KR20160099361A - 다병렬 에너지 저장 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에너지 저장 장치 및 병렬로 연결된 복수의 배터리 트레이가 포함된 에너지 저장 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 UVP 상태에서 배터리 트레이의 에너지 저장 시스템 제어 방법은, 충전 전압 감지 시 프리차지를 실시하는 단계; 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보를 상기 배터리 트레이와 병렬로 연결된 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 전송하는 단계; 모든 배터리 트레이가 프리차지를 실시한 상태인 경우, 상기 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 충전 시작을 지시하는 정보를 동시에 전송하는 단계;를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 병렬로 연결된 복수 개의 배터리 트레이를 포함하는 에너지 저장 시스템의 UVP 상태 후 충전 복귀 시의 FET 실패(failure) 발생을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 에너지 저장 장치 및 병렬로 연결된 복수의 배터리 트레이가 포함된 에너지 저장 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
환경 파괴, 자원 고갈 등이 문제되면서, 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한 이와 함께 발전 과정에서 공해를 유발하지 않는 신 재생 에너지에 대한 관심도 높아지고 있다. 일반적으로, 충방전이 가능한 이차 전지(rechargeable battery)는 휴대 전화(cellular phone), 노트북 컴퓨터, 캠코더, PDA(personal digital assistants) 등 휴대용 전자기기의 개발로 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히 이러한 이차 전지는 니켈-카드뮴(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hybrid battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery), 금속 리튬 전지, 공기 아연 축전지 등 다양한 종류가 개발되고 있다. 이러한 이차 전지는 회로와 합쳐져서 배터리 팩을 구성하며, 배터리 팩의 외부 단자를 통해 충전과 방전이 이루어질 수 있다.
종래의 배터리 팩은 크게 배터리 셀과, 충방전 회로를 포함하는 주변회로를 포함하여 이루어지며, 이 주변회로는 인쇄 회로 기판으로 제작된 후, 상기 배터리 셀과 결합된다. 배터리 팩의 외부 단자를 통해 외부 전원이 연결되면, 외부 단자와 충방전 회로를 통해 공급되는 외부 전원에 의해 배터리 셀이 충전되며, 외부 단자를 통해 부하(load)가 연결되면, 배터리 셀의 전원이 충방전 회로와 외부 단자를 통해 부하에 공급되는 동작이 일어난다. 이때 충방전 회로는 외부 단자와 배터리 셀 사이에서 배터리 셀의 충방전을 제어한다. 일반적으로 배터리 셀은 부하의 소모 용량에 맞도록 다수의 배터리 셀을 직렬 및 병렬로 연결하여 사용할 수 있다.
한편, 기존의 에너지 저장 시스템의 경우, 정상 상태(normal status)인 경우에, 방전 중에는 충전 스위치와 방전 스위치가 모두 온(on) 되어 있을 수 있다. 그리고 대기(rest) 상태인 경우에도 충전 스위치와 방전 스위치는 모두 온(on) 상태로 변화가 없다. 그리고 충전 상태로 된 경우 충전 스위치와 방전 스위치는 모두 온(on) 상태일 수 있다. 그 후, 충전이 완료된 경우 충전 스위치는 오프(off)로 변경되고 방전 스위치는 온(on) 상태로 유지될 수 있다.
반면, 저 전압 보호 상태(UVP status: under voltage protection status)로 들어간 경우에는 충전 스위치와 방전 스위치가 모두 오프(off)되어 있을 수 있다. 그리고 충전기 전압이 들어오게 되면, 즉 충전이 시작된 경우에는 충전 스위치와 방전 스위치가 모두 온(on) 상태로 변경되어 UVP 상태가 해제될 수 있다.
그런데, 에너지 저장 시스템이 병렬로 연결된 복수 개의 배터리 트레이(tray)를 포함하고 있는 경우에는 문제점이 발생할 수 있다. 예를 들면, 병렬로 연결된 배터리 트레이들 중 어느 하나의 제1 배터리 트레이가 먼저 충전을 시작하면, 상기 제1 배터리 트레이에 포함된 충전 스위치와 방전 스위치가 모두 온(on) 상태로 변경되므로 배터리 전압이 충전기 전압이 될 수 있다. 그에 따라서, 상기 제1 배터리 트레이를 제외한 나머지 배터리 트레이들은 충전기 전압을 낮게 계측을 하게 되어, 결과적으로 UVP 상태가 해제되지 않을 수 있다. 또한, 상기와 같이 병렬로 연결된 복수 개의 배터리 트레이가 포함된 시스템의 경우, 어느 한 개의 배터리 트레이의 충전 스위치와 방전 스위치가 온(on)되어 충전을 시작하면, 다(多)병렬 기준 충전 전류가 들어와서 과전류 보호 동작이 발생하거나 또는 인러쉬(inrush) 발생으로 스위치 실패(failure) 발생 가능성이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 병렬로 연결된 복수 개의 배터리 트레이(tray)를 포함하는 에너지 저장 시스템의 저 전압 보호 상태(UVP status: under voltage protection status) 후 충전 복귀 시의 스위치, 예를 들면 전계 효과 트랜지스터(FET: field effect transistor) 실패(failure) 발생을 방지하기 위한 것이다.
