KR20190020260A - Hot-swappable battery pack and battery system using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a battery pack, which is a hot-swappable battery pack capable of replacing a battery or a power converter in a live status without stopping a system, and a battery system using the same, in a battery system connecting a plurality of batteries to use the batteries. According to the present invention, the battery pack comprises: a plurality of power conversion units connected to an alternating current power source, connected in series to each other and converting and supplying power for charging and discharging; a plurality of batteries respectively connected to the plurality of power conversion units to be charged by the power obtained or supply the power charged; a plurality of relays arranged between connection terminals of the adjacent power conversion unit; and a control unit selectively controlling the power conversion unit or the relay connected to a battery selected among the plurality of batteries.

Description

핫 스왑이 가능한 배터리 팩 및 이를 이용한 배터리 시스템{Hot-swappable battery pack and battery system using the same}Hot-swappable battery pack and battery system using same

본 발명은 배터리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 배터리를 연결하여 사용하는 배터리 시스템에 있어서, 시스템 정지 없이 활선 상태에서 배터리 또는 전력 변환기의 교체가 가능한 핫 스왑이 가능한 배터리 팩 및 이를 이용한 배터리 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a battery system, and more particularly, to a battery system for connecting and using a plurality of batteries, a hot swappable battery pack capable of replacing a battery or a power converter in a live state without stopping the system and a battery using the same It's about the system.

종래의 배터리 시스템은 배터리 모듈과 DC/DC 컨버터를 이용하여 DC link 에 병렬로 연결된 시스템을 사용하였다. 기존의 병렬구조의 배터리 시스템은 3상 인버터의 DC link 확보를 위해 배터리 팩의 직병렬을 조합한 배터리 모듈이 반드시 요구된다. 종래의 배터리 시스템은 배터리 팩의 전압과 SOC 및 SOH 등 그 특성이 동일해야 가능한 문제점이 있었다. 이는 전기오토바이, 전기자전거 등의 소용량 배터리 팩을 조합한 모듈로 구성할 경우 충방전 제어에 한계가 있었다.The conventional battery system uses a system connected in parallel to the DC link by using a battery module and a DC / DC converter. The existing parallel battery system requires a battery module combining a series of battery packs in parallel to secure the DC link of the three-phase inverter. The conventional battery system has a problem that the voltage of the battery pack and its characteristics such as SOC and SOH are the same. This has a limitation in charge and discharge control when the module is composed of a small capacity battery pack such as an electric motorcycle and an electric bicycle.

전력 변환기 측면에서도 병렬구조에서는 각 컨버터에 대한 Master/Slave 개념이 부여되는데 고장난 컨버터가 Master일 경우 전체 시스템은 정지되는 문제점이 있다. 인버터 측면에서도 3상 인버터를 1대를 계통 전력을 사용하게 될 경우에 인버터 고장 시 마찬가지로 전체 시스템의 정지상태가 나타나는 문제점이 있었다.In terms of power converters, the concept of Master / Slave is given for each converter in parallel structure, but when the failed converter is Master, the whole system is stopped. In the case of an inverter, when a three-phase inverter uses grid power, there is a problem in that the entire system is stopped when the inverter fails.

이와 같이 기존의 병렬 구조의 배터리 시스템은 전력변환기 또는 배터리 교체 시 반드시 시스템을 정지하고 수리 또는 교체를 해야 한다. 이러한 경우 교체 또는 수리 시간 동안의 배터리 시스템의 이용률은 자동적으로 ‘0’으로 나타나며 이는 배터리 시스템의 에너지 손실을 초래하게 된다.As such, the existing parallel battery system must be stopped and repaired or replaced when the power converter or battery is replaced. In this case, the utilization of the battery system during the replacement or repair time is automatically shown as '0', which causes energy loss of the battery system.

즉 종래의 배터리 시스템은 병렬형 전력 변환 토폴리지를 사용하기 때문에 활선 상태에서 배터리 또는 전력 변환기의 교체가 어렵고, 배터리 시스템 구성시 배터리에 대한 스펙이 동일해야하는 문제점이 있었다.That is, because the conventional battery system uses a parallel power conversion topology, it is difficult to replace the battery or the power converter in the live state, and there is a problem that the specifications of the battery should be the same when configuring the battery system.

한국공개특허 제2016-0063756호 (2016.06.07.)Korean Laid-Open Patent No. 2016-0063756 (2016.06.07.)

따라서 본 발명의 목적은 복수의 배터리를 연결하여 사용하는 배터리 시스템에 있어서, 시스템 정지 없이 활선 상태에서 배터리 또는 전력 변환기의 교체가 가능한 핫 스왑이 가능한 배터리 팩 및 이를 이용한 배터리 시스템을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a hot swappable battery pack capable of replacing a battery or a power converter in a live state without a system stop in a battery system using a plurality of batteries connected thereto, and a battery system using the same.

또한 본 발명의 다른 목적은 스펙이 서로 다른 배터리를 동시에 충전할 수 있는 핫 스왑이 가능한 배터리 팩 및 이를 이용한 배터리 시스템을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a hot-swappable battery pack and a battery system using the same, which can simultaneously charge batteries having different specifications.

