KR102597017B1 - 역결선 보호를 위한 dc-dc컨버터 및 그 제어방법 - Google Patents
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Abstract
일 실시 예에 따라, 태양광 패널과 배터리 간의 역결선 보호 장치 또는 DC-DC 컨버터가 개시된다. 구체적으로, 전류 센서, 전압 센서, 다이오드 및 퓨즈를 포함하는 역전류 패스 회로, 상기 전류 센서 또는 상기 전압 센서로부터 역결선이 센싱된 경우 전력 공급을 차단하는 차단 회로, 상기 역전류 패스 회로와 병렬로 연결되는 커패시터 및 상기 역전류 패스 회로와 배터리 팩 사이를 연결하는 스위치를 포함하는 역결선 보호 장치 또는 DC-DC 컨버터가 개시된다.
Description
본 개시에서는 태양광 패널과 배터리 사이에 역결선이 발생할 때 회로를 보호하기 위한 보호 장치를 포함하는 DC-DC컨버터 및 그 제어방법에 관해 개시된다.
최근 환경 보호에 대한 의식이 높아짐에 따라, 이산화탄소 등 오염물질 배출 없이 전기를 발생시키는 방법에 대한 관심이 대두되고 있다. 특히, 태양광을 이용한 발전시스템의 경우 기술 발전에 힘입어 기술의 개발 및 설치비용이 저렴해 지면서 점점 보급이 확대되고 있다.
이러한 태양광 발전 시스템은 복수개의 태양광 전지 셀이 모여 복수의 태양광 전지모듈(photovoltaic module)을 구성하는데, 복수의 태양광 전지모듈에서 생성되는 DC전력은 인버터를 거처 AC전력으로 변환되어 가정 및 산업 시설에서 바로 이용될 수 있다.
한편, 태양광 발전의 경우 태양광이 존재하지 않는 밤 시간이나 기상의 변화로 인해 충분한 발전이 이루어지지 않는, 전력 생산의 공백기가 발생할 수 밖에 없다. 따라서, 이러한 단점을 보완하고자 태양광 발전 시스템에는 필수적으로 배터리를 달아 안정적인 전력 공급이 가능하도록 한다.
그런데, 이러한 배터리의 경우, 태양광 발전 시스템에 설치될 때, DC의 극성을 혼돈하여 설치하는 경우가 종종 발생한다. 이 경우 내부소자 소손 등의 제품 손상 문제가 발생할 뿐만 아니라 작업자의 안전을 위협할 수도 있다. 따라서, 배터리 설치시의 DC 극성을 혼돈하여 역결선이 발생하더라도 태양광 시스템의 회로를 보호하기 위한 많은 노력이 이루어 지고 있다.
본 개시는 태양광 발전시스템용 배터리의 DC-DC컨버터에 역결선을 검출하여 전력을 차단할 수 있는 역결선 보호 장치 및 방법을 제공할 수 있다. 구체적으로, 전류 센서 또는 전압 센서로부터 연결선을 센싱하여 전력공급을 차단하는 역결선 보호장치가 개시된다. 해결하려는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 기술적 과제들이 더 포함될 수 있다. 예를 들면, 역결선 보호 장치는 DC-DC컨버터에 포함될 수 있다.
제 1 측면에 따른 DC-DC컨버터는, 전류 센서; 전압 센서; 다이오드 및 퓨즈를 포함하는 역전류 패스 회로; 상기 전류 센서 또는 상기 전압 센서로부터 역결선이 센싱된 경우 전력 공급을 차단하는 차단 회로; 상기 역전류 패스 회로와 병렬로 연결되는 커패시터; 및 상기 역전류 패스 회로와 배터리 팩 사이를 연결하는 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 역전류 패스 회로와 병렬로 연결되는 상기 배터리 팩을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리는 컨버터, 배터리 팩, 배터리 매니지먼트 시스템(BMS) 및 배터리 제어 회로 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 스위치는 상기 배터리가 슬립 모드인 경우 오픈될 수 있다.
또한, 상기 스위치는 제 1 FET 및 상기 제 1 FET와 직렬로 연결된 저항을 포함하는 제 1 라인과 상기 제 1 라인과 병렬로 연결되고 제 2 FET를 포함하는 제 2 라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 슬립 모드는 상기 배터리 팩에 포함된 배터리의 SOC(state of charge)가 기설정 값 이하인 경우에 활성화될 수 있다.
또한, 상기 커패시터는 상기 역결선에 따른 역전류를 상기 역전류 패스 회로와 병렬로 패스시킬 수 있다.
또한, 상기 다이오드는 상기 역전류가 흐를 수 있는 방향으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 퓨즈의 용량은 상기 DC-DC컨버터로 인가되는 정격 전력에 대응될 수 있다.
또한, 상기 전류 센서는 전류 크기의 시간당 변화량에 기초하여 역결선인지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 상기 전압 센서는 전압의 크기의 시간당 변화량에 기초하여 역결선인지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 제 2 측면에 따른 DC-DC 컨버터 제어 방법은, 전류 센서가 전류를 센싱하는 단계; 전압 센서가 전압을 센싱하는 단계; 다이오드 및 퓨즈를 포함하는 역전류 패스 회로를 통해 역전류를 패스시키는 단계; 상기 역전류 패스 회로와 병렬로 연결되는 커패시터를 통해 상기 역전류를 패스시키는 단계; 및 상기 전류 센서 또는 상기 전압 센서로부터 역결선이 센싱된 경우 전력 공급을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 제 3측면은, 제 2측면의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공할 수 있다.