또한, 병렬로 연결된 복수의 배터리 트레이의 동시 충전 시작으로 트레이 언발란스(unbalance) 발생을 방지하도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 저전압 보호(UVP: under voltage protection) 상태에서 배터리 트레이(tray)의 에너지 저장 시스템 제어 방법은, 충전 전압 감지 시 프리차지(precharge)를 실시하는 단계; 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보를 상기 배터리 트레이와 병렬로 연결된 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 전송하는 단계; 모든 배터리 트레이가 프리차지를 실시한 상태인 경우, 상기 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 충전 시작을 지시하는 정보를 동시에 전송하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보는 CAN(controller area network) 통신을 이용하여 상기 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 전송되는 것일 수 있다.
또한, 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 전송하는 단계는, 상기 모든 배터리 트레이들이 프리차지를 실시한 상태이고, 상기 모든 배터리 트레이들이 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보를 전송한 상태인 경우에, 상기 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 충전 시작을 지시하는 정보를 동시에 전송하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 전송하는 단계는, 상기 배터리 트레이가 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 전송할 배터리 트레이인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 배터리 트레이가 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 전송할 배터리 트레이인 경우, 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 상기 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 동시에 전송하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리 트레이가 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 전송할 배터리 트레이가 아닌 경우, 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 수신하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 프리차지를 실시하는 단계는, 충전 스위치 및 방전 스위치를 오프(off)하고, 프리차지 스위치를 온(on)하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 트레이(tray)는, 적어도 하나의 배터리 셀; 상기 배터리 셀과 직렬로 연결된 충전 스위치 및 방전 스위치; 상기 충전 스위치 및 상기 방전 스위치와 병렬로 연결된 프리차지 스위치; 및 상기 배터리 셀과 직렬로 연결된 배터리 트레이 제어부;를 포함하고, 상기 트레이 제어부는, 충전 전압 감지 시 프리차지(precharge)를 실시하고, 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보를 상기 배터리 트레이와 병렬로 연결된 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 전송하고, 모든 배터리 트레이가 프리차지를 실시한 상태인 경우, 상기 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 충전 시작을 지시하는 정보를 동시에 전송하도록 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 병렬로 연결된 복수 개의 배터리 트레이(tray)를 포함하는 에너지 저장 시스템의 저 전압 보호 상태(UVP status: under voltage protection status) 후 충전 복귀 시의 스위치, 예를 들면 전계 효과 트랜지스터(FET: field effect transistor) 실패(failure) 발생을 방지할 수 있다.
또한, 병렬로 연결된 복수의 배터리 트레이의 동시 충전 시작으로 트레이 언발란스(unbalance) 발생을 방지할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 저장 시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 트레이의 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 UVP 상태에서 정상 상태로 복귀하는 절차의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 트레이의 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 UVP 상태에서 정상 상태로 복귀하는 절차의 일 예를 도시한 도면이다.
이하, 본 명세서의 실시 예의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서의 실시 예가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서의 실시 예와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 실시 예의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
본 명세서에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있는 것을 의미할 수도 있고, 중간에 다른 구성 요소가 존재하는 것을 의미할 수도 있다. 아울러, 본 명세서에서 특정 구성을 "포함" 한다고 기술하는 내용은 해당 구성 이외의 구성을 배제하는 것이 아니며, 추가적인 구성이 본 발명의 실시 또는 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함될 수 있음을 의미한다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성들은 상기 용어에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성을 다른 구성으로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성은 제2 구성으로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성도 제1 구성으로 명명될 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시 예에 나타나는 구성부들은 서로 다른 특징적인 기능을 나타내기 위해 독립적으로 도시되는 것으로, 각 구성부들이 분리된 하드웨어나 하나의 소프트웨어 구성 단위로 이루어짐을 의미하지 않는다. 즉, 각 구성부는 설명의 편의상 각각의 구성부로 나열하여 포함한 것으로 각 구성부 중 적어도 두 개의 구성부가 하나의 구성부를 이루거나, 하나의 구성부가 복수 개의 구성부로 나뉘어져 기능을 수행할 수 있다. 각 구성부의 통합된 실시 예 및 분리된 실시 예도 본 발명의 본질에서 벗어나지 않는 한 본 발명의 권리 범위에 포함된다.
