KR20140119531A - 양방향 ｐｗｍ 인버터를 이용한 에너지 저장 장치 - Google Patents

양방향 ｐｗｍ 인버터를 이용한 에너지 저장 장치 Download PDF

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Abstract

배터리 셀의 셀 평형회로를 채용하지 않고서도 셀 불평형의 문제를 해소할 수 있으며, 배터리 셀의 고장을 용이하게 감사하고 배터리의 가용수명을 향상시키고 배터리 유지 비용을 절감할 수 있는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치가 개시된다. 상기 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는, 상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하는 복수의 배터리 팩; 상기 배터리 팩 마다 각각 연결되며, 상기 배터리 팩의 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하고, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩으로 제공하는 복수의 양방향 PWM 인버터; 및 상기 복수의 양방향 PWM 인버터로부터 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 계통 또는 부하로 제공하고, 상기 계통으로부터 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 상기 복수의 양방향 PWM 인버터 각각에 제공하는 매칭 트랜스포머를 포함한다.

Description

양방향 ＰＷＭ 인버터를 이용한 에너지 저장 장치{AN ENERGY STORAGE SYSTEM USING BIDIRECTIONAL PWM INVERTER}
본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 저장용 배터리 내 상호 직렬 연결된 배터리 셀에 대한 셀 평형회로를 별도로 구비하지 않고서도 셀 불평형의 문제를 해소할 수 있는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
일반적으로, PWM(Pulse Width Modulation) 인버터를 이용한 에너지 저장 장치(Energy Storage System: ESS)는, 계통의 전원이 공급되는 동안에는 배터리에 전기에너지를 저장하고, 계통의 전원이 공급되지 못하는 상황이 발생하였을 때 인버터를 통하여 부하에 안정된 전원을 공급하는 장치이다.
에너지 저장 장치에 채용되는 양방향 PWM 인버터(Bidirectional PWM Inverter)는 교류측과 직류측 간의 양쪽 방향의 전력 흐름을 통하여 배터리의 충전과 방전이 가능하도록 하는 전력변환기(PCS; Power Conditioning System)이다.
이러한 에너지 저장 장치는 크게 두 가지 모드로 운전되고 있다.
두 가지 운전 모드 중 하나는 전압 제어 운전으로서, 계통으로부터 전원이 제공되지 않을 때, 부하에 안정된 전원을 공급하기 위한 모드이다. 전압 제어 운전 모드에서는, 독립운전을 위하여 계통과의 연결을 위한 스위치를 오프시키고 전력 변환기(PCS)인 양방향성 PWM 인버터를 사용하여 배터리에 저장된 직류 전력을 교류로 변환하여 부하 측에 공급한다. 전압 제어 운전 모드에서는 부하 측에 안정된 교류 전압을 제공하기 위해, 배터리의 직류 전력을 교류로 변환하여 부하로 제공하는 양방향성 PWM 인버터의 부하 측 교류 전압과 사전 설정된 기준 전압을 비교하여 일정한 크기의 교류 전압이 부하에 제공될 수 있도록 PWM 인버터를 제어한다.
다른 하나의 운전 모드는 전류 제어 운전으로서, 계통의 전원이 정상적으로 공급되는 상황에서 계통의 전력을 공급받아 배터리를 충전한다든지, 역으로 계통에 전류를 주입하여 전력을 판매하는 경우에 적용되는 모드이다. 전류 제어 운전 모드에서는, 배터리의 충전을 위하여 배터리로 안정된 직류 전류를 제공하기 위해, 양방향성 PWM 인버터의 배터리측 전류와 사전 설정된 기준 직류전류를 비교하여 일정한 크기의 직류 전류가 배터리로 제공될 수 있도록 PWM 인버터를 제어한다.
이러한, 통상적인 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는 선행기술문헌인 한국공개특허 제10-2011-0054041호에 개시된다.
