KR20130031204A - 배터리 에너지 저장장치, 그리고 이의 충전 방법 - Google Patents

배터리 에너지 저장장치, 그리고 이의 충전 방법 Download PDF

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Abstract

배터리 에너지 저장장치로서, 적어도 하나의 셀모듈을 포함하는 셀모듈스택, 상기 셀모듈스택의 충전과 방전을 제어하는 배터리관리시스템, 그리고 상기 배터리관리시스템의 제어신호를 기초로, 입력받은 계통전력을 변환하여 상기 셀모듈스택으로 전달하며, 상기 셀모듈스택에 저장된 에너지를 변환하여 외부 부하로 전달하는 전력변환부를 포함하고, 상기 셀모듈은 적어도 하나의 셀, 그리고 상기 적어도 하나의 셀의 충전과 방전을 제어하는 적어도 하나의 셀충전기를 포함하고, 각 셀충전기는 연결된 셀의 상태 정보를 측정하여 상기 배터리관리시스템으로 전송하고, 각 셀충전기는 상기 배터리관리시스템의 제어신호를 기초로 동작한다.

Description

배터리 에너지 저장장치, 그리고 이의 충전 방법{BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM, AND CHARGING METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 에너지 저장장치, 그리고 이의 충전 방법에 관한 것이다.
노트북과 휴대폰 등의 전자 기기와 자동차는 배터리를 통해 필요한 에너지를 공급받는다. 이러한 배터리는 배터리 셀(cell)과 각종 회로를 포함하는 배터리 팩(battery pack)으로 제작될 수 있다. 배터리 팩은 외부 충전기를 통해 배터리 셀을 충전하고 전자 기기나 자동차와 같은 외부 부하에 전압 및 전류를 공급하는 방전을 반복한다.
지금까지의 배터리 팩은 배터리 셀들을 직렬로 연결한 후, 하나의 외부 충전기로 전체 셀을 충전을 한다. 이때 셀이 균등하게 충전되거나 방전되지 못하여 충전 편차 또는 방전 편차가 발생할 수 있다. 배터리 팩은 이러한 편차를 바로 잡기 위해 셀밸런싱(cell balancing)을 하는데, 이 셀밸런싱에 많은 시간이 소요된다. 특히, 지금까지의 배터리 관리 장치는 수백 개 또는 수천 개 이상의 셀로 구성된 대규모 에너지 저장장치의 셀밸런싱을 수행하는데 문제가 있다.
또한 지금까지의 배터리 팩은 급속 충전하면 특정 셀의 전압이 다른 셀들의 전압보다 먼저 만충전 전압에 도달할 수 있다. 그런데, 아직 만충전 되지 않은 다른 셀을 충전하기 위해 계속 급속 충전을 하면, 만충전된 셀은 과충전이 되어 위험하다. 특히 방전으로 인해 셀의 밸런스가 무너져 있는 경우에는 급속 충전을 하면 이러한 현상이 더욱 심하다.
본 발명이 해결하려는 과제는 양방향 전력변환기를 이용하여 복수의 셀모듈을 충전 및 방전하고, 계통전력으로 복수의 셀모듈을 급속 충전하며, 각 셀모듈의 셀충전기로 각 셀모듈을 셀밸런싱하는 배터리 에너지 저장장치, 그리고 이의 충전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 에너지 저장장치로서, 적어도 하나의 셀모듈을 포함하는 셀모듈스택, 상기 셀모듈스택의 충전과 방전을 제어하는 배터리관리시스템, 그리고 상기 배터리관리시스템의 제어신호를 기초로, 입력받은 계통전력을 변환하여 상기 셀모듈스택에 저장하며, 상기 셀모듈스택에 저장된 에너지를 변환하여 외부 부하로 전달하는 전력변환부를 포함하고, 상기 셀모듈은 적어도 하나의 셀, 그리고 상기 적어도 하나의 셀의 충전과 방전을 제어하는 적어도 하나의 셀충전기를 포함하고, 각 셀충전기는 연결된 셀의 상태 정보를 측정하여 상기 배터리관리시스템으로 전송하고, 각 셀충전기는 상기 배터리관리시스템의 제어신호를 기초로 동작한다.
상기 전력변환부는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고, DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 양방향 AC/DC 변환기를 포함하고, 상기 양방향 AC/DC 변환기는 상기 계통전력을 DC 전력으로 변환하여 상기 셀모듈스택에 저장하고, 상기 셀모듈스택에 저장된 에너지를 AC 전력으로 변환하여 상기 외부 부하로 전달할 수 있다.
상기 전력변환부는 상기 양방향 AC/DC 변환기의 DC 전력측에 연결되며, 상기 양방향 AC/DC 변환기로부터 전달된 DC 전력을 상기 셀모듈스택을 위한 DC 전력으로 변환하고, 상기 셀모듈스택으로부터 전달된 DC 전력을 상기 양방향 AC/DC 변환기를 위한 DC 전력으로 변환하는 양방향 DC/DC 변환기를 더 포함할 수 있다.
상기 전력변환부는 태양광 전력을 DC 전력으로 변환하는 단방향 DC/DC 변환기를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 에너지 저장장치는 상기 배터리관리시스템의 제어신호를 기초로, 상기 전력변환부와 상기 셀모듈스택의 연결을 제어하는 제1스위치를 더 포함하고, 상기 배터리관리시스템은 상기 제1스위치를 닫도록 명령하는 제어신호를 상기 제1스위치로 전송하여, 상기 셀모듈스택의 각 셀을 급속 충전할 수 있다.
