KR20150119537A - 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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KR20150119537A
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김성환
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엘에스산전 주식회사
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Abstract

실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 배터리; 에너지원으로부터 공급되는 에너지를 이용하여 상기 배터리를 충전시키는 충전기; 상기 배터리의 전압 및 전류 중 적어도 하나의 정보를 측정하는 측정기; 및 상기 측정기를 통해 측정된 정보를 이용하여 상기 충전기 및 배터리의 동작을 제어하는 통합 제어기를 포함하며, 상기 통합 제어기는, 상기 측정된 정보를 이용하여 상기 충전기를 통해 상기 배터리로 공급되는 전원의 변환 동작을 제어하고, 상기 측정된 정보를 이용하여 상기 배터리의 충전 및 방전 동작을 제어한다.

Description

에너지 저장 시스템{Energy Storage System}
실시 예는 에너지 시스템에 관한 것이다.
배터리에 계통이나 다른 에너지원을 이용하여 에너지를 저장하기 위해서는 충전기가 필요하다.
충전기는 배터리에서 요구되는 에너지를 충전하기 위하여 사용되는데, 상기 배터리를 충전하기 위해서는 배터리 팩의 전압, 전류 감지가 필요하며, 상기 감지한 전압 및 전류 정보를 이용하여 배터리를 충전하게 된다.
배터리의 특성상, 안정성 측면에서 배터리를 관리하는 별도의 배터리 관리 시스템(BMS:Battery Management System)이 필요하다. 일반적으로, 배터리는 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩에 의해 구성되며, 이는 낮은 셀 전압을 시스템에 적용하기 위한 것이다.
상기 배터리는, 배터리 셀의 자체 보호를 위한 배터리 관리 시스템('셀 BMS'라고도 함)와, 낮은 배터리 셀 전압을 시스템에 적용하기 위하여 팩을 구성하게 되는데, 이때 배터리를 팩으로 구성할 경우, 별도의 보호가 필요로 하게 되며, 이를 위한 배터리 팩의 전압과 전류 감지가 요구된다.
한편, 에너지 저장 시스템(ESS:Energy Storage System)용 전력 변환 장치(PCS, '인버터'라고도 함)는 계통에서 요구되는 전력을 공급하게 되는데, 상기 전력 공급에 대한 동작은 상기 전력 변환 장치 자체에서 제어를 할 수도 있고, 별도의 배터리 관리 시스템(BMS)이나 전력 관리 시스템(PMS)와 같은 상위 제어를 이용하여 제어될 수도 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장 시스템은 에너지원(10), 충전기(20), 배터리 팩(30), 인버터(40) 및 부하(50)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 에너지 저장 시스템은, 충전기(20)를 이용하여 에너지원(10)을 통해 공급되는 에너지를 배터리 팩(30)에 저장하게 된다.
충전기(20)는 정류기(Rectifier)(21), 직류-직류 변환기(DC-DC converter)(22), 및 충전 제어기(Charger controller)(23)를 포함한다.
정류기(21)는 상기 에너지원(10)을 통해 공급되는 교류 전원을 정류하여 직류 전원으로 변환한다. 직류-직류 변환기(22)는 상기 정류기(21)를 통해 변환된 직류 전원을 이용하여 배터리 팩(30)을 충전시키기 위한 충전 전원을 공급한다.
이때, 상기 배터리 팩(30)을 충전시키기 위해서는, 배터리의 전압(Vchr)과 배터리의 충전 전류(Ichr)의 정보가 필요하다. 그리고, 충전 제어기(23)는 상기 배터리의 전압과 충전 전류를 측정하여 이를 토대로 배터리 팩(30)을 충전하게 된다.
배터리 팩(30)은 배터리 셀(32)과 셀 배터리 관리 시스템(33)으로 구성되는 복수의 셀 단위 유닛(31)과, 팩 배터리 관리 시스템(34)을 포함한다.
