KR20140035799A - 배터리 시스템 및 에너지 저장 시스템 - Google Patents

배터리 시스템 및 에너지 저장 시스템 Download PDF

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KR20140035799A KR1020130073308A KR20130073308A KR20140035799A KR 20140035799 A KR20140035799 A KR 20140035799A KR 1020130073308 A KR1020130073308 A KR 1020130073308A KR 20130073308 A KR20130073308 A KR 20130073308A KR 20140035799 A KR20140035799 A KR 20140035799A
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Abstract

배터리 시스템은 제1 배터리 랙과 상기 제1 배터리 랙을 제어하는 마스터 BMS(Battery Management System)를 포함하는 마스터 랙, 및 제2 배터리 랙과 상기 마스터 BMS로부터의 명령에 응답하여 상기 제2 배터리 랙을 제어하는 슬레이브 BMS를 포함하는 슬레이브 랙을 포함한다. 상기 슬레이브 BMS는 상기 제2 배터리 랙의 상태에 관한 정보를 보고하고, 상기 마스터 BMS가 상기 슬레이브 BMS로부터 상기 정보를 수신한 후에, 상기 마스터 BMS는 상기 제1 배터리 랙을 제어한다.

Description

배터리 시스템 및 에너지 저장 시스템{Battery system, and energy storage system}
본 발명은 배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
환경 파괴 및 자원 고갈에 대한 우려가 높아지면서, 에너지를 저장하고 저장된 에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 증가하고 있다. 또한, 공해를 유발하지 않으면서 에너지를 생산할 수 있는 신재생 에너지에 대한 관심도 높아지고 있다. 이러한 신재생 에너지, 전력을 저장하는 배터리 시스템, 및 기존의 계통을 연계시킬 수 있는 에너지 저장 시스템에 대한 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 부하량에 따라서 다양하게 설계될 수 있으며, 안정적으로 동작할 수 있도록 효율적으로 관리될 수 있는 배터리 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 이러한 배터리 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명적 사상에 따른 실시예들은 제1 배터리 랙, 및 상기 제1 배터리 랙을 제어하는 마스터 BMS(Battery Management System)를 포함하는 마스터 랙, 및 제2 배터리 랙, 및 상기 마스터 BMS로부터의 명령에 응답하여 상기 제2 배터리 랙을 제어하고 상기 제2 배터리 랙의 상태에 관한 정보를 보고하는 슬레이브 BMS를 포함하는 슬레이브 랙을 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다. 상기 마스터 BMS는 상기 마스터 BMS가 상기 슬레이브 BMS로부터 상기 정보를 수신한 후에, 상기 제1 배터리 랙을 제어한다.
상기 슬레이브 BMS는 상기 명령에 기초하여 상기 제2 배터리 랙의 상태를 온 상태 및 오프 상태 중 하나로 설정할 수 있다. 상기 마스터 BMS는 상기 제2 배터리 랙의 상태에 관한 상기 정보를 수신하고 상기 제1 배터리 랙의 상태를 온 상태 및 오프 상태 중 하나로 설정할 수 있다. 상기 제1 배터리 랙의 상태는 제2 배터리 랙의 상태가 상기 온 상태로 설정된 후에 상기 온 상태로 설정될 수 있다.
상기 슬레이브 BMS는 상기 마스터 BMS로부터의 상기 명령에 기초하여 상기 제2 배터리 랙의 상태를 온 상태로 설정하려고 시도하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 배터리 랙의 상태는 상기 슬레이브 BMS로부터 보고된 상기 정보가 상기 제2 배터리 랙의 상태를 상기 온 상태로 설정하려는 시도가 성공하였다는 것을 나타낼 때 온 상태로 설정될 수 있다.
상기 마스터 랙과 상기 슬레이브 랙은 마스터 보호 회로와 슬레이브 보호 회로를 각각 포함할 수 있다. 상기 마스터 보호 회로는 제1 스위치를 포함하고, 슬레이브 보호 회로는 제2 스위치를 포함할 수 있다. 상기 슬레이브 BMS는 상기 명령에 기초하여 상기 제2 스위치의 상태를 개방 상태 및 단락 상태 중 하나로 설정할 수 있다.
상기 마스터 BMS는 상기 슬레이브 랙의 실패에 관한 정보를 통합 제어기에게 전송하도록 구성될 수 있다. 상기 마스터 BMS는 상기 제1 배터리 랙과 상기 제2 배터리 랙 모두를 제어하는 통합 관리 시스템에 해당할 수 있다.
상기 마스터 랙은 제1 버스를 통해 상기 제1 배터리 랙과 상기 슬레이브 랙 모두와 통신할 수 있다. 상기 슬레이브 랙은 상기 제1 버스와 분리된 제2 버스를 통해 상기 제2 배터리 랙과 통신할 수 있다. 상기 마스터 BMS는 외부에 연결된 통합 제어기로부터의 다른 명령에 기초하여 상기 슬레이브 BMS에 상기 명령을 제공하고, 상기 마스터 BMS는 상기 제1 버스 및 상기 제2 버스와 분리된 제3 버스를 통해 상기 외부에 연결된 통합 제어기와 통신할 수 있다. 상기 슬레이브 랙은 복수의 슬레이브 랙들 중 하나이고, 상기 복수의 슬레이브 랙들 각각은 상기 제1 버스를 통해 상기 마스터 랙에 연결될 수 있다.
상기 슬레이브 랙은 보호 회로를 포함할 수 있고, 상기 슬레이브 BMS는 상기 보호 회로 내의 스위치의 상태를 기초로 상기 제2 배터리 랙의 상태를 결정할 수 있다. 상기 슬레이브 랙은 보호 회로를 포함할 수 있고, 상기 보호 회로는 상기 제2 배터리 랙의 상태에 관한 중간 정보를 상기 슬레이브 BMS에 제공하는 적어도 하나의 스위치를 포함할 수 있다. 상기 슬레이브 랙은 복수의 슬레이브 배터리 트레이들을 포함할 수 있고, 상기 슬레이브 배터리 트레이들은 상기 보호 회로에 연결될 수 있다. 상기 슬레이브 BMS는 상기 제2 배터리 랙의 비정상 상태를 검출하도록 구성될 수 있고, 상기 슬레이브 BMS는 상기 비정상 상태가 검출되면 상기 보호 회로를 통해 상기 제2 배터리 랙으로의 전력 공급을 차단하도록 구성될 수 있다.
상기 슬레이브 랙은 복수의 슬레이브 랙들 중 하나일 수 있고, 상기 마스터 랙은 상기 복수의 슬레이브들 중 어느 하나의 실패에 관한 정보를 외부에 연결된 통합 제어기에게 전송하도록 구성될 수 있다. 상기 슬레이브 랙은 복수의 슬레이브 랙들 중 하나이고, 상기 복수의 슬레이브 랙들은 복수의 슬레이브 BMS들 및 복수의 제2 배터리 랙들을 포함할 수 있다. 상기 복수의 슬레이브 BMS들은 상기 마스터 BMS로부터의 상기 명령에 기초하여 상기 복수의 제2 배터리 랙들 각각의 상태를 온 상태로 설정하는 것을 나타낼 수 있다. 상기 제1 배터리 랙의 상태는 상기 복수의 슬레이브 BMS들 각각이 상기 복수의 제2 배터리 랙들의 상태들의 설정이 성공하였다는 것을 나타낼 때 온 상태로 설정될 수 있다.
본 발명적 사상에 따른 실시예들은 상기 배터리 시스템, 및 상기 배터리 시스템, 외부 발전 시스템, 외부 계통, 및 외부 부하에 연결되는 통합 제어기를 포함하는 전력 변환 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다. 상기 배터리 시스템에서 상기 마스터 BMS는 상기 통합 제어기로부터의 다른 명령에 기초하여 상기 슬레이브 BMS에 명령을 제공할 수 있다.
본 발명적 사상에 따른 배터리 시스템은 과제는 부하량에 따라서 다양하게 설계될 수 있으며, 효율적으로 관리되어 안정적으로 동작할 수 있다.
또한, 본 발명적 사상에 따른 에너지 저장 시스템은 부하량에 따라 다양하게 결합될 수 있으면서도 안정적으로 동작할 수 있는 배터리 시스템을 포함함에 따라 신뢰성 있게 운영될 수 있다.
아래에 첨부 도면들을 참조로 예시적인 실시예들을 더욱 자세하게 설명함으로써 특징들이 본 기술분야의 당업자들에게 명확해질 것이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도를 도시한다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 마스터 랙의 블록도를 도시한다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 슬레이브 랙의 블록도를 도시한다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 보호 회로의 블록도를 도시한다.
도 6은 예시적인 실시예에 따라 복수의 보호 회로들을 포함하는 배터리 시스템의 블록도를 도시한다.
도 7 내지 도 9는 예시적인 실시예들에 따른 배터리 시스템의 동작 흐름도들을 도시한다.
이제, 예시적인 실시예들이 첨부 도면들을 참조로 아래에서 더욱 자세히 설명될 것이다. 그러나, 여러 형태로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에서 설명되는 실시예들로 한정되는 것으로 간주되어서는 안 된다. 차라리, 이러한 실시예들은 본 개시가 완전하고 완벽해지며, 예시적인 구현예들을 본 기술분야의 당업자들에게 완전하게 전달할 수 있도록 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 예시적인 실시예들이 도시되는 첨부 도면들을 참조하여 더욱 완벽하게 실시예들이 설명될 것이다. 전체적으로 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 나타낸다. 도면들에서, 동일하거나 대응하는 구성 요소들에는 동일한 도면번호가 부여되고, 이에 대하여 중복하여 설명하지 않을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 블록도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1)은 외부의 발전 시스템(2) 및 계통(3)과 연계하여 외부에 연결된 부하(4)에 전력을 공급할 수 있다.
