KR20150138899A - 충방전 경로 선택이 가능한 배터리 랙 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 랙을 포함하는 배터리 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 배터리 랙을 포함하는 배터리 시스템은 상기 배터리 랙에서 충방전되는 에너지를 제어하는 PCS(Power Conditioning System); 상기 배터리 랙의 에너지 충방전을 위한 DC 버스; 상기 DC 버스에 접속되며, 상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하여, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 입력되는 전원의 경로를 프리차지 저항을 포함하는 경로로 선택하는 배터리 랙을 포함한다. 본 발명에 따르면 충방전 경로 선택이 가능한 배터리 랙 및 이를 포함하는 시스템에 의하면, 배터리 랙 내에서 충방전되는 에너지의 경로를 선택적으로 제어하여 DC 버스와 배터리 전압의 전압 차에 의한 배터리 시스템의 파손을 방지 할 수 있다.

Description

충방전 경로 선택이 가능한 배터리 랙 및 이를 포함하는 시스템{Battery rack of selecting a charge or discharge path and system comprising the battery back}

본 발명은 배터리 랙을 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.

이차전지는 휴대용 기기, 전기 차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 적용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 장점을 가질 뿐만 아니라, 에너지의 사용에 따른 부산물이 발생되지 않는다는 점에서 환경 보호 및 에너지 효율성 향상을 위한 새로운 에너지원으로서 주목 받고 있다.

최근에는 스마트 그리드(Smart Grid)에 대한 관심이 높아지면서 지능형 전력망을 구축하기 위해 잉여 전력을 저장하는 대용량의 전력 저장 시스템이 요구되고 있다. 이러한 전력 저장 시스템은, 배터리 패킹(Packing) 기술의 한계로 인해, 일반적으로 하나 이상의 배터리들로 구성되는 배터리 랙(Battery Rack)들을 서로 연결하여 구성하게 된다.

즉, 대용량의 전력 저장 시스템을 구축하기 위해 랙 하우징에 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수개의 배터리 모듈을 설치함으로써 배터리 랙을 형성하고, 이러한 배터리 랙을 직렬 및/또는 병렬로 복수개 연결한다.

이때, 수 kWh, 또는 MWh 시스템을 구성하기 위해서는 배터리 랙을 병렬로 구성하는 경우, 단위 배터리 랙이 DC 버스에 접속할 때 배터리 랙 간에 전압 차이가 있으면 큰 전류가 발생할 수 있으며, 큰 전류가 순간적으로 흐르는 경우 전력 저장 시스템이 파손이 되는 위험이 있다.

종래기술의 경우 이러한 대용량의 전력 저장 시스템의 배터리 랙을 관리하기 위하여 별도의 랙 보호회로를 구비하여 안정적으로 충전 또는 방전을 수행하기 위한 구성을 개시하고 있으나, 랙 보호회로와 랙 BMS(Battery Management System)를 물리적으로 분리하여 구성하여 랙 보호회로로 공급되는 대전류 경로가 랙 BMS를 통과하지 않도록 제어할 뿐 랙 내의 베터리 모듈에 공급되는 전류의 크기를 제어하는 구성은 개시하고 있지 않다.

한국공개특허공보(KR2012-00083850, 공개일 2012.07.26)

상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 배터리의 전압과 DC 버스의 전압을 측정하여 전압의 차이가 있는 경우 프리차지 저항을 통하여 전류의 크기를 제한하여 DC 버스에 접속하도록 하는 배터리 랙의 구성을 제안하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 배터리 시스템을 구성하는 복수의 배터리 랙은, 상기 배터리 랙의 에너지 충방전을 위한 DC 버스에 접속된 배선과 접속하여 상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 상기 전압측정부의 전압 측정 결과를 입력 받고, 상기 배터리 랙의 에너지 충방전 경로를 선택하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 상기 충방전 경로를 프리차지 저항을 포함하는 경로로 선택하는 것이 바람직하다.

