KR20210124598A - 배터리 랙, 이를 포함하는 배터리 관리 장치 및 이의 동작 방법 - Google Patents

배터리 랙, 이를 포함하는 배터리 관리 장치 및 이의 동작 방법 Download PDF

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KR20210124598A
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Abstract

배터리 랙, 이를 포함하는 배터리 관리 장치 및 이의 동작 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 랙은, 각각 회로 차단기(Circuit Breaker)를 포함하며, 상호 전기적으로 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈, 및 상기 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈에 병렬로 연결된 적어도 하나의 리던던트부(redundant block)를 포함하고, 각 리던던트부는, 각각 일측이 하나의 배터리 모듈의 제1 전극 또는 회로 차단기에 연결되는 복수의 스위치, 상기 복수의 스위치 중 서로 다른 스위치들의 타측을 연결하는 선로, 적어도 하나의 리던던트 배터리 모듈(Redundant module) 및 일측이 상기 선로에 연결되고, 타측이 상기 리던던트 배터리 모듈의 제1 전극 또는 제2 전극에 연결되는 선택 스위치를 포함하고, 상기 복수의 배터리 모듈 중 특정 배터리 모듈에서 고장이 발생할 경우, 상기 특정 배터리 모듈의 회로 차단기는 개방되고, 상기 복수의 스위치 및 선택 스위치를 통해 상기 특정 배터리 모듈이 상기 리던던트 배터리 모듈로 절체되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 랙, 이를 포함하는 배터리 관리 장치 및 이의 동작 방법{BATTERY RACK, BATTERY MANAGEMENT APPARATUS COMPRISING THE SAME AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 배터리 랙, 이를 포함하는 배터리 관리 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 랙에 포함된 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나의 배터리 모듈에서 고장이 발생하여도 그 배터리 랙을 동작시킬 수 있도록 하는 배터리 랙, 이를 포함하는 배터리 관리 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
지구 온난화 문제를 해결하기 위해 세계 여러 나라에서는 온실가스 배출 규제를 강화하고 있다. 이러한 규제에 대응하기 위해 다양한 산업분야에서는 시스템의 전력변환 효율을 높이는 연구와 함께 화석연료를 사용해왔던 동력시스템을 변화시키고자 하는 연구에 매진하고 있다. 이러한 연구들 중 가장 주목받는 연구는 대용량 에너지 저장 장치를 접목하여 전력망(또는 시스템)의 전반적인 효율을 높이는 연구이다. 심야의 유휴 에너지를 대용량 에너지 저장 장치에 저장하여 에너지 소모가 많은 시간대에 활용하거나, 기차/자동차 등의 수송수단에서 운행 중 발생하는 회생에너지를 저장하고 활용하여 에너지 전달 효율을 높이는 방법으로 실제 대용량 배터리가 널리 적용되고 있는 추세이다.
일반적으로, 에너지 저장 장치는 배터리 셀을 직병렬로 연결하여 배터리 모듈(Module)을 구성하고, 이러한 배터리 모듈을 직렬로 연결하여 배터리 랙을 구성한다. 이러한 배터리 랙은 복수 개가 존재할 수 있고, 약 750~1,000V의 전압을 공급할 수 있다. 현재 대용량 에너지 저장 장치에 적용되는 2차전지로 가장 널리 주목받고 있는 에너지 저장매체로는 리튬 계열 배터리를 꼽을 수 있다. 리튬 배터리는 여타 이차전지에 비해 높은 에너지 밀도 특성을 가지고 있어 에너지 저장 장치의 사이즈를 줄이는데 큰 장점이 있다. 하지만 불안정성이 높은 리튬 원소를 이용한 배터리는 세밀한 관리가 필요하며, 사용 환경에 따라 잦은 고장을 일으키기도 한다. 이에 에너지 저장 장치는 배터리 랙에 포함된 배터리 모듈별로 회로 차단기(Circuit breaker)를 구비하고 있고, 배터리 랙에 포함된 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나의 배터리 모듈에서 고장이 발생하면, 회로 차단기를 이용하여 고장 발생 배터리 모듈의 연결을 차단하고 있다.
그러나 회로 차단기를 이용하여 고장 발생 배터리 모듈의 연결을 차단하면, 해당 배터리 랙 전체가 동작을 할 수 없는 상황이 된다. 이러한 상황에서 나머지 정상동작 배터리 랙이 고장 배터리 랙의 부하량을 분담하는 방식으로 전체 시스템을 동작시킬 수는 있지만, 이 경우 나머지 배터리 랙의 부하량이 기존 설계량보다 증가하여 전체 시스템의 기대수명을 크게 떨어뜨리는 문제가 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 제10-1571954호(배터리 랙의 에러 발생 시 비상 운전이 가능한 배터리 에너지 저장 시스템 및 배터리 에너지 저장 시스템의 비상 운전 방법)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 배터리 랙에 포함된 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나의 배터리 모듈에서 고장이 발생하여도 그 배터리 랙을 동작시킬 수 있도록 하는 배터리 랙, 이를 포함하는 배터리 관리 장치 및 이의 동작 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 랙은, 각각 회로 차단기(Circuit Breaker)를 포함하며, 상호 전기적으로 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈, 및 상기 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈에 병렬로 연결된 적어도 하나의 리던던트부(redundant block)를 포함하고, 각 리던던트부는, 각각 일측이 하나의 배터리 모듈의 제1 전극 또는 회로 차단기에 연결되는 복수의 스위치, 상기 복수의 스위치 중 서로 다른 스위치들의 타측을 연결하는 선로, 적어도 하나의 리던던트 배터리 모듈(Redundant module) 및 일측이 상기 선로에 연결되고, 타측이 상기 리던던트 배터리 모듈의 제1 전극 또는 제2 전극에 연결되는 선택 스위치를 포함하고, 상기 복수의 배터리 모듈 중 특정 배터리 모듈에서 고장이 발생할 경우, 상기 특정 배터리 모듈의 회로 차단기는 개방되고, 상기 복수의 스위치 및 선택 스위치를 통해 상기 특정 배터리 모듈이 상기 리던던트 배터리 모듈로 절체되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 선로는, 상기 복수의 스위치들 중 연결 순으로 홀수 번째에 위치하는 스위치들의 타측을 연결하는 제1 선로, 및 상기 복수의 스위치들 중 연결 순으로 짝수 번째에 위치하는 스위치들의 타측을 연결하는 제2 선로를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 선택 스위치는, 일측이 상기 제1 선로 또는 제2 선로에 연결되고, 타측이 상기 리던던트 배터리 모듈의 제1 전극에 연결되는 제1 선택 스위치, 일측이 상기 제1 선로 또는 제2 선로에 연결되고, 타측이 상기 리던던트 배터리 모듈의 제2 전극에 연결되는 제2 선택 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 복수의 배터리 모듈이 정상일 경우 상기 복수의 스위치는 개방상태를 유지하고, 상기 특정 배터리 모듈에 고장이 발생할 경우, 상기 특정 배터리 모듈 및 특정 배터리 모듈 다음 순서의 배터리 모듈에 연결된 스위치는 각각 닫히고, 상기 제1 선택 스위치는 상기 특정 배터리 모듈의 위치에 따라 상기 제1 선로 또는 제2 선로에 연결되며, 상기 제2 선택 스위치는 상기 제1 선택 스위치에 연결된 선로와 다른 선로에 연결될 수 있다.