한편, 에너지 저장 장치에 적용되는 충전용 배터리는 에너지 저장 장치의 중요한 부분중의 하나이며 전력 변환기(PCS)인 양방향 PWM 인버터의 직류측 전압을 관장한다.
일반적으로, 에너지 저장 장치에 적용되는 충전용 배터리는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 통상 배터리 팩(Battery Pack)이라 지칭한다.
배터리 팩 내의 직렬로 연결된 배터리 셀들은 시간이 경과하면서 내부저항, 충방전 용량 등의 편차가 발생하게 되어 문제를 일으킨다. 예를 들어, 충전시 충전용량이 감소한 일부 셀이 조기에 과충전 상태에 이르러 과열되면 전체 배터리 팩이 화재 및 폭발의 위험한 상황에 빠지게 된다. 또한, 일부 셀 들의 내부저항이 증가하게 되면 충전시 충분히 충전되지 않았음에도 불구하고 배터리 팩 전체의 전압이 높이 상승함으로써 충전이 중단되어 전체 배터리 팩의 충전부족 현상이 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 통상적으로 배터리 셀에는 셀 평형회로(Cell balancing circuit)가 적용된다. 셀 평형회로는 복수의 배터리 셀 각각 전압을 검출하여 상호 비교하고 전체 배터리 셀의 전압을 상호 동일하게 유지하도록 제어하는 회로이다. 셀 평형회로에 적용되는 셀 평형 기법은 수동형(Passive) 방식과 능동형(Active) 방식이 있다. 수동형 방식의 셀 평형 방법은 과충전된 셀의 전하를 저항을 통하여 소비시킴으로써 셀간의 평형을 맞추어주는 방식이고, 능동형 방식의 셀 평형 방법은 부족 충전된 셀에 더 많은 전류를 공급하여 셀 간의 평형을 맞추어 주는 방식이다.
에너지 저장 장치와 같이 용량이 상대적으로 큰 배터리를 사용하는 경우 능동형 방식을 채용하는 것이 바람직하지만 전력변환기의 부피와 중량이 증가하고 가격이 상승한다는 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2011-0054041호
본 발명은, 배터리 셀의 셀 평형회로를 채용하지 않고서도 셀 불평형의 문제를 해소할 수 있으며, 배터리 셀의 고장을 용이하게 감시하고 배터리의 가용수명을 향상시키고 배터리 유지 비용을 절감할 수 있는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하는 복수의 배터리 팩;
상기 배터리 팩 마다 각각 연결되며, 상기 배터리 팩의 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하고, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩으로 제공하는 복수의 양방향 PWM 인버터; 및
상기 복수의 양방향 PWM 인버터로부터 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 계통 또는 부하로 제공하고, 상기 계통으로부터 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 상기 복수의 양방향 PWM 인버터 각각에 제공하는 매칭 트랜스포머
를 포함하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 셀의 개수는, 상호 직렬 연결된 배터리 셀 간의 셀 불평형 현상을 발생시키지 않는 개수가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 매칭 트랜스포머는, 상기 복수의 양방향 PWM 인버터의 교류 입출력단에 각각 연결된 복수의 저압측 코일; 및 상기 복수의 저압측 코일과 각각 전자기 유도 결합되는 복수의 고압측 코일을 포함하며, 상기 복수의 고압측 코일은 상호 직렬 연결되며, 상기 고압측 코일의 직렬 연결 구조는 상기 계통 또는 부하에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 매칭 트랜스포머는, 상기 복수의 양방향 PWM 인버터의 교류 입출력단에 각각 연결된 복수의 저압측 코일; 및 상기 복수의 저압측 코일과 공통으로 전자기 유도 결합되는 단일 고압측 코일을 포함하며, 상기 단일 고압측 코일은 상기 계통 또는 부하에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 매칭 트랜스포머는, 상기 복수의 양방향 PWM 인버터의 교류 입출력단에 각각 연결된 복수의 저압측 코일; 및 상기 복수의 저압측 코일과 각각 전자기 유도 결합되며 상호 병렬 연결된 복수의 고압측 코일을 포함하며, 상기 복수의 고압측 코일 각각은 상기 