셀 배터리 관리 시스템(33)의 경우에는 개별 배터리 셀(32)의 자체적인 보호와, 상기 팩 배터리 관리 시스템(34)과의 통신이 주된 기능이며, 상기 배터리 셀(32)의 전압, 전류 및 온도 관련된 정보를 측정하여 상기 팩 배터리 관리 시스템(34)에 제공하게 된다.
팩 배터리 관리 시스템(34)의 경우에는, 셀 배터리 관리 시스템(33)에서 제공하는 전압, 전류 및 온도 정보 이외에 배터리 팩(30)을 보호한다.
이때, 팩 배터리 관리 시스템(34)은 배터리의 전압(Vbatt)과, 배터리의 충전 전류(Ibatt)의 정보를 측정하고, 그에 따라 상기 측정한 배터리의 전압(Vbatt)과, 배터리의 충전 전류(Ibatt)의 정보를 이용하여 배터리 팩(30)을 보호하게 된다.
인버터(40)는 부하(50)에서 요구하는 에너지의 공급 기능을 담당하게 되는데, 이의 동작은 자체 제어를 통해 이루어질 수 있고, 이와 다르게 상위 제어에 의해 운전할 수도 있다.
상기와 같은 종래 기술에 따른 에너지 저장 시스템은, 배터리 팩을 충전하기 위하여, 충전기가 배터리의 전압(Vchr)과 배터리의 충전 전류(Ichr)를 감지하고, 그에 따라 상기 감지한 전압, 전류를 이용하여 배터리에서 요구하는 전력을 공급하였다.
배터리의 경우에는 셀 배터리 관리 시스템(33)과, 팩 배터리 관리 시스템(34)으로 나누어져 있는데, 팩 배터리 관리 시스템(34)는 배터리 팩 보호를 위하여 전체 배터리 팩의 전압과 전류를 감지하여 배터리 팩을 보호하였다.
이때, 상기 충전기에서 상기 배터리 팩의 충전을 위해 필요한 정보와, 상기 팩 배터리 관리 시스템(34)에서 상기 배터리의 팩을 보호를 위해 필요한 정보는 서로 동일하다.
그러나, 상기와 같이, 충전기와 팩 배터리 관리 시스템(34)를 각각 구성할 경우, 충전을 위한 전류/전압 측정 소자와, 보호를 위한 전류/전압 측정 소자가 이중으로 적용되어서 가격이 높아지고, 개별적인 감지에 의한 감지 오차가 발생할 여자가 있다.
또한, 충전기와 팩 배터리 관리 시스템(34)이 별도로 구성되어 있어서, 통신을 이용하여 상호 간의 동작 정보를 주고 받아야 하는데, 상기 통신 동작 중에 잡음에 의한 통신 문제가 발생할 가능성 있다. 이때, 상기 통신 문제가 발생할 경우, 팩 배터리 관리 시스템(34)에서 배터리의 보호를 위해 충전기에 충전 정지 요청 신호를 전송하였으나, 상기 충전기에서 상기 충전 정지 요청 신호를 정상적으로 수신하지 못함에 따라 상기 충전기가 계속하여 운전함에 따라 안전상의 문제가 발생할 가능성이 있다.
본 발명에 따른 실시 예에서는, 배터리 팩의 보호를 위한 배터리 관리 시스템과 충전기 동작의 제어를 위한 충전 제어기를 하나로 통합한 에너지 저장 시스템을 제공하도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 하나의 전류/전압 측정 소자를 이용하여 충전 동작 및 보호 동작에서 필요한 전류/전압 정보를 감지할 수 있도록 한 에너지 저장 시스템을 제공하도록 한다.
제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은 배터리; 에너지원으로부터 공급되는 에너지를 이용하여 상기 배터리를 충전시키는 충전기; 상기 배터리의 전압 및 전류 중 적어도 하나의 정보를 측정하는 측정기; 및 상기 측정기를 통해 측정된 정보를 이용하여 상기 충전기 및 배터리의 동작을 제어하는 통합 제어기를 포함하며, 상기 통합 제어기는, 상기 측정된 정보를 이용하여 상기 충전기를 통해 상기 배터리로 공급되는 전원의 변환 동작을 제어하고, 상기 측정된 정보를 이용하여 상기 배터리의 충전 및 방전 동작을 제어한다.
