KR20200015144A - 배터리 분산 배치에 의한 에너지 저장 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 저압의 배터리들을 서로 직렬로 연결하거나 분리할 수 있어 넓은 입력 범위에서 충방전이 가능하고, 충전시에는 SOC(State-of-charge)가 적은 배터리을 직렬로 연결하여 과충전 보호를 수행하고, 방전시에는 적어도 하나의 배터리를 분리하여 SOC가 큰 배터리들의 전원을 방전하게 하여 별도의 밸런싱 회로없이 SOC 밸런싱을 수행할 수 있는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.

Description

배터리 분산 배치에 의한 에너지 저장 시스템{Energy storage system having distributed batteries}

본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 저압의 배터리들을 서로 직렬로 연결하거나 분리할 수 있어 넓은 입력 범위에서 충방전이 가능하고, 충전시에는 SOC(State-of-charge)가 적은 배터리을 직렬로 연결하여 과충전 보호를 수행하고, 방전시에는 적어도 하나의 배터리를 분리하여 SOC가 큰 배터리들의 전원을 방전하게 하여 별도의 밸런싱 회로없이 SOC 밸런싱을 수행할 수 있는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.

최근 화석연료 사용 자제 및 미세먼지 대책 등으로 에너지의 효율적 사용에 대한 에너지 전환 패러다임이 변하고 있다.

에너지 전환 패러다임에 부응하기 위해 태양광, 풍력 등 대용량 신재생 에너지 발전에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나 신재생 에너지원은 날씨 등 환경조건에 영향이 커 발전의 불규칙성으로 인하여 기존 계통 안정성에 악영향을 미치고 있다.

이를 해결하기 위해 에너지 시간 이동이 가능한 에너지 저장 시스템(ESS:Energy storage system)을 적용하여 발전의 안정성을 확보하려는 시도가 이루어지고 있다.

이미 수십 MW급 에너지 저장 시스템 운용기술을 적용하여 유효전력을 제어함으로써 전력계통 주파수 조정용으로 사용하고 있으며, 무효전력을 제어함으로써 전력계통 전압 조정용으로 사용하고 있다.

또한, 에너지 이용 효율 향상을 위해 기존 AC 전력전송에서 DC 전력 전송에 대한 연구가 활발하며, 특히, 발전소 생산 전력을 원거리나 인구 밀집지역에 지중선로를 통하여 안정적으로 공급하기 위한 직류 송배전 기술인 HVDC, MVDC, LVDC에 대한 연구가 이루어지고 있다.

특히, 도심지 지역이 디지털 부하로 구성됨에 따라 직류전원 수요가 확대되고 고품질 전력공급의 중요성이 부각되면서 대용량 에너지 저장 시스템과 연계하여 전력 품질을 향상시키려는 연구가 활발하다.

에너지 저장 시스템은 배터리의 직렬 개수에 의해 정격 전압이 결정되고, 병렬 개수에 의해 정격용량이 결정되며 이는 하나의 배터리 군으로 운용된다.

이러한 시스템에서 고압화를 위한 많은 수의 직렬회로는 BMS(Battery Management System)의 측면에서 어려움이 있으며, 병렬 운전 모듈은 하나의 병렬운전 모듈 고장 시 전체 시스템이 가동 중지되는 문제를 안고 있다.

한편, 높은 공칭전압을 갖는 배터리 저장 시스템에서 배터리의 직렬연결은 필수적이며 직렬로 연결된 배터리는 동일한 용량을 갖는 경우 에너지 저장 장치로 그 효과를 발휘한다.

그러나 시간이 지나며 개별적인 배터리 화학물의 미소 변동, 초기 충전량의 차이, 방전률 및 방전 사이클의 차이, 온도의 영향 등에 따라 각기 다른 성능으로 저하된다.

도 1은 배터리 특성변화에 따른 수명 및 동작시간을 설명하기 위한 것으로 도 1의 (a)와 같이 배터리는 초기에 용량이 서로 동일하나 시간이 지남에 따라 (b)와 같이 배터리 용량이 줄어든 약한 배터리 모듈(Weakest cell)이 존재하게 되며 이 모듈은 실질적으로 전체 배터리의 동작 시간을 제한하게 되어 수명에 지배적 영향을 끼친다.

즉, 충전할 때는 (c)와 같이 용량이 가장 작은 배터리가 용량이 상대적으로 큰 베터리(Stronger cell)보다 먼저 완전 충전 전압에 도달하므로, 용량이 큰 베터리의 용량을 다 충전하지 못하게 된다.

