KR20150085383A - 배터리 시스템 및 배터리 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템 - Google Patents

배터리 시스템 및 배터리 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기계적으로 트레이의 탈거를 감지하여 랙 관리부로의 전력 공급을 차단하는 방식으로 배터리 시스템의 충방전을 차단함으로써 안전하게 구동시킬 수 있는 배터리 시스템 및 배터리 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공한다.

Description

배터리 시스템 및 배터리 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템{Battery system, energy storage system including the battery system}
본 발명은 배터리 시스템 및 배터리 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템은 기본적으로, 전력 수요가 적을 때 전력을 저장해 두고 전력 수요가 많을 때 저장된 전력을 사용함으로써 에너지 효율 향상 및 전력 계통의 안정적 운영을 높이는 저장 장치를 말한다. 최근 지능형 전력망(smart grid)과 신재생 에너지의 보급이 확대되고 전력 계통의 효율화와 안정성이 강조됨에 따라, 전력 공급 및 수요 조절, 및 전력 품질 향상을 위해 에너지 저장 시스템에 대한 수요가 점점 증가하고 있다.
배터리를 포함하는 트레이를 다 병렬로 연결한 에너지 저장 시스템에서, 충방전 중에 트레이가 탈거되는 경우, 나머지 트레이로 순간 과전류가 흐르거나 트레이 간 전압차가 발생하여 에너지 저장 시스템에 고장을 유발할 수 있다.
일본 공개특허공보 제1995-099732호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적인 과제는 기계적으로 트레이의 탈거를 감지하여 시스템의 충방전을 차단하는 배터리 시스템 및 배터리 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제를 해결하기 위한 배터리 시스템은 각각 배터리를 포함하고 제1 접점을 갖는 복수의 트레이들; 상기 복수의 트레이들이 각각 삽입되고 각각 상기 제1 접점에 대응하는 제2 접점을 갖는 복수의 슬롯들을 포함하는 랙; 상기 제1 접점과 상기 제2 접점으로 이루어지고, 상기 트레이가 상기 슬롯의 정위치에 삽입되면 단락(close)되고, 상기 트레이가 상기 슬롯으로부터 이탈되면 개방(open)되는 복수의 커넥터들; 상기 복수의 트레이들을 제어하는 랙 관리부; 및 상기 커넥터들을 통해 전달되는 단락 제어신호에 기초하여, 상기 배터리들로부터 구동전력을 상기 랙 관리부에 전달하고, 상기 커넥터들 중 개방된 커넥터에 의해 생성되는 개방 제어신호에 기초하여 상기 랙 관리부로 전달되는 상기 구동전력을 차단하는 전력 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 복수의 커넥터들은, 상기 복수의 커넥터들 각각의 상기 제1 접점 및 상기 제2 접점이 모두 접촉되면 상기 단락 제어신호를 전달하고, 상기 복수의 커넥터들 중에서 어느 하나의 커넥터의 상기 제1 접점과 상기 제2 접점이라도 서로 분리되면 상기 개방 제어신호를 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 전력 제어부는, 상기 복수의 트레이들 각각에 연결된 복수의 다이오드들; 및 상기 복수의 다이오드들과 상기 랙 관리부 사이에 연결되고, 상기 단락 제어신호 및 상기 개방 제어신호에 기초하여 단락 또는 개방되는 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 복수의 다이오드들과 상기 스위치 사이의 노드로부터 상기 단락 제어신호를 생성하는 분배부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 복수의 커넥터들은 상기 분배부 및 상기 스위칭부 사이에 서로 직렬 연결되며, 상기 복수의 커넥터들이 모두 단락 상태일 때, 상기 단락 제어신호가 상기 스위치에 입력되고, 상기 복수의 커넥터들 중 어느 하나라도 개방 상태이면, 상기 단락 제어신호가 상기 스위치에 전달되지 않고 상기 개방 제어신호가 상기 스위치에 전달되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 트레이는, 배터리 트레이; 상기 랙 관리부로부터 구동전력을 공급받아 동작하고, 상기 트레이의 동작 상황을 모니터링하여 그 결과를 상기 랙 관리부로 전달하는 트레이 관리부; 및 상기 트레이 관리부의 스위칭 제어신호에 의해 상기 배터리 트레이를 대전류 경로에 연결하는 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 스위치는 상기 트레이 관리부가 턴 오프 되면 턴 오프되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 트레이들 및 단자 사이의 대전류 경로 상에 구비되고, 상기 랙 관리부의 제1 스위칭 제어신호에 의해 상기 대전류 경로 상에서 전류의 흐름을 제어하는 충방전 제어 스위칭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 랙 관리부가 턴 오프되면 상기 제1 스위칭 제어신호가 비활성화되고, 상기 충방전 제어 스위칭부는 상기 비활성화된 상기 제1 스위칭 제어신호에 응답하여 턴 오프되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 대전류 경로의 적어도 일부와 병렬로 연결된 프리차지 경로 상에 구비되고, 상기 랙 관리부의 제2 스위칭 제어신호에 의해 제어되는 프리차지 스위칭부 및 프리차지 저항;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 랙 관리부가 턴 오프되면 상기 제2 스위칭 제어신호가 비활성화되고, 상기 프리차지 스위칭부는 상기 비활성화된 상기 제2 스위칭 제어신호에 응답하여 턴 오프되는 것을 특징으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제를 해결하기 위한 배터리 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템은 각각 배터리를 포함하고 제1 접점을 갖는 복수의 트레이들과, 상기 복수의 트레이들이 각각 삽입되고 각각 상기 제1 접점에 대응하는 제2 접점을 갖는 복수의 슬롯들을 포함하는 랙과, 상기 제1 접점과 상기 제2 접점으로 이루어지고, 상기 트레이가 상기 슬롯의 정위치에 삽입되면 단락(close)되고, 상기 트레이가 상기 슬롯으로부터 이탈되면 개방(open)되는 복수의 커넥터들과 상기 복수의 트레이들을 제어하는 랙 관리부 및 상기 