KR20170019971A - 배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은, 서로 직렬로 연결되는 복수 개의 배터리 팩, 상기 복수 개의 배터리 팩을 따라 형성되는 전류 경로를 통해 제1 데이터 신호를 출력하는 마스터(Master) 통신부 및 상기 마스터 통신부의 상기 제1 데이터 신호 출력을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 복수 개의 배터리 팩은 각각, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 상기 전류 경로에 연결되어 상기 제1 데이터 신호를 검출하는 슬레이브(Slave) 통신부 및 상기 슬레이브 통신부로부터 상기 제1 데이터 신호를 수신하고, 수신한 상기 데이터 신호에 대응하여 상기 배터리의 동작을 제어하는 BMS를 포함한다.

Description

배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템{Battery Pack and Energy Storage System Including Thereof}
본 발명은 배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 별도의 통신 케이블이 없이 배터리 셀 간의 통신이 가능한 배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)은 에너지를 배터리처럼 저장해서 언제든 꺼내 쓸 수 있는 저장장치를 의미하는 것으로, 지금까지의 전기에너지는 생산과 저장의 차이가 있으므로 전기에너지를 사용하는데 있어서 생산이 함께 움직여줘야 하는데, ESS는 에너지를 효과적으로 저장해 사용하기 위한 시스템으로 에너지 생산에 대한 여유를 가질 수 있게 해준다.
그래서 ESS가 활성화되면 비교적 에너지 소비량이 적은 새벽에 생산되는 에너지를 저장하여 에너지 공급이 몰릴 때 효과적으로 사용할 수 있고, 에너지 생산 가동률을 높일 수 있다.
한편, ESS는 배터리와 배터리의 상태를 모니터링 하고 배터리를 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)을 포함한다. 이때, 전력 시스템과 통신하기 위하여 RS485, RS422 및 RS232 등의 유선 통신 방식들이 사용되고 있다.
본 발명은 전력선 통신이 가능한 배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩은, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 전류 경로에 연결되어 제1 데이터 신호를 검출하는 전력선 통신부 및 상기 전력선 통신부로부터 상기 제1 데이터 신호를 수신하고, 수신한 상기 데이터 신호에 대응하여 상기 배터리를 제어하는 BMS를 포함한다.
또한, 상기 제1 데이터 신호는 상기 배터리의 위치에 대응하는 신호 및 상기 배터리에 대한 제어 신호를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리와 상기 전력선 통신부는 상기 전류 경로를 통해 서로 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 BMS와 상기 전력선 통신부는 SPI(Serial Peripheral Interface) 방식을 통해 통신할 수 있다.
또한, 상기 제1 데이터 신호는 상기 전류 경로를 따라 상기 배터리를 통해 흐를 수 있다.
또한, 상기 BMS는 상기 배터리의 상태를 모니터링하고, 상기 배터리의 상태에 관한 정보를 상기 전력선 통신부에 전달할 수 있다.
또한, 상기 전력선 통신부는 상기 BMS로부터 수신한 상기 배터리의 상태에 관한 정보를 포함하는 제2 데이터 신호를 상기 전류 경로에 출력할 수 있으며, 상기 배터리의 상태에 관한 정보는, 상기 배터리 셀의 충전 상태(State Of Charge), 전압, 전류 및 온도에 관한 정보를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은, 서로 직렬로 연결되는 복수 개의 배터리 팩, 상기 복수 개의 배터리 팩을 따라 형성되는 전류 경로를 통해 제1 데이터 신호를 출력하는 마스터(Master) 통신부 및 상기 마스터 통신부의 상기 제1 데이터 신호 출력을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 복수 개의 배터리 팩은 각각, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 상기 전류 경로에 연결되어 상기 제1 데이터 신호를 검출하는 슬레이브(Slave) 통신부 및 상기 슬레이브 통신부로부터 상기 제1 데이터 신호를 수신하고, 수신한 상기 데이터 신호에 대응하여 상기 배터리의 동작을 제어하는 BMS를 포함한다.
