기 제 1 컨버터(210) 및 상기 배터리(240)와 연결되고, 타단이 부하(300)와 연결된다.
제 2 컨버터(220)는 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 출력되는 직류 전력의 전압 또는 상기 배터리(240)를 통해 출력되는 직류 전력의 전압을 변환한다. 상기 제 2 컨버터(220)는 제 1 레벨의 직류 전력을 다른 레벨의 직류 전력으로 변환하는 직류-직류 컨버터이다.
즉, 상기 제 1 컨버터(210) 및/또는 상기 배터리(240)가 출력하는 전력을 부하(300)에 입력하기 위해서는, 상기 부하(300)에서 필요로 하는 전압으로의 변환이 이루어져야 한다.
따라서, 상기 제 2 컨버터(220)는 상기 제 1 컨버터(210) 및/또는 상기 배터리(240)가 출력하는 직류 전력의 전압을 상기 부하(300)에서 필요로 하는 전압의 크기로 변환한다.
예를 들어, 상기 제 2 컨버터(220)는 상기 일단을 통해 상기 제 1 컨버터(210) 및/또는 상기 배터리(240)로부터 52V의 직류 전력을 수신할 수 있으며, 이에 따라 상기 부하(300)와 연결된 타단으로 48V의 직류 전력을 출력할 수 있다.
제 3 컨버터(230)는 일단이 상기 제 1 컨버터(210) 및 상기 배터리(240)와 연결되고, 타단이 부하(300)와 연결된다.
제 3 컨버터(230)는 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 출력되는 직류 전력의 전압 또는 상기 배터리(240)를 통해 출력되는 직류 전력의 전압의 크기를 변환한다. 상기 제 3 컨버터(230)는 제 1 레벨의 직류 전력을 다른 레벨의 직류 전력으로 변환하는 직류-직류 컨버터이다.
즉, 상기 제 1 컨버터(210) 및/또는 상기 배터리(240)가 출력하는 전력을 부하(300)에 입력하기 위해서는, 상기 부하(300)에서 필요로 하는 전압으로의 변환이 이루어져야 한다.
따라서, 상기 제 3 컨버터(230)는 상기 제 1 컨버터(210) 및/또는 상기 배터리(240)가 출력하는 직류 전력의 전압을 상기 부하(300)에서 필요로 하는 전압의 크기로 변환한다.
예를 들어, 상기 제 3 컨버터(230)는 상기 일단을 통해 상기 제 1 컨버터(210) 및/또는 상기 배터리(240)로부터 52V의 직류 전력을 수신할 수 있으며, 이에 따라 상기 부하(300)와 연결된 타단으로 27V의 직류 전력을 출력할 수 있다.
배터리(240)는 일단이 상기 제 1 컨버터(210)와 연결되고, 타단이 상기 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)와 연결된다.
배터리(240)는 충전 모드에서 상기 일단을 통해 연결된 제 1 컨버터(210)로부터 충전 전력을 수신하고, 상기 수신한 충전 전력에 의해 충전 동작을 수행한다.
또한, 배터리(240)는 방전 모드에서 기저장된 전력을 상기 타단에 연결된 상기 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)로 출력한다.
상기 배터리(240)는 상기 충전 동작 및 방전 동작을 수행하기 위해 다수 개의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩을 포함한다.
상기 배터리 팩에 포함된 다수 개의 배터리 셀은 안정성, 수명 향상 및 고출력을 얻기 위해 각 배터리 셀의 전압을 균일하게 유지시킬 필요가 있다.
배터리 관리 시스템(BMS, 250)는 상기 배터리 팩의 배터리 셀들을 충전 또는 방전하면서 각 배터리 셀이 적절한 전압을 유지할 수 있도록 관리한다.
반면, 다수 개의 배터리 셀들은 내부 임피던스의 변화 등의 여러 요인에 의해 평형 상태를 안정적으로 유지하기가 어려우며, 이에 따라 배터리 관리 시스템(BMS, 250)에서는 다수의 배터리 셀들의 충전 상태를 평형화시키기 위한 밸런싱 기능을 가진다.
예를 들면, 배터리 팩 내의 배터리 셀들의 가지 방전률의 차이에 의해 시간이 지남에 따라 배터리 팩 내의 배터리 셀들간의 충전 상태(STATE OF CHARGE, 이하, SOC라 함)의 차이가 발생하게 된다. 이러한 배터리 셀들간의 용량 불균형을 극복하기 위해 배터리 셀들마다 충전(BOOST) 및/또는 방전(BUCK)을 해주기 위한 별도의 회로를 구성한다.
상기와 같은 배터리 팩 내의 배터리 셀들은 일정한 전압을 유지하기 위해 배터리 관리 시스템(BMS, 250)에 의해 관리될 수 있으며, 배터리 관리 시스템(BMS, 250)에 의해 일정한 전압을 방출할 수 있다.
예를 들어, 배터리 관리 시스템(BMS, 250)은 배터리 셀들의 전압을 검출하고, 이를 시스템 제어부(260)에 전달할 수 있다. 그리고 시스템 제어부(260)는 배터리 전압이 하한치 이하로 하강하는 경우, 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 출력되는 직류 전력을 상기 배터리(240)로 공급할 수 있다. 또한, 시스템 제어부(260)는 배터리 전압이 상한치 이상으로 상승하는 경우, 상기 배터리(240)에 충전된 전력을 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)로 공급할 수 있다.
상기 배터리(240)를 구성하는 배터리 셀들은, 충전 및 방전이 가능한 2차 전지로 구성됨이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 배터리 관리 시스템(BMS, 250)은 배터리(240)의 충전 상태인 SOC 레벨을 포함한 배터리 상태를 모니터링할 수 있다. 그리고, 배터리 관리 시스템(BMS, 250)은 상기 배터리(240)의 상태에 대한 배터리 상태 정보를 시스템 제어부(260)에 전달할 수 있다. 예를 들면, 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)은 배터리(240)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 중 적어도 하나 이상을 모니터링하고, 상기 모니터링된 배터리(240)의 상태 정보를 상기 시스템 제어부(260)에 전달할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)은 상기 밸런싱 기능 이외에도 상기 배터리(240)에 대한 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능 및 과열 보호 기능 중 적어도 하나 이상의 기능을 수행할 수 있다.