커넥터들을 통해 전달되는 단락 제어신호에 기초하여, 상기 배터리들로부터 구동전력을 상기 랙 관리부에 전달하고, 상기 커넥터들 중에서 단락된 커넥터에 의해 생성되는 개방 제어신호에 기초하여 상기 랙 관리부로 전달되는 상기 구동전력을 차단하는 전력 제어부를 포함하는 배터리 시스템; 및 발전 시스템, 계통, 부하 및 상기 배터리 시스템 사이에서 전력을 변환하는 전력 변환 장치들, 및 상기 전력 변환 장치들을 제어하는 통합 제어기를 포함하는 전력 변환 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기계적으로 트레이의 탈거를 감지하여 시스템의 충방전을 차단함으로써, 탈거되지 않은 나머지 트레이로 순간 과전류가 흐르거나 트레이 간 전압차가 발생하는 것을 방지하여 시스템을 안전하게 구동시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 트레이의 개방 및 단락을 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템 및 주변 구성을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 개략적으로 도시한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시 예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 배터리 시스템(20)은 배터리 랙(100), 랙 관리부(200) 및 전력 제어부(300)를 포함한다.
배터리 랙(100)은 서브 유닛으로서 직렬 및/또는 병렬로 연결된 적어도 하나의 트레이, 즉 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)는 각각 적어도 하나의 배터리를 포함하고, 제1 접점을 구비하고 있다. 여기서 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)는 후술하는 도 3에 도시된 바와 같이 각각 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1) 및 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1) 각각에 대응하는 제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2)를 포함할 수 있다. 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)는 그 서브 유닛으로서 적어도 하나의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 배터리 셀로는 충전 가능한 다양한 이차 전지가 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀에 사용되는 이차 전지는 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) 등 일 수 있다.
배터리 랙(100)은 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)가 각각 삽입되고, 제1 접점에 대응하는 제2 접점을 갖는 복수의 슬롯(미도시)을 포함하고 있다.
더 나아가 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)는 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6)를 각각 포함할 수 있다. 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6)는 서로 직렬 연결되어 있다. 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6)는 집합적으로 커넥터(110_6)으로 지칭한다. 커넥터(110_6) 각각은 제1 접점(110_7)과 제2 접점(110_8)으로 이루어지고, 트레이(110)가 슬롯의 정위치에 삽입되면 단락(close)되고, 트레이(110)가 슬롯으로부터 이탈되면 개방(open)된다.
도 2는 트레이(110)의 위치에 따른 커넥터(110_6)의 개방 및 단락을 도시하고 있다. 도 2a를 참조하면, 트레이(110)가 슬롯의 정위치에 삽입된 경우가 도시된다. 제1 접점(110_7) 및 제2 접점(110_8)이 서로 접촉되며, 커넥터(110_6)의 양 단자, 즉, 제1 노드(Na)와 제2 노드(Nb)는 단락된다. 도 2b를 참조하면, 트레이(110)가 슬롯으로부터 이탈된 경우가 도시된다. 커넥터(110_6)의 제1 접점(110_7) 및 제2 접점(110_8)이 서로 분리되며, 커넥터(110_6)의 양 단자, 즉, 제1 노드(Na)와 제2 노드(Nb)는 개방된다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 제1 접점(110_7)은 서로 연결된 2개의 단자를 포함하고, 제2 접점(110_8)은 서로 분리된 2개의 단자를 포함할 수 있다. 제1 접점(110_7) 및 제2 접점(110_8)이 서로 접촉하면, 제2 접점(110_8)의 서로 분리된 2개의 단자는 제1 접점(110_7)의 서로 연결된 2개의 단자를 통해 서로 전기적으로 연결된다. 도 2a 및 도 2b의 커넥터는 예시적이며, 다른 형상 및 구성을 가질 수 있다.
랙 관리부(200)는 배터리 랙(100)에 연결되며, 배터리 랙(100)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. 또한 랙 관리부(200)는 과 충전 보호 기능, 과 방전 보호 기능, 과 전류 보호 기능, 과 전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해 랙 관리부(200)는 배터리 랙(100)으로 동기 신호를 전송하고, 배터리 랙(100)으로부터 시간 간격을 두고 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)로부터 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등에 대한 모니터링 데이터를 수신한다. 또한 랙 관리부(200)는 수신한 모니터링 데이터를 외부(예컨대, 도 5의 통합 제어기(15))에 인가할 수 있으며, 외부(예컨대, 통합 제어기(15))로부터 배터리 랙(100)의 제어에 관련된 명령을 수신할 수도 있다. 여기서 배터리 랙(100), 랙 관리부(200) 및 외부와의 통신 방식으로는 CAN 통신이 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 버스라인을 사용하는 다양한 통신이 가능하다. 뿐만 아니라 버스 라인을 사용하지 않는 통신 방식이 사용될 수도 있을 것이다. 더 나아가 랙 관리부(200)는 전력 제어부(300)를 통하여 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)로부터 구동전력을 수신할 수 있다.