본 발명에서 상기 특정 배터리 모듈이 상기 복수의 배터리 모듈 중 직렬연결 순으로 홀수 번째인 경우, 상기 제1 선택 스위치는 상기 제1 선로에 연결되고, 상기 제2 선택 스위치는 상기 제2 선로에 연결되며, 상기 특정 배터리 모듈이 상기 복수의 배터리 모듈 중 직렬연결 순으로 짝수 번째인 경우, 상기 제1 선택 스위치는 상기 제2 선로에 연결되고, 상기 제2 선택 스위치는 상기 제1 선로에 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 관리 장치는, 복수의 배터리 랙(Battery Rack), 각각 하나의 배터리 랙에 연결되고, 해당 배터리 랙에 포함된 복수의 배터리 모듈의 상태를 진단하며, 적어도 하나의 배터리 모듈에서 고장이 발생한 경우, 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기를 개방시키고, 상기 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시키는 복수의 랙 관리부(BMS)를 포함한다.
본 발명에서 상기 고장 발생 배터리 모듈과 연결된 랙 관리부는, 상기 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 상기 배터리 랙에 구비된 리던던트부의 개수 이하인 경우, 상기 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기를 개방시키고, 상기 고장 발생 배터리 모듈의 개수에 해당하는 개수의 리던던트부를 동작시켜 상기 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시킬 수 있다.
본 발명에서 동작되는 리던던트부는, 상기 고장 발생 배터리 모듈 및 고장 발생 배터리 모듈 다음 순서의 배터리 모듈에 각각 연결된 스위치들을 닫고, 제1 선택 스위치를 상기 고장 발생 배터리 모듈의 위치에 따라 제1 선로 또는 제2 선로에 연결시키며, 제2 선택 스위치를 상기 제1 선택 스위치에 연결된 선로와 다른 선로에 연결시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 랙 관리부는, 상기 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 상기 배터리 랙에 구비된 리던던트부의 개수를 초과하는 경우, 상기 배터리 랙의 회로 차단기를 모두 개방시켜 상기 배터리 랙의 동작을 중지시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 랙 관리부는, 상기 배터리 랙에서 상기 고장 발생 배터리 모듈을 제외한 배터리 모듈들 및 상기 절체된 리던던트 배터리 모듈의 수명을 확인하고, 상기 배터리 모듈들과 리던던트 배터리 모듈의 수명 차이에 기초하여 지령전압 편차를 산출하며, 상기 지령전압 편차에 기초하여 상기 배터리 모듈들과 리던던트 배터리 모듈의 전압 지령값을 다르게 생성하고, 상기 전압 지령값에 따라 상기 배터리 모듈들 및 리던던트 배터리 모듈을 충방전시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 장치의 동작 방법은, 하나의 배터리 랙에 연결된 랙 관리부가 상기 배터리 랙에 포함된 복수의 배터리 모듈의 상태를 진단하는 단계, 상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나의 배터리 모듈에서 고장이 발생한 경우, 상기 랙 관리부는 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기를 개방시키고, 상기 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 상기 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시키는 단계에서, 상기 랙 관리부는, 상기 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 상기 배터리 랙에 구비된 리던던트부의 개수 이하인 경우, 상기 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기를 개방시키고, 상기 고장 발생 배터리 모듈의 개수에 해당하는 개수의 리던던트부를 동작시켜 상기 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 동작되는 리던던트부는, 상기 고장 발생 배터리 모듈 및 고장 발생 배터리 모듈 다음 순서의 배터리 모듈에 각각 연결된 스위치들을 닫으며, 제1 선택 스위치를 상기 고장 발생 배터리 모듈의 위치에 따라 제1 선로 또는 제2 선로에 연결시키고, 제2 선택 스위치를 상기 제1 선택 스위치에 연결된 선로와 다른 선로에 연결시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 상기 배터리 랙에 구비된 리던던트부의 개수를 초과하는 경우, 상기 랙 관리부는 상기 배터리 랙의 회로 차단기를 모두 개방시켜 상기 배터리 랙의 동작을 중지시킬 수 있다.
