KR20170035619A - 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 보다 용이하고 간단한 방법으로 각 단위 배터리 셀(Cell)이 다수개로 병렬 연결되어 형성되는 각 단위 배터리 스택(Stack)이 다수개로 연결 구성되어 있는 배터리부, 그리고 상기 배터리부의 직류 전원 측과 외부 전력 계통의 교류 전원 측을 연계하여 상기 배터리부의 충전 및 방전을 수행하는 직류-교류 인버터를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.

Description

배터리 시스템{BATTERY SYSTEM}
본 발명은 배터리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 교류 링크(AC Link) 방식의 징크-브로민 흐름 배터리(Zn-Br Flow Battery) 시스템에 관한 것이다.
종래에 징크-브로민 흐름 배터리(Zn-Br Flow Battery) 시스템은 배터리 스택-직류/직류 컨버터(DC/DC Converter)-직류/교류 인버터(DC/AC Inverter)로 이루어지는데, 도 1과 같다.
도 1은 종래에 징크-브로민(Zn-Br) 흐름 배터리(Flow Battery) 시스템의 구성도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 징크-브로민(Zn-Br) 흐름 배터리(Flow Battery) 시스템은 HMI(Human machine interfac)(11)와 PMS(Power Management System)(13)가 연결된다. 그리고 PMS(13)는 직류-직류 변환 제어부(DC-DC Conv. controller)(15), 복수개의 RFB(Redox Flow Battery) 스택(stack)(17), BMS(Battery Management Sytem)(29)와 연결된다.
PMS(13)는 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(21) 및 제어부(controller)(23)와 연결된다.
직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(21)는 트랜스포머(transformer)(25)와 연결되고, 트랜스포머(transformer)(25)는 외부 전력 게통(grid)(27)과 연결된다.
직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(21)는 직류-직류 컨버터(DC-DC Conv)(19)와 연결되고, 직류-직류 컨버터(DC-DC Conv)(19)는 RFB(Redox Flow Battery) 스택(stack)(17)과 연결된다.
BMS(29)는 BOP(31), PUMP(33), Valve(35), Sensor(37), Fan(39) 및 Protection(41)과 연결된다.
이처럼, 징크-브로민(Zn-Br) 흐름 전지(Flow Battery) 시스템은 배터리 스택-직류/직류 컨버터(DC/DC Converter)-직류/교류 인버터(DC/AC Inverter)로 이루어지는 구성도를 가진다.
그러나 이러한 시스템 구성은 직렬로 구성된 배터리 스택을 각각 제어할 수 있는 장점을 가지나 직류/직류 컨버터(DC/DC Converter)의 사용으로 인하여 전체 시스템의 효율을 저감 시키고 시스템의 가격을 상승시켜 징크-브로민(Zn-Br) 흐름 전지(Flow Battery) 시스템의 경쟁력을 낮추는 요인이 된다.
또한, 직렬로 구성된 배터리 스택의 합 전압만을 제어하여 개별 스택의 불균형을 초래하여 스택의 수명의 악영향을 끼친다.
또한, 단일 징크-브로민(Zn-Br) 배터리 스택의 경우 내부는 총 60개의 전기화학 셀로 구성되어 충방전시 스택간의 불균형을 초래하는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 보다 용이하고 간단한 방법으로 직류-직류 컨버터(DC/DC Converter) 가 없는 형태의 징크-브로민 흐름 전지(Zn-Br Flow Battery) 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 액티브(Active)/패시브(Passive) 방식을 통하여 배터리 스택 간의 전압 균형을 이루는 전압 밸런싱(Balancing) 회로를 적용하여 복수개 스택의 전압 균형을 맞춰 스택의 수명 및 신뢰성을 확보하는 배터리 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 배터리 시스템은 각 단위 배터리 셀(Cell)이 다수개로 병렬 연결되어 형성되는 각 단위 배터리 스택(Stack)이 다수개로 연결 구성되어 있는 배터리부, 그리고 상기 배터리부의 직류 전원 측과 외부 전력 계통의 교류 전원 측을 연계하여 상기 배터리부의 충전 및 방전을 수행하는 직류-교류 인버터를 포함한다.
상기 배터리부는,
상기 직류-교류 인버터의 구동 전압 을 정의된 기준 전압으로 유지시킬 수 있는 개수의 배터리 스택이 직렬로 연결될 수 있다.
