KR20130015353A - Battery conditioning system and battery energy storage system including battery conditioning system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 배터리 에너지 저장 시스템의 제어에 관한 것이다.The present invention relates to an energy storage system, and more particularly to control of a battery energy storage system.
산업의 발달과 더불어 전력수요가 점차 증대되고 있으며 주야간, 계절간, 일별간 전력 사용량의 격차가 점차 심화되고 있다.With the development of industry, electric power demand is gradually increasing, and the gap of electric power usage between day and night, season and daily is deepening.
최근에 이러한 이유로 계통의 잉여 전력을 활용하여 피크부하를 삭감하기 위한 많은 기술들이 빠르게 개발되고 있는데, 이러한 기술들 중에서 대표적인 것이 계통의 잉여 전력을 전지에 저장하거나 계통의 부족 전력을 전지에서 공급해주는 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System)이다.Recently, for this reason, many techniques for reducing peak load by utilizing the surplus power of the system have been developed rapidly. Among these technologies, a battery which stores surplus power of the system in the cell or supplies the insufficient power of the system from the battery Battery Energy Storage System.
배터리 에너지 저장 시스템은 야간의 잉여 전력이나 풍력, 태양광 등의 신재생 에너지에서 발전된 잉여 전력을 저장하였다가 피크 부하 또는 계통 사고시 배터리에 저장된 전력을 계통에 공급한다. 이를 통해 신재생 에너지원에 의해 불안정하게 변동되는 계통 전력을 안정화 시키고 최대부하 삭감과 부하 평준화를 달성할 수 있게 된다.The battery energy storage system stores surplus power generated at night or surplus power from renewable energy such as wind and solar power and supplies the system with power stored in the battery in case of peak load or system accident. This will stabilize the system power unstably fluctuating by the renewable energy source and achieve maximum load reduction and load leveling.
최근 다양한 신재생 에너지원의 출현으로 인해 부각되고 있는 지능형 전력망(Smart Grid)에도 이러한 배터리 에너지 저장 시스템이 이용될 수 있다.The battery energy storage system may be used in an intelligent grid, which is recently emerging due to the emergence of various renewable energy sources.
이러한 배터리 에너지 저장 시스템은, 배터리 패킹(Packing) 기술의 한계로 인해, 일반적으로 하나 이상의 배터리들로 구성되는 배터리 랙(Battery Rack)들을 서로 병렬로 연결하여 구성하게 된다.Due to the limitations of battery packing technology, such battery energy storage systems are generally configured by connecting battery racks, which are generally composed of one or more batteries, in parallel with each other.
그러나, 각 배터리 랙들을 병렬로 연결 시 각 배터리 랙의 전압이 서로 다르기 때문에 돌입 전류가 발생하게 되고, 이러한 돌입 전류로 인해 소자의 용량을 초과하는 전류가 소자에 흐르게 되어 소자가 파괴되거나 심할 경우 소자의 파괴로 인해 화재가 발생할 수 있다는 문제점이 있다. However, when each battery rack is connected in parallel, an inrush current occurs because the voltages of the battery racks are different, and the inrush current causes a current exceeding the capacity of the device to flow into the device, which causes the device to break or become severe. There is a problem that may occur due to the destruction of the fire.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배터리 관리 장치에 포함된 배터리 랙 간의 전압 불균형을 해소할 수 있는 배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.Disclosure of Invention The present invention has been made in view of the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a battery management apparatus capable of solving voltage imbalance between battery racks included in a battery management apparatus and a battery energy storage system including the same.
또한, 본 발명은 배터리 관리 장치에 포함된 배터리 랙의 연결 시 돌입 전류의 발생을 방지할 수 있는 배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.In addition, another object of the present invention is to provide a battery management apparatus and a battery energy storage system including the same capable of preventing the generation of inrush current when the battery rack included in the battery management apparatus is connected.
또한, 본 발명은 돌입 전류 방지를 위해 배터리 관리 장치에 포함된 초기 충전부의 온오프 동작으로 인한 서지(Surge)전압의 발생을 방지할 수 있는 배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.In addition, the present invention provides a battery management device that can prevent the generation of a surge (Surge) due to the on-off operation of the initial charging unit included in the battery management device to prevent inrush current and a battery energy storage system including the same That is another technical problem.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는, 하나 이상의 배터리들로 구성되는 트레이(Tray); 상기 하나 이상의 배터리들의 충방전을 위해 상기 트레이를 전력 관리 장치(Power Conditioning System: PCS)에 연결시키는 제1 스위치; 상기 제1 스위치가 온 되기 이전에 동작하여 상기 하나 이상의 배터리들을 초기충전시킴으로써 돌입전류 발생을 방지하는 초기 충전부; 및 상기 초기 충전부의 동작에 의해 발생되는 서지전압을 적어도 하나의 커패시터를 통해 흡수하여 서지전압을 제거하는 서지전압 방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.Battery management apparatus according to an aspect of the present invention for achieving the above object, Tray (Tray) consisting of one or more batteries; A first switch connecting the tray to a Power Conditioning System (PCS) for charging and discharging the one or more batteries; An initial charging unit which operates before the first switch is turned on to prevent inrush current generation by initial charging the one or more batteries; And a surge voltage protection unit for absorbing the surge voltage generated by the operation of the initial charging unit through at least one capacitor to remove the surge voltage.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 에너지 저장 시스템은, 계통으로부터 제공되는 잉여 에너지가 충전되는 하나 이상의 배터리 랙을 포함하는 배터리 관리 장치; 및 상기 잉여 에너지를 상기 하나 이상의 배터리 랙에 충전시키고, 상기 하나 이상의 배터리 랙에 충전되어 있는 에너지를 방전시켜 상기 계통으로 제공하는 전력 관리 장치를 포함하고, 상기 배터리 랙은, 하나 이상의 배터리들로 구성되는 트레이; 배터리 에너지 저장 시스템이 정상상태에 도달하기 이전의 시간구간 동안 상기 트레이를 상기 전력 관리 장치에 연결시켜 상기 하나 이상의 배터리들을 초기 충전시키는 초기 충전부; 및 상기 초기 충전부의 동작에 의해 발생되는 서지전압을 적어도 하나의 커패시터를 통해 흡수하는 서지전압 방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.A battery energy storage system according to another aspect of the present invention for achieving the above object, the battery management device including at least one battery rack is charged with surplus energy provided from the system; And a power management device configured to charge the surplus energy in the at least one battery rack, and discharge the energy charged in the at least one battery rack to the system, wherein the battery rack includes one or more batteries. Being a tray; An initial charging unit configured to initially charge the one or more batteries by connecting the tray to the power management device during a time period before the battery energy storage system reaches a normal state; And a surge voltage protection unit absorbing a surge voltage generated by the operation of the initial charging unit through at least one capacitor.