또한, 일부의 구성 요소는 본 발명에서 본질적인 기능을 수행하는 필수적인 구성 요소는 아니고 단지 성능을 향상시키기 위한 선택적 구성 요소일 수 있다. 본 발명은 단지 성능 향상을 위해 사용되는 구성 요소를 제외한 본 발명의 본질을 구현하는데 필수적인 구성부만을 포함하여 구현될 수 있고, 단지 성능 향상을 위해 사용되는 선택적 구성 요소를 제외한 필수 구성 요소만을 포함한 구조도 본 발명의 권리범위에 포함된다.
하기에서 본 명세서의 실시 예를 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 실시 예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서의 실시 예의 실시 예를 설명하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 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.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 저장 시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 저장 시스템(110)은 발전 시스템(120), 계통(130) 등과 연계하여 부하(140)에게 전력을 공급할 수 있다.
발전 시스템(120)은 에너지원을 이용하여 전력을 생산하는 시스템이다. 그리고 상기 발전 시스템(120)은 생산한 전력을 전력 저장 시스템(110)에게 공급할 수 있다. 예를 들면, 발전 시스템(120)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로 발전 시스템(120)은 상기 언급한 종류에 한정되는 것은 아니고, 태양열이나 지열 등, 신 재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 시스템 등을 모두 포함할 수 있다. 예를 들면, 태양 광을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 태양 전지는, 각 가정 또는 공장 등에 설치하기 용이하여, 각 가정 이나 공장에 분산된 전력 저장 시스템(110)에 적용될 수 있다. 발전 시스템(120)은 다수의 발전 모듈을 병렬로 구비하고 발전 모듈 별로 전력을 생산함으로써 대용량 전력 시스템을 구성할 수 있다.
계통(130)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비할 수 있다. 계통(130)은 정상 상태(normal status)인 경우, 전력 저장 시스템(110)으로 전력을 공급하여 부하(140) 및/또는 배터리 팩(160)에게 전력이 공급되도록 하고, 전력 저장 시스템(110)으로부터 전력을 공급받는다. 계통(130)이 비정상 상태인 경우, 계통(130)으로부터 전력 저장 시스템(110)으로의 전력 공급은 중단되고, 전력 저장 시스템(110)으로부터 계통(130)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
부하(140)는 발전 시스템(120)에서 생산된 전력, 배터리 팩(160)에 저장된 전력, 또는 계통(130)으로부터 공급된 전력을 소비할 수 있다. 가정이나 공장 등이 부하(140)의 일 예일 수 있다.
전력 저장 시스템(110)은 발전 시스템(120)에서 생산한 전력을 배터리 팩(160)에 저장하고, 생산한 전력을 계통(130)으로 공급할 수 있다. 또는 전력 저장 시스템(110)은 배터리 팩(160)에 저장된 전력을 계통(130)으로 공급하거나, 계통(130)으로부터 공급된 전력을 배터리 팩(160)에 저장할 수도 있다. 또한 전력 저장 시스템(110)은 계통(130)이 비정상 상태일 경우, 예를 들면 정전이 발생한 경우에는 UPS(uninterruptible power supply) 동작을 수행하여 부하(140)에게 전력을 공급할 수 있다. 또한 전력 저장 시스템(110)은 계통(130)이 정상인 상태에서도 발전 시스템(120)이 생산한 전력이나 배터리 팩(160)에 저장되어 있는 전력을 부하(140)에게 공급할 수 있다.
한편, 전력 저장 시스템(110)은 전력 변환을 제어하는 전력 변환 시스템(power conversion system)(150), 배터리 팩(160), 제1 스위치(170) 및 제2 스위치(180) 등을 포함할 수 있다.
전력 변환 시스템(150)는 발전 시스템(120), 계통(130), 배터리 팩(160)의 전력을 요구되는 스펙으로 변환하여 필요한 곳에 공급한다. 전력 변환 시스템(150)는 전력 변환부(151), DC 링크부(152), 인버터(153), 컨버터(154), 통합 제어기(155) 등을 포함할 수 있다.
전력 변환부(151)는 발전 시스템(120)과 DC 링크부(152) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 전력 변환부(151)는 발전 시스템(120)에서 생산한 전력을 DC 링크부(152)로 전달하며, 이때 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환할 수 있다.
이때, 상기 전력 변환부(151)는 발전 시스템(120)의 종류에 따라서 컨버터, 정류회로 등의 전력 변환 회로로 구성될 수 있다. 예를 들면, 발전 시스템(120)이 생산하는 전력이 직류인 경우, 전력 변환부(151)는 DC/DC 컨버터일 수 있다. 반면, 발전 시스템(120)이 생산하는 전력이 교류인 경우, 전력 변환부(151)는 교류를 직류로 변환하기 위한 정류회로일 수 있다. 특히 발전 시스템(120)이 태양광 발전 시스템인 경우, 전력 변환부(151)는 일사량, 온도 등의 변화에 따라서 발전 시스템(120)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(maximum power point tracking) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다. 전력 변환부(151)는 발전 시스템(120)에서 생산되는 전력이 없을 때에는 동작을 중지하여 컨버터 등에서 소비되는 전력을 최소화시킬 수도 있다.
