KR20220152766A - Ess 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법 - Google Patents

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Abstract

다수의 ESS(Energy Storage System)를 병렬로 운영할 때, 소프트웨어적으로 마스터 모듈에서 주기적으로 슬레이브 모듈들의 상태를 판별하여 충전량 최대 모듈과 최소 모듈 간의 밸런싱을 진행함으로써 과도한 전류의 흐름을 방지하면서 전체 모듈의 밸런싱이 이루어지도록 한 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법에 관한 것으로서, 마스터 모듈에서 주기적으로 통신을 통해 마스터 모듈 및 모든 슬레이브 모듈의 상태를 획득하고, 마스터 모듈 및 슬레이브 모듈들의 상태를 확인하여, 불균형이 발생하면 설정된 시간만큼 밸런싱을 진행하고 밸런싱을 정지시키며, 획득한 슬레이브 모듈들의 상태 정보를 기초로 밸런싱 대상 모듈을 선택하고, 선택한 밸런싱 대상 모듈의 충방전 릴레이만 선택적으로 온 상태로 제어하여 밸런싱을 진행시켜, 소프트웨어적인 밸런싱 제어로 원가 절감을 도모한다.

Description

ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법{Balancing control method between modules when ESS parallel operation}
본 발명은 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법에 관한 것으로, 특히 다수의 ESS(Energy Storage System)를 병렬로 운영할 때, 소프트웨어적으로 마스터 모듈에서 주기적으로 슬레이브 모듈들의 상태를 판별하여 충전량 최대 모듈과 최소 모듈 간의 밸런싱을 진행함으로써 과도한 전류의 흐름을 방지하면서 전체 모듈의 밸런싱이 이루어지도록 한 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 ESS(Energy storage system)는 발전소에서 과잉 생산된 전력 또는 불규칙하게 생산되는 신 재생에너지를 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 저장장치를 말한다.
구체적으로 ESS란 에너지를 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전기 전력계통에 전기를 저장해 두는 시스템을 말한다. 다시 말해, 기존의 2차 전지처럼 하나의 제품에 시스템이 통합된 스토리지로 구성되는 하나의 집합체이다.
최근 급속히 성장하고 있는 신 재생에너지인 태양광 발전시 불안정한 발전 에너지를 저장했다가 필요한 시점에 안정적으로 전력 계통에 다시 공급해주는 필수 장치로 ESS의 중요성이 대두되고 있다. 만약 ESS가 없다면 바람이나 태양광에 의존하는 불안정한 전력 공급으로 인해 전력 계통에 갑작스런 단전 등 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 환경에서 스토리지가 매우 중요한 분야로 대두되고 있다.
이러한 ESS는 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 이용되고 있으며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신 재생에너지를 이용한 발전기 출력 안정화, 첨두 부하 저감(Peak Shaving), 부하 평준화(Load Leveling), 비상 전원 등의 기능으로 사용되고 있다.
에너지 저장 시스템은 저장방식에 따라 크게 물리적 에너지 저장과 화학적 에너지 저장으로 구분된다. 물리적 에너지 저장으로는 양수발전, 압축 공기 저장, 플라이휠 등을 이용한 방법이 있고, 화학적 에너지 저장으로는 리튬이온 배터리, 납축전지, NaS 전지 등을 이용한 방법이 있다.
이러한 에너지 저장 시스템을 복수의 병렬 운용 시, 모듈(Tray) 간 배터리의 충전된 용량의 차이가 있을 때, 배터리의 전위가 높은 모듈에서 낮은 모듈로 전류가 흐르게 된다. 모듈 간의 전위차가 크면 클수록 많은 전류가 흐르게 되고, 이는 열을 발생시키게 된다. 열 발생이 심화하면 충방전 효율을 저해하며, 배터리의 수명을 단축하고, 화재로 이어지는 사고를 유발한다.