또한, 상기 제1 데이터 신호는 상기 배터리의 위치에 대응하는 신호 및 상기 배터리에 대한 제어 신호를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리와 상기 슬레이브 통신부는 상기 전류 경로를 통해 서로 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 BMS와 상기 슬레이브 통신부는 SPI(Serial Peripheral Interface) 방식을 통해 통신할 수 있다.
또한, 상기 제1 데이터 신호는 상기 전류 경로를 따라 상기 배터리를 통해 흐를 수 있다.
또한, 상기 BMS는 상기 배터리의 상태를 모니터링하고, 상기 배터리의 상태에 관한 정보를 상기 슬레이브 통신부에 전달할 수 있다.
또한, 상기 슬레이브 통신부는 상기 BMS로부터 수신한 상기 배터리의 상태에 관한 정보를 포함하는 제2 데이터 신호를 상기 전류 경로에 출력할 수 있으며, 상기 마스터 통신부는 상기 제2 데이터 신호를 수신하고, 수신한 상기 제2 데이터 신호를 상기 제어부에 전달하는 에너지 저장 시스템.
또한, 상기 배터리의 상태에 관한 정보는, 상기 배터리 셀의 충전 상태(State Of Charge), 전압, 전류 및 온도에 관한 정보를 포함할 수 있다.
본 발명은 전력선 통신이 가능한 배터리 팩 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은, 에너지 저장 시스템의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 사이의 데이터 전송 경로를 예시적으로 나타내는 도면이다.
이제, 예시적인 실시예들이 첨부 도면들을 참조로 아래에서 더욱 자세히 설명될 것이다. 그러나, 여러 형태로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에서 설명되는 실시예들로 한정되는 것으로 간주되어서는 안 된다. 이러한 실시예들은 본 개시가 완전하고 완벽해지며, 예시적인 구현예들은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 완전하게 전달할 수 있도록 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서 상에 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, 예시적인 실시예들이 도시되는 첨부 도면들을 참조하여 더욱 완벽하게 실시예들이 설명될 것이다. 전체적으로 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 도면들에서, 동일하거나 대응하는 구성요소들에는 동일한 도면부호가 부여되고, 이에 대하여 중복하여 설명되지 않을 것이다.
도 1은, 에너지 저장 시스템의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2), 계통(3)과 연계하여 부하(4)에 전력을 공급한다.
발전 시스템(2)은 에너지원을 이용하여 전력을 생산하고, 생산된 전력을 에너지 저장 시스템(1)에 공급한다. 발전 시스템(2)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 시스템을 모두 포함할 수 있다.
계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비할 수 있다. 계통(3)은 에너지 저장 시스템(1)으로 전력을 인가하여 부하(4) 및/또는 배터리(30)에 전력이 공급될 수 있도록 한다. 한편, 계통(3)은 에너지 저장 시스템(1)으로부터 전력을 공급받을 수도 있다.
부하(4)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력, 배터리(30)에 저장된 전력, 또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비하며, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다.
에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 배터리(30)에 저장하고, 생산한 전력을 계통(3)에 공급할 수 있다. 또한, 에너지 저장 시스템(1)은 배터리(30)에 저장된 전력을 계통(3)에 공급하거나, 계통(3)으로부터 공급된 전력을 배터리(30)에 저장할 수 있다. 또한, 에너지 저장 시스템(1)은 계통(3)에 정전이 발생하는 경우 UPS(Uninterruptible Power Supply) 동작을 수행할 수 있다.
에너지 저장 시스템(1)은 전력 변환을 제어하는 전력 변환 시스템(PCS: Power Conversion System, 이하 ‘PCS’라 함)(10), 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System, 이하 ‘BMS’라 함)(20) 및 배터리(30)를 포함한다.
PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리(30)의 전력을 적절한 전력으로 변환하여 필요한 곳에 공급한다. PCS(10)는 전력 변환부(11), DC 링크부(12), 인버터(13), 컨버터(14), 제1 스위치(15), 제2 스위치(16), 통합 제어기(17)를 포함한다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)과 DC 링크부(12) 사이에 연결된다. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 DC 링크부(12)로 전달하며, 이때 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환한다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 컨버터, 정류회로 등으로 구성될 수 있다. 발전 시스템(2)이 직류의 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(11)는 직류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 컨버터일 수 있다. 발전 시스템(2)이 교류의 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(11)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류회로일 수 있다. 특히, 발전 시스템(2)이 태양광으로 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(11)는 일사량, 온도 등의 변화에 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.
DC 링크부(12)는 전력 변환부(11)와 인버터(13) 사이에 연결된다. DC 링크부(12)는 발전 시스템(2) 또는 계통(3)의 순시 전압 강하(Instantaneous Voltage drop), 부하(4)에서의 피크 부하(peak load) 발생을 방지하여 직류 링크 전압이 안정적으로 유지되도록 한다.
인버터(13)는 DC 링크부(12)와 제1 스위치(15) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 인버터(13)는 방전 모드에서 발전 시스템(2) 및/또는 배터리(30)로부터 출력되는 직류 링크 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 또한, 인버터(13)는 충전 모드에서 계통(3)의 전력을 배터리(30)에 저장하기 위하여, 계통(3)의 교류 전압을 정류하고, 직류 링크 전압으로 변환하여 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다. 즉, 인버터(13)는 입력 및 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 인버터일 수 있다.
인버터(13)는 계통(3)으로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터, 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로 등을 포함할 수 있다. 그 밖에, 인버터(13)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(Transient Phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다. 인버터(13)는 사용되지 않을 때 전력 소비를 최소화하기 위하여 동작을 중기시킬 수도 있다.
컨버터(14)는 DC 링크부(12)와 배터리(30) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 컨버터(14)는 방전 모드에서 배터리(30)에 저장된 전력을 인버터(13)에서 요규하는 전압 레벨 즉, 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 출력한다. 또한, 컨버터(14)는 충전 모드에서 전력 변환부(11)에서 출력되는 전력이나 인버터(13)에서 출력되는 전력을 배터리(30)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 충전 전압으로 DC-DC 변환한다. 즉, 컨버터(14)는 입력 및 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 컨버터일 수 있다. 컨버터(14)는 배터리(30)의 충전 또는 방전이 필요 없는 경우에는 동작을 중지시켜 전력 소비를 최소화할 수도 있다.
제1 스위치(15) 및 제2 스위치(16)는 인버터(13)와 계통(3) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(17)의 제어에 따라서 온(on)/오프(off) 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 스위치(15)와 제2 스위치(16)는 발전 시스템(2), 계통(3) 및 배터리(30)의 상태에 따라서 온/오프가 결정될 수 있다. 예를 들어, 부하(4)에서 요구되는 전력량이 큰 경우, 제1 스위치(15) 및 제2 스위치(16)를 모두 온 상태로 하여 발전 시스템(2), 계통(3)의 전력이 모두 사용될 수 있도록 한다. 물론, 발전 시스템(2) 및 계통(3)으로부터의 전력만으로는 부하(4)에서 요구하는 전려량을 충족시키지 못하는 경우에는 배터리(30)에 저장된 전력이 부하(4)에 공급될 수도 있다. 반면에, 계통(3)에 정전이 발생한 경우, 제2 스위치(16)를 오프 상태로 하고 제1 스위치(15)를 온 상태로 한다. 이를 통하여 발전 시스템(2) 또는 배터리(30)로부터의 전력을 부하(4)에 공급할 수 있으며, 부하(4)로 공급되는 전력이 계통(3) 측으로 흐르는 즉, 단독운전을 방지하여 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 감전되는 등의 사고를 방지할 수 있게 한다.
