KR20170067864A - 전력 그리드, 특히 선박의 전력 그리드의 동작 방법 - Google Patents

전력 그리드, 특히 선박의 전력 그리드의 동작 방법 Download PDF

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KR20170067864A
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티쎈크로프 마리네 지스템스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 전력 그리드, 특히 선박의 전력 그리드를 동작시키는 방법으로서, 그 전력 그리드는 에너지의 중간 저장을 위한 배터리 디바이스에 접속되며, 상기 배터리 디바이스는 복수의 컴포넌트 배터리들을 갖고, 제 1 컴포넌트 배터리는 그 컴포넌트 배터리가 전력 그리드로부터의 과잉 에너지를 흡수하기 위해 충전될 수 있는 충전 모드로 동작되는 한편, 제 2 컴포넌트 배터리는 그 컴포넌트 배터리가 추가 에너지를 전력 그리드에 출력하기 위하여 방전될 수 있는 방전 모드에서 동작되는, 전력 그리드를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은, 에너지의 중간 저장을 위한 배터리 디바이스에 접속되는 전력 그리드를 갖는, 특히 선박을 위한, 에너지 공급 시스템으로서, 상기 배터리 디바이스는 복수의 컴포넌트 배터리들을 갖고, 제 1 컴포넌트 배터리는 상기 컴포넌트 배터리가 상기 전력 그리드로부터의 과잉 에너지를 흡수하기 위해 충전될 수 있는 충전 모드로 동작되는 한편, 제 2 컴포넌트 배터리는 상기 컴포넌트 배터리가 추가 에너지를 상기 전력 그리드 출력하기 위하여 방전될 수 있는 방전 모드로 동작되는 방식으로 구성되는, 에너지 공급 시스템에 관한 것이다.

Description

전력 그리드, 특히 선박의 전력 그리드의 동작 방법{METHOD FOR THE OPERATION OF A POWER GRID, IN PARTICULAR A POWER GRID OF A WATERCRAFT}
본 발명은 전력 그리드, 특히 선박의 전력 그리드를 동작시키는 방법으로서, 전력 그리드는 에너지의 중간 저장을 위한 배터리 디바이스에 접속되는, 전력 그리드를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 다른 요지는, 에너지의 중간 저장을 위한 배터리 디바이스에 접속되는 전력 그리드를 갖는, 특히 선박을 위한, 에너지 공급 시스템이다.
예를 들어, 잠수함과 같은 선박은 보통 전력 그리드를 갖고, 이를 통해 선박 선내의 전기 소비체 (electrical consumer) 들에 전기 에너지가 공급된다. 그 소비체들은, 예를 들어, 선박의 전기 구동부, 에어 컨디셔닝 디바이스 또는 무기 제어 시스템이다. 그러한 소비체의 스위치가 켜지거나 및/또는 꺼질 때 전기 에너지에 대한 수요의 변동이 일어나고, 이는 일반적으로 배터리 디바이스를 통해 보상된다.
배터리 디바이스를 갖는 그러한 전력 그리드는 예를 들어, DE 10 2008 020 418 A1에 공지되어 있다. 과잉 에너지는 이 전력 그리드의 배터리 디바이스에 중간 저장되고 그 후에 필요한 경우 전력 그리드에 게인을 출력한다. 그러나, 이 전력 그리드가 동작될 때, 배터리 디바이스의 충전과 방전 사이의 빈번한 전환 (changeover) 으로 인해 배터리 디바이스에서의 전류 방향이 매우 자주 변하고, 이는 배터리 디바이스의 수명에 악영향을 미친다는 것이 밝혀졌다.
이러한 배경에 맞서, 본 발명의 목적은 배터리 디바이스의 수명을 연장시키는 것이다.
이 목적은 전력 그리드, 특히 선박의 전력 그리드를 동작시키는 방법으로서, 그 전력 그리드는 에너지의 중간 저장을 위한 배터리 디바이스에 접속되며, 상기 배터리 디바이스는 적어도 2 개의 컴포넌트 배터리들을 갖고, 적어도 제 1 컴포넌트 배터리는 그 컴포넌트 배터리가 전력 그리드로부터의 과잉 에너지를 흡수하기 위해 충전될 수 있는 충전 모드로 동작되는 한편, 적어도 제 2 컴포넌트 배터리는 그 컴포넌트 배터리가 추가 에너지를 전력 그리드에 출력하기 위하여 방전될 수 있는 방전 모드에서 동작되는, 전력 그리드를 동작시키는 방법에 의해 달성된다.
이 목적을 달성하기 위하여, 특히 선박을 위한, 에너지 공급 시스템으로서, 에너지의 중간 저장을 위한 배터리 디바이스에 접속되는 전력 그리드를 갖고, 상기 배터리 디바이스는 적어도 2 개의 컴포넌트 배터리들을 갖고, 적어도 제 1 컴포넌트 배터리는 그 컴포넌트 배터리가 전력 그리드로부터의 과잉 에너지를 흡수하기 위해 충전될 수 있는 충전 모드로 동작될 수 있는 한편, 적어도 제 2 컴포넌트 배터리는 그 컴포넌트 배터리가 추가 에너지를 전력 그리드에 출력하기 위하여 방전될 수 있는 방전 모드에서 동작될 수 있는 그러한 방식으로 구성되는, 에너지 공급 시스템이 또한 제안된다.
