KR20150064368A

KR20150064368A - 배터리 시스템 및 배터리 연결방법

Info

Publication number: KR20150064368A
Application number: KR1020130148994A
Authority: KR
Inventors: 황의정
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-11
Also published as: US20150155602A1; JP6678387B2; CN104701926A; CN104701926B; EP2884575B1; EP2884575A3; JP2015109796A; KR101631065B1; US9865901B2; EP2884575A2

Abstract

본 발명은 배터리 시스템 및 배터리 연결방법에 관한 것으로, 복수의 제1 배터리가 병렬 연결되어 구성되는 모듈과 제2 배터리간의 경로 상에 구비되는 제1 스위치; 상기 제1 스위치와 병렬로 연결되는 제2 스위치; 상기 제2 스위치와 직렬로 연결되는 저항소자; 및 상기 제2 배터리와 상기 모듈을 연결하기 위해 상기 제2 스위치를 온하고, 상기 제2 배터리의 전압 및 상기 모듈의 전압간의 차가 기 설정된 값에 도달하는 경우 상기 제1 스위치를 온 하는 배터리 관리부(BMS)를 포함하는 배터리 시스템이 제공된다.

Description

배터리 시스템 및 배터리 연결방법{Battery system and method for connecting battery}

본 발명의 실시예들은 배터리 시스템 및 배터리 연결방법에 관한 것이다.

환경 파괴, 자원 고갈 등이 심각한 문제로 제기되면서, 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 이와 함께 발전 과정에서 공해를 유발하지 않거나 적게 유발하는 신재생 에너지에 대한 관심도 높아지고 있다. 에너지 저장 시스템은 이러한 신재생 에너지, 전력을 저장하는 배터리 시스템, 그리고 기존의 계통을 연계시키는 시스템으로서 오늘날의 환경 변화에 맞추어 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.

이중 배터리 시스템은 외부로부터 전력을 공급받아 전력을 저장할 수 있으며, 저장되어 있는 전력을 외부로 공급할 수 있다. 배터리 시스템의 필요한 용량을 확보하기 위해서는 복수의 배터리를 병렬로 연결하여 구성하는 것이 일반적이다. 이때, 복수의 배터리 중 어느 하나의 배터리가 고장 발생으로 정지되거나 용량 확장이 필요한 경우 추가적으로 배터리를 연결하여야 한다.

본 발명의 실시 예들이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 배터리 시스템에 배터리가 안정적으로 연결될 수 있도록 하는 제어수단을 포함하는 배터리 시스템 및 배터리 연결방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 복수의 제1 배터리가 병렬 연결되어 구성되는 모듈과 제2 배터리 간의 경로 상에 구비되는 제1 스위치; 상기 제1 스위치와 병렬로 연결되는 제2 스위치; 상기 제2 스위치와 직렬로 연결되는 저항소자; 및 상기 제2 배터리와 상기 모듈을 연결하기 위해 상기 제2 스위치를 온 하고, 상기 제2 배터리의 전압 및 상기 모듈의 전압간의 차가 기 설정된 값에 도달하는 경우 상기 제1 스위치를 온 하는 배터리 관리부(BMS)를 포함하는 배터리 시스템이 제공된다.

상기 배터리 관리부는 상기 제2 배터리의 전압을 측정하며, 상기 제2 배터리와 인접한 상기 제1 배터리의 배터리 관리부로부터 상기 모듈의 전압을 수신할 수 있다.

상기 배터리 관리부는 상기 제2 스위치의 듀티비를 제어하여 상기 제2 스위치의 온/오프를 제어할 수 있다.

상기 배터리 관리부는 상기 제2 스위치의 최초 동작 시 기 설정된 듀티비로 상기 제2 스위치의 온/오프를 제어하며, 상기 듀티비를 점차 증가시킬 수 있다.

상기 배터리 관리부는 상기 저항소자에 흐르는 전류가 기 설정된 임계전류 값에 도달하는 경우, 상기 듀티비를 증가시키고, 상기 임계전류 값을 낮춰서 재 설정할 수 있다.

상기 저항소자의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함할 수 있다.

상기 배터리 관리부는 상기 온도 측정부에서 측정되는 상기 저항소자의 온도가 기 설정된 위험 온도 이하를 유지하도록 상기 제2 스위치의 듀티비를 제어할 수 있다.

상기 배터리 관리부는 상기 저항 소자의 온도가 기 설정된 위험 온도에 도달하는 경우 제2 스위치의 듀티비를 최초 설정된 듀티비 보다 낮게 설정하며, 상기 저항 소자의 온도가 기 설정된 안전 온도에 도달하는 경우 상기 제2 스위치의 듀티비를 상기 최초 설정된 듀티비 보다 높게 설정할 수 있다.

상기 저항소자는 가변저항일 수 있다.

상기 배터리 관리부는 상기 제2 스위치를 온 한 후, 시간의 흐름에 따라 상기 가변저항의 크기를 감소시킬 수 있다.