특히, 용량이 큰 배터리들에 완전 충전을 하기 위해서 충전을 지속하는 경우 용량이 작은 배터리가 과충전되어 폭발의 위험이 발생한다.

따라서 이러한 위험을 방지하기 위해 BMS는 용량이 큰 배터리가 완전 충전되지 못한 상태라도 용량이 가장 작은 배터리가 완전 충전 전압에 도달하면 충전을 종료하게 된다.

이때, 완전 충전 되지 않은 용량이 큰 배터리들은 배터리 밸렌싱에 의해 충전이 보상된다.

또한, 방전의 경우에는 (d)와 같이 용량이 가장 작은 배터리의 용량이 용량이 큰 배터리들보다 먼저 종지(Cut-off) 전압에 도달하게 되고 이때, 방전 동작은 정지된다.

만약, 용량이 큰 배터리들이 종지 전압에 도달할 때까지 방전하게 될 경우 용량이 적은 배터리는 종지 전압을 넘어 완전방전에 이르게 되고, 이 경우 용량이 적은 배터리는 더 이상 사용할 수 없고 전체적인 시스템에 적정 전압을 공급하는 것이 불가하게 되어 배터리의 고장 및 교체를 야기하게 된다.

따라서, BMS는 용량이 가장 적은 배터리의 종지 전압을 기준으로 전체 배터리의 방전 동작을 정지하게 된다.

또한, 배터리 모듈들 간의 전압 불균형은 동작시간 감소를 야기하고 이러한 동작시간 감소는 충방전 횟수를 증가시켜 전체적으로 배터리의 수명을 저하시키게 된다.

도 2는 일반적인 배터리 저장 시스템을 보여주는 것으로, 도 2를 참조하면 일반적인 배터리 저장 시스템(10)은 복수의 배터리(11)들이 직렬로 연결되고 배터리들(11)의 전압은 출력 커패시터(13)를 통해 출력된다.

이러한 종래의 배터리 저장 시스템(10)은 배터리(11)들의 직렬 개수에 의해 정격전압이 결정되므로 고압화를 위해서는 많은 개수의 배터리들이 직결되어야 한다.

이 경우, 배터리 전류 차단을 위한 스위치 소자(12)는 배터리 저장 시스템의 최대 전압보다 높은 내압을 가져야 하는데 스위칭 소자의 내압한계로 고압화에 한계가 존재하는 실정이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 복수 개의 저압용 배터리를 서로 직렬로 연결하거나 선택적으로 분리하여 넓은 입력 범위에서 충방전이 가능한 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 적어도 하나의 배터리를 분리할 수 있어 배터리의 SOC 추정이 용이하고 이를 통해 직렬로 연결된 배터리 군의 SOC 밸런싱 제어가 가능한 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 서로 직렬로 연결되는 복수 개의 배터리모듈; 상기 배터리모듈 전체와 병렬로 연결되거나 부분적으로 병렬로 연결되어 연결된 배터리 모듈들의 개수에 따라 서로 다른 레벨 전압을 출력하는 커패시터; 및 상기 배터리모듈들과 상기 커패시터 사이에 연결되고, 상기 배터리모듈들의 전압을 상기 커패시터로 출력되게 하는 인덕터;를 포함하고, 상기 각 배터리모듈;은 배터리; 일단은 상기 배터리에 일단에 연결되고 타단은 상기 커패시터에 연결되는 제1 스위치; 및 일단은 상기 제1 스위치의 타단에 연결되고 타단은 상기 배터리의 타단에 연결되는 제2 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 스위치가 '온'된 배터리들은 서로 직렬로 연결되어 상기 인덕터를 통해 상기 커패시터로 전압을 출력하고, 상기 제2 스위치가 '온'된 배터리들은 상기 제1 스위치가 '온'된 배터리에서 분리되어 전압을 출력하지 않는다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 배터리모듈들의 배터리를 충전할 때는, 용량이 가장 작은 배터리가 다른 배터리들과 연결되게 하여 과충전을 방지하고, 상기 배터리모듈들의 배터리를 방전할 때는, 용량이 가장 작은 배터리가 다른 배터리들과 차단되게 하여 용량이 가장 작은 배터리의 용량 이상을 다른 배터리들에서 방전할 수 있게 하여 SOC 밸런싱을 수행한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에 의하면 고압의 대용량 에너지 저장 시스템을 구현할 수 있으며 다중 레벨 출력이 가능하여 넓은 범위의 단자 전압에서 충방전이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에 의하면, 원하는 배터리 모듈을 자유롭게 직렬로 연결하거나 분리할 수 있어 핫스왑이 가능하므로 배터리 모듈의 교체 및 유지보수를 용이하게 수행할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에 의하면, 최소한 한 개 이상의 배터리 모듈을 분리하는 구조로 스위칭이 이루어지므로 배터리의 SOC 추정이 용이하여 추가적인 벨런싱 회로 없이도 SOC 밸런싱을 수행할 수 있는 정점이 있다.