배터리 디바이스는, 본 발명에 따라, 복수의 컴포넌트 배터리들을 갖고, 하나의 컴포넌트 배터리가 방전 모드로 동작되고 다른 하나의 컴포넌트 배터리는 충전 모드로 동작된다. 방전 모드에서, 각각의 컴포넌트 배터리는 전력 그리드에 에너지를 출력할 수 있다. 충전 모드에서, 각각의 컴포넌트 배터리는 전력 그리드로부터 에너지를 흡수할 수 있다. 따라서, 2개의 컴포넌트 배터리들이 부하 변동을 보상하는데 동시에 이용가능하고, 하나의 컴포넌트 배터리는 에너지를 출력함으로써 전력 그리드를 지원하는데 기여하고 다른 하나의 컴포넌트 배터리는 에너지를 흡수함으로써 전력 그리드를 지원하는데 기여한다. 배터리 디바이스의 2 개의 컴포넌트 배터리들간의 가능한 충전 프로세스 및 방전 프로세스의 이러한 분배로 인해, 컴포넌트 배터리의 전류 방향은 덜 자주 변하며, 그 결과 배터리 디바이스의 수명이 연장될 수 있다.
컴포넌트 배터리는 충전 모드에서 방전될 수 없는 것이 바람직하며, 그 결과 컴포넌트 배터리는 충전 모드에서 전력 그리드로부터 충전될 수 있지만 전력 그리드에 에너지를 출력함으로써 방전될 수 없다. 특히 바람직하게는 컴포넌트 배터리는 본질적으로 충전 모드에서 전하를 유지하고 필요한 경우 전력 그리드로부터 충전할 수 있다. 또한, 컴포넌트 배터리가 방전 모드에서 충전될 수 없고, 그 결과 컴포넌트 배터리가 방전 모드에서 전력 그리드에 에너지를 출력할 수 있지만 전력 그리드로부터 에너지를 흡수할 수 없는 경우에 바람직하다. 특히 바람직하게는 컴포넌트 배터리는 본질적으로 방전 모드에서 전하를 유지하고 필요한 경우 에너지를 전력 그리드에 투입할 수 있다. 충전 모드 및/또는 방전 모드에서, 자가 방전 현상이 발생하여 그 결과 에너지가 전력 그리드로 출력되지 않고 배터리의 방전을 초래할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 하나의 유리한 개량에서, 배터리 디바이스의 적어도 제 3 컴포넌트 배터리는 컴포넌트 배터리가 충전될 수 없고 방전될 수 없는 대기 모드 (standby mode) 에서 동작된다. 배터리 디바이스는 대기 모드에서 제 3 컴포넌트 배터리가 동작할 수 있도록 구성될 수 있다. 대기 모드에서, 컴포넌트 배터리는 전력 그리드로부터 에너지를 흡수하여 충전될 수 없거나 또는 전력 그리드에 에너지를 출력하여 방전될 수 없다. 대기 모드에서, 컴포넌트 배터리는 작은 정도로만 부하가 걸리고, 그 결과 배터리 디바이스의 수명의 추가 개선이 달성될 수 있다. 제 3 컴포넌트 배터리는 바람직하게는, 제 1 컴포넌트 배터리가 충전 모드에서 동작되고 제 2 컴포넌트 배터리가 방전 모드에서 동작되는 동안 대기 모드에서 동작된다. 이 점에서 제 3 컴포넌트 배터리는 추가 유닛을 형성하고 이 추가 유닛은 더 적게 부하가 걸리고 필요한 경우 제 1 컴포넌트 배터리 또는 제 2 컴포넌트 배터리에 더하여 또는 대신하여 충전 모드 또는 방전 모드에 놓여될 수 있고, 이의 결과로서 어느 정도의 중복성 (redundancy) 이 생성된다. 배터리 디바이스의 컴포넌트 배터리가 고장 나면, 후자는 대기 모드에 영구히 놓일 수 있으며, 그 결과 기능적으로 가능한 그러한 컴포넌트 배터리들만이 충전 및 방전된다.
이러한 맥락에서, 컴포넌트 배터리가 대기 모드에서, 컴포넌트 배터리의 배터리 화학 (battery chemistry) 의 함수로서 선택된 충전 대기 상태를 갖는 경우에 특히 유리한 것으로 입증되었다. 이러한 충전 대기 상태의 선택에 의해, 컴포넌트 배터리, 그리고 따라서 또한 배터리 디바이스의 수명이 또한 증가될 수 있다. 컴포넌트 배터리의 충전 대기 상태는 바람직하게는, 리튬-이온 배터리의 방식으로 구현되는 그러한 컴포넌트 배터리에 대해 유리한 것으로 입증된, 50 % 내지 70 % 의 범위, 특히 바람직하게는 약 66 % 이다. 납 배터리로서 구현되는 컴포넌트 배터리의 경우, 충전 대기 상태는 약 100 % 인 것이 바람직하다. 컴포넌트 배터리의 충전 상태 (SoC) 는 전해질의 상대 밀도의 및/또는 전해질의 pH 값의 및/또는 배터리 전압의 및/또는 배터리 전류의 및/또는 배터리내 내부 전압의 측정에 의해 결정될 수 있다. 대안적으로, 컴포넌트 배터리의 방전의 깊이가 결정될 수 있다.