계통 또는 부하에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 양방향 PWM 인버터 각각과 상기 매칭 트랜스포머 사이에 각각 시리즈로 연결된 인덕터와, 션트로 연결된 캐패시터를 포함하는 LC 필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 매칭 트랜스포머의 누설 인덕턴스와 상기 매칭 트랜스포머의 고압측 코일에 션트로 연결된 캐패시터로 구현되는 LC 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하는 배터리 팩과, 상기 배터리 팩의 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하여 출력하고, 교류 전력을 제공받아 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩으로 제공하는 양방향 PWM 인버터를 포함하는 복수의 에너지 저장 모듈; 및
상기 복수의 에너지 저장 모듈로부터 출력된 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 계통 또는 부하로 제공하고, 상기 계통으로부터 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 상기 복수의 에너지 저장 모듈로 제공하는 매칭 트랜스포머
를 포함하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 셀의 개수는, 상호 직렬 연결된 배터리 셀 간의 셀 불평형 현상을 발생시키지 않는 개수가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 매칭 트랜스포머는, 상기 복수의 에너지 저장 모듈의 입출력단에 각각 연결된 복수의 저압측 코일; 및 상기 복수의 저압측 코일과 각각 전자기 유도 결합되는 복수의 고압측 코일을 포함하며, 상기 복수의 고압측 코일은 상호 직렬 연결되며, 상기 고압측 코일의 직렬 연결 구조는 상기 계통 또는 부하에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 매칭 트랜스포머는, 상기 복수의 에너지 저장 모듈의 입출력단에 각각 연결된 복수의 저압측 코일; 및 상기 복수의 저압측 코일과 공통으로 전자기 유도 결합되는 단일 고압측 코일을 포함하며, 상기 단일 고압측 코일은 상기 계통 또는 부하에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 매칭 트랜스포머는, 상기 복수의 에너지 저장 모듈의 입출력단에 각각 연결된 복수의 저압측 코일; 및 상기 복수의 저압측 코일과 각각 전자기 유도 결합되며 상호 병렬 연결된 복수의 고압측 코일을 포함하며, 상기 복수의 고압측 코일 각각은 상기 계통 또는 부하에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 에너지 저장 모듈 각각과 상기 매칭 트랜스포머 사이에 각각 시리즈로 연결된 인덕터와, 션트로 연결된 캐패시터를 포함하는 LC 필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 매칭 트랜스포머의 누설 인덕턴스와 상기 매칭 트랜스포머의 고압측 코일에 션트로 연결된 캐패시터로 구현되는 LC 필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 에너지 저장 장치 내에서 에너지를 저장하기 위해 직렬 연결되는 배터리 셀의 수를 종래에 비해 감소시켜 배터리 고장의 확률을 현저하게 감소시킨다.
또한, 본 발명에 따르면, 에너지 저장 장치 내에서 에너지를 저장하기 위해 직렬 연결되는 배터리 셀의 수가 감소되므로, 배터리 셀을 감시하는 것이 훨씬 용이하고 정확하다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리 셀 및 양방향 PWM 인버터를 모듈형으로 구현하므로, 고장이 발생한 배터리 셀을 갖는 배터리 팩 또는 에너지 저장 모듈만 교체하면 되기 때문에 배터리 교체비용이 적게 들고, 교체과정이 간단하여 보수유지 비용을 감소시킬 수 있다. 더하여, 표준화된 에너지 저장 모듈을 사용하는 경우, 운전 중에도 고장난 에너지 저장 모듈 핫스와프(hot-swap) 방식으로 간단히 교체할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 셀 평형 회로를 따로 필요로 하지 않으므로, 전체 시스템의 에너지효율이 높아지고, 제품의 무게, 크기 및 제조원가가 감소한다.