본 발명에 따르면, 배터리 관리 장치에 포함된 배터리 랙에 초기 충전부를 연결함으로써 배터리 랙간의 병렬 연결시 배터리 랙 간의 전압 불균형을 제어할 수 있고, 이로 인해 배터리 랙간의 전압 불균형으로 인한 돌입 전류의 발생을 방지할 수 있다는 효과가 있다.According to the present invention, by connecting the initial charging unit to the battery rack included in the battery management device, it is possible to control the voltage imbalance between the battery racks in parallel connection between the battery racks, thereby preventing the occurrence of inrush current due to the voltage imbalance between the battery racks There is an effect that can be prevented.
또한, 본 발명에 따르면 각 배터리 랙에 Y-커패시터 회로를 추가함으로써 초기 충전부의 동작에 따른 서지전압 발생을 최소화함은 물론, 각 배터리 랙을 충방전시키는 전력관리장치의 인버터에 의해 발생되는 스위칭 노이즈 및 전력관리장치에 포함된 평활 커패시터 양단의 전위 불균형을 최소화할 수 있다는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, by adding a Y-capacitor circuit to each battery rack, switching noise generated by an inverter of the power management device that charges and discharges each battery rack as well as minimizes the generation of surge voltage according to the operation of the initial charging unit. And potential imbalance between both ends of the smoothing capacitor included in the power management device.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 시스템이 적용되는 네트워크 구성을 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면.
도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면.
도 4는 배터리의 충반전 특성을 보여주는 그래프.
도 5a는 초기 충전부의 동작에 따라 발생되는 서지전압을 보여주는 그래프
도 5b는 배터리 랙 제어기 간의 통신시 발생되는 노이즈를 보여주는 그래프.
도 6a는 서지전압 발생부에 따라 서지전압의 발생이 억제되는 것을 보여주는 그래프.
도 6b는 서지전압 발생부에 따라 통신 노이즈의 발생이 억제되는 것을 보여주는 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면.1 is a view showing a network configuration to which the battery energy storage system according to an embodiment of the present invention is applied.
2 is a block diagram schematically showing the configuration of the battery energy storage system shown in FIG.
3A is a diagram illustrating an electrical configuration of a battery management apparatus according to a first embodiment of the present invention.
3B is a view showing an electrical configuration of the battery management apparatus according to the first embodiment of the present invention.
4 is a graph showing charge and discharge characteristics of a battery.
5A is a graph illustrating surge voltages generated by an operation of an initial charging unit
5B is a graph showing noise generated during communication between battery rack controllers.
6A is a graph showing that generation of a surge voltage is suppressed according to a surge voltage generator.
6B is a graph showing that generation of communication noise is suppressed according to the surge voltage generation unit.