바람직하게는, 컴포넌트 배터리는 소정의 충전 상태 범위 내에서 충전 모드 및/또는 방전 모드로 동작되며, 이에 대해서는 이하에서 보다 상세히 설명된다.
컴포넌트 배터리, 특히 제 1 컴포넌트 배터리로 위에서 표시된 컴포넌트 배터리는, 이 컴포넌트 배터리의 충전 상태가 미리정의된 최대 값에 도달하면, 충전 모드로부터 방전 모드로 변경되는 개량이 유리하다. 충전 모드로부터 방전 모드로 컴포넌트 배터리의 전환에 의해 컴포넌트 배터리의 과부하 손상이 방지될 수 있다. 예를 들어, 제 1 컴포넌트 배터리의 충전 상태가 미리 정의된 최대 값에 도달하면, 제 1 컴포넌트 배터리는 충전 모드로부터 방전 모드로 변화될 수 있고, 제 2 컴포넌트 배터리는 방전 모드로부터 충전 모드로 변화될 수 있다. 2개 배터리는 이 점에서 그들의 기능을 교환할 수 있다.
하나의 유리한 개량에 따르면, 컴포넌트 배터리, 특히 상기 제 2 컴포넌트 배터리로 표시된 컴포넌트 배터리가, 이 컴포넌트 배터리의 충전 상태에 도달하면 방전 모드로부터 충전 모드로 변경되고, 그 결과 컴포넌트 배터리의 손상 심한 방전이 방지되는, 규정이 있다. 예를 들어, 제 2 컴포넌트 배터리의 충전 상태가 미리 정의된 최소 값에 도달하면, 제 2 컴포넌트 배터리는 방전 모드로부터 충전 모드로 변화될 수 있고, 제 1 컴포넌트 배터리는 충전 모드로부터 방전 모드로 변화될 수 있다. 2개 배터리는 이 점에서 그들의 기능을 교환할 수 있다.
컴포넌트 배터리, 특히 위에서 제 1 또는 제 2 컴포넌트 배터리로 표시된 컴포넌트 배터리는, 그 컴포넌트 배터리의 충전 상태가 미리정의된 충전 대기 상태에 도달하면, 대기 모드에 들어가는 개량이 유리하다. 이는 대기 모드로의 전환이 있을 때 그리고 대기 모드로부터의 전환이 있을 때, 컴포넌트 배터리가 본질적으로 동일한 충전 상태, 특히 충전 대기 상태를 갖는다는 이점을 제공한다. 제 3 컴포넌트 배터리는 바람직하게는 제 1 컴포넌트 배터리 또는 제 2 컴포넌트 배터리가 충전 대기 상태로 변화되면 대기 모드로부터 방전 모드 또는 충전 모드로 변경되고, 그 결과 컴포넌트 배터리들이 교체되고, 전력 그리드에 이용가능한 충전 상태는 변하지 않은 채로 남는다.
에너지 공급 시스템은 연료 전지 및/또는 발전기를 갖는 것이 바람직하다. 연료 전지 및/또는 발전기는 전력 그리드에 전기 에너지를 공급할 수 있다. 연료 전지는 특히 바람직하게는 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 로서 구현된다. 연료 전지는 개질기 (reformer) 에 접속될 수있고 이로부터 연료 예를 들어, 수소가 연료 전지에 도입될 수 있다. 개질기는, 개질기로 공급되는, 예를 들어 디젤, 메탄올 또는 에탄올과 같은 탄화수소로부터 연료 전지용 연료가 획득되는 방식으로 구현될 수 있다. 발전기는 디젤 발전기로서 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 전력 그리드 및 에너지 공급 시스템을 동작시키기 위한 본 발명에 따른 방법은 연료 전지를 사용할 때, 연료 전지, 특히 고체 산화물 연료 전지가 발전기를 위한 완전히 동등한 대체물로서 사용될 수 있다는 이점을 제공한다. 발전기가 사용될 때, 본 발명에 따른 방법 및 에너지 공급 시스템은 발전기의 모터의 일시적 부하가 감소될 수 있는 이점을 제공한다. 결과적으로, 오버홀 (overhaul) (오버홀간의 시간, TBO) 까지의 평균 시간이 연장될 수 있고, 고체 전달음 및/또는 수트 (soot) 의 형성이 감소될 수 있고 더 적은 오염물이 형성될 수도 있고, 특히 더 적은 CO2가 형성될 수도 있다.
