KR20160125205A - 모듈형 능동 셀밸런싱 장치, 모듈형 배터리 블록, 배터리 팩, 및 에너지 저장 시스템 - Google Patents

모듈형 능동 셀밸런싱 장치, 모듈형 배터리 블록, 배터리 팩, 및 에너지 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

모듈형 능동 셀밸런싱 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 모듈형 능동 셀밸런싱 장치는 복수의 배터리 셀 각각을 충전하며, 복수의 배터리 셀의 총 직렬 전압을 입력으로 하여 각 배터리 셀의 전압으로 변환하는 복수의 DC/DC 컨버터; 복수의 DC/DC 컨버터 각각을 제어하며, 해당 배터리 셀의 셀 전압을 감지하는 복수의 셀 제어기; 및 PCS(Power Conditioning System) 제어기의 충전 모드 또는 방전 모드 명령에 따라 복수의 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하고, 복수의 셀 제어기에서 감지된 셀 전압에 따라 해당 배터리 셀이 조기 과방전 또는 조기 과충전 상태라고 판단하면, 셀밸런싱을 위해 충전이 완료되지 않은 배터리 셀 또는 과방전된 배터리 셀을 해당 DC/DC 컨버터가 개별적으로 충전하도록 해당 셀 제어기로 명령하는 배터리 블록 제어기를 포함한다.

Description

모듈형 능동 셀밸런싱 장치, 모듈형 배터리 블록, 배터리 팩, 및 에너지 저장 시스템{Modular active cell balancing apparatus, modular battery block, battery pack, and energy storage system}
본 발명은 모듈형 능동 셀밸런싱 장치, 모듈형 배터리 블록, 배터리 팩, 및 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 에너지 저장용 배터리는 에너지 저장 시스템(ESS; energy Storage system)의 중요한 부분 중의 하나이다. 이러한 에너지 저장 시스템(ESS)의 에너지 저장용 배터리는 출력 용량의 증대와 교류 그리드와의 연계를 위하여 여러 개의 배터리 셀로 구성되며 이를 배터리 팩(Battery Pack)이라고 지칭한다.
한편, 배터리 팩 내에서 직렬로 연결된 배터리 셀들은 시간이 경과하면서 내부 저항, 충방전 용량 등의 편차가 발생함에 따라 특정 배터리 셀이 과충전 또는 과방전 상태로 되어 다양한 문제를 야기할 수 있다.
예를 들면, 배터리 팩의 충전시, 충전 용량이 감소한 일부 배터리 셀이 조기에 과충전 상태에 도달되어도 배터리 팩의 전체가 충분한 충전 상태에 도달되지 못하면, 배터리 팩이 지속적으로 충전되며, 이때, 해당 배터리 셀이 과열되면서, 전체 배터리 팩이 화재 및 폭발의 위험한 상황을 초래할 수 있다. 또한, 일부 배터리 셀의 내부 저항이 증가하게 되면 배터리 팩의 충전시 배터리 팩의 전체가 충분히 충전되지 않았음에도 불구하고 해당 배터리 셀의 단자 전압이 조기에 상승하여 배터리 팩 전체의 전압을 증가시킴으로써 배터리 팩 전체가 충분히 충전이 이루어지기 전에 충전이 중단되어 결과적으로 배터리 팩이 부족 충전되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 통상적으로 배터리 셀에 셀밸런싱 회로(Cell balancing circuit)가 부가된다. 셀밸런싱 회로는 수동형(Passive) 방식과 능동형(Active) 방식이 있다. 수동형 방식은 과충전된 배터리 셀의 전하를 개별 저항을 통하여 소비시킴으로써 배터리 셀 사이의 평형을 맞추어주는 방식이고, 능동형 방식은 개별 충전기로 부족 충전된 배터리 셀에 더 많은 전류를 공급하여 배터리 셀 사이의 평형을 맞추어 주는 방식이다. 에너지 저장 시스템(ESS)과 같이 용량이 상대적으로 큰 배터리를 사용하는 경우, 능동형 방식을 채용하는 것이 바람직하지만, 능동형 방식을 채용하면, 전력 변환기의 부피와 중량이 증가하고 가격이 상승하다는 문제가 있다. 따라서, 이 경우, 셀밸런싱을 위한 개별 충전 장치의 소형화가 중요한 문제이다.
도 8은 종래의 능동 셀밸런싱 장치를 구비한 에너지 저장 시스템의 개략적 블록도이다.
이와 같은 구성에서, 선택 스위치(SW)를 온시킨 상태에서, PWM 컨버터로 구성된 PCS(Power conditioning system) 시스템에 의해 직접 배터리 팩을 충전시키거나, 방전시킨다. 예를 들면, 전형적인 능동 셀밸런싱 장치의 PCS 시스템에 의한 충전 모드에서, 전기 에너지는 교류 그리드로부터 PCS 시스템을 통하여 높은 직류 전압으로 변환되어 직접 배터리 팩을 충전한다.