본 발명은 상기 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시키는 단계 이후, 상기 랙 관리부가, 상기 배터리 랙에서 상기 고장 발생 배터리 모듈을 제외한 배터리 모듈들 및 상기 절체된 리던던트 배터리 모듈의 수명을 확인하는 단계, 상기 랙 관리부가, 상기 배터리 모듈들과 리던던트 배터리 모듈의 수명 차이에 기초하여 지령전압 편차를 산출하는 단계, 및 상기 랙 관리부가, 상기 지령전압 편차에 기초하여 상기 배터리 모듈들과 리던던트 배터리 모듈의 전압 지령값을 다르게 생성하고, 상기 전압 지령값에 따라 상기 배터리 모듈들 및 리던던트 배터리 모듈을 충방전시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙, 이를 포함하는 배터리 관리 장치 및 이의 동작 방법은, 배터리 모듈에 고장 발생 시 해당 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체함으로써, 해당 배터리 랙을 정상적으로 동작시킬 수 있고, 에너지 저장 장치의 효율 저하 없이도 에너지 저장 장치의 지속적인 운전을 보장할 수 있으며, 에너지 저장 장치의 안전성을 향상시키고 유지보수 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 랙, 이를 포함하는 배터리 관리 장치 및 이의 동작 방법은, 고장 발생 배터리 모듈을 제외한 배터리 모듈들과 절체된 리던던트 배터리 모듈의 수명에 따라 전압 지령값을 다르게 제어함으로써, 전체 배터리 랙의 전압을 동일하게 유지하면서 기대 수명을 더 늘릴 수 있다.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 SOC 레벨에 따른 저항 변화 특성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 고장 발생 시 리던던트 배터리 모듈로 절체하는 연결 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 제어 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 랙을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 고장 발생 시 리던던트 배터리 모듈로 절체하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 고장 발생 시 전압 지령값을 생성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙, 이를 포함하는 배터리 관리 장치 및 이의 동작 방법을 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치를 설명하기 위한 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 SOC 레벨에 따른 저항 변화 특성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 복수의 배터리 랙(100a~100n, 이하 ‘100’이라 칭함), 각 배터리 랙(100)에 연결된 랙 관리부(200a~200n, 이하 ‘200’이라 칭함) 및 통합 제어기(300)를 포함한다.
배터리 관리 장치는 다수의 배터리 모듈의 직병렬 연결을 통해 구성된다. 즉, 배터리 셀의 직병렬 연결을 통해 배터리 모듈이 구성되고, 배터리 모듈의 직렬연결로 배터리 랙(100)이 구성되며, 이러한 배터리 랙(100)의 병렬연결을 통해 배터리 관리 장치가 구성된다.
복수의 배터리 랙(100)은 전력을 공급받아 충전되거나 배터리 랙(100)에 충전된 전기에너지를 부하에 공급함으로써 방전될 수 있다. 즉, 복수의 배터리 랙(100)은 랙 관리부(200) 또는 통합 제어기(300)의 충전명령에 따라 복수의 배터리 모듈에 전력을 저장하고, 방전명령에 따라 복수의 배터리 모듈에 저장되어 있는 전력을 방전할 수 있다.
배터리 랙(100)은 각각 서로 직렬로 연결된 복수의 배터리 모듈(Battery Module) 및 적어도 하나의 리던던트 배터리 모듈(Redundant module)을 포함할 수 있다. 각 배터리 랙(100)에 포함된 배터리 모듈의 개수는 적용 환경에 따라, 하나의 배터리 랙(100)에 다른 개수의 배터리 모듈들이 포함될 수 고, 배터리 랙(100)의 종류는 특별히 한정되지 않을 수 있다.
리던던트 배터리 모듈은 배터리 랙(100)에 추가된 배터리 모듈로, 배터리 랙에 포함된 배터리 모듈들 중 적어도 하나의 배터리 모듈에 고장이 발생한 경우, 그 고장 발생 배터리 모듈을 대신하는 배터리 모듈일 수 있다. 이에, 배터리 랙(100)은 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체하기 위한 스위치들을 더 포함할 수 있다. 따라서 배터리 랙(100)에 포함된 모든 배터리 모듈이 정상상태이면, 리던던트 배터리 모듈과 연결된 스위치들은 모두 개방(Disconnect)되어, 배터리 랙(100)은 종래의 배터리 랙과 동일한 구성을 가질 수 있다.
일반적인 배터리 시스템의 경우, 배터리 랙(100)에 포함된 복수의 배터리 모듈들 중 적어도 하나의 배터리 모듈에서 고장이 발생할 때, 해당 배터리 모듈을 분리하지 않는 이상, 고장이 발생한 배터리 모듈을 통한 전력 공급은 어렵다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 배터리 랙(100)에 포함된 리던던트 배터리 모듈 및 스위치들을 이용하여 안정적인 전원 공급을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 배터리 랙(100)에 포함된 복수의 배터리 모듈 중 특정 배터리 모듈에 고장이 발생하면, 고장 발생 배터리 모듈과 연결된 스위치들은 닫고(close), 나머지 배터리 모듈들과 연결된 스위치들은 개방(open)함으로써, 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시킬 수 있다. 그러면, 고장 발생 배터리 모듈 대신 절체된 리던던트 배터리 모듈이 다른 배터리 모듈과 연결될 수 있게 되고, 이에 따라 안정적인 전력 공급이 가능하다.
이러한 배터리 랙(100)에 대한 상세한 설명은 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.
랙 관리부(BMS, 200)는 배터리 랙(100)에 연결되며, 배터리 랙(100)의 충전 및 방전 동작을 제어한다.
또한 랙 관리부(200)는 배터리 랙(100)에 포함된 복수의 배터리 모듈의 상태를 진단한다. 즉, 복수의 배터리 랙(100)에는 각각 해당 배터리 랙을 구성하는 복수의 배터리 모듈의 상태를 점검하는 랙 관리부(200)를 이용하여 고장 발생 배터리 모듈을 파악할 수 있다. 고장 발생 배터리 모듈의 증상은 다양할 수 있는데, 예컨대 열폭주, 내부 또는 외부 단락, 기계적 결함 등이 있을 수 있다.
이러한 랙 관리부(200)는 예컨대, 배터리 모듈의 온도, 전압상태, 통전상태 등을 측정 및 점검하는 배터리관리시스템(BMS)일 수 있으며, 본 발명의 일실시예는 랙 관리부(200)를 통해 배터리 랙(100)별로 배터리 모듈의 이상상태 또는 고장상태를 효과적으로 파악할 수 있다.
또한 랙 관리부(200)는 배터리 랙(100)에 포함된 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나의 배터리 모듈에서 고장이 발생한 경우, 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기를 개방시키며, 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시키기 위한 제어신호를 생성하여, 배터리 랙(100)을 제어할 수 있다.