통합 제어기(17)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리(30) 및 부하(4)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라서 전력 변환부(11), 인버터(13), 컨버터(14), 제1 스위치(15), 제2 스위치(16) 및 BMS(20)를 제어한다. 통합 제어기(17)가 모니터링 하는 사항은 계통(3)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지 여부를 포함할 수 있다. 또한 통합 제어기(17)는 발전 시스템(2)의 전력 생산량, 배터리(30)의 충전 상태, 부하(4)의 전력 소비량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다.
BMS(20)는 배터리(30)에 연결되며, 통합 제어기(17)의 제어에 따라 배터리(30)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. BMS(20)는 배터리(30)를 보호하기 위하여, 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, BMS(20)는 배터리(30)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링 하고, 모니터링 결과를 통합 제어기(17)에 전송할 수 있다. 또한 본 실시 예에 따른 BMS(20)는 측정된 OCV(open circuit voltage)에 대응하는 SOC(state of charge)를 추정할 수 있다.
배터리(30)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력 또는 계통(3)의 전력을 공급 받아 저장하고, 부하(4) 또는 계통(3)에 저장하고 있는 전력을 공급한다.
배터리(30)는 적어도 하나 이상의 직렬 및/또는 병렬로 연결된 적어도 하나의 배터리 랙(rack)을 포함할 수 있다. 여기서, 배터리 랙은 배터리(30)를 구성하는 하위 구성요소이다. 또한 각각의 배터리 랙은 직렬 및/또는 병렬로 연결된 적어도 하나의 배터리 트레이(tray)를 포함할 수 있다. 여기서 배터리 트레이는 배터리 랙을 구성하는 하위 구성요소이다. 또한 각각의 배터리 트레이는 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 이러한 배터리(30)는 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들어 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 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(100)은, 배터리(110), 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 ‘BMS) 및 전력선 통신부(130)를 포함한다. 한편, 도 2에 도시되는 배터리 팩(100)은, 도 1을 참조로 하여 설명한 BMS(20)와 배터리(30)를 포함하는 것으로 이해할 수 있으며, 인버터, 컨버터 등과 연결되어 계통 및/또는 부하에 전력을 공급하거나, 발전 시스템 및/또는 계통으로부터 공급되는 전력을 저장할 수 있다.
배터리(110)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀(111-1 내지 111-n)을 포함한다. 그리고, 배터리 셀(111-1 내지 111-n)은 하나의 종류로 한정되지 않으며, 도 1을 참조로 하여 설명한 바와 같이, 배터리 셀(111-1 내지 111-n)은 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 있다.
BMS(120)는 전력선 통신부(130)로부터 신호를 수신하고, 수신한 신호에 대응하여 배터리(110)를 제어한다. 그리고, 전력선 통신부(130)는 전류 경로에 연결되어 제1 데이터 신호를 검출한다. BMS(120)가 전력선 통신부(130)로부터 수신하는 신호는 상기 제1 데이터 신호일 수 있다. 그리고, 상기 제1 데이터 신호는 배터리(110)의 위치에 대응하는 신호 및 배터리(110)에 대한 제어 신호를 포함할 수 있다.
그리고, BMS(120)는 배터리(110)의 상태를 모니터링 하고, 배터리(110)의 상태에 관한 정보를 전력 통신부(130)에 전달할 수 있다. BMS(120)는 배터리(110)의 전류, 전압 및 온도를 측정할 수 있으며, 측정한 정보를 이용하여 배터리(110)의 충전 상태(state of charge), 건강 상태(state of health) 등을 계산하거나 추정하고, 이를 통해 배터리(110)의 열화 정도, 잔여 수명 등을 예측할 수 있다.
도 2를 참조하면, BMS(120)는 배터리(110)의 양 극에 연결되어 배터리(110)의 전류, 전압 및 온도를 측정할 수 있는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이러한 구성으로 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, BMS(120)는 배터리(110)에 포함되는 배터리 셀(111-1 내지 111-n) 각각의 양 극에 연결되어, 배터리 셀 각각의 전압, 전류 및 온도를 측정할 수 있다.