이때, PCS 시스템에 의한 충전 운전 중에 일부 용량이 저하된 배터리 셀이 조기에 과충전 상태에 도달되면, 상술한 바와 같이 해당 배터리 셀이 화재 및 폭발의 위험에 노출될 수 있기 때문에, 선택 스위치(SW)를 오프시켜 배터리 팩 전체의 충전을 중단시킨다. 이와 동시에, 일방향성의 절연형 DC/DC 컨버터로 완전히 충전되지 않은 배터리 셀을 개별적으로 충전함으로써 전체 배터리 팩의 용량만큼 충분한 충전을 수행할 수 있다.
또한, 전형적인 능동 셀밸런싱 장치의 셀밸런싱 충전 모드에서, 전기 에너지는 교류 그리드로부터 PCS 시스템을 통하여 높은 직류 전압으로 변환되고, 일방향성의 절연형 DC/DC 컨버터는 높은 직류 전압을 배터리 셀 수준의 전압으로 변환하여 각각의 배터리 셀을 개별적으로 충전한다.
한편, PCS 시스템에 의한 방전 운전 중 일부 용량이 저하된 배터리 셀이 조기에 과방전 상태에 도달되면, 해당 배터리 셀은 부하로 작용하기 때문에, 역시 화재 및 폭발의 위험에 노출된다. 따라서 PCS 시스템에 의한 방전 운전 중에도 일방향성의 절연형 DC/DC 컨버터로 일부 조기에 용량이 저하된 배터리 셀을 재충전시킴으로써 과방전 상태로 되는 것을 예방할 수 있다.
이와 같은 능동 셀밸런싱 장치의 셀밸런싱 방전 모드에서, 전기 에너지는 배터리 팩의 높은 직류 전압을 PCS 시스템을 통하여 교류로 변환되어 교류 그리드로 제공하지만, 이와 동시에 일부 과방전된 배터리 셀은 일방향성의 절연형 DC/DC 컨버터를 사용하여 배터리 팩의 높은 직류전압을 배터리 셀 수준의 전압으로 변환하여 과방전된 배터리 셀을 개별적으로 보충 충전한다.
이와 같이, 종래의 능동 셀밸런싱 장치는 PCS 시스템과 연동하여 충전 및 방전 운전을 하면서 배터리 팩의 용량을 충분히 활용하도록 개별 충전 기능을 수행한다. 이때 능동 셀밸런싱을 구현하기 위한 일방향성의 절연형 DC/DC 컨버터는 배터리 팩의 높은 직류 전압을 입력으로 하여 2~4V의 낮은 전압을 갖는 배터리 셀을 고효율/저비용으로 충전하여야 한다. 그런데, 최근 들어 고용량 에너지 저장 시스템(ESS)을 개발하기 위하여 배터리 팩의 전압 정격이 점점 더 높아지는 추세이며, 따라서, 매우 큰 입출력 전압비를 갖는 일방향성의 절연형 DC/DC 컨버터를 고효율/저비용으로 제작하는 것이 점점 더 어려워지고 있다.
KR 2008-0083771 A
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 고효율 및 저비용으로 제작이 가능한 모듈형 능동 셀밸런싱 장치, 모듈형 배터리 블록, 배터리 팩, 및 에너지 저장 시스템을 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 에너지 저장 시스템에서 복수의 배터리 셀이 일정 단위의 직렬로 구성된 배터리 블록의 모듈형 능동 셀밸런싱 장치가 제공된다. 상기 모듈형 능동 셀밸런싱 장치는 상기 복수의 배터리 셀 각각을 충전하며, 상기 복수의 배터리 셀의 총 직렬 전압을 입력으로 하여 각 배터리 셀의 전압으로 변환하는 복수의 DC/DC 컨버터; 상기 복수의 DC/DC 컨버터 각각을 제어하며, 해당 배터리 셀의 셀 전압을 감지하는 복수의 셀 제어기; 및 PCS(Power Conditioning System) 제어기의 충전 모드 또는 방전 모드 명령에 따라 상기 복수의 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하고, 상기 복수의 셀 제어기에서 감지된 셀 전압에 따라 해당 배터리 셀이 조기 과방전 또는 조기 과충전 상태라고 판단하면, 셀밸런싱을 위해 충전이 완료되지 않은 배터리 셀 또는 과방전된 배터리 셀을 해당 DC/DC 컨버터가 개별적으로 충전하도록 해당 셀 제어기로 명령하는 배터리 블록 제어기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 배터리 블록 제어기는 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나가 조기 과충전 상태라고 판단한 경우, 상기 PCS 제어기로 PCS 충전 전류가 실질적으로 0이 되도록 요청할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리 블록 제어기는 상기 PCS 제어기로부터 상기 복수의 배터리 셀 모두가 완전 충전되거나 완전 방전되었음을 감지하면, 셀밸런싱을 위한 해당 배터리 셀의 충전 동작을 중지시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 배터리 블록 제어기는 상기 PCS 제어기로부터 충전 모드 또는 