상기 배터리 관리부는 상기 저항소자에 흐르는 전류가 임계전류 값 이하로 떨어지는 경우 상기 가변저항의 크기를 감소시키며, 상기 임계전류 값을 기 설정된 값만큼 낮추어서 재설정할 수 있다.

상기 배터리 관리부는 상기 제1 스위치의 온과 동시에 상기 제2 스위치를 오프할 수 있다.

상기 모듈은 에너지 저장 시스템에서 에너지를 저장하는 병렬로 연결된 복수의 배터리 트레이로 이루어진 배터리 랙이며, 상기 제2 배터리는 상기 배터리 랙에 병렬로 연결되는 배터리 트레일 수 있다

상기 배터리 관리부는 상기 복수의 배터리 트레이에 각각 연결되어, 상기 배터리 트레이의 전압, 전류 및 온도를 모니터링 하는 트레이 BMS일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수의 제1 배터리가 병렬 연결되어 구성되는 모듈과 제2 배터리 간의 경로 상에 제1 스위치를 연결하는 단계; 상기 제1 스위치와 병렬로 제2 스위치 및 저항소자를 연결하는 단계; 상기 제2 배터리와 상기 모듈을 연결하기 위해 상기 제2 스위치를 제어하는 단계; 및 상기 제2 배터리의 전압 및 상기 모듈의 전압 간의 차가 기 설정된 값에 도달하는 경우 상기 제1 스위치를 온 하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 제2 스위치를 제어하는 단계는, 기 설정된 듀티비로 상기 제2 스위치의 온/오프를 제어하는 단계(a); 상기 저항소자에 흐르는 전류가 기 설정된 임계전류 값에 도달하는 경우 상기 기 설정된 듀비티를 증가시켜서 재설정하는 단계(b); 상기 임계 전류 값을 감소시켜 재설정하는 단계(c); 및

상기 제2 배터리의 전압 및 상기 모듈의 전압 간의 차기 기 설정된 값에 도달할 때까지 상기 (a) 단계 내지 (c) 단계를 반복 수행하는 단계(d)를 포함할 수 있다.

상기 제2 스위치를 제어하는 단계는, 상기 저항소자의 온도가 기 설정된 위험 온도 이하를 유지하도록 상기 제2 스위치의 듀티비를 제어할 수 있다.

상기 저항소자는 가변저항이며, 상기 제2 스위치를 제어하는 단계는,

상기 제2 스위치를 온 하는 단계(a); 상기 저항소자에 흐르는 전류가 임계전류 값에 도달하는 경우 상기 가변 저항의 저항 크기를 감소시키는 단계(b); 상기 임계 전류 값을 감소시켜 재설정하는 단계(c); 및 상기 제2 배터리의 전압 및 상기 모듈의 전압 간의 차기 기 설정된 값에 도달할 때까지 상기 (b) 단계 내지 (c) 단계를 반복 수행하는 단계(d)를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 배터리 시스템에 배터리가 안정적으로 연결될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 배터리 랙의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 새로 연결되는 배터리 트레이와 배터리 랙간에 흐르는 전류의 크기를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 스위치의 듀티비를 제어하는 경우의 새로 연결되는 배터리 트레이와 배터리 랙간에 흐르는 전류의 크기를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 연결 과정을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제2 스위치를 제어하는 단계를 구체적으로 도시한 순서도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 스위치를 제어하는 단계를 구체적으로 도시한 순서도이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2), 계통(3)으로부터 공급 받은 전력을 부하(4)에 공급한다.

발전 시스템(2)은 에너지원에 따라서 전력을 생산한다. 발전 시스템(2)은 생산한 전력을 에너지 저장 시스템(1)에 공급한다. 발전 시스템(2)은, 예를 들어, 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템, 지열 발전 시스템 등일 수 있다. 발전 시스템(2)은 태양열이나 지열 등, 에너지원을 이용하여 전력을 생산하는 모든 종류의 발전 시스템들을 포함할 수 있다. 특히 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 태양전지가 에너지 저장 시스템(1)으로 사용될 수 있다. 에너지 저장 시스템(1)을 사용하여 발전 시스템(2)의 전력이 가정이나 공장에 분배될 수 있다. 발전 시스템(2)은 다수의 발전 모듈을 구비하고 발전 모듈별로 전력을 생산하는 대용량 에너지 시스템을 포함할 수 있다.

계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비할 수 있다. 계통(3)은 정상 상태인 경우, 에너지 저장 시스템(1)으로 전력을 공급하여 부하(4) 및/또는 배터리 시스템(20)에 전력이 공급되도록 한다. 또한 계통(3)은 에너지 저장 시스템(1)으로부터 전력을 공급받는다. 계통(3)이 비정상 상태인 경우, 계통(3)으로부터 에너지 저장 시스템(1)으로의 전력 공급은 중단되고, 에너지 저장 시스템(1)으로부터 계통(3)으로의 전력 공급 또한 중단된다.

부하(4)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력, 배터리 시스템(20)에 저장된 전력 및/또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비한다. 가정이나 공장 등이 선택적으로 부하(4)에 포함될 수 있다.