상기 경로는 상기 DC 버스와 접속된 배선의 한 지점에서 내부 배터리로 직접 연결되는 제1 경로와, 상기 지점에서 상기 내부 배터리로 상기 프리차지 저항을 포함하여 연결되는 제2 경로를 포함하고, 상기 제어부는 상기 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 상기 제2 경로로 선택하는 것이 바람직하다.

상기 전압 측정부는 상기 DC 버스의 +단에 접속된 배선에 접속하는 두 개의 접속 부와, 상기 DC 버스의 -단에 접속된 배선에 접속하는 하나의 접속 부를 포함하고, 상기 랙 전압은 상기 두 개의 접속 부를 통해 측정하고, 상기 DC 전압은 상기 두 개의 접속 부 중 하나와 상기 하나의 접속 부를 통해 측정하는 것이 바람직하다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 N개의 배터리 랙을 포함하는 배터리 시스템은 상기 배터리 랙에서 충방전되는 에너지를 제어하는 PCS(Power Conditioning System); 상기 배터리 랙의 에너지 충방전을 위한 DC 버스; 상기 DC 버스에 접속되며, 상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하여, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 입력되는 전원의 경로를 프리차지 저항을 포함하는 경로로 선택하는 배터리 랙을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 배터리 랙은 상기 PCS에서 가장 먼 제1 배터리 랙 부터 순차적으로 상기 경로를 선택하여 상기 DC 버스에 접속되고, 상기 경로의 선택 후 상기 배터리 랙 간의 전압이 미리 결정된 범위 내에서 밸런싱 되면 상기 PCS에서 가장 가까운 제N 배터리 랙 부터 순차적으로 주차단기를 통해 상기 DC 버스에 접속되는 것이 바람직하다.

상기 배터리 랙은, 상기 배터리 랙의 에너지 충방전을 위한 DC 버스에 접속된 배선과 접속하여 상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 상기 전압측정부의 전압 측정 결과를 입력 받고, 상기 배터리 랙의 에너지 충방전 경로를 선택하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 상기 충방전 경로를 프리차지 저항을 포함하는 경로로 선택하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른, 충방전 경로 선택이 가능한 배터리 랙 및 이를 포함하는 시스템에 의하면, 배터리 랙 내에서 충방전되는 에너지의 경로를 선택적으로 제어하여 DC 버스와 배터리 전압의 전압 차에 의한 배터리 시스템의 파손을 방지 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 랙을 포함하는 배터리 시스템을 나타내는 도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 랙을 나타내는 도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 복수의 배터리 랙과 DC 버스간의 병렬 연결 방법을 나타내는 도이다.

이하의 내용은 단지 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 발명의 원리를 구현하고 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.

또한, 발명을 설명함에 있어서 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 랙(100)을 포함하는 배터리 시스템(10)을 나타내는 도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 시스템(10)은 PCS (Power Conditioning System) (200), DC 버스(300), 배터리 랙(100)을 포함한다.

본 실시예에서 배터리 시스템(10) 은 복수 개의 배터리 랙(100)(110)를 포함하여 구성되며, 배터리 랙(100)이란 배터리 시스템(10) 을 구성하는 최소 단위를 의미하며, PRA(Power Relay Assembly)(미도시), 배터리(배터리 팩)(300) 및 BMS(110)(Battery Management System) 를 포함하여 이루어질 수 있다. 배터리 시스템(10)은 적어도 하나 이상의 배터리 랙(100)을 포함하여 이루어지며, 이때, 배터리 랙(100)은 서로 직렬 또는 병렬로 연결된다.

본 실시예에서는 수 kWh, 또는 MWh 시스템을 구성하기 위해서는 배터리 랙(100)을 병렬로 구성하는 경우를 예를 들어 설명한다.

PRA는 일반적으로 대용량 고전압 배터리와 계통 사이에 위치하며, PRA를 통해 배터리에서 생산된 전력이 미리 정해진 값 이상 또는 이하가 되면 배터리 시스템(10) 에서 생산된 전력을 공급받아 소비하는 장치로 인가될 수 있다.