도 2에는 하나의 배터리(110)가 도시되어 있으나, 에너지 저장 시스템에는 복수의 배터리가 직렬 또는 병렬로 연결되어 포함될 수 있으며, 특정 배터리에 대한 제어 신호를 포함하는 신호를 전송하는 경우, 제어 대상이 되는 해당 배터리에 제어 신호를 전송하기 위하여 상기 제1 데이터 신호는 배터리의 위치를 지정하는 신호 또는 데이터를 포함할 수 있다.
그리고, 배터리(110)에 대한 제어 신호는 배터리(110) 또는 배터리(110)에 포함되는 배터리 셀(111-1 내지 111-n)의 충전 또는 방전 동작을 제어하기 위한 신호일 수 있다. 배터리(110)에 대한 제어 신호를 포함하는 상기 제1 데이터 신호가 전력선 통신부(130)를 통해 수신되면, BMS(120)는 상기 제1 데이터 신호에 대응하여 배터리(110)의 충전 또는 방전 동작을 제어할 수 있다.
도 2에는 도시되어 있지 않지만, 배터리 셀(111-1 내지 111-n)은 서로 스위치를 통해 연결될 수 있으며, 상기 스위치는 BMS(120)에 의한 스위칭 동작을 통해 배터리 셀(111-1 내지 111-n)의 충전 또는 방전 동작을 제어할 수 있다.
한편, 상기 제1 데이터 신호는 상기 전류 경로를 따라 배터리(110)를 통해 흐를 수 있다. 따라서, 상기 제1 데이터 신호는 배터리(110)에 포함되는 복수의 배터리 셀(111-1 내지 111-n)을 통해 흐르고, 복수의 배터리가 연결된 경우에는, 상기 복수의 배터리를 통해 상기 제1 데이터 신호가 흐를 수 있다.
다만, 상기 제1 데이터 신호가 배터리를 통해 흐르게 된다고 하더라도, 상기 제1 데이터 신호가 흐르는 배터리가 상기 제1 데이터 신호에 의해 직접적으로 제어되는 것은 아니다. 상기 제1 데이터 신호는 전력선 통신부(130)에 의해 검출되고, 전력선 통신부(130)에 의해 검출된 상기 제1 데이터 신호는 BMS(120)로 전달된다.
한편, 배터리(110)와 전력선 통신부(130)는 상기 전류 경로를 통해 서로 병렬로 연결되며, BMS(120)와 전력선 통신부(130) 또한 상기 전류 경로를 통해 서로 병렬로 연결된다.
그리고, BMS(120)와 전력선 통신부(130)는 SPI(Serial Peripheral Interface) 방식을 통해 서로 통신할 수 있다. SPI는 부품 소자간 통신 인터페이스의 한 종류로서 간단하게 구성할 수 있으며, 대화형 프로토콜을 형성할 수 있고, 많은 수의 노드를 연결할 수 있는 장점이 있다.
BMS(120)와 전력선 통신부(130)는 SPI 방식을 통해 서로 통신할 수 있으나, 반드시 SPI 방식으로 통신 인터페이스가 제한되는 것은 아니며, I2C(Inter Interface Circuit) 방식을 포함한 어떠한 방법의 통신 인터페이스 방식도 사용 가능하다.
한편, 배터리(110)의 상태를 모니터링한 BMS(120)는 모니터링한 결과를 전력선 통신부(130)에 전송할 수 있으며, 전력선 통신부(130)는 BMS(120)로부터 수신한 배터리(110)의 상태에 관한 정보를 포함하는 제2 데이터 신호를 생성할 수 있다. 그리고, 상기 제2 데이터 신호는 전력선 통신부(130)에 의해 상기 전류 경로로 출력될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1000)은 서로 직렬로 연결되는 복수 개의 배터리 팩(200, 300), 마스터(Master) 통신부(400) 및 제어부(500)를 포함한다. 마스터 통신부(400)는 상기 복수 개의 배터리 팩(200, 300)을 따라 형성되는 전류 경로를 통해 제1 데이터 신호를 출력한다. 그리고 제어부(500)는, 마스터 통신부(400)의 상기 제1 데이터 신호 출력을 제어한다.