도 1은 배터리 특성변화에 따른 수명 및 동작시간을 설명하기 위한 도면,
도 2는 일반적인 배터리 저장 시스템을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 저장 시스템을 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 저장 시스템에서 각 배터리모듈을 연결하거나 분리할 때의 등가회로를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 저장 시스템의 출력특성을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 저장 시스템의 시뮬레이션 회로도,
도 7은 도 6의 시뮬레이션 회로도의 시뮬레이션 결과,
도 8은 도 6의 시뮬레이션 회로도의 전류제어를 위한 시뮬레이션 결과이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(100)은 복수개의 배터리모듈(110,110a,...,110n), 커패시터(120) 및 인덕터(130)를 포함하여 이루어진다.

상기 배터리모듈들(110,110a,...,110n)은 서로 직렬로 연결되며, 외부 전원을 인가받아 전압을 충전하고, 상기 인덕터(130)와 상기 커패시터(120)를 통해 충전된 전압을 부하로 방전한다.

또한, 상기 배터리모듈들(110,110a,...,110n)은 각각 배터리(111), 서로 직결되고 상기 배터리(111)와는 병렬로 연결되는 제1 스위치(112) 및 제2 스위치(113)를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 제1 스위치(112)는 일단이 상기 배터리(111)의 일단에 연결되고 타단은 상기 인덕터(130)에 직접 또는 다른 배터리들을 통해 간접적으로 연결된다.

또한, 상기 제2 스위치(112)는 일단은 상기 제1 스위치(112)의 타단에 연결되고 타단은 상기 배터리(111)의 타단에 연결된다.

더욱 자세하게는 상기 배터리모듈들(110,110a,...,110n) 중, 1레벨 배터리(V_B1)는 일단이 상기 제1 스위치(112)를 통해 상위 배터리의 타단에 연결되고 타단은 접지되며, 최상위 레벨 배터리(V_BN)는 일단은 자신이 속한 배터리모듈(110n)의 제1 스위치를 통해 상기 인덕터(130)와 연결되고 타단은 하위 배터리모듈의 제1 스위치를 통해 하위 레벨 배터리와 연결된다.

또한, 상기 1레벨 배터리(V_B1)와 상기 최상위 레벨 배터리(V_BN) 사이의 배터리들은 자신이 속한 배터리모듈의 제1 스위치를 통해 상위 배터리와 하위 배터리에 직렬로 연결된다.

또한, 각 배터리모듈들(110,110a,...,110n)의 제2 스위치는 해당 배터리모듈의 배터리를 바이패스하여 이웃한 배터리와 연결이 차단되게 한다.

도 4를 참조하면, 도 4의 (a)는 제1 스위치(112)가 '온'되었을 때의 상태를 보여주는 것이고 (b)는 제2 스위치(113)가 '온'되었을 때의 상태를 보여주는 것이다. 상기 제1 스위치(112)가 '온'될 경우에는 배터리(111)가 다른 배터리들에 직결되고, 상기 제2 스위치(113)가 '온'될 경우에는 해당 배터리(111)가 직렬 연결 구조에서 분리가 된다.

이렇게 하프 브리지(Half-bridge) 구조로 스위치를 구성할 때, 각 배터리를 직렬 구조로 연결하거나 분리가 가능하다.

한편, N 개의 배터리모듈을 직렬회로로 구성할 때, 출력 전압은 도 5에 도시한 바와 같이 영전압을 포함하여 (N+1) 레벨로 출력되며 이러한 특성으로 인하여 에너지 저장 시스템(100)의 출력전압은 다양한 레벨로 설정가능하여 다양한 충전전압과 방전전압을 형성할 수 있으므로 넓은 입력범위에서 충방전이 가능한 장점이 있다.

또한, 각각의 배터리가 직렬 회로에서 분리될 수 있으므로 방전용 출력차단이 가능하게 된다.

이때, 배터리모듈의 연결 및 분리 여부는 충전과 방전 및 SOC에 따라 결정되며 충전시에는 SOC가 가장 적은 모듈을 직렬 회로 구성에 참여시켜 과충된 되는 것을 방지하고 방전시에는 SOC가 가장 적은 모듈을 직렬 회로 구성에서 배제하여 다른 배터리들에서 SOC가 가장 적은 모듈의 용량 이상을 방전할 수 있게 함으로써 별도의 밸런싱 회로 없이도 SOC 밸런싱을 이룰 수 있다.

