KR20190061847A - 배터리 시스템 및 상기 배터리 시스템의 배선 방법 - Google Patents

배터리 시스템 및 상기 배터리 시스템의 배선 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20190061847A
KR20190061847A KR1020170160640A KR20170160640A KR20190061847A KR 20190061847 A KR20190061847 A KR 20190061847A KR 1020170160640 A KR1020170160640 A KR 1020170160640A KR 20170160640 A KR20170160640 A KR 20170160640A KR 20190061847 A KR20190061847 A KR 20190061847A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
battery
stack
stacks
current
series
Prior art date
Application number
KR1020170160640A
Other languages
English (en)
Inventor
이원효
한동화
하달용
김호석
김대식
Original Assignee
롯데케미칼 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 롯데케미칼 주식회사 filed Critical 롯데케미칼 주식회사
Priority to KR1020170160640A priority Critical patent/KR20190061847A/ko
Publication of KR20190061847A publication Critical patent/KR20190061847A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4207—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H01M2/206—
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/258—Modular batteries; Casings provided with means for assembling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/507—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing comprising an arrangement of two or more busbars within a container structure, e.g. busbar modules
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/509—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the type of connection, e.g. mixed connections
    • H01M50/51—Connection only in series
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/502—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing
    • H01M50/509—Interconnectors for connecting terminals of adjacent batteries; Interconnectors for connecting cells outside a battery casing characterised by the type of connection, e.g. mixed connections
    • H01M50/512—Connection only in parallel
    • H02J7/0057—
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0069—Charging or discharging for charge maintenance, battery initiation or rejuvenation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271—Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

배터리 시스템이 제공된다. 이 배터리 시스템은 전기적인 결선을 통하여 병렬 연결된 복수의 배터리 스택을 포함하는 복수의 배터리 모듈, 그리고 상기 복수의 배터리 모듈과 전기적인 결선을 통하여 직렬 연결된 하나의 직류-직류 컨버터를 포함하고, 상기 하나의 직류-직류 컨버터는, 상기 복수의 배터리 모듈 중에서 종단에 위치하는 두개의 배터리 모듈의 양단자 중에서 다른 배터리 모듈과 연결되지 않은 단자들과 각각 직렬 연결된다.

Description

배터리 시스템 및 상기 배터리 시스템의 배선 방법{BATTERY SYSTEM AND ASSEMBLING METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 시스템 및 상기 배터리 시스템의 배선 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 복수의 셀로 구성된 배터리 스택을 복수개 적층한 배터리 모듈들을 포함하는 배터리 시스템에서 배터리 스택 간에 연결하는 기술에 관한 것이다.
대용량 배터리 시스템의 경우, 셀이나 스택 단위의 작은 배터리 유닛을 직렬 또는 병렬로 연결하여 가용한 전력변환장치의 사양 및 사용자측의 부하 특성에 맞게 설계하여 사용한다.
그러나 대용량 레독스 플로우 배터리(Redox flow battery)의 경우, 타 배터리와는 달리 전해액이 흐르는 배관이 존재한다. 이 배관을 통해 충/방전시 인가된 전류 중 일부가 전도성 배관을 통해 흐르는 현상이 발생한다. 이 전류는 배터리의 전극 반응에 이용되지 않고, 스택 간의 전류 불균형을 야기하므로 배터리의 효율을 저하시키는 원인으로 작용하며, 열 손실로 전환되어 배터리의 온도를 높이는 악영향을 일으킨다.
스택을 병렬로 연결할 경우, 모든 스택이 동전위를 유지하여 배관으로 흐르는 전류가 발생하지 않는다. 하지만, 수십 대의 스택을 병렬로 연결하면 도선에 흐르는 전류의 크기가 스택의 수량만큼 증가하여 과전류로 인한 화재의 위험이 커지지고, 더 두꺼운 전선과 버스 바(bus bar)를 사용해야 하므로 시스템 제작시 작업성이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 저전압을 고전압으로 변환시켜야 하므로, 전력변환장치에 가해지는 부하가 커져 효율이 떨어지는 현상이 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 종래에 다양한 배터리 시스템이 개시되어 있다.
도 1은 종래에 배터리 시스템의 구조의 한 예시이다.