방전 모드 명령을 수신하면, PCS 시스템을 통하여 교류 그리드에 의해 상기 복수의 배터리 셀을 충전시키거나, 상기 PCS 시스템을 통하여 상기 복수의 배터리 셀을 교류 그리드로 방전시키도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기와 같이 구성된 능동 셀밸런싱 장치; 및 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 모듈형 배터리 블록이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기와 같이 구성된 모듈형 배터리 블록이 복수개로 직렬 연결된 배터리 팩이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기와 같이 구성된 배터리 팩; 및 상기 배터리 팩을 교류 그리드에 의해 충전하거나, 상기 배터리 팩을 교류 그리드로 방전시키는 PCS 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모듈형 능동 셀밸런싱 장치, 모듈형 배터리 블록, 배터리 팩, 및 에너지 저장 시스템은 능동 셀밸런싱 충전기의 제작을 표준화할 수 있고, 따라서 고효율/저비용으로 능동 셀밸런싱 충전기를 구성할 수 있고, 배터리 팩의 확장성이 확보되어 고전압 배터리 팩을 용이하게 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모듈형 능동 셀밸런싱 장치를 구비한 에너지 저장 시스템의 개략적 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모듈형 능동 셀밸런싱 장치를 구비한 배터리 블록의 개략적 블록도이다.
도 3은 도 2의 예시적인 회로도이다.
도 4는 도 1의 충전 모드의 동작 상태를 나타낸 구성도이다.
도 5는 도 1의 셀밸런싱 충전 모드의 동작 상태를 나타낸 구성도이다.
도 6은 도 1의 셀밸런싱 방전 모드의 동작 상태를 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모듈형 능동 셀밸런싱 장치의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8은 종래의 능동 셀밸런싱 장치를 구비한 에너지 저장 시스템의 개략적 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 발명은 배터리 팩을 몇 개의 소그룹으로 분할하여 배터리 블록을 구성하고, 배터리 블록 단위로 능동 셀밸런싱 회로를 구비하는 것이다. 이러한 회로 구조에서, 능동 셀밸런싱을 수행하는 일방향 절연형 DC/DC 컨버터는 배터리 블록의 총 직렬 전압을 입력으로 하여 배터리 셀 수준의 전압으로 변환함으로써 배터리 셀을 개별적으로 충전할 수 있다. 따라서, 배터리 팩은 이러한 구성을 갖는 배터리 블록을 필요한 수만큼 직렬로 접속하여 용이하게 구성할 수 있다.
이러한 구조에 의해, 배터리 팩의 전압이 아무리 증가하여도 능동 셀밸런싱을 수행하는 일방향 절연형 DC/DC 컨버터의 입력단 전압은 기 설정된 배터리 블록의 전압으로 고정되기 때문에, 능동 셀밸런싱 충전기의 제작을 표준화할 수 있고, 따라서, 고효율/저비용으로 능동 셀밸런싱 충전기를 구성할 수 있고, 배터리 팩의 확장성이 확보되어 고전압 배터리 팩을 용이하게 구성할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 모듈형 능동 셀밸런싱 장치를 구비한 에너지 저장 시스템을 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모듈형 능동 셀밸런싱 장치를 구비한 에너지 저장 시스템의 개략적 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모듈형 능동 셀밸런싱 장치를 구비한 배터리 블록의 개략적 블록도이며, 도 3은 도 2의 예시적인 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(10)은 복수의 직렬 연결된 배터리 블록(100)으로 이루어진 배터리 팩 및 PCS 시스템(200)을 포함한다.
여기서, 배터리 팩은 후술하는 바와 같은 능동 셀밸런싱 장치가 구비된 배터리 블록(100)이 복수개로 직렬 연결될 수 있다.
배터리 블록(100)은 배터리 셀(110) 및 능동 셀밸런싱 장치(120,130)를 포함하며, 배터리 블록(100)의 각 출력(ibatt _ block)이 피드백되어 입력될 수 있다. 여기서, 배터리 셀(110)은 복수개로 구비되며, 직렬 연결될 수 있고, 따라서 필요에 따라 용이하게 확장될 수 있다.