상기 배터리 에너지 저장장치는 상기 배터리관리시스템의 제어신호를 기초로, 각 셀충전기와 전원공급장치의 연결을 제어하는 제2스위치를 더 포함하고, 상기 배터리관리시스템은 상기 제2스위치를 닫도록 명령하는 제어신호를 상기 제2스위치로 전송하여, 상기 전원공급장치가 각 셀충전기에 전원을 공급하도록 할 수 있다.
상기 배터리관리시스템은 각 셀충전기에 연결된 셀의 상태 정보를 기초로 상기 계통전력으로 셀을 급속 충전하거나 각 셀충전기로 셀을 셀밸런싱 충전하도록 상기 제1스위치와 상기 제2스위치의 열고 닫힘을 제어할 수 있다.
상기 셀모듈스택은 상기 셀모듈이 직렬로 연결되도록 쌓은 배터리팩일 수 있다.
상기 셀모듈은 병렬로 연결된 복수의 셀, 그리고 상기 복수의 셀에 병렬로 연결된 하나의 셀충전기를 포함할 수 있다.
상기 셀모듈은 직렬로 연결된 복수의 셀, 그리고 상기 복수의 셀 각각에 병렬로 연결된 복수의 셀충전기를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리관리시스템이 셀모듈스택에 포함된 각 셀충전기로부터 각 셀충전기에 연결된 셀의 상태 정보를 수신하고, 상기 셀의 상태 정보를 기초로 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들을 충전하는 방법으로서, 계통전력으로 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들을 급속 충전하도록 제어하는 단계, 상기 셀의 상태 정보를 기초로, 기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는지 판단하는 단계, 그리고 기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는 경우, 상기 급속 충전을 중단하고, 각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계를 포함한다.
상기 충전 방법은 셀밸런싱 충전 중인 각 셀충전기의 충전 전류를 측정하는 단계, 그리고 상기 셀모듈스택에 포함된 모든 셀충전기의 충전 전류가 기준 전류 이하인 경우, 상기 셀모듈스택의 충전을 종료하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리관리시스템이 셀모듈스택에 포함된 각 셀충전기로부터 각 셀충전기에 연결된 셀의 상태 정보를 수신하고, 상기 셀의 상태 정보를 기초로 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들을 충전하는 방법으로서, 각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계, 상기 셀의 상태 정보를 기초로, 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들의 전압이 일정 범위 안에 있는지 판단하는 단계, 일정 범위 안에 있는 경우, 계통전력으로 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들을 급속 충전하면서, 각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계, 상기 셀의 상태 정보를 기초로, 기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는지 판단하는 단계, 그리고 기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는 경우, 상기 급속 충전을 중단하고, 각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계를 포함한다.
상기 충전 방법은 상기 급속 충전을 중단한 후, 셀밸런싱 충전 중인 각 셀충전기의 충전 전류를 측정하는 단계, 그리고 상기 셀모듈스택에 포함된 모든 셀충전기의 충전 전류가 기준 전류 이하인 경우, 상기 셀모듈스택의 충전을 종료하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리관리시스템이 셀모듈스택에 포함된 각 셀충전기로부터 각 셀충전기에 연결된 셀의 상태 정보를 수신하고, 상기 셀의 상태 정보를 기초로 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들을 충전하는 방법으로서, 계통전력으로 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들을 급속 충전하면서, 각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계, 각 셀충전기에 연결된 셀의 전압과 제1기준 전압을 비교하여 각 셀충전기의 작동을 제어하는 단계, 상기 셀의 상태 정보를 기초로, 제2기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는지 판단하는 단계, 그리고 기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는 경우, 상기 급속 충전을 중단하고, 각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계를 포함한다.
상기 충전 방법은 상기 급속 충전하면서, 각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계는 셀 전압이 상기 제1기준 전압보다 낮은 셀에 연결된 셀충전기는 작동시키고, 셀 전압이 상기 제1기준 전압보다 낮지 않은 셀에 연결된 셀충전기의 작동은 중지시킬 수 있다.
상기 충전 방법은 상기 급속 충전을 중단한 후, 셀밸런싱 충전 중인 각 셀충전기의 충전 전류를 측정하는 단계, 그리고 상기 셀모듈스택에 포함된 모든 셀충전기의 충전 전류가 기준 전류 이하인 경우, 상기 셀모듈스택의 충전을 종료하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 양방향 전력변환기를 통해 복수의 셀모듈을 충전하고 방전하므로 충전회로와 방전회로를 별도로 구현할 필요가 없다. 본 발명의 실시예에 따르면 계통전력 또는 외부 충전기로 셀모듈스택을 급속 충전하고, 각 셀의 셀충전기를 이용하여 셀별로 나머지 용량을 셀밸런싱 충전하여 만충전할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 에너지 저장장치의 블록도를 나타내는 도면이다.
도 2부터 도 6 각각은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 에너지 저장장치의 구성도이다.
도 7부터 도 12 각각은 본 발명의 한 실시예에 따른 셀모듈의 블록도이다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 셀모듈스택의 연결도이다.
도 14부터 도 16 각각은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 에너지 저장장치의 충전 방법의 흐름도이다.
도 17과 도 18 각각은 본 발명의 한 실시예에 따른 셀모듈의 사시도이다.
도 19는 본 발명의 한 실시예에 따른 셀모듈을 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 한 실시예에 따른 셀모듈스택의 사시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
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 있는 것을 의미한다.