한편, 직류 링크 전압은 발전 시스템(120) 또는 계통(130)에서의 순시 전압 강하, 부하(140)에서의 피크 부하 발생 등으로 인하여 그 크기가 불안정해지는 경우가 있을 수 있다. 그러나 직류 링크 전압은 컨버터(154) 및 인버터(153)의 정상 동작을 위하여 안정될 필요가 있다. 이때, DC 링크부(152)는 전력 변환부(151)와 인버터(153) 사이에 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 유지시킬 수 있다. DC 링크부(152)로서, 예를 들어 대용량 캐패시터 등을 사용할 수 있다.
인버터(153)는 DC 링크부(152)와 제1 스위치(170) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 이때, 인버터(153)는 방전 모드에서 발전 시스템(120) 및/또는 배터리 팩(160)으로부터 출력된 직류 링크 전압을 계통(130)의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터를 포함할 수 있다. 또한 인버터(153)는 충전 모드에서 계통(130)의 전력을 배터리 팩(160)에 저장하기 위하여 계통(130)의 교류 전압을 정류하고 직류 링크 전압으로 변환하여 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다. 즉 인버터(153)는 입력 및 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 인버터일 수 있다. 실시 예에 따라서, 인버터(153)는 계통(130)으로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 또한 인버터(153)는 무효 전력의 발생을 억제하기 위하여 인버터(153)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(130)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 그 밖에, 인버터(153)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도 현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수도 있다. 그리고, 인버터(153)는 사용되지 않을 때, 전력 소비를 최소화 하기 위하여 동작을 중지시킬 수도 있다.
컨버터(154)는 DC 링크부(152)와 배터리 팩(160) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 컨버터(154)는 방전 모드에서 배터리 팩(160)에 저장된 전력을 인버터(153)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 출력하는 컨버터를 포함할 수 있다. 또한 컨버터(154)는 충전 모드에서 전력 변환부(151)에서 출력되는 전력이나 인버터(153)에서 출력되는 전력의 전압을 배터리 팩(160)에서 요구하는 전압 레벨, 즉 충전 전압으로 DC-DC 변환하는 컨버터를 포함할 수 있다. 즉, 컨버터(154)는 입력 및 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 컨버터일 수 있다. 그리고, 컨버터(154)는 배터리 팩(160)의 충전 또는 방전이 필요 없는 경우에는 동작을 중지시켜 전력 소비를 최소화 할 수도 있다.
통합 제어기(155)는 발전 시스템(120), 계통(130), 배터리 팩(160) 및 부하(140)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라서 전력 변환부(151), 인버터(153), 컨버터(154), 배터리 팩(160), 제1 스위치(170), 제2 스위치(180)의 동작을 제어한다. 예를 들면, 통합 제어기(155)는 계통(130)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(120)에서 전력이 생산되는지 여부, 발전 시스템(120)에서 전력을 생산하는 경우 그 생산량, 배터리 팩(160)의 충전 상태, 부하(140)의 소비 전력량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다. 또한 통합 제어기(155)는 계통(130)에 정전이 발생하는 등, 부하(140)로 공급할 전력이 충분하지 않은 경우에는 부하(140) 내에 포함된 전력 사용 기기들에 대하여 우선 순위를 정하고, 우선 순위가 높은 전력 사용 기기로 전력을 공급하도록 부하(140)를 제어할 수도 있을 것이다.
제1 스위치(170) 및 제2 스위치(180)는 인버터(153)와 계통(130) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(155)의 제어에 따라서 온(on)/오프(off) 동작을 수행하여 발전 시스템(120)과 계통(130) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 스위치(170)와 제2 스위치(180)는 발전 시스템(120), 계통(130) 및 배터리 팩(160)의 상태에 따라서 온(on)/오프(off)가 결정될 수 있다.
구체적으로, 발전 시스템(120) 및/또는 배터리 팩(160)의 전력을 부하(140)로 공급하는 경우 또는 계통(130)의 전력을 배터리 팩(160)에 공급하는 경우, 제1 스위치(170)를 온(on) 상태로 한다. 발전 시스템(120) 및/또는 배터리 팩(160)의 전력을 계통(130)으로 공급하는 경우 또는 계통(130)의 전력을 부하(140) 및/또는 배터리 팩(160)에 공급하는 경우에는 제2 스위치(180)를 온(on) 상태로 한다.