또한, 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)는 배터리(240)의 SOC 레벨을 조절할 수 있다. 구체적으로, 배터리 관리 시스템(BMS, 250)는 시스템 제어부(260)로부터 제어신호를 수신하고, 상기 수신된 제어신호를 기초로 상기 배터리(240)의 SOC 레벨을 조절할 수 있다.
시스템 제어부(260)는 제 1 컨버터(210), 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)의 전력 변환 동작을 제어하며, 배터리(240)의 충전 및 방전 동작을 제어한다.
시스템 제어부(260)는 부하(300)가 과부하인 경우, 배터리(240)의 방전이 이루어지도록 하여, 상기 배터리(240)의 방전에 의해 출력된 전력에 의해 상기 부하(300)의 구동 전력이 공급되도록 한다. 이때, 시스템 제어부(260)는 상기 배터리(240)에서 출력된 전력이 상기 제 2 컨버터(220) 및 상기 제 3 컨버터(230)로 공급되도록 제어할 수 있다.
또한, 시스템 제어부(260)는 부하(300)가 경부하인 경우, 상기 제 1 컨버터(210)에서 변환된 직류 전력을 상기 배터리(240)로 공급하고, 상기 공급되는 직류 전력에 의해 상기 배터리(240)의 충전이 이루어지도록 제어한다. 이때, 시스템 제어부(260)는 상기 배터리(240)의 충전 상태(State Of Charge, SOC)에 따라 상기 배터리(240)의 동작 모드(충전 모드 및 방전 모드)를 제어할 수 있다.
한편, 시스템 제어부(260)는 상기 부하(300)의 운영 조건 정보를 저장하며, 상기 저장한 운영 조건 정보를 기준으로 상기 부하(300)로 공급되는 전력을 제어한다. 상기 운영 조건 정보에는 상기 부하(300)의 구동 시간 정보를 포함할 수 있으며, 상기 시스템 제어부(260)는 상기 구동 시간 정보에 따라 상기 부하(300)의 운전이 필요한 시간에만 상기 부하(300)로 구동 전력이 공급되도록 한다.
또한, 시스템 제어부(260)는 제 1 컨버터(210)에서 출력되는 전력을 출력 지령 값과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 상기 제 1 컨버터(210)에서 출력되는 전력의 경로를 제어할 수 있다. 여기에서, 상기 출력 지령 값은 상기 부하(300)에서 필요로 하는 구동 전력 값, 다시 말해서 상기 부하(300)로 출력될 출력 전력에 대한 지령 값을 의미할 수 있다.
예를 들어, 제 1 컨버터(210)에서 출력되는 전력이 상기 출력 지령 값을 초과하는 경우, 상기 시스템 제어부(260)는 상기 제 1 컨버터(210)에서 출력되는 전력과 상기 출력 지령 값의 차이에 해당하는 전력이 상기 배터리(240)로 공급되어 상기 배터리(240)의 충전이 이루어지도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리(240)는 충전 모드로 동작하고, 상기 제 2 컨버터(220) 및 상기 제 3 컨버터(230)는 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 출력되는 전력을 토대로 상기 출력 지령 값에 대응하는 전력을 상기 부하(300)로 공급할 수 있다.
또한, 상기 제 1 컨버터(210)에서 출력되는 전력이 상기 출력 지령 값 미만인 경우, 상기 시스템 제어부(260)는 상기 제 1 컨버터(210)에서 출력되는 전력과 상기 출력 지령 값 사이의 차이 값에 대응하는 전력이 방전되도록 상기 배터리(240)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리(240)는 방전 모드로 동작할 수 있다.
그리고, 상기 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)는 상기 제 1 컨버터(210) 및 상기 배터리(240)를 통해 출력되는 전력을 변환하여 상기 부하(300)에서 필요로 하는 출력 지령 값에 대응하는 전력을 출력한다.
이와 같이, 시스템 제어부(260)는 상기 에너지 저장장치(200)의 전체적인 동작을 제어하고, 그에 따라 상기 에너지 저장장치(200)의 동작 모드를 결정할 수 있다.
상기 에너지 저장장치(200)의 동작 모드는, 상기 발전장치(100)에서 생성된 전력을 이용하여 부하(300)의 구동 전력을 공급하는 제 1 동작 모드와, 상기 발전장치(100)에서 생성된 전력을 이용하여 배터리(240)의 충전 전력 및 부하(300)의 구동 전력을 공급하는 제 2 동작 모드와, 상기 발전장치(100)에서 생성된 전력과 상기 배터리(240)에 충전된 전력을 이용하여 상기 부하(300)로 구동 전력을 공급하는 제 3 동작 모드와, 상기 발전장치(100)에서 생성된 전력을 이용하여 상기 배터리(240)의 충전 전력을 공급하는 제 4 동작 모드와, 상기 배터리(240)에 충전된 전력을 이용하여 상기 부하(300)로 구동 전력을 공급하는 제 5 동작 모드와, 상기 배터리(240)의 충전 전력 및 상기 부하(300)의 구동 전력을 모두 공급하지 않는 제 6 동작 모드를 포함한다.
상기 시스템 제어부(260)는 상기 발전장치(100)의 발전량, 상기 배터리(240)의 충전 상태, 상기 부하(300)의 운전 조건 등을 고려하여 상기 에너지 저장장치(200)의 동작 모드를 상기 제 1 내지 6 동작 모드 중 어느 하나의 동작 모드로 설정하고, 상기 설정된 동작 모드에 따라 상기 제 1 컨버터(210), 제 2 컨버터(220), 제 3 컨버터(230) 및 배터리(240)의 동작이 이루어지도록 제어한다.