도 1을 참조하면, 배터리 시스템(10)은 배관을 공유하지 않는 독립된 모듈(11, 13, 15, 17)의 스택끼리 직렬 배선되어 있다. 그리고 직렬 배선된 스택들은 각각의 직류(DC)/직류(DC) 컨버터(Converter)(19)에 연결되어 있다. 예를들면, 스택11, 스택12, 스택13, 스택14는 직렬 연결되고, DC/DC1(19)에 직렬 연결되며, 각각 서로 다른 모듈(11, 13, 15, 17)에 포함된다. 각 모듈(11, 13, 15, 17) 내 스택들은 서로 같은 배관을 공유한다.
이와 같이, 모듈 내 스택이 복수개 구현되어 있으므로, 모듈 내 스택의 개수만큼 다수의 직류(DC)/직류(DC) 컨버터(19)가 사용된다. 그러므로, 전체 배터리 시스템(10)에서 직류(DC)/직류(DC) 컨버터(19), 즉, 전력변환장치가 차지하는 비용이 증가한다. 또한, 다수의 직류(DC)/직류(DC) 컨버터로 인해 전력 시스템의 제어 체계가 더욱 복잡해져 대용량 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS) 구성이 불리해지는 단점이 발생한다.
도 2는 종래에 배터리 시스템의 구조의 다른 예시이다.
도 2를 참조하면, 배터리 시스템(20)은 각 모듈(21, 23, 25, 27) 별로 배관을 공유하지 않는 스택 여러 대를 서로 직렬 연결하여 전압을 높이고, 각각의 직렬 연결된 라인들을 종단에서 병렬 연결하여 한대의 DC/DC 컨버터(29)에 연결한다. 이때, DC/DC 컨버터(29)에 연결되는 것으로 도시하였으나, 하나의 교류(AC)/직류(DC) 인버터(Inverter)에 연결될 수도 있다. 예를들면, 스택11, 스택12, 스택13, 스택14는 서로 다른 모듈(21, 23, 25, 27) 내 포함되고, 직렬 연결된 후, 종단에서 DC/DC 컨버터(29)와 병렬 연결된다.
그러나, 이러한 결선 방식은 시스템 단순화 및 가격 절감 측면에서는 효과가 있지만, 각각의 스택에 인가되는 전류의 출처가 모두 동일한 전류원이기 때문에 같은 모듈 내에서 서로 다른 직렬 라인으로 배선된 스택 간에 전압 차이가 발생할 경우, 배관으로 전류가 흐르게 되어 효율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 방전시 스택 중 일부에 문제가 발생하여 내부저항이 높아질 경우, 해당 스택이 속한 직렬 라인 전체의 임피던스가 높아져 낮은 전류가 흐르며, 다른 직렬 라인에는 이를 보상하기 위해 더 높은 전류가 흐르므로, 결국 배터리 시스템의 전체적인 전류가 불균형해진다.
또한, 해당 스택은 직렬 연결된 타 스택과 동일한 전류를 유지하기 위해 전압이 급격히 낮아지므로, 전체 배터리 시스템의 전압도 급격히 낮아져 조기에 방전이 종료되어 배터리를 효율적으로 사용할 수 없는 문제점이 발생한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전위차로 인해 배관으로 흐르는 전류를 차단하고, 모든 배터리 스택에 균일한 전류가 흐르도록 하는 배터리 시스템의 스택 결선방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 배터리 시스템은 전기적인 결선을 통하여 병렬 연결된 복수의 배터리 스택을 포함하는 복수의 배터리 모듈, 그리고 상기 복수의 배터리 모듈과 전기적인 결선을 통하여 직렬 연결된 하나의 직류-직류 컨버터를 포함하고, 상기 복수의 배터리 모듈 간에는, 전기적인 결선을 통하여 서로 직렬 연결된다.
상기 하나의 직류-직류 컨버터는, 상기 복수의 배터리 모듈 중에서 종단에 위치하는 두개의 배터리 모듈의 양단자 중에서 다른 배터리 모듈과 연결되지 않은 단자들과 각각 직렬 연결될 수 있다.
상기 복수의 배터리 모듈은, 물리적으로 접촉되어 전해액을 공유하는 상기 복수의 배터리 스택을 각각 포함할 수 있다.
