KR20120083850A - 배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안정적으로 동작하는 배터리 관리부를 포함하는 배터리 시스템과 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다. 배터리 시스템은 입출력 단자로 전력을 공급하고 입출력 단자로부터의 전력을 저장하는 배터리 랙과, 배터리 랙에 연결되며, 배터리 랙과 입출력 단자 사이를 선택적으로 연결 또는 차단하는 랙 보호회로를 포함한다. 배터리 시스템은 또한 배터리 랙 및 랙 보호회로와 통신하며, 배터리 랙으로부터 데이터를 수신하고 랙 보호회로용 제어신호를 생성하는 랙 관리부(BMS)를 포함한다. 랙 보호회로는 배터리 랙과 입출력 단자 사이에 전류 경로를 포함하며, 랙 관리부는 전류 경로로부터 제외되어 있다.

Description

배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템{Battery system and energy storage system including the same}
본 발명의 실시 예들은 배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
환경 파괴, 자원 고갈 등이 심각한 문제로 제기되면서, 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 이와 함께 발전 과정에서 공해를 유발하지 않거나 적게 유발하는 신재생 에너지에 대한 관심도 높아지고 있다. 에너지 저장 시스템은 이러한 신재생 에너지, 전력을 저장하는 배터리 시스템, 그리고 기존의 계통을 연계시키는 시스템으로서, 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
이러한 에너지 저장 시스템은 부하의 부하량에 따라서 전력을 저장 및 공급하는 배터리 시스템들을 포함할 수 있다. 배터리 시스템은 외부 전원으로부터 전력을 공급받아 전력을 저장할 수 있으며, 저장되어 있는 전력을 공급할 수 있다. 즉, 배터리 시스템은 충전 및 방전 동작을 수행할 수 있다. 이때, 배터리 시스템은 보호회로를 구비하여 안정적으로 충전 및 방전 동작을 수행하도록 한다.
본 발명의 실시 예들이 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리 관리부가 안정적으로 동작할 수 있도록 보호회로를 구성한 배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 시스템은 입출력 단자로 전력을 공급하고 입출력 단자로부터의 전력을 저장하는 배터리 랙과, 배터리 랙에 연결되며, 배터리 랙과 입출력 단자 사이를 선택적으로 연결 또는 차단하는 랙 보호회로를 포함한다. 배터리 시스템은 또한 배터리 랙 및 랙 보호회로와 통신하며, 배터리 랙으로부터 데이터를 수신하고 랙 보호회로용 제어신호를 생성하는 랙 관리부(BMS)를 포함한다. 랙 보호회로는 배터리 랙과 입출력 단자 사이에 전류 경로를 포함하며, 랙 관리부는 전류 경로로부터 제외되어 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 시스템은 시스템 입출력 단자로 전력을 공급하고 시스템 입출력 단자로부터의 전력을 저장하는 복수의 서브 배터리 시스템들을 포함한다. 복수의 하위 배터리 시스템들 각각은, 서브 배터리 시스템 입출력 단자로 전력을 공급하고 서브 배터리 시스템 입출력 단자로부터의 전력을 저장하는 배터리 랙을 포함한다. 서브 배터리 시스템은 또한 배터리 랙에 연결되며, 배터리 랙과 서브 배터리 시스템 입출력 단자 사이를 선택적으로 연결 또는 차단하는 랙 보호회로와, 배터리 랙 및 랙 보호회로와 통신하며, 배터리 랙으로부터 데이터를 수신하고 배터리 랙으로부터의 데이터에 기초하여 랙 보호회로용 제어신호를 생성하는 랙 관리부(BMS)를 더 포함한다. 배터리 시스템은 또한 서브 배터리 시스템들과 연결되는 통합 보호회로와, 각 서브 배터리 시스템들의 랙 관리부 및 통합 보호회로와 통신하는 시스템 관리부를 더 포함한다. 시스템 관리부는 서브 배터리 시스템들로부터 데이터를 수신하고 통합 보호회로용 제어 신호를 생성한다. 또한 통합 보호회로는 시스템 입출력 단자와 서브 배터리 시스템 입출력 단자들 사이에 전류 경로를 포함하며, 시스템 관리부는 전류 경로로부터 제외되어 있다.
이러한 본 발명의 실시 예들에 의하면, 배터리 관리부가 안정적으로 동작하는 배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 배터리 랙(Rack)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 랙 보호회로의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 외부 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
본 발명의 다양한 측면 및 특징을 설명하기 위하여, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 다양한 측면에 있어서의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여한다. 그리고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템(1)의 구성을 나타내는 도면이다. 에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2), 계통(3)으로부터 공급 받은 전력을 부하(4)에 공급한다.
