KR102521729B1 - 선내 배터리 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

실시예들은, 복수의 배터리 모듈을 각각 포함한, 복수의 배터리 팩을 포함한 배터리 시스템; 및 배터리 시스템을 모니터링하여 배터리 모듈의 고장을 감지하고; 그리고 고장 발생 이후에도 선내 전력계통으로 전력이 공급되도록 상기 배터리 시스템을 제어하는 에너지 제어 시스템을 포함하는 선내 배터리 제어 시스템에 관련된다.

Description

선내 배터리 제어 시스템 {SYSTEM FOR CONTROLLING BATTERY INSIDE SHIP}
실시예들은 배터리 시스템을 탑재한 선박의 선내 배터리 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 시스템에서 특정 배터리 팩의 배터리 모듈이 고장난 경우에도 상기 특정 배터리 팩의 나머지 정상 배터리 모듈의 전력을 계속 사용하여 선박의 전력계통에 대한 전력 공급을 유지할 수 있는 선내 배터리 제어 시스템에 관한 것이다.
최근 친환경 이슈로 인해 선박에 대해서 전기추진 시스템과 배터리 탑재의 요구가 증가하고 있다.
현재 전기추진 시스템과 배터리 탑재가 가장 진행되고 있는 전기 이동수단은 전기차와 같은 육상 모빌리티이다. 그러나, 전기차와 달리, 선박의 전기추진 시스템 및 배터리 탑재의 구현을 위해서는, MWH 급의 대용량 배터리가 요구된다. 기존 육상 모빌리티용 ESS(Energy storage system)는 150kWH 이하의 용량을 가진다. 반면, 선박용 ESS는 MWH 급의 대용량 배터리를 가진다. 중대형선의 경우에는 상대적으로 ESS의 용량이 줄어드는 배터리 하이브리드 시스템을 적용하더라도, 이들 자체 부하량이 워낙 크기 때문이다. 그리고 소형선의 경우에는 ESS에 저장된 전력만으로 운행하는 전기 추진선으로의 전환이 활발해지기 때문이다.
또한, 대용량 문제 이외에, 선박의 전기추진 시스템 및 배터리 탑재의 구현을 위해서는, 배터리 일부에서 고장과 같은 문제사항이 발생 시에도 지속적인 운전이 가능하는 것이 요구된다. 선박은 운항 계획 시간 동안 안정적인 전력 공급원을 확보하는 것이 중요하다. 전력 공급에 문제 발생 시, 이를 대체할 발전원을 확보하기 어렵기 때문이다. 만일 선박 배터리 상에 발생한 문제로 대용량의 배터리가 탈락한다면, 선박 전력 공급에 문제가 생기게 되고, 결국 선박 전력계통의 블랫아웃(Black Out)으로 이어질 수 있다. 그러면, 해당 선박과 관련된 엄청난 재산상 손실 및 경제적 손실이 야기될 수도 있다.
이러한 배터리 용량의 문제 및 안정성 문제를 해결하려고 하는 시도가 있다.
도 1은 종래의 선내 배터리의 모듈-팩의 내부 구성도이고, 도 2는 종래의 선내 배터리들의 배열 구조도이다.
선박의 전기추진 시스템을 위한 배터리 시스템의 내부 구조는 셀-모듈-팩(또는 랙(rack)) 단위로 구현된다. 일반적으로, 하나당 약 4V의 전압을 갖는 배터리 셀을 직렬 연결시켜 전압을 높인 배터리 모듈을 형성한다. 그리고 다시 배터리 모듈을 직/병렬 연결하여 선박의 전력계통의 정격전압에 출력전압을 맞춘 고전압/고용량의 배터리 팩을 형성한다. 그리고 다시 배터리 팩들을 병렬 연결하여 전체 배터리 시스템의 용량을 증대시킨다. 여기서, 다수의 배터리 팩이 하나의 전력계통에 연계되는 것이므로 각 배터리 팩의 출력전압은 동일하거나 유사하여야만 다수 배터리 팩의 병렬 운전이 가능하다.