전력 제어부(300)는 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6)를 통해 전달되는 단락 제어신호에 기초하여 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)로부터 구동전력을 랙 관리부(200)로 전달하거나, 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6)를 통해 전달되는 개방 제어신호에 기초하여 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)로부터 랙 관리부(200)로 전달되는 구동전력을 차단한다.
전력 제어부(300)의 동작을 상세히 설명하면, 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N) 중 어느 하나가 슬롯으로부터 분리되면, 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6) 중 어느 하나의 제1 접점(110_7) 및 제2 접점(110_8)이 분리되어 개방 제어신호가 전력 제어부(300)로 입력되고, 전력 제어부(300)는 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)로부터 랙 관리부(200)로 전달되는 구동전력을 차단한다. 랙 관리부(200)로 공급되는 구동전력이 차단되면 배터리 랙(100)의 충방전 상태를 유지하는 랙 관리부(200)가 턴 오프되면서, 배터리 시스템(20)의 충방전은 중단된다.
이와 같이 커넥터들(110_6)을 통하여 트레이(110)의 탈거를 기계적으로 감지하여 어느 한 트레이(110)가 슬롯에서 분리될 때 랙 관리부(200)로 공급되는 구동전력을 차단함으로써, 배터리 시스템(20)의 충방전을 중단할 수 있다. 센서를 이용하여 트레이(110)의 탈거를 감지할 경우, 센서의 고장 또는 불량에 의해 트레이(110)의 탈거가 감지되지 못할 수 있다. 또한 센서는 기계적인 커넥터(110_6)에 비해 값이 비싸며, 센서의 신호를 처리하기 위한 별도의 추가 회로가 필요하지만, 본 발명의 기계적 커넥터(110_6)는 단순하게 구현될 수 있을 뿐만 아니라, 단순한 구조로 인하여 고장의 가능성도 현저히 낮다. 따라서, 센서의 고장 등의 문제로 인하여 트레이(110)의 탈거가 정상적으로 감지되지 않아, 분리가 되지 않은 나머지 트레이(110)로 순간 과전류가 흐르거나 트레이 간 전압차가 발생하는 것이 방지될 수 있다. 이로써 배터리 시스템(20)은 안전하게 구동될 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템의 개략적인 블록도를 도시한다.
도 3을 참조하면, 배터리 시스템(20)은 대전류 경로(101), 충방전 제어 스위치(102), 프리차지 경로(103), 프리차지 스위치(104), 프리차지 저항(R1), 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N), 랙 관리부(200), 전력 제어부(300), 전류 센서(400), 퓨즈(500) 및 단자부(600)를 포함할 수 있다.
대전류 경로(101)는 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)와 단자부(600) 사이에 충전 및 방전 전류가 흐르는 경로이다. 대전류 경로(101)는 양극 단자(610)와 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)의 양극, 음극 단자(620)와 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)의 음극 사이에 형성되는 경로이다. 대전류 경로(101)에는 비교적 큰 전류가 흐른다.
충방전 제어 스위치(102)는 대전류 경로(101) 상에 형성되어 충전 전류 및 방전 전류의 흐름을 제어하는 스위치이다. 도 3에서 충방전 제어 스위치(102)가 양극 단자(610)와 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)의 양극 사이에 배치되는 것으로 도시되어 있지만, 이는 예시적이며, 충방전 제어 스위치(102)는 음극단자(620)와 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)의 음극 사이에 배치될 수도 있다.
프리차지 경로(103)는 대전류 경로(101)의 적어도 일부와 병렬로 연결되어, 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N) 내부의 배터리를 프리차지(precharge) 하는 경로이다. 저전압 상태(즉, 동작 전압 영역 보다 낮은 전압 레벨)에 있는 배터리를 충전할 경우, 배터리와 충전 장치의 전압차로 인하여 배터리로 인러쉬 전류가 발생할 수 있으며, 인러쉬 전류로 인하여 배터리 또는 충전 장치가 손상될 수 있다. 프리차지 저항(R1)을 포함하는 바이패스 경로(103)를 통해 배터리의 충전을 시작할 수 있다. 프리차지 저항(R1)으로 인하여 충전 전류를 제한되며, 인러쉬 전류는 발생되지 않는다. 배터리가 소정 레벨로 충전되면, 즉, 인러쉬 전류가 발생하지 않을 정도로 충전되면, 배터리는 대전류 경로(101)를 통해 충전될 수 있다.
프리차지 제어 스위치(104)는 프리차지 경로(103) 상에 형성되어, 배터리의 프리차지를 제어하는 스위치이다. 프리차지 제어 스위치(104)는 전계효과 트랜지스터로 구성될 수 있다. 저전압 상태의 배터리의 충전을 시작하는 경우, 충방전 제어 스위치(102)는 턴 오프되고 프리차지 제어 스위치(104)는 턴 온되어, 인러쉬 전류의 발생 없이 배터리에 충전 전류가 공급될 수 있다. 배터리가 충전되면서 인러쉬 전류가 발생하지 않을 정도로 배터리 전압이 상승하면, 충방전 제어 스위치(102)를 턴 온시켜 배터리를 정상적으로 충전시킬 수 있다. 그 후, 프리차지 제어 스위치(104)는 턴 오프될 수 있다. 프리차지 저항(R1)은 프리차지 제어 스위치(104)와 함께 프리차지 경로(103) 상에 형성된다. 프리차지 저항(R1)의 저항값은 온도가 상승할수록 증가할 수 있다.