나아가 본 실시예에서 배터리(300)는 복수 개의 배터리 셀(Cell)(미도시)로 구성될 수 있으며, 이하 에서는 편의상 배터리 셀, 배터리 팩을 포함하여 '배터리'로 간략히 표현하기로 한다.

BMS(110)는 배터리 랙(100)을 관리하는 시스템을 의미하며, 배터리 랙(100)의 전압 또는 전류를 측정 할 수 있다. 또한, 배터리의 과충전 또는 과방전을 방지할 뿐만 아니라, 배터리 랙(100)의 상태를 최적화 한다.

PCS(200)는 일반적으로 배터리에서 생산되는 DC전력을 AC전력으로 변환할 수 있으며, 이를 통해서 변환한 AC전력을 Grid 및 부하에 전달하거나, 변환한 AC전력을 DC전력으로 재변환하여 배터리에 재전달하는 DC-AC의 양방향 전송 및 신재생에너지발전을 통해서 생산된 전력을 배터리로 전달할 수 있다.

본 실시예에 따른 대용량 에너지 저장 시스템의 PCS(200)는 배터리 시스템(10)의 잔존 용량(SOC, State Of Charge) 및 진단 상태를 확인하여 배터리 시스템(10)의 운용을 제어할 수 있다.

DC 버스(300)는 배터리에서 생산되는 DC 전력을 Grid 및 부하에 전달하기 위하여 PCS(200)로 전송하거나, 충전을 위해 PCS(200)가 배터리에 DC 전력을 재전달하기 위한 전송 경로를 형성한다.

나아가, 본 실시예에서 배터리 랙(100)은 DC 버스(300)에 접속되며, DC 버스(300)의 DC 전압과 배터리 랙(100)의 랙 전압을 측정하여, DC 전압과 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 입력되는 전원의 경로를 프리차지 저항(130)을 포함하는 경로로 선택한다.

이하 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 배터리 랙(100)에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 랙(100)을 나타내는 도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 랙(100)은 전압 측정부(114), 제어부(112)를 포함하며, 이는 BMS(110) 내부에 구성될 수 있다.

본 실시예에서 전압 측정부(114)는 배터리 랙(100)의 에너지 충방전을 위한 DC 버스(300)에 접속된 배선과 접속하여 DC 버스(300)의 DC 전압과 배터리 랙(100)의 랙 전압을 측정한다.

본 실시예에서 전압을 측정하기 위하여 전압 측정부(114)는 DC 버스(300)의 +단에 접속된 배선에 접속하는 두 개의 접속 부(114a, 114b)와, DC 버스(300)의 -단에 접속된 배선에 접속하는 하나의 접속 부(114c)를 포함하고, 랙 전압은 두 개의 접속 부(114a, 114b)를 통해 측정하고, DC 전압은 두 개의 접속 부(114a, 114b) 중 하나와 하나의 접속 부(114c)를 통해 측정한다.

즉, 도 2를 참조하면 전압 측정부(114)는 3개의 측정을 위한 배선을 포함하고 2개의 배선은 배터리 랙(100)의 랙 전압을 측정하기 위해 이용된다. 이때 2개의 배선은 DC 버스(300)의 +단에 접속된 배선에서, 이하 설명하는 본 실시예에서의 경로를 포함하는 지점에 각각 접속 된다.

도 2에서 두 개의 전압 측정용 배선 중 하나의 배선은 직접 연결되는 경로와 프리차지 저항(130)을 포함하여 연결되는 경로로 분기되기 이전의 지점에서 접속되고, 다른 하나의 배선은 분기가 끝난 지점에서 접속된다.

따라서, 경로 선택의 결과와 무관하게 랙 전압을 측정할 수 있다.