그러나, 만약 특정 배터리 팩 내에서 배터리 모듈의 고장이 발생할 시에, 해당 배터리 팩의 출력전압은 낮아지게 되어, 다른 배터리 팩들의 출력전압과 상이하게 된다. 따라서, 더 이상 배터리 팩들의 병렬 운전이 불가능하기 때문에 고장이 발생한 배터리 팩을 배터리 시스템의 계통 경로에서 분리한다. 그러면, 배터리 모듈 단위의 고장으로 인해 해당 배터리 팩의 전체 배터리 모듈을 사용하지 못하게 되어, 해당 배터리 팩의 전체 용량만큼의 전력 손실이 발생한다.
그리고, 일시적이라도 고장 배터리 팩의 복수의 배터리 모듈 전부를 사용하지 못할 경우, 나머지 다른 배터리 팩들이 충방전을 감당해야 한다. 나머지 배터리 팩들의 충방전의 부담이 늘어나게 되면, 육상 모빌리티 대비 고전압/대용량의 선내 전력계통의 특성 상, 나머지 배터리 팩들은 손상을 입게 되는 추가적인 문제도 발생한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리 모듈 단위에 문제 발생 시, 문제가 발생한 배터리 모듈을 계통 경로로부터 격리시키고(isolating), 정상 작동하는 나머지 배터리의 성능을 최대한 유지하는 선내 배터리 제어 시스템을 제공하고자 한다.
본 출원의 일 실시예에 따른 선내 배터리 제어 시스템은: 복수의 배터리 모듈을 각각 포함한, 복수의 배터리 팩을 포함한 배터리 시스템; 및 배터리 시스템을 모니터링하여 배터리 모듈의 고장을 감지하고; 그리고 고장 발생 이후에도 선내 전력계통으로 전력이 공급되도록 상기 배터리 시스템을 제어하는 에너지 제어 시스템을 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 각 배터리 팩의 내부 연결 경로는 인접한 배터리 모듈들 간을 연결하는 제1 경로 및 특정 배터리 모듈과 제1 경로로 연결된 배터리 모듈의 다음 배터리 모듈을 연결하는 제2 경로를 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 각 배터리 팩은 제1 내지 제3 배터리 모듈을 포함할 수도 있다. 상기 제1 배터리 모듈의 제1 단자는 제2 배터리 모듈의 제2 단자와 상기 제1 경로를 통해 연결되거나, 제3 배터리 모듈의 제2 단자와 상기 제2 경로를 통해 연결된다.
일 실시예에서, 상기 에너지 제어 시스템은 EMS(Energy management system)를 포함할 수도 있다. 상기 에너지 제어 시스템은 상기 배터리 시스템의 경로 및 상기 배터리 시스템의 출력전압 중 적어도 하나를 제어한다.
일 실시예에서, 상기 에너지 제어 시스템은, 배터리 모듈의 고장이 감지되지 않으면, 상기 제1 경로를 통해 배터리 모듈들의 전력을 전달하고, 그리고 적어도 하나의 배터리 모듈의 고장이 감지되면, 감지된 고장 배터리 모듈에 대한 제2 경로를 통해 상기 고장 배터리 모듈의 이전 배터리 모듈로부터 상기 고장 배터리 모듈의 다음 배터리 모듈로 전력을 전달하게 할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리 시스템에서 복수의 배터리 팩은 병렬 연결된다. 상기 에너지 제어 시스템은, 배터리 모듈의 고장이 감지되지 않은 다른 배터리 팩에 대해서, 상기 다른 배터리 팩의 복수의 배터리 모듈 중 감지된 고장 배터리 모듈의 수만큼 일부 배터리 모듈을 선택하고, 그리고 상기 일부 배터리 모듈에 대한 제2 경로를 통해 각 선택된 배터리 모듈의 이전 배터리 모듈로부터 상기 선택된 배터리 모듈의 다음 배터리 모듈로 전력을 전달하게 할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 에너지 제어 시스템은 PCS(전력 변환 장치)를 포함할 수도 있다. 상기 에너지 제어 시스템은, 상기 고장 배터리 모듈의 수 또는 상기 선택된 배터리 모듈의 수에 대응한 전압 강하를 보상하기 위해, 상기 PCS에 의해 상기 적어도 하나의 고장 배터리 모듈을 포함한 배터리 시스템의 출력 전압을 미리 설정된 선내 전력계통의 정격전압으로 제어한다.