연료 전지의 모터 연료 공급, 특히 발전기의 모터 연료 공급 및/또는 연료 전지에 접속된 개질기의 모터 연료 공급은 바람직하게는 컴포넌트 배터리들의 전류의 합의 함수로서 설정되고 그 결과 연료 전지 및/또는 발전기의 전력이 전력 그리드의 에너지 수요에 적응될 수 있다. 따라서, 연료 전지 또는 발전기로의 모터 연료 공급은 어느 컴포넌트 배터리가 충전 모드, 방전 모드 또는 대기 모드에 있는지에 관계 없이 구현된다. 대안적으로, 연료 전지의 모터 연료 공급, 특히 발전기의 모터 연료 공급 및/또는 연료 전지에 접속된 개질기의 모터 연료 공급은 모든 컴포넌트 배터리의 전기 전력의 합의 함수로서 설정된다는 것이 제공될 수 있다.
하나의 바람직한 개량은 컴포넌트 배터리들이 각각 충전 제어기를 통해 전력 그리드의 직류 전압 중간 회로 (direct voltage intermediate circuit) 에 접속되고, 충전 제어기가 직류 전압 중간 회로에 미리 정의된 직류 전압을 설정하는 것을 제공한다. 충전 제어기는 연료 전지의 제어 및/또는 발전기의 제어로부터 접속해제되는 방식으로 제어될 수 있다. 따라서, 연료 전지의 제어 측 또는 발전기의 제어 측에서, 전력 수요의 급격한 변화에 반응할 필요는 없다. 연료 전지 및/또는 발전기는 상대적으로 장시간에 걸쳐 본질적으로 일정한 동작 점에서 유지될 수 있는 반면, 전력 수요의 변동은 배터리 디바이스에 의해 보상된다. 이러한 방식으로, 에너지 공급 시스템의 안정성 및 견고성이 향상될 수 있다. 충전 제어기는 바람직하게는 양방향 충전 제어기, 특히 바람직하게는 양방향 DC/DC 변환기로서 구현되며, 그 결과 충전 제어기는 각각의 컴포넌트 배터리의 충전 및 방전 양자 모두를 제어할 수 있다.
다른 유리한 개량은 직류 전압 중간 회로가 DC/AC 변환기를 통해 전력 그리드의 교류 전압 그리드에 접속되고, DC/AC 변환기가 교류 전압 그리드에서 미리 정의된 교류 전압을 설정하는 것을 제공한다. 교류 전압 소비체는 교류 전압 그리드에 접속될 수 있다. 교류 전압 그리드는 바람직하게는 다상 교류 전압 그리드, 특히 3상 교류 전력 그리드 또는 3상 전력 그리드로 구현된다. DC/AC 변환기는 바람직하게는 양방향 DC/AC 변환기로서 구현된다.
하나의 바람직한 개량에서, 에너지 공급 시스템은 배터리 디바이스 대신에 또는 배터리 디바이스에 추가로 에너지를 흡수하기 위해, 전력 그리드에, 특히 클록 방식 (clocked fashion) 으로, 접속될 수 있는 부하 저항기를 갖는다. 배터리 디바이스 또는 배터리 디바이스의 컴포넌트 배터리가 추가 에너지를 흡수할 수 없는 경우 및/또는 전력 그리드에서의 전압이 미리 정의된 전압 임계 값을 초과하는 경우 및/또는 전력 그리드에서의 주파수가 미리 정의된 주파수 임계 값을 초과하는 경우 부하 저항기는 전력 그리드에 접속될 수 있다.
전술한 유리한 특징은 본 발명에 따른 방법 또는 본 발명에 따른 에너지 공급 시스템에서 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 세부 사항, 특징 및 이점은 도면 및 바람직한 실시 형태에 대한 하기의 설명에서 그리고 도면에서 찾아볼 수 있다. 도면들은 단지 본 발명의 개념을 제한하지 않는 본 발명의 예시적인 실시 형태들을 예시한다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 공급 시스템의 제 1 예시적 실시 형태를 블록 도로 도시하고,
도 2는 본 발명에 따른 에너지 공급 시스템의 제 2 예시적 실시 형태를 블록 도로 도시하고,
도 3은 본 발명에 따른 에너지 공급 시스템의 제 3 예시적 실시 형태를 블록 도로 도시하고,
도 4는 본 발명에 따른 에너지 공급 시스템의 부하 곡선의 예를 도시한다.
다양한 도면들에서, 동일한 부분들에는 항상 동일한 참조 부호들이 제공되며, 따라서 또한 각각 대체로 한번씩만 명명되거나 또는 언급된다.
도 1은 수면 선박 또는 잠수함으로서 구체화될 수 있는 군용 선박의 에너지 공급 시스템 (1) 을 도시한다. 예를 들어, 전기 구동부, 에어 컨디셔닝 디바이스 또는 무기 제어 시스템과 같은, 선박의 전기 소비체들에 공급하기 위해서, 에너지 공급 시스템은 전력 그리드 (2) 및 에너지 원으로서 전력 그리드 (2) 에 접속된 복수의 연료 전지 (14) 들을 갖는다. 연료 전지 (14) 는 전기 에너지를 전력 그리드 (2) 의 직류 전압 중간 회로 (3) 에 공급한다. 직류 전압 중간 회로 (3) 는 에너지가 직류 전압 중간 회로 (3) 와 3상 전력 그리드 (4) 사이에서 양방향으로 전달될 수 있는 방식으로 전력 그리드 (2) 의 3상 전력 그리드 (4) 에 접속된다. 전기 소비체는 직류 전압 중간 회로 (3) 및/또는 3상 전력 그리드 (4) 에 접속되며, 명확성의 이유로 도 1에 예시되지 않았다.