따라서 전위차로 인해 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하여 열 발생을 억제하기 위해 효과적인 모듈 간 밸런싱이 요구된다. 모듈 간 밸런싱을 위해 하드웨어적인 밸런싱 제어장치를 별도로 구현하여, 밸런싱을 제어하는 장치도 제안되고 있으나, 이는 별도의 하드웨어 구성으로 인해 시스템 구성이 복잡해지고, 별도의 하드웨어 추가 구성으로 인해 ESS 시스템의 원가가 상승하는 단점을 유발한다.
모듈 간 밸런싱을 위해 종래에 제안된 기술이 대한민국 등록특허 10-1871237호에 개시되어 있다.
특허문헌에 개시된 종래기술은, 태양광 발전전력과 ESS 충전전력 간의 오차전력을 산출함과 더불어 배터리의 충전량을 검출하여 ESS의 충방전을 제어함으로써, 전력 생산자의 수익 창출과 더불어 배터리의 수명을 한층 더 향상시킨다.
그러나 이러한 종래기술은 배터리의 충전량을 검출하여 ESS의 충방전을 제어하는 방식으로서, 다수의 ESS를 병렬 연결하여 운용 시 배터리 간의 충전량 불균형으로 인해 발생하는 과도 전류의 흐름을 방지할 수 없는 단점이 있다.
즉, 종래기술은 복수의 배터리 어레이를 포함하는 단일의 ESS의 충방전 밸런싱에 관한 것이므로, 이를 복수로 병렬 연결하여 운용할 경우, 배터리간 전위차로 인해 발생하는 과도 전류의 흐름을 억제하는 기술은 제시되지 않았다.
대한민국 등록특허 10-1871237호(2018.06.20. 등록)(태양광 연계형 ESS의 충방전 밸런싱 제어장치)
따라서 본 발명은 다수의 ESS를 병렬 연결하여 운용할 때 배터리의 전위차에 의해 배터리의 전위가 높은 곳에서 전위가 낮은 곳으로 흐르는 과도 전류에 의해 발생하는 열로 인해 수반되는 다양한 문제점 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 다수의 ESS(Energy Storage System)를 병렬로 운영할 때, 소프트웨어적으로 마스터 모듈에서 주기적으로 슬레이브 모듈들의 상태를 판별하여 충전량 최대 모듈과 최소 모듈 간의 밸런싱을 진행함으로써 과도한 전류의 흐름을 방지하면서 전체 모듈의 밸런싱이 이루어지도록 한 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법"은,
다수의 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)을 병렬로 연결하고, 특정의 에너지 저장 시스템을 마스터 모듈로 설정하며 나머지 에너지 저장 시스템을 슬레이브 모듈로 설정하여 충방전 밸런싱을 제어하는 방법으로서,
(a) 상기 마스터 모듈에서 주기적으로 통신을 통해 마스터 모듈과 모든 슬레이브 모듈의 상태를 획득하는 단계;
(b) 상기 마스터 모듈에서 획득한 마스터 모듈 및 슬레이브 모듈들의 상태를 확인하여 불균형 발생 유무를 확인하는 단계;
(c) 상기 마스터 모듈에서 모듈 불균형에 마스터 모듈 자신이 포함되는지 확인하고, 충방전 릴레이 온(on)/오프(off)를 결정하는 단계;
(d) 상기 마스터 모듈에서 상기 슬레이브 모듈들의 상태를 확인하여, 불균형이 발생하면 설정된 시간만큼 밸런싱을 진행하고 밸런싱을 정지시키는 단계; 및
(e) 상기 마스터 모듈에서 획득한 슬레이브 모듈들의 상태 정보를 기초로 밸런싱 대상 모듈을 선택하고, 선택한 밸런싱 대상 모듈의 충방전 릴레이만 선택적으로 제어하여 밸런싱을 진행시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (c)단계에서 상기 마스터 모듈은 상기 (b)단계의 확인 결과 마스터 모듈의 불균형이 발생하지 않았으면, 마스터 모듈의 충방전 릴레이를 온 상태로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 "ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법"은,
(f) 상기 (d)단계에서 상기 마스터 모듈은 슬레이브 모듈의 불균형이 발생하지 않았으면, 모든 슬레이브 모듈의 충방전 릴레이를 온 상태로 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (e)단계의 마스터 모듈은,
슬레이브 모듈들의 충전량을 기초로 충전량이 최대인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈과 충전량이 최소인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈을 밸런싱 대상 모듈로 선택하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (e)단계의 마스터 모듈은,