상기 배터리부는,
직렬로 연결된 복수개의 배터리 스택, 그리고 상기 복수개의 배터리 스택 간 전압을 밸런싱하는 모듈 밸런싱부를 포함할 수 있다.
상기 모듈 밸런싱부는,
액티브(Active) 방식으로 구성되어 배터리 전압 차가 발생하면, 전류를 방전시켜 배터리 전압을 균등하게 제어할 수 있다.
상기 모듈 밸런싱부는,
패시브(Passive) 방식으로 구성되어 배터리 전압 차가 발생하면, 전류를 방전시켜 배터리 전압을 균등하게 제어할 수 있다.
상기 배터리 시스템은,
상기 외부 전력 계통으로부터 직류 전원을 공급받아 동작하고, 상기 배터리부의 동작을 관리 및 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS), 상기 외부 전력 계통으로부터의 직류 전원 공급을 제어하는 에너지 관리 시스템(Energy Manage Ment, EMS), 그리고 상기 직류-교류 인버터와 연결되어 상기 에너지 관리 시스템의 지시에 따라 상기 직류 전원이 상기 배터리부에 공급되도록 제어하는 운영 시스템(Power Management System, PMS)을 더 포함할 수 있다.
상기 배터리부는 서로 직렬로 연결된 복수개의 배터리부를 포함하고,
상기 복수개의 배터리부 별로 복수개의 직류-교류 인버터가 각각 구비될 수 있다.
상기 배터리부는 서로 직렬로 연결된 복수개의 배터리부를 포함하고, 상기 복수개의 배터리부에는 하나의 상기 직류-교류 인버터가 연결될 수 있다.
상기 복수개의 배터리부 각각은,
상기 복수개의 배터리 스택에 연결되고, 상기 직류-교류 인버터에 연결되는 각각의 커넥터를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리부는,
복수개의 화학흐름전지 스택을 포함할 수 있다.
상기 배터리부는,
복수개의 레독스흐름전지(redox flow battery) 스택을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 직류-직류 컨버터(DC/DC Converter)가 수행하던 역할을 스택의 직렬 개수를 증가, 밸런싱(Balancing) 회로의 도입 방안을 통하여 시스템 효율을 극대화하여 징크-브로민(Zinc-Bromine) 흐름전지(Flow Battery) 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 직류-직류 컨버터(DC/DC Converter)를 사용하지 않으므로, 이를 사용하여 발생하던 종래 문제점, 즉 시스템 효율 저감, 시스템 단가 상승의 단점 해소하여 결국 시스템 효율 상승이 가능하다.
도 1은 종래에 징크-브로민(Zn-Br) 흐름 전지(Flow Battery) 시스템의 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 교류-링크(AC-Link) 방식의 징크-브로민 흐름 배터리(Zn-Br Flow Battery) 시스템을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일 PCS(Power Conditioning System) 사용의 교류-링크(AC-Link) 방식의 징크-브로민 흐름 배터리(Zn-Br Flow Battery) 시스템을 나타낸 것이다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 교류-링크(AC-Link) 방식의 징크-브로민 흐름 배터리(Zn-Br Flow Battery) 시스템을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 교류-링크(AC-Link) 방식의 징크-브로민 흐름 배터리(Zn-Br Flow Battery) 시스템(100)은 복수개의 배터리 스택(101), 모듈 밸런싱부(module balance)(103), 컨트롤러(105), 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107), 파워 관리 시스템(PMS, Power Management System)(109), 에너지 저장 시스템(EMS, Energy Management System)(111), 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)(113), 외부 전력 계통(Grid)(115), BOP(117), PUMP(119), Valve(121), Sensor(123), Fan(125) 및 Protection(127)을 포함한다.
EMS(111)는 PMS(109)와 연결된다. 그리고 PMS(109)는 컨트롤러(105)를 통해 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)와 연결된다. 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)는 외부 전력 계통(115)와 연결된다.
복수개의 배터리 스택(101), 모듈 밸런싱부(module balance)(103)는 배터리부를 구성한다. 여기서, 복수개의 배터리 스택(101)은 각 단위 배터리 셀(Cell)이 다수개로 병렬 연결되어 형성되는 각 단위 배터리 스택(Stack)이 다수개로 연결 구성되어 있다.
여기서, 복수개의 배터리 스택(101)은 화학흐름전지 스택을 포함할 수 있다. 또한, 레독스흐름전지(redox flow battery) 스택을 포함할 수 있다.
