KR20130116536A - 복합형 에너지 저장장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

복합형 에너지 저장장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 복합형 에너지 저장장치는, 양방향 DC/DC 컨버터의 일 측이 DC 링크 커패시터에 연결되고 타 측이 UC와 배터리에 연결되고, UC와 양방향 DC/DC 컨버터 사이에 마련되어 UC와 DC 링크 커패시터 간의 에너지 흐름 경로를 양방향으로 제공하는 제1 양방향 스위치와 배터리와 양방향 DC/DC 컨버터 사이에 마련되어 배터리와 DC 링크 커패시터 간의 에너지 흐름 경로를 양방향으로 제공하는 제2 양방향 스위치를 포함한다. 이에 의해, 다양한 다수의 에너지 저장소들 간의 에너지 흐름이 단일 양방향 DC/DC 컨버터로 가능해지므로, 각각의 에너지 저장소에 대하여 별도의 양방향 직류-직류 컨버터가 필요 없게 된다.

Description

복합형 에너지 저장장치 및 방법{Hybrid energy storage system and method}
본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 에너지 저장소를 구비하고 있는 복합형 에너지 저장장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 신재생 에너지 변환 기술이 발전함에 따라서 신재생 에너지원 시스템들의 전력망 연계를 위해 전력망 연계 기준이 강화되고 있다. 특히, 5MW 이상의 해상 풍력 발전의 경우 발전 전력량이 높고, 발전량 예측이 어려워 전력망 연계 기준이 강화됨으로써 풍력전력 변환시스템(Wind power conversion system)에 별도의 에너지 저장장치가 요구된다.
이러한 에너지 저장장치는 신재생 에너지원이 전력망이 요구하는 이상의 전력을 생산할 경우 잉여전력을 저장하고, 전력망이 요구하는 이하의 전력을 생산할 경우 부족전력을 공급하는 기능을 한다.
이러한 에너지 저장장치는 높은 전력 밀도(High power density)와 높은 에너지 밀도(High energy density)의 전기적 특성이 요구된다. 따라서, 높은 전력 밀도를 특징하는 울트라 커패시터와 높은 에너지 밀도를 특징하는 배터리가 에너지 저장소으로서 전력변환 장치와 함께 복합형 에너지 저장장치(Hybrid energy storage system)로 활용된다.
도 1은 기존의 복합형 에너지 저장장치의 회로도이다. 도 1에서 VUC는 높은 전력밀도를 특징으로 하는 울트라 커패시터 전압이고, VBT는 높은 에너지 밀도를 특징으로 하는 배터리 전압을 나타낸다. VDC는 DC 링크 커패시터인 CDC의 전압으로서 VUC와 VBT 보다 항상 높은 전압으로 유지된다.
SA1, DA1, SA2, DA2 및 LA에 의해 구성되는 양방향 DC/DC 컨버터는 배터리와 DC 링크 커패시터에 위치하여, DC 링크 커패시터의 낮은 전력 변동(Long-term power fluctuation)을 보상한다.
한편, SB1, DB1, SB2, DB2 및 LB에 의해 구성되는 또 다른 양방향 DC/DC 컨버터는 울트라 커패시터와 DC 링크 커패시터에 위치하여, DC 링크 커패시터의 높은 전력 변동(Short-term power fluctuation)을 보상한다. 구체적으로, DC 링크 커패시터의 전압이 급감 또는 급증 시 울트라 커패시터를 통한 빠른 충전 및 방전으로 DC 링크 커패시터의 전압을 일정하게 유지시킨다.