발전 시스템(2)은 에너지원에 따라서 전력을 생산한다. 발전 시스템(2)은 생산한 전력을 에너지 저장 시스템(1)에 공급한다. 발전 시스템(2)은, 예를 들어, 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템, 지열 발전 시스템 등일 수 있다. 발전 시스템(2)은 태양열이나 지열 등, 에너지원을 이용하여 전력을 생산하는 모든 종류의 발전 시스템들을 포함할 수 있다. 특히 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 태양 전지가 에너지 저장 시스템(1)으로 사용될 수 있다. 에너지 저장 시스템(1)을 사용하여 발전 시스템(2)의 전력이 가정이나 공장에 분배될 수 있다. 발전 시스템(2)은 다수의 발전 모듈을 구비하고 발전 모듈별로 전력을 생산하는 대용량 에너지 시스템을 포함할 수 있다.
계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비할 수 있다. 계통(3)은 정상 상태인 경우, 에너지 저장 시스템(1)으로 전력을 공급하여 부하(4) 및/또는 배터리 시스템(20)에 전력이 공급되도록 한다. 또한 계통(3)은 에너지 저장 시스템(1)으로부터 전력을 공급받는다. 계통(3)이 비정상 상태인 경우, 계통(3)으로부터 에너지 저장 시스템(1)으로의 전력 공급은 중단되고, 에너지 저장 시스템(1)으로부터 계통(3)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
부하(4)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력, 배터리 시스템(20)에 저장된 전력, 및/또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비한다. 가정이나 공장 등이 선택적으로 부하(4)에 포함될 수 있다.
에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하고, 생산한 전력을 계통(3)으로 공급할 수 있다. 에너지 저장 시스템(1)은 배터리 시스템(20)에 저장된 전력을 계통(3)으로 공급하거나, 계통(3)으로부터 공급된 전력을 배터리 시스템(20)에 저장할 수도 있다. 또한, 에너지 저장 시스템(1)은 계통(3)이 비정상 상태일 경우, 예를 들면 정전이 발생한 경우에는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 동작을 수행하여 부하(4)에 전력을 공급할 수 있다. 또한 에너지 저장 시스템(1)은 계통(3)이 정상인 상태에서도 발전 시스템(2)이 생산한 전력이나 배터리 시스템(20)에 저장되어 있는 전력을 부하(4)로 공급할 수 있다.
본 실시 예의 에너지 저장 시스템(1)은 전력 변환을 제어하는 전력 변환 시스템(Power Conversion System, 이하 'PCS'라 함)(10), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 및 제2 스위치(40) 등을 포함한다.
PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 시스템(20)으로부터 공급받은 전력을 계통(3), 부하(4), 배터리 시스템(20)에 적절한 형태로 변환한다. PCS(10)는 입력/출력 단자로의 전력 변환 및 입력/출력 단자로부터의 전력 변환을 수행하며, 이때 상기 전력 변환은 DC/AC 변환 및 제1 전압과 제2 전압 사이의 변환일 수 있다. PCS(10)는 변환된 전력을 통합 제어기(15)의 제어에 의해 동작 모드에 따라서 적절한 목적지로 공급한다. PCS(10)는 전력 변환부(11), DC 링크부(12), 인버터(13), 컨버터(14), 통합 제어기(15)를 포함한다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)과 DC 링크부(12) 사이에 연결되는 전력 변한 장치이다. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 DC 링크부(12)로 전달한다. 전력 변환부(11)로부터의 출력 전압은 직류 링크 전압이다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 컨버터, 정류회로 등의 전력 변환 회로로 구성될 수 있다. 예를 들어, 발전 시스템(2)이 생산하는 전력이 직류인 경우, 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)의 직류 전력의 전압 레벨을 DC 링크부(12)의 직류 전력의 전압 레벨로 변환하기 위한 컨버터를 포함할 수 있다. 그러나, 발전 시스템(2)이 생산하는 전력이 교류인 경우, 전력 변환부(11)는 교류를 직류로 변환하기 위한 정류회로일 수 있다. 특히, 발전 시스템(2)이 태양광 발전 시스템인 경우, 전력 변환부(11)는 일사량, 온도 등의 상태 변화에 따라서 발전 시스템(2)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생산되는 전력이 없을 때에는 소비 전력을 최소화시키기 위하여 동작을 중지할 수도 있다.
직류 링크 전압은 발전 시스템(2) 또는 계통(3)에서의 순시 전압 강하, 부하(4)의 급격한 변화나 높은 부하량 요규 등으로 인하여 불안정해 지는 경우가 있다. 그러나 직류 링크 전압은 컨버터(14) 및 인버터(13)의 정상 동작을 위하여 안정화되어야 한다. DC 링크부(12)는 전력 변환부(11)와 인버터(13) 사이에 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 유지시킨다. DC 링크부(12)로서, 예를 들어 대용량 커패시터 등을 포함할 수 있다.
인버터(13)는 DC 링크부(12)와 제1 스위치(30) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 인버터(13)는 방전 모드에서 DC 링크부(12)로부터의 직류 출력 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하는 인버터를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(13)는 충전 모드에서 계통(3)의 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하기 위하여, 계통(3)의 교류 전압을 정류하고 직류 링크 전압으로 변환하여 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다. 즉, 인버터(13)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 인버터일 수 있다.