PCS 시스템(200)은 복수의 배터리 블록(100)으로 이루어진 배터리 팩을 교류 그리드에 의해 충전하거나, 배터리 팩의 출력(ibatt _ pack)을 교류 그리드로 방전시킬 수 있다. 여기서, PCS 시스템(200)은 PCS 제어기(210)를 포함하며, PCS 제어기(210)는 배터리 블록(100) 내의 배터리 블록 제어기(130)와 연동하여 셀밸런싱 동작을 제어할 수 있다.
이러한 PCS 제어기(210)는 충전 모드시 교류 그리드로부터 충전되는 배터리 팩의 전압 및 전류를 감지하고, 방전 모드시 교류 그리드로 제공되는 배터리 팩의 전압 및 전류를 감지할 수 있다. 따라서, PCS 제어기(210)는 상기와 같은 감지 결과에 따라 배터리 팩의 완전 충전 또는 완전 방전 상태를 판단할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 블록(100)은 배터리 셀(110), 능동 셀밸런싱 회로부(120) 및 배터리 블록 제어기(130)를 포함한다.
배터리 셀(110)은 미리 설정된 개수로 구성될 수 있으며 각각의 배터리 셀은 능동 셀밸런싱 회로부(120)에 의해 개별 충전될 수 있다.
능동 셀밸런싱 회로부(120)는 배터리 블록 제어기(130)에 의해 각각의 배터리 셀(110)을 충전하며 셀 제어기(122) 및 DC/DC 컨버터(124)를 포함한다.
셀 제어기(122)는 각각의 DC/DC 컨버터(124)를 제어하며, 해당 배터리 셀(110)의 셀 전압(Vcell), 셀 전류(icell) 및 셀 온도를 감지할 수 있다. 이러한 셀 제어기(122)는 감지된 셀 정보를 배터리 블록 제어기(130)로 주기적으로 전송하고, 배터리 블록 제어기(130)의 명령에 따라 해당 DC/DC 컨버터(124)를 인에이블 또는 디스에이블하여 제어할 수 있다.
이러한 셀 제어기(122)는 PCS 시스템(200)을 통한 충전 모드시 PCS 시스템(200)에 의해 배터리 셀(110)이 충전되도록 DC/DC 컨버터(124)를 디스에이블시킬 수 있다. 또한, 셀 제어기(122)는 배터리 셀(110)의 용량 저하로 인한 조기 과충전 또는 조기 과방전시, 셀밸런싱을 위해 충전이 완료되지 않은 배터리 셀 또는 과방전된 배터리 셀을 개별적으로 충전하도록 해당 DC/DC 컨버터(124)를 인에이블시킬 수 있다.
DC/DC 컨버터(124)는 복수의 배터리 셀(110)의 총 직렬 전압을 입력으로 하여, 셀 제어기(122)에 의해 각 배터리 셀(110)의 전압(Vcell)으로 변환하여 해당 배터리 셀(110)을 충전할 수 있다. 즉, DC/DC 컨버터(124)는 복수의 배터리 셀(110)의 총 전류(ibatt_block)를 배터리 셀(110)의 충전 전류(icell)로 변환하여 배터리 셀(110)을 충전시킬 수 있다.
이와 같이 각 배터리 셀(110)을 개별적으로 충전하는 DC/DC 컨버터(124)는 일방향성 전연형 DC/DC 컨버터일 수 있고, 해당 셀 제어기(122)에 의하여 CC-CV(constant current-constant voltage) 모드로 제어될 수 있다.
배터리 블록 제어기(130)는 PCS 시스템(200)의 PCS 제어기(210)의 충전 모드 또는 방전 모드 명령에 따라 복수의 배터리 셀(110)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 예를 들면, 배터리 블록 제어기(130)는 PCS 제어기(210)로부터 충전 모드 또는 방전 모드 명령을 수신하면, PCS 시스템(200)을 통하여 교류 그리드에 의해 복수의 배터리 셀(110)을 충전시키거나, PCS 시스템(200)을 통하여 복수의 배터리 셀(110)을 교류 그리드로 방전시키도록 제어할 수 있다. 이때, 배터리 블록 제어기(130)는 셀 제어기(122)로 DC/DC 컨버터(124)의 인에이블 또는 디스에이블 명령을 전송할 수 있다.
또한, 배터리 블록 제어기(130)는 복수의 셀 제어기(122)에서 감지된 셀 전압, 셀 전류 및 셀 온도에 따라 해당 배터리 셀(110)이 조기 과방전 또는 조기 과충전 상태인지를 판단할 수 있다. 예를 들면, PCS 제어기(210)가 배터리 팩이 완전 충전 또는 완전 방전되었다고 판단하기 이전에, 특정 배터리 셀(110)의 셀 제어기(122)가 해당 배터리 셀(110)이 충전 또는 방전되었음을 감지한 경우, 배터리 블록 제어기(130)는 해당 배터리 셀(110)이 조기 과충전 또는 조기 과방전 상태라고 판단할 수 있다. 여기서, 조기 과충전 또는 조기 과방전 상태는 바람직하게는 배터리 셀(110)이 충전 또는 방전 전압에 도달될 것으로 예상되는 상태일 수 있으며, 예를 들면, 완전 충전 전압의 80~90% 또는 완전 방전 전압의 110~120% 내로 설정될 수 있다.