본 개시는 태양광 발전시스템용 배터리의 DC-DC컨버터에 역결선을 검출하여 전력을 차단할 수 있는 역결선 보호 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템에 배터리인 역결선 되는 일예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 일 실시 예에 따라 역결선 보호장치를 구성하는 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 일 실시 예에 따라 역결선 보호 장치가 차단회로를 동작시키는 일 예를 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 일 실시 예에 따라 태양광 전지모듈이 전압원인경우 역결선 보호장치가 동작하는 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 6는 일 실시 예에 따라 태양광 전지모듈이 전류원인경우 역결선 보호장치가 동작하는 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 슬립모드에서 스위치를 구현하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 배터리의 슬립모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 일조량 변화 또는 기상 변화를 기초로 태양광 발전 시스템의 차단회로를 제어하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 DC-DC컨버터 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템에 배터리인 역결선 되는 일예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 일 실시 예에 따라 역결선 보호장치를 구성하는 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 일 실시 예에 따라 역결선 보호 장치가 차단회로를 동작시키는 일 예를 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 일 실시 예에 따라 태양광 전지모듈이 전압원인경우 역결선 보호장치가 동작하는 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 6는 일 실시 예에 따라 태양광 전지모듈이 전류원인경우 역결선 보호장치가 동작하는 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 슬립모드에서 스위치를 구현하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 배터리의 슬립모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 일조량 변화 또는 기상 변화를 기초로 태양광 발전 시스템의 차단회로를 제어하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 DC-DC컨버터 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
실시 예들에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “…부”, “…모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템을 설명하는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 태양광 발전 시스템은 태양광 패널(10), 인버터(20), 배터리 팩(30) 및 부하(LOAD, 50)을 포함할 수 있다.
그러나, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 태양광 발전 시스템에 더 포함될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 예를 들면, 태양광 발전 시스템은 전력망(GRID, 40)을 더 포함할 수 있다. 또는 다른 실시 예에 따를 경우, 도 1에 도시된 구성요소들 중 일부 구성요소는 생략될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
일 실시 예에 따른 태양광 패널(10)은 태양광 전지셀이 모인 복수의 태양광 전지모듈(photovoltaic module)로 구성될 수 있으며, P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 태양광 전지가 빛으로 전기를 일으킨다. 구체적으로 태양광 전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 전하들이 각각 P극과 N극으로 이동하는데 이 작용에 의해 P극과 N극 사이에 전위차가 발생하게 되며, 이때 태양광 전지에 부하(LOAD)가 연결되면 전류가 흐르게 된다. 여기서, 태양광 전지셀은 전기를 일으키는 최소단위를 의미하며, 태양광 전지셀이 모여 전지 모듈을 이루게 되며, 전지 모듈은 또 다시 직/병렬로 연결된 어레이를 형성하여 태양광 패널(10)을 구성할 수 있다.
일 실시 예에 따른 인버터(20)는 광전효과에 의해 태양광 패널(10)에서 생성되는 DC(직류)전력을 전력망(40) 또는 부하(50)로 전력을 공급하기 위해서, AC(교류)전력으로 변환 할 수 있다. 여기서 전력망(40)은 태양광 발전 시스템에서 생산된 전력을 송, 배전하기 위한 계통(Grid)을 의미할 수 있다. 한편, 태양광 패널(10)에서 발생시키는 전력의 양은 일출 및 일몰 등의 시간적인 요인이나 기상 등의 외부적인 요인에 의해서 계속 변화하게 된다. 따라서 인버터(20)는 태양광 패널(10)에서 발생한 전압을 제어하여 최대전력을 찾아 전력망(40)에 공급을 한다. 이때, 인버터를 가동시키기 위한 전력이 인버터의 출력전력보다 낮은 경우가 발생하게 된다면, 인버터(20)는 전력망(40)의 전력을 역으로 소비할 수도 있다. 물론, 이 경우 인버터는 전력망(40)으로 유입되는 전력을 차단하여 전력이 역전되는 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 상술한 인버터(20)의 동작이 보다 효율적으로 이루어 지도록 태양광 패널(10)로부터 최대전력을 추출할 수 있도록 하는 여러 가지 최적화(optimizer) 제어방법이 태양광 시스템에 적용된다.
대표적인 태양광 패널(10)의 최대 전력점 추종(MPP:Maximum Power Point)방식으로는, PO(Perturbation and Observation)방법, IC(Incremental Conductance) 제어 방법 및 CV(Constant Voltage) 제어 방법 등이 있다. 여기서, PO 방법은 주기적으로 태양광 패널(10)의 전압과 전류를 측정하여 전력을 계산한 후 전력 값을 이용하여 MPP를 추적하는 방법이다. IC 제어 방법은 태양광 패널(10)에서 발생하는 전압과 전류를 측정하여 어레이의 단자전압 동작점의 변화에 대한 전력의 변화율이 '0'이 되도록 제어하는 방법이다. CV 제어방법은 태양광 패널(10)을 이루는 어레이의 동작전압이나 전력에 상관 없이 일정한 기준전압(ref V)으로 제어하는 방법이다. 각 최적화(optimizer) 제어방법에 따라 태양광 패널(10)에서 인버터로 입력되는 전원소스가 전압 소스 또는 전류 소스로 동작할 수 있다.