상기 복수의 배터리 모듈은, 각각의 배터리 스택의 양극 단자들 및 음극 단자들과 전기적인 결선을 통하여 각각 병렬 연결되는 두개의 버스 바(Bus Bar)를 포함할 수 있다.
서로 다른 배터리 모듈 내 포함된 두개의 버스 바는, 전기적인 결선을 통하여 직렬 연결될 수 있다.
상기 종단에 위치하는 두개의 배터리 모듈에 각각 포함되고, 다른 배터리 모듈과 직렬 연결되지 않은 두개의 버스 바는, 상기 직류-직류 컨버터의 양단자와 각각 직렬 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 같은 배터리 모듈 내에서 모든 배터리 스택 들이 동전위를 유지하므로 전류가 배관을 통해 흐르지 않고, 모든 배터리 스택에 균등한 전류 공급이 가능하며, 이로인해 배관으로 흐르는 전류로 인한 발열이 발생하지 않는다.
또한, 배터리 모듈 간에 직렬 배선을 하므로 전력변환장치에 인가되는 전압이 높아져 전력변환 손실을 최소화할 수 있으며, 이로 인해 전력변환장치에서 발생되는 발열량이 줄어들어 온도관리가 용이해진다.
또한, 특정 배터리 스택의 내부저항이 높아져도 병렬 연결된 배터리 스택에서 전류를 보상하기 때문에 직렬 연결된 타 모듈 스택과 유사한 전압을 유지하면서도 해당 배터리 스택은 낮은 전류로 방전을 하게 된다. 이러한 효과로 인해 급격한 전압 강하 현상이 발생하지 않아 조기에 방전이 종료되지 않고 배터리 스택에 남아있는 모든 에너지를 끝까지 방전할 수 있게 된다.
도 1은 종래에 배터리 시스템의 구조의 한 예시이다.
도 2는 종래에 배터리 시스템의 구조의 다른 예시이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 시스템의 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 시스템의 구체적인 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 적용된 배터리 스택의 내부 시뮬레이션 회로를 도시한다.
도 6은 본 발명의 비교예에 따른 배터리 시스템의 시뮬레이션 회로를 도시한다.
도 7은 도 6의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 비교예에 따른 배터리 시스템의 시뮬레이션 회로를 도시한다.
도 9는 도 8의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 9의 시뮬레이션 결과를 수치화한 표이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 비교예에 따른 배터리 시스템의 시뮬레이션 회로를 도시한다.
도 12는 도 11의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 도 12의 시뮬레이션 결과를 수치화한 표의 한 예시이다.
도 14는 도 12의 시뮬레이션 결과를 수치화한 표의 다른 예시이다.
도 15는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 시스템의 시뮬레이션 회로를 도시한다.
도 16은 도 15의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 17은 도 16의 시뮬레이션 결과를 수치화한 표의 한 예시이다.
도 18은 도 16의 시뮬레이션 결과를 수치화한 표의 다른 예시이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서에서, 다음과 같이 용어를 정의한다.
하나의 배터리 스택(Battery Stack)은 복수개의 배터리 셀(Battery Cell)이 전기적으로 직렬 연결되거나 또는 병렬 연결되어 있다. 예를들면, 하나의 배터리 스택은 전기적으로 직렬 연결된 60개의 배터리 셀로 구성될 수 있다.
배터리 스택은 화학흐름전지 스택을 포함할 수 있다. 배터리 스택은 레독스흐름전지(redox flow battery) 스택을 포함할 수 있다. 이때, 배터리 스택은 레독스 흐름 전지의 한 예시로서, 징크(Zinc)-브로민(Bromine) 흐름전지를 포함할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니며, 다양한 레독스 흐름전지가 사용될 수 있음은 당업자에게 선택적인 사항이다.
하나의 배터리 모듈(Battery Module)은 복수개의 배터리 스택이 물리적으로 조립된 구조 또는 적층된 구조로 이루어진다. 예를들면, 하나의 배터리 모듈은 복수개의 배터리 스택이 좌우 방향으로 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 하나의 배터리 모듈 내 포함되는 복수개의 배터리 스택은 동일한 배관을 공유한다. 배관은 전해액이 흐르는 경로이다.
이제, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템 및 상기 배터리 시스템의 배선 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 시스템의 구조를 도시한다.
도 3을 참조하면, 배터리 시스템(100)은 X개의 배터리 스택(101)을 포함하는 Y개의 배터리 모듈(103, 105, 107)을 포함한다.