에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하고, 생산한 전력을 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 계통(3)이 비정상 상태일 경우, 예를 들면 정전이 발생한 경우에는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 동작을 수행하여 부하(4)에 전력을 공급할 수 있다. 또한 에너지 저장 시스템(1)은 계통(3)이 정상인 상태에서도 발전 시스템(2)이 생산한 전력이나 배터리 시스템(20)에 저장되어 있는 전력을 부하(4)로 공급할 수 있다.

본 실시예의 에너지 저장 시스템(1)은 전력 변환을 제어하는 전력 변환 시스템(Power Conversion System, 이하 'PCS'라 함)(10), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)등을 포함한다.

PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 시스템(20)으로부터 공급받은 전력을 계통(3), 부하(4), 배터리 시스템(20)에 적절한 형태로 변환한다. PCS(10)는 입력/출력 단자로의 전력 변환 및 입력/출력 단자로부터의 전력 변환을 수행하며, 이때 상기 전력 변환은 DC/AC 변환 및 제1 전압과 제2 전압 사이의 변환일 수 있다. PCS(10)는 변환된 전력을 통합 제어기(15)의 제어에 의해 동작 모드에 따라서 적절한 목적지로 공급한다. PCS(10)는 전력 변환부(11), DC 링크부(12), 인버터(13), 컨버터(14), 통합 제어기(15)를 포함한다.

전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)과 DC 링크부(12) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 DC 링크부(12)로 전달한다. 전력 변환부(11)로부터의 출력 전압은 직류 링크 전압이다.

전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 컨버터, 정류회로 등의 전력 변환 회로로 구성될 수 있다. 예를 들어, 발전 시스템(2)이 생산하는 전력이 직류인 경우, 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)의 직류 전력의 전압 레벨을 DC 링크부(12)의 직류 전력의 전압 레벨로 변환하기 위한 컨버터를 포함할 수 있다. 그러나, 발전 시스템(2)이 생산하는 전력이 교류인 경우, 전력 변환부(11)는 교류를 직류로 변환하기 위한 정류회로일 수 있다. 특히 발전 시스템(2)이 태양광 발전 시스템인 경우, 전력 변환부(11)는 일사량, 온도 등의 상태 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. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생산되는 전력이 없을 때에는 소비 전력을 최소화시키기 위하여 동작을 중지할 수도 있다.

직류 링크 전압은 발전 시스템(2) 또는 계통(3)에서의 순시 전압 강하, 부하(4)의 급격한 변화나 높은 부하량 요구 등으로 인하여 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 유지시킨다. DC 링크부(12)로서 예를 들어 대용량 커패시터 등을 포함할 수 있다.

인버터(13)는 DC 링크부(12)와 제1 스위치(30) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 인버터(13)는 방전 모드에서 DC 링크부(12)로부터의 직류 출력 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하는 인버터를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(13)는 충전 모드에서 계통(3)의 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하기 위하여, 계통(3)의 교류 전압을 정류하고 직류 링크 전압으로 변환하여 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다. 즉, 인버터(13)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 인버터 일 수 있다.

인버터(13)는 계통(3)으로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(13)는 무효 전력 손실을 억제하기 위하여 인버터(13)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 그 밖에 인버터(13)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena)에 대한 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다. 인버터(13)는 사용되지 않을 때, 전력 소비를 최소화하기 위하여 동작을 중지시킬 수도 있다.

컨버터(14)는 DC 링크부(12)와 배터리 시스템(20) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 컨버터(14)는 방전 모드에서 배터리 시스템(20)으로부터 출력된 전력의 전압을 인버터(13)를 위한 직류 링크 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 포함한다. 또한, 컨버터(14)는 충전 모드에서 전력 변환부(11)나 인버터(13)에서 출력되는 전력의 전압을 배터리 시스템(20)용 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 즉, 컨버터(14)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 컨버터일 수 있다. 컨버터(14)는 배터리 시스템(20)의 충전 또는 방전에 사용되지 않는 경우에는 동작을 중지시켜 전력 소비를 최소화할 수도 있다.

통합 제어기(15)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 시스템(20) 및 부하(4)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라서 전력 변환부(11), 인버터(13), 컨버터(14), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 제2 스위치(40)의 동작을 제어한다. 통합 제어기(15)는 계통(3)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력을 생산하는 경우 그 생산량, 배터리 시스템(20)의 충전 상태, 부하(4)의 소비 전력량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다. 또한, 통합 제어기(15)는, 예를 들어 계통(3)에 정전이 발생하는 등, 부하(4)로 공급할 전력이 충분하지 않은 경우에는 부하(4) 내에 포함된 전력 사용 기기들에 대하여 우선 순위를 정하고, 우선 순위가 높은 전력 사용 기기로 전력을 공급하도록 부하(4)를 제어할 수도 있을 것이다.

제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)는 인버터(13)와 계통(3) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(15)의 제어에 따라서 온/오프 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 스위치(30)와 제2 스위치(40)는 발전 시스템(2), 계통(3) 및 배터리 시스템(20)의 상태에 따라서 온/오프가 결정될 수 있다.