일 실시 예에 따른 부하(50)는 실 생활에서 사용하는 전기형태를 이용하는 제품을 의미할 수 있다. 예컨대, 인버터(20)는 적절한 변환 방법이나 스위칭 소자, 제어 회로를 통해 원하는 전압과 주파수의 AC전력을 얻어, 일반 가정의 가전제품 또는 산업 시설의 기계제품들에 전기를 공급할 수 있다.
또한, 태양광 발전의 경우 태양광이 존재하지 않은 밤 시간이나 기상의 변화로 인해 충분한 발전이 이루어 지지 않는, 전력 생산의 공백기가 발생할 수 밖에 없다. 따라서, 이러한 단점을 보완하고자 태양광 발전 시스템에는 필수적으로 배터리를 달아 안정적인 전력 공급이 가능하도록 한다.
일 실시 예에 따른 배터리 팩(30)은 팩은 DC-DC컨버터, 배터리, 배터리 매니지먼트 시스템(BMS) 및 배터리 제어 회로 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
배터리는 리튬이온전지 또는 니켈수소전지로 구성될 수 있으나, 반드시 이러한 구성에 한정되는 것은 아니며, 충전을 통해 반영구적으로 사용 가능한 전지를 의미 할 수 있다.
DC-DC 컨버터는 태양광 패널(10)을 통해 생산된 DC 전력이 배터리에 적절한 DC 전력으로 변환되도록 할 수 있는 장치로, 일반적으로 DC 전력을 AC 전력으로 변환한 뒤 다시 AC전력을 DC 전력으로 역변환 하는 방식으로 전력을 변환한다.
배터리 매니지먼트 시스템(BMS)은 배터리를 구성하고 있는 셀(cell)의 오사용 방지(protection)기능과 단위전지 간의 균등화(balancing), 충전 잔량 측정(SOC : State of Chare), 온도유지관리 또는 시스템모니터링 기능을 제공할 수 있다. 따라서, 셀의 상태를 측정하는 센서와 센서의 측정값을 수신하여 응용제품의 제어시스템에 전달하는 기능을 바탕으로, 시스템의 온도 및 충전상태 등이 설정된 값을 초과하면 이상신호를 발생시키고 셀 간의 전력회로를 차단, 개방하는 회로를 구축하고 제어할 수 있다.
한편, 인버터(20) 및 배터리 팩(30)은 디스플레이 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 사용자는 디스플레이 장치를 통해서 태양광 패널의 전력 수급 상태, 역결선 여부, 슬립모드 동작 여부 또는 배터리의 충전상태(State Of Charge) 등을 확인 할 수 있다. 한편, 디스플레이 장치는 액정 디스플레이(liquid crystal display), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display), 전기영동 디스플레이(electrophoretic display) 등일 수 있다. 또한, 디스플레이 장치는 구현 형태에 따라 2개 이상의 디스플레이를 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이의 터치패드가 레이어 구조를 이루어 터치 스크린으로 구성되는 경우, 디스플레이는 출력 장치 이외에 입력 장치로도 사용될 수 있다.
또한, 인버터(20) 및 배터리 팩(30)은 유선 통신 또는 무선 통신을 통해 상호 통신을 수행할 수 있다. 예컨대 인버터(20) 및 배터리 팩(30)은 와이파이 칩, 블루투스 칩, 무선 통신 칩, NFC 칩 등을 포함할 수 있다. 물론, 인버터(20) 및 배터리 팩(30)은 와이파이 칩, 블루투스 칩, 무선 통신 칩, NFC 칩 등을 이용하여 각종 외부기기와 통신을 수행할 수 있다. 와이파이 칩, 블루투스 칩은 각각 Wi-Fi 방식, 블루투스 방식으로 통신을 수행할 수 있다. 와이파이 칩이나 블루투스 칩을 이용하는 경우에는 SSID 및 세션 키 등과 같은 각종 연결 정보를 먼저 송수신하여, 이를 이용하여 통신 연결한 후 각종 정보들을 송수신할 수 있다. 무선 통신 칩은 IEEE, 지그비, 3G(3rd Generation), 3GPP(3rd Generation Partnership Project), LTE(Long Term Evolution) 등과 같은 다양한 통신 규격에 따라 통신을 수행할 수 있다. NFC 칩은 135kHz, 13.56MHz, 433MHz, 860~960MHz, 2.45GHz 등과 같은 다양한 RF-ID 주파수 대역들 중에서 13.56MHz 대역을 사용하는 NFC(Near Field Communication) 방식으로 동작할 수 있다.
한편, 배터리 팩(30)의 경우, 태양광 발전 시스템에 설치될 때, DC의 극성을 혼돈하여 설치하는 경우가 종종 발생한다. 그런데, DC-DC컨버터의 경우 극성이 바뀌게 되면(역결선이 발생하면) 내부소자 소손 등의 제품 손상 문제가 발생할 뿐만 아니라 작업자의 안전을 위협할 수도 있다.
예컨대, 도 2는 일 실시 예에 따른 태양광 발전 시스템에 배터리 팩(30)이 역결선 되는 일 예를 나타낸다.