이때, 배터리 블록 제어기(130)가 해당 배터리 셀(110)이 조기 과방전 또는 조기 과충전 상태라고 판단하면, 배터리 블록 제어기(130)는 해당 DC/DC 컨버터(124)가 셀밸런싱을 위해 충전이 완료되지 않은 배터리 셀 또는 과방전된 배터리 셀을 충전하도록 해당 셀 제어기(122)로 명령할 수 있다.
한편, 배터리 블록 제어기(130)는 복수의 배터리 셀(110) 중 적어도 하나가 조기 과충전 상태라고 판단한 경우, 능동 셀밸런싱 회로부(120)에 의해 충전이 완료되지 않은 배터리 셀(110)을 개별적으로 충전하기 위해 PCS 충전 전류(ibatt _ pack)가 실질적으로 0이 되도록 PCS 제어기(210)로 요청할 수 있다.
또한, 배터리 블록 제어기(130)는 PCS 제어기(210)로부터 복수의 배터리 셀(110) 또는 배터리 팩 모두가 완전 충전되거나 완전 방전되었음을 감지하면, PCS 제어기(210)의 명령에 따라 셀밸런싱을 위한 해당 배터리 셀(110)의 충전 동작을 중지시킬 수 있다. 이때, 배터리 블록 제어기(130)는 셀 제어기(122)를 통하여 모든 DC/DC 컨버터(124)를 디스에이블시킬 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 모듈형 능동 셀밸런싱 장치를 구비한 에너지 저장 시스템의 동작을 설명한다.
도 4는 도 1의 충전 모드의 동작 상태를 나타낸 구성도이고, 도 5는 도 1의 셀밸런싱 충전 모드의 동작 상태를 나타낸 구성도이며, 도 6은 도 1의 셀밸런싱 방전 모드의 동작 상태를 나타낸 구성도이다. 여기서, 배터리 팩은 2개의 배터리 블록(100)으로 구성되는 것으로 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 에너지 저장 시스템(10)은 충전 모드로 동작하는 경우, 능동 셀밸런싱 회로부(120)의 DC/DC 컨버터(124)가 디스에이블 상태에서 PCS 시스템(200)에 의해 배터리 셀(110)이 충전된다. 이때, 전기 에너지는 교류 그리드로부터 PCS 시스템(200)을 통하여 높은 직류 전압으로 변환되어 직접 배터리 팩(100-1,100-2)을 충전할 수 있다. 여기서, 배터리 팩(100-1,100-2)을 구성하는 모든 배터리 블록(100)은 PCS 시스템(200)의 직류측 전류(ibatt _ pack)에 의해 동일 전류량으로 충전될 수 있다.
이와 같은 상태에서, 배터리 셀(110) 중 용량이 저하된 일부 배터리 셀이 조기 과충전 상태에 도달되는 경우, 해당 배터리 셀이 화재 및 폭발의 위험에 노출될 수 있기 때문에 배터리 팩 전체의 충전을 중단시켜야 한다. 이 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, PCS 시스템(200)의 운전을 정지시키거나, PCS 시스템(200)의 직류 출력단 전압을 배터리 팩(100-1,100-2)의 전압 레벨로 유지하여 PCS 시스템(200)의 직류측 전류(ibatt _ pack )를 실질적으로 영에 가깝도록 한 후, 능동 셀밸런싱 회로부(120)가 충전이 완료되지 않은 배터리 셀(110)을 개별적으로 충전함으로써, 전체 배터리 팩(100-1,100-2)의 용량만큼 충분하게 충전할 수 있다.
이때 능동 셀밸런싱 회로부(120) 내의 DC/DC 컨버터(124)는 해당 배터리 블록(100)의 총 직렬 전압을 입력으로 하여 배터리 셀(110) 수준의 전압으로 변환하여 각각의 배터리 셀(110)을 개별적으로 충전할 수 있다. 즉, 각 배터리 블록(100)의 직류 전류(ibatt _ block)에 의해 동일 전류량으로 충전이 완료되지 않은 배터리 셀(110)을 충전할 수 있다. 이와 같은 개별 충전시, 전기 에너지는 각 배터리 블록(100)으로부터 해당 배터리 블록에 소속된 배터리 셀(110)로 전달된다. 이때 PCS 시스템(200)은 전체 배터리 팩(100-1,100-2)에 대하여 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 충전을 병행하여 운전할 수 있다.