이때, 랙 관리부(200)는 고장 발생 배터리 모듈의 개수와 해당 배터리 랙에 구비된 리던던트 배터리 모듈의 개수를 비교하고, 그 비교 결과에 따라 해당 배터리 랙의 동작을 중지시키거나 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시킬 수 있다. 즉, 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 배터리 랙(100)에 구비된 리던던트 배터리 모듈의 개수를 초과하면, 랙 관리부(200)는 배터리 랙(100)의 회로 차단기를 모두 개방시키는 열림 신호를 회로 차단기에 전송함으로써, 배터리 랙(100)의 동작을 중지시킬 수 있다. 또한, 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 배터리 랙(100)에 구비된 리던던트 배터리 모듈의 개수 이하이면, 랙 관리부(200)는 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기를 개방시키는 열림 신호를 전송하고, 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시키기 위해 스위치들에 열림 신호 또는 닫힘 신호를 전송함으로써, 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시킬 수 있다.
또한 랙 관리부(200)는 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, 랙 관리부(200)는 배터리 랙(100)으로부터 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등에 대한 모니터링 데이터를 수신하고, 모니터링 결과에 따라서 제어신호를 생성하여 배터리 랙(100)을 제어할 수 있다. 또한 랙 관리부(200)는 수신한 모니터링 데이터를 통합 제어기(300)에 인가할 수 있으며, 통합 제어기(300)로부터 배터리 랙(100)의 제어에 관련된 명령을 수신할 수도 있을 것이다.
한편, 배터리 랙(100)에 포함된 전체 배터리 모듈들은 동일한 또는 거의 유사한 충전 잔량을 유지하는 것이 바람직하다. 다만, 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시키면, 한 번도 사용하지 않은 리던던트 배터리 모듈과 배터리 모듈이 직렬로 연결되어 동작함으로써, 배터리 랙(100)의 수명은 리던던트 배터리 모듈의 수명이 아닌 기존 배터리 모듈의 수명에 맞추어지게 된다.
이에 따라, 랙 관리부(200)는 리던던트 배터리 모듈과 나머지 배터리 모듈에 다른 전압 지령을 줄 수 있다. 예를 들면, 잔존 수명이 길게 남아있는 리던던트 배터리 모듈에는 배터리 모듈들보다 더 높은 지령 전압(State-of-Charge, SOC) 레벨을 주고, 배터리 모듈들에는 리던던트 배터리 모듈보다 더 낮은 전압 지령을 주는 제어 방식일 수 있고, 이와 반대의 경우도 가능하다. 이러한 제어방식은 배터리 모듈들이 상대적으로 낮은 내부 저항을 갖는 전압 레벨에서 운용될 수 있게 하여 배터리 모듈의 수명을 늘리는 방향으로 이루어질 수 있다.
일반적으로 배터리 모듈은 충/방전 시 발열량이 낮을수록 노화가 느리게 진행되기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이 50% SOC 레벨에 가까운 범위에서 사용할수록 더 긴 수명 특성을 보인다. 따라서 랙 관리부(200)는 고장 발생 배터리 모듈을 제외한 배터리 모듈들 및 절체된 리던던트 배터리 모듈의 수명에 따라 전압 지령값을 다르게 줄 수 있다. 구체적으로, 랙 관리부(200)는 배터리 랙(100)에서 고장 발생 배터리 모듈을 제외한 배터리 모듈들 및 절체된 리던던트 배터리 모듈의 수명을 확인하고, 배터리 모듈들과 리던던트 배터리 모듈의 수명 차이에 기초하여 지령전압 편차를 산출하며, 지령전압 편차에 기초하여 배터리 모듈들과 리던던트 모듈의 전압 지령값을 다르게 생성하고, 전압 지령값에 따라 배터리 모듈들 및 리던던트 모듈을 충방전시킬 수 있다. 랙 관리부(200)는 상술한 전압 지령 제어를 통해 전체 배터리 랙(100)의 전압을 동일하게 유지하면서 기대 수명을 더 늘릴 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치는 배터리 모듈의 고장으로 인한 교체 또는 수리 시에 고장 난 모듈을 제외하고 정상적인 모듈의 운영 중단을 회피하고 모듈 교체 시에도 운영의 중단 없이 교체 가능한 즉, hot-swap 기능을 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙을 설명하기 위한 도면, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 고장 발생 시 리던던트 배터리 모듈로 절체하는 동작을 설명하기 위한 도면, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 전압 제어 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙(100)은 복수의 배터리 모듈(110a~110N, 이하 ‘110’이라 칭함), 복수의 스위치(120a~120(N+1), 이하 ‘120’이라 칭함), 선로(130, 140), 리던던트 배터리 모듈(Redundant module, 150), 제1 선택 스위치(160) 및 제2 선택 스위치(170)를 포함한다.
각 배터리 모듈(110)에는 회로 차단기(Circuit Breaker: CB, 114a~114N, 이하 ‘114’라 칭함)가 포함될 수 있고, 배터리 랙(100)에 포함된 회로 차단기(114)는 배터리 모듈(110)의 개수와 동일한 개수로 포함될 수 있다.
배터리 모듈(110)은, 이차 전지로서, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 마련될 수 있으며, 파우치형 이차 전지, 각형 이차 전지 및 원통형 이차 전지 중 적어도 하나로 구비될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 배터리 모듈(110)이 복수 개로 구비되어 상호 적층되는 파우치형 이차 전지들로 구비되는 것으로 한정하여 설명한다. 배터리 모듈(110)의 제1전극 및 제2전극은 각각 양극 및 음극일 수 있다.
회로 차단기(114)는 온오프 동작을 통해 배터리 모듈(110)을 배터리 랙(100)에 연결시키거나 연결을 해제하는 역할을 수행한다. 특히, 회로 차단기(114)는 사고 발생 시 오프되어 사고 전류가 고장 발생 배터리 모듈 내로 유입되는 것을 차단하는 역할을 수행한다. 이에 따라 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기(114)를 오픈시켜 고장 발생 배터리 모듈을 분리시킬 수 있다.