슬레이브 모듈들의 충전량을 기초로 충전량이 최대인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈과 충전량이 최소인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈을 밸런싱 대상 모듈로 선택하되, 충전량이 최대인 슬레이브 모듈이 복수이면 충방전 횟수를 기준으로 밸런싱 대상 모듈을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 "ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법"은,
상기 (a)단계에서 모든 슬레이브 모듈은,
모듈에 결함이 없는 상태에서 전압, 전류 및 SOC를 포함하는 상태정보를 획득하고, 상기 마스터 모듈에서 상태 정보의 요청이 발생하면 획득한 상태 정보를 상기 마스터 모듈에 전송하는 것을 특징으로 한다.
상기 (e)단계에서 밸런싱 대상 모듈로 선택된 슬레이브 모듈은,
상기 마스터 모듈에서 밸런싱 명령(CMD)을 수신하면 충방전 릴레이를 온하여 밸런싱을 진행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 다수의 ESS(Energy Storage System)를 병렬로 운영할 때, 소프트웨어적으로 마스터 모듈에서 주기적으로 마스터 모듈 및 슬레이브 모듈들의 상태를 판별하여 충전량 최대 모듈과 충전량 최소 모듈 간만의 밸런싱 진행으로, 전체 모듈의 밸런싱 진행에 비하여 과도한 전류의 흐름을 방지하여 열 발생을 최소화하면서 전체 모듈의 밸런싱을 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 별도의 밸런싱 제어장치를 부가하지 않고, 소프트웨어적으로 밸런싱을 제어함으로써, 전체적인 시스템 구성을 단순화함과 동시에 원가 절감도 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 단일 에너지 저장 시스템(ESS)의 구조도,
도 2는 도 1과 같은 에너지 저장 시스템을 복수로 병렬 연결하여 운용하는 에저니 저장 시스템의 구조 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법 중 마스터 모듈에서 밸런싱을 제어하는 과정을 보인 흐름도,
도 4는 본 발명에 따른 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법 중 슬레이브 모듈에서 밸런싱을 진행하는 과정을 보인 흐름도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이하에서 설명되는 본 발명에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 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 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 단일 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)(100)의 구조도로서, 과전류 차단을 위한 퓨즈(101), 복수의 배터리 어레이로 이루어진 배터리 모듈(102), 상기 배터리 어레이를 제어하는 배터리 컨트롤 유닛(BCU)(103), 에너지 저장 시스템의 전류를 감지하는 전류 센서(105), 충전 및 방전을 위한 전력을 제어하는 다양한 스위치 및 직류/직류 컨버터 등을 구비한 전력 제어기(106), 에너지 저장 시스템(100)의 상태 정보를 획득 및 관리하며, 슬레이브 모듈로 동작할 경우 획득한 상태 정보를 마스터 모듈에 전송하며 마스터 모듈로 동작할 경우 슬레이브 모듈의 상태 정보를 획득하고, 슬레이브 모듈의 충방전 밸런싱을 제어하는 역할을 하는 배터리 관리 시스템(BMS)(107), 상기 배터리 관리 시스템(107)의 제어에 따라 상기 배터리 컨트롤 유닛(103)을 구동하는 배터리 컨트롤 유닛 드라이버(104), 에너지 저장 시스템의 각각의 상태 정보를 시각적으로 표시해주는 LED 디스플레이(108), 냉각을 위한 냉각부(109), 다른 에너지 저장 시스템의 배터리 관리 시스템(BMS)과 캔 통신으로 통신을 수행하는 통신 모듈(110)을 포함할 수 있다.