이제 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 배터리 에너지 저장장치, 그리고 이의 충전 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 에너지 저장장치의 블록도를 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, 배터리 에너지 저장장치(Battery Energy Storage System, BESS)(100)는 셀모듈스택(200), 전력변환부(300), 배터리관리시스템(Battery Management System, BMS)(400), 스위치부(500), 그리고 전원공급장치(power supply)(600)를 포함한다.
셀모듈스택(200)은 복수 개의 셀모듈(700)을 직렬, 병렬, 그리고 직렬과 병렬의 혼합 형태 중 어느 하나의 형태로 쌓은 배터리팩이다. 셀모듈스택(200)은 셀모듈(700)의 트레이(tray)가 층층이 끼워져서 마치 서랍과 같은 모양일 수 있다. 따라서, 셀모듈스택(200) 중 어느 셀모듈이 불량이면, 해당 셀모듈만을 분리하고, 새로운 셀모듈로 교체하면 된다.
셀모듈(700)은 하나의 트레이에 적어도 하나의 셀, 온도센서, 그리고 셀의 충전을 제어하는 적어도 하나의 셀충전기를 포함한다. 셀충전기는 셀모듈(700)에 내장된 한 개의 셀 또는 병렬로 연결된 여러 개의 셀들을 충전한다. 즉, 셀은 전력변환부(300)로부터 공급된 에너지로 충전되거나, 셀충전기로부터 공급된 에너지로 충전된다. 셀모듈(700) 각각은 배터리관리시스템(400)과 통신한다. 셀모듈(700) 각각은 셀의 상태 정보를 배터리관리시스템(400)으로 전달하고, 배터리관리시스템(400)으로부터 제어 신호를 수신하여 각 셀의 충방전을 제어한다. 여기서 셀의 상태 정보는 셀의 전압, 전류 그리고 온도 등을 포함한다.
전력변환부(300)는 양방향 AC/DC 변환기(bilateral AC/DC converter), 그리고 양방향 DC/DC 변환기(bilateral DC/DC converter)를 포함한다. 전력변환부(300)는 AC 전력인 계통전력을 DC 전력으로 변환하여 셀모듈스택(200)으로 전달한다. 그리고 전력변환부(300)는 셀모듈스택(200)의 전력을 외부 부하(미도시)로 전달한다. 따라서, 배터리 에너지 저장장치(100)는 별도의 충전회로와 방전회로를 구현할 필요없이 양방향 AC/DC 변환기와 양방향 AC/DC 변환기로 간단히 충방전 회로를 구현할 수 있다.
배터리관리시스템(400)은 배터리 에너지 저장장치(100)에 포함된 각종 장치를 제어하여 셀모듈스택(200)을 충전하고 방전한다. 배터리관리시스템(400)은 각 셀모듈(700)의 전압, 전류 그리고 온도 정보를 모니터링하고, 각 셀모듈(700)을 제어한다. 배터리관리시스템(400)은 전력변환부(300)를 제어한다. 배터리관리시스템(400)은 셀을 급속 충전하는 경우, 스위치부(500)를 제어하여 전력변환부(300)와 셀모듈스택(200)을 연결한다. 배터리관리시스템(400)은 셀모듈스택(200)을 셀밸런싱 충전하는 경우, 각 셀모듈(700)의 셀충전기가 셀을 개별적으로 충전하도록 전원공급장치(600)와 셀모듈스택(200)을 연결한다.
전원공급장치(600)는 셀모듈스택(200)의 각 셀충전기에 충전 전력을 공급한다. 전원공급장치(600)는 배터리 에너지 저장장치(100)의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다. 여기서는 전원공급장치(600)가 배터리 에너지 저장장치(100)의 내부에 위치하는 것으로 설명한다.
전원공급장치(600)는 셀모듈스택(200)의 셀충전기에 적합한 AC 전력 또는 DC 전력을 공급한다. 전원공급장치(600)가 AC 전력을 공급하는 경우, 셀모듈스택(200)의 셀충전기는 AC/DC 변환기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 셀충전기는 AC/DC 변환기(미도시)를 통해 입력된 AC 전력을 DC 전력으로 변환한 후, DC 전력으로 각 셀을 충전할 수 있다.
도 2부터 도 6 각각은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 에너지 저장장치의 구성도이다.
도 2를 참고하면, 배터리 에너지 저장장치(100)는 셀모듈스택(200), 전력변환부(300), 배터리관리시스템(400), 스위치(510)와 스위치(530)를 포함하는 스위치부(500), 그리고 전원공급장치(600)를 포함한다. 배터리 에너지 저장장치(100)는 셀모듈스택(200)에 흐르는 충방전 전류를 감지하는 전류센서(800)를 더 포함할 수 있다.
셀모듈스택(200)은 복수 개의 셀모듈(700)을 포함한다. 셀모듈(700)은 적어도 하나의 셀, 온도센서, 그리고 적어도 하나의 셀을 충전하는 셀충전기를 포함할 수 있다.
각 셀모듈(700)은 배터리관리시스템(400)과 연결되고, 배터리관리시스템(400)으로부터 제어 신호를 수신한다. 셀모듈(700)의 셀은 스위치부(500)의 스위치(510)가 닫히면 전력변환부(300)와 연결된다. 그리고 셀모듈(700)의 셀충전기는 스위치부(500)의 스위치(530)가 닫히면 전원공급장치(600)와 연결된다. 따라서, 스위치(510)가 닫히고 스위치(530)가 열린 경우, 셀모듈(700)은 전력변환부(300)로부터 전달된 전력으로 급속 충전된다. 스위치(510)가 열리고 스위치(530)가 닫힌 경우, 셀모듈(700)은 내장된 셀충전기를 통해 셀밸런싱 충전된다. 여기서 셀밸런싱 충전이란 셀충전기에 연결되어 있는 셀을 CC/CV(Constant Current/ Constant Voltage) 방식으로 만충전 하는 것을 말한다. 만충전은 셀모듈스택(200)에 있는 셀들의 균형이 맞은 것을 의미한다.