7 is a view showing an electrical configuration of a power management device according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System: BESS)이 적용되는 네트워크 구성을 보여주는 도면이다.1 is a diagram illustrating a network configuration to which a battery energy storage system (BESS) is applied according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 에너지 저장 시스템(100)은 글로벌 모니터링 시스템(Global Monitoring System: GMS, 110) 및 에너지 관리 시스템(Energy Management System: EMS, 120)과 연결된다. 이때, 글로벌 모니터링 시스템(110)은 인터넷을 통해 배터리 에너지 저장 시스템(100) 및 에너지 관리 시스템(120)과 연결될 수 있다.As shown in FIG. 1, the battery
먼저, 글로벌 모니터링 시스템(110)은 에너지 관리 시스템(110)을 통해 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들과 연결되는 것으로서, 글로벌 통합 관리, 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들로부터 전송되는 각종 데이터의 수집, 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들의 운영 현황 표시, 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들로부터 전송되는 각종 데이터 분석(예컨대, 배터리의 수명 예측 또는 점검), 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)의 운영 최적화 관리, 및 투자/설비 효율을 관리하는 기능을 수행한다.First, the
에너지 관리 시스템(120)은 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들과 연결되어 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)의 운전 스케쥴 제어를 수행하거나, 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들로부터 전송되는 각종 데이터들을 글로벌 모니터링 시스템(110)로 리포팅하거나, 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들의 전력을 통합 관리하거나, 계통(미도시)의 수요나 발전량을 예측하는 기능을 수행한다.The
이외에도, 에너지 관리 시스템(120)은 전력 거래 이력 관리 또는 최적 발전 계획 수립 등의 기능을 수행한다.In addition, the
배터리 에너지 저장 시스템(100)은 풍력, 태양광 등에서 발전된 잉여 전력을 계통으로부터 제공 받아 배터리 에너지 저장 시스템(100)에 포함된 하나 이상의 배터리 랙(Rack)에 충전하였다가 피크부하 또는 계통 사고 시 하나 이상의 배터리 랙에 충전되어 있던 전력을 계통으로 방전하여 계통에 전력을 공급하는 기능을 수행한다.The battery
이하에서는 이러한 배터리 에너지 저장 시스템(100)의 구성을 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the configuration of the battery
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.2 is a block diagram schematically illustrating the configuration of a battery energy storage system according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 에너지 저장 시스템(100)은, 배터리 관리 장치(210), 전력 관리 장치(220), 및 제어부(230)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the battery
도 2에 도시된 배터리 에너지 저장 시스템(100)에서는 하나의 배터리 관리 장치(210) 및 하나의 전력 관리 장치(220)가 포함되는 것으로 기재하였지만, 변형된 실시예에 있어서는 배터리 에너지 저장 시스템(100)에 복수개의 배터리 관리 장치(210) 및 복수개의 전력 관리 장치(220)가 포함될 수도 있을 것이다.Although the battery
먼저, 배터리 관리 장치(Battery Conditioning System: BCS, 210)는, 계통으로부터 공급되는 잉여 에너지를 하나 이상의 배터리 랙에 저장하고, 피크 부하 또는 계통 사고 발생 시 하나 이상의 배터리 랙에 저장되어 있는 에너지를 계통에 공급한다.First, the Battery Conditioning System (BCS) 210 stores surplus energy supplied from the grid in one or more battery racks, and stores energy stored in the one or more battery racks in the event of a peak load or system accident. Supply.
이하에서는 이러한 배터리 관리 장치(210)의 구성을 도 3a 및 3b를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the configuration of the
도 3a 및 도 3 b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면이다.3A and 3B illustrate an electrical configuration of a battery management apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(210)는 서로 병렬로 연결되는 하나 이상의 배터리 랙(310)을 포함한다.As shown in FIGS. 3A and 3B, the
배터리 랙(310)은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 트레이(320a~320n), 제1 스위치(330), 초기 충전부(340), 및 서지전압 방지부(350)를 포함한다.As illustrated in FIGS. 3A and 3B, the
먼저, 트레이(320a~320n)는 하나 이상의 배터리를 포함하는 모듈(미도시)들이 복수개 연결되어 구성되는 것으로서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 배터리 랙(310)은 서로 직렬로 연결되는 복수개의 트레이(320a~320n)를 포함할 수 있다.First, the
일 실시예에 있어서, 하나의 모듈은 24개의 배터리로 구성될 수 있고, 하나의 트레이는 3개의 모듈로 구성될 수 있으며, 하나의 배터리 랙은 8개의 트레이로 구성될 수 있다.In one embodiment, one module may consist of 24 batteries, one tray may consist of three modules, and one battery rack may consist of eight trays.
다음으로, 제1 스위치(330)는, 트레이(320a~320n)를 전력 관리 장치(220)에 연결시키기 위한 것으로서, 배터리 에너지 저장 시스템(100)이 정상상태에 도달하기 이전의 시간 구간 동안에는 오프(Off) 상태로 유지되다가, 배터리 에너지 저장 시스템(100)이 정상상태에 도달하면 온(On) 되어 트레이(320a~320n)를 전력 관리 장치(220)에 연결시킨다.Next, the