또한, 상기 통합 제어기는, 상기 충전기의 충전 동작을 제어하는 제어기와, 상기 배터리의 동작을 제어하는 배터리 관리 시스템이 일체로 형성된다.
또한, 상기 통합 제어기는, 상기 충전기가 형성된 영역의 제어 보드 위에 배치되거나, 상기 배터리가 형성된 영역의 제어 보드 위에 배치된다.
상기 통합 제어기는, 상기 배터리를 구성하는 각 단위 셀의 상태를 기준으로, 상기 충전기의 동작을 정지시킨다.
또한, 하나의 측정기를 통해 획득된 정보는, 상기 충전기의 동작 제어 및 상기 배터리의 보호를 위한 제어에 사용된다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 하나의 전압/전류 측정 소자를 이용하여 배터리 팩을 보호하는 배터리 관리 시스템에서 요구되고 있는 정보 및 충전기에서 요구되고 있는 정보를 각각 감지함으로써, 측정 소자의 제거에 따른 제품 가격 및 품질을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 충전기와 배터리 팩 사이의 통신을 제거함으로써, 통신 불량에 의해 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 배터리의 시간에 따른 전압 변화를 나타낸 그래프이고, 도 5는 배터리의 시간에 따른 내부 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 도면의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 도면의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 도면의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 도면의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 에너지 저장 시스템은, 에너지원(110), 충전기(120), 배터리(130), 인버터(140)를 포함한다.
에너지원(110)은 상용 교류 전원을 공급한다.
에너지원(110)은 부하(150)에 공급될 에너지 또는 배터리(130)의 충전을 위한 에너지를 공급한다.
에너지원(110)은 계통일 수 있으며, 이와 다르게 태양전지 모듈이나 풍력발전 모듈과 같은 신 재생 에너지원일 수 있다.
충전기(120)는 상기 에너지원(110)을 통해 공급되는 에너지를 이용하여 배터리(130)를 충전시킨다.
충전기(120)는 배터리(130)를 충전하기 위하여, 배터리의 전압 및 전류(Ichr, Vchr)를 측정하고, 상기 측정된 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 상기 배터리(130)의 충전을 위한 충전 전력을 공급한다.
충전기(120)는 정류기(121), 직류-직류 변환기(122) 및 통합 제어기(123)를 포함한다.
정류기(121)는 상기 에너지원(110)을 통해 공급되는 에너지, 예를 들어 상용 교류 전원을 정류하여 직류 전원으로 변환한다.
상기 정류기(121)는 풀 브리지 다이오드로 구성될 수 있다.
상기 정류기(121)를 이루는 복수의 다이오드는 소정의 구동 전압 이상에서만 턴-온 동작 되어 입력 전원을 출력한다. 이에 따라, 상기 정류기(121)의 출력 전원은 구형파를 이루지 않는다. 따라서, 상기 정류기의 후단에 배치되는 소자에는 전원이 입력되지 않는 시간이 발생하며, 이는 역률을 감소시키는 요인으로 작용한다.
직류-직류 변환기(122)는 상기 정류기(121)를 통해 출력되는 직류 전원을 변환하여, 배터리(130)의 충전 전원을 공급한다.
이때, 직류-직류 변환기(122)는 복수의 스위칭 소자로 이루어질 수 있으며, 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 상기 정류기(121)를 통해 공급되는 직류 전원을 상기 배터리(130)의 특성에 맞는 직류 전원으로 변환한다.
한편, 상기 직류-직류 변환기(122)는 상기 정류기(121)에 연결되는 인덕터와, 선택적인 스위칭 동작을 하여 상기 인덕터에 저장된 에너지를 출력하는 트랜지스터와, 역방향 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 다이오드로 구성되는 역률 보상회로를 더 포함할 수 있다.