또한 본 발명의 다른 목적은 배터리의 개수에 따라 위상 변이각을 조절하여 인버터의 리액터 사이즈를 줄여 고전력 밀도화를 구현할 수 있는 핫 스왑이 가능한 배터리 팩 및 이를 이용한 배터리 시스템을 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a hot-swappable battery pack and a battery system using the same which can realize high power density by reducing the reactor size of the inverter by adjusting the phase shift angle according to the number of batteries.

본 발명에 따른 배터리 팩은 교류 전력 소스와 연결되어 서로 직렬로 다단 연결되며, 충방전을 위하여 전력을 변환하여 공급하는 복수의 전력 변환부, 상기 복수의 전력 변화부에 각각 연결되어 전력을 인가받아 충전되거나, 충전된 전력을 공급하는 복수의 배터리, 인접한 전력 변환부의 연결단 사이에 구비되는 복수의 릴레이, 상기 복수의 배터리 중 선택된 배터리에 연결된 전력 변환부 또는 릴레이를 제어하여 상기 선택된 배터리를 바이패스 시키는 제어부를 포함한다.The battery pack according to the present invention is connected to an AC power source and connected in series to each other in series, and a plurality of power converters for converting and supplying power for charging and discharging, respectively, connected to the plurality of power changers to receive power. Bypass the selected battery by controlling a plurality of batteries that are charged or supply the charged power, a plurality of relays provided between the connection terminals of adjacent power converters, a power converter or a relay connected to a selected battery among the plurality of batteries. And a control unit.

본 발명에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 복수의 전력 변환부는 상기 교류 전력 소스와 연결되어 서로 직렬로 다단 연결되는 복수의 인버터, 일측이 상기 복수의 인버터와 각각 연결되고, 타측이 상기 복수의 배터리와 각각 연결되는 복수의 양방향 컨버터를 포함한다.In the battery pack according to the present invention, the plurality of power converters are connected to the AC power source, a plurality of inverters connected in series to each other, one side of each of the plurality of inverters, the other side of the plurality of batteries and It includes a plurality of bidirectional converters each connected.

본 발명에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 복수의 인버터 각각은 서로 직렬 연결된 제1 및 제2 스위치와, 상기 제1 및 제2 스위치와 병렬 연결된 제3 및 제4 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the battery pack according to the present invention, each of the plurality of inverters may include first and second switches connected in series with each other, and third and fourth switches connected in parallel with the first and second switches.

본 발명에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 복수의 인버터는 상기 교류 전력 소스와 연결되고, 전단에 위치하는 인버터의 제3 및 제4 스위치의 연결단과, 후단에 위치하는 인버터의 제1 및 제2 스위치의 연결단이 연결되어 직렬로 서로 다단 연결되는 것을 특징으로 한다.In the battery pack according to the present invention, the plurality of inverters are connected to the AC power source, and are connected to the third and fourth switches of the inverter located at the front end and the first and second switches of the inverter located at the rear end. It is characterized in that the connecting ends of the connected in series with each other in series.

본 발명에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 릴레이는 전단에 위치하는 인버터의 제3 및 제4 스위치의 연결단과, 후단에 위치하는 인버터의 제1 및 제2 스위치의 연결단 사이에 구비되는 것을 특징으로 한다.In the battery pack according to the present invention, the relay is provided between the connection end of the third and fourth switches of the inverter located in the front end, and the connection end of the first and second switches of the inverter located in the rear end. do.

본 발명에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 제어부는 상기 복수의 배터리 중 선택된 배터리에 연결된 인버터에서 제1 및 제3 스위치를 열림 상태로 제어하고, 제2 및 제4 스위치를 닫힘 상태로 제어하여 상기 선택된 배터리를 바이패스 시키는 것을 특징으로 한다.In the battery pack according to the present invention, the controller controls the first and third switches in the open state in the inverter connected to the selected battery among the plurality of batteries, and controls the selected second and fourth switches in the closed state. It is characterized by bypassing the battery.

본 발명에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 제어부는 상기 복수의 배터리 중 선택된 배터리에 연결된 릴레이를 닫힘 상태로 제어하여 상기 선택된 배터리를 바이패스 시키는 것을 특징으로 한다.In the battery pack according to the present invention, the controller controls the relay connected to the selected battery among the plurality of batteries to a closed state, thereby bypassing the selected battery.

본 발명에 따른 배터리 팩에 있어서, 상기 제어부는 상기 복수의 배터리의 개수에 따라 상기 인버터를 제어하여 위상 변위각을 제어하는 것을 특징으로 한다.In the battery pack according to the present invention, the control unit controls the inverter according to the number of the plurality of batteries, characterized in that for controlling the phase shift angle.

본 발명에 따른 배터리 시스템은 교류 전력 소스, 상기 교류 전력 소스의 각 상에 연결되어 서로 직렬로 다단 연결되며, 충방전을 위하여 전력을 변환하여 공급하는 복수의 전력 변환부, 상기 복수의 전력 변화부에 각각 연결되어 전력을 인가받아 충전되거나, 충전된 전력을 공급하는 복수의 배터리, 인접한 전력 변환부의 연결단 사이에 구비되는 복수의 릴레이, 상기 복수의 배터리 중 선택된 배터리에 연결된 전력 변환부 또는 릴레이를 선택적으로 제어하는 제어부를 포함하는 복수의 배터리 팩을 포함한다.The battery system according to the present invention includes an AC power source, a plurality of power converters connected to each phase of the AC power source and connected in series to each other in series, converting and supplying power for charging and discharging, and the plurality of power changing units. A plurality of batteries connected to each of the plurality of batteries to be charged with power or to supply charged power, a plurality of relays provided between connection terminals of adjacent power converters, and a power converter or relay connected to a selected battery among the plurality of batteries. A plurality of battery packs including a control unit for selectively controlling.