그리고, 상기 시스템 제어부(260)는 상기 설정된 동작 모드에 따라 상기 제 1 내지 3 컨버터(210, 220, 230)를 구성하는 스위칭 소자의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력할 수 있다. 여기에서, 상기 제어신호는 각각의 컨버터의 입력 전압에 따른 듀티비의 최적 제어를 통해 상기 각각의 컨버터의 전력 변환에 따른 손실을 최소화할 수 있는 신호를 의미할 수 있다. 이를 위해, 상기 시스템 제어부(260)는 각각의 컨버터의 입력단 및 출력단 중 적어도 어느 하나에서 전압, 전류 및 온도 값을 감지하고, 상기 감지한 전압, 전류 및 온도 값을 토대로 상기 제어신호를 생성 및 출력할 수 있다.
또한, 시스템 제어부(260)는 상기 배터리(240)의 충전 상태를 확인하고, 상기 확인한 충전 상태에 따라 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)의 구동 전력 공급을 제어한다.
즉, 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)은 배터리(240)로부터 구동에 필요한 전력을 공급받으며, 상기 공급받은 전력을 토대로 상기 배터리(240)의 동작을 제어하거나, 상기 배터리(240)의 상태를 모니터링한다.
이때, 상기 부하(300)로 공급할 전력에 대한 출력 지령 값이 높거나, 상기 발전장치(100)에서 출력되는 전력이 낮은 경우, 상기 배터리(240)는 충전 모드로 동작하지 않고, 방전 모드 또는 슬립 모드로 동작하게 된다. 그리고, 상기와 같은 방전 모드 또는 슬립 모드로의 계속적인 동작에 의해 상기 배터리(240)의 SOC 레벨이 기설정된 최저 기준치(예를 들면, 5%) 이하로 내려가는 경우, 상기 배터리(240)는 운전 정지(Shut down)를 하게 된다.
이와 같은 경우, 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)은 상기 배터리(240)의 운전 정지에 의해 구동 전력을 공급받지 못하게 되며, 이에 따라 상기 배터리(240)의 동작이 정상적으로 이루어질 수 없게 된다.
이에 따라, 시스템 제어부(260)는 상기와 같이 상기 배터리(240)의 운전 정지가 이루어지면, 상기 발전장치(100)에서 출력되는 전력의 존재 여부를 판단하며, 상기 발전장치(100)에서 출력되는 전력이 존재하는 경우, 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 변환된 전력에 의해 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)의 구동 전력이 우선적으로 공급되도록 한다.
그리고, 시스템 제어부(260)는 상기 공급되는 구동 전력에 의해 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)이 구동되도록 하며, 이에 따라 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)에 의해 상기 배터리(240)의 충전이 이루어지도록 한다.
또한, 시스템 제어부(260)는 상기 배터리(240)의 충전 상태가 일정 수준치 이상의 SOC 레벨에 도달하면, 상기 배터리(240)에 충전된 전력에 의해 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)의 구동 전력이 다시 공급되도록 한다.
즉, 기존에는 상기 배터리(240)가 운전정지한 경우, 상기 배터리(240)의 정상적인 동작을 위해서는 시스템 전체를 리셋하거나, 별도의 추가적인 작업을 통해 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)의 동작이 정상적으로 수행되도록 하였다. 그러나, 본 발명에서는 상기와 같이 배터리(240)의 상태에 따라 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)으로 구동 전력을 공급하는 주체를 다르게 설정하여 상기와 같은 문제점을 해결하도록 한다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발전장치에서 발전된 전력을 이용하여 중계기 및 카메라로 구성되는 부하에 전원을 공급함으로써, 독립형으로 전원이 불가능한 지역에서 상기 부하에 안정적인 전원을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 에너지 저장 장치의 최종 출력을 교류 전력이 아닌 직류 전력으로 함으로써, 중계기와 같은 부하의 내부에 필수적으로 포함되어야 하는 인버터를 삭제할 수 있으며, 이에 따른 제품 단가 절감 및 제품 부피를 슬림화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 배터리의 완전 방전에 따라 배터리 관리 시스템의 운전이 정지된 경우, 발전장치를 통해 생성된 전력을 이용하여 상기 배터리 관리 시스템의 구동 전원을 우선적으로 공급함으로써, 상기 배터리 관리 시스템의 운전을 재개시키기 위한 추가적인 동작이 불필요하며, 상기 배터리 관리 시스템의 운전 정지에 따라 발생하는 시스템 이상 현상을 사전에 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 부하의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 부하(300)는 카메라(310), 제 1 중계기(320) 및 제 2 중계기(330)를 포함한다.
카메라(310)는 상기 부하(300)가 설치된 위치에 배치되어, 상기 부하(300)의 주변 상황에 대한 영상을 획득하고, 상기 획득한 영상을 상기 시스템 제어부(260)로 전송한다.
상기 카메라(310)는 상기 제 3 컨버터(230)의 출력단과 연결될 수 있으며, 이에 따라 상기 제 3 컨버터(230)를 통해 변환된 직류 전력에 의해 구동될 수 있다.
또한, 상기 카메라(310)는 상기 제 1 중계기(320) 및 상기 제 2 중계기(330)의 동작에 연동되어, 상기 제 1 중계기(320) 및 상기 제 2 중계기(330)가 구동되는 시간에만 선택적으로 동작할 수 있다.
상기 제 1 중계기(320) 및 상기 제 2 중계기(330)는 부하(300)의 일종이며, 이동통신 단말기와 이동통신 서버 간의 신호 중계를 수행한다.
일반적으로, 음영지역으로 분류되는 산악 지역에서는 상기 이동통신 단말기와 이동통신 서버 사이의 통신이 원활히 이루어질 수 없으며, 이에 따라 상기와 같은 산악 지역에는 상기 이동통신 단말기와 이동통신 서버 사이의 신호를 중계하는 중계기가 설치된다.
이때, 상기 중계기는 별도의 계통 전력을 공급받아 구동되며, 이에 따라 상기 중계기의 전력 제어에 많은 어려움이 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 상기와 같이 에너지 저장장치(200)와 상기 중계기를 포함하는 부하(300)를 하나의 시스템으로 설계하고, 그에 따라 상기 에너지 저장장치(200)에서 변환된 전력에 의해 상기 부하(300)를 구성하는 중계기로 구동 전력이 공급되도록 한다.
상기 중계기는 제품 규격에 따라 제 1 중계기(320) 및 제 2 중계기(330)를 포함할 수 있다.