상기 상태 정보는 전압, 전류 및 SOC(배터리 충전량)를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 에너지 저장 시스템(ESS)(100)은 일반적인 신 재생에너지 시스템 등에 적용된 에너지 저장 시스템과 구성 및 작용이 동일하다.
다만, 에너지 저장 시스템이 병렬로 운영될 경우 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈 중 어느 하나로 동작하는 것, 배터리 관리 시스템(107)에서 마스터 모듈로 동작할 경우 슬레이브 모듈의 충방전 밸런싱을 제어하는 기능, 슬레이브 모듈로 동작할 경우 마스터 모듈에 상태 정보를 전송하고 밸런싱 제어 신호를 수신하여 밸런싱을 진행하는 기능이 새롭게 추가된 것이며, 나머지 에너지 저장 시스템의 기능 및 동작은 기존 에너지 저장 시스템과 동일하므로, 이하, 충방전 밸런싱 기능을 제외하고 나머지 기능 및 작용에 대해서는 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 도 1과 같은 단일의 에너지 저장 시스템을 10개 병렬로 연결하여 운영하는 에너지 저장 시스템(48V)의 예시이다.
참조부호 100, 200, 100+(N-1), 100+N은 단일의 에너지 저장 시스템(ESS)을 나타내며, 단일의 에너지 저장 시스템의 구성 및 작용은 도 1과 동일하다.
모든 에너지 저장 시스템은 자신을 구분하기 위한 서로 다른 고유정보(ID)가 부여된다.
다만, 해당 에너지 저장 시스템이 마스터 모듈로 동작하는지, 아니면 슬레이브 모듈로 동작하는지에 따라 제어를 하는 대상인지 제어를 받는 대상인지만 차이가 있다. 여기서 마스터 모듈은 연결된 모든 슬레이브 모듈의 충방전 밸런싱을 제어하는 역할을 하며, 슬레이브 모듈은 마스터 모듈의 제어에 따라 충방전 밸런싱을 진행하는 역할을 한다.
본 발명에서는 설명의 편의를 위해 에너지 저장 시스템(100)이 마스터 모듈 역할을 하고, 나머지 에너지 저장 시스템이 슬레이브 모듈 역할을 하는 것으로 가정한다. 마스터 모듈 역할과 슬레이브 모듈의 역할은 사전에 에너지 저장 시스템을 병렬로 연결할 때 임의로 지정할 수 있다. 즉, 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈의 지정은 딥 스위치(Dip Switch)를 이용하여 간단하게 지정할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 "ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법" 중 마스터 모듈(100)에서의 밸런싱 제어과정을 보인 흐름도로서, (a) 상기 마스터 모듈(100)에서 주기적으로 통신을 통해 마스터 모듈과 모든 슬레이브 모듈의 상태를 획득하는 단계(S101 - S102), (b) 상기 마스터 모듈에서 획득한 마스터 모듈 및 슬레이브 모듈들의 상태를 확인하여 불균형 발생 유무를 확인하는 단계(S103), (c) 상기 마스터 모듈에서 모듈 불균형에 마스터 모듈 자신이 포함되는지 확인하고, 충방전 릴레이 온(on)/오프(off)를 결정하는 단계(S104 - S106), (d) 상기 마스터 모듈에서 상기 슬레이브 모듈들의 상태를 확인하여, 불균형이 발생하면 설정된 시간만큼 밸런싱을 진행하고 밸런싱을 정지시키는 단계(S107 - S10, S111, S112), 및 (e) 상기 마스터 모듈에서 상기 밸런싱이 정지되면, 획득한 슬레이브 모듈들의 상태 정보를 기초로 밸런싱 대상 모듈을 선택하고, 선택한 밸런싱 대상 모듈의 충방전 릴레이만 선택적으로 제어하여 밸런싱을 진행시키는 단계(S109 - S110)를 포함한다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 마스터 모듈은 상기 (b)단계의 확인 결과 마스터 모듈 및 슬레이브 모듈의 불균형이 발생하지 않았으면, 마스터 모듈 및 모든 슬레이브 모듈의 충방전 릴레이를 온(on) 상태로 제어한다.