통합 제어기(123)는 상기 충전기(120)의 동작을 제어하면서, 상기 배터리(130)의 상태를 감지하고, 그에 따라 상기 배터리(130)의 보호를 위한 동작을 수행한다.
상기 통합 제어기(123)는 상기 배터리(130)를 구성하는 배터리 팩의 보호를 위한 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함한다.
즉, 상기 통합 제어기(123)는 배터리(130)의 전류 및 전압이 측정되면, 상기 측정된 전류 및 전압 정보를 이용하여 상기 배터리(130)로 충전 전원이 공급될 수 있도록 상기 직류-직류 변환기(122)를 제어한다.
또한, 통합 제어기(123)는 배터리(130)를 구성하는 각 배터리 셀(132)의 전압, 전체 배터리 팩의 전압 및 전류를 측정하여, 상기 각 배터리 셀(132)의 충전 및 방전을 관리한다.
즉, 상기 통합 제어기(123)는 상기 하나의 전류 및 전압의 측정 소자를 통해 측정된 전류 및 전압 정보를 이용하여 충전기(120)의 동작을 제어할 뿐 아니라, 상기 배터리(130)의 동작을 제어한다.
상기 통합 제어기(123)는 상기 배터리(130)의 전체 팩 전류, 배터리 전체 팩 전압, 각 전지 셀의 전압, 온도, 및 주변 온도에 기초하여, 상기 배터리(130)의 충전 상태(SOC, State of Charging), 건강 상태(SOH, State of Health)를 추정하고, 상기 추정한 충전 상태 및 건강 상태를 이용하여 상기 배터리(130)의 충전 및 방전 동작을 제어한다.
다시 말해서, 본 발명에 따른 통합 제어기(123)는 충전기(120)의 동작 제어를 위한 제어 기능과, 상기 배터리(130)를 구성하는 배터리 팩의 보호 기능을 수행한다.
결국, 충전기(120)의 제어기와, 배터리(130)의 배터리 관리 시스템이 하나의 제어 보드에 일체형으로 구성하여, 상기 제어기와 배터리 관리 시스템 사이에서 발생하는 정보 교환이나 통신 기능이 효율적으로 이루어질 수 있도록 한다.
즉, 상기 제어기와 배터리 관리 시스템은 하나의 제어 보드에 일체형으로 이루어지기 때문에, 하나의 측정 소자를 이용하여 상기 충전기의 동작 제어를 위한 정보 획득이나, 상기 배터리의 보호를 위한 정보 획득을 모두 수행할 수 있다.
또한, 상기 충전기의 제어를 위해서는 상기 배터리의 동작 정보가 필요한데, 상기 배터리의 동작 정보를 알고 있는 배터리 관리 시스템과 제어기가 일체형으로 하나의 통합 제어기(123)를 구성하기 때문에, 상기 제어기와 배터리 관리 시스템 사이에서의 통신이 불필요하게 하다.
배터리(130)는 복수 개의 배터리 셀(131)의 집합으로 형성된다.
그리고, 상기 복수 개의 배터리 셀(131)의 각각은, 단위 셀(132)과 셀 배터리 관리 시스템(133)으로 구성된다.
상기 셀 배터리 관리 시스템(133)은 상기 각각의 단위 셀의 자체적인 보호동작을 수행한다.
또한, 상기 셀 배터리 관리 시스템(133)은 상기 통합 제어기(123)와의 통신을 수행하여, 상기 각각의 단위 셀(132)의 정보(예를 들어, 전압, 전류 및 온도에 대한 정보)를 제공한다.
상기 복수 개의 단위 셀(132) 각각은, 상기 통합 제어기(123)에 의해 관리될 수 있으며, 상기 통합 제어기(123)의 제어 하에, 일정한 전압을 방출하게 된다.
상기 복수 개로 구성되는 단위 셀(132) 각각은 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들면, 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), 금속 리튬 전지, 공기 아연 축전지 등일 수 있다.
인버터(140)는 상기 에너지원(110)으로부터 공급되는 에너지를 부하에서 필요로 하는 에너지로 변환하거나, 상기 배터리(130)의 방전에 의해 출력되는 에너지를 상기 부하에서 필요로 하는 에너지로 변환한다.