인버터(13)는 계통(3)으로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 또한 인버터(13)는 무효 전력 손실을 억제하기 위하여 인버터(13)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 그 밖에, 인버터(13)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena)에 대한 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다. 인버터(13)는 사용되지 않을 때, 전력 소비를 최소화하기 위하여 동작을 중지시킬 수도 있다.
컨버터(14)는 DC 링크부(12)와 배터리 시스템(20) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 컨버터(14)는 방전 모드에서 배터리 시스템(20)으로부터 출력된 전력의 전압을 인버터(13)를 위한 직류 링크 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 포함한다. 또한, 컨버터(14)는 충전 모드에서 전력 변환부(11)나 인버터(13)에서 출력되는 전력의 전압을 배터리 시스템(20)용 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 포함한다. 즉, 컨버터(14)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 컨버터일 수 있다. 컨버터(14)는 배터리 시스템(20)의 충전 또는 방전에 사용되지 않는 경우에는 동작을 중지시켜 전력 소비를 최소화할 수도 있다.
통합 제어기(15)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 시스템(20), 및 부하(4)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라서 전력 변환부(11), 인버터(13), 컨버터(14), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 제2 스위치(40)의 동작을 제어한다. 통합 제어기(15)는 계통(3)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력을 생산하는 경우 그 생산량, 배터리 시스템(20)의 충전 상태, 부하(4)의 소비 전력량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다. 또한 통합 제어기(15)는, 예를 들어 계통(3)에 정전이 발생하는 등, 부하(4)로 공급할 전력이 충분하지 않은 경우에는 부하(4) 내에 포함된 전력 사용 기기들에 대하여 우선 순위를 정하고, 우선 순위가 높은 전력 사용 기기로 전력을 공급하도록 부하(4)를 제어할 수도 있을 것이다.
제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)는 인버터(13)와 계통(3) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(15)의 제어에 따라서 on/off 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 스위치(30)와 제2 스위치(40)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및 배터리 시스템(20)의 상태에 따라서 on/off가 결정될 수 있다.
구체적으로, 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)의 전력을 부하(4)로 공급하기 위하여, 계통(3)의 전력을 배터리 시스템(20)에 공급하기 위하여, 제1 스위치(30)를 on 상태로 한다. 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)의 전력을 계통(3)으로 공급하기 위하여 또는 계통(3)의 전력을 부하(4) 및/또는 배터리 시스템(20)에 공급하기 위하여 제2 스위치(40)를 on 상태로 한다. 제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)로는 큰 전류에 견딜 수 있는 릴레이(relay) 등의 스위칭 장치가 사용될 수 있다.
계통(3)에서 정전이 발생한 경우에는, 제2 스위치(40)를 off 상태로 하고 제1 스위치(30)를 on 상태로 한다. 즉, 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)으로부터의 전력을 부하(4)에 공급하는 동시에, 부하(4)로 공급되는 전력이 계통(3) 측으로 흐르는 것을 방지한다. 에너지 저장 시스템(1)이 정전이 발생한 계통(3)과 단절되어 계통(3)으로 전력을 공급하는 것을 방지한다. 이로 인하여 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는, 예를 들어 계통(3)의 정전을 수리하는 인부가 에너지 저장 시스템(1)으로부터의 전력에 의하여 감전되는 등의 사고를 방지할 수 있게 한다.
배터리 시스템(20)은 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)의 전력을 공급받아 저장하고, 부하(4) 또는 계통(3)에 저장하고 있는 전력을 공급한다. 배터리 시스템(20)은 전력을 저장하는 부분과 이를 제어 및 보호하는 부분을 포함할 수 있다. 이하, 도 2를 참조하여 배터리 시스템(20)에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 배터리 시스템(21)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 배터리 시스템(21)은 배터리 랙(Rack, 110), 랙 BMS(Battery Management System)(120), 랙 보호회로(130)를 포함한다.
배터리 랙(110)은 외부, 즉 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 저장하고, 저장하고 있는 전력을 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)으로 공급한다. 배터리 랙(110)은 복수의 서브 유닛을 포함할 수 있으며, 도 3 및 도 4를 참조하여 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 일 실시 예에 따른 배터리 랙(110)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 배터리 랙(110)은 서브 유닛으로서 직렬 및/또는 병렬로 연결된 하나 이상의 배터리 트레이(Tray)(111-1...111-n)를 포함할 수 있다. 또한 각각의 배터리 트레이는 그 서브 유닛으로서 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 배터리 셀로는 충전가능한 다양한 이차 전지가 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀에 사용되는 이차 전지는 하나 이상의 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등을 포함할 수 있다.
배터리 랙(110)은 복수의 배터리 트레이(111-1...111-n)의 연결방법에 따라서 원하는 출력을 공급할 수 있으며, 양극 출력 단자(R+)와 음극 출력 단자(R-)를 통하여 랙 보호회로(130)로 전력을 출력한다.
또한 배터리 랙(110)은 하나 이상의 배터리 트레이(111-1...111-n) 각각에 대응하는 적어도 하나의 트레이 BMS(112-1...112-n)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 트레이 BMS(112-1...112-n) 각각은 대응하는 배터리 트레이(111-1...111-n)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링한다. 모니터링 결과는 이웃하는 트레이 BMS로 전송할 수 있다.