발전 시스템(2)은 에너지원을 사용하여 전력을 생산하는 시스템일 수 있다. 발전 시스템(2)은 전력을 생산할 수 있으며, 생산한 전력을 에너지 저장 시스템(1)에 공급할 수 있다. 발전 시스템(2)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 및 조력 발전 시스템으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 오로지 예시적이며, 발전 시스템(2)은 상기 언급한 종류로 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 태양열이나 지열과 같은 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 모든 발전 시스템들이 발전 시스템(2)에 포함될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양 전지가 가정이나 공장에 설치될 수 있는 에너지 저장 시스템(1)에 적용될 수 있다. 발전 시스템(2)은 전력을 생산할 수 있는 다수의 발전 모듈들을 병렬로 배열함으로써 대용량 에너지 시스템으로 기능할 수 있다.
계통(3)은 예컨대 발전소, 변전소, 송전선 등을 포함할 수 있다. 계통(3)이 정상 상태인 경우, 계통(3)은 에너지 저장 시스템(1)에 전력을 공급할 수 있다. 예컨대, 계통(3)은 부하(4) 및 배터리 시스템(20)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나에 전력을 공급할 수 있다. 계통(3)은 에너지 저장 시스템(1)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 예컨대, 계통(3)은 특히 배터리 시스템(20)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 계통(3)이 비정상 상태인 경우, 계통(3)과 에너지 저장 시스템(1) 간의 전력 공급은 중단될 수 있다.
부하(4)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력, 배터리 시스템(20)에 저장된 전력, 또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비할 수 있다. 가정이나 공장의 전기 장치들이 부하(4)를 구성하는 것의 일 예일 수 있다.
에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하거나, 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 발전 시스템(2)에서 생산된 전력이나 배터리 시스템(20)에 저장되어 있는 전력을 부하(4)에 공급할 수 있다. 계통(3)이 비정상 상태일 경우, 예컨대, 정전이 발생한 경우에 에너지 저장 시스템(1)은 UPS(Uninterruptible Power Supply) 기능을 수행하여 발전 시스템(2)에서 생산된 전력이나 배터리 시스템(20)에 저장되어 있는 전력을 부하(4)에 공급할 수 있다.
에너지 저장 시스템(1)은 전력을 변환하는 전력 변환 시스템(Power Conversion System, 이하 'PCS'라 함)(10), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 및 제2 스위치(40)를 포함할 수 있다.
PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및 배터리 시스템(20)으로부터 제공되는 전력을 적절한 형태의 전력으로 변환할 수 있으며, 상기 적절한 형태의 전력을 요구되는 곳에 공급할 수 있다. PCS(10)는 예컨대 전력 변환부(11), DC 링크부(12), 인버터(13), 컨버터(14), 통합 제어기(15)를 포함할 수 있다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)과 DC 링크부(12) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 직류 링크 전압으로 변환할 수 있으며, 상기 직류 링크 전압을 DC 링크부(12)에 제공할 수 있다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 컨버터 회로, 정류 회로 등과 같은 전력 변환 회로를 포함할 수 있다. 예를 들면, 발전 시스템(2)이 직류 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)이 생산한 직류 전력을 다른 직류 전력으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터 회로를 포함할 수 있다. 발전 시스템(2)이 교류 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(11)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류 회로를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따라, 발전 시스템(2)이 태양광 발전 시스템인 경우, 전력 변환부(11)는 일사량, 온도 등의 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. 또한, 발전 시스템(2)에서 생산되는 전력이 없을 때에는 전력 변환부(11)는 동작을 중지할 수 있으며, 그에 따라 전력 변환부(11)에 포함되는 컨버터 회로 또는 정류 회로와 같은 전력 변환 장치에서 소비되는 전력을 최소화할 수 있다.
예컨대, 발전 시스템(2) 또는 계통(3)에서의 순시 전압 강하로 인하여, 또는 부하(4)에서의 피크 부하 발생으로 인하여, 직류 링크 전압의 크기가 불안정해지는 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 또는 실질적으로 일정하게 유지시킬 수 있다. DC 링크부(12)은 예컨대, 대용량 커패시터를 포함할 수 있다.
인버터(13)는 DC 링크부(12)와 제1 스위치(30) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 인버터(13)는 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나로부터 출력되는 직류 링크 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하고 상기 교류 전압을 출력하는 인버터를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(13)는 계통(3)으로부터의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 직류 링크 전압을 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있으며, 예컨대, 상기 직류 링크 전압은 충전 모드에서 배터리 시스템(20)에 저장될 수 있다. 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. 인버터(13)는 무효 전력의 발생을 억제하거나 무효 전력의 발생 가능성을 감소시키기 위하여 인버터(13)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 인버터(13)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 및/또는 과도 현상(transient phenomena)으로부터의 보호 또는 이의 감소 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.
컨버터(14)는 DC 링크부(12)와 배터리 시스템(20) 사이에 연결되는 전력 변환 장치일 수 있다. 컨버터(14)는 방전 모드에서 배터리 시스템(20)에 저장된 직류 전력을 적절한 레벨의 직류 링크 전압으로 변환하고, 상기 DC 링크 전압을 DC 링크부(12)을 통해 인버터(13)로 출력하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 컨버터(14)는 충전 모드에서 전력 변환부(11) 또는 인버터(13)로부터 출력되는 직류 전력을 적절한 레벨, 예컨대, 배터리 시스템(20)에서 요구하는 충전 전압 레벨의 직류 전력으로 변환하고, 상기 직류 전력을 배터리 시스템(20)으로 출력하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 컨버터(14)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 컨버터일 수 있다. 배터리 시스템(20)의 충전 또는 방전이 수행되지 않는 경우에는 컨버터(14)의 동작이 중단됨으로써, 전력 소비가 최소화 또는 감소될 수도 있다.
통합 제어기(15)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 시스템(20), 및/또는 부하(4)의 상태를 모니터링 할 수 있다. 예컨대, 통합 제어기(15)는 계통(3)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는 경우 생산되는 전력량, 배터리 시스템(20)의 충전 상태, 부하(4)의 소비 전력량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다.
통합 제어기(15)는 모니터링 결과 및 미리 설정된 알고리즘에 따라서, 전력 변환부(11), 인버터(13), 컨버터(14), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 및 제2 스위치(40)의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 계통(3)에 정전이 발생할 경우, 통합 제어기(15)는 배터리 시스템(20)에 저장된 전력 또는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력이 부하(4)에 공급되도록 제어할 수 있다. 통합 제어기(15)는 부하(4)에 충분한 전력이 공급되지 않는 경우에, 부하(4)의 전기 장치들에 대하여 우선 순위를 정하고, 우선 순위가 높은 전기 장치들에 우선적으로 전력을 공급하도록 부하(4)를 제어할 수도 있다. 통합 제어기(15)는 배터리 시스템(20)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다.
제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)는 인버터(13)와 계통(3) 사이에 직렬로 연결될 수 있며, 통합 제어기(15)의 제어에 따라서 턴 온/턴 오프 됨으로써 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 발전 시스템(2), 계통(3), 및 배터리 시스템(20)의 상태에 따라서 제1 스위치(30)와 제2 스위치(40)가 턴 온 또는 턴 오프 될 수 있다.
예를 들면, 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나로부터의 전력이 부하(4)에 공급되거나, 계통(3)으로부터의 전력이 배터리 시스템(20)에 공급되는 경우, 제1 스위치(30)는 턴 온 될 수 있다. 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나로부터의 전력이 계통(3)에 공급되거나 계통(3)으로부터의 전력이 부하(4)와 배터리 시스템(20)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나에 공급되는 경우에는, 제2 스위치(40)는 턴 온 될 수 있다.
계통(3)에서 정전이 발생한 경우에는, 제2 스위치(40)가 턴 오프 되고 제1 스위치(30)가 턴 온 될 수 있다. 즉, 발전 시스템(2)과 배터리 시스템(20)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나로부터의 전력이 부하(4)에 공급되는 동시에, 부하(4)에 공급되는 전력이 계통(3)으로 흐르는 것이 차단 및/또는 방지된다. 이와 같이, 에너지 저장 시스템(1)이 단독 운전 시스템(stand alone system)으로 동작하기 때문에, 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 에너지 저장 시스템(10)으로부터 출력되는 전력으로 인한 감전 사고로부터 보호될 수 있다.
제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)는 큰 전류에 견딜 수 있거나 큰 전류를 처리할 수 있는 릴레이(relay)와 같은 스위칭 장치를 포함할 수 있다.
배터리 시스템(20)은 발전 시스템(2)과 계통(3)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나로부터 전력을 공급받아 저장하고, 저장하고 있는 전력을 부하(4)와 계통(3)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나에 공급할 수 있다. 배터리 시스템(20)은 전력을 저장하는 부분과 이를 제어 및 보호하는 부분을 포함할 수 있다. 배터리 시스템(20)의 충전 및 방전은 통합 제어기(15)에 의해 제어될 수 있다. 이하, 도 2를 참조하여 배터리 시스템(20)에 대하여 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 배터리 시스템(20)의 블록도를 도시한다.
도 2를 참조하면, 배터리 시스템(20)은 복수의 랙들(200)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 복수의 랙들(200)은 마스터 랙(200m), 및 슬레이브 랙들(200s1, 200s2)을 포함하는 복수의 슬레이브 랙들(200s)을 포함할 수 있다. 배터리 시스템(20)은 통합 제어기(15)와 마스터 랙(200m) 사이의 데이터 통신을 위한 제1 버스(241), 및 복수의 랙들(200) 사이의 데이터 통신을 위한 제2 버스(242)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 마스터 랙(200m)과 슬레이브 랙들(200s1, 200s1)은 제2 버스(242)를 통해 서로 통신할 수 있다.
복수의 랙들(200m, 200s1, 200s2)은 외부, 예컨대, 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 저장할 수 있고, 저장된 전력을 계통(3) 및/또는 부하(4)로 공급할 수 있다. 마스터 랙(200m)은 마스터 BMS(Battery Management System)(210m), 배터리 랙(220) 및 보호 회로(230)를 포함할 수 있다. 슬레이브 랙들(200s1, 200s2) 각각은 슬레이브 BMS(210s), 배터리 랙(220) 및 보호 회로(230)를 포함할 수 있다.