제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)는, 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1), 제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2), 제1 스위칭부(110_13) 내지 제N 스위칭부(110_N3), 제1 퓨즈(110_14) 내지 제N 퓨즈(110_N4), 제1 전류센서(110_15) 내지 제N 전류센서(110_N5) 및 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6)을 포함한다. 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)는 일반적으로 대전류 경로(101)를 통해 충전되고 방전된다.
제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1) 각각은 그 서브 유닛으로서 적어도 하나의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 배터리 셀로는 충전 가능한 다양한 이차 전지가 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀에 사용되는 이차 전지는 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) 등 일 수 있다.
제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2)는 랙 관리부(200)로부터 제공되는 구동 전압에 의해 구동을 시작하고, 대응하는 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)의 전압, 전류, 온도 등을 모니터링 하여 랙 관리부(200)로 전송할 수 있다.
제1 스위칭부(110_13) 내지 제N 스위칭부(110_N3)는 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)와 제1 퓨즈(110_14) 내지 제N 퓨즈(110_N4) 사이에 각각 연결되며, 제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2)로부터 출력되는 스위칭 제어신호에 의해 각각 온/오프될 수 있다. 제1 스위칭부(110_13) 내지 제N 스위칭부(110_N3)가 스위칭 제어신호에 의해 온 되면, 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)가 대전류 경로(101)상에 연결되어 충방전될 수 있다. 제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2)가 턴 오프되면, 스위칭 제어신호가 비활성화되고, 제1 스위칭부(110_13) 내지 제N 스위칭부(110_N3)는 비활성화된 스위칭 제어신호에 응답하여 턴 오프될 수 있다.
제1 퓨즈(110_14) 내지 제N 퓨즈(110_N4)는 제1 스위칭부(110_13) 내지 제N 스위칭부(110_N3)와 대전류 경로(101) 사이에 각각 연결될 수 있다. 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1) 중 어느 하나에 이상이 발생한 경우 대응하는 퓨즈(110_14-110_N4)가 용단될 수 있으며, 이상이 발생한 트레이 배터리(110_11-110_N1)는 전기적으로 완전히 분리될 수 있다.
제1 전류센서(110_15) 내지 제N 전류센서(110_N5)는 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)의 입출력 전류를 각각 감지할 수 있다. 제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2)는 각각 대응하는 제1 전류센서(110_15) 내지 제N 전류센서(110_N5)를 이용하여 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)의 입출력 전류를 모니터링 할 수 있다.
제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6) 각각은 제1 접점(110_7) 및 제2 접점(110_8)으로 이루어지고, 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)가 슬롯의 정위치에 삽입되면 단락(close)되고, 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)가 슬롯으로부터 이탈되면 개방(open)된다. 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6)는 전력 제어부(300)의 제1 신호라인(331) 및 제2 신호라인(332) 사이에서 서로 직렬 연결되어 있다. 즉, 제1 커넥터(110_16)의 제1 단자는 전력 제어부(300)의 제1 신호라인(331)에 연결되고, 제1 커넥터(110_16)의 제2 단자는 제2 커넥터(110_26)의 제1 단자에 연결된다. 제2 커넥터(110_26)의 제1 단자는 제1 커넥터(110-16)의 제2 단자에 연결되고, 제2 커넥터(110_26)의 제2 단자는 제3 커넥터(110-36)의 제1 단자에 연결된다. 이러한 방식으로 제N 커넥터(110_N6)의 제1 단자는 제N-1 커넥터(110_N-16)단자에 연결되고, 제N 커넥터(110_N6)의 제2 단자는 전력 제어부(300)의 제2 신호라인(332)에 연결된다. 이와 같이 1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6)는 전력 제어부(300)의 제1 신호라인(331) 및 제2 신호라인(332) 사이에서 서로 직렬 연결되어 있기 때문에, 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)가 모두 슬롯의 정 위치에 삽입되는 경우에만 제1 신호라인(331)과 제2 신호라인(332)이 서로 전기적으로 연결되고, 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N) 중 어느 한 트레이라도 슬롯으로부터 이탈되면 제1 신호라인(331)과 제2 신호라인(332)은 서로 전기적으로 분리된다.
랙 관리부(200)는 대전류 경로(101) 상의 전압을 감지하고 충방전 제어 스위치(102) 및 프리차지 제어 스위치(104)의 스위칭 동작을 제어한다. 또한 랙 관리부(200)는 제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2)로 구동전압을 제공하고, CAN 통신을 통하여 제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2)로부터 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등에 대한 모니터링 데이터를 수신한다. 또한 랙 관리부(200)는 수신한 모니터링 데이터를 외부(예컨대 도 5의 통합 제어기(15))에 제공할 수 있으며, 외부(예컨대, 통합 제어기(15))로부터 배터리 랙(100)의 제어에 관련된 명령을 수신하고, 상기 명령에 따른 동작을 수행할 수도 있다. 또한 전류 센서(400)를 이용하여 대전류 경로(101) 상의 전류를 모니터링할 수 있다. 더 나아가 랙 관리부(200)는 전력 제어부(300)를 통하여 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)로부터 구동전력을 공급받아, 상기 구동전력을 이용하여 구동될 수 있다.