소비체의 스위치가 켜지거나 및/또는 꺼질 때 에너지 수요의 변동을 보상하기 위해, 에너지 공급 시스템 (1) 에 배터리 디바이스 (8) 가 또한 제공된다. 연료 전지 (14) 에 의해 제공된 전력이 소비체에 의해 요구되는 전력을 초과하면, 과잉 에너지는 배터리 디바이스 (8) 에 중간 저장된다. 다음으로, 배터리 디바이스 (8) 에 저장된 에너지는, 소비체에 의해 요구되는 전력이 연료 전지 (14) 에 의해 제공된 전력을 초과하면 소비체에게 출력될 수 있다. 이러한 버퍼링에 의해, 전력 수요가 변동하는 경우에 연료 전지 (14) 의 동작 점 (operating point) 을 변경할 필요가 없다. 대신에, 연료 전지 (14) 는 본질적으로 일정한 동작 점에서 동작될 수 있다. 연료 전지 (14) 의 동작 점은 연료 전지 (14) 에 대해 힘들지 않은 방식으로 그리고 느리게 변화될 수 있다. 동작 점의 변화는 여기서 시간순으로 평균 전력 요건을 따를 수 있고, 평균의 지속시간은 연료 전지 (14) 의 역학에 맞추어진다. 이러한 원리를 예시하기 위해, 도 4는 본질적으로 일정한 프로파일을 갖는 연료 전지 (14) 의 또는 발전기의 부하 곡선 (A) 을 예시한다. 부하 곡선 (A) 은 시간 (t) 에 대한 전력 (P) 의 프로파일을 설명한다. 이것과 비교하여, 본 발명에 따른 에너지 공급 시스템 (1)의 부하 곡선 (B) 이 도시되어 있다. 소비체의 스위치를 켜고 끄면 부하가 갑자기 변화된다. 기본 부하는 연료 전지 (14) 에 의해 커버되고, 연료 전지 (14) 의 기본 부하로부터의 짧은 편차는 배터리 디바이스 (8) 에 의해 버퍼링된다. 기본 부하 라인 (A) 이 초과되면, 배터리 디바이스 (8) 는 방전되고, 기본 부하 라인 (A) 이 언더슈트되면 배터리 디바이스 (8) 가 충전된다.
도 1에 따른 에너지 공급 시스템 (1) 에서, 특별한 조치가 취해진다. 배터리 디바이스 (8)의 개개의 배터리 전지의 충전과 방전 사이의 빈번한 변화를 피하기 위해, 배터리 디바이스 (8)는 3개의 컴포넌트 배터리 (5) 를 갖는다. 컴포넌트 배터리 (5) 는 리튬 이온 배터리로서 구현된다. 제 1 컴포넌트 배터리 (5) 는, 그 컴포넌트 배터리 (5) 가 전력 그리드 (2) 로부터 과잉 에너지를 흡수하기 위해 충전될 수 있지만 전력 그리드 (2) 로 에너지를 출력함으로써 방전될 수 없는 방전 모드로 동작된다. 제 2 컴포넌트 배터리 (5) 는, 그 컴포넌트 배터리 (5) 가 전력 그리드 (2) 로 추가 에너지를 출력하기 위해 방전될 수 있지만 전력 그리드 (2) 로부터 에너지를 흡수할 수 없는 방전 모드로 동작된다. 따라서, 배터리 디바이스 (8) 는 2개의 컴포넌트 배터리들 (5) 을 부하 변동을 보상하는데 동시에 이용가능하게 만들고, 하나의 컴포넌트 배터리 (5) 는 에너지를 출력함으로써 전력 그리드 (2) 를 지원하는데 기여하고 다른 하나의 컴포넌트 배터리 (5) 는 에너지를 흡수함으로써 전력 그리드 (2) 를 지원하는데 기여한다. 배터리 디바이스 (8) 의 2 개의 컴포넌트 배터리들 (5) 간의 가능한 충전 프로세스 및 방전 프로세스의 이러한 분할로 인해, 컴포넌트 배터리 (5) 의 전류 방향은 덜 자주 변하며, 그 결과 배터리 디바이스 (8) 의 수명이 연장된다.
배터리 디바이스 (8) 의 제 3 컴포넌트 배터리 (5) 는 컴포넌트 배터리 (5) 가 충전될 수없고 방전될 수 없는 대기 모드에서 동시에 동작된다. 제 3 컴포넌트 배터리는 추가 유닛을 형성하고 이 추가 유닛은 더 적게 부하가 걸리고 필요한 경우 제 1 컴포넌트 배터리 (5) 또는 제 2 컴포넌트 배터리 (5) 에 더하여 또는 대신하여 충전 모드 또는 방전 모드에 놓여될 수 있고, 이것은 어느 정도의 중복성을 생성한다. 배터리 디바이스 (8) 의 컴포넌트 배터리 (5) 가 고장 나면, 고장난 컴포넌트 배터리 (5) 는 대기 모드에 영구히 놓일 수 있으며, 그 결과 기능적으로 가능한 컴포넌트 배터리들 (5) 만이 충전 및 방전된다.