제1 배터리 모듈(103)은 스택11, 스택21, 스택31, … 스택X1을 포함한다. 제2 배터리 모듈(105)은 스택12, 스택12, 스택32, … 스택X2를 포함한다. 제Y 배터리 모듈(107)은 스택1Y, 스택2Y, 스택3Y, … 스택XY를 포함한다.
스택11, 스택21, 스택31, … 스택X1의 (-) 단자들은 병렬 연결되고, 이러한 병렬 연결 라인은 스택12, 스택12, 스택32, … 스택X2의 (+) 단자들이 병렬 연결된 병렬 연결 라인과 직렬 연결된다.
스택11, 스택21, 스택31, … 스택X1의 (+) 단자들은 병렬 연결되고, 이러한병렬 연결 라인은 DC/DC 컨버터(109)의 (+) 단자와 직렬 연결된다.
스택1Y, 스택2Y, 스택3Y, … 스택XY의 (-) 단자들은 병렬 연결되고, 이러한 병렬 연결 라인은 DC/DC 컨버터(109)의 (-) 단자와 직렬 연결된다.
이와 같이, 전해액 통로를 공유하는 동일 배터리 모듈(103, 105, 107)내 모든 스택들(101)들은 병렬 연결되고, 이러한 병렬 연결 라인은 다른 배터리 모듈(103, 105, 107)내 모든 스택들(101)들의 병렬 연결 라인과 직렬 연결된다.
이러한 배터리 시스템(100)의 배선 구조에 대해 구체적으로 설명하면, 도 4와 같다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 시스템의 구체적인 예시도이다.
도 4를 참조하면, 배터리 시스템(100')은 3개의 배터리 모듈(111, 113, 115) 및 하나의 DC/DC 컨버터(109)를 포함한다.
여기서, 하나의 DC/DC 컨버터(109)는 3개의 배터리 모듈(111, 113, 115)의 충방전시 전압을 변환하는 기능을 수행한다.
충전시, DC/DC 컨버터(109)는 외부 전압을 변환하여 3개의 배터리 모듈(111, 113, 115)로 제공하여, 배터리 모듈내 배터리 스택들을 충전시킨다.
방전시, DC/DC 컨버터(109)는 3개의 배터리 모듈(111, 113, 115)이 출력하는 전압을 다른 전압으로 변환하여, 외부로 출력한다.
배터리 모듈1(111)은 스택11, 스택21, 스택31, 버스 바(Bus Bar)1(+), 버스 바1(-)을 포함한다.
배터리 모듈2(113)은 스택12, 스택22, 스택32, 버스 바2(+), 버스 바2(-)을 포함한다.
배터리 모듈3(115)은 스택13, 스택23, 스택33, 버스 바3(+), 버스 바3(-)을 포함한다.
스택11의 (-) 단자, 스택21의 (-) 단자, 스택31의 (-)단자는 버스 바1(-)과 병렬 연결되고, 버스 바1(-)은 DC/DC 컨버터(109)의 (-) 단자에 직렬 연결된다.
스택11의 (+) 단자, 스택21의 (+) 단자, 스택31의 (+)단자는 버스 바1(+)과 병렬 연결되고, 버스 바1(+)은 버스 바2(-)에 직렬 연결된다.
버스 바2(-)는 스택12의 (-) 단자, 스택22의 (-) 단자, 스택32의 (-)단자와 병렬 연결된다. 스택12의 (+) 단자, 스택22의 (+) 단자, 스택32의 (+)단자는 버스 바2(+)와 병렬 연결된다.
버스 바2(+)는 버스 바3(-)와 직렬 연결된다. 버스 바3(-)는 스택13의 (-) 단자, 스택23의 (-) 단자, 스택33의 (-)단자와 병렬 연결된다.
스택13의 (+) 단자, 스택23의 (+) 단자, 스택33의 (+)단자는 버스 바3(+)와 병렬 연결된다. 버스 바3(+)는 DC/DC 컨버터(109)의 (+) 단자에 직렬 연결된다.