트레이 BMS(112-1...112-n)들의 모니터링 결과는 하나의 트레이 BMS(112-1)로 취합될 수 있으며, 취합된 모니터링 데이터(Dm)는 랙 BMS(120)로 전송된다. 또한 상기 트레이 BMS(112-1)는 랙 BMS(120)로부터 배터리 랙(110)의 충전 또는 방전을 제어하기 위한 제어신호(Sc)를 수신할 수도 있다. 본 실시 예에서는 모니터링 결과를 취합하고 제어신호(Sc)를 수신하는 트레이 BMS를 가장 위에 위치한 트레이 BMS(112-1)로 설정하였으나, 다른 구성도 가능하다. 예를 들어, 마지막에 위치한 트레이 BMS(112-n)가 모니터링 결과를 취합하고 제어신호(Sc)를 수신할 수도 있을 것이다. 또한 다른 실시 예로서, 모니터링 결과를 취합하여 모니터링 데이터(Dm)를 랙 BMS(120)로 전송하는 트레이 BMS와 제어신호(Sc)를 수신하는 트레이 BMS가 다르도록 설정할 수도 있을 것이다.
다시 도 2로 돌아가, 랙 BMS(120)는 배터리 랙(110)에 연결되며, 배터리 랙(110)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. 또한 랙 BMS(120)는 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, 랙 BMS(120)는 배터리 랙(110)으로부터 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등에 대한 모니터링 데이터(Dm)를 수신하고, 모니터링 결과에 따라서 제어신호(Sc)를 생성하여 랙 보호회로(130)를 제어할 수 있다. 또한 랙 BMS(120)는 수신한 모니터링 데이터(Dm)를 통합 제어기(15)에 인가할 수 있으며, 통합 제어기(15)로부터 배터리 랙(110)의 제어에 관련된 명령을 수신할 수도 있을 것이다.
랙 보호회로(130)는 배터리 랙(110)과, 컨버터(14)에 연결되는 입력/출력 단자들(I/O T+, I/O T-) 사이에 연결되며, 배터리 랙(110)의 손상을 방지한다. 랙 보호회로(130)는 랙 BMS(120)로부터 제어신호(Sp)를 수신하여 제어신호(Sp)에 따라서 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 또한 랙 보호회로(130)는 배터리 랙(110) 출력 전압이나 출력 전류를 측정하고 측정 신호(Sd)를 랙 BMS(120)로 전송할 수 있다. 이때, 랙 보호회로(130)는 랙 BMS(120)와 물리적으로 분리되어 있을 수 있다. 따라서, 랙 BMS(120)가 대전류 경로 상에 위치한 랙 보호회로(130)와 분리된 구성으로 형성되어 대전류로부터 랙 BMS(120)를 보호할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 랙 보호회로(130)에 대하여 자세히 설명하도록 한다. 도 4는 일 실시 예에 따른 랙 보호회로(130)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 랙 보호회로(130)는 제1 전류 센서(131), 제1 전압 센서(132), 제1 릴레이(133), 제2 릴레이(134), 제1 퓨즈(135), 제2 퓨즈(136)를 포함한다.
제1 전류 센서(131)는 배터리 랙(110)의 양극 출력 단자(R+)로부터 양극 입력/출력 단자(I/O T+)로 흐르는 전류를 측정한다. 제1 전류 센서(131)는 측정한 전류 값에 해당하는 신호(Si1)를 랙 BMS(120)로 전송한다. 본 실시 예에서는 양극 입력/출력 단자(I/O T+)로부터 양극 출력 단자(R+)로 흐르는 전류의 크기를 측정하였으나 다른 방식도 가능할 것이다. 예를 들어, 음극 입력/출력 단자(I/O T-)로부터 음극 출력 단자(R-)로 흐르는 전류의 크기를 측정하는 것도 가능할 것이다.
제1 전압 센서(132)는 배터리 랙(110)의 출력 전압을 측정한다. 제1 전압 센서(132)는 측정한 전압 값에 해당하는 신호(Sv1)를 랙 BMS(120)로 전송한다.
제1 릴레이(133)는 스위칭 소자로서 양극 출력 단자(R+)로부터 컨버터(14)로의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 릴레이(133)는 랙 BMS(120)로부터 제1 릴레이 제어신호(Sr1)를 수신하며, 제1 릴레이 제어신호(Sr1)에 따라서 온/오프 동작을 수행한다. 마찬가지로, 제2 릴레이(134)는 스위칭 소자로서 음극 입력/출력 단자(I/O T-)로부터 음극 출력 단자(R-)로의 전류의 흐름을 제어한다. 제2 릴레이(134)는 랙 BMS(120)로부터 제2 릴레이 제어신호(Sr2)를 수신하며, 제2 릴레이 제어신호(Sr2)에 따라서 온/오프 동작을 수행한다. 제1 릴레이(133) 및 제2 릴레이(134)는 예시적인 것으로 스위칭 동작을 수행할 수 있는 다양한 스위칭 소자가 사용될 수 있을 것이다. 다만, 본 실시 예의 경우 출력되는 전류 및 전압의 크기가 매우 클 수 있으므로, 큰 전류 및 전압에 견딜 수 있는 스위칭 소자가 사용되어야 할 것이다.