구체적으로, 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)의 전력을 부하(4)로 공급하기 위하여, 계통(3)의 전력을 배터리 시스템(20)에 공급하기 위하여 제 1 스위치(30)를 온 상태로 한다. 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)의 전력을 계통(3)으로 공급하기 위하여 또는 계통(3)의 전력을 부하(4) 및/또는 배터리 시스템(20)에 공급하기 위하여 제2 스위치(40)를 온 상태로 한다. 제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)로는 큰 전류에 견딜 수 있는 릴레이(relay) 등의 스위칭 장치가 사용될 수 있다.

계통(3)에서 정전이 발생한 경우에는, 제2 스위치(40)를 오프 시켜 제1 스위치(30)를 온 상태로 한다. 즉, 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)으로부터의 전력을 부하(4)에 공급하는 동시에, 부하(4)로 공급되는 전력이 계통(3) 측으로 흐르는 것을 방지한다. 에너지 저장 시스템(1)이 정전이 발생한 계통(3)과 단절되어 계통(3)으로 전력을 공급하는 것을 방지한다. 이로 인하여 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는, 예를 들어 계통(3)의 정전을 수리하는 인부가 에너지 저장 시스템(1)으로부터의 전력에 의하여 감전되는 등의 사고를 방지할 수 있게 한다.

배터리 시스템(20)은 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)의 전력을 공급받아 저장하고, 부하(4) 또는 계통(3)에 저장하고 있는 전력을 공급한다. 배터리 시스템(20)은 전력을 저장하는 부분과 이를 제어 및 보호하는 부분을 포함할 수 있다. 이하, 도 2를 참조하여 배터리 시스템(20)에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 배터리 시스템(20)은 배터리 랙(Rack, 110), 랙 BMS(Battery Management System)(120), 랙 보호회로(130)를 포함할 수 있다.

배터리 랙(110)은 외부, 즉 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 저장하고, 저장하고 있는 전력을 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)으로 공급한다. 배터리 랙(110)은 복수의 서브 유닛을 포함할 수 있으며, 도 3을 참조하여 자세히 설명하도록 한다.

도 3은 일 실시예에 따른 배터리 랙의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 배터리 랙(110)은 서브 유닛으로서 직렬 및/또는 병렬로 연결된 하나 이상의 배터리 트레이(Tray)(111-1, ... 111-n)를 포함할 수 있다. 또한, 각각의 배터리 트레이는 그 서브 유닛으로서 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 배터리 셀로는 충전 가능한 다양한 이차 전지가 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀에 사용되는 이차 전지는 하나 이상의 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battey), 리튬 이온 전지(lithium battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등을 포함할 수 있다.

배터리 랙(110)은 복수의 배터리 트레이(111-1,..., 111-n)의 연결방법에 따라서 원하는 출력을 공급할 수 있으며, 양극 출력 단자(R+)와 음극 출력 단자(R-)를 통하여 랙 보호회로(130)로 전력을 출력한다.

또한, 배터리 랙(110)은 하나 이상의 배터리 트레이(111-1,..., 111-n) 각각에 대응하는 적어도 하나의 트레이 BMS(112-1,..., 112-n)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 트레이 BMS(112-1,...,112-n) 각각은 대응하는 배터리 트레이(111-1, ..., 111-n)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 한다. 모니터링 결과는 이웃하는 트레이 BMS로 전송할 수 있다.

트레이 BMS(112-1,...,112-n)들의 모니터링 결과는 하나의 트레이 BMS(112-1)로 취합될 수 있으며, 취합된 모니터링 데이터(DM)은 랙 BMS(120)로 전송된다. 또한, 상기 트레이 BMS(112-1)는 랙 BMS(120)로부터 배터리 랙(110)의 충전 또는 방전을 제어하기 위한 제어신호(Sc)를 수신할 수도 있다. 본 실시예에서는 모니터링 결과를 취합하고 제어신호(Sc)를 수신하는 트레이 BMS를 가장 위에 위치한 트레이 BMS(112-1)로 설정하였으나, 다른 구성도 가능하다. 예를 들어, 마지막에 위치한 트레이 BMS(112-n)가 모니터링 결과를 취합하고 제어신호(Sc)를 수신할 수도 있을 것이다. 또한, 다른 실시예로서, 모니터링 결과를 취합하여 모니터링 데이터(Dm)를 랙 BMS(120)로 전송하는 트레이 BMS와 제어신호를 수신하는 트레이 BMS가 다르도록 설정할 수도 있을 것이다.

다시 도 2로 돌아가, 랙 BMS(120)는 배터리 랙(110)에 연결되며, 배터리 랙(110)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. 또한, 랙 BMS(120)는 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 벨런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, 랙 BMS(120)는 배터리 랙(110)으로부터 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등에 대한 모니터링 데이터(Dm)를 수신하고, 모니터링 결과에 따라서 제어신호(Sc)를 생성하여 랙 보호회로(130)를 제어할 수 있다. 또한, 랙 BMS(120)는 수신한 모니터링 데이터(Dm)를 통합 제어기(15)에 인가할 수 있으며 통합 제어기(15)로부터 배터리 랙(110)의 제어에 관련된 명령을 수신할 수도 있을 것이다.