컴포넌트 배터리 (5) 는 직렬로 접속된 복수의 배터리 전지들을 갖는다. 컴포넌트 배터리 (5) 는 동일한 방식으로 구현되는 것이 바람직하다. 컴포넌트 배터리 (5) 는 각각 충전 제어기 (7) 를 통해 전력 그리드 (2), 특히 전력 그리드 (2) 의 직류 전압 중간 회로 (3) 에 접속된다. 각각의 경우에, 배터리 관리 시스템 (6) 은 컴포넌트 배터리 (5) 의 출력 단자에 접속되고, 이 배터리 관리 시스템 (6) 을 통해, 예를 들어, 배터리 전압 또는 충전 상태와 같은 배터리 상태가 모니터링된다. 충전 제어기 (7) 는 양방향 DC/DC 변환기로서 구현되며, 중간 제어기 회로로서 구현되는 제어 디바이스 (28) 를 통해 제어된다. 충전 제어기 (7) 는 미리 정의된 직류 전압이 직류 전압 중간 회로 (3) 에 설정되는 방식으로 제어 디바이스 (28) 에 의해 제어된다. 이 점에서, 직류 전압 중간 회로 (3) 의 직류 전압은 배터리 디바이스 (8) 를 통해 조정된다.
컴포넌트 배터리는 방전 모드, 충전 모드 또는 대기 모드에서 선택적으로 동작될 수 있으며, 아래에 설명된 바와 같이, 여기에서 미리 정의된 충전 상태 범위 내에 있다.
배터리 디바이스 (8) 는, 컴포넌트 배터리 (5) 의 충전 상태가 미리 정의된 최대 값, 예를 들어 85 % 또는 90 % 또는 95 % 에 도달하면 컴포넌트 배터리 (5) 가 충전 모드로부터 방전 모드로 변하는 방식으로 제어된다. 동시에, 또 다른 컴포넌트 배터리 (5) 는 충전 모드에 들어가고, 그 결과 과잉 에너지를 흡수하기 위해 하나의 컴포넌트 배터리 (5) 가 항상 이용가능하다. 방전 모드에 있는 컴포넌트 배터리 (5) 는 바람직하게는 충전 모드로 바뀌어진다. 대안적으로, 대기 모드에 있는 컴포넌트 배터리 (5) 는 충전 모드로 변화될 수 있다.
또한, 배터리 디바이스 (8) 는, 이 컴포넌트 밧데리 (5) 의 충전 상태가 미리 정의된 최소 값, 예를 들어 15% 또는 10% 또는 5% 에 도달하면 컴포넌트 배터리 (5) 가 방전 모드로부터 충전 모드로 변하는 방식으로 제어된다. 동시에, 다른 컴포넌트 배터리 (5) 는 방전 모드에 놓이게 되고, 그 결과 임의의 시간에 하나의 컴포넌트 배터리 (5) 는 에너지를 출력 할 준비가 된다. 충전 모드에 있는 컴포넌트 배터리 (5) 는 바람직하게는 방전 모드로 바뀌어진다. 대안적으로, 대기 모드에 있는 컴포넌트 배터리 (5) 는 방전 모드로 변화될 수 있다.
컴포넌트 배터리 (5) 는, 이 컴포넌트 배터리 (5) 의 충전 상태가 미리 정의된 충전 대기 상태에 도달하면 대기 모드에 들어가는 것이 바람직하다. 이 충전 대기 상태는 50 % 내지 75 %의 범위에 있고 바람직하게는 약 66 %이다.
에너지 공급 디바이스 (1) 의 연료 전지 (14) 는 DC/DC 변환기 (15) 를 통해 직류 전압 중간 회로 (3) 에 접속된다. 연료 전지 (14) 는, 연료로서 수소 가스로 동작되는 고체 산화물 연료 전지로서 구현된다. 연료는, 연료가 모터 연료로부터, 예를 들어 디젤로부터 발생되는 개질기 (13) 에 의해 제공된다. 모터 연료 공급의 조절 및 그에 따른 연료 전지 (14) 로의 연료 공급의 조절은 재생기 제어기 (12) 에 의해 수행된다. 재생기 제어기 (12) 는 컴포넌트 배터리 (5) 의 전류의 합의 함수로서 개질기 (13) 에 대한 모터 연료 공급을 설정한다. 이 목적을 위해, 컴포넌트 배터리 (5) 의 전류는 복수의 전류 측정 디바이스 (9) 에 의해 측정된다. 측정된 값은 합산 엘리먼트 (10) 에서 합산되고 재생기 제어기 (12) 에 공급된다. 또한, 연료 전지 (14) 의 전류는 전류 측정 디바이스 (16) 에 의해 검출되고 재생기 제어기 (12) 에 공급된다. 또한, 배터리 전류 및 연료 전지 전류의 합은 합산 엘리먼트들 (10, 17) 에 의해 형성되고 또한 재생기 제어기 (12) 에 공급된다.