나아가, 도 2를 참조하면 3개의 측정을 위한 배선 중 나머지 하나의 배선은 DC 버스(300)의 -단에 접속된 배선에 접속한 배선의 일 지점에 접속된다. 따라서 결과적으로 DC 버스(300)의 전압을 측정 할 수 있다.

다음, 전압 측정부(114)는 이상에 따른 DC 전압과 랙 전압의 측정 결과를 제어부(112)에 전송한다. 본 실시예에서 제어부(112)는 DC 전압과 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 충방전 경로를 프리차지 저항(130)을 포함하는 경로로 선택한다.

이때 미리 결정된 기준이라는 것은 본 실시예에서 이용하는 배터리 랙(100) 내의 회로에 위치하는 각종 소자의 허용 전류 값을 통해 결정되는 것으로서, 허용 전류 값을 초과하는 전류가 흐르게 되는 전압 차를 기준으로 설정하는 것이 바람직하다.

즉, 본 실시예에서 경로는 DC 버스(300)와 접속된 배선의 한 지점에서 내부 배터리로 직접 연결되는 제1 경로와, 지점에서 내부 배터리로 프리차지 저항(130)을 포함하여 연결되는 제2 경로를 포함하고, 랙 전압과 DC 전압의 차이가 기준 이상의 차이가 나는 경우에는 경로를 프리차지 저항(130)을 포함하는 제2 경로로 설정한다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에서의 경로 설정은 스위칭 소자(112a, 112b)를 통해 구현 될 수 있다. 즉 본 실시예에서는 DC 버스(300)의 +단에 접속되어 배터리 랙(100) 내부의 배터리와 연결되는 배선의 일 지점에서 분기하여, 하나의 경로는 일반적인 배선으로 직접 연결되도록 구현하고 하나의 경로는 소정의 저항 값을 가지는 프리차지 저항(130)을 포함하여 구현된다. 분기후 각각의 경로는 다시 하나의 배선으로 합쳐져 배터리와 연결된다.

제어부(112)는 각각의 경로에 설정된 스위칭 소자(112a, 112b)를 통해 경로를 결정한다. 즉 전압 차이가 기준을 초과하는 경우에는 직접 연결되는 경로의 스위칭 소자를 오프(112a)하고, 프리차지 저항(130)을 포함하는 경로의 스위칭 소자(112b) 를 온하여 프리차지 저항(130)을 통과하여 배터리와 DC 버스(300)의 +단이 연결되도록 한다.

나아가 본 실시예에서 복수의 배터리 랙(100)과 DC 버스(300)간의 병렬 연결은 일련의 시퀀스에 의해 접속 될 수 있다.

이하 도 3을 참조하여 설명한다. 도3은 본 실시예에 따른 복수의 배터리 랙(100)과 DC 버스(300)간의 병렬 연결 방법을 나타내는 흐름도로서 도 3을 참조하면 본 실시예에 따른 병렬 연결 방법은 사용자 입력 단계(S100), 프리차지 회로를 통한 접속 단계(S200), 밸런싱 후 DC 버스(300) 접속 단계(S300)를 포함한다.

사용자 입력 단계(S100)는 사용자로 부터 병렬 접속의 시작을 입력 받는 단계로서, 본 실시예에서는 사용자가 제1 배터리 랙(100)에 부착된 P-CHG 입력 버튼을 누르는 것을 통해 시작을 입력 받을 수 있다. 나아가 물리적인 버튼을 누르는 입력 방식 외에 무선 통신이나 소프트웨어 조작을 통하여 사용자로부터 시작을 입력받는 것도 가능하다. 또한, 사용자에 의해 미리 결정된 알고리즘에 따라 PCS(200)의 제어부(112)로 부터 자동으로 병렬 접속의 시작을 입력 받는 것도 가능하다.

사용자로 부터 시작을 입력 받으면, 프리차지 회로를 통한 접속 단계(S200)는 제1 배터리 랙(100) 부터 상술한 방식에 따른 경로 선택 방법으로 DC 버스(300)와의 접속을 시작한다. 즉 도 1을 참조하면, 본 실시예에서 배터리 랙(100)은 PCS(200)에서 가장 먼 제1 배터리 랙(100) 부터 순차적으로 경로를 선택하여 DC 버스(300)에 접속된다.