제1 배터리 팩(200)과 제2 배터리 팩(300)에서 각각의 배터리(210, 310), BMS(220, 320) 및 슬레이브 통신부(230, 330)은 상기 전류 경로를 통해 서로 병렬로 연결될 수 있다.
한편, 상기 복수 개의 배터리 팩(200, 300)은 이하 각각 제1 배터리 팩(200)과 제2 배터리 팩(300)으로 정의하도록 한다. 제1 배터리 팩(200) 및 제2 배터리 팩(300)은 각각, 배터리(210, 310), 슬레이브(Slave) 통신부(230, 330) 및 BMS(220, 320)를 포함한다.
배터리(210, 310)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하고, 슬레이브 통신부(230, 330)는 상기 전류 경로에 연결되어 상기 제1 데이터 신호를 검출한다. 그리고 BMS(220, 320)는 슬레이브 통신부(230, 330)로부터 상기 제1 데이터 신호를 수신하고, 수신한 상기 제1 데이터 신호에 대응하여 배터리(210, 310)의 동작을 제어한다.
상기 제1 데이터 신호는 배터리(210, 310)의 위치에 대응하는 신호 및 배터리(210, 310)에 대한 제어 신호를 포함할 수 있다. 도 3에는 제1 배터리 팩(200)과 제2 배터리 팩(300), 두 개의 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 시스템(1000)을 도시하고 있으나, 본 발명이 반드시 도 3의 구성으로 제한되는 것은 아니며, 3개 이상의 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 시스템으로도 구성 가능하다.
복수의 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 시스템에서 각각의 배터리 팩은 배터리를 포함하며, 마스터 통신부(400)에서 출력되는 상기 제1 데이터 신호는 복수의 배터리 중 제어 대상 배터리의 위치에 관한 정보를 포함할 수 있고, 상기 제어 대상 배터리에 대한 제어 신호를 포함할 수 있다.
예를 들어, 마스터 통신부(400)에서 출력된 제1 데이터 신호가 제2 배터리 팩(300)의 배터리(310)에 대한 제어 신호를 포함하고 있는 경우, 상기 제1 데이터 신호는 제1 배터리 팩(200)에 포함된 배터리(210)를 통해 제2 배터리 팩(300)으로 전달되고, 슬레이브 통신부(330)는 상기 제1 데이터 신호에 포함되어 있는 배터리의 위치에 대응하는 신호를 검출하고, 제2 배터리 팩(300)의 배터리(310)에 대한 데이터 신호임을 판단할 수 있다.
여기서, 배터리의 위치에 대응하는 신호는 각각의 배터리에 부여된 ID 번호(Identification Number)일 수 있으며, 각각의 배터리에 부여된 ID는 모두 다르게 설정되어, 상기 ID를 참조로 하여 제어 대상 배터리를 판별할 수 있다.
이에 따라, 슬레이브 통신부(330)는 상기 제1 데이터 신호에 포함된 배터리(310)에 대한 제어 신호를 수신하고, 이를 BMS(320)에 전달한다. 상기 제어 신호를 전달받은 BMS(320)는 해당 제어 신호에 따라 배터리(310)를 제어할 수 있으며, BMS(320)에 의한 배터리(310) 제어는 충전, 방전, 셀 밸런싱(Cell Balancing) 등이 될 수 있다.
한편, BMS(220, 320)는 배터리(210, 310)의 상태를 모니터링하고, 모니터링 한 결과를 슬레이브 통신부(230, 330)에 전달한다. 슬레이브 통신부(230, 330)는 배터리(210, 310) 모니터링 결과를 전달받고, 배터리(210, 310)의 상태에 관한 정보를 포함하는 제2 데이터 신호를 생성할 수 있다.
