KR20220152875A - 다수의 배터리 모듈을 병렬로 적층한 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법에 관한 것으로, 구체적으로 충방전 횟수나 사용상태 등이 서로 다른 배터리 모듈들을 병렬로 적층하여 구성되는 에너지 저장장치에서 충전시간을 최소화하며 방전효율을 높이기 위한 방법에 관한 것으로, 마스터 유닛이, 통신라인을 통해 적어도 하나의 슬레이브 유닛과 연결되면 상기 슬레이브 유닛으로부터 배터리 상태정보를 수신하는 단계; 상기 배터리 상태정보에 기초하여 충전이 요구되는 충전대상 슬레이브 유닛을 선택하는 단계; 상기 선택된 각각의 충전대상 슬레이브 유닛으로 공급될 충전전류를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 충전전류와 관련한 정보와 함께 제1충전 명령을 상기 충전대상 슬레이브 유닛으로 전송하는 단계와, 상기 충전대상 슬레이브 유닛이, 상기 충전명령에 따라 DC 버스와 연결을 위한 개별 스위치를 온(On)시키는 단계; 상기 DC 버스로부터 유입되는 유입전류가 상기 충전전류에 상응하도록 상기 유입전류를 제어하며, 상기 유입전류를 통해 배터리에 일정한 전류를 공급하는 단계; 및 상기 배터리의 전압이 설정된 기준 전압에 도달하면 충전정지 플래그를 상기 마스터 유닛으로 전송하고, 상기 개별 스위치를 오프(Off)시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

다수의 배터리 모듈을 병렬로 적층한 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법{METHOD FOR CHARGING AND DISCHARGING IN ENERGY STORAGE SYSTEM STACKING MULTIPLE BATTERY MODULES}
본 발명은 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법에 관한 것으로, 구체적으로 충방전 횟수나 사용상태 등이 서로 다른 배터리 모듈들을 병렬로 적층하여 구성되는 에너지 저장장치에서 충전시간을 최소화하며 방전효율을 높이기 위한 방법에 관한 것이다.
다수의 배터리 모듈을 병렬로 적층한 에너지 저장장치의 경우 각 배터리 모듈의 사용횟수나 사용기간 등의 차이로 인하여 개로전압(Open Circuit Voltage; OCV), 충전상태(State of Charge; SOC) 및 노화상태(State of Health) 등이 서로 달라질 수 있다.
이러한 배터리 모듈들이 병렬 연결된 상태에서 바로 충전을 하게 되면, 배터리 모듈 사이에 고전류가 흐르거나 스파크가 발생하여 에너지 저장장치가 손상될 우려가 있다. 이를 방지하기 위해 충전 전원을 인가하기 앞서 각 배터리 모듈들 간의 개로전압(OCV)을 균일화하는 모듈 밸런싱이 수행될 수 있다.
그러나 이러한 모듈 밸런싱의 경우, 연결된 배터리 모듈들의 개로전압이 안정상태가 될 때까지 수 십분 혹은 수 시간 동안 기다려야 하기 때문에 충/방전에 많은 시간이 소요될 수 있는 문제가 있으며, 사용되는 배터리 모듈은 서로 비슷한 스펙을 가질 것을 전제로 하므로 제조사 및 사용기간, 충방전 횟수가 서로 다른 재사용 배터리 모듈을 슬레이브 유닛으로 사용하는데 제한이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 다수의 배터리 모듈을 적층한 에너지 저장장치에 있어서, 각각의 배터리 모듈별로 여러 대의 충전기를 사용하지 않으면서도 충전에 앞서 수행되는 모듈밸런싱 과정을 생략함으로써 보다 빠른 시간내에 배터리 모듈을 충전할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
또한, 다수의 배터리 모듈을 적층한 에너지 저장장치에 있어서, 모든 배터리 모듈이 완충상태가 아닌 각기 다른 충전상태를 갖는 경우에도 방전 가능한 수준의 배터리 모듈을 사용하여 효율적으로 방전할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 충방전 횟수나 사용상태 등이 서로 다른 복수의 배터리 모듈을 병렬로 적층하여 구성되는 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법으로서,
마스터 유닛이, 통신라인을 통해 적어도 하나의 슬레이브 유닛과 연결되면 상기 슬레이브 유닛으로부터 배터리 상태정보를 수신하는 단계; 상기 배터리 상태정보에 기초하여 충전이 요구되는 충전대상 슬레이브 유닛을 선택하는 단계; 상기 선택된 각각의 충전대상 슬레이브 유닛으로 공급될 충전전류를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 충전전류와 관련한 정보와 함께 제1충전 명령을 상기 충전대상 슬레이브 유닛으로 전송하는 단계와,
상기 충전대상 슬레이브 유닛이, 상기 충전명령에 따라 DC 버스와 연결을 위한 개별 스위치를 온(On)시키는 단계; 상기 DC 버스로부터 유입되는 유입전류가 상기 충전전류에 상응하도록 상기 유입전류를 제어하며, 상기 유입전류를 통해 배터리에 일정한 전류를 공급하는 단계; 및 상기 배터리의 전압이 설정된 기준 전압에 도달하면 충전정지 플래그를 상기 마스터 유닛으로 전송하고, 상기 개별 스위치를 오프(Off)시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 충전에 앞서 모듈 밸런싱을 수행하지 않고 마스터 유닛의 제어에 따라 슬레이브 배터리 모듈의 개별적인 충전 및 방전이 진행됨으로써, 배터리 모듈의 충전 속도를 보다 빠르게 할 수 있으며 효율적인 방전이 가능한 장점이 있다.