도 2의 (a)를 참조하면, 정상 결선 상태에서 태양광 발전 시스템의 태양광 패널(PhotoVoltaic solar panel, 10)은 인버터(20)와 연결된 극성 그대로, 배터리 팩의 DC-DC컨버터(31)와 결선된다.
그러나, 도 2의 (b)와 같이 태양광 패널(10)과 인버터(20)가 연결된 극성과 반대로 배터리 팩의 DC-DC컨버터(31)가 연결되는 경우 역결선이 발생하게 된다. 특히, 태양광 발전 방식의 경우 각 모듈을 다른 사업자가 설치하는 경우가 많아 역결선이 발생할 가능성이 높다. 또한, 배터리의 경우 전력의 충전과 방전을 위해 양방향으로 전류가 흘러야 하기 때문에, 단순히 다이오드를 이용하여 역결선을 방지하기 어려울 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여, 배터리 팩 설치시의 DC 극성을 혼돈하여 역결선이 발생하더라도 태양광 시스템의 회로를 보호하는, 일 실시 예에 따른 역결선 보호 장치(100)의 일 예를 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시 예에 따른 태양광 패널(10)은 역결선 보호 장치(100)를 통해 배터리 팩(30)과 연결됨으로써 역결선 발생시 전력을 차단하여 배터리 팩(30)을 보호할 수 있다. 역결선 보호 장치(100)는 역결선이 센싱(sensing)된 경우 전력 공급을 차단하는 차단회로(110), 다이오드 및 퓨즈를 포함하는 역전류 패스 회로(120), 전류를 이용하여 역결선을 센싱하는 전류 센서(130), 전압을 이용하여 역결선을 센싱하는 전압 센서(140), 커패시터(150) 및 스위치(160)를 포함할 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 역결선 보호 장치(100)에 더 포함될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 예를 들면, 역결선 보호 장치(100)는 디스플레이 또는 통신모듈을 더 포함할 수 있다. 따라서, 역결선이 발생했을 때 디스플레이를 통해 표시하거나 통신모듈을 통해 사용자에게 경고를 할 수 있다. 또는 다른 실시 예에 따를 경우, 도 3에 도시된 구성요소들 중 일부 구성요소는 생략되거나 태양광 패널(10) 또는 배터리 팩(30)의 일 구성요소 일 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 예컨대, 일 실시예에 따른 역결선 보호 장치(100)는 배터리 팩(30)에 포함될 수 있으며, 배터리 팩(30)내의 DC-DC컨버터가 배터리 보호 장치(100)를 포함할 수도 있다. 구체적으로 태양광 패널(10)의 -전극(1001) 및 +전극(1002)이 역결선 보호 장치(100)가 연결된 배터리 팩(30)의 +전극(101) 및 -전극(102)에 각각 연결될 수 있다. 이러한 상태를 역결선 상태라 한다. 역결선 보호 장치(100)의 전류 센서(130) 또는 전압 센서(140)가 역결선을 센싱하면, 차단회로(110)는 배터리 팩(30)으로 전력이 공급되는 것을 차단하여 DC-DC컨버터와 같이 역결선에 취약한 여러 소자에 손상을 방지할 수 있다. 한편, 역결선이 센싱 되면 센싱된 정보가 인버터(20) 또는 배터리 팩(30)의 디스플레이에 전달되어 역결선 된 상태임을 표시할 수 있다.
일 실시 예에 따른 전류 센서(130)는 전류를 센싱하여 역결선 된 상태인지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들면, 전류 센서(130)는 전류가 흐르는 방향 뿐 아니라, 전류 크기의 시간당 변화량 등을 센싱하여, 현재 상태가 역결선 된 상태인지 여부를 결정할 수 있다. 일 예로, 역결선이 발생한 경우, 역결선이 발생하지 않은 경우에 비해서 반대 방향으로 전류의 크기에 대한 시간당 변화가 발생할 수 있다. 이 경우, 전류 센서(130)는 전류의 크기의 시간당 변화량을 센싱하여, 현재 상태가 역결선 된 상태인지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 전압 센서(140)는 전압을 센싱하여 역결선 된 상태인지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들면, 전압 센서(140)는 전압이 더 큰 방향 뿐 아니라, 전압의 시간당 변화량 등을 센싱하여, 현재 상태가 역결선 된 상태인지 여부를 결정할 수 있다. 일 예로, 역결선이 발생한 경우, 역결선이 발생하지 않은 경우에 비해서 반대 방향으로 전압의 크기의 시간당 변화가 발생할 수 있다. 이 경우, 전압 센서(140)는 전압의 크기의 시간당 변화량을 센싱하여, 현재 상태가 역결선 된 상태인지 여부를 결정할 수 있다.
한편, 역결선 보호 장치(100)는 상호 병렬로 연결되는 역전류 패스 회로(120)와 커패시터(150)를 포함한다. 커패시터(150)와 역전류 패스 회로(120)는 도시된 바와 같이 병렬로 연결된다. 또한, 배터리 팩(30)도 역전류 패스 회로(120)와 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 역전류 패스 회로(120)는 역전류가 흐르는 방향으로 전류가 흐를 수 있도록 하는 다이오드 및 퓨즈를 포함할 수 있다.
퓨즈는 역결선 보호 장치(100)로 인가되는 정격 전력에 대응하도록 설계될 수 있다.