본 발명에 따른 배터리 시스템은 전력 변환부를 직렬 연결하고, 인접한 전력 변환부의 연결단 사이에 각각 릴레이를 구비하여, 복수의 배터리 중 선택된 배터리에 연결된 릴레이를 닫힘 상태로 제어하여 선택된 배터리를 바이패스 시킴으로써, 시스템의 정지 없이 활선 상태에서 교체 또는 수리가 가능하여 에너지 효율을 극대화 시킬 수 있다.The battery system according to the present invention is connected to the power converter in series, and provided with a relay between the connection between the adjacent power converter, respectively, by controlling the relay connected to the selected battery of the plurality of batteries in a closed state to bypass the selected battery, It can be replaced or repaired in the live state without stopping the system to maximize energy efficiency.

본 발명에 따른 배터리 시스템은 배터리의 개수에 따라 위상 변이각을 조절하여 인버터의 리액터 사이즈를 줄여 고전력 밀도화를 구현할 수 있다.The battery system according to the present invention can implement a high power density by reducing the reactor size of the inverter by adjusting the phase shift angle according to the number of batteries.

도 1은 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 교류 전력 소스의 한 상에 연결된 본 발명에 따른 배터리 팩의 구성을 상세히 설명하기 위한 결선도이다.
도 4는 도 3에서 선택된 배터리에 대한 바이패스 제어를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 비교예에 따른 배터리 시스템의 인버터의 스위칭 파형을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템의 인버터의 스위칭 파형을 나타낸 그래프이다.1 is a view showing the configuration of a battery system according to the present invention.
2 is a block diagram showing the configuration of a battery system according to the present invention.
3 is a connection diagram illustrating in detail the configuration of a battery pack according to the present invention connected to one phase of an AC power source.
FIG. 4 is an exemplary diagram for describing bypass control for the battery selected in FIG. 3.
5 is a graph illustrating a switching waveform of an inverter of a battery system according to a comparative example.
6 is a graph illustrating a switching waveform of an inverter of a battery system according to an exemplary embodiment of the present invention.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.In the following description, only parts necessary for understanding the embodiments of the present invention will be described, it should be noted that the description of other parts will be omitted so as not to distract from the gist of the present invention.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms or words used in the specification and claims described below should not be construed as being limited to the ordinary or dictionary meanings, and the inventors are appropriate to the concept of terms in order to explain their invention in the best way. It should be interpreted as meanings and concepts in accordance with the technical spirit of the present invention based on the principle that it can be defined. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configuration shown in the drawings are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, and various equivalents may be substituted for them at the time of the present application. It should be understood that there may be variations and variations.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.1 is a view showing the configuration of a battery system according to the present invention, Figure 2 is a block diagram showing the configuration of a battery system according to the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 시스템(200)은 교류 전력 소스(10) 및 복수의 배터리 팩(100)을 포함한다.1 and 2, a battery system 200 according to the present invention includes an AC power source 10 and a plurality of battery packs 100.

이러한 배터리 시스템(200)은 전기오토바이, 전기자전거 등에 이용될 수 있으며, 전기오토바이, 전기자전거 등에 구비되는 배터리 팩(100)을 충전하며 배터리 팩(100)에서 교류 전력 소스(10)로 전력을 공급하기도 한다.The battery system 200 may be used for an electric motorcycle, an electric bicycle, and the like. The battery system 200 charges a battery pack 100 provided in an electric motorcycle, an electric bicycle, and supplies power from the battery pack 100 to an AC power source 10. Sometimes.

교류 전력 소스(10)는 3상 전력(R, S, T)을 배터리 팩(100)에 전달할 수 있다. 예컨데 교류 전력 소스(10)는 3상 전력을 세개의 배터리 팩(100)에 각각 전달할 수 있다.The AC power source 10 may deliver three-phase power R, S, and T to the battery pack 100. For example, the AC power source 10 may deliver three-phase power to three battery packs 100, respectively.

배터리 팩(100)은 복수로 구비되며, 교류 전력 소스(10)의 각 상으로부터 교류 전력을 제공받는다. 여기서 배터리 팩(100)은 일단이 교류 전력 소스(10)의 각 상으로부터 연결되며, 타단이 인접한 배터리 팩과 서로 연결될 수 있다.The battery pack 100 is provided in plurality, and receives AC power from each phase of the AC power source 10. Here, one end of the battery pack 100 may be connected to each phase of the AC power source 10, and the other end thereof may be connected to an adjacent battery pack.

즉 배터리 팩(100)은 교류 전력 소스(10)와 연계되고, 교류 전력 소스(10)로부터 전달되는 AC 전력을 DC 전력으로 전환하여 충전하거나, 저장되어 있는 DC 전력을 AC 전력으로 전환하여 교류 전력 소스(10)에 제공한다.That is, the battery pack 100 is connected to the AC power source 10 and converts the AC power transferred from the AC power source 10 to DC power to charge or converts the stored DC power to AC power to AC power. To the source 10.