이러한 제1 스위치(330)를 통해 전력 관리 장치(220)에 연결된 각 트레이(320a~320n)들의 배터리들은, 전력 관리 장치(220)에 의해 충방전된다.The batteries of the
다음으로, 초기 충전부(340)는, 하나 이상의 배터리 랙(310)들을 전력 관리 장치(220)에 연결하는 경우, 배터리 랙(310)간의 전압 차이로 인해 발생될 수 있는 돌입전류를 방지하는 역할을 수행한다.Next, when the one or
여기서, 돌입 전류는 병렬로 연결되어 있는 배터리 랙(310)간의 전압 불균형으로 인해 발생하게 되는 것으로서, 이러한 돌입 전류로 인해 소자에 소자의 용량을 초과하는 전류가 흐르게 되어 소자가 파괴되거나 화재가 발생할 수 있다.Here, the inrush current is generated due to the voltage imbalance between the
특히, 배터리가 리튬 이온 전지로 구현되는 경우 도 4에 도시된 바와 같이, 충방전 상태의 동적 전압(Dynamic Voltage)과 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage: OCV)이 다르므로 배터리 랙(310)을 병렬 연결하는 경우 반드시 돌입 전류가 발생하게 된다.In particular, when the battery is implemented as a lithium ion battery, as shown in FIG. 4, since the dynamic voltage and the open circuit voltage (OCV) of the charge / discharge state are different, the
이러한 돌입 전류는, 배터리 랙(310)을 최초로 연결하는 경우 이외에도 배터리 랙(310)을 교체하거나 재기동하는 경우에도 발생할 수 있다. 이러한 돌입 전류를 방지하기 위해 병렬로 결선될 배터리 랙(310)을 개별적으로 충전하여 모든 배터리 랙(310)의 전압이 동일해진 이후에 결선할 수 있지만, 이러한 방법은 배터리 랙(310)의 연결이나 교체에 상당히 많은 시간이 소요되고, 대단지형 배터리 에너지 저장 시스템의 경우 시스템 정지시간이 길어질 수 있어 많은 경제적 손실이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.Such inrush current may occur when the
따라서, 본 발명은 이러한 초기 충전부(340)를 통해 배터리 에너지 저장 시스템(100)이 정상 상태에 도달하기 이전의 시간 구간 동안 트레이(320a~320n)에 포함된 배터리들을 초기 충전(Pre-Charging)시켜 배터리 랙(310)간의 전압 차이를 최소화시킴으로써 돌입전류의 발생을 방지한다.Accordingly, the present invention pre-charges the batteries included in the
이를 위해, 초기 충전부(340)는 제1 저항(342) 및 제2 스위치(344)로 구성된다.To this end, the
제1 저항(342)은 도 3에 도시된 바와 같이, 트레이(320a~320n)에 직렬로 연결되고, 제2 스위치(344)는 제1 저항(342)에 직렬로 연결되어 제1 저항(342)과 전력 관리 장치(220)를 연결시키는 역할을 수행한다.As shown in FIG. 3, the
구체적으로, 제2 스위치(344)는, 배터리 에너지 저장 시스템(100)이 정상 상태에 도달하기 이전의 시간 구간 동안에는 온(On) 상태로 유지되어 제2 저항(342)과 전력 관리 장치(220)를 연결시켜 트레이(320a~320n)에 포함된 배터리들이 초기 충전 되도록 한다.In detail, the
이후, 배터리 에너지 저장 시스템(100)이 정상 상태에 도달하면 제2 스위치(344)는 오프된다.Thereafter, when the battery
상술한 실시예에 있어서, 하나 이상의 배터리 랙(310)을 전력 관리 장치(220)에 연결시키는 경우, 배터리 랙(310) 중 개방 회로 전압(OCV)이 가장 낮은 배터리 랙(310)을 전력 관리 장치(220)에 먼저 연결시키는 것이 바람직하다.In the above-described embodiment, when one or
상술한 실시예에 있어서는, 배터리 랙(310)에 회로적인 구성을 추가하는 아날로그 방식을 이용하여 돌입전류를 방지하는 것을 설명하였다.In the above-described embodiment, it has been described that the inrush current is prevented by using an analog method of adding a circuit configuration to the
하지만, 변형된 실시예에 있어서는 디지털 방식으로 돌입전류의 발생을 방지하기 위해, N개의 배터리 랙(310)을 병렬로 연결하는 경우 각각의 배터리 랙 제어기(미도시)가 배터리 랙(310)의 전압을 모니터링한 후에 전압이 가장 낮은 배터리 랙(310)부터 순차적으로 전력 관리 장치(220)에 연결되도록 할 수 있다.However, in the modified embodiment, in order to prevent generation of inrush current digitally, when N battery racks 310 are connected in parallel, each battery rack controller (not shown) is connected to the voltage of the
이러한 경우, 우선순위에 따라 배터리 랙(310)의 전압은 동적 전압(DV)과 개방 회로 전압(OCV) 상태가 되므로 시스템 설계시 SOC(State of Charge) 또는 동적전압과 개방 회로 전압간의 전압 편차를 측정하여 제어 시 반영되도록 하여야 한다.In this case, according to the priority, the voltage of the
예컨대, SOC 70%-3.8V인 제1 배터리 랙과 SOC 55%-3.2V인 제2 배터리 랙을 병렬 연결하는 경우, 전압 불균형에 따라 돌입 전류가 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해 제2 배터리 랙을 전력 관리 장치(220)에 먼저 연결한 후 에너지를 충전시킨다. 이때, 제어기는 제1 배터리 랙의 SOC와 전압을 모니터링 한다. 모니터링 결과 제1 배터리 랙의 전압과 제2 배터리 랙의 전압이 동일해 진 경우, 사전에 데이터화한 동적전압과 개방회로전압간의 전압 편차를 고려하여 제1 배터리 랙을 전력 관리 장치(220)에 연결한다.For example, when the first battery rack of SOC 70% -3.8V and the second battery rack of SOC 55% -3.2V are connected in parallel, an inrush current is generated due to voltage imbalance. To prevent this, the second battery rack is first connected to the
상술한 실시예에 있어서는 디지털 방식 및 아날로그 방식 중 어느 하나의 방식을 이용하여 돌입전류를 방지하는 것으로 설명하였다. 하지만, 변형된 실시예에 있어서는 이 2가지 방식을 모두 적용하여 돌입전류를 방지할 수도 있을 것이다.In the above-described embodiment, the inrush current is prevented by using any one of digital and analog methods. However, in the modified embodiment, both of these methods may be applied to prevent the inrush current.