복수의 스위치(120)는 일측이 하나의 배터리 모듈(110)의 제2 전극(음극부) 또는 회로 차단기(114)에 연결되고, 타측이 제1 선로(130) 또는 제2 선로(140)에 연결된다. 배터리 랙(100)에 포함된 모든 배터리 모듈(110)이 정상일 경우 모든 스위치(120)는 개방(열림) 상태로 동작할 수 있다. 배터리 랙(100)에 포함된 제1 배터리 모듈(110a)에 고장이 발생하면, 제1 배터리 모듈(110a) 및 제1 배터리 모듈 다음 순서의 제2 배터리 모듈(110b)에 연결된 제1 스위치(120a) 및 제2 스위치(120b)는 각각 닫히고, 나머지 배터리 모듈(110b~110n)에 연결된 제3 스위치(120c) 내지 제N+1 스위치(120N+1)는 개방 상태를 유지한다.
스위치(120)는 외부의 제어 신호에 의해 턴온 및 턴오프가 제어될 수 있다. 이때 제어신호는 랙 관리부(200)로부터 입력될 수 있다. 스위치(120)의 개수는 배터리 모듈(110)의 개수에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(110)이 N개인 경우 스위치(120)는 N+1개일 수 있다.
스위치(120)의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 전자석에 의해 접점이 개방 또는 폐쇄되는 릴레이 스위치일 수 있다. 스위치(120)는 릴레이 스위치 이외에도 SSR(Solid State Relay)이나 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)과 같은 반도체 스위치일 수도 있음은 당업자에게 자명하다.
선로(130, 140)는 복수의 스위치(120) 중 서로 다른 스위치들의 타측을 연결하는 구성으로, 제1 선로(130) 및 제2 선로(140)를 포함할 수 있다.
제1 선로(130)는 복수의 스위치들(120) 중 연결 순으로 홀수 번째에 위치하는 스위치들의 타측을 연결하는 선로일 수 있다. 제2 선로(140)는 복수의 스위치들(120) 중 연결 순으로 짝수 번째에 위치하는 스위치들의 타측을 연결하는 선로일 수 있다.
예를 들어, 스위치(120)가 8개인 경우, 제1 선로(130)는 제1 스위치(120a), 제3 스위치(120c), 제5 스위치(120e) 및 제7 스위치(120g)의 타측을 연결할 수 있고, 제2 선로(140)는 제2 스위치(120b), 제4 스위치(120d), 제6 스위치(120f) 및 제8 스위치(120h)의 타측을 연결할 수 있다.
리던던트 배터리 모듈(150)은 배터리 랙(100)에 추가된 배터리 모듈로, 배터리 랙(100)에 포함된 배터리 모듈들(110) 중 적어도 하나의 배터리 모듈에 고장이 발생한 경우 그 고장 발생 배터리 모듈을 대신하는 배터리 모듈일 수 있다. 리던던트 배터리 모듈(150)은, 이차 전지로서, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 마련될 수 있다.
제1 선택 스위치(160) 및 제2 선택 스위치(170)는, 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈(150)로 절체시키기 위한 스위치일 수 있다.
제1 선택 스위치(160)는 일측이 제1 선로(130) 또는 제2 선로(140)에 연결되고, 타측이 리던던트 배터리 모듈(150)의 제1 전극(양극부)에 연결될 수 있다. 제2 선택 스위치(170)는 일측이 제1 선로(130) 또는 제2 선로(140)에 연결되고, 타측이 리던던트 배터리 모듈(150)의 제2 전극(음극부)에 연결될 수 있다.
제1 선택 스위치(160)는 고장 발생 배터리 모듈의 위치에 따라 제1 선로(130) 또는 제2 선로(140)에 연결되며, 제2 선택 스위치(170)는 제1 선택 스위치(160)에 연결된 선로와 다른 선로에 연결될 수 있다. 예를 들어, 고장 발생 배터리 모듈이 복수의 배터리 모듈(110) 중 직렬연결 순으로 홀수 번째인 경우, 제1 선택 스위치(160)는 제1 선로(130)에 연결될 수 있고, 제2 선택 스위치(170)는 제2 선로(140)에 연결될 수 있다. 또한 고장 발생 배터리 모듈이 복수의 배터리 모듈(110) 중 직렬연결 순으로 짝수 번째인 경우, 제1 선택 스위치(160)는 제2 선로(140)에 연결될 수 있고, 제2 선택 스위치(170)는 제1 선로(130)에 연결될 수 있다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 배터리 랙(100)의 동작에 대해 설명하기로 한다.
배터리 랙(100)에 포함된 배터리 모듈(110)이 모두 정상이면, 도 3에 도시된 바와 같이 모든 배터리 모듈(110)에 포함된 차단 스위치(114)는 닫힌 상태이고, 스위치들(114)은 개방 상태를 유지하여, 리던던트 배터리 모듈(150)은 배터리 모듈(110)에 연결되지 않는다.
배터리 랙(100)에 포함된 배터리 모듈들(110) 중에서 도 4에 도시된 A와 같이 제1 배터리 모듈(110a)에서 고장이 발생하면, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 회로 차단기(114a)는 개방되고, 제1 스위치(120a) 및 제2 스위치(120b)는 닫히게 되며, 제1 선택 스위치(160)는 제1 선로(130)에 연결되고, 제2 선택 스위치(170)는 제2 선로(140)에 연결되어, 리던던트 배터리 모듈(150)은 제2 배터리 모듈(110b)과 직렬로 연결된 구조를 갖게 된다. 즉, 배터리 랙(100) 내에 고장이 발생한 배터리 모듈이 존재하더라도, 회로 차단기(114), 스위치(120), 제1 선택 스위치(160) 및 제2 선택 스위치(170)의 동작에 따라 고장 발생 배터리 모듈 대신 리던던트 배터리 모듈(150)이 연결됨으로써, 배터리 랙(100)은 정상적으로 작동할 수 있다.