상기 제 1 중계기(320)는 RRH(Radio Remote Head)일 수 있으며, 이의 규격은 아래의 표 1과 같을 수 있다.
상세 정보
제품명 RRH(L8HU)
Dimension(mm/WxDxH) 350.5*125*465
입력 전압(V) +27DC
입력 전류(A) 6.45A
소비 전력(W) 175
상기 제 1 중계기(320)는 상기 제 3 컨버터(230)와 연결되어, 상기 제 3 컨버터(230)를 통해 변환된 직류 전력을 수신하며, 상기 수신된 직류 전력에 의해 구동된다.
또한, 상기 제 2 중계기(330)는 mmWave 중계기일 수 있으며, 이의 규격은 아래의 표 2와 같을 수 있다.
상세 정보
제품명 mmWave
Dimension(mm/WxDxH) 265*265*80
입력 전압(V) -48DC
입력 전류(A) 1A
소비 전력(W) 55
상기 제 2 중계기(330)는 상기 제 2 컨버터(220)와 연결되어, 상기 제 2 컨버터(220)를 통해 변환된 직류 전력을 수신하며, 상기 수신된 직류 전력에 의해 구동된다.
또한, 시스템 제어부(260)에 의해 제어되는 상기 부하(300)의 운전 조건은 다음의 표 3과 같을 수 있다.
제 1 중계기(180W) 제 2 중계기(60W)
Operating Hours/Day 12
Required Energy/Days 180W*12hr=2160W 60W*12hr=720W
Controller Consumption 2W*24h=48Wh
Power Conversion Efficiency > 85%
Daily Consumption Energy 2160/0.85+48=2590W 720/0.85+48=895W
발전장치 규격 300W*6=1800W
Sunshine 4hr/day
Sunless Days 1day
Battery Operation Range(SOC) 10~90%
Required Battery Capacity 7843Wh
Output 300W
Operating Temperature -10~40℃
시스템 제어부(260)는 상기 표 3에 기재된 바와 같이, 상기 부하(300)의 운전 조건을 설정하고, 상기와 같은 운전 조건을 만족하도록 각각의 컨버터의 동작 상태, 배터리(240)의 동작 상태 및 발전장치(100)의 발전 상태 등을 포함하는 운전 계획을 수립하고, 상기 수립한 운전 계획에 따라 상기 에너지 저장장치(200)의 동작이 이루어지도록 한다.
도 4는 도 3에 도시된 제 1 중계기 및 제 2 중계기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 제 1 중계기 및 제 2 중계기 중 어느 하나의 중계기는, 직류-직류 컨버터(321), 증폭기(322) 및 제어기(323)를 포함한다.
상기와 같은 중계기는 상기 에너지 저장장치(200)로부터 직류 전력을 공급받는다. 즉, 종래에서의 중계기는 전력 입력단에 인버터가 배치되고, 외부로부터 교류 전력을 공급받으며, 상기 인버터를 통해 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환하였다.
그러나, 본 발명에서는 상기와 같이 에너지 저장장치(200)를 통해 직류 전력이 출력되도록 하고, 그에 따라 상기 중계기를 통해 상기 출력되는 직류 전력이 직접 수신되도록 하여, 상기 중계기 내부에 구비되는 인버터를 삭제하였다.
이에 따라, 상기 증폭기(322)는 상기 에너지 저장장치(200)를 통해 출력되는 전력에 의해 구동된다.
또한, 상기 에너지 저장장치(200)를 통해 출력되는 전력은 직류-직류 컨버터(321)로 입력되며, 상기 직류-직류 컨버터(321)는 상기 입력되는 전력을 상기 중계기를 구성하는 각 구성요소에서 필요로 하는 전력으로 변환한다.
즉, 상기 직류-직류 컨버터(321)는 상기 중계기의 전반적인 동작을 제어하는 제어기(323)의 필요 전력에 따라 상기 에너지 저장장치(200)에서 출력되는 27V 또는 48V의 직류 전력을 5V 또는 12V로 강압한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치(200)의 각 컨버터의 출력 전력을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, (a)에 도시된 바와 같이, 제 1 컨버터(210)는 발전장치(100)로부터 120V의 직류 전력을 수신한다. 그리고, 상기 제 1 컨버터(210)는 동작 모드에 따라 상기 120V의 직류 전력을 52V의 직류 전력으로 변환하고, 그에 따라 상기 변환된 직류 전력을 제 2 컨버터(220), 제 3 컨버터(230) 및 배터리(230)로 각각 출력한다.
또한, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 제 2 컨버터(220)는 제 1 컨버터(210) 및 배터리(240)로부터 52V의 직류 전력을 수신한다. 그리고, 상기 제 2 컨버터(220)는 동작 모드에 따라 상기 52V의 직류 전력을 48V의 직류 전력으로 변환하고, 그에 따라 상기 변환된 직류 전력을 제 2 중계기(330)로 각각 출력한다.
또한, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 제 3 컨버터(230)는 제 1 컨버터(210) 및 배터리(240)로부터 52V의 직류 전력을 수신한다. 그리고, 상기 제 3 컨버터(230)는 동작 모드에 따라 상기 52V의 직류 전력을 27V의 직류 전력으로 변환하고, 그에 따라 상기 변환된 직류 전력을 제 1 중계기(320) 및 카메라(310)로 각각 출력한다.
도 6 내지 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치(200)의 각 동작 모드에 따른 전력 공급의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 6은 상기 에너지 저장장치(200)의 동작 모드가 상기 발전장치(100)에서 생성된 전력을 이용하여 부하(300)의 구동 전력을 공급하는 제 1 동작 모드일 경우에 나타나는 전력 공급 흐름을 보여준다.
도 6을 참조하면, 상기 제 1 동작 모드는 상기 부하(300)의 구동이 필요한 시간이고, 상기 부하(300)의 출력 지령 값과 발전장치(100)의 생산 전력량이 동일한 경우에 수행될 수 있다.