또한, 본 발명에 따른 "ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법"은,
(f) 상기 (d)단계에서 상기 마스터 모듈은 슬레이브 모듈의 불균형이 발생하지 않았으면, 모든 슬레이브 모듈의 충방전 릴레이를 온(on) 상태로 제어하는 단계(S113)를 더 포함할 수 있다.
상기 (e)단계의 마스터 모듈은 슬레이브 모듈들의 충전량을 기초로 충전량이 최대인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈과 충전량이 최소인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈을 밸런싱 대상 모듈로 선택한다.
또한, 상기 (e)단계의 마스터 모듈은 슬레이브 모듈들의 충전량을 기초로 충전량이 최대인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈과 충전량이 최소인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈을 밸런싱 대상 모듈로 선택하되, 충전량이 최대인 슬레이브 모듈이 복수이면 충방전 횟수를 기준으로 밸런싱 대상 모듈을 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 "ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법" 중 슬레이브 모듈에서 충방전 밸런싱을 진행하는 과정을 보인 흐름도로서, (a) 모듈에 결함이 없는 상태에서 전압, 전류 및 SOC를 포함하는 상태정보를 획득하고, 상기 마스터 모듈에서 상태 정보의 요청이 발생하면 획득한 상태 정보를 상기 마스터 모듈에 전송하는 단계(S201 - S204), 상기 마스터 모듈에서 밸런싱 명령(CMD)을 수신하면 충방전 릴레이를 온하여 밸런싱을 진행하는 단계(S205 - S208)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 "ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법"을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 마스터 모듈(100)은 단계 S101과 같이 결함(Fault)이 없으면, 단계 S102로 이동하여 주기적으로 캔 통신을 통해 마스터 모듈 및 모든 슬레이브 모듈의 상태 정보를 획득한다.
여기서 상태 정보는 슬레이브 모듈의 전압, 전류 및 배터리 충전량인 SOC를 포함한다.
각각의 슬레이브 모듈은 단계 S201과 같이, 모듈에 결함이 없으면 단계 S202로 이동하여 전압, 전류 및 SOC를 상태정보로 획득하고 이를 내부 메모리에 저장한다. 이어, 단계 S203와 같이 마스터 모듈에서 캔 통신을 통해 상태정보를 요구하면, 각각의 슬레이브 모듈은 단계 S204로 이동하여 획득하여 내부 메모리에 저장한 상태 정보를 마스터 모듈에 전송한다.
이때, 각각의 슬레이브 모듈은 상태정보의 전송 시 상태 정보의 전단에 자신의 고유정보인 ID를 매핑하여 전송함으로써, 마스터 모듈에서 슬레이브 모듈을 구분할 수 있도록 한다.
마스터 모듈은 획득한 슬레이브 모듈의 상태 정보를 기초로 충전량을 기준으로 정렬시킨다. 여기서 충전량이 가장 높은 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈을 충전량 최대 모듈이라고 정의하고, 충전량이 가장 낮은 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈을 충전량 최소 모듈이라고 정의한다.
다음으로, 단계 S103에서 상기 마스터 모듈은 획득한 마스터 모듈의 상태를 확인하여 불균형 발생 유무를 확인한다. 여기서 불균형이란 충전량의 차이를 의미한다. 불균형이 발생하였으면 충방전 밸런싱을 통해 불균형을 해소해야 한다.
상기 확인 결과 마스터 모듈에 불균형이 발생하지 않았으면, 마스터 모듈의 충방전 릴레이를 온(on) 상태로 제어한다.