전력변환부(300)는 양방향 AC/DC 변환기(310), 그리고 양방향 DC/DC 변환기(330)를 포함한다. 전력변환부(300)는 전류센서(350)를 더 포함할 수 있다. 전류센서(350)는 배터리관리시스템(400)과 연결된다. 충전 시, 입출력 단자(910)을 통해 입력받은 상용 AC 전력은 양방향 AC/DC 변환기(310)를 거쳐 DC 전력으로 변환된다. 그리고 DC 전력은 양방향 DC/DC 변환기(330)를 거쳐 셀모듈스택(200)을 충전하기에 적합한 DC 전력으로 변환된다. 스위치(510)가 닫힌 경우, 양방향 DC/DC 변환기(330)의 출력으로 셀모듈(700)의 각 셀을 급속 충전한다. 방전 시, 셀모듈(700)에 저장된 에너지는 양방향 DC/DC 변환기(330)와 양방향 AC/DC 변환기(310)를 거쳐 입출력 단자(910)에 연결된 부하로 전달된다.
배터리관리시스템(400)은 셀모듈스택(200), 전력변환부(300), 스위치부(500), 그리고 전류센서(800)와 통신하여 각 장치를 제어한다.
도 3을 참고하면, 배터리 에너지 저장장치(100)는 계통전력 이외에, PV(Photovoltaic) 패널을 이용해 태양 전지에서 발전된 전력으로 셀모듈스택(200)을 충전할 수 있다. 이를 위해, 전력변환부(300)는 태양광 전력을 변환하는 단방향 DC/DC 변환기(Unilateral DC/DC converter)(370)를 더 포함할 수 있다.
단방향 DC/DC 변환기(370)는 PV 패널 연결 단자(930)에 연결되어 태양광 전력을 입력받는다. 그리고 단방향 DC/DC 변환기(370)에 의해 변환된 태양광 전력은 양방향 DC/DC 변환기(330)로 전달된다. 단방향 DC/DC 변환기(370)는 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 기능을 수행하여 PV 인버터를 별도로 연결하지 않더라도 PV 패널에 직접 연결될 수 있다.
도 4를 참고하면, 배터리 에너지 저장장치(100)는 UPS(Uninterruptible Power Supply)로 동작할 수 있다. 이를 위해, 전력변환부(300)는 UPS용 스위치(390)를 더 포함할 수 있다. UPS용 스위치(390)는 UPS 입력단자(950)에 연결되고, UPS 입력단자(950)는 계통전력에 연결된다. 배터리 에너지 저장장치(100)가 전원을 공급하는 부하는 입출력 단자(910)에 연결되어 UPS로 동작한다. 정전 시 배터리 에너지 저장장치(100)에서 부하로 전력이 공급되도록 UPS용 스위치(390)가 열린다.
AC 계통이 살아 있을 때, 배터리 에너지 저장장치(100)는 부하로 일부 전력을 공급한다. 이때 배터리관리시스템(400)은 전류센서(350)로부터 획득한 부하 전류를 기초로 배터리 에너지 저장장치(100)가 부하로 공급하는 전력량을 결정한다. 이를 위해, 배터리관리시스템(400)은 부하 전류의 일부를 전력변환부(300)를 통해 공급하도록 전력변환부(300)을 제어한다. 이렇게 함으로서 배터리 에너지 저장장치(100)는 AC 계통이 살아 있을 때, 적은 전력을 부하에 공급하면서 셀모듈스택(200)에 에너지가 저장된 상태를 유지한다.
정전이 되면, 배터리관리시스템(400)은 정전을 감지하고 UPS용 스위치(390)를 연다. 따라서, 정전 시, 배터리 에너지 저장장치(100)는 셀모듈스택(200)에 저장된 에너지가 AC 계통으로 흘러가지 못하도록 차단하면서, 부하로 전력을 공급한다.
도 5를 참고하면, 배터리 에너지 저장장치(100)는 단상 3선식의 계통전력에 연결될 수 있다. 이를 위해, 배터리 에너지 저장장치(100)의 계통전력 연결단자(910', 950')는 단상 3선식에 적합한 단자로 구성된다. 그리고 양방향 AC/DC 변환기(310)는 단상 3선식의 AC 전력을 입력받거나 출력하도록 구현된다. 계통전력 연결단자는 국가별로 또는 부하별로 다를 수 있다. 만약, 전력변환부(300)를 삼상 전력변환 장치로 교체하면, 배터리 에너지 저장장치(100)를 삼상 AC 계통과도 연계할 수 있다.
전력변환부(300)는 전류센서(350, 360)를 더 포함할 수 있다. 전류센서(350, 360)는 계통전력 연결단자(910')와 양방향 AC/DC 변환기(310) 사이의 전력선에 위치할 수 있다.
도 6을 참고하면, 배터리 에너지 저장장치(100)는 외부의 비상관리장치(Energy Management System, EMS)와 연결될 수 있다. 이를 위해 배터리 에너지 저장장치(100)는 EMS 연결단자(970)를 더 포함할 수 있다.