이에 따라, 발전장치(100)에서 생산된 전력은 제 1 컨버터(210)로 공급되고, 상기 제 1 컨버터(210)에 의해 전력 변환이 이루어진다. 그리고, 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 변환된 직류 전력은 상기 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)로 공급되며, 이에 따라 부하(300)에서 필요로 하는 직류 전력으로 변환된 후 상기 부하(300)로 출력된다. 이때, 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 변환된 전력은 상기 배터리(240)로 공급되지 않으며, 상기 배터리(240)에 충전된 전력도 상기 제 2 컨버터(220) 및 상기 제 3 컨버터(230)로 공급되지 않는다.
도 7은 상기 에너지 저장장치(200)의 동작 모드가 상기 발전장치(100)에서 생성된 전력을 이용하여 배터리(240)의 충전 전력 및 부하(300)의 구동 전력을 공급하는 제 2 동작 모드일 경우에 나타나는 전력 공급 흐름을 보여준다.
도 7을 참조하면, 상기 제 2 동작 모드는 상기 부하(300)의 구동이 필요한 시간이고, 상기 부하(300)의 출력 지령 값이 발전장치(100)의 생산 전력량보다 낮은 경우에 수행될 수 있다.
이에 따라, 발전장치(100)에서 생산된 전력은 제 1 컨버터(210)로 공급되고, 상기 제 1 컨버터(210)에 의해 전력 변환이 이루어진다. 그리고, 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 변환된 직류 전력은 상기 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)로 공급되며, 이에 따라 부하(300)에서 필요로 하는 직류 전력으로 변환된 후 상기 부하(300)로 출력된다. 이때, 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 변환된 전력 중 상기 출력 지령 값에 대응하는 전력을 제외한 나머지 전력은 상기 배터리(240)로 공급되며, 이에 따라 상기 배터리(240)의 충전이 이루어진다.
도 8은 상기 에너지 저장장치(200)의 동작 모드가 상기 발전장치(100)에서 생성된 전력과 상기 배터리(240)에 충전된 전력을 이용하여 상기 부하(300)로 구동 전력을 공급하는 제 3 동작 모드일 경우에 나타나는 전력 공급 흐름을 보여준다.
도 8을 참조하면, 상기 제 3 동작 모드는 상기 부하(300)의 구동이 필요한 시간이고, 상기 부하(300)의 출력 지령 값이 발전장치(100)의 생산 전력량보다 높은 경우에 수행될 수 있다.
이에 따라, 발전장치(100)에서 생산된 전력은 제 1 컨버터(210)로 공급되고, 상기 제 1 컨버터(210)에 의해 전력 변환이 이루어진다. 그리고, 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 변환된 직류 전력은 상기 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)로 공급된다.
이때, 상기 배터리(240)는 방전 동작을 수행하며, 이에 따라 상기 배터리(240)의 방전에 의해 상기 배터리(240)로부터 출력되는 직류 전력도 상기 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)로 공급된다.
이에 따라, 상기 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)는 상기 발전장치(100) 및 상기 배터리(240)로부터 직류 전력을 공급받고, 공급받은 직류 전력을 부하(300)에서 필요로 하는 직류 전력으로 각각 변환한 후 출력한다.
도 9는 상기 에너지 저장장치(200)의 동작 모드가 상기 발전장치(100)에서 생성된 전력을 이용하여 상기 배터리(240)의 충전 전력을 공급하는 제 4 동작 모드일 경우에 나타나는 전력 공급 흐름을 보여준다.
도 9을 참조하면, 상기 제 4 동작 모드는 상기 부하(300)의 구동이 불필요한 시간이고, 상기 발전장치(100)를 통해 생산된 전력이 존재하는 경우에 수행될 수 있다.
이에 따라, 발전장치(100)에서 생산된 전력은 제 1 컨버터(210)로 공급되고, 상기 제 1 컨버터(210)에 의해 전력 변환이 이루어진다. 그리고, 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 변환된 직류 전력은 모두 상기 배터리(240)로 공급되어 상기 배터리(240)를 충전시킨다. 이때, 상기 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)로는 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 변환된 직류 전력이 공급되지 않으며, 이에 따라 상기 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)의 동작은 이루어지지 않는다.
도 10은 에너지 저장장치(200)의 동작 모드가 상기 배터리(240)에 충전된 전력을 이용하여 상기 부하(300)로 구동 전력을 공급하는 제 5 동작 모드일 경우에 나타나는 전력 공급 흐름을 보여준다.
도 10을 참조하면, 상기 제 5 동작 모드는, 상기 부하(300)의 구동이 필요한 시간이고, 상기 발전장치(100)에서 생산되는 전력이 존재하지 않은 경우에 수행될 수 있다.
이에 따라, 발전장치(100)에서 출력되는 전력은 존재하지 않아 제 1 컨버터(210)의 동작은 이루어지지 않으며, 이로 인해 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 출력되는 전력은 존재하지 않는다.
그리고, 배터리(240)는 방전 동작을 수행하여 상기 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)로 직류 전력을 출력한다. 그리고, 상기 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)는 상기 배터리(240)로부터 직류 전력을 공급받고, 상기 공급받은 직류 전력을 부하(300)에서 필요로 하는 직류 전력으로 각각 변환한 후 출력한다.
도 11은 에너지 저장장치(200)의 동작 모드가 상기 배터리(240)의 충전 전력 및 상기 부하(300)의 구동 전력을 모두 공급하지 않는 제 6 동작 모드일 경우에 나타나는 전력 공급 흐름을 보여준다.
도 11을 참조하면, 상기 제 6 동작 모드는 상기 부하(300)의 구동이 불필요한 시간이고, 상기 발전장치(100)에서 생산되는 전력이 존재하지 않은 경우에 수행될 수 있다.
이때, 제 1 컨버터(210), 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)는 모두 동작 중지 상태에 있으며, 이에 따라 배터리(240)도 동작 중지 또는 동작 대기 상태를 유지한다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 충전 상태에 따른 동작 모드를 보여준다.
도 12를 참조하면, 배터리의 SOC 레벨은 0~100%로 구분될 수 있다. 그리고, 상기 SOC 레벨은 최대 기준치가 95%로 제한될 수 있고, 상기 배터리(240)는 상기 SOC 레벨이 상기 95%에서 10% 범위 내에 속하는 경우에 일반적인 동작 상태를 유지한다.