한편, 에너지 저장 시스템(10)이 방전 모드로 동작하는 경우, 도 4에서와 유사하게, 능동 셀밸런싱 회로부(120)의 DC/DC 컨버터(124)가 디스에이블 상태에서 배터리 팩(100-1,100-2)에 저장된 에너지는 PCS 시스템(200)을 통하여 교류 그리드로 공급될 수 있다. 이때, 배터리 팩(100-1,100-2)의 총 직류 전압에 따라 PCS 시스템(200)의 직류측 전류(ibatt _ pack)를 공급하고 PCS 시스템(200)은 교류 그리드에 적합한 전압으로 변환하여 공급할 수 있다.
이와 같은 상태에서, 배터리 셀(110) 중 용량이 저하된 일부 배터리 셀(110)이 조기 과방전 상태에 도달되는 경우, 해당 배터리 셀은 부하로 동작하면서 화재 및 폭발의 위험에 노출될 수 있다. 이 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 능동 셀밸런싱 회로부(120)가 조기 과방전된 배터리 셀(110)을 개별적으로 재충전함으로써 해당 배터리 셀이 과방전 상태가 되는 것을 방지할 수 있다.
이때, 능동 셀밸런싱 회로부(120) 내의 DC/DC 컨버터(124)는 해당 배터리 블록(100)의 총 직렬 전압을 입력으로 하여 배터리 셀(110) 수준의 전압으로 변환하여 각각의 배터리 셀(110)을 개별적으로 충전할 수 있다. 즉, 각 배터리 블록(100)의 직류 전류(ibatt _ block)에 의해 동일 전류량으로 충전이 완료되지 않은 배터리 셀(110)을 충전할 수 있다. 이와 같이, 전기 에너지가 배터리 팩(100-1,100-2)의 높은 직류 전압을 PCS 시스템(200)을 통하여 교류로 변환되어 교류 그리드로 공급되는 동시에, 일부 과방전된 배터리 셀은 DC/DC 컨버터(124)를 사용하여 각 배터리 블록(100)의 높은 직류 전압을 배터리 셀 수준의 전압으로 변환하여 과방전된 배터리 셀을 개별적으로 보충 충전할 수 있다. 여기서, 이와 같은 개별 충전시, 전기 에너지는 각 배터리 블록(100)으로부터 해당 배터리 블록에 소속된 배터리 셀(110)로 전달된다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 모듈형 능동 셀밸런싱 장치를 구비한 에너지 저장 시스템의 제어 방법을 설명한다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모듈형 능동 셀밸런싱 장치의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
보다 상세히 설명하면, 먼저, PCS 시스템(200)의 동작 모드를 판단할 수 있다(단계 S701). 이때, PCS 시스템(200)은 미리 설정된 충전 및 방전 운전 계획 또는 배터리 팩(100-1,100-2)에 저장된 전압 상태를 감지하여 충전 및 방전 운전을 결정할 수 있다.
단계 S701의 판단 결과, 배터리 팩(100-1,100-2)의 충전 모드라고 판단한 경우, PCS 시스템(200)의 PCS 제어기(210)는 배터리 셀(110)을 충전하도록 제어할 수 있다(단계 S701). 이때, PCS 제어기(210)는 배터리 블록 제어기(130)로 배터리 셀(110)의 충전 모드로 동작하도록 명령하고, 배터리 블록 제어기(130)는 셀밸런싱 동작을 수행하지 않도록 능동 셀밸런싱 회로부(120)로 DC/DC 컨버터(124)의 디스에이블 상태를 유지하도록 명령할 수 있다.
이와 동시에, 능동 셀밸런싱 회로부(120)의 셀 제어기(122)는 각 배터리 셀(110)에 대한 전압 상태를 체크할 수 있다(단계 S703).
다음으로, 각 셀 제어기(122)는 각 배터리 셀(110)의 전압 상태를 체크하여 조기 과충전 상태의 여부를 판단하여(단계 S704), 그 판단 결과를 배터리 블록 제어기(130)로 전달할 수 있다. 여기서, 조기 과충전 상태는 PCS 제어기(210)가 배터리 팩(100-1,100-2)의 전압 및 전류를 감지하여 배터리 팩(100-1,100-2) 전체가 완전 충전 상태라고 판단하기 이전에 임의의 배터리 셀(110)이 과충전 상태라고 판단한 경우를 의미하며, 바람직하게는 배터리 셀(110)이 완전 충전 상태에 도달할 것을 예상할 수 있는 상태, 즉, 완전 충전 전압의 80~90%일 수 있다.