배터리 에너지 저장장치(100)는 사용자와의 인터페이스를 위한 인터페이스 장치, 예를 들면 터치 스크린(410)을 더 포함할 수 있다.
배터리관리시스템(400)은 배터리 에너지 저장장치(100)의 각 구성 장치와 통신하여 획득한 정보를 터치 스크린(410)에 표시한다. 배터리관리시스템(400)은 터치 스크린(410)으로부터 입력받은 정보를 기초로 배터리 에너지 저장장치(100)의 각 장치를 제어할 수 있다.
이상 도 2부터 도 6을 참고하여 배터리 에너지 저장장치(100)의 실시예에 대해 설명하였다. 또한 도 2부터 도 6을 참고하여 설명한 각 구성들을 조합하여 다양한 배터리 에너지 저장장치(100)를 구현할 수 있다.
도 7부터 도 12 각각은 본 발명의 한 실시예에 따른 셀모듈의 블록도이다.
도 8을 참고하면, 셀모듈(700)은 적어도 하나의 셀(710), 적어도 하나의 셀충전기(730), 적어도 하나의 온도감지기(750)를 포함한다. 셀모듈(700)은 적어도 하나의 셀(710), 적어도 하나의 셀충전기(730), 그리고 적어도 하나의 온도감지기(750)를 다양한 형태로 결합할 수 있고, 예를 들면 도 9부터 도 12의 셀모듈(700a, 700b, 700c, 700d)과 같이 결합할 수 있다.
셀충전기(730)는 셀의 충전 전압과 충전 전류를 감지하여 CC/CV 방식으로 셀을 충전한다. 이때, 셀충전기(730)는 작은 충전 전류로 셀밸런싱을 수행한다.
온도감지기(750)는 셀의 온도 정보를 셀충전기(730) 또는 배터리관리시스템(400)으로 전달한다.
각 셀(710)은 셀모듈양극단자(771)와 셀모듈음극단자(772)에 연결된다. 각 셀(710)은 셀모듈양극단자(771)와 셀모듈음극단자(772)에 연결되어 급속 충전된다.
각 셀충전기(730)에는 마이크로 콘트롤러가 내장되어 있고 배터리관리시스템 통신단자(773)와 연결되어 배터리관리시스템(400)과 통신하며 셀의 충전 전압, 충전 전류, 온도 등의 정보를 배터리관리시스템(400)에 보내준다. 각 셀충전기(730)는 전원공급단자(774, 775)와 연결되어 셀(710)을 충전하는데 필요한 전원을 공급받는다.
여기서, 셀모듈(700)은 셀의 종류와 셀의 용량에 따라 직육면체 또는 납작한 트레이 모양이 될 수도 있다. 셀(710)은 파우치형(pouch type), 프리즈매틱형(prismatic type), 원통형(cylindrical type) 등의 모양일 수 있고, 용량에 따라 크기도 다양할 수 있다.
도 8을 참고하면, 셀모듈(700a)은 가장 기본적인 셀모듈로서, 하나의 셀(710), 셀(710)의 충전을 제어하는 셀충전기(730), 그리고 온도감지기(750)를 포함할 수 있다.
도 9를 참고하면, 셀모듈(700b)은 병렬로 연결된 복수의 셀(710), 복수의 셀(710)에 병렬로 연결되어 복수의 셀(710)의 충전과 방전을 제어하는 하나의 셀충전기(730), 그리고 온도감지기(750)를 포함할 수 있다.
셀모듈(700b)은 18650 셀과 같이 용량이 작은 여러 개의 셀을 병렬로 연결 하여 용량이 큰 셀을 구성할 수 있다.
도 10을 참고하면, 셀모듈(700c)은 직렬로 연결된 복수의 셀(710), 각 셀(710)에 병렬로 연결된 복수의 셀충전기(730), 그리고 각 셀(710)의 온도를 측정하는 온도감지기(750)를 포함할 수 있다.
도 11을 참고하면, 셀모듈(700d)은 셀모듈(700b)의 복수의 셀(710)과 셀충전기(730)를 연결하여 구현할 수 있다.
셀모듈(700c, 700d)은 셀모듈의 조립 비용을 절감할 수 있다. 특히, 셀모듈(700d)은 여러 개의 작은 셀을 병렬로 연결하여 용량이 큰 셀로 조립하고, 병렬로 연결한 셀들을 직렬로 연결하여 한 개의 모듈을 구성할 수 있다.
도 12를 참고하면, 셀모듈(700)은 각 셀충전기(730)와 배터리관리시스템 통신단자(773) 사이에 셀충전기 관리 및 통신 장치(780)를 더 포함할 수 있다. 셀충전기 관리 및 통신 장치(780)는 배터리관리시스템(400)과 통신한다.
셀모듈(700)은 각 셀충전기(730)와 전원공급단자(774, 775) 사이에 내부 전원 공급장치(790)를 더 포함할 수 있다. 내부 전원 공급장치(790)는 외부에서 셀충전기(730)로 공급하는 전압을 셀충전기(730)에 적합한 전압으로 조절한다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 셀모듈스택의 연결도이다.
도 13을 참고하면, 셀모듈스택(200)은 직렬로 연결된 복수의 셀모듈(700)을 포함한다. 셀모듈(700)은 다양한 결합 형태일 수 있다.