도 2에서 마스터 랙(200m)과 슬레이브 랙들(200s1, 200s2)은 서로 다른 참조 번호로 표시되고 있지만, 마스터 랙(200m)과 슬레이브 랙들(200s1, 200s2)의 공통적인 동작, 구성 및 기능이 설명되는 경우에는 마스터 랙(200m)과 슬레이브 랙들(200s1, 200s2)은 집합적으로 랙(200) 또는 랙들(200)로 언급될 수 있다. 마스터 BMS(210m)과 슬레이브 BMS(210s)에 대해서도 공통적인 동작, 구성 및 기능이 설명되는 경우에는 마스터 BMS(210m)과 슬레이브 BMS(210s)는 집합적으로 BMS(210) 또는 BMS들(210)로 언급될 수 있다.
BMS(210)는 랙(200)의 전반적인 동작을 각각 제어할 수 있다. BMS(210)는 보호 회로(230)를 제어함으로써 랙(200)을 보호할 수 있으며, 예컨대, BMS(210)는 비정상 상태로부터 랙(200)을 보호할 수 있다. 예를 들면, 과전류가 흐른다거나 과방전되는 등의 이상이 발생한 경우, BMS(210)는 보호 회로(230)의 스위치를 개방시켜 배터리 랙(220)과 입출력 단자들(T+, T-) 사이의 전력 전달을 차단할 수 있다. BMS(210)는 배터리 랙(220)의 상태, 예컨대, 온도, 전압, 전류 등을 모니터링하고 데이터를 측정할 수 있다. BMS(210)는 측정된 데이터 및 미리 설정된 알고리즘에 따라서 배터리 랙(220)에 포함된 배터리 셀들의 셀 밸런싱 동작을 제어할 수 있다.
배터리 랙(220)은 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 저장할 수 있고, 저장된 전력을 계통(3) 및/또는 부하(4)에 공급할 수 있다. 배터리 랙(220)는 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결된 적어도 하나의 트레이들을 포함할 수 있다. 도 2에서, 배터리 랙들(220)이 병렬로 연결되는 것으로 도시되어 있지만, 배터리 시스템(20)의 요구에 따라, 배터리 랙들(220)은 직렬로 연결되거나, 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있다.
보호 회로(230)는 BMS(210)로부터의 제어에 따라서 전력을 공급하기 위해 스위치를 단락하거나, 전력 공급을 차단하기 위해 스위치를 개방할 수 있다. 보호 회로(230)는 배터리 랙(220)의 출력 전압 및 출력 전류, 스위치의 상태, 및 퓨즈의 상태 등과 같은 정보를 BMS(210)에게 제공할 수 있다.
제1 버스(241)는 통합 제어기(15)와 마스터 BMS(210m) 사이에 데이터나 명령을 전송하는 경로이다. 제1 버스(241)는 예컨대 CAN(Controller Area Network) 버스일 수 있다. 예를 들면, 통합 제어기(15)는 제1 버스(241)를 통해 마스터 BMS(210m)에 명령을 전송할 수 있고, 마스터 BMS(210m)는 랙들(200)의 상태에 관한 정보를 전송할 수 있다. 슬레이브 BMS들(210s) 중 하나가 대응하는 슬레이브 랙(200s)에서 고장을 나타내는 경우에, 마스터 BMS(210m)는 고장의 발생 및/또는 고장에 관한 정보를 통합 제어기(15)로 전송할 수 있다. 그러나, 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 예컨대, 제1 버스(241)는 버스를 사용하여 데이터나 명령을 전송하는 적절한 통신 프로토콜이라면 모두 적용될 수 있다.
제2 버스(242)는 마스터 BMS(210m) 및 슬레이브 BMS들(210s) 사이에 데이터나 명령을 전송하는 경로이다. 제2 버스(242)는 CAN 버스일 수 있다. 그러나, 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 예컨대, 제2 버스(242)는 버스를 사용하여 데이터나 명령을 전송하는 적절한 통신 프로토콜이라면 모두 적용될 수 있다.
마스터 BMS(210m)과 슬레이브 BMS들(210s) 각각은 배터리 랙(220)과 보호 회로(230)로부터 데이터를 수집할 수 있다. 예를 들면, 출력 전류, 출력 전압, 스위치 상태 및 퓨즈의 상태 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나가 보호 회로(230)로부터 수집되는 데이터에 포함될 수 있다. 배터리 셀 전압 및 온도 등이 배터리 랙(220)으로부터 수집되는 데이터에 포함될 수 있다.
마스터 BMS(210m)과 슬레이브 BMS들(210s) 각각은 수집된 데이터들로부터 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC) 등을 산출할 수 있고, 대응하는 배터리 랙들(220) 각각에 이상이 발생하였는지의 여부를 판단할 수 있다. 예를 들면, 마스터 BMS(210m)과 슬레이브 BMS들(210s) 각각은 대응하는 배터리 랙들(220)에서 (과충전, 과방전, 과전류, 과전압, 과열, 배터리 셀 임밸런싱, 배터리 셀의 열화 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나와 같은) 이상이 발생하였는지의 여부를 판단할 수 있다. 이상이 발생한 경우, 예컨대, 비정상 상태가 검출된 경우, 상기 이상을 검출하였던 마스터 BMS(210m)과 슬레이브 BMS들(210s) 각각은 내부의 알고리즘에 따라 정해진 동작을 수행할 수 있다. 예컨대, 마스터 BMS(210m)과 슬레이브 BMS들(210s)은 대응하는 보호 회로(230)를 동작시킬 수 있다.
슬레이브 BMS들(210s) 각각은 대응하는 배터리 랙(220)과 보호 회로(230)로부터 수집한 데이터를 제2 버스(242)를 이용하여 마스터 BMS(210m)로 제공할 수 있다. 슬레이브 BMS들(210s)은 이상 발생의 유무, 이상 발생 형태에 관한 정보도 마스터 BMS(210m)에 제공할 수 있다. 예를 들면, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 랙들(200s1, 200s2) 각각의 동작을 제어할 수도 있다. 예를 들면, 마스터 BMS(210m)가 슬레이브 랙(200s1, 200s2)의 보호 회로(230)를 동작시키도록 제어 명령을 슬레이브 BMS들(210s) 각각에 제공할 수 있다.
마스터 BMS(210m)는 자신의 배터리 랙(220), 예컨대, 마스터 배터리 랙과 보호 회로(230)로부터 수집된 데이터, 및 슬레이브 BMS들(210s)로부터 전송 받은 슬레이브 랙들(200s1, 200s2)의 데이터를 제1 버스(241)를 통해 통합 제어기(15)로 전송할 수 있다. 마스터 BMS(210m)는 랙들(200m, 200s1, 200s2)의 이상 발생의 유무, 및/또는 이상 발생 형태에 관한 정보도 통합 제어기(15)에 제공할 수 있다.
통합 제어기(15)는 PCS(10)의 상태, 예컨대, 컨버터(14)의 상태에 관한 정보를 마스터 BMS(210m)에 제공할 수 있다. 예컨대, 통합 제어기(15)는 컨버터(14)와 입출력 단자(T+, T-)가 개방되었는지의 여부에 관한 정보, 및/또는 컨버터(14)의 전류 흐름에 관한 정보를 마스터 BMS(210m)에 제공할 수 있다. 마스터 BMS(210m)는 통합 제어기(15)로부터 제공받은 정보를 기초로 배터리 시스템(20)의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들면, 마스터 BMS(210m)는 PCS(10)의 상태에 따라 슬레이브 랙들(200s), 예컨대, 슬레이브 랙들(200s1, 200s2)이 턴 온 되도록 제어 명령을 슬레이브 BMS들(210s)에게 각각 송신하고, 마스터 랙(200m)을 턴 온 시킬 수 있다. 구체적으로, 슬레이브 BMS들(210s)은 마스터 BMS(210m)로부터의 명령에 응답하여 슬레이브 랙들(200s1, 200s2)을 각각 제어할 수 있다. 그 후, 슬레이브 BMS들(210s)은 슬레이브 랙들(200s), 예컨대, 슬레이브 랙들(200s1, 200s2)의 상태에 관한 정보를 보고할 수 있으며, 상기 정보는 마스터 랙(200m)을 턴 온 하는데 사용된다. 예를 들면, 슬레이브 BMS들(210) 각각이 대응하는 슬레이브 랙들(200s)의 동작 상태가 온 상태임을 보고하는 경우에, 마스터 BMS(210m)은 마스터 랙(200m)을 턴 온 시킬 수 있다. 따라서, 마스터 BMS(210m)는 마스터 BMS(210m)가 슬레이브 BMS들(210s)로부터 상기 정보를 수신한 후에, 예컨대, 마스터 BMS(210m)가 슬레이브 랙들(200s1, 200s2) 각각의 동작 상태에 관한 정보를 수신한 후에, 마스터 랙(200m)을 제어할 수 있다.
통합 제어기(15)는 배터리 시스템(20)의 턴 온/턴 오프를 제어할 수 있다. 예를 들면, 통합 제어기(15)는 배터리 시스템(20)의 온/오프 제어 명령을 마스터 BMS(210m)에 송신할 수 있다. 그 후, 마스터 BMS(210m)는 통합 제어기(15)의 제어 명령에 따라서 슬레이브 랙들(200s1, 200s2)이 턴 온(on)되도록 제어 명령을 슬레이브 BMS들(210s)에게 송신하고, 마스터 랙(200m)을 턴 온(on) 시킬 수 있다.
통합 제어기(15)는 마스터 BMS(210m)와 슬레이브 BMS들(210s)에게 관리 데이터를 제공할 수 있다. 상기 관리 데이터는 마스터 BMS(210m)와 슬레이브 BMS들(210s) 각각의 배터리 셀들에 관한 정보를 포함할 수 있으며, 예컨대, 상기 정보는 펌웨어, 내부 알고리즘, 배터리 셀 정보, 내부 관리 기준 등을 포함할 수 있다.