그리고, 상기 배터리(240)는 상기 SOC 레벨이 10% 이하로 내려가면, 최소 기준치인 5%가 될 때까지 스탠바이 모드로 동작하게 된다.
그리고, 상기 배터리(240)는 상기 SOC 레벨이 5% 미만으로 내려가면 운전 중지 상태가 된다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 부하로의 전력 공급 흐름을 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 배터리(240)의 에너지가 모두 방전이 된 경우, 발전장치(100)에서 상기 에너지 저장장치(200)를 동작시킬 수 있는 충분한 전력이 생산되기까지 일정 시간(T1)의 딜레이가 발생하게 되며, 이 일정 시간(T1)의 크기는 상기 발전 장치의 발전 조건(예를 들어, 태양 복수 조건)에 따라 바뀔 수 있다.
예를 들어, 배터리(240)의 에너지를 모두 소모한 뒤 아침이 되었을 경우, 도 13에 도시된 바와 같이 T1 구간이 발생되며, 상기 T1의 간격은 태양 복사 시간에 따라 변할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에서의 시스템 제어부(260)는 상기 T1의 간격을 최소화하거나 상기 T1 구간이 존재하지 않도록, 상기 T1 구간에서는 배터리(240)나 추가적인 보조 배터리(도시하지 않음)의 구동이 이루어지도록 한다.
즉, 상기 시스템 제어부(260)는 상기 부하(300)로의 구동 전력이 이루어져야 하는 시점을 기준으로 상기 T1 구간의 발생 여부를 판단할 수 있다. 이는, 상기 부하(300)로의 구동 전력 공급 시점과, 상기 배터리(240)의 충전 상태, 그리고 발전장치(100)에서 생성될 예상 전력량에 의해 결정될 수 있다.
이에 따라, 상기 시스템 제어부(260)는 상기 T1 구간이 발생하게 되면, 별도의 보조 배터리를 구동시키거나, 상기 T1 구간이 발생함을 알리는 정보를 출력하여 상기 T1 구간의 발생에 따른 문제를 해결할 수 있도록 한다.
도 14는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 저장장치(200)의 상세 구성도이다.
도 14를 참조하면, 에너지 저장장치(200)는 제 1 컨버터(210), 제 2 컨버터(220), 제 3 컨버터(230), 배터리(240), BMS(250) 및 시스템 제어부(260)를 포함한다. 아래에서는, 도 14의 설명에 있어서, 도 2에 도시된 구성요소와 실질적으로 동일한 기능을 하는 구성요소의 설명은 생략하기로 한다.
도 14를 참조하면, 도 2에 도시된 에너지 저장장치(200)와 비교해볼 때, 시스템 제어부(260)의 구성과 보조 배터리(270)의 구성이 상기 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 저장장치(200)와 상이하다.
본 발명의 제 2 실시 예에서의 에너지 저장장치(200)는 배터리(240)의 제 1 충전 상태에서 동작하는 제 1 제어부(261)와, 상기 배터리(240)의 제 2 충전 상태에서 동작하는 제 2 제어부(262)를 포함한다.
상기 제 1 제어부(261)는 도 2에 도시된 시스템 제어부(260)와 동일한 기능을 하며, 이에 따라 이의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 제 1 제어부(261)는 상기 배터리(240)의 충전 상태, 다시 말해서 SOC 레벨이 95%~5% 사이인 경우에 상기 배터리(240)를 통해 공급되는 전력에 의해 동작한다.
그리고, 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)은 상기 배터리(240)의 SOC 레벨을 주기적으로 모니터링하며, 상기 배터리(240)의 SOC 레벨이 5% 미만으로 내려감에 따라 상기 제 1 제어부(261)의 정상적인 구동이 이루어질 수 없는 상황의 발생 여부를 판단한다.
상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)은 상기 배터리(240)의 SOC 레벨이 5% 미만으로 내려가게 되면, 상기 제 1 제어부(261)의 구동이 정지되도록 하고, 그에 따라 상기 제 1 제어부(261)가 아닌 제 2 제어부(262)에 의해 상기 에너지 저장장치(200)의 동작 제어가 이루어지도록 한다.
이를 위해, 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)은 상기 배터리(240)의 SOC 레벨이 5% 미만으로 내려가면, 상기 보조 배터리(270)를 구동시켜 상기 보조 배터리(270)의 방전이 이루어지도록 한다.
그리고, 배터리 관리 시스템(BMS, 250)는 상기 보조 배터리(270)의 방전에 의해 발생하는 전력에 의해 상기 제 2 제어부(262)로 구동 전력이 공급되도록 한다.
이에 따라, 상기 제 2 제어부(262)는 상기 보조 배터리(270)로부터 공급되는 전력에 따라 구동되어 상기 제 1 컨버터(210), 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)의 동작을 제어한다.
상기와 같이, 본 발명에서는 시스템 제어부(260)를 복수의 제어부로 구성하고, 그에 따라 상기 배터리(240)의 SOC 레벨에 따라 상기 복수의 제어부가 서로 구분 동작하도록 한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 에너지 저장장치(200)는 배터리(240)의 충전 상태를 정확히 인지할 수 있으며, 상기 배터리(240)의 충전 상태에 따라 발생하는 에너지 저장장치(200)의 동작 에러를 사전에 방지할 수 있도록 한다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 동작 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 도 15를 참조하면, 발전장치(100)는 전기 에너지를 생성한다(100단계).
그리고, 시스템 제어부(260)는 부하(300)에 전력 공급이 필요한가를 판단한다(110단계). 즉, 시스템 제어부(260)는 현 시간이 상기 부하(300)로 전력 공급이 이루어져야 하는 시간인지, 그리고 부하(300)가 과부하인지 경부하인지를 토대로 상기 부하(300)에 전력 공급이 필요한지 여부를 판단한다.
이어서, 상기 부하(300)로 전력 공급이 필요하지 않다면, 상기 시스템 제어부(260)는 상기 발전장치(100)를 통해 생성된 전기 에너지에 따른 전력을 배터리(240)로 공급하여 상기 배터리(240)를 충전시킨다(120단계). 이에 따라, 상기 제 1 컨버터(210)는 발전장치(100)를 통해 생성된 전력을 수신하며, 이에 따라 상기 전력의 변환 동작을 수행하여 배터리(240)로 공급한다. 이때, 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 변환된 전력은 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)로는 공급되지 않으며, 이에 따라 상기 시점에서는 상기 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)의 동작이 이루어지지 않는다.