본 발명의 일 측면에 따른 선내 배터리 제어 시스템은 배터리 시스템 내 배터리 모듈 단위의 고장이 발생 시 고장이 발생한 배터리 모듈을 자동으로 격리시킴으로써, 고장으로 발생하는 해당 배터리 팩 단위의 전압 강하로 인한 배터리 팩의 전체 배터리 모듈의 탈락을 방지한다.
그 결과, 상기 선내 배터리 제어 시스템은 고장 이후에도 남은 항해 기간 동안 배터리 전력을 활용하는데 있어 배터리 시스템의 전력 공급 성능의 수준을 최대한 유지할 수 있어, 높은 안정성을 가진다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1은 종래의 선내 배터리의 모듈-팩의 내부 구성도이다.
도 2는 종래의 선내 배터리들의 배열 구조도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 선내 배터리 제어 시스템의 개략도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 및 제2 경로를 갖는 배터리 팩의 개략도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 선내 배터리 제어 방법의 흐름도이다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 선내 배터리 제어 시스템의 개략도이다.
도 3을 참조하면, 상기 선내 배터리 제어 시스템(1)은 배터리 시스템(10) 및 에너지 제어 시스템(30)을 포함한다.
배터리 시스템(10)은 선박 내에 탑재된 에너지 저장소를 포함한다. 상기 배터리 시스템(10)은 ESS(Energy Storage System)을 포함할 수도 있다.
상기 배터리 시스템(10)은 복수의 배터리 팩(100a, ?? 100n)을 포함한다(여기서, n은 자연수). 상기 배터리 시스템(10)은 선내 전력계통으로의 전력 공급을 위해 운전한다. 상기 복수의 배터리 팩(100a, ?? 100n)의 전력은 선내 전력계통으로 공급된다.
상기 복수의 배터리 팩(100a, ?? 100n)은 서로 병렬 연결된다. 또한, 상기 복수의 배터리 팩 각각(100)의 출력전압은 미리 설정된 선내 전력계통의 정격전압과 동일하거나 또는 그에 준하는 값을 가진다. 여기서, 정격전압에 준하는 값은 전력계통의 공차 범위 내의 전압 값이다. 이로 인해, 상기 배터리 시스템(10)은 선박의 전력계통의 부하량이 요구하는 대용량 전력 공급이 가능한 충분한 배터리 용량을 가진다.
각 배터리 팩(100)은 복수의 배터리 모듈(110); 및 배터리 관리 시스템(BMS)(130)을 포함한다. 각각의 배터리 모듈은 다수의 배터리 셀을 프레임에 넣은 배터리 셀 조립체(assembly)로 구현된다. 배터리 모듈(110)은 복수의 배터리 셀을 패킹하여 형성된다. 상기 배터리 셀은 전기에너지를 충방전할 수 있는 전지로서, 예를 들어 리튬 이온 배터리일 수도 있으나, 이에 제한되진 않는다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(100)은 하나 이상의 배터리 모듈(110)의 직렬 연결 구조를 포함한다. 복수의 배터리 모듈(110)의 직렬 연결 구조가 포함될 경우, 복수의 배터리 모듈(110)은 서로 병렬 연결될 수도 있다. 예를 들어, 배터리 팩(100)에서 2개의 배터리 모듈(110)의 직렬 연결 구조가 병렬 연결될 수도 있다. 각 직렬 연결 구조는 21개의 배터리 모듈(110)로 이루어질 수도 있다.
상기 팩 컨트롤러(130)는 배터리 팩(100)의 전반적인 운전을 관리한다. 상기 팩 컨트롤러(130)는, 예를 들어, BMS(Battery Management System), 냉각 시스템 등을 포함할 수도 있다.