예컨대, 배터리 랙(310)들 중 전압 차이가 기준치 보다 작은 배터리 랙(310)들은 디지털 방식을 이용하여 제어하고, 배터리 랙(310)들 중 전압 차이가 기준치 보다 큰 배터리 랙은 아날로그 방식으로 제어할 수 있다.For example, the battery racks 310 of which the voltage difference is smaller than the reference value of the battery racks 310 are controlled using a digital method, and the battery racks of which the voltage difference of the battery racks 310 are larger than the reference value may be controlled in an analog manner. Can be.
즉, 배터리 랙(310)들 중 전압 차이가 기준치 보다 큰 배터리 랙(310)들은 동시에 전력 관리 장치(220)에 연결하되, 초기 충전부(340)를 우선 연결하여 돌입 전류를 최소화하고, 배터리 랙(310)들 중 전압 차이가 기준치 보다 작은 배터리 랙(310)들은 전압이 작은 배터리 랙(310)부터 순차적으로 전력 관리 장치(220)에 연결되도록 하되, SOC(State of Charge) 또는 동적전압과 개방회로전압 간의 전압 편차를 측정하여 제어시 반영되도록 하는 것이다.That is, the battery racks 310 having a larger voltage difference than the reference value of the battery racks 310 are simultaneously connected to the
다시 도 2를 참조하면, 서지전압 방지부(350)는, 초기 충전부(340)의 동작에 따른 서지(Surge) 전압의 발생을 억제하는 역할을 수행한다.Referring back to FIG. 2, the surge
본 발명에 따른 배터리 에너지 저장 시스템(100)이 서지전압 방지부(350)를 포함하는 이유는, 도 5a에 도시된 바와 같이 초기 충전부(340)에 포함된 제2 스위치(344)의 온오프시 서지전압(510)이 발생하거나, 도 5b에 도시된 바와 같이 각 배터리 랙(310)을 제어하는 배터리 랙 제어기(미도시)들 간의 통신시 노이즈(520)가 발생하기 때문에 이러한 서지 전압이나 통신 노이즈를 최소화하기 위한 것이다.The reason why the battery
일 실시예에 있어서, 이러한 서지전압 방지부(350)는 트레이(320a~320n)의 제1 전극 단자(P)와 제2 전극 단자(N)에 연결되는 Y-커패시터(Capacitor) 회로를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the surge
이를 위해 본 발명의 제1 실시예에 따른 서지전압 방지부(350)는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 일단은 트레이(320a~320n)의 제1 전극 단자(P)에 연결되고 타단은 접지 노드(N1)에 연결되는 제1 커패시터(C1)와, 일단은 접지 노드(N1)에 연결되고 타단은 트레이(320a~320n)의 제2 전극 단자(N)에 연결되는 제2 커패시터(C2)를 포함할 수 있다.To this end, the surge
이때, 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)는 제1 전극 단자(P)와 접지 사이의 전위와 제2 전극 단자(N)와 접지 사이의 전위를 동일하게 하기 위해 서로 동일한 커패시턴스 값(C)을 가질 수 있고, 순간적으로 발생되는 서지 전압의 흡수 속도를 증가시키기 위해 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)의 커패시턴스의 값은 전력 관리 장치(220)에 포함된 평활 커패시터의 커패시턴스 값보다 작을 수 있다.In this case, the first capacitor C1 and the second capacitor C2 have the same capacitance value to equalize the potential between the first electrode terminal P and the ground and the potential between the second electrode terminal N and the ground. (C), the value of the capacitance of the first capacitor (C1) and the second capacitor (C2) in order to increase the rate of absorption of the surge voltage generated instantaneously is a smoothing capacitor included in the
일 실시예에 있어서, 제1 또는 제2 커패시터(C1, C2)의 커패시턴스 값(C)은 아래의 수학식 1을 이용하여 결정할 수 있다.In one embodiment, the capacitance value C of the first or second capacitors C1 and C2 may be determined using Equation 1 below.
수학식 1에서, C는 제1 또는 제2 커패시터(C1, C2)의 커패시턴스 값을 의미하고, I는 제1 또는 제2 커패시터(C1, C2)에서의 누설전류를 의미하며, E는 배터리 랙의 전압을 의미하며, f는 전력관리장치(220)에 포함된 인버터의 스위칭 주파수를 의미한다. 이때, 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)에서의 누설전류는 10mA 이내의 범위에서 미리 결정되어 있을 수 있다.In Equation 1, C denotes capacitance values of the first or second capacitors C1 and C2, I denotes a leakage current in the first or second capacitors C1 and C2, and E denotes a battery rack. Denotes a voltage of f, and denotes a switching frequency of the inverter included in the
본 발명의 제2 실시예에 따른 서지전압 방지부(350)는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 커패시터(C1), 제2 커패시터(C2), 제1 커패시터(C1)에 병렬로 연결되는 제2 저항(R1), 및 제2 커패시터(C2)에 병렬로 연결되는 제3 저항(R2)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 3B, the surge
이때, 제2 저항(R1) 및 제3 저항(R2)은 제1 전극 단자(P)와 접지 사이의 전위와 제2 전극 단자(N)와 접지 사이의 전위를 동일하게 하기 위해 동일한 저항 값을 가질 수 있고, 저항 값은 수백KΩ 내지 수MΩ일 수 있다. 여기서, 제2 저항(R1) 및 제3 저항(R2)의 값을 큰 저항 값으로 결정하는 것은 제2 저항(R1) 및 제3 저항(R2)의 저항 값을 작은 값으로 결정하게 되면 저항에 의한 배터리의 자연 방전이 발생하기 때문에 이를 방지하기 위한 것이다.In this case, the second resistor R1 and the third resistor R2 have the same resistance value in order to equalize the potential between the first electrode terminal P and the ground and the potential between the second electrode terminal N and the ground. The resistance value may be several hundred KΩ to several MΩ. Here, determining the values of the second resistor R1 and the third resistor R2 as a large resistor value determines the resistance of the second resistor R1 and the third resistor R2 as a small value. This is to prevent this because the natural discharge of the battery occurs.