예시적 실시 형태의 개량에서는, 개질기 (13) 대신에, 연료를 저장하고 필요시 그것을 연료 전지 (14) 에 출력하는 연료 전지 제공 디바이스 제공된다.
전력 그리드 (2) 의 3상 전력 그리드 (4) 는 복수의 DC/AC 변환기 (18) 를 통해 직류 전압 중간 회로 (3) 에 접속된다. DC/AC 변환기 (18) 의 제어기는 DC/AC 변환기가 3상 전력 그리드 (4) 에 미리 정의된 교류 전압을 설정하는 방식으로 수행된다. DC/AC 변환기 (18) 를 제어하기 위해 사용되는 측정된 값을 갖는 전압 및 주파수 측정 디바이스 (19) 가 3상 전력 그리드 (4) 에 제공된다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 공급 시스템 (1) 의 제 2 예시적 실시 형태를 예시한다. 에너지 공급 시스템 (1) 은, 에너지 원으로서, 내연 기관 (22) 에 의해 구동되는 발전기 (23) 를 갖는다. 발전기 (23) 는 3 상 전류를 생성하고 그것을 전력 그리드 (2) 의 3상 전력 그리드 (4) 에 공급한다. 내연 기관 (22) 및/또는 발전기 (23) 를 제어하기 위해, 컴포넌트 배터리 (5) 의 전류의 합의 함수로서 내연 기관 (22) 에 대해 모터 연료 공급을 설정하는 발전기 제어기 (21) 가 제공된다. 이 목적을 위해, 발전기 제어기 (22) 는 합산 엘리먼트 (10) 를 통해 전류 측정 디바이스 (9) 에 접속된다. 선택적으로 또는 부가적으로, 내연 기관 (22) 으로의 모터 연료 공급은 3상 전력 그리드 (4) 의 주파수 및/또는 전압의 함수로서 설정될 수 있다. 이를 위해, 발전기 제어기 (21) 는 선택적으로, 3상 전력 그리드 (4) 의 전압 및 주파수 측정 디바이스 (19) 에 접속될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 공급 시스템 (1) 의 제 3 예시적 실시 형태를 도시한다. 이 예시적인 실시 형태에서, 배터리 디바이스 (8) 는 중간 회로없이 전력 그리드 (2) 에 접속된다. 컴포넌트 배터리들 (5) 은, 양방향 DC/AC 변환기들로서 구현되는, 충전 제어기들 (24) 을 통해, 전력 그리드 (2) 의 3상 전력 그리드 (4) 에 각각 접속된다. 각각의 경우에, 전류 측정 디바이스 (25) 가 충전 제어기 (24) 와 3상 전력 그리드 (4) 사이에 제공된다. 전류 측정 디바이스 (25) 에 의해 측정된 값은 합산 엘리먼트 (26) 에서 합산되고, 다른 합산 요소 (27) 를 통해 발전기 제어부 (21) 에 공급된다.
전술한 에너지 공급 시스템 각각은, 에너지의 중간 저장을 위한 배터리 디바이스 (8) 에 접속된 전력 그리드 (2) 를 갖는다. 배터리 디바이스 (8) 는 복수의 컴포넌트 배터리들 (5) 을 구비하고, 제 1 컴포넌트 배터리 (5) 는 컴포넌트 배터리 (5) 가 전력 그리드 (2) 로부터 과잉 에너지를 수용하도록 충전될 수 있는 충전 모드로 동작될 수 있는 한편, 제 2 컴포넌트 배터리 (5) 는 그 컴포넌트 배터리 (5) 가 전력 그리드 (2) 에 추가 에너지를 출력하기 위해 방전될 수 있는 방전 모드로 동작될 수 있도록 구성된다. 설명된 전력 그리드 (2) 를 동작시키기 위한 방법에서, 전력 그리드 (2) 는 에너지의 중간 저장을 위한 배터리 디바이스 (8) 에 접속되며, 배터리 디바이스 (8) 는 복수의 컴포넌트 배터리들 (5) 을 갖고, 제 1 컴포넌트 배터리 (5) 는 그 컴포넌트 배터리 (5) 가 전력 그리드 (2) 로부터의 과잉 에너지를 흡수하기 위해 충전될 수 있는 충전 모드로 동작되는 한편, 제 2 컴포넌트 배터리 (5) 는 그 컴포넌트 배터리 (5) 가 추가 에너지를 전력 그리드 (2) 에 출력하기 위하여 방전될 수 있는 방전 모드로 동작된다. 이 목적을 위해, 결과적으로, 배터리 디바이스 (8) 의 수명이 연장될 수 있다.