아울러 상기 마스터 모듈의 불균형 유무를 확인한 결과 마스터 모듈의 불균형이 발생하면, 단계 S104로 이동하여 마스터 모듈에서 밸런싱 가능한지를 확인한다.
이후, 마스터 모듈에서 밸런싱 가능하면 단계 105와 같이, 마스터 모듈의 충방전 릴레이를 온(on) 상태로 만든다.
본 발명에서는 충방전 밸런싱을 위한 수단으로 릴레이를 사용하는 것으로 설명하지만, 이것은 하나의 실시 예에 불과하며, 본 발명은 이것에 한정되지 않으며 충방전 밸런싱을 위한 수단으로 전력 소자인 FET 등을 이용할 수 있다.
본 발명은 언급한 릴레이 또는 FET 이외에 전류 흐름 제어를 위한 알려진 모든 전력 소자 들을 이용할 수 있음은 당해 분야의 통상의 기술을 가진 자라면 자명하다 할 것이다.
만약, 마스터 모듈에서 밸런싱을 할 수 없으면 단계 S106으로 이동하여 마스터 모듈의 충방전 릴레이를 오프한다.
다음으로, 상기 마스터 모듈은 충방전 릴레이의 온 또는 오프를 결정한 후, 단계 S107로 이동하여 슬레이브 모듈들의 상태를 확인한다.
이 확인 결과, 슬레이브 모듈에 불균형이 발생하지 않았으면, 단계 S113으로 이동하여 모든 슬레이브 모듈에 충방전 밸런싱 온 명령을 전송하여 모든 슬레이브 모듈의 릴레이를 온 상태로 만든다. 이 경우에는 별도의 충방전 밸런싱 동작을 수행할 필요가 없다.
아울러 상기 슬레이브 모듈의 불균형이 발생하면, 단계 S108로 이동하여 모듈 밸런싱이 정지되었는지를 확인한다. 여기서 모듈 밸런싱은 주기당 미리 설정된 일정시간(예를 들어, 30초)만 수행하고 정지한다.
상기 밸런싱 정지를 확인한 결과, 일정시간이 지나지 않았으면 일정시간이 지날 때까지 충방전 밸런싱 동작을 수행하고, 상기 일정시간이 지나면 단계 S112로 이동하여 모든 충방전 밸런싱을 정지시킨다. 충방전 밸런싱의 정지는 모든 슬레이브 모듈에 릴레이를 오프하도록 하는 밸런싱 오프 명령을 전송함으로써 달성된다.
상기 설정된 시간만큼 밸런싱을 진행하고 밸런싱이 정지되면, 단계 S109로 이동하여 획득한 슬레이브 모듈들의 상태 정보(전압, 전류, 배터리 충전량(SOC))를 기초로 충방전 밸런싱 대상 모듈을 선택한다.
예컨대, 마스터 모듈은 슬레이브 모듈들의 충전량을 기초로 충전량이 최대인 마스터 모듈과 슬레이브 모듈(Max Voltage Module ID)과 충전량이 최소인 마스터 모듈과 슬레이브 모듈(Min Viltage Module ID)을 밸런싱 대상 모듈로 선택한다.
여기서 슬레이브 모듈들의 충전량을 기초로 충전량이 최대인 슬레이브 모듈과 충전량이 최소인 슬레이브 모듈을 밸런싱 대상 모듈로 선택하되, 충전량이 최대인 슬레이브 모듈이 복수이면 충방전 횟수를 기준으로 밸런싱 대상 모듈을 결정한다. 즉, 에너지 저장 시스템에 구비된 배터리의 수명 연장을 위해, 충방전 밸런싱을 수행한 횟수가 더 적은 충전량 최대 모듈을 밸런싱 대상 슬레이브 모듈로 선택한다. 여기서 충방전 밸런싱을 수행한 에너지 저장 시스템의 충방전 밸런싱 횟수는 누적 저장된 것으로 가정한다.