전력 제어부(300)는 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6)를 통해 전달되는 단락 제어신호에 기초하여 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)로부터 구동전력을 랙 관리부(200)로 전달하거나, 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6)를 통해 전달되는 개방 제어신호에 기초하여 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)로부터 랙 관리부(200)로 전달되는 구동전력을 차단한다. 이러한 전력 제어부(300)는 제1 다이오드(D1) 내지 제N 다이오드(DN), 스위칭부(310) 및 분배부(320)를 포함한다.
제1 다이오드(D1) 내지 제N 다이오드(DN) 각각은 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)와 제1 노드(N1) 사이에 각각 연결될 수 있다. 제1 다이오드(D1) 내지 제N 다이오드(DN)는 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)에서 출력되는 구동전력을 제1 노드(N1)로 전달한다.
스위칭부(310)는 제1 노드(N1)와 랙 관리부(200) 사이에 연결될 수 있다. 스위칭부(310)가 턴 온되면 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)로부터의 구동전력이 랙 관리부(200)로 전달되고, 스위칭부(310)가 오프되면 랙 관리부(200)로의 구동전력이 공급되지 않게 되고, 랙 관리부(200)는 턴 오프된다.
분배부(320)는 제1 노드(N1)와 제1 신호라인(331) 사이에 연결되어, 단락 제어신호를 생성할 수 있다. 분배부(320)는 제1 노드(N1)의 전압을 이용하여 스위칭부(310)를 온 시키기 위한 단락 제어신호를 생성할 수 있다. 분배부(320)는 예컨대 직렬로 연결된 두 개의 저항을 포함하는 전압 분배 회로를 포함할 수 있다.
제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)가 슬롯의 정위치에 삽입되면, 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6)의 제1 접점(110_7)과 제2 접점(110_8)이 서로 접촉하면서 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6)는 모두 단락(close)된다. 분배부(320)에 의해 생성된 단락 제어신호는 제1 신호라인(331), 단락 상태의 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6), 및 제2 신호 라인(332)를 통해 스위칭부(310)에 제공되며, 스위칭부(310)는 상기 단락 제어신호에 응답하여 스위칭 턴 온 상태가 된다. 스위칭부(310)가 스위칭 턴 온 상태가 되면, 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)로부터 제공되는 구동전력이 제1 다이오드(D1) 내지 제N 다이오드(DN) 및 스위칭부(310)를 통하여 랙 관리부(200)에 공급되며, 랙 관리부(200)는 구동된다. 랙 관리부(200)는 제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2)에 구동전압을 공급하고, 제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2)는 구동을 시작한다. 제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2)는 제1 스위칭부(110_13) 내지 제N 스위칭부(110_N3)를 각각 턴 온시키고, 랙 관리부(200)는 충방전 제어 스위치(102) 및/또는 프리차지 스위치(104)를 턴 온시키고, 배터리 시스템(20)은 정상적으로 충전되거나 방전될 수 있다.
그러나, 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N) 중 어느 하나라도 슬롯으로부터 분리되면, 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6) 중 대응하는 커넥터(110_16-110_N6)의 제1 접점(110_7)과 제2 접점(110_8)이 서로 분리되어 상기 대응하는 커넥터(110_16-110_N6)는 개방(open)된다. 분배부(320)에 의해 생성된 단락 제어신호는 개방 상태의 상기 대응하는 커넥터(110_16-110_N6)에 의하여 제2 신호라인(332)으로 전달되지 못하게 된다. 즉, 상기 대응하는 커넥터(110_16-110_N6)가 개방됨에 따라, 개방 제어신호가 생성되고, 상기 개방 제어신호는 제2 신호라인(332)를 통하여 스위칭부(310)로 입력되며, 스위칭부(310)는 상기 개방 제어신호에 응답하여 스위칭 턴 오프 상태가 된다. 스위칭부(310)가 스위칭 턴 오프 상태가 되면, 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)에서 출력되는 구동전력이 랙 관리부(200)로 전달되는 것이 차단되고, 랙 관리부(200)는 턴 오프된다. 랙 관리부(200)가 턴 오프되면, 랙 관리부(200)에 의해 제어되는 충방전 제어 스위치(102) 및 프리차지 스위치(104)도 함께 턴 오프되고, 제1 트레이(110_1) 내지 제N 트레이(110_N)와 단자부(600)는 서로 전기적으로 분리된다. 또한 랙 관리부(200)가 턴 오프되면, 제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2)는 랙 관리부(200)로부터 구동전압을 공급받을 수 없게 되어 턴 오프된다. 제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2)가 턴 오프되면, 제1 트레이 관리부(110_12) 내지 제N 트레이 관리부(110_N2)에 의해 제어되는 제1 스위칭부(110_13) 내지 제N 스위칭부(110_N3)도 각각 턴 오프되며, 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)는 대전류 경로(101)로부터 전기적으로 분리된다.
이와 같이 제1 커넥터(110_16) 내지 제N 커넥터(110_N6)를 통하여 트레이(110)의 탈거를 기계적으로 감지하여, 어느 한 트레이(110)라도 슬롯에서 분리되면 랙 관리부(200)로 공급되는 구동전력을 차단함으로써, 배터리 시스템(20)의 충방전을 중단할 수 있다. 랙 관리부(200)의 구동전력을 차단함으로써, 충방전 제어 스위치(102) 및 프리차지 스위치(104)가 턴 오프되고, 제1 스위칭부(110_13) 내지 제N 스위칭부(110_N3)가 톤 오프된다. 이를 통해 제1 트레이 배터리(110_11) 내지 제N 트레이 배터리(110_N1)는 단자부(600)로부터 전기적으로 분리될 뿐만 아니라, 서로 전기적으로 분리될 수 있다.