마스터 BMS(210m)는 통합 제어기(15)로부터의 제어 명령 및/또는 내부 알고리즘에 따라 슬레이브 랙들(200s1, 200s2)을 제어하기 위한 명령을 해당 슬레이브 BMS들(210s)로 전송할 수 있다. 예컨대, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 랙들(200s1, 200s2)의 동작 상태를 제어하기 위해, 즉, 슬레이브 랙들(200s1, 200s2)을 턴 온/턴 오프 시키기 위해, 명령을 슬레이브 BMS들(210s)에게 전송할 수 있다. 또한, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 BMS들(210s)에게 배터리 랙들(220)의 상태에 관한 데이터를 전송하도록 명령할 수 있다.
배터리 랙들(220)이 직렬로 연결된 경우, 배터리 랙들(220)의 전체 배터리 셀들에 대해 셀 밸런싱이 이루어질 필요가 있다. 예를 들면, 마스터 BMS(210m)이 전체 배터리 셀들에 대한 셀 전압 데이터를 수집하고, 슬레이브 BMS들(210s)을 통해 슬레이브 랙(200s1, 200s2)의 배터리 셀들에 대해서도 셀 밸런싱 동작을 제어할 수 있다.
마스터 BMS(210m)와 슬레이브 BMS들(210s)은 도 2에 도시된 바와 같이 마스터-슬레이브 시스템을 구성할 수 있다. 마스터 BMS(210m)는 마스터 랙(200m)뿐만 아니라, 슬레이브 BMS들(210s)을 통해 슬레이브 랙(200s1, 200s2)을 제어할 수 있다. 따라서, 마스터 BMS(210m)와 슬레이브 BMS들(210s) 및 통합 제어기(15) 사이에서 마스터 BMS(210m)와 슬레이브 BMS들(210s)을 제어하는 시스템 BMS가 생략될 수 있다. 예를 들면, 마스터 BMS(210m)가 마스터 랙(200m) 내의 대응하는 배터리 랙(220) 및 슬레이브 BMS들(210s) 각각을 모두 제어하는 기능을 수행할 수 있기 때문에, BMS들(210), 즉, 마스터 BMS(210m)과 슬레이브 BMS들(210s) 각각을 제어하기 위한 통합 배터리 관리 시스템(BMS)는 배제될 수 있다. 즉, 마스터 BMS(210m)는 통합 제어기(15)와의 사이에 추가적인 배터리 관리 시스템을 두지 않고 통합 제어기(15)에 직접 연결될 수 있다.
또한, 통합 제어기(15)는 오직 마스터 BMS(210m)와만 통신할 수 있기 때문에, 슬레이브 랙들(200s)의 개수가 늘어나더라도, 통합 제어기(15)는 추가된 슬레이브 랙들(200s)과 통신할 필요가 없다. 따라서, 슬레이브 랙들(200s)이 추가되더라도 통합 제어기(15)의 설정은 변경되지 않을 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 마스터 랙(200m)의 블록도를 도시한다.
도 3을 참조하면, 마스터 랙(200m)은 마스터 BMS(210m), 복수의 트레이들(221)을 포함하는 배터리 랙(220), 및 마스터 BMS(210m)와 복수의 트레이들(221) 간에 데이터 통신을 위한 제2 버스(242)를 포함할 수 있다. 또한, 마스터 랙(200m)은 도 2에 도시된 바와 같이 보호 회로(230)를 포함할 수 있지만, 보호 회로(230)는 도 3에 도시되지 않는다.
트레이들(221)은 배터리 랙(220)의 하위 구성으로서, 계통(3) 및/또는 발전 시스템(2)으로부터의 전력을 저장할 수 있고, 저장된 전력을 계통(3) 및/또는 부하(4)로 공급할 수 있다. 트레이들(221) 각각은 트레이 BMS(222) 및 배터리 트레이(223)를 포함할 수 있다. 도 3은 용이한 설명을 위해 마스터 랙(200m)이 트레이들(221)을 포함하는 것을 도시하지만, 실시예들은 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 슬레이브 랙들(200s)의 적어도 하나도 유사하게 트레이들(221)을 포함할 수 있으며, 트레이들(221)의 구성 및 배열은 마스터 랙(200m)에 대하여 도시된 것과 동일할 수 있다.
트레이들(221) 각각은 적어도 하나의 트레이 BMS(222)를 포함할 수 있고, 상기 트레이 BMS(222)에 연결되는 적어도 하나의 배터리 트레이(223)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 트레이들(221) 각각은 하나의 배터리 트레이(223)에 연결되는 하나의 트레이 BMS(222)를 포함할 수 있다.
배터리 트레이(223)는 전력을 저장하는 부분으로서, 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결되는 복수의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 상기 배터리 셀들은 충전가능한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 배터리 셀들은 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) 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 배터리 트레이(223)에 포함되는 배터리 셀의 개수는 희망하는 출력 전압에 따라서 결정될 수 있다.
트레이 BMS(222)는 배터리 트레이(223)의 상태, 예컨대 배터리 셀의 온도, 셀 전압, 출력 전류 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 측정할 수 있고, 측정된 데이터를 제2 버스(242)를 통해 마스터 BMS(210m)로 전송할 수 있다. 또한, 트레이 BMS(222)는 마스터 BMS(210m)의 셀 밸런싱 제어 명령에 따라 배터리 트레이(223)의 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
제2 버스(242)는 마스터 BMS(210m)와 마스터 랙(200m)의 트레이 BMS들(222) 사이에 데이터나 명령이 전송되는 경로이다. 또한, 마스터 BMS(210m)과 슬레이브 BMS들(210s) 사이에서도 제2 버스(242)를 통해 데이터나 명령이 전송될 수 있다. 상술한 바와 같이 제2 버스(242)는 CAN 버스일 수 있다.
마스터 BMS(210m)는 제1 버스(241)를 통해 통합 제어기(15)와 통신할 수 있다. 또한, 마스터 BMS(210m)는 제2 버스(242)를 통해 마스터 랙(200m)의 트레이 BMS들(222)의 각각 및 슬레이브 BMS들(210s)의 각각과 통신할 수 있다. 예를 들면, 마스터 BMS(210m)가 동일한 제2 버스(242)를 통해 슬레이브 BMS들(210s)과 통신할 뿐만 아니라, 마스터 랙(200m)의 트레이 BMS들(222)과도 통신할 수 있다. 따라서, 마스터 BMS(210m)는, 예컨대, 추가적인 버스 또는 추가적인 배터리 관리 시스템 없이, 마스터 랙(200m) 내의 트레이 BMS들(222) 각각 및 슬레이브 BMS들(210s) 각각과 직접 통신할 수 있다.
통합 제어기(15)는, 예컨대, 제1 버스(241)로 명령을 포함하는 프레임 신호를 전송할 수 있다. 마스터 BMS(210m)는 상기 프레임 신호를 수신하고, 상기 프레임 신호에 포함된 명령에 대응하는 동작을 수행할 수 있다. 예를 들면, 마스터 BMS(210m)는 마스터 랙(200m) 내의 트레이들(221) 및/또는 슬레이브 BMS들(210s)에게 명령을 제공할 수 있다. 또한, 마스터 BMS(210m)는 제1 버스(241)로 데이터를 포함하는 프레임 신호를 전송할 수 있다. 통합 제어기(15)는 마스터 BMS(210m)로부터 상기 프레임 신호를 수신하고, 원하는 동작을 수행할 수 있다.
통합 제어기(15)로부터의 프레임 신호에 포함되는 명령에 대응하는 동작을 수행하는 경우, 마스터 BMS(210m)는 제2 버스(242)로 명령을 포함하는 프레임 신호를 전송할 수 있다. 슬레이브 BMS들(210s)은 상기 프레임 신호를 수신하고, 상기 프레임 신호에 포함된 명령에 대응하는 동작을 수행할 수 있다. 슬레이브 BMS들(210s)은 제2 버스(242)로 데이터를 포함하는 프레임 신호를 전송할 수 있다. 마스터 BMS(210m)는 상기 프레임 신호를 수신하고, 원하는 동작을 수행할 수 있다.
마스터 BMS(210m)는 제2 버스(242)로 명령을 포함하는 프레임 신호를 전송할 수 있다. 마스터 랙(200m)의 트레이 BMS들(222)은 상기 프레임 신호를 수신하고, 상기 프레임 신호에 포함된 명령에 대응하는 동작을 수행할 수 있다. 마스터 랙(200m)의 트레이 BMS들(222)은 제2 버스(242)로 데이터를 포함하는 프레임 신호를 전송할 수 있다. 마스터 BMS(210m)는 상기 프레임 신호를 수신하고, 원하는 동작을 수행할 수 있다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 슬레이브 랙(200s1)의 블록도를 도시한다. 도 4는 예시적인 목적으로 슬레이브 랙(200s1)을 도시하지만, 슬레이브 랙(200s2)도 슬레이브 랙(200s1)과 동일한 구성을 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 슬레이브 랙(200s1)은 슬레이브 BMS(210s), 복수의 트레이들(221)을 포함하는 배터리 랙(220), 및 슬레이브 BMS(210s)와 복수의 트레이들(221) 간에 데이터 통신을 위한 제3 버스(243)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 슬레이브 랙(200s1)은 보호 회로(230)를 포함할 수 있지만, 도 4에서는 보호 회로(230)가 도시되지 않는다. 트레이들(221)에 대한 설명은 도 3을 참조하여 앞에서 설명되었으므로 반복하지 않는다.
전술한 바와 같이, 제2 버스(242)는 마스터 BMS(210m)와 마스터 랙(200m)의 트레이 BMS들(222) 사이에 데이터나 명령이 전송되는 경로이다. 또한, 제2 버스(242)는 슬레이브 BMS들(210s)과 마스터 BMS(210m) 사이에 데이터나 명령이 전송되는 경로이다.
제3 버스(243)는 슬레이브 BMS(210s)와 슬레이브 랙(200s1)의 트레이 BMS들(222) 사이에 데이터나 명령이 전송되는 경로이다. 제3 버스(243)는 CAN 버스일 수 있다. 그러나, 실시예들은 이에 한정되는 것은 아니며, 예컨대, 제3 버스(243)는 버스를 사용하여 데이터나 명령을 전송하는 적절한 통신 프로토콜이라면 모두 적용될 수 있다.