이때, 랙 관리부(200)는 리던던트 배터리 모듈(150)과 제2 배터리 모듈 내지 제N 배터리 모듈(110b~110N)을 다른 전압 지령값으로 제어할 수 있다. 즉, 랙 관리부(200)는 리던던트 배터리 모듈(150)과 제2 배터리 모듈 내지 제N 배터리 모듈(110b~110N)의 수명을 확인하고, 리던던트 배터리 모듈(150)과 제2 배터리 모듈 내지 제N 배터리 모듈(110b~110N)의 수명 차이에 기초하여 지령 전압 편차를 산출하며, 지령 전압 편차에 기초하여 리던던트 배터리 모듈(150)의 전압 지령값과 제2 배터리 모듈 내지 제N 배터리 모듈(110b~110N)의 전압 지령값을 다르게 생성할 수 있다. 예를 들어, 기준전압이 4V이고, 지령 전압 편차가 α인 경우, 랙 관리부(200)는 도 6에 도시된 바와 같이 리던던트 배터리 모듈(150)을 {4V+(α*N)}의 전압 지령값으로 제어할 수 있고, 제2 배터리 모듈 내지 제N 배터리 모듈(110b~110N)을 (4V-α)의 전압 지령값으로 제어할 수 있다. 그러면, 전체 배터리 랙(100)의 전압을 동일하게 유지하면서 기대 수명을 더 늘릴 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 랙을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 랙(100)은 복수의 배터리 모듈(110a~110N, 이하 ‘110’이라 칭함), 및 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈에 병렬로 연결된 복수의 리던던트부(redundant block, 190a~190c, 이하 ‘190’이라 칭함)를 포함할 수 있다. 도 7에서는 리던던트부(190)를 3개 도시하였으나, 리던던트부(190)의 개수는 배터리 모듈(110)의 개수 이하일 수 있다.
리던던트부(190)는 복수의 스위치(120a~120N+1, 이하 ‘120’이라 칭함), 선로(130, 140), 리던던트 배터리 모듈(Redundant module, 150), 제1 선택 스위치(160) 및 제2 선택 스위치(170)를 포함할 수 있다. 리던던트부(190)에 포함된 각 부는 도 3에 대한 도시된 구성과 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 배터리 랙(100)의 동작에 대해 설명하기로 한다.
배터리 랙(100)에 포함된 배터리 모듈(110)이 모두 정상이면, 모든 배터리 모듈(110)에 포함된 차단 스위치(114)는 닫힌 상태이고, 스위치들(114)은 개방 상태를 유지하여, 복수의 리던던트부(190)는 배터리 모듈(110)에 연결되지 않는다.
배터리 랙(100)에 포함된 배터리 모듈(110) 중에서 복수의 배터리 모듈(110)에서 고장이 발생하면, 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기(114)를 개방시키고, 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈(150)로 절체시킬 수 있다.
이때, 랙 관리부(200)는 고장 발생 배터리 모듈의 개수와 해당 배터리 랙(100)에 구비된 리던던트부(190)의 개수를 비교하고, 그 비교 결과에 따라 해당 배터리 랙(100)의 동작을 중지시키거나 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트부(190)의 리던던트 배터리 모듈(150)로 절체시킬 수 있다. 즉, 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 배터리 랙(100)에 구비된 리던던트부(190)의 개수를 초과하면, 랙 관리부(200)는 배터리 랙(100)의 회로 차단기(114)를 모두 개방시키는 열림 신호를 회로 차단기(114)에 전송함으로써, 배터리 랙(100)의 동작을 중지시킬 수 있다. 또한, 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 배터리 랙(100)에 구비된 리던던트부(190)의 개수 이하이면, 랙 관리부(200)는 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기(114)를 개방시키는 열림 신호를 전송하고, 고장 발생 배터리 모듈의 개수에 해당하는 개수의 리던던트부(190)를 동작시켜 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈(150)로 절체시킬 수 있다. 이때 동작되는 리던던트부(190)는 고장 발생 배터리 모듈 및 고장 발생 배터리 모듈 다음 순서의 배터리 모듈에 각각 연결된 스위치들(120)을 닫고, 제1 선택 스위치(160)를 고장 발생 배터리 모듈의 위치에 따라 제1 선로(130) 또는 제2 선로(140)에 연결시키며, 제2 선택 스위치(170)를 제1 선택 스위치(160)에 연결된 선로와 다른 선로에 연결시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 배터리 랙(100) 내에 고장이 발생한 배터리 모듈이 복수 개 존재하더라도, 고장 발생 배터리 모듈 대신 리던던트부(190)의 리던던트 배터리 모듈(150)이 연결됨으로써, 배터리 랙(100)은 정상적으로 작동할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 고장 발생 시 리던던트 배터리 모듈로 절체하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 배터리 랙(100)의 동작이 시작되면(S610), 랙 관리부(200)는 배터리 랙(100)을 스캐닝하여(S620), 배터리 랙(100)에 포함된 복수의 배터리 모듈(110) 중 고장이 발생한 배터리 모듈이 존재하는지를 판단한다(S630). 배터리 랙(100)의 동작이 시작되면, 배터리 모듈(110)의 회로 차단기(114)는 닫힌 상태일 수 있고, 스위치들(120)은 개방 상태일 수 있다.
S630 단계의 판단결과, 고장 발생 배터리 모듈이 존재하면, 랙 관리부(200)는 고장 발생 배터리 모듈의 위치 및 개수를 확인하고(S640), 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 리던던트 배터리 모듈(150)의 개수 이하인지를 판단한다(S650). 여기서, 리던던트 배터리 모듈(150)의 개수는 리던던트부(190)의 개수와 동일한 의미일 수 있다.
S650 단계의 판단결과, 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 리던던트 배터리 모듈(150)의 개수 이하이면, 랙 관리부(200)는 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기(114)를 닫히게 하고(S660), 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈(150)로 절체시킨다(S670). 이때, 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기(114)는 개방되고, 고장 발생 배터리 모듈 및 고장 발생 배터리 모듈 다음 순서의 배터리 모듈에 각각 연결된 스위치들(120)을 닫히게 되며, 제1 선택 스위치(160)는 고장 발생 배터리 모듈의 위치에 따라 제1 선로(130) 또는 제2 선로(140)에 연결되고, 제2 선택 스위치(170)는 제1 선택 스위치(160)에 연결된 선로와 다른 선로에 연결될 수 있다. 그러면, 고장 발생 배터리 모듈이 리던던트 배터리 모듈(150)로 절체되어, 리던던트 배터리 모듈(150)은 나머지 배터리 모듈과 연결될 수 있다.