상기 팩 컨트롤러(130)는 해당 배터리 팩(100)의 상태를 확인하고 배터리 관련 정보를 생성한다. 또한 상기 팩 컨트롤러(130)는 확인된 배터리 시스템(10)의 상태에 기초하여 방전 전력(즉, 출력 전력)을 제어한다. 상기 배터리 시스템(10)의 상태는 SoC(State of Charge), SoH(State of Health) 및/또는 SoF(State of Function)을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 배터리 팩(100)은 하나 이상의 배터리 센서(미도시)를 포함한다. 상기 팩 컨트롤러(130)는 배터리 센서를 통해 해당 배터리 모듈(110)의 상태를 확인할 수도 있다.
또한, 팩 컨트롤러(130)는 해당 배터리 팩(100) 내 배터리 모듈들(110) 간의 연결 경로를 제어할 수도 있다. 상기 배터리 팩(100) 내 배터리 모듈들(110) 간의 연결 경로는 제1 경로 및 제2 경로를 포함한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 및 제2 경로를 갖는 배터리 팩의 개략도이다.
아래의 설명에서 이전/다음은 도 4의 배터리 모듈(110)의 배열 방향에 의존하는 상대적 표현이다.
상기 제1 경로 및 제2 경로는 특정 배터리 모듈(110)의 일 단자와 다른 배터리 모듈(110)의 일 단자를 연결하는 경로로서, 배터리 팩(100) 내의 전류는 상기 제1 경로 또는 제2 경로를 통해 흐른다.
상기 제1 경로는 바로 인접한 배터리 모듈(110)을 서로 연결하는 경로이다. 특정 배터리 모듈(110)의 제1 단자와 바로 인접한 다른 배터리 모듈(110)의 제2 단자를 연결하여 상기 제1 경로를 형성한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 특정 배터리 모듈(110)의 양극 단은 바로 인접한 이전 배터리 모듈(110)의 음극 단과 상기 제1 경로를 통해 연결된다. 그리고, 상기 특정 배터리 모듈(110)의 음극 단은 바로 인접한 다음 배터리 모듈(110)의 양극 단과 제1 경로를 통해 연결된다. 특정 배터리 모듈(110)에서 출력된 전류는 상기 제1 경로를 통해 바로 인접한 배터리 모듈(110)로 흐를 수도 있다.
상기 제1 경로로 연결되어 있는 배터리 모듈(110)의 배열에서, 인접한 배터리 모듈(110)을 우회하는 경로(bypass path)이다. 특정 배터리 모듈(110)의 제1 단자와 상기 특정 배터리 모듈(110)과 제1 경로로 연결된, 바로 인접한 배터리 모듈(110)의 다음 배터리 모듈(110)의 제2 단자를 연결하여 상기 제2 경로를 형성한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 특정 배터리 모듈(110)의 음극 단은, 제1 경로로 연결된 배터리 모듈(110)의 다음 배터리 모듈(110)의 양극 단과 상기 제2 경로를 통해 연결된다. 상기 특정 배터리 모듈(110)에서 출력된 전류는 상기 제1 경로 대신에, 제2 경로를 통해 바로 인접한 배터리 모듈(110)을 우회하여 그 다음 배터리 모듈(110)로 흐를 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리 팩(100)은 바이패스 스위치를 더 포함할 수도 있다. 상기 바이패스 스위치는 특정 배터리 모듈(110)의 일 단자를 제1 경로와 연결시키거나 또는 제2 경로와 연결시키도록 구성될 수도 있다.
상기 배터리 팩(100) 내부의 연결 경로는 해당 배터리 팩(100)의 팩 컨트롤러(130)에 의해 제어된다. 상기 해당 배터리 팩(100)의 팩 컨트롤러(130)는 아래에서 서술할 에너지 제어 시스템(30)과 상호작용하여 연결 경로의 제어 동작을 개시할 수도 있다.
이러한 배터리 팩(100)을 포함한 배터리 시스템(10)은 에너지 제어 시스템(30)에 의해 제어된다. 상기 에너지 제어 시스템(30)은 EMS(Energy management system)을 포함한다.