슬레이브 BMS(210s)는 제2 버스(242)를 통해 마스터 BMS(210m)와 통신할 수 있고, 제3 버스(243)를 통해 슬레이브 랙(200s1)의 트레이 BMS들(222)과 통신을 할 수 있다.
슬레이브 BMS(210s)는 제3 버스(243)로 명령을 포함하는 프레임 신호를 전송할 수 있다. 슬레이브 랙(200s1)의 트레이 BMS들(222)은 상기 프레임 신호를 수신하고, 상기 프레임 신호에 포함된 명령에 대응하는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 슬레이브 랙(200s1)의 트레이 BMS들(222)은 제3 버스(243)로 데이터를 포함하는 프레임 신호를 전송할 수 있다. 슬레이브 BMS(210s)는 상기 프레임 신호를 수신하고, 필요한 동작을 수행할 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 보호 회로(230)의 블록도를 도시한다.
도 5를 참조하면, 보호 회로(230)는, 예컨대, 전류 센서(231), 전압 센서(232), 제1 스위치(233), 제2 스위치(234), 프리차지 저항(235), 및 퓨즈(236)를 포함할 수 있다.
전류 센서(231)는 배터리 랙(220)의 출력 전류를 측정한다. 전류 센서(231)는 출력 전류에 대응하는 신호(si)를 BMS(210)로 제공할 수 있으며, 상기 BMS(210)는 마스터 BMS(210m) 또는 슬레이브 BMS들(210s) 중 하나에 대응할 수 있다. 도 5에서 전류 센서(231)가 랙 출력 단자(R+)와 입출력 단자(T+) 사이에 배치되는 것으로 도시되지만, 실시예들은 이로 한정되지 않는다. 예를 들면, 전류 센서(231)는 랙 출력 단자(R-)와 입출력 단자(T-) 사이에 배치될 수도 있다.
전압 센서(232)는 배터리 랙(220)의 출력 전압을 측정하며, 예컨대, 상기 배터리 랙(220)은 마스터 랙(200m) 또는 슬레이브 랙들(200s) 중 하나일 수 있다. 전압 센서(232)는 출력 전압에 대응하는 신호(sv)를 BMS(210)에 제공할 수 있다. 도 5에서 전압 센서(232)가 랙 출력 단자들(R+, R-) 사이에 배치되는 것으로 도시되지만, 실시예들은 이로 한정되지 않는다. 예를 들면, 전압 센서(232)는 요구에 따라 입출력 단자들(T+, T-) 사이에 배치될 수도 있다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 보호 회로(230)는 입출력 단자들(T+, T-) 사이의 전압을 측정하는 전압 센서를 더 포함할 수 있다.
제1 스위치(233)는 랙 출력 단자(R+)와 입출력 단자(T+) 사이의 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2)를 단락하거나 개방하는 스위칭 소자이다. 배터리 랙(220)를 충전하거나 방전시키기 위해 제1 스위치(233)가 단락되어야 한다. 제1 스위치(233)가 개방되면, 랙 출력 단자(R+)와 입출력 단자(T+) 사이의 전력 흐름은 중단될 수 있다. 제1 스위치(233)는 BMS(210)로부터 제1 스위치 제어 신호(sw1)를 수신하며, 제1 스위치 제어 신호(sw1)에 따라서 개방되거나 단락될 수 있다. 제1 스위치(233)는 개방/단락 상태를 BMS(210)에 제공할 수도 있다. 예를 들면, 제1 스위치(233)는 복수의 랙들(200) 중 대응하는 랙(200)의 상태에 관한 중간 정보(예컨대, 랙들(200) 중 대응하는 랙(200) 내의 배터리 랙(220)의 상태에 관한 정보)를 제공할 수 있으며, 상기 중간 정보는 BMS(210)이 상기 대응하는 랙(200)의 상태에 관한 정보를 보고하는데 사용된다.
제1 스위치(233)가 슬레이브 랙(200s1)의 보호 회로(230) 내에 위치하는 경우, 예컨대, 제1 스위치(233)는 슬레이브 랙(200s1) 내의 배터리 랙(220)의 상태에 관한 중간 정보를 슬레이브 랙(200s1) 내의 슬레이브 BMS(210s)로 제공할 수 있다. 그 후에, 슬레이브 BMS(210s)는 배터리 랙(220)의 상태에 관한 정보를 마스터 랙(200m) 내의 마스터 BMS(210m)에게 보고할 수 있다.
제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 제2 스위치(234)와 프리차지 저항(235)이 직렬로 연결될 수 있다. 제2 스위치(234)는 BMS(210)로부터 제2 스위치 제어 신호(sw2)를 수신하며, 제2 스위치 제어 신호(sw2)에 따라서 개방/단락 동작을 수행한다. 제2 스위치(234)는 개방/단락 상태를 BMS(210)에 제공할 수도 있다. 예를 들면, 제2 스위치(234)는 랙들(220) 중에서 배터리 랙(220)을 갖는 대응하는 랙(200)의 상태에 관한 중간 정보를 제공할 수 있다.
제2 스위치(234)가 슬레이브 랙(200s1)의 보호 회로(230) 내에 위치하는 경우, 예컨대, 제2 스위치(234)는 슬레이브 랙(200s1) 내의 배터리 랙(220)의 상태에 관한 중간 정보를 슬레이브 랙(200s1) 내의 슬레이브 BMS(210s)로 제공할 수 있다. 그 후에, 슬레이브 BMS(210s)는 배터리 랙(220)의 상태에 관한 정보를 마스터 랙(200m) 내의 마스터 BMS(210m)에게 보고할 수 있다.
제1 스위치(233)와 제2 스위치(234)는 배터리 랙(220)의 출력 전류를 차단할 수 있는 릴레이로 구성될 수 있다. 예를 들면, 제1 스위치 제어 신호(sw1)와 제2 스위치 제어 신호(sw2)는 소정의 직류 전압을 갖는 제어 신호일 수 있다. 예컨대, 제1 스위치 제어 신호(sw1) 및/또는 제2 스위치 제어 신호(sw2)가 DC 12V를 가질 때, 제1 스위치(233) 및/또는 제2 스위치(234)가 단락될 수 있다. 제1 스위치 제어 신호(sw1) 및/또는 제2 스위치 제어 신호(sw2)가 0V를 가질 때, 제1 스위치(233) 및/또는 제2 스위치(234)는 개방될 수 있다.
프리차지 저항(235)은 입출력 단자들(T+, T-)과 랙 출력 단자들(R+, R-)이 연결되는 시점에 흐를 수 있는 인러쉬(inrush) 전류를 제한할 수 있다. 랙 출력 단자들(R+, R-) 사이에는 출력 전압을 안정시키기 위해 대용량 커패시터가 연결될 수 있다. 그러나, 상기 대용량 커패시터가 방전된 상태에서, 제1 스위치(233)가 단락되면, 상기 대용량 커패시터를 충전시키기 위해 인러쉬 전류가 발생할 수 있다. 이러한 과전류는 배터리 시스템(20)을 손상시키거나 파손을 유발할 수 있다.
프리차지 저항(235)은 제1 스위치(233)를 단락시키기 전에, 제2 스위치(234)를 단락시킴으로써 인러쉬 전류의 발생을 방지하거나 인러쉬 전류의 발생 가능성을 감소시킬 수 있다. 제2 스위치(234)를 단락된 후 상기 대용량 커패시터가 충전되면, 제1 스위치(233)가 단락되고 제2 스위치(234)는 개방될 수 있다.
퓨즈(236)는 랙 출력 단자(R+)와 입출력 단자(T+) 사이의 대전류 경로 상에 형성되며, 대전류 경로 상에 과전류가 흐를 경우 퓨즈(236)가 상기 대전류 경로를 영구적으로 차단할 수 있다. 퓨즈(236)는 퓨즈의 상태를 나타내는 신호(sf)를 BMS(210)에 제공할 수 있다.
보호 회로(230)는 BMS(210)와 물리적으로 분리될 수 있다. BMS(210)은 하나 이상의 신호선들을 이용하여 보호 회로(230)를 제어하도록 구성할 수 있다. 예를 들면, 보호 회로(230)와 BMS(210)가 서로 다른 보드에 형성되도록 구성될 수 있다. 이로 인하여, 보호 회로(230)를 통과하는 대전류 경로가 BMS(210)를 통과하지 않을 수 있다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 배터리 시스템의 블록도를 도시한다.
도 6을 참조하면, 배터리 랙들(220)은 보호 회로들(230)을 통해 입출력 단자들(T+, T-)에 병렬로 연결된다.
보호 회로들(230) 각각이 제1 스위치(233), 제2 스위치(234) 및 프리차지 저항(235)을 포함하는 것으로 도시되되어 있지만, 실시예들은 이로 한정되지 않는다. 예를 들면, 보호 회로(230)는 도 5에 도시된 바와 같이 전류 센서, 전압 센서, 및 퓨즈를 더 포함할 수 있다.
마스터 BMS(210m)는 대응하는 보호 회로(230), 예컨대, 마스터 랙(200m) 내의 보호 회로(230)의 제1 스위치(233) 및 제2 스위치(234)의 단락 및 개방을 제어할 수 있다. 마찬가지로, 슬레이브 BMS들(210s)도 대응하는 보호 회로(230), 예컨대, 슬레이브 랙들(200s) 중 대응하는 슬레이브 랙(200s) 내의 보호 회로(230)의 제1 스위치(233) 및 제2 스위치(234)의 단락 및 개방을 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 배터리 랙(220)의 랙 출력 단자들(R+, R-)을 입출력 단자들(T+, T-)에 연결하는 경우, BMS(210)는 제2 스위치(234)를 먼저 단락시킨 후, 소정 시간이 흐른 후 제1 스위치(233)를 단락시키고 제2 스위치(234)를 개방할 수 있다. 배터리 랙(220)의 랙 출력 단자들(R+, R-)을 입출력 단자들(T+, T-)로부터 분리하는 경우, BMS(210)는 제1 스위치(233)를 개방할 수 있다.