일 실시 예에 따른 역전류 패스 회로(120)는, 태양광 패널(10)이 전류 소스로 작용할 때, 전류 센서(130)가 역전류를 감지하여 전력을 차단하기 전에 다량의 역전류가 배터리 팩(30)으로 흘러 들어가는 것을 방지하고, 전류가 흐르도록 하여 보호회로 역할을 할 수 있다.
일 실시 예에 따른 역전류 패스 회로(120)는 역결선이 발생한 경우, 역결선에 의해 발생하는 역전류가 흐를 수 있는 통로를 제공할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따른 커패시터(150)는 역전류 패스 회로(120)와 병렬로 연결될 수 있다.
역전류 패스 회로(120)와 커패시터(150)는 역결선이 발생한 경우 병렬로 역전류가 흐를 수 있는 통로로 이용될 수 있다. 커패시터(150)는 역결선이 발생하기 전에 충전된 전하량에 대응되는 만큼의 전류가 역전류가 흐르도록 할 수 있다.
또한, 역전류 패스 회로(120)는 퓨즈 또는 다이오드의 용량이 허용하는 범위 내에서 역전류가 흐르도록 할 수 있다. 역전류 패스 회로(120) 및/또는 커패시터(150)가 역전류가 흐를 수 있는 통로를 제공하기 때문에, 배터리 팩(30)은 역결선으로부터 보호될 수 있다. 또는 역전류 패스 회로(120) 및/또는 커패시터(150)가 역전류가 흐를 수 있는 통로를 제공하기 때문에, 배터리 팩(30)에는 역결선에 따른 역전류가 흐르지 않을 수 있다.
설령 배터리 팩(30)에 역결선에 따른 역전압이 걸린다 해도, 실질적으로 배터리 팩(30)으로 유입되는 전류가 기설정 값 이하인 경우, 배터리 팩(30)의 손상을 최소화시킬 수 있다.
역결선 보호 장치(100)는 역전류 패스 회로(120)와 배터리 팩(30) 사이를 연결하는 스위치(160)를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 스위치(160)는 제어신호를 수신하여 동작할 수 있다. 예를 들면, 슬립모드인 경우, 스위치(160)는 오픈 될 것을 요청하는 제어 신호를 수신하여 오픈될 수 있다. 다른 예로, 동작모드인 경우, 스위치(160)는 닫힐 것을 요청하는 제어 신호를 수신하여 닫힐 수 있다.
스위치(160)는 배터리 팩(30)에 포함된 배터리의 SOC(State of Charge)가 기설정 값 이하인 경우 스위치(160)를 오픈하여 배터리의 소모를 막을 수 있다. 예를 들면, 배터리의 SOC가 기설정 값 이하인 경우, 슬립모드로 진입할 수 있다. 슬립모드에서는 배터리 팩(30)에 포함된 배터리가 전력을 더 이상 소모하지 않도록 스위치(160)를 오픈할 수 있다. 경우에 따라(예: SOC가 기설정 값 이하인 경우) 슬립모드로 동작함으로써, 배터리의 완전 방전을 막을 수 있다. 또는 슬립모드로 동작함으로써, 배터리의 유지 시간을 늘릴 수 있다.
이 때 스위치는 2단 스위치로서 스위치가 높은 전류로 손상되지 않도록 하는 구조를 구비할 수 있으며, 각 스위치는 배터리 팩(30)으로 충전되는 전류를 막지 않도록 하나의 FET로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따른 배터리 팩(30)은 역전류 패스 회로(120)와 병렬로 연결될 수 있다. 역전류 패스 회로(120)는 역전류 패스 회로(120)와 병렬로 연결되기 때문에, 역전류 패스 회로(120)의 양단의 저항이 기설정 값 이하인 경우, 역전류는 역전류 패스 회로(120)로 흐르고, 배터리 팩(30)으로는 흐르지 않을 수 있다. 역결선이 되는 경우에 역전류 패스 회로(120)의 양단의 저항이 기설정 값 이하가 되기 때문에, 실질적으로 역결선에 따른 역전압이 배터리 팩(30)에 인가되지 않을 수 있다. 역결선이 발생한 경우, 차단회로(110)가 동작하기 전이라도 배터리 팩(30)과 병렬로 연결된 역전류 패스 회로(120)로 역결선에 따른 역전류가 흐르기 때문에, 배터리 팩(30)은 역결선으로부터 보호될 수 있다.
구체적으로 도 4 내지 도 6을 참조하여 역결선 보호 장치(100)가 태양광 패널이 전압 소스 또는 전류 소스로 동작할 때 각각 회로를 보호하는 방법을 상세히 설명한다.
도 4는 일 실시 예에 따라 역결선 보호 장치가 차단회로를 동작시키는 일 예를 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참고하면, 역결선 보호 장치(100)는 단계 S410에서 전원 소스로부터 입력된 DC Link의 전압 검증을 먼저 시작한다.
DC Link의 전압이 0V보다 작은 경우(DC Link V < 0) 단계 S420으로 진행하여 전압소스의 역결선이 센싱 되었음을 차단회로에 알린다. 단계 S450에서는 역결선 보호 장치(100)의 차단회로는 배터리로 전력이 전달 되지 않도록 동작한다.