또한, 시스템 제어부(260)는 상기 부하(300)에 전력 공급이 필요하다면, 배터리(240)의 방전이 필요한지 여부를 판단한다(130단계). 즉, 시스템 제어부(260)는 발전장치(100)가 공급하는 전기 에너지만으로 상기 부하(300)의 전력 수요를 충족하지 못하여 상기 배터리(240)의 방전이 필요한지 판단할 수 있다.
그리고, 시스템 제어부(260)는 상기 배터리(240)의 방전이 필요하다면, 상기 배터리(240)를 제어하여 상기 배터리(240)의 방전이 이루어지도록 한다(140단계).
이에 따라, 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)로는 상기 제 1 컨버터(210)를 통해 변환된 전력 및 상기 배터리(240)를 통해 방전된 전력이 선택적으로 공급된다. 그리고, 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)는 상기 공급되는 전력을 수신하고, 상기 수신한 전력을 부하(300)에서 필요로 하는 크기의 직류 전력으로 변환한다(150단계).
그리고, 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)를 통해 변환된 직류 전력은 상기 부하(300)의 각 구성요소에 다이렉트로 공급된다(160단계).
또한, 도 16을 참조하면, 시스템 제어부(260)는 배터리 관리 시스템(BMS, 250)과 통신을 수행하여 상기 배터리(240)의 SOC 레벨을 주기적으로 확인한다(200단계).
그리고, 시스템 제어부(260)는 상기 배터리(240)의 SOC 레벨이 최소 기준점 이하로 내려갔는지 여부를 판단한다(210단계). 여기에서, 상기 최소 기준점은 SOC 레벨의 5%일 수 있으며, 이에 따라 상기 시스템 제어부(260)는 상기 배터리(240)의 SOC 레벨이 5% 미만인지 여부를 판단한다.
상기 배터리(240)의 SOC 레벨이 5% 미만이면, 시스템 운전 중지가 이루어지며, 이에 따라 상기 배터리(240)의 동작 및 배터리 관리 시스템(BMS, 250)의 동작은 중지된다(220단계).
시스템 제어부(260)는 상기 시스템 운전 중지가 이루어진 상태에서, 발전장치(100)를 통해 생성되는 전기 에너지가 존재하는지 여부를 판단한다(230단계).
그리고, 시스템 제어부(260)는 상기 발전장치(100)를 통해 생성된 전기 에너지가 존재하면, 상기 발전장치(100)를 통해 생성된 전기 에너지를 이용하여 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)의 구동 전력이 공급되도록 한다(240단계).
이에 따라, 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)는 상기 공급되는 구동 전력에 의해 동작이 재개되며, 상기 발전장치(100)를 통해 생성된 전기 에너지를 이용하여 상기 배터리(240)의 충전이 이루어지도록 한다(250단계).
그리고, 시스템 제어부(260)는 상기 배터리(240)의 충전이 기준점 이상으로 이루어졌는지 여부를 판단한다(260단계). 즉, 상기 시스템 제어부(260)는 상기 배터리(240)의 SOC 레벨이 5% 이상 또는 10% 이상으로 상승하였는지 여부를 판단한다.
이어서, 시스템 제어부(260)는 상기 배터리(240)의 SOC 레벨이 5% 이상 또는 10% 이상으로 상승하였다면, 상기 발전장치(100)를 통해 생성된 전력이 아닌 상기 배터리(240)에 충전된 전력에 의해 상기 배터리 관리 시스템(BMS, 250)의 구동 전력이 공급되도록 한다(270단계).
또한, 도 17을 참조하면, 시스템 제어부(260)는 배터리 관리 시스템(BMS, 250)과 통신을 수행하여 상기 배터리(240)의 SOC 레벨을 주기적으로 확인한다(300단계).
그리고, 시스템 제어부(260)는 상기 배터리(240)의 SOC 레벨이 최소 기준점 이하로 내려갔는지 여부를 판단한다(210단계). 여기에서, 상기 최소 기준점은 SOC 리벨의 5%일 수 있으며, 이에 따라 상기 시스템 제어부(260)는 상기 배터리(240)의 SOC 레벨이 5% 미만인지 여부를 판단한다.
상기 시스템 제어부(260)는 상기 SOC 레벨이 5% 미만으로 감소하였다면, 현 상태가 부하(300)로 전력 공급이 필요한 상태인지를 판단한다(320단계). 이때, 본 단계(320단계)는 배터리 관리 시스템(BMS, 250)에서 수행될 수도 있을 것이다.
그리고, 시스템 제어부(260)는 현 상태가 부하(300)로 전력 공급이 필요한 상태이면, 보조 배터리(270)를 구동시키고, 상기 보조 배터리(270)의 방전이 이루어지도록 한다(330단계). 이때, 현 단계에서 상기 시스템 제어부(260)는 복수의 제어부 중 제 1 제어부(261)에 의해 에너지 저장장치(200)의 제어가 이루어진다.
이어서, 상기 보조 배터리(270)가 구동됨에 따라 제 2 제어부(262)에 구동 전력이 공급되고, 상기 공급되는 구동 전력에 의해 상기 제 2 제어부(262)가 동작하게 된다(340단계). 이때, 상기 제 1 제어부(261)는 배터리(240)를 통해 구동 전력 공급이 차단된 상태이며, 이에 따라 동작을 중지하게 된다.
그리고, 상기 제 2 제어부(262)는 상기 보조 배터리(270)를 통해 공급되는 구동 전력에 의해 동작하고, 상기 에너지 저장장치(200)를 구성하는 제 1 컨버터(210), 제 2 컨버터(220) 및 제 3 컨버터(230)의 동작을 제어하며, 이에 따라 부하(300)로 전력 공급이 이루어진다(350단계).