제1 퓨즈(135)는 양극 출력 단자(R+)로부터 양극 입력/출력 단자(I/O T+)로의 대전류 경로 상에 형성되며, 대전류 경로 상에 과전류가 흐르는 경우 제1 퓨즈(135)가 상기 대전류 경로를 영구적으로 차단한다. 제1 퓨즈(135)는 대전류 경로 상에 흐르는 전류의 크기에 따라서 자동으로 대전류 경로를 차단할 수 있다. 혹은 제1 퓨즈(135)는 랙 BMS(120)로부터 제1 퓨즈 제어신호(Sf1)를 수신하고, 제1 퓨즈 제어신호(Sf1)에 기초하여 대전류 경로가 영구적 또는 일시적으로 차단될 수도 있을 것이다.
제2 퓨즈(136)는 음극 입력/출력 단자(I/O T-)로부터 음극 출력 단자(R-)로의 대전류 경로 상에 형성되며, 대전류 경로 상에 과전류가 흐르는 경우 제2 퓨즈(136)는 상기 대전류 경로를 영구적으로 차단한다. 제2 퓨즈(136)는 대전류 경로 상에 흐르는 전류의 크기에 따라서 자동으로 대전류 경로를 차단할 수 있다. 혹은 제2 퓨즈(136)는 랙 BMS(120)로부터 제2 퓨즈 제어신호(Sf2)를 수신하고, 제2 퓨즈 제어신호(Sf2)에 의하여 대전류 경로가 영구적 또는 일시적으로 차단될 수도 있을 것이다.
실시 예들에서, 랙 보호회로(130)는 랙 BMS(120)와 물리적으로 분리되어 있다. 랙 BMS(120)은 하나 이상의 신호선들에 의하여 랙 보호회로(130)를 제어하도록 구성한다. 즉, 랙 보호회로(130)와 랙 BMS(120)가 별도의 보드에 형성되도록 한다. 또한 이로 인하여 랙 보호회로(130)로 공급되는 대전류 경로가 랙 BMS(120) 또는 랙 BMS(120)를 포함하는 보드를 통과하지 않도록 한다. 따라서 시스템의 제1 구성은 랙 보호회로(130)를 포함하고, 랙 BMS(120)는 포함하지 않는다. 또한 시스템의 제2 구성은 랙 BMS(120)를 포함하고, 랙 보호회로(130)는 포함하지 않는다.
휴대용 기기 등에 사용되는 배터리 팩은 사용되는 전압 및 전류의 크기가 매우 작을 수 있으며, 따라서 하나의 인쇄회로 기판에 보호회로와 배터리 팩을 제어하는 BMS가 모두 형성된다. 또한 배터리와 외부 출력 단자를 연결하는 전류 경로가 BMS 혹은 BMS가 형성된 인쇄회로 기판을 통과하도록 구성되어 있다.
에너지 저장 시스템에 사용되는 배터리 랙(110)은 매우 큰 출력 전압 및/또는 전류를 가질 수 있다. 랙 BMS(120)에서 사용되는 전압 및 전류의 크기에 비하여 배터리 랙(110)으로부터 출력되는 전압 및 전류의 크기는 매우 클 수 있다. 따라서, 하나의 보드, 예를 들어 인쇄회로 기판에 랙 보호회로(130)와 랙 BMS(120)가 형성되도록 구성하는 경우에는 랙 보호회로(130)에서의 전압이나 전류에 의하여 랙 BMS(120)가 손상될 가능성이 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 배터리 시스템(22)의 외부 구성을 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 배터리 시스템(22)은 랙 프레임(140)과 배터리 랙(110), 랙 BMS(120), 랙 보호회로(130)를 포함한다. 랙 프레임(140)에는 배터리 시스템(22)의 각 구성 요소들이 장착된다.
배터리 랙(110)은 제1 배터리 트레이(111-1) 내지 제6 배터리 트레이(111-6)를 포함한다. 각각의 배터리 트레이(111-1...111-6)는 자신의 전압, 전류 등을 모니터링하고 충전 및 방전을 제어하는 제1 트레이 BMS(112-1) 내지 제6 트레이 BMS(112-6)를 구비한다. 본 실시 예에 따른 배터리 랙(110)은 6개의 배터리 트레이(111-1...111-6)가 모두 직렬로 연결되어 랙 보호회로(130)로 출력된다.