도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙의 구성을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 배터리 랙(220)은 서브 유닛으로서 병렬로 연결된 하나 이상의 배터리 트레이211-1,..., 211-n)를 포함한다. 또한, 각각의 배터리 트레이는 그 서브 유닛으로서 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다.

배터리 랙(220)은 복수의 배터리 트레이(211-1,..., 211-n)의 양극 출력 단자(R+)와 음극 출력 단자(R-)를 통하여 랙 보호회로(130)로 전력을 출력한다.

배터리 랙(220)은 복수의 배터리 시스템(20)의 용량을 확장하기 위해 배터리 트레이가 병렬로 추가로 연결되거나, 고장난 배터리 트레이를 교체하기 위해 배터리 랙(220)에 배터리 트레이가 새로 연결될 수 있다. 이 경우, 배터리 랙(220)의 전압(R+와 R- 간의 전압)과 새로 추가되는 배터리 트레이의 전압 차가 큰 경우 어느 한쪽으로 큰 전류가 흐르게 되어 장비의 고장을 초래할 위험이 있다.

이를 방지하기 위해서는 배터리 트레이를 새로 연결할 때 배터리 트레이의 전압과 배터리 랙(220)의 시스템 전압을 동일하게 조정한 후 연결하면 되지만, 이 경우 별도의 충전 또는 방전 설비를 갖추어야 하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 새로운 배터리 트레이를 전원을 가진 모듈인 배터리 랙(220)에 연결할 시 배터리 트레이 또는 배터리 랙(220)으로 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위해, 배터리 트레이와 배터리 랙(220)사이에 연결 제어 회로를 설치하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는, 설명의 편의를 위해 복수개의 배터리 트레이 중 제2 배터리 트레이(211-2)가 배터리 랙(220)에 새롭게 연결되는 것으로 하여 본 발명에 대해 설명하도록 하며, 연결 제어 회로가 제2 배터리 트레이(211-2)와 배터리 랙(220)간의 경로 사이에 구비되는 것으로 설명하도록 한다. 그러나, 연결 제어 회로는 복수 개의 배터리 트레이 각각과 배터리 랙(220)간의 경로 사이에 구비될 수 있을 것이다.

연결 제어 회로는 제2 배터리 트레이(211-2)와 복수의 배터리 트레이가 병렬 연결되어 구성되는 모듈인 배터리 랙(220)간의 경로 상에 구비되는 제1 스위치(231), 제2 배터리 트레이(211-2)와 배터리 랙(220)간의 경로 상에 구비되며, 상기 제1 스위치(231)와 병렬로 연결되는 제2 스위치(233) 및 상기 제2 스위치(233)와 직렬로 연결되는 전류 제한용 저항소자(235)를 포함할 수 있다.

제2 트레이 BMS(212-2)는 제2 배터리 트레이(211-2)의 전압, 전류 온도 등을 모니터링 하며, 이웃하는 트레이 BMS로부터 배터리 랙(220) 전체의 시스템 전압 정보를 수신할 수 있다. 또는, 랙 BMS(120)를 통해 배터리 랙(220)의 전압 정보를 수신할 수 있다.

제2 트레이 BMS(212-2)는 제2 배터리 트레이(211-2)와 배터리 랙(220)간을 연결하기 위해 우선 제2 스위치(233)을 온 한다. 제2 스위치(233)에는 전류 제한용 저항소자(235)가 연결되어 있으므로, 제1 스위치(231)를 통해 제2 트레이 BMS(212-2)와 배터리 랙(220)이 직접 연결한 경우 흐를 수 있는 과전류를 방지할 수 있다.

배터리 랙(220)과 연결된 제2 배터리 트레이(211-2)는 배터리 랙(220) 과의 전압 차에 의해 충전 또는 방전이 수행되며, 이에 따라 제2 배터리 트레이(211-2)와 배터리 랙(220)간의 전압 차는 감소하게 된다.

제2 트레이 BMS(212-2)는 제2 배터리 트레이(211-2)의 전압 및 배터리 랙(220)의 전압간의 차가 기 설정된 값에 도달하는 경우 제1 스위치(231)를 온 한다.

즉, 제2 배터리 트레이(211-2)의 전압 및 배터리 렉(220)간의 전압 차에 의해 어느 일 방향으로 흐르는 전류의 크기가 제2 배터리 트레이(211-2) 또는 배터리 랙(220)의 내부 구성부품 등에 영향을 미치지 않는 조건 이내라면, 제1 스위치(231)를 통해 제2 배터리 트레이(211-2)를 배터리 렉(220)에 직접 연결한다. 제2 트레이 BMS(212-2)는 제1 스위치의 온과 동시에 제2 스위치를 오프할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 새로 연결되는 배터리 트레이와 배터리 랙간에 흐르는 전류의 크기를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 배터리 트레이와 배터리 랙 간에 흐르는 전류는 하기의 수학식과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, I는 추가되는 배터리 트레이와 배터리 랙 간에 흐르는 전류, V1은 제2 배터리 트레이(211-2)의 전압, V2는 배터리 랙(220)의 전압, R은 저항소자(235)의 저항 값을 각각 의미한다.