또한, 본 발명에 따르면, 하나의 배터리 셀이 고장 나는 경우, 해당 배터리 셀을 사용하는 에너지 저장 모듈을 정지시키고 교류 측을 바이패스 시킴으로써 고장 중에도 연속적인 운전이 가능하므로 고장감내(FRT: Fault ride Through) 운전이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치의 블록 구성도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치의 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는, 복수의 배터리 팩(11)과, 복수의 양방향 PWM 인버터(12)와 매칭 트랜스포머(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
복수의 배터리 팩(11) 각각은 전기 에너지를 저장하기 위한 요소로서, 사전 설정된 개수의 상호 직렬 연결된 배터리 셀을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 팩(11) 각각은 양방향 PWM 인버터(12)로부터 직류 전력을 제공받아 충전되거나, 양방향 PWM 인버터(12)로 직류 전력을 제공하여 계통(14) 또는 부하(15)로 전력을 제공하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서 배터리는, 셀 평형 회로(Cell Balancing Circuit)가 요구되는 상호 직렬 연결된 다수의 배터리 셀을 포함하는 단일 배터리 팩의 형태가 아니라, 복수의 배터리 팩(11)으로 분리된 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩(11)은 단일 배터리 셀 또는 복수의 배터리 셀을 포함하되, 복수의 배터리 셀을 포함하는 경우 배터리 셀의 개수는, 셀 평형 회로를 이용하여 통상의 셀 평형 기법을 적용할 필요가 없이 셀 불평형의 문제가 발생하지 않는 적은 개수(예를 들어, 2 내지 3 개)의 배터리 셀을 포함하도록 구현될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는, 매우 적은 개수의 배터리 셀을 포함하는 다수의 배터리 팩(11)으로 전체 배터리를 구현함으로써, 셀 불평형의 문제가 거의 발생하지 않으며, 하나의 배터리 팩(11) 내 2 내지 3 개의 배터리 셀 중에 한 개의 셀에 문제가 발생하더라도 직류링크측 전압을 실시간으로 감시함으로써 사고가 악화되는 것을 간단히 예방할 수 있다. 또한, 각 배터리 팩(11)은 독립적으로 동작하므로, 배터리에 고장이 발생하는 경우 문제가 되는 배터리 팩만 운전 중에 교체함으로써 전체 배터리를 교환할 필요가 없어서 보수 유지가 간단하고 보수 유지에 따른 비용을 절감할 수 있다.
복수의 양방향 PWM 인버터(12) 각각은 직류 전력 입력을 교류 전력 출력으로 변환하고, 교류 전력 출력을 직류 전력 출력으로 변환하는 요소로서, 직류 전력이 입출력되는 직류 입출력단과 교류 전력이 입출력되는 교류 입출력단을 가질 수 있다.
복수의 양방향 PWM 인버터(12) 각각은 복수의 배터리 팩(11) 각각에 하나씩 일대일 연결을 형성할 수 있으며, 직류 입출력단에 복수의 배터리 팩(11)이 각각 연결될 수 있다. 복수의 양방향 PWM 인버터(12)는 연결된 배터리 팩(11)으로부터 직류 전력을 제공받아 교류 전력으로 변환하여 출력하여 계통(14) 또는 부하(15) 측으로 제공하거나, 계통(14)으로부터 교류 전력을 제공 받아 직류 전력으로 변환하여 연결된 배터리 팩(11)에 제공하여 배터리 팩(11)의 충전이 이루어지게 할 수 있다.