상기 인버터(140)는 커패시터와, 다수의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 이루어지며, 상기 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 상기 인버터(140)를 구성하는 자체 제어기에서 제어될 수 있으며, 이와 다르게 상위 제어기에 의해 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 하나의 전압/전류 측정 소자를 이용하여 배터리 팩을 보호하는 배터리 관리 시스템에서 요구되고 있는 정보 및 충전기에서 요구되고 있는 정보를 각각 감지함으로써, 측정 소자의 제거에 따른 제품 가격 및 품질을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 충전기와 배터리 팩 사이의 통신을 제거함으로써, 통신 불량에 의해 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 에너지 저장 시스템은, 에너지원(110), 충전기(120), 배터리(130), 인버터(140)를 포함한다.
에너지원(110)은 상용 교류 전원을 공급한다.
에너지원(110)은 부하(150)에 공급될 에너지 또는 배터리(130)의 충전을 위한 에너지를 공급한다.
에너지원(110)은 계통일 수 있으며, 이와 다르게 태양전지 모듈이나 풍력발전 모듈과 같은 신 재생 에너지원일 수 있다.
충전기(120)는 상기 에너지원(110)을 통해 공급되는 에너지를 이용하여 배터리(130)를 충전시킨다.
충전기(120)는 배터리(130)를 충전하기 위하여, 배터리의 전압 및 전류(Ichr, Vchr)를 측정하고, 상기 측정된 배터리의 전압 및 전류를 이용하여 상기 배터리(130)의 충전을 위한 충전 전력을 공급한다.
충전기(120)는 정류기(121), 직류-직류 변환기(122) 및 통합 제어기(123)를 포함한다.
정류기(121)는 상기 에너지원(110)을 통해 공급되는 에너지, 예를 들어 상용 교류 전원을 정류하여 직류 전원으로 변환한다.
상기 정류기(121)는 풀 브리지 다이오드로 구성될 수 있다.
상기 정류기(121)를 이루는 복수의 다이오드는 소정의 구동 전압 이상에서만 턴-온 동작 되어 입력 전원을 출력한다. 이에 따라, 상기 정류기(121)의 출력 전원은 구형파를 이루지 않는다. 따라서, 상기 정류기의 후단에 배치되는 소자에는 전원이 입력되지 않는 시간이 발생하며, 이는 역률을 감소시키는 요인으로 작용한다.
직류-직류 변환기(122)는 상기 정류기(121)를 통해 출력되는 직류 전원을 변환하여, 배터리(130)의 충전 전원을 공급한다.
이때, 직류-직류 변환기(122)는 복수의 스위칭 소자로 이루어질 수 있으며, 상기 복수의 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 상기 정류기(121)를 통해 공급되는 직류 전원을 상기 배터리(130)의 특성에 맞는 직류 전원으로 변환한다.
한편, 상기 직류-직류 변환기(122)는 상기 정류기(121)에 연결되는 인덕터와, 선택적인 스위칭 동작을 하여 상기 인덕터에 저장된 에너지를 출력하는 트랜지스터와, 역방향 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 다이오드로 구성되는 역률 보상회로를 더 포함할 수 있다.
상기 직류-직류 변환기(122)는 상기 배터리(130)를 구성하는 통합 제어기(134)의 제어하에 상기 변환 동작을 수행한다.
배터리(130)는 복수 개의 배터리 셀(131)의 집합으로 형성된다.
그리고, 상기 복수 개의 배터리 셀(131)의 각각은, 단위 셀(132)과 셀 배터리 관리 시스템(133)으로 구성된다.
상기 셀 배터리 관리 시스템(133)은 상기 각각의 단위 셀의 자체적인 보호동작을 수행한다.
또한, 상기 셀 배터리 관리 시스템(133)은 상기 통합 제어기(134)와의 통신을 수행하여, 상기 각각의 단위 셀(132)의 정보(예를 들어, 전압, 전류 및 온도에 대한 정보)를 제공한다.