본 발명에서는 배터리모듈 중 SOC가 가장 적은 1개의 배터리 모듈을 직렬 회로 구성에 참여하게 하거나 배제하여 SOC 밸런싱이 수행되게 하였으나 사용자의 설정에 따라 복수 개의 배터리 모듈이 방전시 배제될 수도 있다.

또한, 직렬 회로 구성에 참여하지 않는 배터리모듈의 단자 전압은 내부 배터리 전압과 일치하므로 모듈의 SOC 추정이 가능하다.

또한, 본 발명의 에너지 저장 시스템(100)은 상기 인덕터(130)에 의해 감압회로로 동작할 수 있으므로 다중레벨 PWM 기법을 적용하여 출력 레벨을 형성할 수 있다. 또한, 다중 레벨 PWM 기법은 충전시에는 모듈전압이 큰 것을 기준으로 스위칭을 수행하고 방전시에는 모듈전압이 작은 것을 기준으로 스위칭을 행하여 SOC 밸런싱을 유지한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 저장 시스템(100)의 타당성을 검토하기 위한 시뮬레이션 회로도이다.

총 5개의 배터리모듈(110,110a,110b,110c,110d,110e)로 직렬 회로를 구성하였으며, 출력레벨은 영레벨을 포함하여 총 6레벨을 형성할 수 있으나 SOC 계측을 위해 총 5레벨을 발생할 수 있는 것으로 간주한다.

도 7은 도 6의 시뮬레이션 회로도의 시뮬레이션 결과로써, 도 7의 (a)는 출력레벨을 나타낸 것이고, (b)는 LC필터를 통과한 출력전압을 나타내고 있으며, (c)~(g)는 최하위 배터리모듈(110)부터 최상위 배터리모듈(110e)의 제1 스위치 파형을 타나내고 있다. 총 6레벨의 출력이 양호하게 발생하고 있는 것을 알 수 있다.

도 8은 도 6의 시뮬레이션 회로도의 전류제어를 위한 시뮬레이션 결과로써, 단자 전압이 0[V]에서 3500[V]로 변하는 것으로 간주하고 전류 지령치를 1000[A]로 설정한 경우이며, 도 8의 (a)는 0.5[Hz]로 변하는 단자전압을 나타낸 것이고, (b)는 전류제어를 위한 다중 레벨 PWM 출력을 나타내고 있으며 단자전압의 변동에 읍답하여 다중 레벨을 양호하게 출력함을 알 수 있다.

또한, 도 8의 (c)는 레벨 출력 전압을 나타낸 것이고, (d)는 PWM 변조비를 나타낸 것이며, (e)는 전류파형을 나타낸 것이다. 단자 전압이 0[V]에서 3500[V]로 변화되더라도 출력전류는 1000[A]로 양호하게 제어됨을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100:에너지 저장 시스템 110:배터리모듈
111:배터리 112:제1 스위치
113:제2 스위치 120:커패시터
130:인덕터

Claims (3)

1. 서로 직렬로 연결되는 복수 개의 배터리모듈;
   상기 배터리모듈 전체와 병렬로 연결되거나 부분적으로 병렬로 연결되어 연결된 배터리 모듈들의 개수에 따라 서로 다른 레벨 전압을 출력하는 커패시터; 및
   상기 배터리모듈들과 상기 커패시터 사이에 연결되고, 상기 배터리모듈들의 전압을 상기 커패시터로 출력되게 하는 인덕터;를 포함하고,
   상기 각 배터리모듈;은
   배터리;
   일단은 상기 배터리에 일단에 연결되고 타단은 상기 커패시터에 연결되는 제1 스위치; 및
   일단은 상기 제1 스위치의 타단에 연결되고 타단은 상기 배터리의 타단에 연결되는 제2 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 스위치가 '온'된 배터리들은 서로 직렬로 연결되어 상기 인덕터를 통해 상기 커패시터로 전압을 출력하고,
   상기 제2 스위치가 '온'된 배터리들은 상기 제1 스위치가 '온'된 배터리에서 분리되어 전압을 출력하지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 배터리모듈들의 배터리를 충전할 때는, 용량이 가장 작은 배터리가 다른 배터리들과 연결되게 하여 과충전을 방지하고,
   상기 배터리모듈들의 배터리를 방전할 때는, 용량이 가장 작은 배터리가 다른 배터리들과 차단되게 하여 용량이 가장 작은 배터리의 용량 이상을 다른 배터리들에서 방전할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.

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