한편, 계통(130)에서 정전이 발생한 경우에는, 제2 스위치(180)를 오프(off) 상태로 하고 제1 스위치(170)를 온(on) 상태로 할 수 있다. 즉, 발전 시스템(120) 및/또는 배터리 팩(160)으로부터의 전력을 부하(140)에 공급하는 동시에, 부하(140)로 공급되는 전력이 계통(130) 측으로 흐르는 것을 방지한다. 이로 인하여 전력 저장 시스템(110)의 단독 운전을 방지하여 계통(130)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 전력 저장 시스템(110)으로부터의 전력에 의하여 감전되는 등의 사고를 방지할 수 있게 한다.
한편, 제1 스위치(170) 및 제2 스위치(180)로는 큰 전류에 견딜 수 있는 릴레이(relay) 등의 스위칭 장치가 사용될 수 있다.
배터리 팩(160)은 발전 시스템(120) 및/또는 계통(130)의 전력을 공급받아 저장하고, 부하(140) 또는 계통(130)에 저장하고 있는 전력을 공급할 수 있다. 배터리 팩(160)은 전력을 저장하는 부분과 이를 제어하는 부분을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩은 적어도 두 개의 배터리 트레이(tray)(220, 230, 240)를 포함할 수 있다. 그리고 각각의 배터리 트레이(220, 230, 240)는 트레이 제어부(225, 235, 245)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 트레이 제어부(225, 235, 245)는 배터리 제어 시스템(BMS: battery management system)일 수 있다. 그리고 병렬로 연결된 복수 개의 배터리 트레이(220, 230, 240)는 충전기(210)에 연결되어 충전 시 충전 전압이 인가될 수 있다.
상기 배터리 트레이(220, 230, 240)는 외부, 즉 발전 시스템(120) 및/또는 계통(130)으로부터 공급된 전력을 저장하고, 저장하고 있는 전력을 발전 시스템(120) 및/또는 계통(130)으로 공급할 수 있다.
이때, 상기 적어도 두 개의 배터리 트레이(220, 230, 240)들은 서로 병렬로 연결되어 있을 수 있다. 그리고 각각의 배터리 트레이(220, 230, 240)는 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(nickel-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 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 트레이의 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 트레이는 충전 가능한 배터리 셀(320, 325)과 보호 회로를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 보호 회로는 스위치(310)와 트레이 제어부, 즉 BMS(390)를 포함할 수 있다. 상기 스위치(310)는 충전 스위치와 방전 스위치를 포함하고, 그와 병렬로 연결된 프리차지(precharge) 스위치(315)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 스위치는 상기 프리차지 스위치(315)와 직렬로 연결된 저항(317)을 더 포함할 수 있다.
한편, BMS(390)는 적어도 하나의 아날로그 프런트 엔드(AFE: analog front end), MBS 제어부(340)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 MBS 제어부(340)는 마이크로 제어 유닛(MCU: micro control unit)일 수 있다. 또한, BMS(390)는 전력(power) 소프트웨어(370), 식별 소프트웨어(371), TR 소프트웨어(373), CAN(controller area network) 통신부(375) LED(377), JTAG(379) 등을 더 포함할 수 있다. 물론 BMS(390)는 상기 구성 요소를 모두 포함하지 않을 수 있으며, 상기 열거된 구성 요소 이외의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다. 상기 CAN 통신부(375)는 배터리 팩 내부 통신 프로토콜로서 배터리 트레이들(220, 230, 240) 간의 통신 및 배터리 팩을 제어할 수 있다.
또한, 상기 배터리 트레이는 실시 예에 따라서 도 3에 도시된 바와 같이 홀 센서(350)과 퓨즈(360)와 같은 구성 요소를 더 포함할 수도 있다.
한편, 상기 배터리 트레이는 직렬로 연결된 적어도 하나의 배터리 셀(320, 325)을 포함할 수 있고, 상술한 바와 같이 충전 가능한 다양한 이차 전지를 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 상기 배터리 셀(320, 325)은 그 내부의 각종 정보, 예를 들면, 셀의 온도, 셀의 충전 전압, 셀에 흐르는 전류량 등의 셀 관련 정보를 AFC(330, 335)에게 전송할 수 있다.
한편, AFE(330, 335)는 배터리 셀(320, 325)과 스위치(310) 사이에서 병렬로 연결되고, 배터리 셀(320, 325)과 MCU(340) 사이에서 직렬로 연결될 수 있다. AFE(330, 335)는 배터리 셀(320, 325)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링 할 수 있다. 또한, AFE(330, 335)는 측정된 데이터를 아날로그-디지털 변환하여 MCU(340)에게 전달할 수 있다. 실시 예에 따라, AFE(330, 335)는 복수의 AFE(330, 335)가 서로 직렬로 연결되어 구성될 수도 있고, AFE(330, 335)가 단일 IC로 구성될 수도 있다.