만약 S650 단계의 판단결과, 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 리던던트 배터리 모듈(150)의 개수 이하가 아니면, 랙 관리부(200)는 배터리 랙(100) 동작을 중지시키고(S680), 배터리 모듈들(110)의 회로 차단기(114)를 모두 개방시킨다(S690).
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 고장 발생 시 전압 지령값을 생성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 배터리 랙(100)의 동작이 시작되면(S710), 랙 관리부(200)는 배터리 랙(100)을 스캐닝하여(S720), 배터리 랙(100)에 포함된 복수의 배터리 모듈(110) 중 고장이 발생한 배터리 모듈이 존재하는지를 판단한다(S730). 배터리 랙(100)의 동작이 시작되면, 배터리 모듈(110)의 회로 차단기(114)는 닫힌 상태일 수 있고, 스위치들(120)은 개방 상태일 수 있다.
S730 단계의 판단결과, 고장 발생 배터리 모듈이 존재하면, 랙 관리부(200)는 고장 발생 배터리 모듈의 위치 및 개수를 확인하고(S740), 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 리던던트 배터리 모듈(150)의 개수 이하인지를 판단한다(S750). 여기서, 리던던트 배터리 모듈(150)의 개수는 리던던트부(190)의 개수와 동일한 의미일 수 있다.
S750 단계의 판단결과, 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 리던던트 배터리 모듈(150)의 개수 이하이면, 랙 관리부(200)는 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기(114)를 닫히게 하고(S760), 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈(150)로 절체시킨다(S770). 이때, 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기(114)는 개방되고, 고장 발생 배터리 모듈 및 고장 발생 배터리 모듈 다음 순서의 배터리 모듈에 각각 연결된 스위치들(120)을 닫히게 되며, 제1 선택 스위치(160)는 고장 발생 배터리 모듈의 위치에 따라 제1 선로(130) 또는 제2 선로(140)에 연결되고, 제2 선택 스위치(170)는 제1 선택 스위치(160)에 연결된 선로와 다른 선로에 연결될 수 있다. 그러면, 고장 발생 배터리 모듈이 리던던트 배터리 모듈(150)로 절체되어, 리던던트 배터리 모듈(150)은 나머지 배터리 모듈과 연결될 수 있다.
S770 단계가 수행되면, 랙 관리부(200)는 고장 발생 배터리 모듈을 제외한 배터리 모듈들 및 리던던트 배터리 모듈(150)의 수명을 확인하고(S780), 배터리 모듈들과 리던던트 배터리 모듈(150)의 수명 차이에 기초하여 지령전압 편차를 산출한다(S790).
그런 후, 랙 관리부(200)는 지령전압 편차에 기초하여 배터리 모듈들과 리던던트 배터리 모듈(150)의 전압 지령값을 다르게 생성하고, 전압 지령값에 따라 배터리 모듈들 및 리던던트 배터리 모듈(150)을 충방전시킨다(S800).
만약, S750 단계의 판단결과, 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 리던던트 배터리 모듈(150)의 개수 이하가 아니면, 랙 관리부(200)는 배터리 랙(100) 동작을 중지시키고(S810), 배터리 모듈들(110)의 회로 차단기(114)를 모두 개방시킨다(S820).
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙, 이를 포함하는 배터리 관리 장치 및 이의 동작 방법은, 배터리 모듈에 고장 발생 시 해당 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체함으로써, 해당 배터리 랙을 정상적으로 동작시킬 수 있고, 에너지 저장 장치의 효율 저하 없이도 에너지 저장 장치의 지속적인 운전을 보장할 수 있으며, 에너지 저장 장치의 안전성을 향상시키고 유지보수 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 랙, 이를 포함하는 배터리 관리 장치 및 이의 동작 방법은, 고장 발생 배터리 모듈을 제외한 배터리 모듈들과 절체된 리던던트 배터리 모듈의 수명에 따라 전압 지령값을 다르게 제어함으로써, 전체 배터리 랙의 전압을 동일하게 유지하면서 기대 수명을 더 늘릴 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 배터리 랙
110 : 배터리 모듈
114 : 회로 차단기
120 : 스위치
130 : 제1 선로
140 : 제2 선로
150 : 리던던트 배터리 모듈
160 : 제1 선택 스위치
170 : 제2 선택 스위치
190 : 리던던트부
200 : 랙 관리부
300 : 통합 제어기

Claims (15)

  1. 각각 회로 차단기(Circuit Breaker)를 포함하며, 상호 전기적으로 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈; 및
    상기 직렬 연결된 복수의 배터리 모듈에 병렬로 연결된 적어도 하나의 리던던트부(redundant block)를 포함하고,
    각 리던던트부는,
    각각 일측이 하나의 배터리 모듈의 제1 전극 또는 회로 차단기에 연결되는 복수의 스위치;
    상기 복수의 스위치 중 서로 다른 스위치들의 타측을 연결하는 선로;
    리던던트 배터리 모듈(Redundant module); 및
    일측이 상기 선로에 연결되고, 타측이 상기 리던던트 배터리 모듈의 제1 전극 또는 제2 전극에 연결되는 선택 스위치를 포함하며,
    상기 복수의 배터리 모듈 중 특정 배터리 모듈에서 고장이 발생할 경우, 상기 특정 배터리 모듈의 회로 차단기는 개방되고, 상기 복수의 스위치 및 선택 스위치를 통해 상기 특정 배터리 모듈이 상기 리던던트 배터리 모듈로 절체되는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선로는,
    상기 복수의 스위치들 중 연결 순으로 홀수 번째에 위치하는 스위치들의 타측을 연결하는 제1 선로, 및 상기 복수의 스위치들 중 연결 순으로 짝수 번째에 위치하는 스위치들의 타측을 연결하는 제2 선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 선택 스위치는,
    일측이 상기 제1 선로 또는 제2 선로에 연결되고, 타측이 상기 리던던트 배터리 모듈의 제1 전극에 연결되는 제1 선택 스위치; 및