각 셀모듈의 셀모듈양극단자(771)와 셀모듈음극단자(772)는 복수의 셀모듈(700)이 직렬로 연결되도록 인접한 셀모듈의 단자와 연결된다. 그리고 셀모듈스택(200) 중 첫 번째 셀모듈의 셀모듈양극단자(771)는 셀모듈스택(200)의 양극 단자에 연결되고, 셀모듈스택(200) 중 마지막 셀모듈의 셀모듈음극단자(772)는 셀모듈스택(200)의 음극 단자에 연결된다.
각 셀모듈의 배터리관리시스템 통신단자(773)는 배터리관리시스템(400)에 연결된다.
도 14부터 도 16 각각은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 에너지 저장장치의 충전 방법의 흐름도이다.
도 14를 참고하면, 배터리관리시스템(400)은 각 셀충전기로부터 전송된 각 셀의 전압, 전류, 온도 정보를 기초로 스위치(510, 530)를 제어하여 셀모듈스택(200)의 셀을 충전한다.
배터리관리시스템(400)은 스위치(510)를 닫고, 스위치(530)를 열어 셀모듈스택(200)의 셀을 급속 충전한다(S1410).
배터리관리시스템(400)은 각 셀충전기로부터 전송된 셀 전압을 기초로, 기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는지 판단한다(S1420). 기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 없으면, 스위치(510)를 닫고, 스위치(530)를 연 상태에서 계속 급속 충전한다. 여기서 셀은 낱개의 셀이 아니라, 셀충전기 하나가 관리하는 셀들을 지칭한다.
기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는 경우, 배터리관리시스템(400)은 스위치(510)를 열고, 스위치(530)를 닫아서 셀밸런싱 충전한다(S1430).
배터리관리시스템(400)은 각 셀충전기에 의한 충전 전류를 측정한다(S1440).
배터리관리시스템(400)은 모든 셀의 충전 전류가 기준 전류 이하인지 판단한다(S1450). 모든 셀의 충전 전류가 기준 전류 이하가 아니면, 스위치(510)를 열고, 스위치(530)를 닫은 상태에서 계속 셀밸런싱 충전한다.
모든 셀의 충전 전류가 기준 전류 이하인 경우, 배터리관리시스템(400)은 은 스위치(510)와 스위치(530)를 열어서 충전을 종료한다(S1460).
이와 같은 방법은 바로 급속 충전을 하는 방법으로서, 셀 간의 전압 편차가 크지 않을 경우 이용될 수 있다. 즉, 배터리관리시스템(400)은 만충전시 전압의 95%정도를 급속 충전으로 전체 셀모듈을 충전하고, 나머지 5% 정도를 각 셀모듈의 셀충전기가 CC/CV 방식으로 충전한다.
도 15를 참고하면, 배터리관리시스템(400)은 스위치(510)를 열고, 스위치(530)를 닫아서 각 셀모듈(700)의 셀을 셀밸런싱 충전한다(S1510). 배터리관리시스템(400)은 셀 사이의 편차를 줄이기 위해 먼저 셀밸런싱 충전을 한다.
배터리관리시스템(400)은 각 셀충전기로부터 전송된 셀 전압을 기초로, 모든 셀 전압이 일정 범위 안에 있는지 판단한다(S1520). 모든 셀 전압이 일정 범위 안에 있지 않으면, 스위치(510)를 열고, 스위치(530)를 닫은 상태에서, 계속 셀밸런싱 충전한다.
모든 셀 전압이 일정 범위 안에 있는 경우, 배터리관리시스템(400)은 스위치(510)와 스위치(530)를 닫고 급속 충전과 함께 셀밸런싱 충전한다(S1530). 즉, 배터리관리시스템(400)은 급속 충전과 셀밸런싱 충전을 동시에 수행하여 빠르게 충전시킨다.
배터리관리시스템(400)은 각 셀충전기로부터 전송된 셀 전압을 기초로, 기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는지 판단한다(S1540). 기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 없으면, 스위치(510)와 스위치(530)를 닫은 상태에서 계속 동시 충전한다. 배터리관리시스템(400)은 상황에 따라 스위치(530)를 열 수도 있다
기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는 경우, 배터리관리시스템(400)은 스위치(510)를 열고, 스위치(530)를 닫아서 셀밸런싱 충전한다(S1550).
배터리관리시스템(400)은 각 셀충전기에 의한 충전 전류를 측정한다(S1560).
배터리관리시스템(400)은 모든 셀의 충전 전류가 기준 전류 이하인지 판단한다(S1570). 모든 셀의 충전 전류가 기준 전류 이하가 아니면, 스위치(510)를 열고, 스위치(530)를 닫은 상태에서 계속 셀밸런싱 충전한다.
모든 셀의 충전 전류가 기준 전류 이하인 경우, 배터리관리시스템(400)은 은 스위치(510)와 스위치(530)를 열어서 충전을 종료한다(S1580).
도 16을 참고하면, 배터리관리시스템(400)은 스위치(510, 530)를 닫고 급속 충전 및 셀밸런싱 충전을 한다(S1610).
배터리관리시스템(400)은 각 셀충전기로부터 전송된 셀 전압을 기초로, 각 셀의 전압과 제1기준 전압을 비교하여 각 셀충전기의 작동을 제어한다(S1620). 즉, 배터리관리시스템(400)은 셀 전압이 제1기준 전압보다 낮은 셀에 연결된 셀충전기는 작동시키고, 셀 전압이 제1기준 전압보다 낮지 않은 셀에 연결된 셀충전기의 작동은 중지시킨다.
배터리관리시스템(400)은 각 셀충전기로부터 전송된 셀 전압을 기초로, 제2기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는지 판단한다(S1630). 기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 없으면, 단계(S1620)를 반복하면서 급속 충전 및 셀밸런싱 충전을 한다.