1 에너지 공급 시스템
2 전력 그리드
3 직류 전압 중간 회로
4 3상 전력 그리드
5 컴포넌트 배터리
6 배터리 관리 시스템
7 충전 제어기
8 배터리 디바이스
9 전류 측정 디바이스
10 합산 엘리먼트
11 전압 측정 디바이스
12 재생기 제어기
13 개질기
14 연료 전지
15 DC/DC 변환기
16 전류 측정 디바이스
17 합산 엘리먼트
18 DC/AC 변환기
19 전압 및 주파수 측정 디바이스
20 합산 엘리먼트
21 발전기 제어기
22 모터
23 발전기
24 충전 제어기
25 전류 측정 디바이스
26 합산 엘리먼트
27 합산 엘리먼트
28 배터리 관리 시스템
A 발전기/연료 전지의 부하 곡선
B 배터리 디바이스에 의한 버퍼링을 갖는 부하 곡선

Claims (13)

  1. 전력 그리드 (2), 특히 선박의 전력 그리드를 동작시키는 방법으로서,
    상기 전력 그리드는 에너지의 중간 저장을 위한 배터리 디바이스 (8) 에 접속되고, 상기 배터리 디바이스 (8) 는 적어도 2개의 컴포넌트 배터리들 (5) 을 갖고, 적어도 제 1 컴포넌트 배터리 (5) 는 상기 컴포넌트 배터리 (5) 가 상기 전력 그리드 (2) 로부터의 과잉 에너지를 흡수하기 위해 충전될 수 있는 충전 모드로 동작되는 한편, 적어도 제 2 컴포넌트 배터리 (5) 는 상기 컴포넌트 배터리 (5) 가 추가 에너지를 상기 전력 그리드 (2) 에 출력하기 위하여 방전될 수 있는 방전 모드로 동작되는 것을 특징으로 하는 전력 그리드를 동작시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    컴포넌트 배터리 (5) 는 상기 충전 모드에서 방전될 수 없거나 및/또는 컴포넌트 배터리 (5) 는 상기 방전 모드에서 충전될 수 없는, 전력 그리드를 동작시키는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 디바이스 (8) 의 적어도 제 3 컴포넌트 배터리 (5) 는 상기 컴포넌트 배터리 (5) 가 충전될 수 없고 방전될 수 없는 대기 모드에서 동작되는, 전력 그리드를 동작시키는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 컴포넌트 배터리 (5) 는, 상기 대기 모드에서, 상기 컴포넌트 배터리의 배터리 화학의 함수로서 선택되고 바람직하게는 50% 내지 75% 의 범위에 있고, 특히 바람직하게는 약 66% 인 충전 대기 상태를 갖는, 전력 그리드를 동작시키는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 컴포넌트 배터리 (5) 는 상기 제 1 컴포넌트 배터리 (5) 의 충전 상태가 미리 정의된 최대 값에 도달하면 상기 충전 모드로부터 상기 방전 모드로 변하는, 전력 그리드를 동작시키는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 컴포넌트 배터리 (5) 는 상기 제 2 컴포넌트 배터리 (5) 의 충전 상태가 미리 정의된 최소 값에 도달하면 상기 방전 모드로부터 상기 충전 모드로 변하는, 전력 그리드를 동작시키는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 상기 제 2 컴포넌트 배터리 (5) 는 상기 제 1 또는 제 2 컴포넌트 배터리 (5) 의 충전 상태가 미리 정의된 충전 대기 상태에 도달하면 대기 모드에 들어가는, 전력 그리드를 동작시키는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료 전지 (14) 의 및/또는 발전기 (23) 의 모터 연료 공급은 상기 컴포넌트 배터리들 (5) 의 전류의 합의 함수로서 설정되는, 전력 그리드를 동작시키는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컴포넌트 배터리들 (5) 각각은 충전 제어기 (7) 를 통해 상기 전력 그리드 (2) 의 직류 전압 중간 회로 (3) 에 접속되고, 상기 충전 제어기 (7) 가 상기 직류 전압 중간 회로 (3) 에 미리 정의된 직류 전압을 설정하는, 전력 그리드를 동작시키는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 직류 전압 중간 회로 (3) 가 DC/AC 변환기 (18) 를 통해 상기 전력 그리드 (2) 의 교류 전압 그리드 (4) 에 접속되고, 상기 DC/AC 변환기 (18) 가 상기 교류 전압 그리드 (4) 에서 미리 정의된 교류 전압을 설정하는, 전력 그리드를 동작시키는 방법.
  11. 에너지의 중간 저장을 위한 배터리 디바이스 (8) 에 접속되는 전력 그리드 (2) 를 갖는, 특히 선박을 위한, 에너지 공급 시스템으로서,
    상기 배터리 디바이스 (8) 는 복수의 컴포넌트 배터리들 (5) 을 갖고, 제 1 컴포넌트 배터리 (5) 는 상기 컴포넌트 배터리 (5) 가 상기 전력 그리드 (2) 로부터의 과잉 에너지를 흡수하기 위해 충전될 수 있는 충전 모드로 동작될 수 있는 한편, 제 2 컴포넌트 배터리 (5) 는 상기 컴포넌트 배터리 (5) 가 추가 에너지를 상기 전력 그리드 (2) 에 출력하기 위하여 방전될 수 있는 방전 모드로 동작될 수 있는 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 공급 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 배터리 디바이스 (8) 는 대기 모드에서 제 3 컴포넌트 배터리 (5) 가 동작될 수 있도록 구성되는, 에너지 공급 시스템.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 에너지 공급 시스템 (1) 은 연료 전지 (14) 및/또는 발전기 (23) 를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 공급 시스템.
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