상기 복수 개의 단위 셀(132) 각각은, 상기 통합 제어기(134)에 의해 관리될 수 있으며, 상기 통합 제어기(134)의 제어 하에, 일정한 전압을 방출하게 된다.
상기 복수 개로 구성되는 단위 셀(132) 각각은 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들면, 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), 금속 리튬 전지, 공기 아연 축전지 등일 수 있다.
통합 제어기(134)는 상기 배터리(130)를 보호하기 위한 동작을 수행한다. 또한, 통합 제어기(134)는 상기 충전기(120)의 동작을 제어한다.
즉, 상기 통합 제어기(134)는 상기 충전기(120)의 동작을 제어하면서, 상기 배터리(130)의 상태를 감지하고, 그에 따라 상기 배터리(130)의 보호를 위한 동작을 수행한다.
상기 통합 제어기(134)는 상기 배터리(130)를 구성하는 배터리 팩의 보호를 위한 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함한다.
즉, 상기 통합 제어기(134)는 배터리(130)의 전류 및 전압이 측정되면, 상기 측정된 전류 및 전압 정보를 이용하여 상기 배터리(130)로 충전 전원이 공급될 수 있도록 상기 직류-직류 변환기(122)를 제어한다.
또한, 통합 제어기(134)는 배터리(130)를 구성하는 각 배터리 셀(132)의 전압, 전체 배터리 팩의 전압 및 전류를 측정하여, 상기 각 배터리 셀(132)의 충전 및 방전을 관리한다.
즉, 상기 통합 제어기(134)는 상기 하나의 전류 및 전압의 측정 소자를 통해 측정된 전류 및 전압 정보를 이용하여 충전기(120)의 동작을 제어할 뿐 아니라, 상기 배터리(130)의 동작을 제어한다.
상기 통합 제어기(134)는 상기 배터리(130)의 전체 팩 전류, 배터리 전체 팩 전압, 각 전지 셀의 전압, 온도, 및 주변 온도에 기초하여, 상기 배터리(130)의 충전 상태(SOC, State of Charging), 건강 상태(SOH, State of Health)를 추정하고, 상기 추정한 충전 상태 및 건강 상태를 이용하여 상기 배터리(130)의 충전 및 방전 동작을 제어한다.
다시 말해서, 본 발명에 따른 통합 제어기(134)는 충전기(120)의 동작 제어를 위한 제어 기능과, 상기 배터리(130)를 구성하는 배터리 팩의 보호 기능을 수행한다.
결국, 충전기(120)의 제어기와, 배터리(130)의 배터리 관리 시스템이 하나의 제어 보드에 일체형으로 구성하여, 상기 제어기와 배터리 관리 시스템 사이에서 발생하는 정보 교환이나 통신 기능이 효율적으로 이루어질 수 있도록 한다.
즉, 상기 제어기와 배터리 관리 시스템은 하나의 제어 보드에 일체형으로 이루어지기 때문에, 하나의 측정 소자를 이용하여 상기 충전기의 동작 제어를 위한 정보 획득이나, 상기 배터리의 보호를 위한 정보 획득을 모두 수행할 수 있다.
또한, 상기 충전기의 제어를 위해서는 상기 배터리의 동작 정보가 필요한데, 상기 배터리의 동작 정보를 알고 있는 배터리 관리 시스템과 제어기가 일체형으로 하나의 통합 제어기(123)를 구성하기 때문에, 상기 제어기와 배터리 관리 시스템 사이에서의 통신이 불필요하게 하다.
한편, 상기와 같은 통합 제어기(134)는 배터리(130)가 형성된 영역의 제어 보드에 충전기의 제어기와 배터리 팩의 보호를 위한 배터리 관리 시스템이 일체로 형성되어 배치될 수 있다.
인버터(140)는 상기 에너지원(110)으로부터 공급되는 에너지를 부하에서 필요로 하는 에너지로 변환하거나, 상기 배터리(130)의 방전에 의해 출력되는 에너지를 상기 부하에서 필요로 하는 에너지로 변환한다.