별도의 탈거 센서를 이용하여 트레이(110)의 탈거를 감지할 수도 있다. 이 경우, 탈거 센서가 불량이라거나, 탈거 센서의 출력 신호를 처리하는 컨트롤러에 고장이 발생한 경우, 트레이(110)가 탈거되어도 이를 감지하지 못할 수 있다. 게다가 탈거 센서는 기계적인 커넥터(110_6)에 비해 값이 비싸며, 탈거 센서의 신호를 처리하기 위한 별도의 컨트롤러가 필요하지만, 본 발명의 기계적 커넥터(110_6)는 접점을 이용하여 단순한 구조로 설계될 수 있을 뿐만 아니라, 단순한 구조로 인하여 고장의 가능성도 현저히 낮다. 따라서, 탈거 센서의 고장 등의 문제로 인하여 트레이(110)의 탈거가 정상적으로 감지되지 않음으로써 발생되는 문제, 예컨대 분리되지 않은 나머지 트레이(110)로 과전류가 흐르거나 트레이(110) 간 전압차가 발생하는 문제가 방지될 수 있다. 그에 따라, 배터리 시스템(20)은 안전하게 구동될 수 있게 된다.
전류 센서(400)는 대전류 경로(101) 상의 전류를 감지하여 랙 관리부(200)로 전송한다.
퓨즈(500)는 대전류 경로(101) 상에 이상이 있는 경우 차단되어 충전 전류 또는 방전 전류가 흐르지 못하도록 한다.
도 4 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템 및 주변 구성을 개략적으로 도시한다.
도 4를 참조하면, 본 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2), 계통(3)과 연계하여 부하(4)에 전력을 공급한다. 에너지 저장 시스템(1)은 전력을 저장하는 배터리 시스템(20) 및 전력 변환 시스템(Power Conversion System, 이하 'PCS'라 함)(10)을 포함한다. PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및/또는 배터리 시스템(20)으로부터 제공되는 전력을 적절한 형태의 전력으로 변환하여 부하(4), 배터리 시스템(20) 및/또는 계통(3)에 공급할 수 있다.
발전 시스템(2)은 에너지원으로부터 전력을 생산하는 시스템이다. 발전 시스템(2)은 발전에 의해 생성된 전력을 에너지 저장 시스템(1)에 공급할 수 있다. 발전 시스템(2)은 예컨대 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 및 조력 발전 시스템 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 발전 시스템(2)은 태양열이나 지열 등과 같은 신 재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 모든 발전 시스템들을 포함할 수 있다. 발전 시스템(2)은 전력을 생산할 수 있는 다수의 발전 모듈들을 병렬로 배열함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다.
계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 포함할 수 있다. 계통(3)이 정상 상태인 경우, 계통(3)은 부하(4) 및/또는 배터리 시스템(20) 에 전력을 공급하거나, 배터리 시스템(20) 및/또는 발전 시스템(2)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 계통(3)이 비정상 상태인 경우, 계통(3)과 에너지 저장 시스템(1) 간의 전력 전달은 중단된다.
부하(4)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력, 배터리 시스템(20)에 저장된 전력, 및/또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비할 수 있다. 에너지 저장 시스템(1)이 설치된 가정이나 공장의 전기 장치들이 부하(4)의 일 예일 수 있다.
에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 생산된 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 계통(3)이 비정상 상태일 경우, 예컨대, 정전이 발생한 경우에 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.
도 5는 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 보여준다.
도 5를 참조하면, 에너지 저장 시스템(1)은 전력을 변환하는 PCS(10), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 및 제2 스위치(40)를 포함할 수 있다. 배터리 시스템(20)은 배터리(21) 및 배터리 관리부(22)를 포함할 수 있다.
PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및/또는 배터리 시스템(20)으로부터 제공되는 전력을 적절한 형태의 전력으로 변환하여 부하(4), 배터리 시스템(20) 및/또는 계통(3)에 공급할 수 있다. PCS(10)는 전력 변환부(11), DC 링크부(12), 인버터(13), 컨버터(14), 및 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 생산된 전력을 직류 링크 전압으로 변환하여 DC 링크부(12)로 전달할 수 있다. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 예컨대 컨버터 회로, 정류 회로 등과 같은 전력 변환 회로를 포함할 수 있다. 발전 시스템(2)이 직류 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생성된 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 발전 시스템(2)에서 생성된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류 회로를 포함할 수 있다.
발전 시스템(2)이 태양광 발전 시스템인 경우, 전력 변환부(11)는 일사량, 온도 등의 변동에 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)의 동작이 중지됨으로써, 컨버터 회로나 정류 회로와 같은 상기 전력 변환 장치에서 소비되는 전력이 최소화 또는 감소될 수 있다.