도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 제2 배터리 트레이(211-2)와 배터리 랙(220) 간에 흐르는 전류는 제1 스위치(231)를 온 하는 순간부터 흐르기 시작하여 점차 감소한다. 그러나, V1과 V2 간의 전압 차가 감소할수록 전류의 감소하는 폭 또한 작아지게 되며, V1 과 V2간의 전압 차가 기 설정된 범위 내가 된 경우 흐르는 목표 전류에 도달하기까지 많은 시간이 소요된다.

상기 목표전류에 도달하는 시간까지의 시간을 단축시키기 위해서는 낮은 저항값을 가지는 저항소자(235)를 사용할 수 있다. 그러나, 이 경우에는 짧은 시간 안에 저항 소자(235)에 많은 전류가 흐르게 되어 과도한 발열에 의한 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 낮은 저항값을 갖는 저항 소자(235)가 연결된 제2 스위치(233)의 듀티비를 제어하여 제2 스위치(233)의 온/오프를 제어함으로써 저항소자(235)의 발열 문제를 해결하면서, V1과 V2간의 전압 차가 빠른 시간 안에 기 설정된 범위 이내가 되도록 조정할 수 있다.

보다 상세하게, 제2 트레이 BMS(212-2)는 제2 스위치(233)의 최초 동작 시 기 설정된 듀티비로 제2 스위치(233)의 온/오프를 제어한다.

이때, 최초 동작 시 설정되는 듀티비는 저항소자(235)의 저항값과 발열 조건에 따라 시스템에 영향을 미치지 않는 범위 내에서의 듀티비로 결정될 수 있다.

이후, 제2 트레이 BMS(212-2)는 저항소자(235)에 흐르는 전류가 임계전류 값에 도달할 때마다 상기 듀티비를 점차 증가시켜 제2 스위치(233)의 온/오프를 제어한다.

여기서, 임계전류 값은 전류 크기의 감소 속도가 느려지는 시점의 전류 값을 의미할 수 있다.

V1과 V2 간의 전압 차가 제2 스위치(233)의 최초 동작 시점보다 줄어든 시점에 제2 스위치(233)의 듀티비가 증가함으로, 듀티비 증가에 따른 저항소자의 발열문제는 발생하지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 트레이 BMS(212-2)는 듀티비가 증가할 때마다 상기 임계전류 값을 기 설정된 값만큼 낮추어 재설정할 수 있다. 시간의 흐름에 따라 듀티비가 증가할수록 V1과 V2간의 전압 차는 점차 낮아지기 때문이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 스위치의 듀티비를 제어하는 경우의 새로 연결되는 배터리 트레이와 배터리 랙간에 흐르는 전류의 크기를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 제2 스위치(233)의 최초 동작 시 듀티비 10% 동작하며, 최초 저항소자(235)에 흐르는 전류는 10A인 것으로 가정하여 설명하도록 한다.

제2 스위치(233)가 듀티비 10%로 동작하는 동안 V1과 V2간의 전압 차는 감소하게 된다. 제2 트레이 BMS(212-2)는 저항소자(235)에 흐르는 전류가 임계전류인 5A에 도달하면, 듀티비를 40%로 재설정한다. 또한, 제2 트레이 BMS(212-2)는 다음 듀티비를 변경하기 위한 기준점인 임계전류를 3.5A로 재설정한다. 듀티비 증가에 따라 전류 크기의 감소 속도가 느려지는 시점의 전류 값이 더 작아지기 때문이다. 도 6에서는 듀티비를 10%, 40%, 70%, 100%로 증가시키면서 제2 스위치(233)를 제어하는 것으로 도시하였으나, 이는 배터리 랙(220), 제2 배터리 트레이(211-2)의 용량 및 저항소자(235)의 저항값에 따라 달리 설정될 수 있을 것이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 저항소자의 온도를 측정하는 온도 측정부(미도시)가 더 구비될 수 있다.

제2 트레이 BMS(212-2)는 상기 온도 측정부에서 측정되는 저항소자(235)의 온도가 기 설정된 위험 온도 이하를 유지하도록 제2 스위치(233)의 듀티비를 제어할 수 있다. 여기서, 기 설정된 위험 온도는 제2 배터리 트레이(211-2) 또는 배터리 랙(220)에 영향을 미치지 않는 최대 온도를 의미한다.