구체적으로, 도 5는 일 실시 예에 따라 태양광 전지모듈이 전압원인 경우 역결선 보호장치가 동작하는 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 일 실시 예에 따른 태양광 패널(10)은 전압 소스로 동작할 수 있다. 예를 들어, 태양광 패널(10)이 직병렬 조합으로 인버터(20)와 연결되는 경우, 태양광 발전 시스템에서는 태양광 패널(10)이 전압원으로 보일 수 있다. 이때, 태양광 패널(10)과 역결선이 형성되는 경우 전압 센서(140)는 입력단에 걸리는 전압에 기초하여 역결선이 발생했는지 센싱할 수 있다. 한편, 도 5에서 커패시터(150)는 RCCB(Remote control Circuit Breaker)로 구현되어 역결선이 센싱되면 전압 센서(140)는 원격으로 차단회로(110)에 신호를 보내 전력이 차단되도록 할 수 있다. 물론 반드시 이러한 구성에 한정되는 것은 아니며, 역결선 보호 장치(100)는 전압 센서(140) 및 차단회로(110)를 제어하기 위한 제어부를 더 구비할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 단계 S410에서, 만약 DC link의 전압검증에서 역결선이 감지되지 않으면, 단계 S430으로 진행하여 DC Link의 전류가 0A 보다 작은지 여부를 판단한다. 만약 마이너스 전류가 감지된다면(DC Link I < 0), 단계 S460에서 전류 센서는 전류소스의 역결선이 감지되었다고 판단한다. 그리고 단계 S450으로 진행하여 차단회로를 동작한다.
한편, 도 3 및 도 5에 대한 설명에서 역결선 보호 장치(100), 커패시터(150) 및 스위치(160)는 설명의 편의를 위해 DC-DC컨버터(31) 앞단에 배치되는 것으로 도시하였지만, DC-DC컨버터(31)에 포함되어 역결선이 발생했을 때 회로를 보호하는 기능을 수행할 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따라 태양광 전지모듈이 전류원인경우 역결선 보호 장치가 동작하는 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 태양광 패널(10)은 전류 소스로 동작할 수 있다. 예를 들면, 태양광 패널(10)의 출력에 대해 최적화(Optimizer) 제어방법이 적용된 경우 연계된 시스템에서는 전류원으로 보이게 된다.
따라서, 전류소스 입력에 대해 역결선이 발생하는 경우, 단계①에서, 역결선 보호 장치(100)의 커패시터(150)에 전류가 충전된다. 그리고 단계②에서, 커패시터의 전류가 다 충전되면 역전류 패스 회로(120)를 통해 전류가 역으로 흐르게 되는데, 이때 전류 센서(130)가 역결선을 센싱하여 차단회로(110)에 전력을 차단하도록 할 수 있다.
예를 들어, 역결선이 발생했을 때 역전류 패스 회로가 없다면 커패시터(150)에 전류가 충전되는 시간 동안 전류 센서(130)가 역결선을 센싱하지 못하기 때문에 역전류는 바로 DC-DC컨버터(31)로 흐르게 된다. 하지만, 일 실시 예에 따른 역결선 보호 장치(100)는 역전류 패스 회로를 통해, 회로가 강제로 쇼트 된 것처럼 전류가 흐르도록 하여 전류 센서가 역결선을 감지하기 전에 DC-DC컨버터(31) 등으로 역전류가 흘러가는 것을 방지 할 수 있다.
한편, 상술한 역결선 보호 장치(100)는 역전류 패스 회로(120)와 배터리 팩(30) 사이를 연결하는 스위치(160)를 이용하여 슬립모드로 전환될 수 있다. 예컨대, 상기 스위치(160)는 배터리 팩(30)에 포함된 배터리의 SOC(State of Charge)가 기설정 값 이하인 경우 스위치(160)를 오픈하여 배터리가 더 이상 방전되지 않도록 함으로써, 배터리를 보호 할 수 있다.
구체적으로, 도 7은 일 실시 예에 따른 슬립모드에서 스위치(160)를 구현하는 일 예를 나타내는 도면이다.
일 실시 예에 따른 스위치(160)는 제어신호를 수신하여 동작할 수 있다. 예를 들면, 슬립모드인 경우, 스위치(160)는 오픈 될 것을 요청하는 제어 신호를 수신하여 오픈될 수 있다. 다른 예로, 동작모드인 경우, 스위치(160)는 닫힐 것을 요청하는 제어 신호를 수신하여 닫힐 수 있다.
도 7을 참조하면, 일 실시 예에 따른 스위치(160)는 제 1 FET(161) 및 제 1 FET(161)과 직렬로 연결된 저항(163)을 포함하는 제 1 라인, 제 1 라인과 병렬로 연결되고 제 2 FET(162)를 포함하는 제 2 라인을 포함 할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 스위치(160)를 2단으로 구성하면, 스위치(160)가 높은 전류로 손상되지 않도록 하는 구조를 구비할 수 있으며, 각 스위치(161, 162)는 배터리 팩(30)으로 충전되는 전류를 막지 않도록 하나의 FET로 구현될 수 있다.
다른 예로, 각 스위치(161, 162)는 배터리 팩(30)으로부터 방전되는 전류를 통과시킬 수 있도록 두 개의 FET로 구현될 수 있다. 두 개의 FET로 각 스위치(161, 162)가 구현되는 경우, 각각의 FET의 다이오드 방향은 서로 반대방향으로 위치할 수 있다.