발전 시스템(2) 또는 계통(3)에서의 순시 전압 강하, 또는 부하(4)에서의 피크 부하 발생 등과 같은 문제로 인하여, 직류 링크 전압의 레벨이 불안정해질 수 있다. 그러나, 직류 링크 전압은 컨버터(14) 및 인버터(13)의 정상 동작을 위하여 안정화될 필요가 있다. DC 링크부(12)는 전력 변환부(11), 인버터(13) 및 컨버터(14) 사이에 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 또는 실질적으로 일정하게 유지시킬 수 있다. DC 링크부(12)는 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) 중 적어도 하나로부터 제공되는 직류 링크 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(13)는 충전 모드에서 계통(3)의 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하기 위하여, 계통(3)으로부터 제공되는 교류 전압을 직류 링크 전압으로 변환하여 출력하는 정류 회로를 포함할 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. 또한, 인버터(13)는 무효 전력의 발생을 억제 또는 제한하기 위하여 인버터(13)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(13)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도 현상(transient phenomena) 보호 또는 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 전력을 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 인버터(13)로 출력하는 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다. 또한, 컨버터(14)는 충전 모드에서 전력 변환부(11)에서 출력되는 직류 링크 전압 및/또는 인버터(13)에서 출력되는 직류 링크 전압을 적절한 전압 레벨(예컨대, 배터리 시스템(20)에서 요구하는 충전 전압 레벨)의 직류 전압으로 DC-DC 변환하여 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 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 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 정해진 알고리즘에 따라서, 전력 변환부(11), 인버터(13), 컨버터(14), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 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. 또한, 통합 제어기(15)는 부하(4)에 충분한 전력이 공급될 수 없을 경우에, 부하(4)의 전기 장치들에 대하여 우선 순위를 정하고, 우선 순위가 높은 전기 장치들에 우선적으로 전력을 공급하도록 부하(4)를 제어할 수도 있다. 또한, 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 연결되며, 통합 제어기(15)의 제어에 따라서 단락 및 개방 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 발전 시스템(2), 계통(3), 및 배터리 시스템(20)의 상태에 따라서 제1 스위치(30)와 제2 스위치(40)의 단락 및 개방 상태가 결정될 수 있다. 구체적으로, 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터의 전력을 부하(4)에 공급하거나, 계통(3)으로부터의 전력을 배터리 시스템(20)에 공급하는 경우, 제1 스위치(30)는 단락 상태가 된다. 발전 시스템(2) 및 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터의 전력을 계통(3)에 공급하거나 계통(3)으로부터의 전력을 부하(4)와 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나에 공급하는 경우에는, 제2 스위치(40)는 단락 상태가 된다.
계통(3)에서 정전이 발생한 경우에는, 제2 스위치(40)는 개방 상태가 되고 제1 스위치(30)는 단락 상태가 된다. 즉, 발전 시스템(2)과 배터리 시스템(20) 중 적어도 하나로부터의 전력을 부하(4)에 공급하는 동시에, 부하(4)에 공급되는 전력이 계통(3) 쪽으로 흐르는 것을 방지한다. 이와 같이, 에너지 저장 시스템(1)을 단독 운전 시스템(stand alone system)으로 동작시킴으로써, 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 발전 시스템(2) 또는 배터리 시스템(20)으로부터 전달되는 전력에 의하여 감전되는 사고를 방지할 수 있게 한다.
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) 중 적어도 하나로부터 전력을 공급받아 저장하고, 저장하고 있는 전력을 부하(4)와 계통(3) 중 적어도 하나에 공급할 수 있다.
배터리 시스템(20)은 전력을 저장하기 위해 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리(21), 및 배터리(21)를 제어 및 보호하는 배터리 관리부(22)를 포함할 수 있다. 배터리(21)는 도 1 및 도 2를 참조로 배터리 랙(100)을 포함할 수 있다. 배터리(21)는 병렬로 선택적으로 연결되는 복수의 트레이(110)들을 포함하는 배터리 랙(100)일 수 있으며, 이 경우 상기 배터리 트레이 또는 배터리 모듈은 상기 서브 배터리에 대응할 수 있다. 배터리(21)는 병렬로 선택적으로 연결되는 복수의 배터리 셀들을 포함하는 트레이 배터리(110_1)일 수 있으며, 이 경우 상기 배터리 셀은 상기 서브 배터리에 대응할 수 있다. 배터리 관리부(22)는 도 1 및 도 2를 참조로 앞에서 설명된 트레이 관리부(110_2)와 랙 관리부(200)의 결합에 대응할 수 있다.
배터리 관리부(22)는 배터리(21)와 연결되며, 통합 제어기(15)로부터의 제어 명령 또는 내부 알고리즘에 따라 배터리 시스템(20)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(22)는 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다.
배터리 관리부(22)는 배터리(21)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC) 등을 얻을 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(22)는 센서들을 이용하여 배터리(21)의 셀 전압, 전류 및 온도를 측정할 수 있다. 배터리 관리부(22)는 측정된 셀 전압, 전류 및 온도를 기초로 배터리(21)의 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 산출할 수 있다. 배터리 관리부(22)는 측정 결과 및 산출 결과 등을 기초로 배터리(21)를 관리할 수 있으며, 상기 측정 결과 및 산출 결과 등을 통합 제어기(15)에 전송할 수 있다. 배터리 관리부(22)는 통합 제어기(15)로부터 수신한 충전 및 방전 제어 명령에 따라 배터리(21)의 충전 및 방전 동작을 제어할 수 있다.
배터리 관리부(22)는 상기 서브 배터리들 각각의 단자 전압을 검출할 수 있다. 상기 단자 전압은 서브 배터리의 양극과 음극 사이의 전압이다. 배터리 관리부(22)는 통합 제어기(15)로부터 배터리 시스템(20)의 동작 모드에 관한 정보(예컨대, 충전 명령 또는 방전 명령)를 수신할 수 있다.