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발전장치에서 발전된 전력을 이용하여 중계기 및 카메라로 구성되는 부하에 전원을 공급함으로써, 독립형으로 전원이 불가능한 지역에서 상기 부하에 안정적인 전원을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 에너지 저장 장치의 최종 출력을 교류 전력이 아닌 직류 전력으로 함으로써, 중계기와 같은 부하의 내부에 필수적으로 포함되어야 하는 인버터를 삭제할 수 있으며, 이에 따른 제품 단가 절감 및 제품 부피를 슬림화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 배터리의 완전 방전에 따라 배터리 관리 시스템의 운전이 정지된 경우, 발전장치를 통해 생성된 전력을 이용하여 상기 배터리 관리 시스템의 구동 전원을 우선적으로 공급함으로써, 상기 배터리 관리 시스템의 운전을 재개시키기 위한 추가적인 동작이 불필요하며, 상기 배터리 관리 시스템의 운전 정지에 따라 발생하는 시스템 이상 현상을 사전에 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 전술한 방법은, 프로그램이 기록된 매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 매체의 예로는, ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
상기와 같이 기재된 실시예들은 설명된 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
100: 발전장치
200: 에너지 저장장치
210: 제 1 컨버터 220: 제 2 컨버터
230: 제 3 컨버터 240: 배터리
250: 배터리 관리 시스템 260: 시스템 제어부
270: 보조 배터리
300: 부하

Claims (8)

  1. 전기 에너지를 생성하는 발전장치;
    상기 발전장치를 통해 생성된 전기 에너지의 크기를 변환하고, 상기 변환된 전기 에너지를 충전하거나 출력하는 에너지 저장 장치; 및
    상기 에너지 저장 장치를 통해 출력되는 전기 에너지를 구동 전력으로 하여 동작하는 부하를 포함하며,
    상기 에너지 저장 장치는, 직류 전력의 전기 에너지를 상기 부하로 직접 출력하고,
    상기 부하는, 상기 에너지 저장 장치를 통해 출력되는 상기 직류 전력의 전기 에너지를 구동 전력으로 하여 동작하고,
    상기 에너지 저장 장치는, 상기 발전 장치를 통해 제 1 직류 전력을 수신하고, 상기 수신된 제 1 직류 전력을 제 2 직류 전력으로 변환하는 제 1 컨버터와, 상기 제 1 컨버터로부터 상기 제 2 직류 전력을 공급받아 충전하고, 상기 충전한 상기 제 2 직류 전력을 방전하여 출력하는 배터리와, 상기 제 1 컨버터 및 상기 배터리 중 적어도 어느 하나로부터 상기 제 2 직류 전력을 수신하고, 상기 수신한 제 2 직류 전력을 제 3 직류 전력으로 변환하여 상기 부하로 공급하는 제 2 컨버터와, 상기 배터리의 상태를 모니터링하는 배터리 관리 시스템과, 상기 배터리 관리 시스템을 통해 상기 배터리의 상태 정보를 수신하고, 상기 수신한 배터리의 상태 정보를 토대로 상기 배터리의 충전 및 방전 동작을 제어하는 시스템 제어부를 포함하고,
    상기 시스템 제어부는, 상기 배터리의 충전 상태가 기설정된 레벨 이상인 제 1 조건에서 활성화되어 상기 제 1 및 2 컨버터를 제어하는 제 1 제어부와, 상기 배터리의 충전 상태가 상기 기설정된 레벨 미만인 제 2 조건에서 활성화되어 상기 제 1 및 2 컨버터를 제어하는 제 2 제어부를 포함하며, 상기 배터리의 충전 상태가 상기 제 2 조건이면, 상기 제 2 제어부를 활성화시키기 위한 구동 전력을 공급하는 보조 배터리를 더 포함하는
    에너지 저장 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 부하는,
    이동 단말기와 이동통신 서버 사이의 신호를 중계하는 중계기와,
    상기 중계기가 설치된 위치에서 영상을 촬영하는 카메라를 포함하는
    에너지 저장 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는,
    상기 중계기의 구동 시간 정보를 확인하고, 상기 확인한 구동 시간 정보를 토대로 상기 중계기의 구동 시간에만 상기 제 2 컨버터로 상기 제 2 직류 전력이 출력되도록 하는
    에너지 저장 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 배터리와 연결된 제 1 경로와, 상기 제 1 컨버터와 연결된 제 2 경로 중 어느 하나의 경로를 통해 구동 전력을 공급받으며,
    상기 시스템 제어부는,
    상기 배터리의 충전 상태가 기설정된 레벨 이상이면, 상기 제 1 경로를 통해 상기 배터리 관리 시스템의 구동 전력이 공급되도록 하고,
    상기 배터리의 충전 상태가 상기 기설정된 레벨 미만이면, 상기 제 2 경로를 통해 상기 배터리 관리 시스템의 구동 전력이 공급되도록 하는
    에너지 저장 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치는,
    상기 발전장치를 통해 생성된 전기 에너지를 이용하여 상기 부하로 구동 전력 공급을 공급하는 제 1 동작 모드와,
    상기 발전장치를 통해 생성된 전기 에너지를 이용하여 상기 부하의 구동 전력 및 상기 배터리의 충전 전력을 공급하는 제 2 동작 모드와,
    상기 발전장치를 통해 생성된 전기 에너지 및 상기 배터리의 방전 전력을 이용하여 상기 부하의 구동 전력을 공급하는 제 3 동작 모드와,
    상기 발전장치를 통해 생성된 전기 에너지를 이용하여 상기 배터리의 충전 전력을 공급하는 제 4 동작 모드와,
    상기 배터리의 방전 전력을 이용하여 상기 부하의 구동 전력을 공급하는 제 5 동작 모드와,
    운전 중지 상태에 대응하는 제 6 동작 모드 중 어느 하나의 동작 모드로 동작하는
    에너지 저장 시스템.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 중계기는,
    상기 신호를 증폭하는 증폭기를 포함하며,
    상기 증폭기는,
    상기 제 2 컨버터의 출력단과 연결되어, 상기 제 2 컨버터를 통해 출력되는 상기 제 3 직류 전력을 구동 전력으로 하여 동작하는
    에너지 저장 시스템.
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