이어, 선택한 밸런싱 대상 모듈의 충방전 릴레이만 선택적으로 제어하여 밸런싱을 진행하도록 밸런싱 대상 모듈에만 릴레이 온 명령(밸런싱 온 명령)을 전송한다. 모듈의 고유정보를 이용하여 밸런싱 온 또는 오프 명령을 전송함으로써, 슬레이브 모듈은 자신의 고유정보에 대응하는 밸런싱 명령만을 택일적으로 수신할 수 있다.
즉, 2개의 밸런싱 대상 모듈인 충전량 최대 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈과 충전량 최소 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈에만 릴레이 온 명령을 전송하고, 나머지 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈에는 밸런싱 오프 명령을 전송한다.
슬레이브 모듈은 단계 S205에서 모듈 불균형이 발생하지 않은 상태이면 단계 S207로 이동하여 릴레이를 온 상태로 동작시키고, 모듈 불균형이 발생한 상태이면, 단계 S206으로 이동하여 상기 마스터 모듈에서 전송된 밸런싱 온 명령(CMD)(릴레이 온 명령)을 수신하면, 단계 S207로 이동하여 충방전 릴레이를 온하여 밸런싱을 진행한다. 여기서 모듈 불균형이 발생한 상태에서, 상기 마스터 모듈로부터 밸런싱 온 명령(릴레이 온 명령)이 수신되지 않으면 단계 S208과 같이 충방전 릴레이를 오프시킨다. 밸런싱 오프 명령을 수신한 슬레이브 모듈은 충방전 릴레이를 오프시켜 밸런싱을 수행하지 않는다.
이러한 본 발명은 마스터 모듈에서 모든 슬레이브 모듈들의 상태정보(전압, 전류, SOC)를 캔 통신과 같은 통신 방식으로 수신하고, 슬레이브 모듈들의 충전량을 기초로 슬레이브 모듈을 정렬시킨 후, 충전량 최대 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈과 충전량 최소 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈을 충방전 밸런싱 대상 모듈로 선택한다. 이어, 충방전 밸런싱 대상으로 선택한 충전량 최대 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈과 충전량 최소 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈에만 밸런싱을 위한 릴레이 온 명령을 전송하여 미리 설정된 일정시간만 충방전 밸런싱을 진행한다. 여기서 밸런싱은 충전량이 최대인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈에서 전류가 충전량이 최소인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈로 흘러, 충전량이 최소인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈이 충전되는 것을 의미한다.
이러한 과정은 마스터 모듈과 모든 슬레이브 모듈의 균형이 이루어질 때까지 반복적으로 이루어진다.
아울러 슬레이브 모듈은 자신의 상태를 주기적으로 체크하고, 마스터 모듈의 요청에 따라 상태 정보를 캔 통신을 통해 마스터 모듈에 전송한다. 여기서 폴트 상태가 발생한 슬레이브 모듈은 밸런싱에 참여하지 않는다.
이와 같이 복수의 에너지 저장 시스템(ESS)을 병렬로 연결하여 운용할 때, 충전량을 기준으로 두 개의 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈 간의 충방전 밸런싱을 수행함으로써, 기존과 같이 병렬 연결된 전체 에너지 저장 시스템이 동시에 동작하여 충방전 밸런싱을 수행함으로써 발생하는 발열 문제를 해결할 수 있다.