더 나아가 배터리 시스템(20)은 전력 제어부를 포함할 수 있다. 전력 제어부는 트레이(110) 내부의 커넥터(110_6)를 통해 전달되는 단락 제어신호에 기초하여 트레이(110_1)로부터 구동전력을 랙 관리부(200)로 전달하거나, 커넥터(110_6)를 통해 전달되는 개방 제어신호에 기초하여 트레이(110)로부터 랙 관리부(200)로 전달되는 구동전력을 차단한다.
본 발명의 다양한 실시 예들은 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하지 않는다. 명세서의 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, 본 발명의 실시를 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 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.
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 본 발명의 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.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 각각 배터리를 포함하고 제1 접점을 갖는 복수의 트레이들;
    상기 복수의 트레이들이 각각 삽입되고 각각 상기 제1 접점에 대응하는 제2 접점을 갖는 복수의 슬롯들을 포함하는 랙;
    상기 제1 접점과 상기 제2 접점으로 이루어지고, 상기 트레이가 상기 슬롯의 정위치에 삽입되면 단락(close)되고, 상기 트레이가 상기 슬롯으로부터 이탈되면 개방(open)되는 복수의 커넥터들;
    상기 복수의 트레이들을 제어하는 랙 관리부; 및
    상기 커넥터들을 통해 전달되는 단락 제어신호에 기초하여, 상기 배터리들로부터 구동전력을 상기 랙 관리부에 전달하고, 상기 커넥터들 중 개방된 커넥터에 의해 생성되는 개방 제어신호에 기초하여 상기 랙 관리부로 전달되는 상기 구동전력을 차단하는 전력 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 커넥터들은,
    상기 복수의 커넥터들 각각의 상기 제1 접점 및 상기 제2 접점이 모두 접촉되면 상기 단락 제어신호를 전달하고, 상기 복수의 커넥터들 중에서 어느 하나의 커넥터의 상기 제1 접점과 상기 제2 접점이라도 서로 분리되면 상기 개방 제어신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전력 제어부는,
    상기 복수의 트레이들 각각에 연결된 복수의 다이오드들; 및
    상기 복수의 다이오드들과 상기 랙 관리부 사이에 연결되고, 상기 단락 제어신호 및 상기 개방 제어신호에 기초하여 단락 또는 개방되는 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 복수의 다이오드들과 상기 스위치 사이의 노드로부터 상기 단락 제어신호를 생성하는 분배부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 복수의 커넥터들은 상기 분배부 및 상기 스위칭부 사이에 서로 직렬 연결되며,
    상기 복수의 커넥터들이 모두 단락 상태일 때, 상기 단락 제어신호가 상기 스위치에 입력되고,
    상기 복수의 커넥터들 중 어느 하나라도 개방 상태이면, 상기 단락 제어신호가 상기 스위치에 전달되지 않고 상기 개방 제어신호가 상기 스위치에 전달되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 트레이는,
    배터리 트레이;
    상기 랙 관리부로부터 구동전력을 공급받아 동작하고, 상기 트레이의 동작 상황을 모니터링하여 그 결과를 상기 랙 관리부로 전달하는 트레이 관리부; 및
    상기 트레이 관리부의 스위칭 제어신호에 의해 상기 배터리 트레이를 대전류 경로에 연결하는 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 스위치는 상기 트레이 관리부가 턴 오프 되면 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 트레이들 및 단자 사이의 대전류 경로 상에 구비되고, 상기 랙 관리부의 제1 스위칭 제어신호에 의해 상기 대전류 경로 상에서 전류의 흐름을 제어하는 충방전 제어 스위칭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 랙 관리부가 턴 오프되면 상기 제1 스위칭 제어신호가 비활성화되고, 상기 충방전 제어 스위칭부는 상기 비활성화된 상기 제1 스위칭 제어신호에 응답하여 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 대전류 경로의 적어도 일부와 병렬로 연결된 프리차지 경로 상에 구비되고, 상기 랙 관리부의 제2 스위칭 제어신호에 의해 제어되는 프리차지 스위칭부 및 프리차지 저항;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 랙 관리부가 턴 오프되면 상기 제2 스위칭 제어신호가 비활성화되고, 상기 프리차지 스위칭부는 상기 비활성화된 상기 제2 스위칭 제어신호에 응답하여 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  12. 각각 배터리를 포함하고 제1 접점을 갖는 복수의 트레이들과, 상기 복수의 트레이들이 각각 삽입되고 각각 상기 제1 접점에 대응하는 제2 접점을 갖는 복수의 슬롯들을 포함하는 랙과, 상기 제1 접점과 상기 제2 접점으로 이루어지고, 상기 트레이가 상기 슬롯의 정위치에 삽입되면 단락(close)되고, 상기 트레이가 상기 슬롯으로부터 이탈되면 개방(open)되는 복수의 커넥터들과 상기 복수의 트레이들을 제어하는 랙 관리부 및 상기 커넥터들을 통해 전달되는 단락 제어신호에 기초하여, 상기 배터리들로부터 구동전력을 상기 랙 관리부에 전달하고, 상기 커넥터들 중에서 단락된 커넥터에 의해 생성되는 개방 제어신호에 기초하여 상기 랙 관리부로 전달되는 상기 구동전력을 차단하는 전력 제어부를 포함하는 배터리 시스템; 및
    발전 시스템, 계통, 부하 및 상기 배터리 시스템 사이에서 전력을 변환하는 전력 변환 장치들, 및 상기 전력 변환 장치들을 제어하는 통합 제어기를 포함하는 전력 변환 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
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