한편, 트레이 BMS(112-1...112-6)의 경우, 좌측 하단에 위치한 제6 트레이 BMS(112-6)로부터 좌측 상단에 위치한 제4 트레이 BMS(112-4)로 모니터링 결과에 대한 데이터를 순차적으로 전송한다. 제4 트레이 BMS(112-4)는 수신한 데이터를 취합하여 우측 상단에 위치한 제1 트레이 BMS(112-1)로 전송한다. 또한 제1 트레이 BMS(112-1)로부터 우측 하단에 위치한 제3 트레이 BMS(112-3)로 모니터링 결과에 대한 데이터가 순차적으로 전송되며, 제3 트레이 BMS(112-3)는 모든 모니터링 결과를 취합한 모니터링 데이터(Dm)를 랙 BMS(120)로 전송한다.
랙 BMS(120)는 제3 트레이 BMS(120)로부터 모니터링 데이터(Dm)를 수신하며, 랙 보호회로(130)로부터 전압 및 전류의 측정 결과를 나타내는 신호(Si1, Sv1)를 수신한다. 또한 랙 BMS(120)는 제3 트레이 BMS(120)를 통하여 제1 내지 제6 트레이 BMS(112-1...112-6)를 제어하기 위한 제어신호를 전송할 수 있으며, 랙 보호회로(130)에 구비된 제1 릴레이(133) 및 제2 릴레이(134)를 제어하기 위한 릴레이 제어신호(Sr1, Sr2)를 전송할 수 있다.
랙 보호회로(130)는 배터리 랙(110)으로부의 전력을 공급한다. 구체적으로 제1 배터리 트레이(111-1)에서 출력된 제1 메인 전력선 또는 양극 입력/출력 단자(I/O T+)는 제1 퓨즈(135)로 연결되며, 양극 입력/출력 단자(I/O T+)의 전력이 제1 릴레이(133) 및 제1 전류 센서(131)를 거쳐서 출력되도록 구성된다. 제6 배터리 트레이(111-4)에서 출력된 제2 메인 전력선 또는 음극 입력/출력 단자(I/O T-)는 제2 퓨즈(136)로 연결되며, 음극 입력/출력 단자(I/O T-)의 전력은 제2 릴레이(134)를 거쳐서 출력되도록 구성된다.
제1 전류 센서(131) 및 제1 전압 센서(132)는 배터리 랙(110)의 출력 전압 및 전류를 측정하고, 측정 결과에 해당하는 신호(Si1, Sv1)를 랙 BMS(120)로 전송한다. 제1 릴레이(133) 및 제2 릴레이(134)는 랙 BMS(120)로부터 수신한 릴레이 제어신호(Sr1, Sr2)에 의하여 온/오프 동작이 제어되며, 이로 인하여 양극 입력/출력 단자(I/O T+) 및 음극 입력/출력 단자(I/O T-)에 전류가 흐르게 하거나 전류의 흐름을 차단한다. 또한 제1 퓨즈(135) 및 제2 퓨즈(136)는 랙 BMS(120)로부터 수신한 퓨즈 제어신호(Sf1, Sf2)에 의하여 양극 입력/출력 단자(I/O T+) 및 음극 입력/출력 단자(I/O T-)에 의하여 형성된 대전류 경로를 차단한다.
랙 보호회로(130)의 각 구성은 랙 BMS(120)와 물리적으로 분리되어 있으며, 대전류 경로로 사용되는 양극 입력/출력 단자(I/O T+) 및 음극 입력/출력 단자(I/O T-)는 랙 BMS(120)를 통하지 않고 외부로 전력을 출력하도록 형성되어 있다. 비록 랙 보호회로(130)의 각 구성이 랙 프레임(140)의 상단에 위치하도록 구성하였으나 다른 구성도 가능하다. 예를 들어 랙 보호회로(130)는 랙 프레임(140)의 측면에 형성되거나 별도의 프레임에 형성될 수도 있을 것이다. 또는 예를 들어, 랙 보호회로(130)는 배터리 트레이(111-1...111-6)와 같이 랙 프레임(140) 내부에 별도로 마련된 공간에 설치될 수도 있을 것이다.
또한 도시하지는 않았으나 배터리 시스템(22)은 트레이 BMS(112-1...112-6) 및 랙 BMS(120)의 동작에 사용되는 전원을 공급하기 위한 전원 공급 장치를 구비할 수 있다. 상기와 같이, 배터리 시스템(20~22)을 포함하는 에너지 저장 시스템(1)에 의하면, 배터리 랙(110)에서 출력되는 전류 및 전압의 크기가 증가하여도 랙 BMS(120) 등의 배터리 관리부가 안정적으로 동작할 수 있게 된다.
도 6은 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템(23)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하면, 본 실시 예에 따른 배터리 시스템(23)은 복수의 서브 배터리 시스템(200-1...200-m), 시스템 BMS(240), 입력/출력 단자들(S I/O T+, S I/O T-)을 통하여 컨버터에 연결되는 통합 보호회로(250)를 포함한다.
복수의 서브 배터리 시스템(200-1...200-m)은 에너지 저장 시스템(1)에서 요구되는 전력 용량, 설계 조건 등에 따라서 구비되는 개수가 결정될 수 있을 것이다. 각각의 서브 배터리 시스템(200-1...200-m)의 동작은 도 2 내지 도 5에서 설명한 배터리 시스템(20~22)의 동작과 실질적으로 동일할 수 있다.