일례로, 제2 트레이 BMS(212-2)는 최초 제2 스위치(233)의 듀티비를 50%로 하여 제2 스위치(233)의 온/오프를 제어할 수 있으며, 저항소자(235)가 기 설정된 온도에 도달하는 경우 제2 스위치(233)의 듀티비를 10%로 설정할 수 있다. 이후, 저항소자(235)의 온도가 기 설정된 안전 온도에 도달하는 경우, 다시 제2 스위치(233)의 듀티비를 70%로 설정할 수 있으며, 저항소자(235)가 기 설정된 위험 온도에 도달하는 경우 제2 스위치(233)의 듀티비를 30%로 설정할 수 있다. 다시, 저항소자(235)의 온도가 기 설정된 안전 온도에 도달하는 경우 제2 스위치(233)의 듀티비를 100%로 설정하여 제2 배터리 트레이(211-2)의 전압과 배터리 랙(220)간의 전압 차가 빠른 시간 안에 기 설정된 범위 이내가 되도록 조정할 수 있다. V1 과 V2 간의 전압 차는 시간의 흐름에 따라 감소되므로, 기 설정된 위험 온도 및 안전 온도에 도달 시 설정되는 듀티비는 이전 설정되는 듀티비 보다 큰 값을 갖도록 설정된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 저항소자(235)는 가변 저항일 수 있다. 이 경우, 제2 트레이 BMS(212-2)는 제2 스위치(233)를 온 한 후, V1 과 V2간의 전압 차이가 작아짐에도 흐르는 전류가 일정하게 유지될 수 있도록 상기 가변 저항의 크기를 감소시킬 수 있다. 시간의 흐름에 따라 상기 가변 저항의 크기가 감소됨으로 빠른 시간 안에 V1과 V2간의 차가 기 설정된 범위 이내가 되도록 조정할 수 있다.

이하, 도 7을 참조하여 본 실시예에 따른 배터리 연결방법을 설명한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 연결 과정을 도시한 순서도이다.

도 7을 참조하면, 단계(S100)에서는 복수의 제1 배터리가 병렬로 연결되어 구성되는 모듈과 제2 배터리간의 경로 상에 제1 스위치를 연결한다.

이어서, 단계(S110)에서는 상기 제1 스위치와 병렬로 제2 스위치 및 저항소자를 연결한다.

단계(S120)은 제2 배터리와 상기 모듈을 연결하기 위해 제2 스위치를 제어하며, 상기 제2 배터리의 전압 및 상기 모듈의 전압간의 차가 기 설정된 값에 도달하는지 판단한다.

상기 제2 배터리의 전압 및 상기 모듈의 전압간의 차가 기 설정된 값에 도달하는 경우 단계(S130)에서는 제1 스위치를 온 하고 상기 제2 스위치를 오프 하여, 상기 제2 배터리와 상기 모듈간을 연결한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제2 스위치를 제어하는 단계를 구체적으로 도시한 순서도이다.

도 8을 참조하면, 단계(S121)에서 기 설정된 듀티비로 제2 스위치의 온/오프를 제어한다.

이어서, 단계(S123)에서 저항소자에 흐르는 전류가 임계전류 값에 도달되었는지 판단한다.

저항소자에 흐르는 전류가 임계전류 값에 도달하는 경우 상기 기 설정된 듀티비를 증가시켜 재설정(S125)하며, 상기 임계 전류 값을 감소시켜 재설정(S127) 한다.

단계(S129)에서는 제2 배터리의 전압 및 상기 모듈의 전압 차가 기 설정된 값에 도달했는지 판단하며, 기 설정된 값에 도달한 경우에는 단계(S130)으로 이동하여 제1 스위치를 온 하고 제2 스위치를 오프한다. 기 설정된 값에 도달하지 않은 경우 단계(S121) 내지 단계(S129)를 반복 수행한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 스위치를 제어하는 단계를 구체적으로 도시한 순서도이다.

도 9를 참조하면, 단계(221)에서 제2 스위치를 온 한다.

단계(S223)에서는 저항소자에 흐르는 전류가 임계전류 값에 도달되었는지 판단한다.

여기서, 저항소자는 가변저항이며, 저항소자 흐르는 전류가 임계전류 값에 도달한 경우, 단계(S225)에서 저항소자의 저항 크기를 감소시킨다. 또한, 단계(S227)에서 임계 전류의 크기를 감소시켜 재설정한다.

단계(S229)에서는 제2 배터리의 전압 및 상기 모듈의 전압 차가 기 설정된 값에 도달했는지 판단하며, 기 설정된 값에 도달한 경우에는 단계(S130)으로 이동하여 제1 스위치를 온 하고 제2 스위치를 오프 한다. 기 설정된 값에 도달하지 않은 경우 단계(S223) 내지 단계(S229)를 반복 수행한다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1: 에너지 저장 시스템 2: 발전 시스템
3: 계통 4: 부하
10: 전력 변환 시스템 11: 전력 변환부
12: DC 링크부 13: 인버터
14: 컨버터 15: 통합 제어기
20: 배터리 시스템 30: 제1 스위치
31: 제2 스위치
111: 배터리 랙 120: 랙 BMS
130: 랙 보호회로 111-1~n, 211-1~n: 배터리 트레이
112-1~n, 212-1~n: 트레이 BMS
231: 제1 스위치 233: 제2 스위치
235: 저항소자