예컨데 교류 전력 소스(10) 각 상당 10개의 배터리(120)를 구비한 배터리 팩(100)으로 3상 전원 전체를 쓸 경우 30개의 배터리(120)를 충전할 수 있는 구조로 구성된다.For example, a battery pack 100 having 10 batteries 120 corresponding to each of the AC power sources 10 may be configured to charge 30 batteries 120 when the entire three-phase power source is used.

이러한 배터리 팩(100)은 전력 변환부(120), 배터리(110), 릴레이(130) 및 제어부(140)를 포함한다.The battery pack 100 includes a power converter 120, a battery 110, a relay 130, and a controller 140.

전력 변환부(120)는 교류 전력 소스(10)와 연결되어 서로 직렬로 다단 연결되며, 충방전을 위하여 전력을 변환하여 배터리(110)로 공급한다. 즉 전력 변환부(120)는 최초 교류 전력 소스(10)로부터 전력을 제공받고, 서로 직렬로 다단 연결되며, 교류 전력 소스(10)의 각 상에 배터리 팩(100)이 복수로 연결될 경우, 말단에 위치한 전력 변환부가 인접한 배터리 팩에 구비된 전력 변환부의 말단에 연결될 수 있다.The power converter 120 is connected to the AC power source 10 and connected in series to each other, and supplies power to the battery 110 by converting power for charging and discharging. That is, the power converter 120 receives power from the initial AC power source 10, is connected in series to each other in series, and when a plurality of battery packs 100 are connected to each of the AC power sources 10, the terminal ends. The power converter located at may be connected to the end of the power converter provided in the adjacent battery pack.

이러한 전력 변환부(120)는 교류 전력 소스(10)로부터 전달받은 AC 전력을 충전이 가능한 DC 전력 형태로 변환하여 배터리(110)에 제공할 수 있다.The power converter 120 may convert the AC power received from the AC power source 10 into a form of DC power that can be charged and provide the same to the battery 110.

또한 전력 변환부(120)는 배터리(110)로부터 방전되는 DC 전력을 AC 전력 형태로 변환하여 교류 전력 소스(10)에 제공할 수 있다.In addition, the power converter 120 may convert the DC power discharged from the battery 110 into AC power and provide the AC power to the AC power source 10.

배터리(110)는 교류 전력 소스(10)로부터 공급되는 AC 전력을 전력 변환부(110)를 거쳐 DC 전력 형태로 충전할 수 있다. 또한 배터리(110)는 충전된 DC 전력을 전력 변환부(120)를 통해 AC 전력 형태로 교류 전력 소스(10)에 충전된 전력을 공급할 수 있다.The battery 110 may charge AC power supplied from the AC power source 10 in the form of DC power via the power converter 110. In addition, the battery 110 may supply the charged DC power to the AC power source 10 in the form of AC power through the power converter 120.

이러한 배터리(110)는 충방전이 가능한 다양한 배터리가 사용될 수 있다. 예컨데 배터리(110)는 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battey), 리튬 이온 전지(lithium battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등을 포함할 수 있으나 이에 한정된 것은 아니다.The battery 110 may be used a variety of batteries capable of charging and discharging. For example, the battery 110 may be a nickel-cadmium battery, a lead storage battery, a nickel metal hydride battey (NiMH), a lithium ion battery, a lithium polymer battery, or the like. It may include, but is not limited to.

릴레이(130)는 입력이 일정 값에 도달하였을 때 작동하여 회로를 개폐하는 장치로 인접한 전력 변환부(120)의 연결단 사이에 각각 복수로 구비될 수 있다. 여기서 릴레이(130)는 교류 전력 소스(10)의 입력단과, 교류 전력 소스(10)와 연결된 최초 전력 변환부 및 최초 전력 변환부와 인접한 전력 변환부의 연결단에 최초 구비된다. 그리고 릴레이(130)는 인접한 전력 변환부 사이에 각각 구비되고, 최말단에 위치한 릴레이(130)는 인접한 배터리 팩(100)과의 연결단 사이에 구비될 수 있다.The relay 130 is a device that operates when the input reaches a predetermined value to open and close the circuit, and may be provided in plurality between connection terminals of adjacent power converters 120. In this case, the relay 130 is initially provided at an input terminal of the AC power source 10, an initial power converter connected to the AC power source 10, and a connection terminal of the power converter adjacent to the initial power converter. In addition, the relay 130 may be provided between adjacent power converters, and the relay 130 positioned at the end may be provided between a connection end with an adjacent battery pack 100.

이러한 릴레이(130)는 제어부(140)의 제어하에 일반 모드에서 열림 상태로 유지될 수 있으며, 선택된 배터리(110)에 해당하는 릴레이(130)가 닫힘 상태로 제어된다.The relay 130 may be maintained in the open state in the normal mode under the control of the controller 140, and the relay 130 corresponding to the selected battery 110 is controlled to the closed state.