시스템 BMS(240)는 각각의 서브 배터리 시스템(200-1...200-m)에 포함된 랙 BMS(220-1...220-m)로부터 각종 데이터를 수신하며, 수신한 데이터에 기초하여 통합 보호회로(250)를 제어한다. 또한 시스템 BMS(240)는 수신한 데이터들을 다시 통합 제어기(15)로 전송할 수도 있으며, 통합 제어기(15)로부터 서브 배터리 시스템(200-1...200-m)를 제어하기 위한 명령을 수신할 수도 있을 것이다.
통합 보호회로(250)는 제2 전류 센서(251), 제2 전압 센서(252), 제3 릴레이(253), 제4 릴레이(254), 제3 퓨즈(255), 제4 퓨즈(256)를 포함할 수 있다. 상기 통합 보호회로(250)에 포함된 각 구성의 동작은 도 4에 도시된 랙 보호회로(130)의 동작과 실질적으로 동일할 수 있다.
각각의 서브 배터리 시스템(200-1...200-m)은 도 2 내지 도 5에서 설명한 바와 같이 랙 BMS(220-1...220-m)를 랙 보호회로(230-1...230-m)와 물리적으로 분리한다. 예를 들어, 랙 BMS(220-1...220-m)와 랙 보호회로(230-1...230-m)를 별도의 보드에 형성될 수 있다. 이로 인하여 배터리 랙(210-1...210-m)으로부터 통합 보호회로(250)로 공급되는 대전류 경로가 랙 BMS(220-1...220-m)를 통과하지 않도록 한다.
시스템 BMS(240)와 통합 보호회로(250)는 물리적으로 분리한다. 예를 들어, 시스템 BMS(240)와 통합 보호회로(250)를 별도의 보드에 형성될 수 있다. 이로 인하여 서브 배터리 시스템(200-1...200-m)들로부터 전류가 출력되는 대전류 경로가 시스템 BMS(240)를 통과하지 않도록 한다.
상기와 같이, 배터리 시스템(23)을 포함하는 에너지 저장 시스템(1)에 의하면, 배터리 랙(210-1...210-m)에서 출력되는 큰 전류 및 전압에서도 랙 BMS(220-1...220-m)나 시스템 BMS(240) 등의 배터리 관리부가 안정적으로 동작할 수 있게 된다.
한편, 도시하지는 않았으나, PCS(10)가 배터리 시스템(20~23)을 포함하는 프레임에 함께 장착될 수도 있을 것이다. 도 5와 같이 배터리 시스템(22)만을 별도의 제품으로 만들 수도 있을 것이며, 이와 달리 배터리 시스템(20~23)과 PCS(10)를 일체로 하여 에너지 저장 시스템(1)을 하나의 제품으로 만들 수도 있을 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1 에너지 저장 시스템 2 발전 시스템
3 계통 4 부하
10 전력 변환 시스템 11 전력 변환부
12 DC 링크부 13 인버터
14 컨버터 15 통합 제어기
20 배터리 시스템 30 제1 스위치
40 제2 스위치

Claims (19)

  1. 입출력 단자로 전력을 공급하고 상기 입출력 단자로부터의 전력을 저장하는 배터리 랙;
    상기 배터리 랙에 연결되며, 상기 배터리 랙과 상기 입출력 단자 사이를 선택적으로 연결 또는 차단하는 랙 보호회로; 및
    상기 배터리 랙 및 상기 랙 보호회로와 통신하며, 상기 배터리 랙으로부터 데이터를 수신하고 상기 랙 보호회로용 제어신호를 생성하는 랙 관리부(BMS);를 포함하며,
    상기 랙 보호회로는 상기 배터리 랙과 상기 입출력 단자 사이에 전류 경로를 포함하며,
    상기 랙 관리부는 상기 전류 경로로부터 제외되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입출력 단자와 연결되고 상기 입출력 단자로의 전력 및 상기 입출력 단자로부터의 전력의 형태를 변환하는 전력 변환 시스템을 더 포함하며,
    상기 형태의 변환은 적어도 DC와 AC 사이의 변환 및 제1 전압과 제2 전압 사이의 변환 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 랙 관리부는 상기 랙 보호회로로부터 분리된 구성으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 랙은 하나 이상의 배터리 트레이를 포함하며, 각 배터리 트레이는 적어도 상기 전력의 일부를 저장하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 랙은 복수의 트레이 관리부들을 더 포함하며,
    각 트레이 관리부는 대응하는 상기 배터리 트레이들의 동작을 모니터링하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    각 트레이 관리부는 랙 관리부로 공급하기 위하여 대응하는 배터리 트레이에 대한 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 랙으로부터의 데이터는 상기 정보를 포함하며,
    상기 랙 관리부는 상기 정보를 사용하여 상기 랙 보호회로용 상기 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 랙 보호회로는 상기 입출력 단자를 통하는 상기 전력의 전류 및 전압 중 적어도 어느 하나를 감지하는 센서를 포함하고,
    상기 센서는 상기 감지한 전압 또는 전류에 기초하여 상기 랙 관리부용 신호를 생성하며,