도 1에 도시된 복합형 에너지 저장장치는 각각의 에너지 저장소에 대하여 별도의 양방향 직류-직류 컨버터가 필요하다는 점에서, 회로 구조 설계가 복잡해짐은 물론, 설치비와 유지비를 상승시키는 문제를 야기한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 다양한 다수의 에너지 저장소들 간의 에너지 흐름을 단일 양방향 DC/DC 컨버터로 가능하도록 한 복합형 에너지 저장장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 복합형 에너지 저장장치는, UC(Ultra Capacitor); 배터리; DC 링크 커패시터; 일 측이 DC 링크 커패시터에 연결되고, 타 측이 UC와 배터리에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터; UC와 양방향 DC/DC 컨버터 사이에 마련되어, UC와 DC 링크 커패시터 간의 에너지 흐름 경로를 양방향으로 제공하는 제1 양방향 스위치; 및 배터리와 양방향 DC/DC 컨버터 사이에 마련되어, 배터리와 DC 링크 커패시터 간의 에너지 흐름 경로를 양방향으로 제공하는 제2 양방향 스위치;를 포함한다.
그리고, 상기 제1 양방향 스위치는, UC에 저장된 에너지를 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 DC 링크 커패시터로 전달하거나, DC 링크 커패시터에 저장된 에너지를 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 UC로 전달할 수 있다.
또한, UC와 DC 링크 커패시터 간 에너지 흐름의 방향은, 제1 양방향 스위치 내에 마련된 다수의 스위칭 소자들의 스위칭 상태들을 기초로 결정될 수 있다.
그리고, 양방향 DC/DC 컨버터는, 내부에 마련된 제1 스위치를 턴-온 시켜 UC에 저장된 에너지를 내부 인덕터로 전달시킨 후, 제1 스위치를 턴-오프 시켜 내부 인덕터에 저장된 에너지를 DC 링크 커패시터로 전달할 수 있다.
또한, 양방향 DC/DC 컨버터는, 내부에 마련된 제2 스위치를 턴-온 시켜 DC 링크 커패시터에 저장된 에너지를 내부 인덕터로 전달시킨 후, 제2 스위치를 턴-오프 시켜 내부 인덕터에 저장된 에너지를 UC로 전달할 수 있다.
그리고, 상기 제2 양방향 스위치는, 배터리에 저장된 에너지를 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 DC 링크 커패시터로 전달하거나, DC 링크 커패시터에 저장된 에너지를 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 배터리로 전달할 수 있다.
또한, 배터리UC와 DC 링크 커패시터 간 에너지 흐름의 방향은, 제2 양방향 스위치 내에 마련된 다수의 스위칭 소자들의 스위칭 상태들을 기초로 결정될 수 있다.
그리고, 양방향 DC/DC 컨버터는, 내부에 마련된 제1 스위치를 턴-온 시켜 배터리에 저장된 에너지를 내부 인덕터로 전달시킨 후, 제1 스위치를 턴-오프 시켜 내부 인덕터에 저장된 에너지를 DC 링크 커패시터로 전달할 수 있다.
또한, 양방향 DC/DC 컨버터는, 내부에 마련된 제2 스위치를 턴-온 시켜 DC 링크 커패시터에 저장된 에너지를 내부 인덕터로 전달시킨 후, 제2 스위치를 턴-오프 시켜 내부 인덕터에 저장된 에너지를 배터리로 전달할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 복합형 에너지 저장방법은, UC와 양방향 DC/DC 컨버터 사이에 마련된 제1 양방향 스위치로 UC와 DC 링크 커패시터 간의 에너지 흐름을 제어하는 단계; 및 배터리와 양방향 DC/DC 컨버터 사이에 마련된 제2 양방향 스위치로 배터리와 DC 링크 커패시터 간의 에너지 흐름을 제어하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다양한 다수의 에너지 저장소들 간의 에너지 흐름이 단일 양방향 DC/DC 컨버터로 가능해지므로, 각각의 에너지 저장소에 대하여 별도의 양방향 직류-직류 컨버터가 필요 없게 된다. 이에 따라, 회로 구조 설계가 간단해져, 회로 부품 수와 부피가 감소 됨은 물론, 설치비와 유지비를 낮출 수 있고, 에너지 효율이 높아지며 성능이 개선된다.