이처럼, 전해액을 공유하는 동일한 배터리 모듈(111, 113, 115) 내 모든 배터리 스택(101)은 각 배터리 모듈(111, 113, 115)의 버스 바(117)에 병렬 연결되고, 각 배터리 모듈(111, 113, 115)의 버스 바(117)간에 그리고 버스 바(117)와 DC/DC 컨버터(109)는 서로 직렬 연결된다.
이와 같은 배선 구조에 따르면, 전해액의 통로인 배관으로 흐르는 전류 차단 및 시스템 발열량 감소의 효과를 제공한다. 같은 배터리 모듈(111, 113, 115) 내에서 모든 배터리 스택들(101)이 동전위를 유지하므로 전류가 배관을 통해 흐르지 않고, 모든 배터리 스택(101)에 균등한 전류 공급이 가능하다. 또한, 배터리 모듈(111, 113, 115) 간에 직렬 배선을 하므로, DC/DC 컨버터(109), 즉, 전력변환장치에 인가되는 전압이 높아져 전력변환 손실을 최소화할 수 있다. 이로 인해 배터리 모듈(111, 113, 115) 및 전력변환장치에서 발생되는 발열량이 줄어들어 온도관리가 용이해진다.
또한, 본 발명의 배선 구조에 따르면, 자가 밸런싱(Self-balancing) 유지 및 효율적인 스택 충/방전이 가능하다. 배터리 스택(101)을 직렬 연결하여 방전할 경우, 내부저항이 높은 배터리 스택(101)이 존재하면 직렬 라인으로 흐르는 전류량을 유지하기 위해 해당 배터리 스택 전압이 급격히 저하되어 라인의 합산 전압이 조기에 방전 종료조건에 도달하며, 이에 따라 DC/DC 컨버터(109)에서 정상 배터리 스택(101)의 방전이 끝나지 않았음에도 불구하고, 라인의 합산전압을 측정하여 방전을종료시키는 현상이 발생한다. 하지만, 본 발명의 배선 구조로 결선할 경우, 특정 배터리 스택(101)의 내부저항이 높아져도 병렬 연결된 배터리 스택(101)에서 전류를 보상하므로 직렬 연결된 타 배터리 모듈(111, 113, 115)의 배터리 스택(101)과 유사한 전압을 유지하면서 해당 배터리 스택(101)은 낮은 전류로 방전을 하게 된다. 이로 인해 급격한 전압 강하 현상이 발생하지 않아 조기에 방전이 종료되지 않고 스택에 남아있는 모든 에너지를 끝까지 방전할 수 있다.
이상 기술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 전위차로 인해 배관으로 흐르는 전류를 차단하고, 배터리 스택 간에 균일한 전류가 흐르도록 배선 방법을 설계하였다. 그리고 PSIM(Powersim) 프로그램을 이용한 시뮬레이션을 통해 본 발명의 배선 방법의 효과를 입증하였으며, 이에 대한 실험 결과를 설명하면, 다음과 같다.
본 발명의 실시예는, 복수개의 배터리 스택을 1대의 DC/DC 컨버터로 제어했을 때 인가된 전류 중 일부가 전해액 배관으로 분기되어 배터리 스택 전류 불균형을 일으키거나, 복수개의 배터리 스택 중 일부의 내부 저항이 높아졌을 때(또는 성능이 저하되었을 때) 배터리 스택 간에 전류 균형이 무너지는 현상을 방지하기 위한 것이다. 각종 상황에 대한 실험을 PSIM(Powersim)을 이용한 시뮬레이션을 이용하여 검증 하였다.
시뮬레이션시 배터리 스택 내부 회로를 도 5와 같이 구성하였다. 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 스택의 내부 시뮬레이션 회로를 도시한다.
도 5를 참조하면, 배터리 스택은 총 60셀(cell)로 이루어져 있다. 각각의 셀은 유로의 관경 및 길이, 전해액 전도도, 배터리 특성을 고려하여 기전력(1.8V), 내부저항(0.006Ω), 애노드(Anode) 유로 저항(13,000Ω 상, 하), 캐소드(Cathode) 유로 저항(14,000Ω 상, 하), 음극액 매니폴드(Catholyte manifold)(통로) 저항(1Ω 상, 하), 양극액 매니폴드(Anolyte manifold)(통로) 저항(1Ω 상, 하), 막혀있는 전해액 통로(10MΩ), 배터리 스택과 병렬로 연결된 양극액(Anolyte) 전해액 배관 저항(147Ω 좌, 우), 배터리 스택과 병렬로 연결된 음극액(Catholyte) 전해액 배관 저항(156Ω 좌, 우), 양극액(Anolyte) 전체 배관 저항(600Ω), 음극액(Catholyte) 전체 배관 저항(800Ω)으로 구성하였다.