예컨데 배터리 11 또는 전력 변환부 11의 교체 또는 수리가 필요한 경우, 릴레이 11(R11)이 닫힘 상태로 제어되고, 배터리 12 또는 전력 변환부 12의 교체 또는 수리가 필요한 경우, 릴레이 12(R12)가 닫힘 상태로 제어될 수 있다.For example, if the battery 11 or the power converter 11 needs to be replaced or repaired, the relay 11 (R11) is controlled in the closed state, and if the battery 12 or the power converter 12 needs to be replaced or repaired, the relay 12 (R12) is closed. State can be controlled.

이에 따라, 교체 또는 수리가 필요한 배터리(110) 또는 전력 변환부(120)에 대하여 바이패스 상태가 되기 때문에, 전체 시스템을 정지하지 않고도 활선 상태에서 해당 배터리(110) 또는 전력 변환부(120)의 교체 또는 수리가 가능하다.Accordingly, the battery 110 or the power converter 120 needs to be replaced or repaired, thereby bypassing the entire system, and thus, the battery 110 or the power converter 120 may be moved in a live state without stopping the entire system. Replacement or repair is possible.

제어부(140)는 사용자의 입력에 따라 일반 모드에서 복수의 릴레이(130)를 열림 상태로 제어하고, 복수의 배터리(110) 중 사용자에 의해 선택된 배터리(110)에 연결된 릴레이를 닫힘 상태로 제어할 수 있다.The controller 140 controls the plurality of relays 130 to the open state in the normal mode according to the user input, and controls the relays connected to the battery 110 selected by the user from the plurality of batteries 110 to the closed state. Can be.

즉 제어부(140)는 사용자에 의해 교체 또는 수리가 필요한 배터리(110)에 해당하는 릴레이(130)를 닫힘 상태로 제어하여 교체 또는 수리가 필요한 배터리(110)를 바이패스 시킴으로써 전체 시스템을 정지하지 않고도 활선 상태에서 해당 배터리(110) 또는 전력 변환부(120)의 교체 또는 수리가 가능하도록 할 수 있다.That is, the controller 140 controls the relay 130 corresponding to the battery 110 that needs to be replaced or repaired by the user to the closed state, thereby bypassing the battery 110 that needs to be replaced or repaired without stopping the entire system. In the live state, the battery 110 or the power converter 120 may be replaced or repaired.

여기서 제어부(140)는 인버터가 독립형일 경우 바이패스를 위한 교류 전력 소스(10)의 제어 전압을 하기의 수학식 1로 하여 제어할 수 있다.Herein, when the inverter is a stand-alone type, the controller 140 may control the control voltage of the AC power source 10 for bypassing by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

(여기서 n은 배터리의 개수)Where n is the number of batteries

또한 제어부(140)는 인버터가 연계형일 경우 바이패스를 위한 교류 전력 소스(10)의 제어 전류를 하기의 수학식 2로 하여 제어할 수 있다.In addition, the controller 140 may control the control current of the AC power source 10 for bypass when the inverter is linked to the following equation (2).

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

(여기서 n은 배터리의 개수)Where n is the number of batteries

이하 본 발명에 따른 배터리 팩의 구성에 대하여 더욱 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the configuration of the battery pack according to the present invention will be described in more detail.

도 3은 교류 전력 소스의 한 상에 연결된 본 발명에 따른 배터리 팩의 구성을 상세히 설명하기 위한 결선도이다. 여기서 도 3은 전력 변환부(120)의 구성을 상세히 설명하기 위한 도면으로, R 상에 세개의 인버터(121-1, 121-2, 121-3)이 각각 다단 연결되며, 각 인버터(121-1, 121-2, 121-3)에 세개의 배터리가 각각 연결된 상태를 나타낸 예시도이다.3 is a connection diagram illustrating in detail the configuration of a battery pack according to the present invention connected to one phase of an AC power source. 3 is a view for explaining the configuration of the power converter 120 in detail, three inverters 121-1, 121-2, 121-3 are connected in multiple stages on the R, each inverter 121- 1, 121-2, and 121-3 are exemplary views showing a state in which three batteries are connected to each other.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전력 변환부(120)는 최초 교류 전력 소스(10)와 연결되고, 서로 직렬로 다단 연결되는 복수의 인버터(121)와, 일측이 복수의 인버터(121)와 각각 연결되고, 타측이 복수의 배터리(110)와 각각 연결되는 복수의 양방향 컨버터(122)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the power converter 120 according to the present invention is connected to an initial AC power source 10, a plurality of inverters 121 connected to each other in series, and one side of the plurality of inverters 121. And a plurality of bidirectional converters 122 connected to each other and connected to the plurality of batteries 110, respectively.

여기서 복수의 인버터(121)와 복수의 양방향 컨버터(122)는 각각 퓨즈(123)를 통해서 연결될 수 있다.Here, the plurality of inverters 121 and the plurality of bidirectional converters 122 may be connected through the fuses 123, respectively.

퓨즈(123)는 복수의 배터리(110)에서 각각 발생할 수 있는 규정 값 이상의 단락 전류 및 과부하 전류가 흐를 경우 전류에 의해 발생하는 열로 인해 끊어지며 자동적으로 과전류를 차단한다.The fuse 123 is cut off due to the heat generated by the current when the short-circuit current and the overload current flows over a predetermined value that may occur in each of the plurality of batteries 110, and automatically cuts off the overcurrent.