도 1은 기존의 복합형 에너지 저장장치의 회로도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 에너지 저장장치의 회도로, 그리고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합형 에너지 저장장치의 회로도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합형 에너지 저장장치의 회도로이다. 본 실시예에 따른 복합형 에너지 저장장치는, 다수의 에너지 저장소를 구비하는데 양방향 DC/DC 컨버터는 하나만 구비한다. 대신, 서로 다른 에너지 저장소에 대한 양방향 전력 흐름 제어를 위해 양방향 전력 스위치들을 구비한다.
이와 같은 기능을 수행하기 위해, 본 실시예에 따른 복합형 에너지 저장장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, UC(Ultra Capacitor : 울트라 커패시터)(110), 배터리(BT)(120), BPS-UC(Bidirectional Power Switch - UC)(130), BPS-BT(Bidirectional Power Switch - BT)(140), 양방향 DC/DC 컨버터(150) 및 DC 링크 커패시터(CDC)(160)를 구비한다.
UC(110), 배터리(120) 및 DC 링크 커패시터(160)는 에너지를 저장하는 저장소로 기능한다. 도 2에서 VUC, VBT 및 VDC는, 각각 UC(110)의 전압, 배터리(120)의 전압 및 DC 링크 커패시터(160)의 전압을 나타낸다.
양방향 DC/DC 컨버터(150)는, 1) 일 측이 DC 링크 커패시터(160)에 연결되고, 2) 타 측은 BPS-UC(130)를 통해 UC(110)에 연결되는 한편, BPS-BT(140)를 통해 배터리(120)에 연결된다. 양방향 DC/DC 컨버터(150)는, 양방향 DC/DC 변환을 위한 소자로, 도 2에 도시된 바와 같이 SB1, DB1, SB2, DB2 및 LB로 구성된다.
BPS-UC(130)는 UC(110)와 양방향 DC/DC 컨버터(150) 사이에 연결되는 양방향 전력 스위치로, UC(110)와 DC 링크 커패시터(160) 간 에너지 흐름의 방향을 제어한다. 양방향 스위칭을 위해 BPS-UC(130)는, 도 2에 도시된 바와 같이 SUC1, DUC1, SUC2 및 DUC2로 구성된다.
BPS-BT(140)는 배터리(120)와 양방향 DC/DC 컨버터(150) 사이에 연결되는 양방향 전력 스위치로, 배터리(120)와 DC 링크 커패시터(160) 간 에너지 흐름의 방향을 제어한다. 양방향 스위칭을 위해 BPS-BT(140)는, 도 2에 도시된 바와 같이 SBT1, DBT1, SBT2 및 DBT2로 구성된다.
DC 링크 커패시터(160)로부터 UC(110)로 에너지 전달은, BPS-UC(130)의 SUC1를 턴-온 시킨 상태에서 DC/DC 컨버터(150)의 SB2를 제어하여 수행된다.
구체적으로, DC/DC 컨버터(150)의 SB2를 턴-온 시켜, DC 링크 커패시터(160), DC/DC 컨버터(150)의 SB2와 LB, BPS-UC(130)의 DUC1와 SUC1 및 UC(110)에 의한 루프를 형성시켜, DC 링크 커패시터(160)에 저장된 에너지를 LB로 전달한다.
이후, DC/DC 컨버터(150)의 SB2를 턴-오프 시켜, DC/DC 컨버터(150)의 DB1와 LB, BPS-UC(130)의 DUC1와 SUC1 및 UC(110)에 의한 루프를 형성시켜, LB에 저장된 에너지를 UC(110)로 전달한다.
UC(110)로부터 DC 링크 커패시터(160)로 에너지 전달은, BPS-UC(130)의 SUC2를 턴-온 시킨 상태에서 DC/DC 컨버터(150)의 SB1을 제어하여 수행된다.