Claims

복수의 제1 배터리가 병렬 연결되어 구성되는 모듈과 제2 배터리 간의 경로 상에 구비되는 제1 스위치;
상기 제1 스위치와 병렬로 연결되는 제2 스위치;
상기 제2 스위치와 직렬로 연결되는 저항소자; 및
상기 제2 배터리와 상기 모듈을 연결하기 위해 상기 제2 스위치를 온하고, 상기 제2 배터리의 전압 및 상기 모듈의 전압 간의 차가 기 설정된 값에 도달하는 경우 상기 제1 스위치를 온 하는 배터리 관리부(BMS)를 포함하는 배터리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배터리 관리부는 상기 제2 배터리의 전압을 측정하며, 상기 제2 배터리와 인접한 상기 제1 배터리의 배터리 관리부로부터 상기 모듈의 전압을 수신하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배터리 관리부는 상기 제2 스위치의 듀티비를 제어하여 상기 제2 스위치의 온/오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제3항에 있어서,
상기 배터리 관리부는 상기 제2 스위치의 최초 동작 시 기 설정된 듀티비로 상기 제2 스위치의 온/오프를 제어하며, 상기 듀티비를 점차 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 연결 제어 장차.
제4항에 있어서,
상기 배터리 관리부는 상기 저항소자에 흐르는 전류가 기 설정된 임계전류 값에 도달하는 경우, 상기 듀티비를 증가시키고, 상기 임계전류 값을 낮춰서 재설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제3항에 있어서,
상기 저항소자의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제6항에 있어서,
상기 배터리 관리부는 상기 온도 측정부에서 측정되는 상기 저항소자의 온도가 기 설정된 위험 온도 이하를 유지하도록 상기 제2 스위치의 듀티비를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제7항에 있어서,
상기 배터리 관리부는 상기 저항 소자의 온도가 기 설정된 위험 온도에 도달하는 경우 제2 스위치의 듀티비를 최초 설정된 듀티비 보다 낮게 설정하며, 상기 저항 소자의 온도가 기 설정된 안전 온도에 도달하는 경우 상기 제2 스위치의 듀티비를 상기 최초 설정된 듀티비 보다 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 저항소자는 가변저항인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제9항에 있어서,
상기 배터리 관리부는 상기 제2 스위치를 온 한 후, 시간의 흐름에 따라 상기 가변저항의 크기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제10항에 있어서,
상기 배터리 관리부는 상기 저항소자에 흐르는 전류가 임계전류 값 이하로 떨어지는 경우 상기 가변저항의 크기를 감소시키며, 상기 임계전류 값을 기 설정된 값만큼 낮추어서 재설정하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배터리 관리부는 상기 제1 스위치의 온과 동시에 상기 제2 스위치를 오프 하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 모듈은 에너지 저장 시스템에서 에너지를 저장하는 병렬로 연결된 복수의 배터리 트레이로 이루어진 배터리 랙이며,
상기 제2 배터리는 상기 배터리 랙에 병렬로 연결되는 배터리 트레인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제13항에 있어서,
상기 배터리 관리부는 상기 복수의 배터리 트레이에 각각 연결되어, 상기 배터리 트레이의 전압, 전류 및 온도를 모니터링 하는 트레이 BMS인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
복수의 제1 배터리가 병렬 연결되어 구성되는 모듈과 제2 배터리 간의 경로 상에 제1 스위치를 연결하는 단계;
상기 제1 스위치와 병렬로 제2 스위치 및 저항소자를 연결하는 단계;
상기 제2 배터리와 상기 모듈을 연결하기 위해 상기 제2 스위치를 제어하는 단계; 및
상기 제2 배터리의 전압 및 상기 모듈의 전압 간의 차가 기 설정된 값에 도달하는 경우 상기 제1 스위치를 온 하는 단계를 포함하는 배터리 연결방법.
제15항에 있어서,
상기 제2 스위치를 제어하는 단계는,
기 설정된 듀티비로 상기 제2 스위치의 온/오프를 제어하는 단계(a);
상기 저항소자에 흐르는 전류가 기 설정된 임계전류 값에 도달하는 경우 상기 기 설정된 듀비티를 증가시켜서 재설정하는 단계(b);
상기 임계 전류 값을 감소시켜 재설정하는 단계(c); 및
상기 제2 배터리의 전압 및 상기 모듈의 전압 간의 차기 기 설정된 값에 도달할 때까지 상기 (a) 단계 내지 (c) 단계를 반복 수행하는 단계(d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 연결방법.
제15항에 있어서,
상기 제2 스위치를 제어하는 단계는,
상기 저항소자의 온도가 기 설정된 위험 온도 이하를 유지하도록 상기 제2 스위치의 듀티비를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 연결방법.
제15항에 있어서,
상기 저항소자는 가변저항이며,
상기 제2 스위치를 제어하는 단계는,
상기 제2 스위치를 온 하는 단계(a);
상기 저항소자에 흐르는 전류가 임계전류 값에 도달하는 경우 상기 가변 저항의 저항 크기를 감소시키는 단계(b);
상기 임계 전류 값을 감소시켜 재설정하는 단계(c); 및
상기 제2 배터리의 전압 및 상기 모듈의 전압 간의 차기 기 설정된 값에 도달할 때까지 상기 (b) 단계 내지 (c) 단계를 반복 수행하는 단계(d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 연결방법.