BMS(210)는 내부 알고리즘에 따라 제1 스위치(233) 및 제2 스위치(234)의 단락 및 개방을 제어할 수 있다. 예컨대, BMS(210)는 대응하는 배터리 랙(220)의 이상 발생을 감지한 경우, 제1 스위치(233)를 개방할 수 있다. 또한, BMS(210)는 대응하는 배터리 랙(220)이 정상 상태로 복귀된 경우, 제2 스위치(234)를 먼저 단락시킨 후, 소정 시간이 흐른 후 제1 스위치(233)를 단락시키고 제2 스위치(234)를 개방할 수 있다.
BMS(210)는 상위 구성요소의 제어 명령에 따라 제1 스위치(233) 및 제2 스위치(234)의 단락 및 개방을 제어할 수 있다. 예컨대, 슬레이브 BMS(210s)는 마스터 BMS(210m)의 제어 명령에 따라 제1 스위치(233) 및 제2 스위치(234)를 제어할 수 있다. 또한, 마스터 BMS(210m)는 통합 제어기(15)의 제어 명령에 따라 제1 스위치(233) 및 제2 스위치(234)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 마스터 BMS(210m)는 간접적으로, 즉, 슬레이브 BMS(210s)를 통해, 통합 제어기(15)의 제어 명령에 따라 제1 스위치(233) 및 제2 스위치(234)의 상태들을 제어할 수 있다.
마스터 BMS(210m)는 슬레이브 BMS(210s)에게 랙 출력 단자들(R+, R-)을 입출력 단자들(T+, T-)에 연결하라는 랙 온 제어 명령을 내릴 수 있다. 슬레이브 BMS(210s)는 상기 랙 온 제어 명령에 따라, 대응하는 보호 회로(230) 내의 제2 스위치(234)를 먼저 단락시킨 후, 소정 시간이 흐른 후 제1 스위치(233)를 단락시키고 제2 스위치(234)를 개방할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 BMS(210s)에 대응하는 랙 출력 단자들(R+, R-)을 입출력 단자들(T+, T-)에 연결하기 위해, 슬레이브 BMS(210s)에 제2 스위치 온 제어 명령, 제1 스위치의 온 제어 명령 및 제2 스위치 오프 제어 명령을 순차적으로 내릴 수 있다.
마스터 BMS(210m)는 슬레이브 BMS(210s)에 제어 명령을 내린 후에, 상기 제어 명령에 따른 동작이 정상적으로 수행되었는지의 여부를 확인할 수 있다. 슬레이브 BMS(210s)는 마스터 BMS(210m)로부터 수신한 제어 명령에 따른 동작을 수행한 후, 상기 동작의 결과를 마스터 BMS(210m)에게 전송할 수 있다. 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 BMS(210s)로부터 상기 동작의 결과를 수신한 후, 다른 동작을 수행할 수 있다.
마스터 BMS(210m)가 슬레이브 BMS(210s)에 랙 온 명령을 내린 경우, 슬레이브 BMS(210s)는 제1 스위치 제어 신호(sw1)를 발생시킨 후, 랙 온 명령이 수행되었음을 나타내는 신호를 마스터 BMS(210m)에 제공할 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 슬레이브 BMS(210s)는 제2 스위치 제어 신호(sw2)를 발생시킨 후, 랙 온 명령이 수행되었음을 나타내는 신호를 마스터 BMS(210m)에 제공할 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 슬레이브 BMS(210s)가 제1 스위치(233)의 개방/단락 상태를 확인한 후, 랙 온 명령이 수행되었음을 나타내는 신호를 마스터 BMS(210m)에 제공할 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 슬레이브 BMS(210s)는 랙 출력 전류를 확인한 후, 랙 온 명령이 수행되었음을 나타내는 신호를 마스터 BMS(210m)에 제공할 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 슬레이브 BMS(210s)는 입출력 단자들(T+, T-) 사이의 출력 전압을 확인한 후, 랙 온 명령이 수행되었음을 나타내는 신호를 마스터 BMS(210m)에 제공할 수 있다.
랙 오프 명령에 대해서도, 슬레이브 BMS(210s)는 제1 스위치 제어 신호(sw1), 제1 스위치(233)의 상태, 랙 출력 전류, 입출력 단자들(T+, T-) 사이의 출력 전압을 이용하여 슬레이브 랙(200s)이 턴 오프 되었는지를 확인할 수 있다. 그 후, 슬레이브 BMS(210s)는 랙 오프 명령이 수행되었음을 나타내는 신호를 마스터 BMS(210m)에 제공할 수 있다.
마스터 BMS(210m)는 제1 버스(241)를 통해 통합 제어기(15)와 통신을 수행할 수 있으며, 통합 제어기(15)로부터 PCS(10)의 상태에 대한 정보를 수신할 수 있다. 마스터 BMS(210m)는 내부 알고리즘에 따라 PCS(10)가 준비되어 배터리 시스템(20)을 PCS(10)에 연결할 수 있는 상태라고 판단하면, 배터리 시스템(20)의 턴 온을 결정할 수 있다. 마스터 BMS(210m)는 배터리 시스템(20)이 이상 상태에서 정상 상태로 복귀될 경우, 배터리 시스템(20)의 턴 온을 결정할 수 있다. 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 BMS(210s)에게 랙 온 제어 명령을 내릴 수 있다.
슬레이브 BMS(210s)는 제2 스위치 제어 신호(sw2)를 통해 제2 스위치(234)를 단락시킬 수 있다. 그 후, 슬레이브 BMS(210s)는 제1 스위치 제어 신호(sw1)를 통해 제1 스위치(233)를 단락시킬 수 있다. 슬레이브 BMS(210s)는 제1 스위치(233)의 단락을 확인하고, 상기 랙 온 제어 명령에 따라 정상적으로 동작을 수행했음을 나타내는 신호를 마스터 BMS(210m)에 제공할 수 있다. 또한, 슬레이브 BMS(210s)는 제2 스위치 제어 신호(sw2)를 통해 제2 스위치(234)를 개방시킬 수 있다.
마스터 BMS(210m)는 슬레이브 BMS(210s)로부터 랙이 정상적으로 턴 온 되었음을 나타내는 신호를 수신한 후, 다른 슬레이브 BMS들(210s)에 랙 온 제어 명령을 내릴 수 있다. 이와 같은 방식으로, 마스터 BMS(210m)가 슬레이브 랙들 각각이 정상적으로 턴 온 되었음을 확인할 수 있다. 그 후, 마스터 BMS(210m)는 자신의 마스터 랙(200m)을 마지막으로 턴 온 시킬 수 있으며, 예컨대, 마스터 랙(200m) 내의 배터리 랙(220)을 턴 온 시킬 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 BMS(210s)들 각각에게 랙 온 제어 명령을 동시에 제공할 수 있다. 슬레이브 BMS(210s)들은 상기 랙 온 제어 명령에 따라 자신의 슬레이브 랙들(200s)을 각각 턴 온 시킬 수 있으며, 예컨대, 대응하는 슬레이브 랙들(200s) 내의 배터리 랙들(220)을 턴 온 시킬 수 있다. 그 후, 슬레이브 BMS들(210s)은 슬레이브 랙들(200s)이 턴 온되었음을 나타내는 신호를 각각 마스터 BMS(210m)에게 송신할 수 있다. 마스터 BMS(210m)는 모든 슬레이브 랙들(200s)이 모두 턴 온되었음을 확인한 후, 자신의 마스터 랙(200m)을 턴 온 시킬 수 있다.
배터리 시스템(20)이 턴 온될 때, 모든 랙이 가능한 동시에 턴 온되어야 한다. 랙들의 턴 온 시점이 다를 경우, 랙들 간에 임밸런싱(imbalancing)이 발생할 수 있다. 실시예들 중 일부에 따르면, 마스터 BMS(210m)가 슬레이브 BMS(210s)를 이용하여 슬레이브 랙들(200s)을 먼저 턴 온 시키고, 마스터 랙(200m)을 마지막에 턴 온 시키기 때문에, 랙들(200)의 턴 온 시점의 차이가 최소화될 수 있다. 예를 들면, 통신을 통해 슬레이브 랙들(200s)을 턴 온 시키는 것이, 자신의 마스터 랙(200m)을 턴 온 시키는 것보다 오래 걸리기 때문이다. 따라서, 예시적인 실시예에 따르면, 배터리 시스템(20) 내의 적절한 밸런싱을 제공하기 위하여, 마스터 랙(200m)의 동작이 시작되기 전에 슬레이브 랙들(200s)(예컨대, 슬레이브 랙들(200s) 내의 배터리 랙들(220))의 동작이 시작된다.
또한, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 랙(200s)이 턴 온되었다는 것을 확인한 후에, 자신의 마스터 랙(200m)을 턴 온시킴으로써, 배터리 시스템(20)은 더욱 안정적으로 운용될 수 있다. 예컨대, 슬레이브 랙들(200s)이 턴 온에 실패한 상태에서 마스터 랙(200m)만이 턴 온 되는 경우에 발생할 수 있는 랙들 간의 임밸런싱은 방지될 수 있다.
배터리 시스템(20)이 작동하는 중에, 이상(abnormality)이 발생할 수 있다. 예컨대, 과충전이 발생하거나, 과방전이 발생할 수 있다. 또한, 고열이 발생하거나, 과전류가 발생할 수 있다. 이러한 이상은 배터리 시스템(20) 전체에 발생할 수도 있고, 랙들(200) 중에서 특정 랙에 발생할 수도 있다. 랙들(200) 중에서 특정 랙에만 이상이 발생할 경우, 상기 특정 랙(200)의 BMS(210)는 상기 특정 랙(200)의 턴 온 또는 턴 오프의 여부를 결정할 수 있다. 이 경우, 상기 BMS(210)는 보호 회로(230)의 제1 스위치(233)를 개방시킬 수 있다.