아울러 충방전 밸런싱을 기존과 같이 별도의 밸런싱 제어장치를 부가하지 않고 소프트웨어적으로만 구현함으로써, 병렬 연결되는 전체 에너지 저장 시스템의 구성을 단순화할 수 있으며, 동시에 소프트웨어에 의해 충방전 밸런싱을 구현함으로써, 밸런싱 제어장치가 필요 없어 에너지 저장 시스템의 원가 절감을 도모할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
100, 200, 100+(N-1), 100+N: 에너지 저장 시스템(ESS)
101: 퓨즈
102: 배터리 모듈
103: 배터리 컨트롤 유닛(BCU)
104: 배터리 컨트롤 유닛 드라이버
105: 전류 센서
106: 전력 제어기
107: 배터리 관리 시스템(BMS)
108: LED 디스플레이
109: 냉각부
110: 통신 모듈

Claims (7)

  1. 다수의 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)을 병렬로 연결하고, 특정의 에너지 저장 시스템을 마스터 모듈로 설정하며 나머지 에너지 저장 시스템을 슬레이브 모듈로 설정하여 충방전 밸런싱을 제어하는 방법으로서,
    (a) 상기 마스터 모듈에서 주기적으로 통신을 통해 마스터 모듈과 모든 슬레이브 모듈의 상태를 획득하는 단계;
    (b) 상기 마스터 모듈에서 획득한 마스터 모듈 및 슬레이브 모듈들의 상태를 확인하여 불균형 발생 유무를 확인하는 단계;
    (c) 상기 마스터 모듈에서 모듈 불균형에 마스터 모듈 자신이 포함되는지 확인하고, 충방전 릴레이 온(on)/오프(off)를 결정하는 단계;
    (d) 상기 마스터 모듈에서 상기 슬레이브 모듈들의 상태를 확인하여, 불균형이 발생하면 설정된 시간만큼 밸런싱을 진행하고 밸런싱을 정지시키는 단계; 및
    (e) 상기 마스터 모듈에서 상기 획득한 마스터 모듈 및 슬레이브 모듈들의 상태 정보를 기초로 밸런싱 대상 모듈을 선택하고, 선택한 밸런싱 대상 모듈의 충방전 릴레이만 선택적으로 온 상태로 제어하여 밸런싱을 진행시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법.
  2. 청구항 1에서, 상기 (c)단계에서 상기 마스터 모듈은,
    상기 (b)단계의 확인 결과 마스터 모듈 및 슬레이브 모듈의 불균형이 발생하지 않았으면, 마스터 모듈 및 모든 슬레이브 모듈의 충방전 릴레이를 온 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법.
  3. 청구항 1에서, (f) 상기 (d)단계에서 상기 마스터 모듈은 슬레이브 모듈의 불균형이 발생하지 않았으면, 모든 슬레이브 모듈의 충방전 릴레이를 온 상태로 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법.
  4. 청구항 1에서, 상기 (e)단계의 마스터 모듈은,
    슬레이브 모듈들의 충전량을 기초로 충전량이 최대인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈과 충전량이 최소인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈을 밸런싱 대상 모듈로 선택하는 것을 특징으로 하는 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법.
  5. 청구항 1에서, 상기 (e)단계의 마스터 모듈은,
    슬레이브 모듈들의 충전량을 기초로 충전량이 최대인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈과 충전량이 최소인 마스터 모듈 또는 슬레이브 모듈을 밸런싱 대상 모듈로 선택하되, 충전량이 최대인 슬레이브 모듈이 복수이면 충방전 횟수를 기준으로 밸런싱 대상 모듈을 결정하는 것을 특징으로 하는 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법.
  6. 청구항 1에서, 상기 (a)단계의 모든 슬레이브 모듈은,
    모듈에 결함이 없는 상태에서 전압, 전류 및 SOC를 포함하는 상태정보를 획득하고, 상기 마스터 모듈에서 상태 정보의 요청이 발생하면 획득한 상태 정보를 상기 마스터 모듈에 전송하는 것을 특징으로 하는 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법.
  7. 청구항 1에서, 상기 (e)단계에서 밸런싱 대상 모듈로 선택된 슬레이브 모듈은,
    상기 마스터 모듈에서 밸런싱 온 명령(CMD)을 수신하면 충방전 릴레이를 온하여 밸런싱을 진행하고, 밸런싱 오프 명령을 수신하면 충방전 릴레이를 오프하는 것을 특징으로 하는 ESS 병렬 운용 시 모듈간 밸런싱 제어방법.
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