또한, 모든 실험에서 배터리 스택 내부 전류의 기준은 배터리 스택 중앙부 (30번째 셀) 내부에 흐르는 전류를 기준으로 하였다.
이제, 시뮬레이션에 따른 다양한 실험 결과에 대해 세가지 비교예로 구분하여 설명한다.
(비교예1)
도 6은 비교예1에 따른 배터리 시스템의 시뮬레이션 회로를 도시하고, 도 7은 도 6의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 1대의 배터리 스택으로 구성된 1대의 배터리 모듈을 1대의 DC/DC 컨버터로 제어하는 경우를 나타낸다. 즉, 이상적인 배터리 스택 내부 전류의 예시도이다.
1대의 스택으로 구성된 배터리 모듈의 경우, 전해액 통로를 통해 다른 배터리 스택으로 전류가 새어나가는 션트 전류(shunt current)가 발생하지 않으므로, 배터리 스택에 이상적인 전류가 흐른다. 단, 배터리 스택 내부에서 단위 셀 간에 발생하는 션트 전류(shunt current)는 여전히 존재하며, 이는 셀 내부의 유로 디자인에 의한 것이므로, 해당 실험에서는 스택 고유의 성질로 간주한다.
도 6과 같이 회로 구성 후, 도 7과 같이 시뮬레이션 결과를 통해 컨버터에서 20A를 인가했을 때 배터리 스택 내부에 19.75A가 흐르는 것을 확인하였으며, 이를 수치화하면, 다음 표 1과 같다.
M.1 S.11
전류 (A) 19.75
따라서, 배터리 스택 내부에서 발생하는 셀 간의 션트 전류(shunt current)는 0.25A이며, 이상적인 조건에서 20A를 인가했을 때 스낵 내부 전류는 19.75A인 것을 확인하였다.
(비교예2)
도 8은 비교예2에 따른 배터리 시스템의 시뮬레이션 회로를 도시하고, 도 9는 도 8의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이며, 도 10은 도 9의 시뮬레이션 결과를 수치화한 표이다.
도 8을 참조하면, 10대의 배터리 스택으로 구성된 4대의 배터리 모듈을 10대의 DC/DC 컨버터로 제어하는 경우를 나타낸다. 4 직렬×10EA의 이상적인 시스템 구성의 예시이다. 이처럼, 10대의 배터리 스택으로 구성된 4대의 배터리 모듈을 10대의 DC/DC 컨버터로 제어할 경우, 배터리 모듈 간에 같은 위치의 배터리 스택을 직렬 연결하여 각 스트링(string)을 개별 컨버터로 제어할 수 있다. 그러므로 전해액 흐름과 전기적 배선이 서로 분리되어 스택 간에 션트 전류(shunt current)가 발생하지 않는다. 시뮬레이션 결과 각각의 컨버터에 20A를 인가했을 때 도 10과 같이 40대의 스택 모두 19.75A가 흘러 도 9와 같이 그래프가 1개의 직선으로 합쳐지는 것을 확인하였다.
(비교예3)
도 11은 비교예3에 따른 배터리 시스템의 시뮬레이션 회로를 도시하고, 도 12는 도 11의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이며, 도 13은 도 12의 시뮬레이션 결과를 수치화한 표의 한 예시이고, 도 14는 도 12의 시뮬레이션 결과를 수치화한 표의 다른 예시이다.
도 11을 참조하면, 10대의 배터리 스택으로 구성된 4대의 배터리 모듈을 1대의 DC/DC 컨버터로 제어하는 경우를 나타낸다. 10대의 배터리 스택으로 구성된 4대의 배터리 모듈을 1대의 DC/DC 컨버터로 제어하는 경우, 도 8과 유사하게 구성하되 종단을 병렬 연결하여 1대의 컨버터로 제어한다. 이 경우, 시뮬레이션 결과 DC/DC 컨버터에 200A 인가시(20A×10병렬) 각각의 배터리 스택 내부에 도 12 및 13과 같이 19.67~19.83A의 전류가 흐르는 것이 확인되었다. 이 결과에 따르면, 배터리 스택 결선시 전해액 통로로 미량의 전류가 흘러 각각의 스택에 균일한 전류를 공급하지 못함을 의미한다.