이러한 에너지 제어 시스템(30)의 동작에 대해서는 아래의 도 5를 참조하여 보다 상세히 서술한다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 선내 배터리 제어 방법의 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 선내 배터리 제어 시스템(1)(예컨대, 에너지 제어 시스템(30))에 의해 수행되는 선내 배터리 제어 방법은: 배터리 시스템(10)을 모니터링하는 단계(S100)를 포함한다. 단계(S100)에서, 상기 에너지 제어 시스템(30)은 각 배터리 팩(100)의 상기 팩 컨트롤러(130)으로부터 배터리 관련 정보를 실시간으로 취합하고, 배터리 팩(100)의 상태를 모니터링한다. 상기 배터리 관련 정보는 배터리 상태와 관련된 정보로서, 배터리 팩(100) 내 전류 정보, 전압 정보, 온도 정보 등을 포함한다.
또한, 에너지 제어 시스템(30)은 취합된 배터리 관련 정보에 기초하여 배터리 모듈(110)의 고장을 감지할 수도 있다.
에너지 제어 시스템(30)은 고장이 감지되지 않는 경우, 배터리 팩(100) 내부의 전류가 제1 경로를 통해 선내 전력계통으로 공급되게 한다. 일 예시에서, 배터리 모듈(110a, 110b, 110c)이 순서대로 연결된 경우, 해당 배터리 팩(100) 내부의 전류는 배터리 모듈(110a)와 배터리 모듈(110b) 사이를 연결한 제1 경로, 그리고 배터리 모듈(110b)와 배터리 모듈(110c) 사이를 연결한 제1 경로로 흐른다.
또한, 상기 선내 배터리 제어 방법은: 적어도 하나의 배터리 모듈의 고장이 감지되면, 고장이 감지된 배터리 팩(100) 내부의 전류가 감지된 고장 배터리 모듈을 우회하도록 연결 경로를 제어하는 단계(S200)를 포함한다.
상기 에너지 제어 시스템(30)은 배터리 모듈(110)의 고장이 감지되면, 고장에도 불구하고 배터리 시스템(10)의 전력 공급이 안정적으로 유지되도록 배터리 시스템(10)을 제어한다.
단계(S200)에서 에너지 제어 시스템(30)은 특정 배터리 팩(100) 내 특정 배터리 모듈(110)의 고장이 감지되면, 상기 에너지 제어 시스템(30)은 고장 배터리 팩(100)의 팩 컨트롤러(130)로 고장 배터리 모듈(110)의 우회 명령을 전송할 수도 있다. 우회 명령에 따라서, 고장 배터리 팩(100)의 팩 컨트롤러(130)는 감지된 고장 배터리 모듈에 대한 제2 경로를 통해 상기 고장 배터리 모듈의 이전 배터리 모듈로부터 상기 고장 배터리 모듈의 다음 배터리 모듈로 전력을 전달하게 한다. 상기 고장 배터리 모듈에 대한 제2 경로는 고장 배터리 모듈을 우회하는 제2 경로이다.
상기 일 예시에서, 순서대로 연결된 배터리 모듈(110a, 110b, 110c)의 배열에서 배터리 모듈(110b)가 고장이 난 경우를 가정해보자. 그러면, 에너지 제어 시스템(30)은 배터리 모듈(110a)로부터 고장 배터리 모듈(110b)로의 제1 경로를 우회하여 상기 배터리 모듈(110a)로부터 제2 경로를 통해 고장 배터리 모듈(110b)의 다음 배터리 모듈(110c)로 전류가 흐르도록 해당 배터리 팩(100)의 내부 연결 경로를 제어한다. 이로 인해, 전류가 흐르는 고장 배터리 팩(100) 내부 연결 경로에서 상기 고장 배터리 모듈(110b)은 탈락한다.
또한, 상기 선내 배터리 제어 방법은: 배터리 팩들(100) 간의 전압차를 조정하는 단계(S300)를 포함한다. 단계(S200)의 경로 제어에 의해 고장 배터리 모듈(110)이 탈락되면, 고장 배터리 팩(100)에서는 탈락된 고장 배터리 모듈(110)에 대응하는 전압 강하가 발생한다. 그러면, 고장 배터리 팩(100)과 고장이 발생하지 않은 나머지 배터리 팩(100) 간의 출력 전압의 차이가 발생한다. 배터리 시스템(10)의 병렬 운전을 위해서, 에너지 제어 시스템(30)은 고장 배터리 팩(100)의 전압 강하된 출력전압과 나머지 배터리 팩(100)의 출력전압이 매칭되도록 나머지 배터리 팩(100)의 내부 연결 경로를 제어한다.