다음 밸런싱 후 DC 버스(300) 접속 단계(S300)는 경로 선택으로, 배터리 랙(100)이 프리차지 회로를 포함하는 경로를 선택하여 접속하고, 배터리 랙(100) 간의 전압이 미리 결정된 범위 내에서 밸런싱 되면 PCS(200)에서 가장 가까운 제N 배터리 랙(100) 부터 순차적으로 주차단기를 통해 DC 버스(300)에 접속된다.

즉, 상술한 바와 같이 랙 전압과 DC 전압의 차이에 따라 경로를 선택하여 제1 배터리 랙(100)부터 제N 배터리 랙(100)까지 DC 버스(300)와 접속하고, 랙 간의 전압이 밸런싱되면 역순으로 제N 배터리 랙(100)부터 제1 배터리 랙(100)까지 주 차단기를 통하여 DC 버스(300)에 접속하게 된다.

이상의 본 발명에 따르면, 배터리 랙 내에서 충방전되는 에너지의 경로를 선택적으로 제어하여 DC 버스와 배터리 전압의 전압 차에 의한 배터리 시스템의 파손을 방지 할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경으로 예를 들어, DC 버스의 구성을 달리하거나, 포함되는 배터리 랙 내부 회로의 +,- 방향을 바꾸는 등의 수정 및 치환이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 배터리 시스템을 구성하는 복수의 배터리 랙에 있어서,
   상기 배터리 랙의 에너지 충방전을 위한 DC 버스에 접속된 배선과 접속하여 상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
   상기 전압측정부의 전압 측정 결과를 입력 받고, 상기 배터리 랙의 에너지 충방전 경로를 선택하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 상기 충방전 경로를 프리차지 저항을 포함하는 경로로 선택하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 경로는 상기 DC 버스와 접속된 배선의 한 지점에서 내부 배터리로 직접 연결되는 제1 경로와, 상기 지점에서 상기 내부 배터리로 상기 프리차지 저항을 포함하여 연결되는 제2 경로를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 상기 제2 경로로 선택하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전압 측정부는 상기 DC 버스의 +단에 접속된 배선에 접속하는 두 개의 접속 부와, 상기 DC 버스의 -단에 접속된 배선에 접속하는 하나의 접속 부를 포함하고,
   상기 랙 전압은 상기 두 개의 접속 부를 통해 측정하고,
   상기 DC 전압은 상기 두 개의 접속 부 중 하나와 상기 하나의 접속 부를 통해 측정하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
4. N개의 배터리 랙을 포함하는 배터리 시스템에 있어서,
   상기 배터리 랙에서 충방전되는 에너지를 제어하는 PCS(Power Conditioning System);
   상기 배터리 랙의 에너지 충방전을 위한 DC 버스;
   상기 DC 버스에 접속되며, 상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하여, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 입력되는 전원의 경로를 프리차지 저항을 포함하는 경로로 선택하는 배터리 랙을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 배터리 랙은 상기 PCS에서 가장 먼 제1 배터리 랙 부터 순차적으로 상기 경로를 선택하여 상기 DC 버스에 접속되고,
   상기 경로의 선택 후 상기 배터리 랙 간의 전압이 미리 결정된 범위 내에서 밸런싱 되면 상기 PCS에서 가장 가까운 제N 배터리 랙 부터 순차적으로 주차단기를 통해 상기 DC 버스에 접속되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 배터리 랙은,
   상기 배터리 랙의 에너지 충방전을 위한 DC 버스에 접속된 배선과 접속하여 상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
   상기 전압측정부의 전압 측정 결과를 입력 받고, 상기 배터리 랙의 에너지 충방전 경로를 선택하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 상기 충방전 경로를 프리차지 저항을 포함하는 경로로 선택하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.

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