MCU(340)는 배터리 트레이의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면 MCU(340)는 AFE(330, 335)의 동작을 제어하고, AFE(330, 335)로부터 모니터링 데이터를 수집할 수 있다. 그리고 MCU(340)는 그에 연결된 다른 구성 요소를 제어할 수 있다.
충전 스위치 및 방전 스위치(313)는 배터리 셀(320, 325)과 외부 단자 사이의 대전류 경로(high current path)에 직렬로 형성되어, 충전 전류 및 방전 전류의 흐름을 제어하는 스위치이다. 충전 스위치는 충전 전류를 차단하고, 방전 스위치는 방전 전류를 차단할 수 있다. 이러한 충전 스위치 및 방전 스위치 각각은 전계 효과 트랜지스터(FET: field effect transistor)로 구성될 수 있으며, 각각의 스위치는 MCU(340)에 제어될 수 있다. 상기 충전 스위치는 C-FET(charge FET), 방전 스위치는 D-FET(discharge FET)로 지칭될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이 기존의 에너지 저장 시스템의 경우, 정상 상태(normal status)인 경우에, 방전, 대기, 충전 중에는 충전 스위치와 방전 스위치가 모두 온(on) 되어 있다가, 충전이 완료된 경우 충전 스위치는 오프(off)로 변경되고 방전 스위치는 온(on) 상태로 유지되게 된다. 그리고, 에너지 저장 시스템이 저 전압 보호 상태(UVP status: under voltage protection status)로 들어간 경우에는 충전 스위치와 방전 스위치가 모두 오프(off)되고, 충전기 전압이 들어오게 되면, 즉 충전이 시작된 경우에는 충전 스위치와 방전 스위치가 모두 온(on) 상태로 변경되어 UVP 상태가 해제될 수 있다. 그런데, 에너지 저장 시스템이 본 발명에서와 같이 병렬로 연결된 복수 개의 배터리 트레이(tray)를 포함하고 있는 경우에는 병렬로 연결된 배터리 트레이들 중 어느 하나의 제1 배터리 트레이가 먼저 충전을 시작하면, 상기 제1 배터리 트레이에 포함된 충전 스위치와 방전 스위치가 모두 온(on) 상태로 변경되므로 배터리 전압이 충전기 전압이 될 수 있다. 그에 따라서, 상기 제1 배터리 트레이를 제외한 나머지 배터리 트레이들은 충전기 전압을 낮게 계측을 하게 되어, 결과적으로 UVP 상태가 해제되지 않을 수 있다.
반면, 본원 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 경우에는, 배터리 트레이가 도시된 바와 같이 프리차지(precharge) 스위치(315)를 더 포함함으로써 이러한 문제점을 해소할 수 있다. 한편, 상기 프리차지 스위치(315)도 FET로 구성될 수 있으며 이는 P-FET(315)로 지칭될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장시스템의 경우, 에너지 저장 시스템이 UVP 상태로 된 경우에 충전기 전압이 인가되는 경우에 충전 스위치(C-FET)와 방전 스위치(D-FET)(313)를 온(on)하는 대신에, 프리차지 스위치(315)를 먼저 온(on)하여 프리차지(precharge)를 실시할 수 있다. 그리고 충전 전압이 인가되어 프리차지를 실시하게 된 배터리 트레이는, 그와 병렬로 연결된 다른 배터리 트레이들에게 충전 전압이 인가되어 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보를 전송할 수 있다. 이때, 상기 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보 또는 충전 전압이 인가되었음을 지시하는 정보는 예를 들면 충전 감지 플래그(charger detection flag)와 같을 수 있다. 한편, 상기 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보는 CAN 통신을 통하여 다른 배터리 트레이에게 전송될 수 있다.
그 후, UVP 상태로 된 배터리 트레이들 모두가 프리차지를 실시한 상태가 된 경우, 프리차지를 실시한 배터리 트레이 중 어느 하나의 배터리 트레이는 충전 시작을 알리는 정보를 병렬로 연결된 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 동시에 전송할 수 있다. 한편, 실시 예에 따라서 모든 배터리들이 프리차지를 실시한 상태가 되고, 충전 감지 플래그(charger detection flag)가 세트(set)된 경우에 상기 충전 시작을 알리는 정보를 다른 배터리 트레이에게 동시에 전송할 수도 있다. 즉, 모든 배터리 트레이들이 충전 감지 플래그를 전송한 경우에 충전 시작을 알리는 정보를 다른 배터리 트레이에게 전송할 수 있다.