구체적으로, DC/DC 컨버터(150)의 SB1을 턴-온 시켜, UC(110), BPS-UC(130)의 SUC2와 DUC2 및 DC/DC 컨버터(150)의 LB와 SB1에 의한 루프를 형성시켜, UC(110)에 저장된 에너지를 LB로 전달한다.
이후, DC/DC 컨버터(150)의 SB1을 턴-오프 시켜, DC/DC 컨버터(150)의 LB와 DB2, DC 링크 커패시터(160), UC(110), BPS-UC(130)의 SUC2와 DUC2에 의한 루프를 형성시켜, LB에 저장된 에너지를 DC 링크 커패시터(160)로 전달한다.
DC 링크 커패시터(160)로부터 배터리(120)로 에너지 전달은, BPS-BT(140)의 SBT1을 턴-온 시킨 상태에서 DC/DC 컨버터(150)의 SB2를 제어하여 수행된다.
구체적으로, DC/DC 컨버터(150)의 SB2를 턴-온 시켜, DC 링크 커패시터(160), DC/DC 컨버터(150)의 SB2와 LB, BPS-BT(140)의 DBT1와 SBT1 및 배터리(120)에 의한 루프를 형성시켜, DC 링크 커패시터(160)에 저장된 에너지를 LB로 전달한다.
이후, DC/DC 컨버터(150)의 SB2를 턴-오프 시켜, DC/DC 컨버터(150)의 DB1와 LB, BPS-BT(140)의 DBT1와 SBT1 및 배터리(120)에 의한 루프를 형성시켜, LB에 저장된 에너지를 배터리(120)로 전달한다.
배터리(120)로부터 DC 링크 커패시터(160)로 에너지 전달은, BPS-BT(140)의 SBT2를 턴-온 시킨 상태에서 DC/DC 컨버터(150)의 SB1을 제어하여 수행된다.
구체적으로, DC/DC 컨버터(150)의 SB1을 턴-온 시켜, 배터리(120), BPS-BT(140)의 SBT2와 DBT2 및 DC/DC 컨버터(150)의 LB와 SB1에 의한 루프를 형성시켜, 배터리(120)에 저장된 에너지를 LB로 전달한다.
이후, DC/DC 컨버터(150)의 SB1을 턴-오프 시켜, DC/DC 컨버터(150)의 LB와 DB2, DC 링크 커패시터(160), 배터리(120), BPS-BT(140)의 SBT2와 DBT2에 의한 루프를 형성시켜, LB에 저장된 에너지를 DC 링크 커패시터(160)로 전달한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 복합형 에너지 저장장치의 회로도이다. 도 3에 도시된 UC(210), 배터리(220), 양방향 DC/DC 컨버터(250) 및 DC 링크 커패시터(260)는, 도 2에 도시된 UC(110), 배터리(120), 양방향 DC/DC 컨버터(150) 및 DC 링크 커패시터(160)와 동일하다.
BPS-UC(230)을 구성하는 SUC1, DUC1, SUC2 및 DUC2 중, DUC1와 DUC2는 SUC1와 SUC2의 바디 다이오드(Body Diode)이다. 따라서, BPS-UC(230)는 다이오드들을 별도로 추가하지 않아도 된다는 점에서, 도 2에 도시된 BPS-UC(130)와 차이가 있다.
마찬가지로, BPS-BT(240)을 구성하는 SBT1, DBT1, SBT2 및 DBT2 중, DBT1와 DBT2는 SBT1와 SBT2의 바디 다이오드이다. 따라서, BPS-BT(240)도 다이오드들을 별도로 추가하지 않아도 된다는 점에서, 도 2에 도시된 BPS-BT(140)와 차이가 있다.
도 3에 도시된 복합형 에너지 저장장치의 동작 원리/방식은, 도 2에 도시된 복합형 에너지 저장장치의 동작 원리/방식과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
지금까지, 양방향 DC/DC 컨버터 하나와 다수의 양방향 전력 스위치들로, 서로 다른 다수의 에너지 저장소에 대한 양방향 전력 흐름을 제어할 수 있는 복합형 에너지 저장장치에 대해 바람직한 실시예들을 들어 상세히 설명하였다.