양방향 PWM 인버터(12)의 직류-교류 변환 또는 교류-직류 변환은 배경 기술에서 설명된 전압 제어 모드 및 전류 제어 모드의 통상적인 PWM 제어에 의해 이루어질 수 있으며, 구체적인 제어 기법은 본 발명의 주요 기술 사상과 직접적인 관련이 없으므로, 본 발명의 명료한 설명을 위해 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 하나의 배터리 팩(11)과 그에 연결된 하나의 양방향 PWM 인버터(12)는 하나의 에너지 저장 모듈(10)을 형성할 수 있다. 즉, 셀 불평형의 문제가 발생하지 않는 개수의 배터리 셀을 포함하는 하나의 배터리 팩(11)과 그에 연결된 하나의 양방향 PWM 인버터(12)가 전체 에너지 저장 장치에서 모듈의 형태로 구비될 수 있다. 이러한 에너지 저장 모듈(10)로 구현된 형태에서, 각 에너지 저장 모듈(10)의 입출력단은 그 내부의 양방향 PWM 인버터(12)의 교류 입출력단이 될 수 있다. 이와 같이, 에너지 저장 모듈(10)의 형태로 구현되는 경우, 에너지 저장 모듈(10)이 독립적으로 동작하므로, 배터리에 문제가 발생하는 경우 문제가 되는 에너지 저장 모듈만 운전 중에 교체함으로써 전체 배터리를 교환할 필요가 없게 되므로 보수유지가 간단하고 비용이 절감될 뿐만 아니라 에너지 저장 시스템의 동작을 계속 유지시킨 상태에서 보수가 가능하게 된다.
매칭 트랜스포머(13)는 복수의 양방향 PWM 인버터(13)로부터 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 계통(14) 또는 부하(15)로 제공하고, 상기 계통전원으로부터 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 복수의 양방향 PWM 인버터(14) 각각에 제공할 수 있다. 매칭 트랜스포머(13)는 양방향 PWM 인버터(12)와 계통(14) 또는 부하(15)의 상호 임피던스 매칭을 위해 구비될 뿐만 아니라, 각 에너지 저장 모듈(10)에서 출력되는 교류전력을 변환하여 계통(14) 및 부하(15)에 적절한 크기의 교류전압을 제공하고, 계통(14)으로부터 제공받은 교류전력을 변환하여 복수의 PWM 인버터(14) 각각에 적절한 크기의 교류전압을 제공할 수 있다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는, 복수의 양방향 PWM 인버터(12) 각각의 교류 입출력단과 매칭 트랜스포머(13) 사이에 각각 시리즈(series)로 연결된 인덕터와 션트(shunt)로 연결된 캐패시터를 포함하는 LC 필터(16)를 포함할 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 실시형태에서, 매칭 트랜스포머(13)는 각각의 양방향 PWM 인버터(12)의 교류 입출력단(에너지 저장 모듈(10)의 입출력단) 측에 각각 연결된 복수의 저압측 코일(132)과 상기 복수의 저압측 코일(132)과 각각 전자기 유도 결합되는 복수의 고압측 코일(131)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 고압측 코일(131)은 상호 직렬 연결되며, 이 고압측 코일(131)의 직렬 연결 구조는 계통(14) 또는 부하(15)에 연결될 수 있다.
도 2에 도시된 실시형태에서, 매칭 트랜스포머(13)의 상호 직렬 연결된 복수의 고압측 코일(131)에 의해, 각 에너지 저장 모듈(10)로부터 최종적으로 계통(14)이나 부하(15)로 제공되는 교류전압 및 교류전류의 용량은 다수의 배터리 셀을 포함하여 셀 평형회로를 구비하게 되는 종래의 에너지 저장 장치와 동일하게 된다. 예를 들어, 종래에 배터리 셀의 개수가 60개로 구성되는 단일 배터리 팩과 그에 연결된 하나의 양방향 PWM 인버터를 갖는 에너지 저장 장치를 대신하여, 도 2에 도시된 것과 같이, 20개의 에너지 저장 모듈(10)로 나누어 에너지 저장 장치를 구현하면, 에너지 저장 모듈(10) 각각에 할당되는 직렬 연결된 배터리 셀의 개수는 3개가 된다. 이와 같이, 하나의 에너지 저장 모듈(10)에 할당된 전압이 1/20로 낮아지면 각 에너지 저장 모듈(10)에서 출력되는 교류측 전압의 크기도 1/20의 비율로 낮아진다. 그러나, 매칭 트랜스포머(13)의 고압측 코일(131)을 도 2와 같이 상호 직렬 연결하면 직류측 직렬 배터리 셀을 60개 사용하는 종래의 에너지 저장 장치와 같은 크기의 교류 전압을 확보할 수 있다. 다시 말해, 전력 변환의 관점에서, 통상적인 단일 배터리 팩과 단일 양방향 PWM 인버터를 적용한 에너지 저장 장치 대신, 20개의 모듈형 에너지 저장 모듈(10)로 나누어 직렬 결합하여도 부피나 중량 및 가격적인 면에서 큰 차이가 없게 된다.