그리고, 상기 충전 시작을 알리는 정보를 수신한 배터리 트레이 및 상기 충전 시작을 알리는 정보를 전송한 배터리 트레이는 충전 스위치(C-FET)와 방전 스위치(D-FET)(313)를 온(on)하고, 프리차지 스위치(P-FET)(315)는 오프(off)함으로써 UVP 상태에서 벗어날 수 있다. 그에 따라서 에너지 저장 시스템은 정상 상태(normal status)로 되어 충/방전 동작을 수행할 수 있다. 한편, 상기 충전 시작을 알리는 정보는 예를 들면 충전 시작 동기 신호(charger start sync. Signal)일 수 있다. 또는 상기 충전 시작을 알리는 정보는 정상 동작 신호, 즉 정상적인 충전을 시작하도록 지시하는 신호일 수도 있다. 또한, 상기 충전 시작을 알리는 정보의 전송은 CAN 통신을 통하여 다른 배터리 트레이에게 전송될 수 있다. 실시 예에 따라서 상기 충전 시작을 알리는 정보를 전송하는 배터리 트레이는 복수의 트레이들 중 CAN ID 번호를 기준으로 가장 낮은 것을 기준으로 설정되거나 또는 가장 높은 것을 기준으로 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 에너지 저장 시스템이 UVP 상태로 된 경우에도 충/방전 스위치(313)를 온(on)하는 대신에 프리차지 스위치(315)를 온(on)함으로써 다른 배터리 트레이들이 충전기 전압을 낮게 측정하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 프리차지 스위치(315)와 직렬로 연결된 저항(317)으로 인하여 배터리 전압과 충전기 전압이 동일하게 되는 것을 방지하여, 다른 UVP 상태의 배터리 트레이가 충전기 전압을 낮게 계측하는 것을 피할 수 있다. 그리고 UVP 상태에 있던 배터리 트레이들 모두의 프리차지를 실시한 상태에서 충전 시작을 알리는 정보가 동시에 전송(또는 수신)됨으로써, 전체 배터리 트레이가 UVP 상태에서 벗어날 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템의 UVP 상태에서 정상 상태로 복귀하는 절차의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 410 단계에서 배터리 트레이는 UVP 상태가 될 수 있다. 그에 따라서 420 단계에서 배터리 트레이는 모든 스위치(C-FET, D-FET, P-FET)를 모두 오프(off) 상태로 할 수 있다.
그 후, 430 단계에서 배터리 트레이는 충전 전압이 인가되는지 여부를 판단하여, 충전 전압이 인가되면 440 단계에서 프리차지를 실시할 수 있다. 이때, 배터리 트레이는 프리차지 스위치(P-FET)는 온(on) 상태로 변경하지만, 충전 스위치(C-FET)와 방전 스위치(D-FET)는 오프(off) 상태를 유지할 수 있다.
그 후 450 단계에서 배터리 트레이는 그와 병렬로 연결된 다른 배터리 트레이에게 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보를 전송할 수 있다. 이때 프리차지를 실시한 배터리 트레이는 CAN 통신을 통하여 상기 정보를 다른 배터리 트레이에게 전송할 수 있다. 한편, 실시 예에 따라서 상기 440 단계의 프리차지 실시와 상기 450 단계의 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보의 전송은 반대 순서로 이루어질 수 있으며, 또는 프리차지의 실시와 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보의 전송은 동시에 이루어질 수도 있다. 또한, 상술한 바와 같이 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보 또는 충전 전압이 인가되었음을 지시하는 정보는 예를 들면 충전 감지 플래그(charger detection flag)와 같을 수 있다.
이후, 460 단계에서 모든 배터리 트레이들의 프리차지가 실시되었는지 여부를 판단할 수 있다. 이때, 실시 예에 따라서 모든 배터리들의 프리차지가 실시된 상태이고, 충전 감지 플래그(charger detection flag)가 세트된 상태, 즉 모든 배터리 트레이들이 충전 감지 플래그를 전송한 상태인지 여부를 판단할 수도 있다.
만약 모든 배터리 트레이들의 프리차지가 실시되지 않은 경우에는 대기하고, 모든 배터리 트레이들의 프리자치가 실시된 것으로 판단된 경우 470 단계에서 다른 배터리 트레이에게 충전 시작을 지시하는 정보를 전송할지 여부를 판단할 수 있다. 즉, 배터리 트레이는 미리 설정된 조건에 따라서 자신과 병렬로 연결된 다른 배터리 트레이에게 충전 시작을 지시하는 정보를 전송할 기준 배터리 트레이인지 여부를 판단할 수 있다. 이는, 예를 들면 상술한 바와 같이 CAN 식별 번호(CAN ID number)에 따라서 결정될 수 있다.