이러한, 스위치의 동작은 실시 예에 따른 역결선 보호 장치(100)에 의해 제어 될 수 있으며, 배터리가 과 방전되지 않도록 할 수 있다. 또한, 슬립모드에서는 스위치(160)에 의해 역전류가 흐르지 않으므로, 역결선 보호 장치(100)는 차단회로의 동작 없이도 역결선 발생시 배터리 팩의 회로들을 보호할 수 있다. 나아가 역결선 보호 장치(100)는 역결선이 발생하였을 때 또는 SOC 기설정 레벨에 이하로 떨어졌을때, 차단회로(110)를 동작할지 또는 스위치(160)를 오픈하여 슬립모드로 동작할지 여부를 선택적으로 결정할 수도 있다.
도 8은 일 실시 예에 따른 배터리의 슬립모드의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
일 실시 예에 따른 슬립 모드는 배터리의 지나친 방전을 막기 위해, 배터리의 SOC가 기설정 값 이하인 경우 동작하는 모드일 수 있다.
슬립모드에서는 배터리가 전력을 더 이상 소모하지 않도록 스위치를 오픈할 수 있다. 경우에 따라 슬립모드로 동작함으로써, 배터리의 완전 방전을 막거나 배터리의 유지 시간을 늘릴 수 있다.
도 8을 참조하면, 역결선 보호 장치(100)는 스위치를 오픈하여 배터리가 슬립모드로 진행하게 된 경우, 기설정 시간마다 배터리 충전상태(SOC) 레벨을 체크(check)하여 슬립모드를 유지할지 또는 차단회로를 동작할지를 결정할 수 있다.
단계 S810에서 배터리 팩의 DC-DC컨버터는 슬립모드로 전환한다. 일 실시 예에 따라 배터리 충전 레벨이 기설정값 아래로 떨어지는 경우 DC-DC컨버터가 슬립모드로 전환하기 위해서 상술한 바와 같이 역결선 보호 장치의 스위치를 오픈할 수 있다. 또는 DC-DC컨버터 자체에서 각 모듈별로 전력을 차단하여 전력 소모를 방지 할 수도 있다. 예컨대, 슬립모드에서는 배터리 팩의 최소한의 기능만을 남겨두고 모든 기능을 종료하여 배터리의 전력 소모를 최소화 할 수 있다. 여기서 최소한의 기능은 기설정 시간의 경과를 카운트 하거나 슬립모드 해제 신호를 외부로부터 수신하기 위한 통신기능을 의미할 수 있다.
단계 S820에서 슬립모드로 진입한지 기설정 시간이 경과 했는지 판단한다. 예컨대 슬립모드로 진입 후 2시간 간격으로 단계 S830으로 진행하여 슬립모드를 해제할 수 있다.
슬립모드가 해제되면, 단계 S840에서 일시적으로 배터리관리 시스템을 구동하여 SOC레벨을 체크하고, 슬립모드를 유지할지 또는 단계 S850으로 진행하여 차단회로를 동작시킬지 결정한다. 예컨대 슬립모드로 진입할 때보다 SOC 레벨이 더 낮아졌다면 슬립모드에서도 계속적으로 배터리가 소모되고 있다고 판단하여, 차단회로를 동작시킬 수 있다. 예컨대, 슬립모드를 유지하기 위해 스위치에서 소모되는 전류 까지도 차단모드로 진입하여 최소화 할 수 있다.
한편, 태양광 발전 시스템의 차단회로의 동작으로 인해 시스템이 전력차단 모드로 진입한 경우, 태양광 패널의 전력생산 타이밍을 예측하여 다시 슬립모드로 전환하는 일 예를 설명한다. 일 실시 예에 따라 스위치(160)를 2단의 FET으로 구성하면 슬립모드에서는 배터리 충전이 가능하기 때문에 태양광 패널이 전력을 생산한다면 차단모드에서 슬립모드로 전환하는 것이 바람직할 수 있다.
도 9는 일 실시 예에 따른 일조량 변화 또는 기상 변화를 기초로 태양광 발전 시스템의 역결선 보호장치의 차단회로를 제어하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 단계 S910에서 SOC 레벨을 기초로 차단회로가 동작하여 태양광 발전 시스템이 전력 차단 모드로 진입할 수 있다.
단계 S920에서, 태양광 발전 시스템은 기상변화 및 일조량 변화에 따른 전력 생산량을 기상청 데이터 또는 태양광 패널에서 수집한 데이터를 기반으로 예측할 수 있다. 예를 들어, 현재 시간이 7시이고 계절 및 날씨를 고려했을 때 태양광 패널에서 전력을 생산할 것이라고 예측된다면 단계 S930으로 진입하여 슬립모드로 전환한다.
하지만 여전히 태양광량이 부족하여 전력 생산이 예측되지 않을때는 전력 차단 모드를 유지하고 기설정 시간 주기로 전력 생산이 예측되는지를 판단할 수 있다. 물론, 태양광 발전 시스템은 SOC 레벨이 기설정 값 이상 높아진다면 슬립모드도 해제되도록 배터리 팩의 DC-DC컨버터를 제어할 수 있다.