슬레이브 통신부(230, 330)에서 생성된 상기 제2 데이터 신호는 전류 경로로 출력되어 마스터 통신부(400)로 전달될 수 있다. 그리고, 상기 제2 데이터 신호는 마스터 통신부(400)를 통해 제어부(500)로 전달될 수 있다.
이러한 과정을 통해 제어부(500)는 복수의 배터리 팩에 포함되어 있는 복수의 배터리의 상태를 판단하고, 판단된 배터리의 상태, 주변 환경 또는 시스템의 요구에 따라 상기 복수의 배터리를 제어하기 위한 제1 데이터 신호 출력을 제어할 수 있다. 한편, 마스터 통신부(400)와 제어부(500)의 간의 통신은 도 2를 참조로 하여 설명한 SPI 방식이 사용될 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 사이의 데이터 전송 경로를 예시적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 사이의 제1 데이터 신호의 전송 경로는 마스터 통신부로부터 시작하여, 복수의 배터리 팩을 순차적으로 거치는 경로로 이루어질 수 있다.
도 4의 경로는 적어도 두 개 이상의 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 시스템에서의 데이터 신호의 전송 경로로 이해할 수 있다. 도 4를 참조하면, 마스터 통신부에서 출력된 제1 데이터 신호는 제1 배터리 팩, 제2 배터리 팩 및 제3 배터리 팩을 거쳐 제n 배터리 팩을 지나는 경로를 따라 흐르게 된다.
상기 제1 데이터 신호는 복수의 배터리 팩 중 특정 배터리 팩에 포함되어 있는 배터리에 대한 제어 신호를 포함하고 있으며, 나머지 배터리 팩과는 무관한 신호일 수 있으나, 복수의 배터리 팩이 직렬로 연결된 구조에서는 상기 복수의 배터리 팩을 직렬로 연결하는 하나의 전류 경로가 형성되므로, 상기 제1 데이터 신호 또한 상기 전류 경로를 따라 흐르게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 제2 데이터 신호의 전송 경로를 예시적으로 나타낸다. 도 5는 도 3과 마찬가지로 두 개의 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 시스템(1000)을 예로써 도시하고 있으며, 제1 배터리 팩(200)에서 출력된 제2 데이터 신호의 전송 경로를 나타낸다.
이하에서는 제1 배터리 팩(200)에서의 동작을 기준으로 본 발명을 설명하도록 한다. BMS(220)는 배터리(210)의 상태를 모니터링 하고, 배터리(210)의 전류, 전압 및/또는 온도를 모니터링한 결과를 슬레이브 통신부(230)로 전달한다.
슬레이브 통신부(230)는 BMS(220)로부터 수신한 모니터링 결과, 즉 배터리(210)의 상태에 관한 정보를 포함하는 제2 데이터 신호를 생성할 수 있다. 슬레이브 통신부(230)는 생성한 상기 제2 데이터 신호를 전류 경로를 통해 출력할 수 있다.
출력된 상기 제2 데이터 신호는 전류 경로를 따라 흐르며, 마스터 통신부(400)는 상기 제2 데이터 신호를 수신하여, 이를 제어부(500)에 전달한다. 슬레이브 통신부(230)에서 출력된 상기 제2 데이터 신호는 전류 경로를 따라 흐르며 제2 배터리 팩(300)에 포함된 배터리(310)를 통과하여 흐르지만, 상기 제2 데이터 신호는 배터리(310)에 대한 제어나, 배터리(310)의 상태에 관한 정보와는 무관한 정보를 포함하고 있으므로, 배터리(310)는 단순히 상기 제2 데이터 신호가 흐를 수 있는 경로를 형성하는 역할을 하는데 지나지 않는다.
한편, 도 5와 같은 구조에서, 제2 배터리 팩(300)에 포함된 슬레이브 통신부(330)에서 출력되는 제2 데이터 신호 또한 상기 전류 경로를 따라 흐르게 되지만, 이때에는 제1 배터리 팩(200)을 통하지 않더라도 마스터 통신부(400) 및 제어부(500)까지 전달될 수 있게 된다.