일 실시예에서, 상기 에너지 제어 시스템(30)은 배터리 모듈의 고장이 감지되지 않은 다른 배터리 팩에 대해서, 상기 다른 배터리 팩의 복수의 배터리 모듈 중 감지된 고장 배터리 모듈의 수만큼 일부 배터리 모듈을 선택하고, 그리고 상기 일부 배터리 모듈에 대한 제2 경로를 통해 각 선택된 배터리 모듈의 이전 배터리 모듈로부터 상기 선택된 배터리 모듈의 다음 배터리 모듈로 전력을 전달하게 할 수도 있다.
상기 에너지 제어 시스템(30)은 나머지 배터리 팩(100)의 팩 컨트롤러(130)에게 우회 명령을 전송할 수도 있다. 상기 나머지 배터리 팩(100)으로의 우회 명령은 고장 배터리 팩(100)의 팩 컨트롤러(130)으로의 우회 명령을 전송한 이후에 전송될 수도 있다. 우회 명령에 따라서, 나머지 배터리 팩(100)의 팩 컨트롤러(130)는 일부 배터리 모듈(110)에 대해서는 제1 경로 대신에 제2 경로를 통해 우회하도록 연결 경로를 제어한다.
상기 일 예시에서, 1대의 배터리 모듈(예컨대, 110b)에서 고장 발생 시, 상기 에너지 제어 시스템(30)은 상기 배터리 모듈(110b)의 고장 관련 정보를 포함한 해당 배터리 팩(100)의 배터리 관련 정보를 다른 배터리 팩(100)의 팩 컨트롤러(130)으로 전달한다. 그러면, 고장이 발생하지 않은 다른 배터리 팩(100)의 팩 컨트롤러(130)는 고장 배터리 모듈(110b)의 대수와 동일한 대수의 배터리 모듈(110)을 우회하도록 연결 경로를 제어한다.
일부 실시예들에서, 상기 고장 배터리 모듈 수만큼의 일부 배터리 모듈은 임의로 선택될 수도 있다.
다른 일부 실시예들에서, 상기 고장 배터리 모듈 수만큼의 일부 배터리 모듈은 고장 배터리 팩(100) 내부의 고장 배터리 모듈(110)의 위치에 기초하여 선택될 수도 있다. 예를 들어, 고장 배터리 팩(100)에 배열 순서로서 두번째 배터리 모듈(110)이 고장난 경우, 다른 배터리 팩(100)에서도 두번째 배열 순서를 갖는 배터리 모듈(110)이 선택되고, 선택된 배터리 모듈(110)에 대한 제2 경로로 우회될 수도 있다.
단계(S300)를 통해 배터리 팩(100) 각각에서 운용되는 배터리 모듈(110)의 전체 수를 일치시킴으로써, 배터리 팩(100) 각각의 출력전압을 동일하게 유지한 채로 배터리를 지속 운전할 수 있다.
또한, 상기 선내 배터리 제어 방법은: 배터리 시스템(10)의 시스템 출력전압을 선내 전력계통의 정격전압에 대응하도록 제어하는 단계(S400)를 포함한다.
단계(S300)의 전압 조정으로 인해, 나머지 배터리 팩들(100)의 출력전압도 고장 배터리 팩(100)의 출력전압으로 낮아지게 된다. 그러면, 배터리 시스템(10)의 전체 시스템 전압이 전력계통의 요구 사양 보다 낮아지게 된다. 전기차와 같이 저전압/저용량 배터리시스템을 사용할 경우, 전압 강하량은 무시될 수도 있고, BMS(130) 단위 수준의 제어 동작에 의해 전압 강하 문제가 해결될 수도 있다. 그러나, 상기 배터리 시스템(10)은 선박의 전력계통에 전력을 공급하는 용도로 사용되므로, AC 1000V 이상, DC 1500V 이상의 고전압/대용량 배터리 시스템을 구축해야 하므로, 배터리 시스템(10)의 전체 시스템 전압의 강하 문제를 해결해야 한다.