인버터(121)는 서로 직렬 연결된 제1 및 제2 스위치와, 제1 및 제2 스위치와 병렬 연결된 제3 및 제4 스위치를 포함하여 구성될 수 있다. 예컨데 제1 인버터(121-1)은 서로 직렬 연결된 S1 및 S2와, S1 및 S2와 병렬 연결된 S3 및 S4를 포함하며, 제2 인버터(121-2)는 서로 직렬 연결된 S5 및 S6와, S5 및 S6와 병렬 연결된 S7 및 S8을 포함하여 구성될 수 있다.The inverter 121 may include first and second switches connected in series with each other, and third and fourth switches connected in parallel with the first and second switches. For example, the first inverter 121-1 includes S1 and S2 connected in series with each other, S3 and S4 connected in parallel with S1 and S2, and the second inverter 121-2 includes S5 and S6 connected in series with each other, S5 and It may be configured to include S7 and S8 connected in parallel with S6.

이러한 인버터(121)는 최초 인버터가 교류 전력 소스와 연결되고, 전단에 위치하는 인버터의 제3 및 제4 스위치의 연결단과, 후단에 위치하는 인버터의 제1 및 제2 스위치의 연결단이 연결되어 직렬로 서로 다단 연결될 수 있다. 예컨데 제1 인버터(121-1)의 S3 및 S4의 연결단이 제2 인버터(121-2)의 S5 및 S6에 연결될 수 있다.The inverter 121 has an initial inverter connected to an AC power source, a connection end of third and fourth switches of the inverter located at the front end, and a connection end of the first and second switches of the inverter located at the rear end thereof. Can be connected in series with each other in series. For example, the connection terminals of S3 and S4 of the first inverter 121-1 may be connected to S5 and S6 of the second inverter 121-2.

이에 따라 인버터(121)는 복수의 독립된 전원을 요구하는 회로를 단일 입력 전원단 즉 교류 전력 소스(10) 하나로 구성할 수 있다.Accordingly, the inverter 121 may configure a circuit requiring a plurality of independent power sources into a single input power terminal, that is, an AC power source 10.

여기서 릴레이(130)는 전단에 위치하는 인버터(121)의 제3 및 제4 스위치의 연결단과, 후단에 위치하는 인버터(121)의 제1 및 제2 스위치의 연결단 사이에 구비될 수 있다. 예컨데 제1 인버터(121-1)의 S3 및 S4의 연결단이 제2 인버터(121-2)의 S5 및 S6에 연결단에 연결되고, 제2 인버터(121-2)의 S7 및 S8의 연결단이 제3 인버터(121-3)의 S9 및 S10의 연결단에 연결될 경우, 릴레이(130)는 각 연결단 사이에 구비될 수 있다. 즉 R12를 닫힘 상태로 제어할 경우, 제1 인버터(121-1)로부터 전달되는 전력은 제3 인버터(121-3)로 바이패스 제어될 수 있다. 이에 따라 시스템을 정지하지 않고도 R12의 닫힘 상태 제어로 활선 상태에서 배터리12, 제2 컨버터(122-2) 또는 제2 인버터(121-2)의 수리 또는 교체가 가능하다.The relay 130 may be provided between the connection ends of the third and fourth switches of the inverter 121 located at the front end and the connection ends of the first and second switches of the inverter 121 located at the rear end. For example, the connection terminals S3 and S4 of the first inverter 121-1 are connected to the connection terminals S5 and S6 of the second inverter 121-2, and the connection of S7 and S8 of the second inverter 121-2 is performed. When the stage is connected to the connection terminals of S9 and S10 of the third inverter 121-3, the relay 130 may be provided between the connection terminals. That is, when controlling R12 to the closed state, the power transferred from the first inverter 121-1 may be bypassed to the third inverter 121-3. Accordingly, the battery 12, the second converter 122-2 or the second inverter 121-2 may be repaired or replaced in the live state by controlling the closed state of R12 without stopping the system.

즉 사용자에 의해 교체 또는 수리가 필요한 배터리(110)에 해당하는 릴레이(130)를 닫힘 상태로 제어하여 교체 또는 수리가 필요한 배터리(110)의 인버터(121)를 바이패스 시킴으로써 전체 시스템을 정지하지 않고도 활선 상태에서 해당 배터리(110) 또는 전력 변환부(120)의 교체 또는 수리가 가능하도록 할 수 있다.That is, by controlling the relay 130 corresponding to the battery 110 that needs to be replaced or repaired by the user in the closed state, bypassing the inverter 121 of the battery 110 that needs to be replaced or repaired without stopping the entire system. In the live state, the battery 110 or the power converter 120 may be replaced or repaired.

양방향 컨버터(122)는 배터리(110)의 충방전을 제어하기 위하여 배러티(110)와 인버터(121) 사이에 구비된다. 이러한 양방향 컨버터(122)는 배터리(110)와 인버터(121) 사이에서 전원 전압의 극성은 변하지 않고 그대로 유지하면서 양방향으로 전력의 흐름을 제어하기 위해 전류의 방향을 양방향으로 제어한다.The bidirectional converter 122 is provided between the varieties 110 and the inverter 121 to control charge and discharge of the battery 110. The bi-directional converter 122 controls the direction of the current in both directions to control the flow of power in both directions while maintaining the polarity of the power supply voltage unchanged between the battery 110 and the inverter 121.