도 11에서 S.32 스택(모듈.2의 왼쪽에서 3번째 스택)의 내부저항이 2배로 증가, 즉, 특정 스택의 성능저하가 있을 경우, 타 모듈의 스택과 직렬 연결된 4개의 스택 모두 전류가 16.08~16.13A로 감소하였으며, 이를 제외한 36개의 스택이 20.07~20.23A 범위로 전류가 증가함을 도 14를 통해 확인할 수 있다.
따라서, 해당 배선 체계에서는 특정 스택의 내부저항 증가시 전류 측정만으로는 문제 스택을 선별할 수 없으며, 문제가 있는 스택 뿐만 아니라 정상 스택 39대 모두 이상적이지 않은 전류가 인가되므로, 전체시스템을 효과적으로 제어할 수 없게 된다.
(실시예)
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템의 시뮬레이션 회로를 도시하고, 도 16은 도 15의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이며, 도 17은 도 16의 시뮬레이션 결과를 수치화한 표의 한 예시이고, 도 18은 도 16의 시뮬레이션 결과를 수치화한 표의 다른 예시이다.
도 15를 참조하면, 10대의 배터리 스택으로 구성된 4대의 배터리 모듈을 1대의 DC/DC 컨버터로 제어하는 경우를 나타낸다. 배터리 모듈 내 모든 배터리 스택들을 병렬 연결하고, 각 배터리 모듈 간에는 직렬 연결하여 1대의 DC/DC 컨버터로 제어하였다.
시뮬레이션 결과, 도 16 및 도 17을 통해 DC/DC 컨버터에 200A 인가시(20A×10병렬) 40대의 배터리 스택 모두 이상적인 19.75A의 전류가 흐르는 것을 확인하였다.
도 18을 참조하면, S.32 스택(모듈.2의 왼쪽에서 3번째 스택)의 내부저항이 2배로 증가, 즉, 특정 스택의 성능저하일 경우 해당 배선체계에서는 내부저항이 증가한 스택의 전류만 10.35A로 감소하였다. 동일 배터리 모듈 내 병렬 연결된 9대의 배터리 스택은 전류가 20.79A로 증가하여 문제가 발생한 배터리 스택의 전류 감소분을 보충하였다. 내부저항이 증가한 배터리 스택이 포함되지 않은 타 배터리 모듈의 배터리 스택 30대에는 이상적인 배터리 스택 전류인 19.75A가 유지되어, 특정 배터리 스택의 내부저항 상승이 타 배터리 모듈에는 전혀 영향을 미치지 않음을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 배선 체계에서는 특정 배터리 스택의 성능이 저하되었을 경우 전류를 측정하여 문제 스택을 쉽게 선별할 수 있다. 또한, 배터리 모듈 단위로 전류 밸런싱이 이루어지므로 배터리 스택 성능을 배터리 모듈 단위로 관리할 수 있어 유지/보수 측면에서 용이하다.
이상의 시뮬레이션 결과에 따르면, 1대의 DC/DC 컨버터로 다수의 배터리 스택을 션트 전류(shunt current) 없이 균일한 전류를 공급할 수 있다.
또한, 여러 대의 DC/DC 컨버터를 사용하였을 경우와 비교해 경제적인 시스템 구성이 가능하다.
또한, 특정 배터리 스택에 문제가 발생하였을 경우, 배터리 모듈 단위로 자기-밸런싱(self-balancing)을 유지하여 유지 및/또는 보수가 용이하다.
또한, 배터리 모듈 간 직렬 연결을 통해 배터리 스택 전체를 병렬 연결할 때보다 낮은 전류로 운영이 가능하며, 배터리 전압이 높게 형성되어 배터리와 외부 직류-링크(DC-Link) 간의 전력변환 손실을 최소화할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
본 명세서의 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서에서 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절한 부결합(subcombination)에서 구현될 수 있다.