상기 인버터(140)는 커패시터와, 다수의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 이루어지며, 상기 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 상기 인버터(140)를 구성하는 자체 제어기에서 제어될 수 있으며, 이와 다르게 상위 제어기에 의해 제어될 수 있다.
도 4는 배터리의 시간에 따른 전압 변화를 나타낸 그래프이고, 도 5는 배터리의 시간에 따른 내부 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4 및 5를 참조하면, 상기 배터리(130)는 충전 동작이 수행되면, 상기 충전 동작의 수행 시간의 경과에 따라 전압 및 온도의 변화가 발생한다.
이때, 상기 통합 제어기(123, 134)는 상기 배터리의 전압 및 온도의 변화를 확인하고, 그에 따라 상기 배터리(130)의 보호를 위하여 상기 충전기(120)의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 통합 제어기(123, 134)는 배터리를 구성하는 각 단위 셀 간 전압 차이를 비교하여, 설정 전압 이상의 단위 셀이 검출하면, 상기 설정 전압 이상을 가지는 단위 셀에는 더 이상 전원이 공급되지 않도록 충전 차단 신호를 발생할 수 있다.
또한, 통합 제어기(123, 134)는 상기 각 단위 셀의 내부 온도를 확인하고, 설정 온도 이상의 단위 셀이 검출되면, 상기 배터리의 충전 동작에 이상이 발생하였음을 감지하여 상기 충전 차단 신호를 발생하며, 그에 따라 자체적으로 충전기의 동작을 정지시킨다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 하나의 전압/전류 측정 소자를 이용하여 배터리 팩을 보호하는 배터리 관리 시스템에서 요구되고 있는 정보 및 충전기에서 요구되고 있는 정보를 각각 감지함으로써, 측정 소자의 제거에 따른 제품 가격 및 품질을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 충전기와 배터리 팩 사이의 통신을 제거함으로써, 통신 불량에 의해 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있다.
110: 에너지원
120: 충전기
130: 배터리
140: 인버터
150: 부하

Claims (6)

  1. 배터리;
    에너지원으로부터 공급되는 에너지를 이용하여 상기 배터리를 충전시키는 충전기;
    상기 배터리의 전압 및 전류 중 적어도 하나의 정보를 측정하는 측정기; 및
    상기 측정기를 통해 측정된 정보를 이용하여 상기 충전기 및 배터리의 동작을 제어하는 통합 제어기를 포함하며,
    상기 통합 제어기는,
    상기 측정된 정보를 이용하여 상기 충전기를 통해 상기 배터리로 공급되는 전원의 변환 동작을 제어하고,
    상기 측정된 정보를 이용하여 상기 배터리의 충전 및 방전 동작을 제어하는
    에너지 저장 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 통합 제어기는,
    상기 충전기의 충전 동작을 제어하는 제어기와, 상기 배터리의 동작을 제어하는 배터리 관리 시스템이 하나의 제어 보드 위에 일체로 형성된
    에너지 저장 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 통합 제어기는,
    상기 충전기가 형성된 영역의 제어 보드 위에 배치되거나, 상기 배터리가 형성된 영역의 제어 보드 위에 배치되는
    에너지 저장 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 배터리는
    단위 셀 및 상기 단위 셀의 상태를 제어하는 셀 배터리 관리 시스템으로 구성되는 배터리 셀의 집합으로 이루어지고,
    상기 통합 제어기는,
    상기 배터리 셀을 이루는 각 셀 배터리 관리 시스템과 통신을 수행하여 상기 각 단위 셀의 상태를 확인하는
    에너지 저장 시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 통합 제어기는,
    상기 배터리를 구성하는 각 단위 셀의 상태에 의거하여, 상기 충전기의 동작을 정지시키는
    에너지 저장 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    하나의 측정기를 통해 획득된 정보는,
    상기 충전기의 제어 및 상기 배터리의 보호를 위한 제어에 사용되는
    에너지 저장 시스템.
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