이때, 배터리 트레이가 충전 시작을 지시하는 정보를 전송할 배터리 트레이인 경우에는 447 단계에서 정상 동작 신호를 자신과 연결된 다른 배터리 트레이들에게 동시에 전송할 수 있다. 이때, 상기 정상 동작 신호는 CAN 통신을 통해 전송될 수 있다. 그리고, 490 단계에서 충전 동작을 수행할 수 있다. 즉, 충전 스위치(C-FET)와 방전 스위치(D-FET)를 온(on)하고, 프리차지 스위치(P-FET)는 오프(off)함으로써 UVP 상태에서 벗어날 수 있다. 그에 따라서 에너지 저장 시스템은 정상 상태(normal status)로 되어 충/방전 동작을 수행할 수 있다.
반면, 배터리 트레이가 충전 시작을 지시하는 정보를 전송할 배터리 트레이가 아닌 경우에는 480 단계에서 충전 시작을 지시하는 정보를 수신하였는지 여부를 판단할 수 있다. 만약 충전 시작을 지시하는 정보를 수신한 경우, 배터리 트레이는 490 단계로 진행하여 C-FET와 D-FET를 온(on)하고, P-FET를 오프(off)함으로써 정상 상태로 되어 충/방전 동작을 수행할 수 있다. 그러나, 충전 시작을 지시하는 정보를 수신하지 못한 경우에 배터리 트레이는 460 단계로 복귀하여 UVP 상태의 다른 모든 배터리 트레이들이 프리차지를 실시하였는지 여부를 판단하는 과정을 수행할 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 실시 예는 기술 내용을 쉽게 설명하고, 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
110: 전력 저장 시스템
120: 발전 시스템
130: 계통 140: 부하
150: 전력 변환 시스템 160: 배터리 팩
130: 계통 140: 부하
150: 전력 변환 시스템 160: 배터리 팩
Claims (10)
- 저전압 보호(UVP: under voltage protection) 상태에서 배터리 트레이(tray)의 에너지 저장 시스템 제어 방법에 있어서,
충전 전압 감지 시 프리차지(precharge)를 실시하는 단계;
프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보를 상기 배터리 트레이와 병렬로 연결된 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 전송하는 단계;
모든 배터리 트레이가 프리차지를 실시한 상태인 경우, 상기 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 충전 시작을 지시하는 정보를 동시에 전송하는 단계;
를 포함하는 에너지 저장 시스템 제어 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보는 CAN(controller area network) 통신을 이용하여 상기 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 전송되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템 제어 방법. - 제1 항에 있어서, 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 전송하는 단계는,
상기 모든 배터리 트레이들이 프리차지를 실시한 상태이고, 상기 모든 배터리 트레이들이 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보를 전송한 상태인 경우에, 상기 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 충전 시작을 지시하는 정보를 동시에 전송하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템 제어 방법. - 제1 항에 있어서, 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 전송하는 단계는,
상기 배터리 트레이가 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 전송할 배터리 트레이인지 여부를 판단하는 단계; 및
상기 배터리 트레이가 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 전송할 배터리 트레이인 경우, 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 상기 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 동시에 전송하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템 제어 방법. - 제4 항에 있어서,
상기 배터리 트레이가 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 전송할 배터리 트레이가 아닌 경우, 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 수신하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템 제어 방법. - 제1 항에 있어서, 상기 프리차지를 실시하는 단계는,
충전 스위치 및 방전 스위치를 오프(off)하고, 프리차지 스위치를 온(on)하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템 제어 방법. - 배터리 트레이(tray)에 있어서,
적어도 하나의 배터리 셀;
상기 배터리 셀과 직렬로 연결된 충전 스위치 및 방전 스위치;
상기 충전 스위치 및 상기 방전 스위치와 병렬로 연결된 프리차지 스위치; 및
상기 배터리 셀과 직렬로 연결된 배터리 트레이 제어부;를 포함하고,
상기 트레이 제어부는,
충전 전압 감지 시 프리차지(precharge)를 실시하고, 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보를 상기 배터리 트레이와 병렬로 연결된 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 전송하고, 모든 배터리 트레이가 프리차지를 실시한 상태인 경우, 상기 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 충전 시작을 지시하는 정보를 동시에 전송하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 트레이. - 제7 항에 있어서,
상기 프리차지를 실시하게 되었음을 지시하는 정보를 상기 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 전송하는 CAN(controller area network) 통신부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 트레이. - 제7 항에 있어서, 상기 트레이 제어부는,
상기 배터리 트레이가 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 전송할 배터리 트레이인지 여부를 판단하고, 상기 배터리 트레이가 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 전송할 배터리 트레이인 경우, 상기 충전 시작을 지시하는 정보를 상기 적어도 하나의 다른 배터리 트레이에게 동시에 전송하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 트레이. - 제7 항에 있어서,
상게 트레이 제어부는, 상기 프리차지를 실시하는 경우에 충전 스위치 및 방전 스위치를 오프(off)하고, 프리차지 스위치를 온(on)하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 트레이.
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