이를 위해, 상기 에너지 제어 시스템(30)은 낮아진 배터리 시스템(10)의 시스템 출력전압을 상기 전력계통의 정격전압에 대응하도록 제어한다.
일 실시예에서, 에너지 제어 시스템(30)은 전력변환장치(PCS)를 포함할 수도 있다. 상기 배터리 시스템(10)의 시스템 출력전류는 전력변환장치를 통해 전력계통으로 공급된다. 상기 에너지 제어 시스템(30)은 상기 전력변환장치를 제어하여 상기 전력변환장치로 입력되는 배터리 시스템(10)의 전체 DC 전압을 전력계통의 정격전압으로 변환한다. 상기 전력변환장치에 의해, 전압 강하된 배터리 시스템(10)의 시스템 전압이 고장 발생 이전의 시스템 전압으로 승압된다.
일 실시예에서, 상기 선내 전력계통이 AC 기반 전력계통일 경우, 상기 전력변환장치는 DC 전류를 교류 전류로 변환할 수도 있다. 예를 들어, 전력변환장치의 DC 링크 측의, 전압 강하된 낮은 DC 전압이 3상 AC 전압으로 변환된다. 상기 전력변환장치는 DC 링크 측의 550[VDC] 내지 850[VDC] 또는 570[VDC] 내지 830[VDC]의 DC 전류를 440VAC의 3상 전류로 변환할 수도 있다.
이러한 배터리 시스템(10) 및 에너지 제어 시스템(30)을 포함한 선내 배터리 제어 시스템(1)은 고장 등의 문제가 발생한 배터리 모듈을 제2 경로를 통해 자동으로 격리시킴으로써, 국부적인 배터리 문제가 시스템 전체, 특히 배터리 팩 전체로 파급되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 문제가 발생한 배터리 모듈을 제외한, 해당 배터리 팩의 나머지 배터리 모듈을 정상적으로 사용할 수 있어, 해당 배터리 팩의 전력을 가능한 범위에서 최대한 유지할 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩(100) 당 용량이 18.7kWh인 배터리 팩(100)을 8개 갖는 배터리 시스템(10)이 있다고 가정해보자. 그러면 고장이 발생되지 않은 정상 상황에서의 전체 용량이 949.6kWH이다. 상기 가정에서, 각 배터리 팩(100)은 서로 병렬 연결된, 2개의 배터리 모듈(110)의 직렬 연결 구조를 포함한다. 각 직렬 연결 구조는 21개의 배터리 모듈(110)로 이루어진다. 이 경우, 배터리 모듈(110) 당 용량은 약 2.8kWh이다. 하나의 배터리 모듈(110)의 고장으로 인해 해당 배터리 팩(100) 전체가 사용되지 않으면, 118.7kHW의 배터리 용량을 활용할 수 없다. 그러나, 상기 선내 배터리 제어 시스템(1)을 활용하면, 2.8kWh의 고장 배터리 모듈(110)만 사용하지 않는다. 즉, 상기 선내 배터리 제어 시스템(1)에 의해 사용 불가의 전력 용량을 118.7kWh로부터 약 22.56kWh(=2.82kWh x 8)로 줄일 수 있어, 안정성이 개선된다.
특히, 상기 선내 배터리 제어 시스템(1)은 팩 컨트롤러(130)을 통해 연결 경로의 우회 동작만을 제어하면 되므로, 별도의 장비를 설치/제어해야 할 필요가 없이 훨씬 간편한 구조 및 동작을 가지므로, 오동작의 가능성이 매우 적다.
상기 선내 배터리 제어 시스템(1)이 본 명세서에 서술되지 않은 다른 구성요소를 포함할 수도 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 상기 선내 배터리 제어 시스템(1)은 네트워크 인터페이스, 데이터 엔트리를 위한 입력 장치, 및 디스플레이, 인쇄 또는 다른 데이터 표시를 위한 출력 장치를 포함하는, 본 명세서에 서술된 동작에 필요한 다른 하드웨어 요소를 포함할 수도 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따른 선내 배터리 제어 시스템(1) 및 방법에 의한 동작은 적어도 부분적으로 컴퓨터 프로그램으로 구현되어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다. 예를 들어, 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터-판독가능 매체로 구성되는 프로그램 제품과 함께 구현되고, 이는 기술된 임의의 또는 모든 단계, 동작, 또는 과정을 수행하기 위한 프로세서에 의해 실행될 수 있다.