도 4는 도 3에서 선택된 배터리에 대한 바이패스 제어를 설명하기 위한 예시도이다.FIG. 4 is an exemplary diagram for describing bypass control for the battery selected in FIG. 3.

도 4를 참조하면, 사용자에 의해 배터리 12가 선택된 경우, 제어부는 제2 인버터(121-2)의 S5와 S7을 닫힘 상태로 제어하고, S6 및 S8을 열림 상태로 제어하여 제2 인버터(121-2)를 통해 배터리 12를 거치지 않고 바이패스 되도록 제어할 수 있다. 즉 배터리 12만의 교체 또는 수리를 필요로 할 경우, 제2 인버터(121-2)의 스위치 제어만으로 바이패스 제어를 수행할 수 있다. 하지만 이에 한정된 것은 아니고, 제2 인버터(121-2)의 S5와 S7을 닫힘 상태로 제어하고, S6 및 S8을 열림 상태로 제어한 후 제2 릴레이(R12)를 닫힘 상태로 제어하여 바이패스 제어를 수행할 수 있다.Referring to FIG. 4, when the battery 12 is selected by the user, the controller controls S5 and S7 of the second inverter 121-2 to the closed state, and controls S6 and S8 to the open state to control the second inverter 121. -2) can be bypassed to bypass the battery 12. That is, when only the battery 12 needs to be replaced or repaired, bypass control may be performed only by the switch control of the second inverter 121-2. However, the present invention is not limited thereto. By controlling S5 and S7 of the second inverter 121-2 in the closed state, controlling S6 and S8 in the open state, controlling the second relay R12 in the closed state and controlling the bypass. Can be performed.

또한 제2 인버터(121-2)의 수리 또는 교체가 필요한 경우, 제2 릴레이(R12)를 닫힘 상태로 제어하여 바이패스 제어를 수행할 수 있다.In addition, when the repair or replacement of the second inverter 121-2 is required, the bypass control may be performed by controlling the second relay R12 in the closed state.

도 5는 비교예에 따른 배터리 시스템의 인버터의 스위칭 파형을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템의 인버터의 스위칭 파형을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing a switching waveform of the inverter of the battery system according to the comparative example, Figure 6 is a graph showing a switching waveform of the inverter of the battery system according to an embodiment of the present invention.

한편 본 발명의 실시예에 따른 제어부는 복수의 배터리의 개수에 따라 인버터를 제어하여 위상 변위각을 제어할 수 있다.Meanwhile, the control unit according to the embodiment of the present invention may control the phase shift angle by controlling the inverter according to the number of batteries.

예컨데 제어부는 하기의 수학식 3을 통해 위상 변위각을 제어할 수 있다.For example, the controller may control the phase shift angle through Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

(여기서 n은 배터리의 개수)Where n is the number of batteries

한편 비교예에 따른 배터리 시스템을 교류 전력 소스의 단상으로부터 한개의 인버터와 한개의 배터리로 구성하고, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템을 교류 전력 소스의 단상으로부터 직렬로 다단 연결된 세개의 인버터와 세개의 배터리로 구성하여 스위칭 파형을 비교한 결과, 도 5에 도시된 바와 같이, 비교예는 2레벨 단상 인버터 스위칭 파형을 나타내고 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이, 실시예는 5레벨 단상 인버터 스위칭 파형을 나타내고 있다. 즉, 실시예는 비교예와 대비하여 스위칭 파형이 Sine 파형, 즉 AC 파형과 유사하게 되어 필터 리액터를 줄일 수 있는 것으로 확인되었으며, 이를 가정하여 보면, 10레벨일 경우에는 더욱더 리액터 사이즈를 줄일 수 있는 것으로 확인되었다.Meanwhile, the battery system according to the comparative example is composed of one inverter and one battery from the single phase of the AC power source, and the battery system according to the embodiment of the present invention is three inverters and three connected in series from the single phase of the AC power source. As a result of comparing the switching waveforms with the battery of Fig. 5, as shown in Fig. 5, the comparative example shows the two-level single-phase inverter switching waveform, and as shown in Fig. 6, the embodiment shows the five-level single-phase inverter switching waveform. Indicates. That is, in the embodiment, compared to the comparative example, the switching waveform is similar to the sine waveform, that is, the AC waveform, and it is confirmed that the filter reactor can be reduced.Assuming this, the reactor size can be further reduced in the case of 10 levels. It was confirmed that.

이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템은 배터리의 개수에 따라 위상 변이각을 조절하여 인버터의 리액터 사이즈를 줄여 고전력 밀도화를 구현할 수 있다.Accordingly, the battery system according to the embodiment of the present invention can realize high power density by reducing the reactor size of the inverter by adjusting the phase shift angle according to the number of batteries.

한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments disclosed in the drawings are merely presented specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention can be carried out in addition to the embodiments disclosed herein.