모듈 밸런싱부(103)는 복수개의 배터리 스택(101) 간 전압을 밸런싱한다. 모듈 밸런싱부(103)는 액티브(Active) 방식으로 구성되어 배터리 전압 차가 발생하면, 전류를 방전시켜 배터리 전압을 균등하게 제어한다.
모듈 밸런싱부(103)는 패시브(Passive) 방식으로 구성되어 배터리 전압 차가 발생하면, 전류를 방전시켜 배터리 전압을 균등하게 제어한다.
직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)는 배터리부의 직류 전원 측과 외부 전력 계통의 교류 전원 측을 연계하여 배터리부의 충전 및 방전을 수행한다.
여기서, 배터리부는 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)의 구동 전압을 정의된 기준 전압으로 유지시킬 수 있는 개수의 배터리 스택이 직렬로 연결될 수 있다.
BMS(113)는 외부 전력 계통(115)으로부터 직류 전원을 공급받아 동작하고, 배터리부의 동작을 관리 및 제어한다.
EMS(111)는 외부 전력 계통(115)으로부터의 직류 전원 공급을 제어한다.
PMS(109)는 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)와 연결되어 EMS(111)의 지시에 따라 직류 전원이 배터리부에 공급되도록 제어한다.
PMS(109)는 각각의 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)와 연결된다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 교류-링크(AC-Link) 방식의 구성은 배터리에 연결된 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)가 없는 구조를 가진다.
종래에는 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)의 역할은 배터리부의 충방전 전류를 제어하는 역할을 가졌으나, 본 발명의 실시예에서는 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)가 배터리부의 충방전 전류를 제어한다.
본 발명의 실시예에서 교류-링크(AC-Link) 방식의 징크-브로민 흐름 배터리(Zn-Br Flow Battery) 시스템(100)이 3상380[V]의 계통에 연계될 경우, 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)의 입력 전압 즉 배터리 전압을 인버터 구동을 위하여 하기 수학식 1을 통해 산출되었다.
Figure pat00001
수학식 1에 산출된 전압(650[V])의 이상의 전압으로 유지되어야한다. 여기서, 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)는 만들고자하는 계통 전압의 피크(Peak) 값보다 높을 경우 가능하여 계통의 피크(Peak) 값에 여유분을 주어 계산되었다.
이때, 380은 380Vac 계통의 RMS(Root Mean Square) 값이고, 1.414는 계통 전압의 피크(Peak) 값이며, 1.2는 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107) 구동의 여유분이다.
이러한 전압은 종래에는 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)의 승압 역할로 가능했으나, 본 발명의 실시예에서는 배터리부는 구성하는 직렬로 연결된 배터리 스택의 개수를 늘려 유지가 가능하다.
예를 들면, 징크-브로민(Zn-Br) 단일 스택의 사용 가능한 전압이 70~108[V] 라 할 경우, 위의 조건, 즉 전압 유지 조건은 배터리 스택 10개의 직렬 구조을 통하여 해결이 가능하다.
그러나 스택 10개를 직렬로 구성할 경우 스택 전압의 불균형을 초래하여 수명과 안정성에 악영향을 끼칠 수 있으므로, 배터리 스택(101)에 병렬로 연결된 모듈 밸런싱부(103)를 통하여 해결이 가능하다.
모듈 밸런싱부(103)는 스택 밸런싱(Stack Balancing) 회로로서, 액티브 또는 패시브 방식으로 구성되어 배터리의 전압의 차가 발생할 경우 배터리의 주 전류회로 이외의 경로를 통하여 전류를 방전 시켜 배터리의 전압을 균등하게 제어가 가능한다.
또한, 밸런싱 회로(Balancing Circuit)의 적용으로 스택의 전압이 균등해 진다면, 종래에는 배터리 전압을 균등하게 제어하기 위해 스트리핑 모드를 구현해야 했으나, 스트리핑 모드 횟수를 줄일 수 있다. 여기서, 스트리핑 모드는 시스템에 연결된 배터리의 전압을 0으로 하는 모드를 말한다. 이처럼, 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)의 사용으로 시스템의 신뢰성이 개선된다.