    일측이 상기 제1 선로 또는 제2 선로에 연결되고, 타측이 상기 리던던트 배터리 모듈의 제2 전극에 연결되는 제2 선택 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈이 정상일 경우, 상기 복수의 스위치는 개방상태를 유지하고,
    상기 특정 배터리 모듈에 고장이 발생할 경우, 상기 특정 배터리 모듈 및 특정 배터리 모듈 다음 순서의 배터리 모듈에 연결된 스위치는 각각 닫히고, 상기 제1 선택 스위치는 상기 특정 배터리 모듈의 위치에 따라 상기 제1 선로 또는 제2 선로에 연결되며, 상기 제2 선택 스위치는 상기 제1 선택 스위치에 연결된 선로와 다른 선로에 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 특정 배터리 모듈이 상기 복수의 배터리 모듈 중 직렬연결 순으로 홀수 번째인 경우, 상기 제1 선택 스위치는 상기 제1 선로에 연결되고, 상기 제2 선택 스위치는 상기 제2 선로에 연결되며,
    상기 특정 배터리 모듈이 상기 복수의 배터리 모듈 중 직렬연결 순으로 짝수 번째인 경우, 상기 제1 선택 스위치는 상기 제2 선로에 연결되고, 상기 제2 선택 스위치는 상기 제1 선로에 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  6. 제1항에 따른 복수의 배터리 랙(Battery Rack); 및
    각각 하나의 배터리 랙에 연결되고, 해당 배터리 랙에 포함된 복수의 배터리 모듈의 상태를 진단하며, 적어도 하나의 배터리 모듈에서 고장이 발생한 경우, 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기를 개방시키고, 상기 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시키는 복수의 랙 관리부(BMS)
    를 포함하는 배터리 관리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고장 발생 배터리 모듈과 연결된 랙 관리부는,
    상기 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 상기 배터리 랙에 구비된 리던던트부의 개수 이하인 경우, 상기 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기를 개방시키고, 상기 고장 발생 배터리 모듈의 개수에 해당하는 개수의 리던던트부를 동작시켜 상기 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 동작되는 리던던트부는,
    상기 고장 발생 배터리 모듈 및 고장 발생 배터리 모듈 다음 순서의 배터리 모듈에 각각 연결된 스위치들을 닫고, 제1 선택 스위치를 상기 고장 발생 배터리 모듈의 위치에 따라 제1 선로 또는 제2 선로에 연결시키며, 제2 선택 스위치를 상기 제1 선택 스위치에 연결된 선로와 다른 선로에 연결시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 랙 관리부는,
    상기 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 상기 배터리 랙에 구비된 리던던트부의 개수를 초과하는 경우, 상기 배터리 랙의 회로 차단기를 모두 개방시켜 상기 배터리 랙의 동작을 중지시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 랙 관리부는,
    상기 배터리 랙에서 상기 고장 발생 배터리 모듈을 제외한 배터리 모듈들 및 상기 절체된 리던던트 배터리 모듈의 수명을 확인하고, 상기 배터리 모듈들과 리던던트 배터리 모듈의 수명 차이에 기초하여 지령전압 편차를 산출하며, 상기 지령전압 편차에 기초하여 상기 배터리 모듈들과 리던던트 배터리 모듈의 전압 지령값을 다르게 생성하고, 상기 전압 지령값에 따라 상기 배터리 모듈들 및 리던던트 배터리 모듈을 충방전시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  11. 하나의 배터리 랙에 연결된 랙 관리부가 상기 배터리 랙에 포함된 복수의 배터리 모듈의 상태를 진단하는 단계; 및
    상기 복수의 배터리 모듈 중 적어도 하나의 배터리 모듈에서 고장이 발생한 경우, 상기 랙 관리부가 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기를 개방시키고, 상기 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시키는 단계
    를 포함하는 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시키는 단계에서,
    상기 랙 관리부는, 상기 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 상기 배터리 랙에 구비된 리던던트부의 개수 이하인 경우, 상기 고장 발생 배터리 모듈의 회로 차단기를 개방시키고, 상기 고장 발생 배터리 모듈의 개수에 해당하는 개수의 리던던트부를 동작시켜 상기 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 동작되는 리던던트부는,
    상기 고장 발생 배터리 모듈 및 고장 발생 배터리 모듈 다음 순서의 배터리 모듈에 각각 연결된 스위치들을 닫고, 제1 선택 스위치를 상기 고장 발생 배터리 모듈의 위치에 따라 제1 선로 또는 제2 선로에 연결시키며, 제2 선택 스위치를 상기 제1 선택 스위치에 연결된 선로와 다른 선로에 연결시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 고장 발생 배터리 모듈의 개수가 상기 배터리 랙에 구비된 리던던트부의 개수를 초과하는 경우, 상기 랙 관리부는 상기 배터리 랙의 회로 차단기를 모두 개방시켜 상기 배터리 랙의 동작을 중지시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치의 동작 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 고장 발생 배터리 모듈을 리던던트 배터리 모듈로 절체시키는 단계 이후,
    상기 랙 관리부가, 상기 배터리 랙에서 상기 고장 발생 배터리 모듈을 제외한 배터리 모듈들 및 상기 절체된 리던던트 배터리 모듈의 수명을 확인하는 단계;
    상기 랙 관리부가, 상기 배터리 모듈들과 리던던트 배터리 모듈의 수명 차이에 기초하여 지령전압 편차를 산출하는 단계; 및
    상기 랙 관리부가, 상기 지령전압 편차에 기초하여 상기 배터리 모듈들과 리던던트 배터리 모듈의 전압 지령값을 다르게 생성하고, 상기 전압 지령값에 따라 상기 배터리 모듈들 및 리던던트 배터리 모듈을 충방전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치의 동작 방법.
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