이때, 배터리 블록 제어기(130)가 과충전된 배터리 셀(110)이 없는 것으로 판단한 경우, 단계 S702로 복귀하여 단계 S702 및 단계 S703의 각 배터리 셀(110)의 충전 및 셀 전압의 체크를 반복적으로 수행할 수 있다.
단계 S704의 판단 결과, 임의의 셀 제어기(122)가 해당 배터리 셀(110)이 조기 과충전 상태에 도달되었다고 판단하면, 그 결과를 배터리 블록 제어기(130)로 전달할 수 있다. 이어서, 배터리 블록 제어기(130)는 PCS 제어기(210)로 PCS 충전 전류가 실질적으로 0이 되도록 요청할 수 있다(단계 S705). 이때, PCS 제어기(210)는 PCS 시스템(200)의 운전을 중지시키거나, PCS 시스템(200)의 직류 출력단 전압을 배터리 팩(100-1,100-2)의 전압 레벨로 유지함으로써, PCS 시스템(200)의 직류측 전류(ibatt _ pack )를 실질적으로 0이 되도록 할 수 있다.
다음으로, 배터리 블록 제어기(130)는 셀밸런싱 충전 모드로 동작하도록 셀 제어기(122)로 명령할 수 있다(단계 S706). 이때, 배터리 블록 제어기(130)는 충전이 완료되지 않은 배터리 셀(110)의 셀 제어기(122)로 해당 배터리 셀(110)을 충전하도록 명령할 수 있다. 이어서, 셀 제어기(122)는 해당 DC/DC 컨버터(124)를 이용하여 충전이 완료되지 않은 배터리 셀(110)을 개별적으로 충전할 수 있다.
이와 동시에, 각 셀 제어기(122)는 해당 배터리 셀(110)의 출력 전압을 체크할 수 있다(단계 S707).
다음으로, PCS 제어기(210)가 모든 배터리 셀(110)이 충전되었는지를 판단하여(단계 S708), 모든 배터리 셀(110)이 완전히 충전되지 않았다고 판단한 경우, 단계 S706으로 복귀하여 단계 S706 및 S707 각 배터리 셀(110)의 셀밸런싱을 위한 충전 및 셀 전압의 체크를 반복적으로 수행할 수 있다.
단계 S708의 판단 결과, PCS 제어기(210)가 모든 배터리 셀(110)이 완전히 충전되었다고 판단한 경우, 배터리 블록 제어기(130)로 셀밸런싱 충전 동작을 정지하도록 명령할 수 있다(단계 S715). 이때, 배터리 블록 제어기(130)는 해당 능동 셀밸런싱 회로부(120)로 DC/DC 컨버터(124)를 디스에이블시키도록 명령할 수 있다.
한편, 단계 S701의 판단 결과, 배터리 팩(100-1,100-2)의 방전 모드라고 판단한 경우, PCS 시스템(200)의 PCS 제어기(210)는 배터리 셀(110)의 전압을 교류 그리드로 방전하도록 제어할 수 있다(단계 S709). 이때, PCS 제어기(210)는 배터리 블록 제어기(130)로 배터리 셀(110)의 방전 모드로 동작하도록 명령하고, 배터리 블록 제어기(130)는 셀밸런싱 동작을 수행하지 않도록 능동 셀밸런싱 회로부(120)로 DC/DC 컨버터(124)의 디스에이블 상태를 유지하도록 명령할 수 있다.
이와 동시에, 능동 셀밸런싱 회로부(120)의 셀 제어기(122)는 각 배터리 셀(110)에 대한 전압 상태를 체크할 수 있다(단계 S710).
다음으로, 각 셀 제어기(122)는 각 배터리 셀(110)의 전압 상태를 체크하여 조기 과방전 상태의 여부를 판단하여(단계 S711), 그 판단 결과를 배터리 블록 제어기(130)로 전달할 수 있다. 여기서, 조기 과방전 상태는 PCS 제어기(210)가 배터리 팩(100-1,100-2)의 전압 및 전류를 감지하여 배터리 팩(100-1,100-2) 전체가 완전 방전 상태라고 판단하기 이전에 임의의 배터리 셀(110)이 과방전 상태라고 판단한 경우를 의미하며, 바람직하게는 배터리 셀(110)이 완전 방전 상태에 도달할 것을 예상할 수 있는 상태, 즉, 완전 방전 전압의 110~120%일 수 있다.
이때, 배터리 블록 제어기(130)가 과방전된 배터리 셀(110)이 없는 것으로 판단한 경우, 단계 S709로 복귀하여 단계 S709 및 단계 S710의 각 배터리 셀(110)의 방전 및 셀 전압의 체크를 반복적으로 수행할 수 있다.