다음으로, 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는, 도 2에 도시된 실시형태와 동일한 구조의 매칭 트랜스포머(13)를 갖는다. 다만, 도 3에 도시된 실시형태는, 각 에너지 저장 모듈(10)의 입출력단에 LC 필터를 접속하지 않고, 매칭 트랜스포머(13)의 누설 인덕턴스를 활용하여 필터 인덕터로 사용하고, 필터 커패시터는 매칭 트랜스포머(13)의 고압측 코일의 직렬 연결구조에 공통으로 션트 접속시켜 필터를 구성할 수 있다. 이러한 필터 구조는 필터 커패시터의 연결이 용이하여 제작이 간단하고, 필터 커패시터의 관리가 용이해지는 장점이 있다.
다음으로, 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는, 매칭 트랜스포머(13)의 고압측 코일을 공통 철심에 감고 저압측 코일을 다중으로 감아서 구현한 형태이다. 즉, 도 4의 실시형태에서, 매칭 트랜스포머(13)는 각각의 양방향 PWM 인버터(12)의 교류 입출력단(에너지 저장 모듈(10)의 입출력단) 측에 각각 연결된 복수의 저압측 코일(132)과, 상기 복수의 저압측 코일(132)과 전자기 유도 결합되는 공통의 단일 고압측 코일(133)을 포함할 수 있다. 상기 단일 고압측 코일(133)은 계통(14) 또는 부하(15)에 연결될 수 있다. 이러한 매칭 트랜스포머(13) 구조는 매칭 트랜스포머의 고압측 전력선의 접속을 단순화 할 수 있는 장점이 있다.
도 4의 실시형태에서, LC 필터(16)는 도 2에 도시된 것과 동일한 구조로 구현될 수 있다.
다음으로, 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는, 도 4에 도시된 것과 동일한 구조의 매칭 트랜스포머(13)와, 도 3에 도시된 것과 동일한 구조의 LC 필터를 갖는 예이다.
다음으로, 도 6에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는, 매칭 트랜스포머(13)를 이용하여 에너지 저장 모듈(10)을 직렬 및 병렬로 연결하여 에너지 저장 장치를 구현한 예를 도시한다. 도 6에 도시된 실시형태에서, 에너지 저장 장치의 전체 용량을 증대시키기 위하여 배터리 또는 에너지 저장 모듈을 직접 병렬로 접속하기 보다는, 매칭 트랜스포머(13)의 고압측에서 병렬로 접속한다. 즉, 도 6의 실시형태에서, 매칭 트랜스포머(13)는 각각의 양방향 PWM 인버터(12)의 교류 입출력단(에너지 저장 모듈(10)의 입출력단) 측에 각각 연결된 복수의 저압측 코일(132)과, 상기 복수의 저압측 코일(132)과 각각 전자기 유도 결합되며 상호 병렬 연결된 복수의 고압측 코일(131)을 포함할 수 있다. 이 구조에서 각각의 고압측 코일(131)은 개별적으로 계통(14) 및 부하(15)에 연결된 형태를 가지게 된다.
이와 같은 매칭 트랜스포머(13)를 이용한 병렬 접속 기법은, 병렬 운전되는 양방향 PWM 인버터의 교류 입출력단 간에 발생하는 스위칭 주기 상의 순환전류 문제를 회피할 수 있는 장점이 있다. 또한 에너지 저장 모듈(10)의 직류측 배터리 팩(11)은 독립적으로 운전 및 관리되므로 배터리의 병렬접속에 의하여 발생될 수 있는 문제를 회피할 수 있다.