제2기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는 경우, 배터리관리시스템(400)은 스위치(510)를 열고, 스위치(530)를 닫아서 셀밸런싱 충전한다(S1640).
배터리관리시스템(400)은 각 충전전류기에 의한 충전 전류를 측정한다(S1650).
배터리관리시스템(400)은 모든 셀의 충전 전류가 기준 전류 이하인지 판단한다(S1660). 모든 셀의 충전 전류가 기준 전류 이하가 아니면, 스위치(510)를 열고, 스위치(530)를 닫은 상태에서 계속 셀밸런싱 충전한다.
모든 셀의 충전 전류가 기준 전류 이하인 경우, 배터리관리시스템(400)은 은 스위치(510)와 스위치(530)를 열어서 충전을 종료한다(S1670).
도 17과 도 18 각각은 본 발명의 한 실시예에 따른 셀모듈의 사시도이고, 도 19는 본 발명의 한 실시예에 따른 셀모듈을 나타내는 도면이다.
도 17과 도 18을 참고하면, 셀모듈(700)은 서랍식으로 끼울 수 있는 평평한 트레이(770), 트레이(770)에 배치된 적어도 하나의 셀(710) 그리고 온도감지기(750)를 포함한다.
셀모듈(700)은 셀의 종류와 셀의 용량에 따라 다양한 모양이 될 수도 있다. 예를 들어, 셀모듈(700)은 도 17과 같은 평평한 하나의 셀이나 도 18과 같은 복수의 원통형 셀로 구성될 수 있다.
셀모듈(700)은 셀모듈양극단자(771), 셀모듈음극단자(772), 그리고 외부 연결을 위한 커넥터(776)를 포함한다.
셀모듈(700)은 트레이(770)의 양 옆에 각각 부착되는 트레이 가이드 홈(777)을 더 포함할 수 있다. 트레이 가이드 홈(777)은 셀모듈스택(200)에 트레이(770)가 쉽게 끼워지도록 한다.
트레이(770)에 셀모듈(700) 구성품을 조립할 때 트레이(770)와 구성품 사이의 절연을 위해 트레이(770) 위에 절연지를 깔 수 있다. 각종 단자와 커넥터는 PCB(printed circuit board)로 트레이(770) 위에 올려놓고 셀모듈 조립을 완성할 수 있다.
셀충전기(미도시) 역시 트레이(770)에 배치될 수 있다.
도 19를 참고하면, 셀모듈(700)은 복수의 원통형 셀이 트레이(770) 위에 배치될 수 있다. 이때, 셀충전기도 트레이(770) 위에 배치될 수 있다.
도 20은 본 발명의 한 실시예에 따른 셀모듈스택의 사시도이다.
도 20을 참고하면, 셀모듈스택(200)은 복수의 셀모듈(700)을 서랍장 같은 구조로 조립할 수 있다. 도 20은 셀모듈(700)만을 표시하였고 서랍장의 구조는 생략하였다. 이 경우, 어느 한 셀모듈(700)이 고장 나더라도 손쉽게 빼내어 새로운 셀모듈(700)로 교환하기 쉽다.
이와 같이, 배터리관리시스템(400)은 셀모듈스택(200)을 계통전력으로 급속 충전하고, 또한 각 셀충전기의 적은 전류로 셀밸런싱을 능동적으로 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (17)

  1. 적어도 하나의 셀모듈을 포함하는 셀모듈스택,
    상기 셀모듈스택의 충전과 방전을 제어하는 배터리관리시스템, 그리고
    상기 배터리관리시스템의 제어신호를 기초로, 입력받은 계통전력을 변환하여 상기 셀모듈스택에 저장하며, 상기 셀모듈스택에 저장된 에너지를 변환하여 외부 부하로 전달하는 전력변환부를 포함하고,
    상기 셀모듈은 적어도 하나의 셀, 그리고 상기 적어도 하나의 셀의 충전과 방전을 제어하는 적어도 하나의 셀충전기를 포함하고, 각 셀충전기는 연결된 셀의 상태 정보를 측정하여 상기 배터리관리시스템으로 전송하고, 각 셀충전기는 상기 배터리관리시스템의 제어신호를 기초로 동작하는, 배터리 에너지 저장장치.
  2. 제1항에서,
    상기 전력변환부는
    AC 전력을 DC 전력으로 변환하고, DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 양방향 AC/DC 변환기를 포함하고,
    상기 양방향 AC/DC 변환기는 상기 계통전력을 DC 전력으로 변환하여 상기 셀모듈스택에 저장하고, 상기 셀모듈스택에 저장된 에너지를 AC 전력으로 변환하여 상기 외부 부하로 전달하는 배터리 에너지 저장장치.
  3. 제2항에서,
    상기 전력변환부는
    상기 양방향 AC/DC 변환기의 DC 전력측에 연결되며, 상기 양방향 AC/DC 변환기로부터 전달된 DC 전력을 상기 셀모듈스택을 위한 DC 전력으로 변환하고, 상기 셀모듈스택으로부터 전달된 DC 전력을 상기 양방향 AC/DC 변환기를 위한 DC 전력으로 변환하는 양방향 DC/DC 변환기를 더 포함하는 배터리 에너지 저장장치.
  4. 제2항에서,
    상기 전력변환부는
    태양광 전력을 DC 전력으로 변환하는 단방향 DC/DC 변환기를 더 포함하는 배터리 에너지 저장장치.