여기서, 도 2는 서로 직렬로 연결된 복수개의 배터리부(101, 103) 별로 각각의 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)가 연결되어 있는 구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일 PCS(Power Conditioning System) 사용의 교류-링크(AC-Link) 방식의 징크-브로민 흐름 배터리(Zn-Br Flow Battery) 시스템을 나타낸 것이다.
도 3은 도2의 개별로 적용되던 시스템의 구조에서 단일 PCS로 변경한 구조를 나타낸 것이다. 이러한 변경으로 시스템의 제어의 간편성이 장점이다.
도 3을 참조하면, 도 2와 유사한 구성에 대한 설명은 생략하고, 달라진 점은 복수개의 배터리 스택(101) 및 모듈 밸런싱부(103)를 포함하는 배터리부는 커넥터(129)를 포함한다. 그리고 각각의 커넥터(129)를 통해 배터리부는 하나의 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)에 연결된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다른 전지와 달리 SOC(State of charge) 를 0 % 이상 그리고100% 이하까지 사용할 수 있는 특징을 가진다. 이러한 특징으로 인해 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)는 전압의 변동 범위가 커 일정한 전압 이상을 유지시켜야만 동작한다. 이때, 본 발명의 실시예에서는 종래에 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)(107)의 전단에 존재하던 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)를 제외시켜 시스템 효율을 개선시켰다.
예를 들면, 배터리를 제외한 효율을 고려할 경우, 이전의 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)가 포함된 시스템에서 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter) 효율이 0.95이고, 직류-교류 인버터(DC-AC Inverter)의 효율이 0.95 이므로, 전체 시스템의 라운드 트립(Round Trip) 효율은 0.95 * 0.95 * 0.95 *0.95 = 81.45%가 된다. 반면, 본 발명의 실시예에 따른 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)가 제외된 시스템의 효율은 0.95*0.95 = 90.25% 로 상승한다.

Claims (11)

  1. 각 단위 배터리 셀(Cell)이 다수개로 병렬 연결되어 형성되는 각 단위 배터리 스택(Stack)이 다수개로 연결 구성되어 있는 배터리부, 그리고
    상기 배터리부의 직류 전원 측과 외부 전력 계통의 교류 전원 측을 연계하여 상기 배터리부의 충전 및 방전을 수행하는 직류-교류 인버터
    를 포함하는 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리부는,
    상기 직류-교류 인버터의 구동 전압 을 정의된 기준 전압으로 유지시킬 수 있는 개수의 배터리 스택이 직렬로 연결되는 배터리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리부는,
    직렬로 연결된 복수개의 배터리 스택, 그리고
    상기 복수개의 배터리 스택 간 전압을 밸런싱하는 모듈 밸런싱부
    를 포함하는 배터리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모듈 밸런싱부는,
    액티브(Active) 방식으로 구성되어 배터리 전압 차가 발생하면, 전류를 방전시켜 배터리 전압을 균등하게 제어하는 배터리 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 모듈 밸런싱부는,
    패시브(Passive) 방식으로 구성되어 배터리 전압 차가 발생하면, 전류를 방전시켜 배터리 전압을 균등하게 제어하는 배터리 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 외부 전력 계통으로부터 직류 전원을 공급받아 동작하고, 상기 배터리부의 동작을 관리 및 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS),
    상기 외부 전력 계통으로부터의 직류 전원 공급을 제어하는 에너지 관리 시스템(Energy Manage Ment, EMS), 그리고
    상기 직류-교류 인버터와 연결되어 상기 에너지 관리 시스템의 지시에 따라 상기 직류 전원이 상기 배터리부에 공급되도록 제어하는 운영 시스템(Power Management System, PMS)
    을 더 포함하는 배터리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리부는 서로 직렬로 연결된 복수개의 배터리부를 포함하고,
    상기 복수개의 배터리부 별로 복수개의 직류-교류 인버터가 각각 구비되는 배터리 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 배터리부는 서로 직렬로 연결된 복수개의 배터리부를 포함하고,
    상기 복수개의 배터리부에는 하나의 상기 직류-교류 인버터가 연결되는 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수개의 배터리부 각각은,
    상기 복수개의 배터리 스택에 연결되고, 상기 직류-교류 인버터에 연결되는 각각의 커넥터
    를 더 포함하는 배터리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리부는,
    복수개의 화학흐름전지 스택을 포함하는 배터리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리부는,
    복수개의 레독스흐름전지(redox flow battery) 스택을 포함하는 배터리 시스템.
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