단계 S711의 판단 결과, 임의의 셀 제어기(122)가 해당 배터리 셀(110)이 조기 과방전 상태에 도달되었다고 판단하면, 그 결과를 배터리 블록 제어기(130)로 전달할 수 있다. 이어서, 배터리 블록 제어기(130)는 셀밸런싱 방전 모드로 동작하도록 셀 제어기(122)로 명령할 수 있다(단계 S712). 이때, 배터리 블록 제어기(130)는 과방전 상태인 배터리 셀(110)의 셀 제어기(122)로 해당 배터리 셀(110)을 충전하도록 명령할 수 있다. 이어서, 셀 제어기(122)는 해당 DC/DC 컨버터(124)를 이용하여 과방전 상태인 해당 배터리 셀(110)을 개별적으로 충전할 수 있다.
이와 동시에, 각 셀 제어기(122)는 해당 배터리 셀(110)의 출력 전압을 체크할 수 있다(단계 S713).
다음으로, PCS 제어기(210)가 모든 배터리 셀(110)이 방전되었는지를 판단하여(단계 S714), 모든 배터리 셀(110)이 완전히 방전되지 않았다고 판단한 경우, 단계 S712로 복귀하여 단계 S712 및 S713의 각 배터리 셀(110)의 셀밸런싱을 위한 충전 및 셀 전압의 체크를 반복적으로 수행할 수 있다.
단계 S714의 판단 결과, PCS 제어기(210)가 모든 배터리 셀(110)이 완전히 방전되었다고 판단한 경우, 배터리 블록 제어기(130)로 셀밸런싱 방전 동작을 정지하도록 명령할 수 있다(단계 S715). 이때, 배터리 블록 제어기(130)는 해당 능동 셀밸런싱 회로부(120)로 DC/DC 컨버터(124)를 디스에이블시키도록 명령할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 : 에너지 저장 시스템 100 : 배터리 블록
110 : 배터리 셀 120 : 능동 셀밸런싱 회로부
122 : 셀 제어기 124 : DC/DC 컨버터
130 : 배터리 블록 제어기 200 : PCS 시스템
210 : PCS 제어기

Claims (7)

  1. 에너지 저장 시스템에서 복수의 배터리 셀이 일정 단위의 직렬로 구성된 배터리 블록의 능동 셀밸런싱 장치에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀 각각을 충전하며, 상기 복수의 배터리 셀의 총 직렬 전압을 입력으로 하여 각 배터리 셀의 전압으로 변환하는 복수의 DC/DC 컨버터;
    상기 복수의 DC/DC 컨버터 각각을 제어하며, 해당 배터리 셀의 셀 전압을 감지하는 복수의 셀 제어기; 및
    PCS(Power Conditioning System) 제어기의 충전 모드 또는 방전 모드 명령에 따라 상기 복수의 배터리 셀의 충전 및 방전을 제어하고, 상기 복수의 셀 제어기에서 감지된 셀 전압에 따라 해당 배터리 셀이 조기 과방전 또는 조기 과충전 상태라고 판단하면, 셀밸런싱을 위해 충전이 완료되지 않은 배터리 셀 또는 과방전된 배터리 셀을 해당 DC/DC 컨버터가 개별적으로 충전하도록 해당 셀 제어기로 명령하는 배터리 블록 제어기를 포함하는 모듈형 능동 셀밸런싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 블록 제어기는 상기 복수의 배터리 셀 중 적어도 하나가 조기 과충전 상태라고 판단한 경우, 상기 PCS 제어기로 PCS 충전 전류가 실질적으로 0이 되도록 요청하는 모듈형 능동 셀밸런싱 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 블록 제어기는 상기 PCS 제어기로부터 상기 복수의 배터리 셀 모두가 완전 충전되거나 완전 방전되었음을 감지하면, 셀밸런싱을 위한 해당 배터리 셀의 충전 동작을 중지시키는 모듈형 능동 셀밸런싱 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리 블록 제어기는 상기 PCS 제어기로부터 충전 모드 또는 방전 모드 명령을 수신하면, PCS 시스템을 통하여 교류 그리드에 의해 상기 복수의 배터리 셀을 충전시키거나, 상기 PCS 시스템을 통하여 상기 복수의 배터리 셀을 교류 그리드로 방전시키도록 제어하는 모듈형 능동 셀밸런싱 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 능동 셀밸런싱 장치; 및
    직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 모듈형 배터리 블록.
  6. 제5항에 따른 모듈형 배터리 블록이 복수개로 직렬 연결된 배터리 팩.
  7. 제6항에 따른 배터리 팩; 및
    상기 배터리 팩을 교류 그리드에 의해 충전하거나, 상기 배터리 팩을 교류 그리드로 방전시키는 PCS 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템.
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