위 실시예들을 통해 제시한 복합형 에너지 저장장치는 해상풍력 발전, 전기 자동차 등은 물론 이와 다른 시스템들에도 적용가능하다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110, 210 : UC(Ultra Capacitor : 울트라 커패시터)
120, 220 : 배터리(BT)
130, 230 : BPS-UC(Bidirectional Power Switch-UC)
140, 240 : BPS-BT(Bidirectional Power Switch-BT)
150, 250 : 양방향 DC/DC 컨버터
160, 260 : DC 링크 커패시터(CDC)

Claims (10)

  1. UC(Ultra Capacitor);
    배터리;
    DC 링크 커패시터;
    일 측이 DC 링크 커패시터에 연결되고, 타 측이 UC와 배터리에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터;
    UC와 양방향 DC/DC 컨버터 사이에 마련되어, UC와 DC 링크 커패시터 간의 에너지 흐름 경로를 양방향으로 제공하는 제1 양방향 스위치; 및
    배터리와 양방향 DC/DC 컨버터 사이에 마련되어, 배터리와 DC 링크 커패시터 간의 에너지 흐름 경로를 양방향으로 제공하는 제2 양방향 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 양방향 스위치는,
    UC에 저장된 에너지를 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 DC 링크 커패시터로 전달하거나, DC 링크 커패시터에 저장된 에너지를 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 UC로 전달하는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    UC와 DC 링크 커패시터 간 에너지 흐름의 방향은, 제1 양방향 스위치 내에 마련된 다수의 스위칭 소자들의 스위칭 상태들을 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    양방향 DC/DC 컨버터는,
    내부에 마련된 제1 스위치를 턴-온 시켜 UC에 저장된 에너지를 내부 인덕터로 전달시킨 후, 제1 스위치를 턴-오프 시켜 내부 인덕터에 저장된 에너지를 DC 링크 커패시터로 전달하는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    양방향 DC/DC 컨버터는,
    내부에 마련된 제2 스위치를 턴-온 시켜 DC 링크 커패시터에 저장된 에너지를 내부 인덕터로 전달시킨 후, 제2 스위치를 턴-오프 시켜 내부 인덕터에 저장된 에너지를 UC로 전달하는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 양방향 스위치는,
    배터리에 저장된 에너지를 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 DC 링크 커패시터로 전달하거나, DC 링크 커패시터에 저장된 에너지를 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 배터리로 전달하는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    배터리UC와 DC 링크 커패시터 간 에너지 흐름의 방향은, 제2 양방향 스위치 내에 마련된 다수의 스위칭 소자들의 스위칭 상태들을 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    양방향 DC/DC 컨버터는,
    내부에 마련된 제1 스위치를 턴-온 시켜 배터리에 저장된 에너지를 내부 인덕터로 전달시킨 후, 제1 스위치를 턴-오프 시켜 내부 인덕터에 저장된 에너지를 DC 링크 커패시터로 전달하는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    양방향 DC/DC 컨버터는,
    내부에 마련된 제2 스위치를 턴-온 시켜 DC 링크 커패시터에 저장된 에너지를 내부 인덕터로 전달시킨 후, 제2 스위치를 턴-오프 시켜 내부 인덕터에 저장된 에너지를 배터리로 전달하는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장장치.
  10. UC와 양방향 DC/DC 컨버터 사이에 마련된 제1 양방향 스위치로 UC와 DC 링크 커패시터 간의 에너지 흐름을 제어하는 단계; 및
    배터리와 양방향 DC/DC 컨버터 사이에 마련된 제2 양방향 스위치로 배터리와 DC 링크 커패시터 간의 에너지 흐름을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합형 에너지 저장방법.
KR1020120038972A 2012-04-16 2012-04-16 복합형 에너지 저장장치 및 방법 KR101373566B1 (ko)

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