10 : 교류 전력 소스 100 : 배터리 팩
110 : 배터리 120 : 전력 변환부
121 : 인버터 122 : 컨버터
123 : 퓨즈 130 : 릴레이
140 : 제어부 200 : 배터리 시스템10: AC power source 100: battery pack
110: battery 120: power converter
121: inverter 122: converter
123: fuse 130: relay
140: control unit 200: battery system

Claims (9)

교류 전력 소스와 연결되어 서로 직렬로 다단 연결되며, 충방전을 위하여 전력을 변환하여 공급하는 복수의 전력 변환부;
상기 복수의 전력 변화부에 각각 연결되어 전력을 인가받아 충전되거나, 충전된 전력을 공급하는 복수의 배터리;
인접한 전력 변환부의 연결단 사이에 구비되는 복수의 릴레이;
상기 복수의 배터리 중 선택된 배터리에 연결된 전력 변환부 또는 릴레이를 제어하여 상기 선택된 배터리를 바이패스 시키는 제어부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.A plurality of power converters connected to an AC power source and connected in series to each other, and converting and supplying power for charging and discharging;
A plurality of batteries connected to the plurality of power change units, respectively, for receiving power to be charged or supplying charged power;
A plurality of relays provided between connection ends of adjacent power converters;
A controller configured to bypass the selected battery by controlling a power converter or a relay connected to the selected battery among the plurality of batteries;
Battery pack comprising a. 제1항에 있어서,
상기 복수의 전력 변환부는,
상기 교류 전력 소스와 연결되어 서로 직렬로 다단 연결되는 복수의 인버터;
일측이 상기 복수의 인버터와 각각 연결되고, 타측이 상기 복수의 배터리와 각각 연결되는 복수의 양방향 컨버터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.The method of claim 1,
The plurality of power converters,
A plurality of inverters connected to the AC power source and connected in series to each other;
A plurality of bidirectional converters having one side connected to the plurality of inverters and the other side connected to the plurality of batteries, respectively;
Battery pack comprising a. 제2항에 있어서,
상기 복수의 인버터 각각은,
서로 직렬 연결된 제1 및 제2 스위치와, 상기 제1 및 제2 스위치와 병렬 연결된 제3 및 제4 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.The method of claim 2,
Each of the plurality of inverters,
And a first and a second switch connected in series with each other, and a third and a fourth switch connected in parallel with the first and second switches. 제3항에 있어서,
상기 복수의 인버터는,
상기 교류 전력 소스와 연결되고, 전단에 위치하는 인버터의 제3 및 제4 스위치의 연결단과, 후단에 위치하는 인버터의 제1 및 제2 스위치의 연결단이 연결되어 직렬로 서로 다단 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.The method of claim 3,
The plurality of inverters,
A connection terminal of the third and fourth switches of the inverter located at the front end and a connection end of the first and second switches of the inverter located at the rear end of the inverter are connected to the AC power source and connected to each other in series. Battery pack. 제4항에 있어서,
상기 릴레이는,
전단에 위치하는 인버터의 제3 및 제4 스위치의 연결단과, 후단에 위치하는 인버터의 제1 및 제2 스위치의 연결단 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.The method of claim 4, wherein
The relay,
A battery pack, characterized in that it is provided between the connection end of the third and fourth switches of the inverter located in the front end and the connection end of the first and second switches of the inverter located in the rear end. 제5항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 복수의 배터리 중 선택된 배터리에 연결된 인버터에서 제1 및 제3 스위치를 열림 상태로 제어하고, 제2 및 제4 스위치를 닫힘 상태로 제어하여 상기 선택된 배터리를 바이패스 시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.The method of claim 5,
The control unit,
The battery pack, characterized in that for bypassing the selected battery by controlling the first and third switches in the open state and the second and fourth switches in the closed state in the inverter connected to the selected battery of the plurality of batteries. 제5항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 복수의 배터리 중 선택된 배터리에 연결된 릴레이를 닫힘 상태로 제어하여 상기 선택된 배터리를 바이패스 시키는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.The method of claim 5,
The control unit,
And bypassing the selected battery by controlling a relay connected to a selected battery among the plurality of batteries in a closed state. 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 복수의 배터리의 개수에 따라 상기 인버터를 제어하여 위상 변위각을 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.The method of claim 1,
The control unit,
The battery pack, characterized in that for controlling the phase shift angle by controlling the inverter in accordance with the number of the plurality of batteries. 교류 전력 소스;
상기 교류 전력 소스의 각 상에 연결되어 서로 직렬로 다단 연결되며, 충방전을 위하여 전력을 변환하여 공급하는 복수의 전력 변환부, 상기 복수의 전력 변화부에 각각 연결되어 전력을 인가받아 충전되거나, 충전된 전력을 공급하는 복수의 배터리, 인접한 전력 변환부의 연결단 사이에 구비되는 복수의 릴레이, 상기 복수의 배터리 중 선택된 배터리에 연결된 전력 변환부 또는 릴레이를 제어하여 상기 선택된 배터리를 바이패스 시키는 제어부를 포함하는 복수의 배터리 팩;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.AC power source;
Connected to each phase of the AC power source and connected in series to each other, a plurality of power converters converting and supplying power for charging and discharging, respectively connected to the plurality of power changers, and are charged with power; A control unit for bypassing the selected battery by controlling a plurality of batteries for supplying charged power, a plurality of relays provided between connection ends of adjacent power converters, and a power converter or relay connected to a selected battery among the plurality of batteries. A plurality of battery packs including;
Battery system comprising a.
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