도 10은 일 실시 예에 따른 DC-DC컨버터 제어 방법을 설명하는 순서도이다. 도 10을 참조하면, DC-DC컨버터 제어방법은 도 3, 도 5 및 도 6에 도시된 역결선 보호 장치(100)를 포함하는 DC-DC컨버터가시계열적으로 처리하는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라 하더라도 도 3, 도 5 및 도 6에 도시된 역결선 보호 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 10에 도시된 방법에도 적용됨을 알 수 있다.
단계 S1010에서, 전류 센서는 전류를 센싱 한다.
단계 S1020에서, 전압 센서는 전압을 센싱 한다.
한편, 단계 S1010 및 S1020은 도 4 내지 도6에 대한 설명에서 상술한 바와 같이 전원이 전압소스인지 또는 전력소스인지에 따라서 각각의 센싱 방법이 이용될 것이므로, 그 순서에 구애되지는 않을 것임은 본 발명이 속하는 분야의 통상의 기술자에게는 자명하다.
단계 S1030에서, 전원이 전류 소스로 작용하여 전류가 흐른다면, 다이오드 및 퓨즈를 포함하는 역전류 패스 회로를 통해 역전류를 패스시킨다. 예컨대, 일시적인 쇼트상태를 만들어서 배터리 팩으로 역전류가 흐르지 않도록 방지한다.
단계 S1040에서, 일 실시 예에 따른 역결선 보호 방법은 전류 센서 또는 전압 센서로부터 역결선이 센싱 된 경우 전력 공급을 차단한다. 따라서 역결선이 발생했을 때에도 회로가 손상되지 않도록 보호할 수 있다.
한편, 상술한 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 방법에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 램, USB, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
본 실시 예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 태양광 패널 20: 인버터
30: 배터리 팩 31: DC-DC 컨버터
40: 전력망(Grid) 50: 부하(Load)
110: 차단 회로 120: 역전류 패스 회로(120)
130: 전류 센서 140: 전압 센서
150: 커패시터 160: 스위치
30: 배터리 팩 31: DC-DC 컨버터
40: 전력망(Grid) 50: 부하(Load)
110: 차단 회로 120: 역전류 패스 회로(120)
130: 전류 센서 140: 전압 센서
150: 커패시터 160: 스위치
Claims (12)
- 전원과 연결되는 입력단과 직렬로 연결되는 전류 센서;
상기 입력단과 병렬로 연결되는 전압 센서;
상기 전압 센서와 병렬로 연결되고, 다이오드 및 퓨즈를 포함하는 역전류 패스 회로;
상기 전류 센서 또는 상기 전압 센서로부터 상기 전원에 대한 상기 입력단의 역결선이 센싱된 경우 배터리 팩으로의 전력 공급을 차단하는 차단 회로;
상기 역전류 패스 회로와 병렬로 연결되는 커패시터; 및
상기 역전류 패스 회로와 상기 배터리 팩 사이를 연결하는 스위치를 포함하는, 역결선 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 역전류 패스 회로와 병렬로 연결되는 상기 배터리 팩을 더 포함하는, 역결선 보호장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 배터리 팩은 컨버터, 배터리, 배터리 매니지먼트 시스템(BMS) 및 배터리 제어 회로 중 적어도 하나를 포함하는, 역결선 보호장치.
- 제 2 항에 있어서,
상기 스위치는 상기 배터리 팩이 슬립 모드인 경우 오픈되는, 역결선 보호장치.
- 제 4 항에 있어서,
상기 스위치는 제 1 FET 및 상기 제 1 FET와 직렬로 연결된 저항을 포함하는 제 1 라인과 상기 제 1 라인과 병렬로 연결되고 제 2 FET를 포함하는 제 2 라인을 포함하는, 역결선 보호장치.
- 제 4 항에 있어서,
상기 슬립 모드는 상기 배터리 팩에 포함된 배터리의 SOC(state of charge)가 기설정 값 이하인 경우에 활성화되는, 역결선 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 커패시터는 상기 역결선에 따른 역전류를 상기 역전류 패스 회로와 병렬로 패스시키는, 역결선 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다이오드는 상기 역전류가 흐를 수 있는 방향으로 배치되는, 역결선 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 퓨즈의 용량은 상기 배터리 팩의 DC-DC 컨버터로 인가되는 정격 전력에 대응되는, 역결선 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전류 센서는 전류 크기의 시간당 변화량에 기초하여 역결선인지 여부를 결정하는, 역결선 보호장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전압 센서는 전압의 크기의 시간당 변화량에 기초하여 역결선인지 여부를 결정하는, 역결선 보호장치.
- 전원과 연결되는 입력단과 직렬로 연결되는 전류 센서가 전류를 센싱하는 단계;
상기 입력단과 병렬로 연결되는 전압 센서가 전압을 센싱하는 단계;
상기 전압 센서와 병렬로 연결되고, 다이오드 및 퓨즈를 포함하는 역전류 패스 회로를 통해 역전류를 패스시키는 단계;
상기 역전류 패스 회로와 병렬로 연결되는 커패시터를 통해 상기 역전류를 패스시키는 단계; 및
상기 전류 센서 또는 상기 전압 센서로부터 상기 전원에 대한 상기 입력단의 역결선이 센싱된 경우 배터리 팩으로의 전력 공급을 차단하는 단계를 포함하는, 역결선 보호 방법.
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