일 실시예에 있어서, 제2 또는 제3 저항(R1, R2)의 저항값(R)은 아래의 수학식 2를 이용하여 결정할 수 있다.In an exemplary embodiment, the resistance value R of the second or third resistors R1 and R2 may be determined using Equation 2 below.
수학식 2에서, R은 제2 또는 제3 저항(R1, R2)의 저항값을 의미하고, t는 배터리 방전율 측정의 기준이 되는 단위 시간을 의미하며, a는 배터리 랙의 전압을 의미하고, b는 단위 시간 동안 배터리 랙의 용량을 충방전 시킬 수 있는 정격전류를 의미하며, c는 배터리의 방전율을 나타낸다. 이때, t는 시간 단위의 값이고, 배터리 방전율은 % 단위의 값일 수 있다.In Equation 2, R denotes a resistance value of the second or third resistors R1 and R2, t denotes a unit time for measuring the battery discharge rate, and a denotes a voltage of a battery rack. b denotes a rated current capable of charging and discharging the capacity of the battery rack during a unit time, and c denotes a discharge rate of the battery. In this case, t may be a value in units of time, and the battery discharge rate may be a value in units of%.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 랙(310)이 서지전압 방지부(350)를 포함함으로써 도 6a에 도시된 바와 같이, 제2 스위치(344)의 온오프로 인한 서지 전압의 발생이 억제(610)되고, 도 6b에 도시된 바와 같이 배터리 랙 제어기간의 통신시 발생되는 노이즈 또한 감소(620)된다는 것을 알 수 있다.As described above, since the
또한, 본 발명의 경우, 배터리 랙(310)에 포함된 서지전압 방지부(350)가 제1 전극 단자(P)와 접지 사이의 전위와 제2 전극 단자(N)와 접지 사이의 전위를 동일하게 함으로써 전력관리장치(220)에 포함된 평활 커패시터 양단의 전위 불균형을 개선시킬 수 있다.In addition, in the present invention, the surge
다시 도 2를 참조하면, 전력 관리 장치(220)는, 배터리 관리 장치(210)와 계통(미도시)을 연계하는 역할을 수행한다. 보다 구체적으로, 전력 관리 장치(220)는 배터리 관리 장치(210)에 포함된 하나 이상의 배터리 랙(310)에 계통의 잉여 에너지를 충전시키거나 하나 이상의 배터리 랙(310)에 저장된 에너지를 계통에 제공하는 역할을 수행한다.Referring back to FIG. 2, the
이하, 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 전력 관리 장치에 대해 간략히 설명한다.Hereinafter, a power management apparatus according to the present invention will be briefly described with reference to FIG. 7.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면이다.7 is a diagram illustrating an electrical configuration of a power management device according to an embodiment of the present invention.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 관리 장치(220)는, 제1 차단기(710), 변압기(720), 및 하나 이상의 전력 변환 모듈(Power Converting Unit: PCU, 730)을 포함한다.As shown in FIG. 7, the
먼저, 제1 차단기(710)는, 사고 발생시 사고 전류가 계통(700)으로 유입되거나, 전력 변환 모듈(730) 내로 유입되는 것을 차단하는 역할을 수행한다.First, the
다음으로, 변압기(720)는 계통(700)의 교류 전압을 미리 정해진 값으로 감압하여 전력 변환 모듈(730)로 공급하거나, 전력 변환 모듈(730)로부터 출력되는 교류 전압을 미리 정해진 값으로 승압하여 계통(700)으로 제공하는 역할을 수행한다.Next, the
다음으로, 전력 변환 모듈(730)은 교류를 직류로 변환하여 배터리 관리 장치(210)로 제공하거나, 배터리 관리 장치(210)로부터 제공되는 직류를 교류로 변환하여 변압기(720)로 출력한다.Next, the
이러한 전력 변환 모듈(730)은, 제2 차단기(731), 필터(733), 인버터(735), 평활 커패시터(737), 및 제3 스위치(739)를 포함한다.The
먼저, 제2 차단기(731)는, 사고 발생시 사고 전류가 계통(700)으로 유입되거나, 전력 변환 모듈(730) 내로 유입되는 것을 차단하는 역할을 수행한다.First, the
필터(733)는 변압기(720)를 통해 감압된 교류 전압의 고조파를 감소시키거나 인버터(735)로부터 출력되는 교류 전압의 고조파를 감소시키는 역할을 수행한다.The
도 7에서는, 이러한 필터(733)가 LCL타입으로 구성되는 것으로 도시하였지만, 이는 하나의 예일 뿐 다른 형태의 구성도 가능할 것이다.In FIG. 7, the
인버터(735)는 필터(733)로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나, 배터리 관리 장치(210)로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 역할을 수행한다.The
평활 콘덴서(737)는 배터리 관리 장치(210)로부터 인버터(735)로 입력되는 직류 전압 또는 인버터(735)로부터 출력되는 직류 전압을 평활화하는 역할을 수행한다. 이러한 평활 콘덴서(737)의 전압이 미리 충전되어 있어야, 배터리 관리 장치(210)를 전력 관리 장치(220)에 연결할 때 돌입 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.The smoothing
만약, 배터리 관리 장치(210)를 전력 관리 장치(220)에 연결할 때 평활 콘덴서(737)가 충전되어 있지 않으면 돌입 전류가 발생하게 되어 소자가 파괴되거나 화재가 발생할 수 있다.If the smoothing
제3 스위치(739)는, 배터리 관리 장치(210)를 전력 관리 장치(220)에 연결시키기는 역할을 수행한다.The
다시 도 2를 참조하면, 제어기(230)는 배터리 관리 장치(210)에 포함된 하나 이상의 배터리들의 충방전 여부를 결정하고, 상기 충방전 여부에 따라 상기 배터리 관리 장치(210) 및 전력 관리 장치(220)의 동작을 제어한다. Referring back to FIG. 2, the
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.Those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the above-described present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, it is to be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.