본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한, 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
1, 1000: 에너지 저장 시스템 2: 발전 시스템
3: 계통 4: 부하
10: 전력 변환 시스템 11: 전력 변환부
12: DC 링크부 13: 인버터
14: 컨버터 15: 제1 스위치
16: 제2 스위치 17: 통합 제어기
20, 120, 220, 320: 배터리 관리 시스템
30, 110, 210, 310: 배터리
100, 200, 300: 배터리 팩
230, 330: 슬레이브 통신부
400: 마스터 통신부
500: 제어부

Claims (17)

  1. 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
    전류 경로에 연결되어 제1 데이터 신호를 검출하는 전력선 통신부; 및
    상기 전력선 통신부로부터 상기 제1 데이터 신호를 수신하고, 수신한 상기 제1 데이터 신호에 대응하여 상기 배터리를 제어하는 BMS;
    를 포함하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 데이터 신호는 상기 배터리의 위치에 대응하는 신호 및 상기 배터리에 대한 제어 신호를 포함하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리와 상기 전력선 통신부는 상기 전류 경로를 통해 서로 병렬로 연결되는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 BMS와 상기 전력선 통신부는 SPI(Serial Peripheral Interface) 방식을 통해 통신하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 데이터 신호는 상기 전류 경로를 따라 상기 배터리를 통해 흐르는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 BMS는 상기 배터리의 상태를 모니터링하고, 상기 배터리의 상태에 관한 정보를 상기 전력선 통신부에 전달하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전력선 통신부는 상기 BMS로부터 수신한 상기 배터리의 상태에 관한 정보를 포함하는 제2 데이터 신호를 상기 전류 경로에 출력하는 배터리 팩.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 배터리의 상태에 관한 정보는, 상기 배터리 셀의 충전 상태(State Of Charge), 전압, 전류 및 온도에 관한 정보를 포함하는 배터리 팩.
  9. 서로 직렬로 연결되는 복수 개의 배터리 팩;
    상기 복수 개의 배터리 팩을 따라 형성되는 전류 경로를 통해 제1 데이터 신호를 출력하는 마스터(Master) 통신부; 및
    상기 마스터 통신부의 상기 제1 데이터 신호 출력을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 복수 개의 배터리 팩은 각각,
    적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
    상기 전류 경로에 연결되어 상기 제1 데이터 신호를 검출하는 슬레이브(Slave) 통신부; 및
    상기 슬레이브 통신부로부터 상기 제1 데이터 신호를 수신하고, 수신한 상기 제1 데이터 신호에 대응하여 상기 배터리의 동작을 제어하는 BMS;
    를 포함하는 에너지 저장 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 데이터 신호는 상기 배터리의 위치에 대응하는 신호 및 상기 배터리에 대한 제어 신호를 포함하는 에너지 저장 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 배터리와 상기 슬레이브 통신부는 상기 전류 경로를 통해 서로 병렬로 연결되는 에너지 저장 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 BMS와 상기 슬레이브 통신부는 SPI(Serial Peripheral Interface) 방식을 통해 통신하는 에너지 저장 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 데이터 신호는 상기 전류 경로를 따라 상기 배터리를 통해 흐르는 에너지 저장 시스템.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 BMS는 상기 배터리의 상태를 모니터링하고, 상기 배터리의 상태에 관한 정보를 상기 슬레이브 통신부에 전달하는 에너지 저장 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 슬레이브 통신부는 상기 BMS로부터 수신한 상기 배터리의 상태에 관한 정보를 포함하는 제2 데이터 신호를 상기 전류 경로에 출력하는 에너지 저장 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 마스터 통신부는 상기 제2 데이터 신호를 수신하고, 수신한 상기 제2 데이터 신호를 상기 제어부에 전달하는 에너지 저장 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 배터리의 상태에 관한 정보는, 상기 배터리 셀의 충전 상태(State Of Charge), 전압, 전류 및 온도에 관한 정보를 포함하는 에너지 저장 시스템.
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