상기 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록신원확인 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장신원확인 장치 등을 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 또한, 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트(segment)들은 본 실시예가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
1: 선내 배터리 제어 시스템
10: 배터리 시스템
30: 에너지 제어 시스템
100: 배터리 팩
110: 배터리 모듈
130: 배터리 관리 시스템

Claims (7)

  1. 선내 배터리 제어 시스템에 있어서,
    복수의 배터리 팩을 포함하는 배터리 시스템 - 각 배터리 팩은 복수의 배터리 모듈을 포함함; 및
    배터리 시스템을 모니터링하여 배터리 모듈의 고장을 감지하고; 그리고 고장 발생 이후에도 선내 전력계통으로 전력이 공급되도록 상기 배터리 시스템을 제어하는 에너지 제어 시스템;을 포함하며,
    각 배터리 팩에 포함되는 복수의 배터리 모듈들 간의 연결 경로는,
    바로 인접한 배터리 모듈들 간을 서로 연결하는 제1 경로; 및
    상기 제1 경로로 연결되어 있는 배터리 모듈의 배열에서, 바로 인접한 배터리 모듈을 우회하여, 상기 제1 경로로 연결된 배터리 모듈의 다음 배터리 모듈과 연결하는 제2 경로를 포함하고,
    각 배터리 모듈은,
    배터리 모듈의 일 단자를 상기 제1 경로와 연결시키거나, 상기 제2 경로와 연결시키는 바이패스 스위치를 포함하고,
    상기 에너지 제어 시스템은,
    배터리 모듈의 고장이 감지되지 않으면, 상기 제1 경로를 통해 배터리 모듈들의 전력을 전달하고,
    적어도 하나의 배터리 모듈의 고장이 감지되면, 고장이 감지된 배터리 모듈에 대해서는 상기 제2 경로를 통해 우회되도록 연결 경로를 제어하는 것을 특징으로 하는 선내 배터리 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 각 배터리 팩은 제1 내지 제3 배터리 모듈을 포함하고,
    상기 제1 배터리 모듈의 제1 단자는 제2 배터리 모듈의 제2 단자와 상기 제1 경로를 통해 연결되거나, 제3 배터리 모듈의 제2 단자와 상기 제2 경로를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 선내 배터리 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 에너지 제어 시스템은 EMS(Energy management system)를 포함하며,
    상기 에너지 제어 시스템은 상기 배터리 시스템의 경로 및 상기 배터리 시스템의 출력전압 중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 선내 배터리 제어 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 시스템에서 복수의 배터리 팩은 병렬 연결되고,
    상기 에너지 제어 시스템은,
    배터리 모듈의 고장이 감지되지 않은 다른 배터리 팩에 대해서, 상기 다른 배터리 팩의 복수의 배터리 모듈 중 감지된 고장 배터리 모듈의 수만큼 일부 배터리 모듈을 선택하고, 그리고
    상기 일부 배터리 모듈에 대한 제2 경로를 통해 각 선택된 배터리 모듈의 이전 배터리 모듈로부터 상기 선택된 배터리 모듈의 다음 배터리 모듈로 전력을 전달하게 하는 것을 특징으로 하는 선내 배터리 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 에너지 제어 시스템은 PCS(전력 변환 장치)를 포함하고,
    상기 에너지 제어 시스템은,
    상기 고장 배터리 모듈의 수 또는 상기 선택된 배터리 모듈의 수에 대응한 전압 강하를 보상하기 위해, 상기 PCS에 의해 상기 적어도 하나의 고장 배터리 모듈을 포함한 배터리 시스템의 출력 전압을 미리 설정된 선내 전력계통의 정격전압으로 제어하는 것을 특징으로 하는 선내 배터리 제어 시스템.
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