마스터 BMS(210)가 이상을 감지하여 배터리 시스템(20) 전체가 턴 오프되어야 하는 경우, 마스터 BMS(210)는 슬레이브 BMS(210s)로 랙 오프 제어 명령을 송신할 수 있다. 슬레이브 BMS(210s)는 랙 오프 제어 명령에 응답하여, 보호 회로(230)의 제1 스위치(233)를 개방시킬 수 있다. 그 후, 슬레이브 BMS(210s)는 제1 스위치(233)가 개방되었다는 것을 마스터 BMS(210m)에게 보고할 수 있다. 그 후, 마스터 BMS(210m)는 다른 슬레이브 BMS(210s)에게 랙 오프 제어 명령을 송신할 수 있다. 이와 같은 방식으로, 마스터 BMS(210m)는 모든 슬레이브 랙들(200s)을 턴 오프 시킨 후, 자신의 마스터 랙(200m)을 턴 오프시킬 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 마스터 BMS(210)는 슬레이브 BMS들(210s)에게 랙 오프 제어 명령을 동시에 송신할 수 있다. 슬레이브 BMS들(210s) 각각은 랙 오프 제어 명령에 응답하여, 자신의 보호 회로(230)의 제1 스위치(233)를 개방시키고, 제1 스위치(233)가 개방되었음을 마스터 BMS(210m)에 보고할 수 있다. 그 후, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 BMS들(210s)로부터 모든 슬레이브 랙(200s)이 턴 오프된 것을 확인한 후, 자신의 마스터 랙(200m)을 턴 오프시킬 수 있다.
랙(200)이 턴 온 되었다는 것은 랙(200)의 랙 출력 단자들(R+, R-)이 입출력 단자들(T+, T-)에 연결되었다는 것을 의미한다. 예를 들면, 제1 스위치(233)가 단락되었음을 의미한다. 또한, 랙(200)이 턴 오프 되었다는 것은 랙(200)의 랙 출력 단자들(R+, R-)이 입출력 단자들(T+, T-)와 분리되었다는 것을 의미한다. 예를 들면, 제1 스위치(233)와 제2 스위치(234)가 모두 개방되었음을 의미한다. 제2 스위치(234)가 단락되고, 제1 스위치(233)가 개방된 상태는 프리차지 동작 중이라고 간주될 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 배터리 시스템(20)의 동작 시퀀스의 흐름도를 도시한다.
도 6과 함께 도 7을 참조하면, 마스터 랙과 슬레이브 랙의 동작과 마스터 랙과 슬레이브 랙 사이에 전달되는 명령 또는 데이터를 도시한다. 도 7에서는 하나의 슬레이브 랙이 도시되지만, 본 기술분야의 당업자는 실시예들의 범위를 벗어남 없이 슬레이브 랙이 복수로 존재할 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. 마스터 랙은 도 2 내지 도 6을 참조로 설명된 마스터 랙(200m)에 대응할 수 있다. 슬레이브 랙은 도 2 내지 도 6을 참조로 설명된 슬레이브 랙(200s)에 대응할 수 있다.
동작(S11)에서, 마스터 랙(200m)의 마스터 BMS(210m)에 대응할 수 있는 마스터 BMS는 결정에 따라 배터리 시스템(20)의 턴 온을 결정할 수 있다. 예컨대, 통합 제어기(15)로부터 배터리 시스템 턴 온 제어 명령을 수신하였거나, 배터리 시스템(20)의 기동을 시작하고자 하는 경우나, 이상 상태에서 정상 상태로 복귀한 경우에, 마스터 BMS(210m)는 배터리 시스템(20)의 턴 온을 결정할 수 있다.
동작(S12)에서, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 랙(200s)의 슬레이브 BMS(210s)에 대응할 수 있는 슬레이브 BMS에 슬레이브 랙(200s)의 턴 온을 위한 랙 온 제어 명령을 송신할 수 있다. 동작(S13)에서, 슬레이브 BMS(210s)는 마스터 BMS(210m)로부터의 랙 온 제어 명령에 응답하여 슬레이브 랙(200s)을 턴 온 시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 슬레이브 BMS(210s)는 슬레이브 랙(200s)의 제2 스위치(234)를 단락시킨 후, 제1 스위치(233)를 단락시킬 수 있다. 그 후, 슬레이브 BMS(210s)는 제2 스위치(234)를 개방할 수 있다.
동작(S14)에서, 슬레이브 BMS(210s)는 슬레이브 랙(200s)이 턴 온되었는지를 보고할 수 있다. 슬레이브 BMS(210s)는 슬레이브 랙(200s)의 상태에 관한 정보를 마스터 BMS(210m)에 전송할 수 있다.
동작(S15)에서, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 BMS(210s)로부터 전송된 슬레이브 랙(200s)의 상태에 관한 정보로부터 슬레이브 랙(200s)이 턴 온되었는지의 여부를 확인할 수 있다. 동작(S16)에서, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 랙(200s)이 턴 온 되었음을 확인한 경우, 마스터 랙(200m)을 턴 온 시킬 수 있다. 그러나, 동작(S15)에서 마스터 BMS(210m)가 슬레이브 랙(200s)이 턴 온되지 않았다는 것을 확인한 경우, 동작들의 시퀀스는 동작(S17)로 진행한다. 동작(S17)에서, 마스터 BMS(210m)은 슬레이브 랙(200s)를 턴 온 시키는데 실패하였다는 것을 나타내는 메시지를 통합 제어기(15)에 전송할 수 있다.
도 8은 다른 예시적인 실시예에 따른 배터리 시스템(20)의 동작 시퀀스의 흐름도를 도시한다.
도 6과 함께 도 8을 참조하면, 마스터 랙(200m)에 대응할 수 있는 마스터 랙과 슬레이브 랙(200s)에 대응할 수 있는 슬레이브 랙의 동작들, 및 상기 마스터 랙과 상기 슬레이브 랙 사이에 전송되는 명령 또는 데이터가 도시된다. 도 8에서는 하나의 슬레이브 랙이 도시되지만, 본 기술분야의 당업자는 실시예들의 범위를 벗어남 없이 슬레이브 랙이 복수로 존재할 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다.
동작(S21)에서, 마스터 랙(200m)의 마스터 BMS(210m)은 배터리 시스템(20)의 턴 온을 결정할 수 있다. 예컨대, 통합 제어기(15)로부터 배터리 시스템 턴 온 제어 명령을 수신하였거나, 배터리 시스템(20)의 기동을 시작하고자 하는 경우나, 이상 상태에서 정상 상태로 복귀한 경우에, 마스터 BMS(210m)는 배터리 시스템(20)의 턴 온을 결정할 수 있다.
동작(S22)에서, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 랙(200s)의 제2 스위치(234)를 단락시키기 위한 제2 스위치 온 제어 명령을 슬레이브 BMS(210s)에 송신할 수 있다. 동작(S23)에서, 슬레이브 BMS(210s)는 마스터 BMS(210m)로부터의 제2 스위치 온 제어 명령에 응답하여 슬레이브 랙(200s)의 제2 스위치(234)를 턴 온 시킬 수 있다. 동작(S24)에서, 슬레이브 BMS(210s)는 제2 스위치(234)의 개방/단락 상태를 마스터 BMS(210m)에 보고할 수 있다.
동작(S25)에서, 마스터 BMS(210m)는 마스터 BMS(210m)로부터 수신된 제2 스위치 온 제어 명령에 기초하여 슬레이브 랙(200s)의 제2 스위치(234)가 단락되었는지를 확인할 수 있다. 동작(S25)에서 마스터 BMS(210m)가 슬레이브 랙(200s)의 제2 스위치(234)가 단락되었다는 것을 확인한 경우, 동작 시퀀스는 동작(S26)으로 진행한다. 동작(S26)에서, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 랙(200s)의 제1 스위치(233)를 단락시키기 위한 제1 스위치 온 제어 명령을 슬레이브 BMS(210s)에 송신할 수 있다. 동작(S25)에서 마스터 BMS(210m)가 슬레이브 랙(200s)의 제2 스위치(234)가 단락되지 않았다는 것을 확인한 경우, 동작 시퀀스는 동작(S31)으로 진행할 수 있다. 동작(S31)에서, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 랙(200s)을 턴 온 시키는데 실패하였다는 것을 나타내는 메시지를 통합 제어기(15)에 전송할 수 있다.
동작(S27)에서, 슬레이브 BMS(210s)는 마스터 BMS(210m)로부터의 제1 스위치 온 제어 명령에 응답하여 슬레이브 랙(200s)의 제1 스위치(233)를 턴 온 시킬 수 있다. 동작(S28)에서, 슬레이브 BMS(210s)는 제1 스위치(233)의 개방/단락 상태를 마스터 BMS(210m)에 보고할 수 있다.
동작(S29)에서, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 랙(200s)의 제1 스위치(233)가 단락되었는지를 확인할 수 있다. 동작(S29)에서 마스터 BMS(210m)가 슬레이브 랙(200s)의 제1 스위치(233)가 단락되었다는 것을 확인한 경우, 동작 시퀀스는 동작(S30)으로 진행한다. 동작(S30)에서, 마스터 BMS(210m)는 마스터 랙(200m)의 제1 스위치(233)를 단락시킬 수 있다. 슬레이브 랙(200s)이 이미 턴 온되었기 때문에, 입출력 단자들(T+, T-) 사이의 대용량 커패시터는 충전되었기 때문에, 마스터 랙(200m)의 제2 스위치(234)를 먼저 단락시키지 않고 바로 마스터 랙(200m)의 제1 스위치(233)가 단락되더라도 인러쉬(inrush) 전류가 발생하지 않는다.
동작(S29)에서 마스터 BMS(210m)가 슬레이브 랙(200s)의 제1 스위치(233)가 단락되지 않았다는 것을 확인한 경우, 동작 시퀀스는 동작(S31)으로 진행한다. 동작(S31)에서, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 랙(200s)의 제1 스위치(233)가 단락되지 않은 경우, 슬레이브 랙을 턴 온 시키는데 실패하였다는 것을 나타내는 메시지를 통합 제어기(15)에 전송할 수 있다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 배터리 시스템의 동작 시퀀스의 흐름도를 도시한다.