도 6의 실시형태에서, LC 필터(16)는 도 2에 도시된 것과 동일한 구조로 구현될 수 있다.
다음으로, 도 7에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는, 도 6에 도시된 것과 동일한 구조의 매칭 트랜스포머(13)와, 도 3에 도시된 것과 동일한 구조의 LC 필터를 갖는 예이다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 사용한 에너지 저장 장치는 배터리의 관리 측면에 있어서 매우 우수한 장점을 갖는다.
첫째로, 종래의 단일 전력 변환 구조를 사용하는 경우 하나의 배터리 팩 내에서 상호 직렬 연결된 다수의 배터리 셀 중 한 개가 고장날 확률은 복수의 에너지 저장 모듈로 분할한 것에 비해 매우 높다. 즉, 직렬 연결된 배터리 셀의 개수가 증가할수록 고장의 확률이 높아진다. 본 발명의 일 실시형태에 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는 하나의 양방향 PWM 인버터의 직류 링크 측에 직렬 연결되는 배터리의 수를 종래에 비해 감소시켜 배터리 고장의 확률을 현저하게 감소시킬 수 있다.
둘째로, 본 발명의 일 실시형태에 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는, 배터리 셀의 고장을 감시하기가 용이하다. 예를 들어 60개의 직렬 연결된 배터리 셀을 통합적으로 감시하는 것 보다는, 2~3개의 소규모로 직렬연결된 배터리 셀을 감시하는 것이 훨씬 용이하고 정확할 수 있다.
셋째로, 본 발명의 일 실시형태에 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는 보수유지가 간편하고 비용이 적게 든다. 종래의 에너지 저장 장치에서는 하나의 배터리 셀이 고장날 경우 배터리 팩 전체를 교체하여야 하지만, 본 발명의 일 실시형태는 고장이 발생한 배터리 셀을 갖는 배터리 팩 또는 에너지 저장 모듈만 교체하면 되기 때문에 배터리 교체비용이 적게 들고, 교체과정이 간단하여 보수유지 비용이 적게 발생한다. 더욱이 표준화된 에너지 저장 모듈을 사용하게 되면, 운전 중에도 고장난 에너지 저장 모듈 핫스와프(hot-swap) 방식으로 간단히 교체할 수 있다.
넷째로, 본 발명의 일 실시형태에 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는 셀 평형 회로가 따로 필요 없으므로, 전체 시스템의 에너지효율이 높아지고, 제품의 무게, 크기 및 제조원가가 감소한다.
마지막으로, 본 발명의 일 실시형태에 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는 고장감내(FRT: Fault ride Through) 운전이 가능하다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀 중 하나의 배터리 셀이 고장 나는 경우, 해당 배터리 셀을 사용하는 에너지 저장 모듈을 정지시키고 교류 측을 바이패스 시킴으로써 고장 중에도 연속적인 운전이 가능하다. 고장난 에너지 저장 모듈은 시간적 여유를 확보하고 추후에 교체 가능하다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는 비상상황에서의 대처능력이 향상시킬 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 에너지 저장 모듈 11: 배터리 팩
12: 양방향 PWM 인버터 13: 매칭 트랜스포머
131, 133: 고압측 코일 132: 저압측 코일
14: 계통(계통 전원) 15: 부하

Claims (14)

  1. 상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하는 복수의 배터리 팩;
    상기 배터리 팩 마다 각각 연결되며, 상기 배터리 팩의 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하고, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩으로 제공하는 복수의 양방향 PWM 인버터; 및
    상기 복수의 양방향 PWM 인버터로부터 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 계통 또는 부하로 제공하고, 상기 계통으로부터 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 상기 복수의 양방향 PWM 인버터 각각에 제공하는 매칭 트랜스포머
    를 포함하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 개수는, 상호 직렬 연결된 배터리 셀 간의 셀 불평형 현상을 발생시키지 않는 개수인 것을 특징으로 하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 매칭 트랜스포머는,
    상기 복수의 양방향 PWM 인버터의 교류 입출력단에 각각 연결된 복수의 저압측 코일; 및 상기 복수의 저압측 코일과 각각 전자기 유도 결합되는 복수의 고압측 코일을 포함하며,