  5. 제1항에서,
    상기 배터리관리시스템의 제어신호를 기초로, 상기 전력변환부와 상기 셀모듈스택의 연결을 제어하는 제1스위치를 더 포함하고,
    상기 배터리관리시스템은 상기 제1스위치를 닫도록 명령하는 제어신호를 상기 제1스위치로 전송하여, 상기 셀모듈스택의 각 셀을 급속 충전하는 배터리 에너지 저장장치.
  6. 제5항에서,
    상기 배터리관리시스템의 제어신호를 기초로, 각 셀충전기와 전원공급장치의 연결을 제어하는 제2스위치를 더 포함하고,
    상기 배터리관리시스템은 상기 제2스위치를 닫도록 명령하는 제어신호를 상기 제2스위치로 전송하여, 상기 전원공급장치가 각 셀충전기에 전원을 공급하도록 하는 배터리 에너지 저장장치.
  7. 제6항에서,
    상기 배터리관리시스템은
    각 셀충전기에 연결된 셀의 상태 정보를 기초로 상기 계통전력으로 셀을 급속 충전하거나 각 셀충전기로 셀을 셀밸런싱 충전하도록 상기 제1스위치와 상기 제2스위치의 열고 닫힘을 제어하는 배터리 에너지 저장장치.
  8. 제1항에서,
    상기 셀모듈스택은
    상기 셀모듈의 셀이 직렬로 연결되도록 쌓은 배터리팩인 배터리 에너지 저장장치.
  9. 제1항에서,
    상기 셀모듈은
    병렬로 연결된 복수의 셀, 그리고 상기 복수의 셀에 병렬로 연결된 하나의 셀충전기를 포함하는 배터리 에너지 저장장치.
  10. 제1항에서,
    상기 셀모듈은
    직렬로 연결된 복수의 셀, 그리고 상기 복수의 셀 각각에 병렬로 연결된 복수의 셀충전기를 포함하는 배터리 에너지 저장장치.
  11. 배터리관리시스템이 셀모듈스택에 포함된 각 셀충전기로부터 각 셀충전기에 연결된 셀의 상태 정보를 수신하고, 상기 셀의 상태 정보를 기초로 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들을 충전하는 방법으로서,
    계통전력으로 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들을 급속 충전하도록 제어하는 단계,
    상기 셀의 상태 정보를 기초로, 기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는지 판단하는 단계, 그리고
    기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는 경우, 상기 급속 충전을 중단하고, 각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계
    를 포함하는 충전 방법.
  12. 제11항에서,
    셀밸런싱 충전 중인 각 셀충전기의 충전 전류를 측정하는 단계, 그리고
    상기 셀모듈스택에 포함된 모든 셀충전기의 충전 전류가 기준 전류 이하인 경우, 상기 셀모듈스택의 충전을 종료하는 단계
    를 더 포함하는 충전 방법.
  13. 배터리관리시스템이 셀모듈스택에 포함된 각 셀충전기로부터 각 셀충전기에 연결된 셀의 상태 정보를 수신하고, 상기 셀의 상태 정보를 기초로 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들을 충전하는 방법으로서,
    각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계
    상기 셀의 상태 정보를 기초로, 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들의 전압이 일정 범위 안에 있는지 판단하는 단계,
    일정 범위 안에 있는 경우, 계통전력으로 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들을 급속 충전하면서, 각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계,
    상기 셀의 상태 정보를 기초로, 기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는지 판단하는 단계, 그리고
    기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는 경우, 상기 급속 충전을 중단하고, 각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계
    를 포함하는 충전 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 급속 충전을 중단한 후, 셀밸런싱 충전 중인 각 셀충전기의 충전 전류를 측정하는 단계, 그리고
    상기 셀모듈스택에 포함된 모든 셀충전기의 충전 전류가 기준 전류 이하인 경우, 상기 셀모듈스택의 충전을 종료하는 단계
    를 더 포함하는 충전 방법.
  15. 배터리관리시스템이 셀모듈스택에 포함된 각 셀충전기로부터 각 셀충전기에 연결된 셀의 상태 정보를 수신하고, 상기 셀의 상태 정보를 기초로 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들을 충전하는 방법으로서,
    계통전력으로 상기 셀모듈스택에 포함된 셀들을 급속 충전하면서, 각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계,
    각 셀충전기에 연결된 셀의 전압과 제1기준 전압을 비교하여 각 셀충전기의 작동을 제어하는 단계,
    상기 셀의 상태 정보를 기초로, 제2기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는지 판단하는 단계, 그리고
    기준 전압에 도달한 적어도 하나의 셀이 있는 경우, 상기 급속 충전을 중단하고, 각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계
    를 포함하는 충전 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 급속 충전하면서, 각 셀충전기가 각 셀충전기에 연결된 셀을 셀밸런싱 충전하도록 제어하는 단계는
    셀 전압이 상기 제1기준 전압보다 낮은 셀에 연결된 셀충전기는 작동시키고, 셀 전압이 상기 제1기준 전압보다 낮지 않은 셀에 연결된 셀충전기의 작동은 중지시키는 충전 방법.
  17. 제15항에서,
    상기 급속 충전을 중단한 후, 셀밸런싱 충전 중인 각 셀충전기의 충전 전류를 측정하는 단계, 그리고
    상기 셀모듈스택에 포함된 모든 셀충전기의 충전 전류가 기준 전류 이하인 경우, 상기 셀모듈스택의 충전을 종료하는 단계
    를 더 포함하는 충전 방법.
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