Claims (6)

  1. 전기적인 결선을 통하여 병렬 연결된 복수의 배터리 스택을 포함하는 복수의 배터리 모듈, 그리고
    상기 복수의 배터리 모듈과 전기적인 결선을 통하여 직렬 연결된 하나의 직류-직류 컨버터를 포함하고,
    상기 복수의 배터리 모듈 간에는,
    전기적인 결선을 통하여 서로 직렬 연결되는, 배터리 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 하나의 직류-직류 컨버터는,
    상기 복수의 배터리 모듈 중에서 종단에 위치하는 두개의 배터리 모듈의 양단자 중에서 다른 배터리 모듈과 연결되지 않은 단자들과 각각 직렬 연결되는, 배터리 시스템.
  3. 제1항에서,
    상기 복수의 배터리 모듈은,
    물리적으로 접촉되어 전해액을 공유하는 상기 복수의 배터리 스택을 각각 포함하는, 배터리 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 복수의 배터리 모듈은,
    각각의 배터리 스택의 양극 단자들 및 음극 단자들과 전기적인 결선을 통하여 각각 병렬 연결되는 두개의 버스 바(Bus Bar)를 포함하는, 배터리 시스템.
  5. 제4항에서,
    서로 다른 배터리 모듈 내 포함된 두개의 버스 바는,
    전기적인 결선을 통하여 직렬 연결되는, 배터리 시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 종단에 위치하는 두개의 배터리 모듈에 각각 포함되고, 다른 배터리 모듈과 직렬 연결되지 않은 두개의 버스 바는,
    상기 직류-직류 컨버터의 양단자와 각각 직렬 연결되는, 배터리 시스템.
KR1020170160640A 2017-11-28 2017-11-28 배터리 시스템 및 상기 배터리 시스템의 배선 방법 KR20190061847A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170160640A KR20190061847A (ko) 2017-11-28 2017-11-28 배터리 시스템 및 상기 배터리 시스템의 배선 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170160640A KR20190061847A (ko) 2017-11-28 2017-11-28 배터리 시스템 및 상기 배터리 시스템의 배선 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20190061847A true KR20190061847A (ko) 2019-06-05

Family

ID=66845012

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170160640A KR20190061847A (ko) 2017-11-28 2017-11-28 배터리 시스템 및 상기 배터리 시스템의 배선 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20190061847A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4128472B1 (de) * 2020-03-24 2023-11-22 Voith Patent GmbH Redox-flow-batterie-system und betriebsverfahren

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4128472B1 (de) * 2020-03-24 2023-11-22 Voith Patent GmbH Redox-flow-batterie-system und betriebsverfahren

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1551074B1 (en) Method for operating redox flow battery and redox flow battery cell stack
JP5624120B2 (ja) 電池システムおよび動作方法
US9160191B2 (en) Battery pack and method for minimizing cell voltage deviations
CN102077454B (zh) 电池能量源装置和电压源转换器系统
CN108233421B (zh) 光伏发电系统和光伏输电方法
US11329484B2 (en) Electric energy supply device comprising a plurality of usage units which are connected in order to form strands, and method for operating such an energy supply device
KR20150013302A (ko) 배터리의 충전 밸런싱
CN110999007B (zh) 具有汇流排矩阵的电气供能设备及其运行方法
JP2017537586A (ja) 燃料電池及び電池
CN116073493B (zh) 电力控制方法、电力储能系统、装置、设备和存储介质
CN112993418B (zh) 储能系统
KR20190061847A (ko) 배터리 시스템 및 상기 배터리 시스템의 배선 방법
CN110635148A (zh) 液流电池
WO2019074018A1 (ja) 直流給電システム
KR102308220B1 (ko) Soc 밸런싱 장치를 포함한 고전압형 레독스 흐름전지
CN113595221A (zh) 一种复合电源模块及复合电源均衡系统
CN107910919B (zh) 一种锂电池组均衡结构和方法
JP2017531298A (ja) 燃料電池アセンブリ
JP7427051B2 (ja) 電池バランス回路及びその動作方法
CN219477630U (zh) 一种电池系统及储能系统
KR20180071975A (ko) 강화된 하이브리드 전력 시스템들을 위한 연료 전지 스택
TWI792793B (zh) 電池平衡電路及其操作方法
CN214755581U (zh) 一种使用开关矩阵的大电流电池被动均衡电路
JP2017139853A (ja) 蓄電型充電装置
CN115021355A (zh) 多电池单元的储能系统