    상기 랙 관리부는 상기 센서로부터의 상기 신호에 기초하여 상기 제어신호들을 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 랙 보호회로는 상기 전류 경로에 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 스위칭 소자는 상기 랙 관리부로부터 스위칭 소자 제어 신호를 수신하고, 상기 스위칭 소자 제어 신호에 따라서 상기 입출력 단자와 상기 배터리 랙 사이를 선택적으로 연결 및 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 랙 보호회로는 상기 전류 경로에 적어도 하나의 퓨즈를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 퓨즈는 상기 랙 관리부로부터 퓨즈 제어 신호를 수신하고, 상기 퓨즈 제어 신호에 따라서 상기 입출력 단자 및 상기 배터리 랙 사이의 연결을 불능으로 만들되, 상기 연결의 불능은 부품의 교체에 의하여 복구되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  11. 시스템 입출력 단자로 전력을 공급하고 상기 시스템 입출력 단자로부터의 전력을 저장하는 복수의 서브 배터리 시스템들;
    상기 서브 배터리 시스템들과 연결되는 통합 보호회로; 및
    시스템 관리부(BMS)를 포함하며,
    상기 복수의 하위 배터리 시스템들 각각은,
    서브 배터리 시스템 입출력 단자로 전력을 공급하고 상기 서브 배터리 시스템 입출력 단자로부터의 전력을 저장하는 배터리 랙;
    상기 배터리 랙에 연결되며, 상기 배터리 랙과 상기 서브 배터리 시스템 입출력 단자 사이를 선택적으로 연결 또는 차단하는 랙 보호회로; 및
    상기 배터리 랙 및 상기 랙 보호회로와 통신하며, 상기 배터리 랙으로부터 데이터를 수신하고 상기 배터리 랙으로부터의 데이터에 기초하여 상기 랙 보호회로용 제어신호를 생성하는 랙 관리부(BMS);를 포함하고,
    상기 시스템 관리부는 각 상기 서브 배터리 시스템들의 랙 관리부 및 상기 통합 보호회로와 통신하며, 상기 서브 배터리 시스템들로부터 데이터를 수신하고 상기 통합 보호회로용 제어 신호를 생성하며,
    상기 통합 보호회로는 상기 시스템 입출력 단자와 상기 서브 배터리 시스템 입출력 단자들 사이에 전류 경로를 포함하며, 상기 시스템 관리부는 상기 전류 경로로부터 제외되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 시스템 관리부 및 상기 통합 보호회로는 분리된 구성으로 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    각 서브 배터리 시스템의 상기 배터리 랙은,
    하나 이상의 배터리 트레이 및 하나 이상의 트레이 관리부를 포함하며,
    각 배터리 트레이는 적어도 상기 전력의 일부를 저장하며,
    각 트레이 관리부는 대응하는 배터리 트레이의 동작을 모니터링하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    각 트레이 관리부는 상기 서브 배터리 시스템의 랙 관리부로 공급하기 위하여 대응하는 배터리 트레이에 대한 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    각 서브 배터리 시스템의 상기 랙 관리부는 상기 정보를 사용하여 자신의 랙 보호회로용 상기 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    각 서브 배터리 시스템의 상기 랙 보호회로는 상기 서브 배터리 시스템 입출력 단자를 통하는 상기 전력의 전류 및 전압 중 적어도 어느 하나를 감지하는 센서를 포함하고,
    상기 센서는 상기 감지한 전압 또는 전류에 기초하여 상기 랙 관리부용 신호를 생성하며,
    상기 랙 관리부는 상기 랙 보호회로로 공급하기 위하여 상기 센서로부터의 상기 신호에 기초하여 상기 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 통합 보호회로는 상기 전류 경로에 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 스위칭 소자는 상기 시스템 관리부로부터 스위칭 소자 제어 신호를 수신하고, 상기 스위칭 소자 제어 신호에 따라서 상기 시스템 입출력 단자와 상기 서브 배터리 시스템 입출력 단자 사이를 선택적으로 연결 및 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 통합 보호회로는 상기 시스템 입출력 단자를 통하는 상기 전력의 전압 및 전류 중 적어도 어느 하나를 감지하는 센서를 포함하고,
    상기 센서는 상기 감지한 전압 또는 전류에 기초하여 상기 시스템 관리부용 신호를 생성하며,
    상기 시스템 관리부는 상기 통합 보호회로로 공급하기 위하여 상기 센서로부터의 상기 신호에 기초하여 상기 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 통합 보호회로는 상기 전류 경로에 적어도 하나의 퓨즈를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 퓨즈는 상기 시스템 관리부로부터 퓨즈 제어 신호를 수신하고, 상기 퓨즈 제어 신호에 따라서 상기 시스템 입출력 단자 및 상기 서브 배터리 시스템 입출력 단자 사이의 연결을 불능으로 만들되, 상기 연결의 불능은 부품의 교체에 의하여 복구되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
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