100: 배터리 에너지 저장 시스템 110: 에너지 관리 시스템
120: 글로벌 모니터링 시스템 210: 배터리 관리 장치
220: 전력 관리 장치 230: 제어기
310: 배터리 랙 320a~320n: 트레이
330: 제1 스위치 340: 초기 충전부
342: 제2 스위치 344: 제1 저항
350: 서지전압 방지부 100: battery energy storage system 110: energy management system
120: global monitoring system 210: battery management device
220: power management device 230: controller
310:
330: First switch 340: Initial charging unit
342: second switch 344: first resistor
350: surge voltage suppressor
Claims (13)
상기 하나 이상의 배터리들의 충방전을 위해 상기 트레이를 전력 관리 장치(Power Conditioning System: PCS)에 연결시키는 제1 스위치;
상기 제1 스위치가 온 되기 이전에 동작하여 상기 하나 이상의 배터리들을 초기충전시킴으로써 돌입전류 발생을 방지하는 초기 충전부; 및
상기 초기 충전부의 동작에 의해 발생되는 서지전압을 적어도 하나의 커패시터를 통해 흡수하여 서지전압을 제거하는 서지전압 방지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.A tray composed of one or more batteries;
A first switch connecting the tray to a Power Conditioning System (PCS) for charging and discharging the one or more batteries;
An initial charging unit which operates before the first switch is turned on to prevent inrush current generation by initial charging the one or more batteries; And
And a surge voltage prevention unit for absorbing a surge voltage generated by the operation of the initial charging unit through at least one capacitor to remove the surge voltage.
상기 서지전압 방지부는, 일단은 상기 트레이의 제1 전극 단자에 연결되고 타단은 접지 노드에 연결되는 제1 커패시터 및 일단은 상기 접지 노드에 연결되고 타단은 상기 트레이의 제2 전극 단자에 연결되는 제2 커패시터를 포함하는 Y-커패시터(Capacitor) 회로로 구성되고,
상기 제1 커패시터 및 제2 커패시터는, 상기 제1 전극 단자와 상기 접지 노드간의 제1 전위와 상기 제2 전극 단자와 상기 접지 노드간의 제2 전위가 동일해 지도록 하기 위해 동일한 커패시턴스 값을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.The method of claim 1,
The surge voltage suppressor may include a first capacitor having one end connected to a first electrode terminal of the tray and the other end connected to a ground node, and one end connected to the ground node and another end connected to a second electrode terminal of the tray. Consists of a Y-capacitor circuit containing two capacitors,
The first capacitor and the second capacitor have the same capacitance value so that the first potential between the first electrode terminal and the ground node and the second potential between the second electrode terminal and the ground node are equal. Battery management device.
상기 제1 또는 제2 커패시터의 커패시턴스 값은 수학식 을 이용하여 산출되고,
I는 제1 또는 제2 커패시터에서의 누설전류를 의미하고, E는 복수개의 트레이가 연결되어 구성된 배터리 랙의 전압을 의미하며, f는 상기 전력관리장치에 포함된 인버터의 스위칭 주파수를 의미하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.The method of claim 2,
The capacitance value of the first or second capacitor is Calculated using
I denotes a leakage current in the first or second capacitor, E denotes a voltage of a battery rack configured by connecting a plurality of trays, and f denotes a switching frequency of an inverter included in the power management device. Battery management device characterized in that.
상기 서지전압 방지부는, 상기 제1 커패시터에 병렬로 연결되는 제1 저항 및 상기 제2 커패시터에 병렬로 연결되는 제2 저항을 더 포함하고,
상기 제1 저항 및 제2 저항은 상기 제1 전위와 상기 제2 전위가 동일해 지도록 하기 위해 동일한 저항 값을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.The method of claim 2,
The surge voltage preventing unit further includes a first resistor connected in parallel to the first capacitor and a second resistor connected in parallel to the second capacitor.
And the first and second resistors have the same resistance value so that the first potential and the second potential become the same.