    상기 복수의 고압측 코일은 상호 직렬 연결되며, 상기 고압측 코일의 직렬 연결 구조는 상기 계통 또는 부하에 연결된 것을 특징으로 하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 매칭 트랜스포머는,
    상기 복수의 양방향 PWM 인버터의 교류 입출력단에 각각 연결된 복수의 저압측 코일; 및 상기 복수의 저압측 코일과 공통으로 전자기 유도 결합되는 단일 고압측 코일을 포함하며,
    상기 단일 고압측 코일은 상기 계통 또는 부하에 연결된 것을 특징으로 하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 매칭 트랜스포머는,
    상기 복수의 양방향 PWM 인버터의 교류 입출력단에 각각 연결된 복수의 저압측 코일; 및 상기 복수의 저압측 코일과 각각 전자기 유도 결합되며 상호 병렬 연결된 복수의 고압측 코일을 포함하며,
    상기 복수의 고압측 코일 각각은 상기 계통 또는 부하에 연결된 것을 특징으로 하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 양방향 PWM 인버터 각각과 상기 매칭 트랜스포머 사이에 각각 시리즈로 연결된 인덕터와, 션트로 연결된 캐패시터를 포함하는 LC 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매칭 트랜스포머의 누설 인덕턴스와 상기 매칭 트랜스포머의 고압측 코일에 션트로 연결된 캐패시터로 구현되는 LC 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  8. 상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하는 배터리 팩과, 상기 배터리 팩의 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하여 출력하고, 교류 전력을 제공받아 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩으로 제공하는 양방향 PWM 인버터를 포함하는 복수의 에너지 저장 모듈; 및
    상기 복수의 에너지 저장 모듈로부터 출력된 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 계통 또는 부하로 제공하고, 상기 계통으로부터 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 상기 복수의 에너지 저장 모듈로 제공하는 매칭 트랜스포머
    를 포함하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 개수는, 상호 직렬 연결된 배터리 셀 간의 셀 불평형 현상을 발생시키지 않는 개수인 것을 특징으로 하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 매칭 트랜스포머는,
    상기 복수의 에너지 저장 모듈의 입출력단에 각각 연결된 복수의 저압측 코일; 및 상기 복수의 저압측 코일과 각각 전자기 유도 결합되는 복수의 고압측 코일을 포함하며,
    상기 복수의 고압측 코일은 상호 직렬 연결되며, 상기 고압측 코일의 직렬 연결 구조는 상기 계통 또는 부하에 연결된 것을 특징으로 하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 매칭 트랜스포머는,
    상기 복수의 에너지 저장 모듈의 입출력단에 각각 연결된 복수의 저압측 코일; 및 상기 복수의 저압측 코일과 공통으로 전자기 유도 결합되는 단일 고압측 코일을 포함하며,
    상기 단일 고압측 코일은 상기 계통 또는 부하에 연결된 것을 특징으로 하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 매칭 트랜스포머는,
    상기 복수의 에너지 저장 모듈의 입출력단에 각각 연결된 복수의 저압측 코일; 및 상기 복수의 저압측 코일과 각각 전자기 유도 결합되며 상호 병렬 연결된 복수의 고압측 코일을 포함하며,
    상기 복수의 고압측 코일 각각은 상기 계통 또는 부하에 연결된 것을 특징으로 하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 저장 모듈 각각과 상기 매칭 트랜스포머 사이에 각각 시리즈로 연결된 인덕터와, 션트로 연결된 캐패시터를 포함하는 LC 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  14. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매칭 트랜스포머의 누설 인덕턴스와 상기 매칭 트랜스포머의 고압측 코일에 션트로 연결된 캐패시터로 구현되는 LC 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치.
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