도 6과 함께 도 9를 참조하면, 마스터 랙, 예컨대, 마스터 랙(200m)과 슬레이브 랙, 예컨대, 슬레이브 랙(200s)의 동작들, 및 상기 마스터 랙과 상기 슬레이브 랙 사이에 전달되는 명령 또는 데이터가 도시된다. 도 9에서는 하나의 슬레이브 랙이 도시되지만, 본 기술분야의 당업자는 실시예들의 범위를 벗어남 없이 슬레이브 랙이 복수로 존재할 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다.
동작(S41)에서, 마스터 랙(200m)의 마스터 BMS(210m)은 배터리 시스템(20)의 턴 오프를 결정할 수 있다. 예컨대, 통합 제어기(15)로부터 배터리 시스템 턴 오프 제어 명령을 수신하였거나, 배터리 시스템(20)의 기동을 종료하고자 하는 경우나, 배터리 시스템(20)에 이상이 발생한 경우에, 마스터 BMS(210m)는 배터리 시스템(20)의 턴 오프를 결정할 수 있다.
동작(S42)에서, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 BMS(210s)에 슬레이브 랙(200s)의 턴 오프를 위한 랙 오프 제어 명령을 송신할 수 있다. 동작(S43)에서, 슬레이브 BMS(210s)는 마스터 BMS(210m)로부터의 랙 오프 제어 명령에 응답하여 슬레이브 랙(200s)을 턴 오프 시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 슬레이브 BMS(210s)는 슬레이브 랙(200s)의 제1 스위치(233)를 개방시킬 수 있다.
동작(S44)에서, 슬레이브 BMS(210s)는 슬레이브 랙(200s)이 턴 오프 되었는지의 여부를 보고할 수 있다. 슬레이브 BMS(210s)는 슬레이브 랙(200s)의 상태에 관한 정보를 마스터 BMS(210m)에 전송할 수 있다.
동작(S45)에서, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 BMS(210s)로부터 전송된 슬레이브 랙(200s)의 상태에 관한 정보로부터 슬레이브 랙(200s)이 턴 오프되었는지를 확인할 수 있다.
동작(S45)에서 마스터 BMS(210m)가 슬레이브 랙(200s)의 제1 스위치(233)가 개방되었음을 확인한 경우, 동작 시퀀스는 동작(S46)으로 진행한다. 동작(S46)에서, 마스터 BMS(210m)는 마스터 랙(200m)을 턴 오프 시킬 수 있다. 동작(S45)에서 마스터 BMS(210m)가 슬레이브 랙(200s)의 제1 스위치(233)가 개방되지 않았음을 확인한 경우, 동작 시퀀스는 동작(S47)으로 진행한다. 동작(S47)에서, 마스터 BMS(210m)는 슬레이브 랙(200s)을 턴 오프 시키는데 실패하였다는 것을 나타내는 메시지를 통합 제어기(15)에 전송할 수 있다.
요약과 검토를 위해, 배터리 시스템들은 외부 전원으로부터 전력을 공급받을 수 있고, 공급된 전력을 저장할 수 있으며, 저장된 전력을 외부에 공급할 수 있다. 배터리 시스템들은 부하에서 소비되는 전력의 양에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 배터리 시스템을 안정적으로 동작하기 위해 배터리 시스템은 효율적으로 관리될 수 있다.
실시예들은 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 상기 에너지 저장 시스템에서 마스터 BMS는 병렬로 연결되는 복수의 배터리 랙들을 제어하는 슬레이브 BMS들과 통신함으로써, 배터리 시스템은 효율적으로 관리되고 안정적으로 운용될 수 있다.
본 명세서에 도시되고 설명된 특정 구현예들은 설명을 위한 예들이며, 어떠한 방식으로도 실시예들의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것이며, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가적인 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 구현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같은 구체적인 언급이 없다면, 필수 구성 요소로 간주되지 않는다.
실시예들(특히 특허청구범위)을 기술함에 있어서, "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 실시예들에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시예들의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
예시적인 실시예들이 본 명세서에 제시되었으며, 특정 용어들이 사용되었을 지라도, 이 용어들은 한정을 목적으로 사용한 것이 아니며 일반적이고 설명을 위한 것으로 해석되어야 한다. 일부 예들에서, 본 출원의 출원 시의 당업자들에게 자명하겠지만, 특정 실시예와 관련하여 설명되는 특징들, 및/또는 구성요소들은 구체적으로 다르게 기재되어 있지 않는 한, 단독으로 사용될 수도 있고, 다른 실시예들과 관련하여 설명되는 특징들, 및/또는 구성요소들과 함께 사용될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 에너지 저장 시스템 15: 통합 제어기
20: 배터리 시스템 200: 랙
200m: 마스터 랙 200s, 200s1, 200s2: 슬레이브 랙
210: BMS 210m: 마스터 BMS
210s: 슬레이브 BMS 220: 배터리 랙
221: 트레이 222: 트레이 BMS
223: 배터리 트레이 230: 보호 회로
241: 제1 버스 242: 제2 버스
243: 제3 버스

Claims (20)

  1. 제1 배터리 랙, 및 상기 제1 배터리 랙을 제어하는 마스터 BMS(Battery Management System)를 포함하는 마스터 랙; 및
    제2 배터리 랙, 및 상기 마스터 BMS로부터의 명령에 응답하여 상기 제2 배터리 랙을 제어하고 상기 제2 배터리 랙의 상태에 관한 정보를 보고하는 슬레이브 BMS를 포함하는 슬레이브 랙을 포함하고,
    상기 마스터 BMS가 상기 슬레이브 BMS로부터 상기 정보를 수신한 후에, 상기 마스터 BMS는 상기 제1 배터리 랙을 제어하는 배터리 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 슬레이브 BMS는 상기 명령에 기초하여 상기 제2 배터리 랙의 상태를 온 상태 및 오프 상태 중 하나로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 마스터 BMS는 상기 제2 배터리 랙의 상태에 관한 상기 정보를 수신하고 상기 제1 배터리 랙의 상태를 온 상태 및 오프 상태 중 하나로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 배터리 랙의 상태는 제2 배터리 랙의 상태가 상기 온 상태로 설정된 후에 상기 온 상태로 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 슬레이브 BMS는 상기 마스터 BMS로부터의 상기 명령에 기초하여 상기 제2 배터리 랙의 상태를 온 상태로 설정하려고 시도하도록 구성되고,
    상기 제1 배터리 랙의 상태는 상기 슬레이브 BMS로부터 보고된 상기 정보가 상기 제2 배터리 랙의 상태를 상기 온 상태로 설정하려는 시도가 성공하였다는 것을 나타낼 때 온 상태로 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 마스터 랙과 상기 슬레이브 랙은 각각 마스터 보호 회로와 슬레이브 보호 회로를 포함하고, 상기 마스터 보호 회로는 제1 스위치를 포함하고, 슬레이브 보호 회로는 제2 스위치를 포함하며,
    상기 슬레이브 BMS는 상기 명령에 기초하여 상기 제2 스위치의 상태를 개방 상태 및 단락 상태 중 하나로 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 마스터 BMS는 상기 슬레이브 랙의 실패에 관한 정보를 통합 제어기에게 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 마스터 BMS는 상기 제1 배터리 랙과 상기 제2 배터리 랙 모두를 제어하는 통합 관리 시스템에 해당하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 마스터 랙은 제1 버스를 통해 상기 제1 배터리 랙과 상기 슬레이브 랙 모두와 통신하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 슬레이브 랙은 상기 제1 버스와 분리된 제2 버스를 통해 상기 제2 배터리 랙과 통신하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 마스터 BMS는 외부에 연결된 통합 제어기로부터의 다른 명령에 기초하여 상기 슬레이브 BMS에 상기 명령을 제공하고, 상기 마스터 BMS는 상기 제1 버스 및 상기 제2 버스와 분리된 제3 버스를 통해 상기 외부에 연결된 통합 제어기와 통신하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 슬레이브 랙은 복수의 슬레이브 랙들 중 하나이고, 상기 복수의 슬레이브 랙들 각각은 상기 제1 버스를 통해 상기 마스터 랙에 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 슬레이브 랙은 보호 회로를 포함하고, 상기 슬레이브 BMS는 상기 보호 회로 내의 스위치의 상태를 기초로 상기 제2 배터리 랙의 상태를 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 슬레이브 랙은 보호 회로를 포함하고, 상기 보호 회로는 상기 제2 배터리 랙의 상태에 관한 중간 정보를 상기 슬레이브 BMS에 제공하는 적어도 하나의 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 슬레이브 랙은 복수의 슬레이브 배터리 트레이들을 포함하고, 상기 슬레이브 배터리 트레이들은 상기 보호 회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 슬레이브 BMS는 상기 제2 배터리 랙의 비정상 상태를 검출하도록 구성되고, 상기 슬레이브 BMS는 상기 비정상 상태가 검출되면 상기 보호 회로를 통해 상기 제2 배터리 랙으로의 전력 공급을 차단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 슬레이브 랙은 복수의 슬레이브 랙들 중 하나이고,
    상기 마스터 랙은 상기 복수의 슬레이브들 중 어느 하나의 실패에 관한 정보를 외부에 연결된 통합 제어기에게 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 슬레이브 랙은 복수의 슬레이브 랙들 중 하나이고, 상기 복수의 슬레이브 랙들은 복수의 슬레이브 BMS들 및 복수의 제2 배터리 랙들을 포함하고,
    상기 복수의 슬레이브 BMS들은 상기 마스터 BMS로부터의 상기 명령에 기초하여 상기 복수의 제2 배터리 랙들 각각의 상태를 온 상태로 설정하고 상기 상태의 설정을 보고하며,
    상기 제1 배터리 랙의 상태는 상기 복수의 슬레이브 BMS들 각각이 상기 복수의 제2 배터리 랙들의 상태들의 설정이 성공하였다는 것을 나타낼 때 온 상태로 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  19. 청구항 제1항의 배터리 시스템; 및
    상기 배터리 시스템, 외부 발전 시스템, 외부 계통, 및 외부 부하에 연결되는 통합 제어기를 포함하는 전력 변환 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 배터리 시스템에서 상기 마스터 BMS는 상기 통합 제어기로부터의 다른 명령에 기초하여 상기 슬레이브 BMS에 명령을 제공하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
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