상기 제1 저항 또는 제2 저항의 저항값은 수학식 를 이용하여 산출되고,
R은 제1 저항 또는 제2 저항의 저항값을 나타내고, t는 상기 배터리의 방전율 측정 기준이 되는 단위 시간을 의미하고, a는 복수개의 트레이가 연결되어 구성된 배터리 랙의 전압을 의미하며, b는 단위 시간 동안 상기 배터리 랙의 용량을 충방전 시킬 수 있는 정격전류를 의미하고, c는 상기 배터리의 방전율을 의미하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.5. The method of claim 4,
The resistance value of the first resistor or the second resistor is represented by an equation Calculated using
R denotes a resistance value of the first resistor or the second resistor, t denotes a unit time for measuring the discharge rate of the battery, a denotes a voltage of a battery rack configured by connecting a plurality of trays, and b denotes a The battery management device, characterized in that the rated current capable of charging and discharging the capacity of the battery rack for a unit time, c means the discharge rate of the battery.
상기 적어도 하나의 커패시터는, 상기 서지전압의 흡수 속도가 증가되도록 상기 전력 관리 장치에 포함된 평활 커패시터의 커패시턴스 값보다 작은 커패시턴스 값을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.The method of claim 1,
The at least one capacitor, characterized in that the battery management device having a capacitance value less than the capacitance value of the smoothing capacitor included in the power management device so that the absorption rate of the surge voltage is increased.
상기 초기 충전부는,
상기 트레이에 직렬로 연결되는 제3 저항; 및
상기 제3 저항에 직렬로 연결되어 상기 제3 저항과 상기 전력 관리 장치를 전기적으로 연결시키는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.The method of claim 1,
The initial charging unit,
A third resistor connected in series with the tray; And
And a second switch connected in series with the third resistor to electrically connect the third resistor and the power management device.
상기 제2 스위치는 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System: BESS)이 정상상태에 도달할 때까지 온(On)되어 상기 제3 저항과 상기 전력 관리 장치의 연결을 통해 상기 하나 이상의 배터리가 초기 충전 되도록 하고, 상기 배터리 에너지 저장 시스템이 정상상태에 도달하면 오프 되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.The method of claim 7, wherein
The second switch is turned on until a battery energy storage system (BESS) reaches a steady state so that the at least one battery is initially charged through a connection between the third resistor and the power management device. And off when the battery energy storage system reaches a steady state.
상기 제1 스위치는 배터리 에너지 저장 시스템이 정상 상태에 도달할 때까지는 오프(Off)되고, 상기 배터리 에너지 저장 시스템이 정상상태에 도달하면 온 되어 상기 트레이를 상기 전력 관리 장치에 연결시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.The method of claim 1,
The first switch is turned off until the battery energy storage system reaches a normal state, and is turned on when the battery energy storage system reaches the normal state to connect the tray to the power management device. Battery management device.
상기 잉여 에너지를 상기 하나 이상의 배터리 랙에 충전시키고, 상기 하나 이상의 배터리 랙에 충전되어 있는 에너지를 방전시켜 상기 계통으로 제공하는 전력 관리 장치를 포함하고,
상기 배터리 랙은,
하나 이상의 배터리들로 구성되는 트레이;
배터리 에너지 저장 시스템이 정상상태에 도달하기 이전의 시간구간 동안 상기 트레이를 상기 전력 관리 장치에 연결시켜 상기 하나 이상의 배터리들을 초기 충전시키는 초기 충전부; 및
상기 초기 충전부의 동작에 의해 발생되는 서지전압을 적어도 하나의 커패시터를 통해 흡수하는 서지전압 방지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.A battery management device including one or more battery racks charged with surplus energy provided from a system; And
And a power management device configured to charge the surplus energy in the at least one battery rack, discharge the energy charged in the at least one battery rack, and provide the surplus energy to the system.
The battery rack,
A tray consisting of one or more batteries;
An initial charging unit configured to initially charge the one or more batteries by connecting the tray to the power management device during a time period before the battery energy storage system reaches a normal state; And
And a surge voltage protection unit absorbing a surge voltage generated by the operation of the initial charging unit through at least one capacitor.
상기 배터리 관리 장치는,
상기 배터리 에너지 저장 시스템이 정상 상태에 도달하면 온 되어 상기 트레이를 상기 전력 관리 장치에 연결시키는 제1 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.The method of claim 10,
The battery management device includes:
And a first switch that is turned on when the battery energy storage system reaches a normal state and connects the tray to the power management device.
상기 서지전압 방지부는,
일단은 상기 트레이의 제1 전극 단자에 연결되고, 타단은 접지 노드에 연결되는 제1 커패시터;
상기 제1 커패시터에 병렬로 연결되는 제1 저항;
일단은 상기 접지 노드에 연결되고, 타단은 상기 트레이의 제2 전극 단자에 연결되는 제2 커패시터; 및
상기 제2 커패시터에 병렬로 연결되는 제2 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.The method of claim 10,
The surge voltage prevention unit,
A first capacitor having one end connected to a first electrode terminal of the tray and the other end connected to a ground node;
A first resistor connected in parallel to the first capacitor;
A second capacitor having one end connected to the ground node and the other end connected to a second electrode terminal of the tray; And
And a second resistor connected in parallel to said second capacitor.
상기 초기 충전부는,
상기 트레이에 직렬로 연결되는 제3 저항; 및
상기 배터리 에너지 저장 시스템이 정상상태에 도달하기 이전의 시간구간 동안 온 되어 상기 제3 저항과 상기 전력 관리 장치를 전기적으로 연결시키는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.The method of claim 10,
The initial charging unit,
A third resistor connected in series with the tray; And
And a second switch that is turned on for a time period before the battery energy storage system reaches a steady state to electrically connect the third resistor and the power management device.
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