또한, 마스터 유닛이 각 슬레이브 모듈을 독립적으로 제어함으로써, 제조사나 사용기간 및 충방전 횟수 등의 사용 이력이 서로 다른 배터리 모듈들을 슬레이브 유닛으로 구성하여 에너지 저장장치로 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 제어부의 주요 구성에 관한 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 충전과정을 나타내는 플로우차트이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 충전과정을 나타내는 플로우차트이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 방전과정을 나타내는 플로우차트이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 방전과정을 나타내는 플로우차트이다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장장치(10)는 마스터 유닛(100)과 복수의 슬레이브 유닛(200)을 포함하여 구성될 수 있다.
마스터 유닛(100)은 연결된 각 슬레이브 유닛(200)의 충전 및 방전을 위한 전반적인 제어를 수행할 수 있다, 슬레이브 유닛(200)은 넓은 의미에서 배터리 모듈을 의미할 수 있으며, 각각의 제조사나 사용 이력이 서로 다른 배터리 모듈로 구성될 수 있다.
실시 예에 따라, 마스터 유닛(100)과 슬레이브 유닛(200)은 도 1에 도시된 바와 같이 수직 방향으로 적층될 수 있다. 적층되는 슬레이브 유닛(200)의 개수는 제한이 없으며, 필요에 따라 슬레이브 유닛(200)을 추가하거나 제거함으로써 전체 배터리 용량을 쉽게 조절할 수 있다.
마스터 유닛(100)과 슬레이브 유닛(200)의 상부 및/또는 하부에는 DC 버스와 연결되는 (+)단자와 (-)단자, 그리고 통신 라인과 연결되는 통신(com) 단자가 마련될 수 있다. 각각의 단자들은 슬라이딩 및 끼움 방식으로 체결될 수 있으며, 이에 따라 마스터 유닛(100)과 슬레이브 유닛(200), 및 슬레이브 유닛들(200)이 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있으나, 본 발명에서 슬레이브 유닛(200)은 서로 병렬 연결되어 작동되는 것을 전제한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이고, 도 3은 도 2의 제어부의 주요 구성에 관한 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 마스터 유닛(100)은 통신부(110), 저장부(120), 센싱부(130), 메인 스위치(135), 디스플레이 및 조작부(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다.
통신부(110)는 통신 라인(COM)을 통해 슬레이브 유닛(200)으로부터 각종 데이터를 수신하거나 슬레이브 유닛(200)으로 데이터 및 명령을 전송할 수 있다. 통신 방식은 CAN(Controller Area Network)이나 TCP/IP를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 다양한 유무선 통신 방식을 적용할 수 있다.
저장부(120)는 에너지 저장장치의 작동과 관련한 프로그램 및 다양한 정보들이 저장될 수 있다. 예컨대, 저장부(120)에는 각 슬레이브 유닛의 배터리 상태정보, 즉 충전량(State of Charge; SOC), 잔존수명(State of Health), 개로전압(Open Circuit Voltage; OCV), 충전 최대전압 등이 저장될 수 있으며, 그 밖에 충전 모드에 따른 충전 공급전류나 충전 및 방전이 수행되는 동안 각 슬레이브 유닛(200)으로부터 실시간 제공되는 다양한 상태정보 등이 저장될 수 있다.
센싱부(130)는 DC 버스 상의 전류 및/또는 전압을 측정하며 측정된 값을 제어부(150)로 제공할 수 있다.
메인 스위치(135)는 제어부(150)의 제어에 따라 온(On) 또는 오프(Off)될 수 있으며, DC 버스를 통해 마스터 유닛(100)과 슬레이브 유닛(200)을 연결하거나 연결을 차단할 수 있다.
디스플레이 및 조작부(140)는 에너지 저장장치(10)의 작동에 따른 충전 및 방전과 관련한 다양한 정보를 사용자에게 제공하며, 사용자로부터 다양한 설정이나 모드 선택 등을 입력받기 위한 버튼이나 터치패드를 포함할 수 있다.
제어부(150)는 에너지 저장장치(10)의 작동을 위한 전반적인 제어를 수행할 수 있다. 특히, 제어부(150)는 슬레이브 유닛(200)의 배터리 상태에 따라 충전 및 방전을 개별적으로 제어할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제어부(150)는 배터리 상태정보 수집부(151), 충전대상 슬레이브 유닛 선택부(152), 충전전류 결정부(153), 방전대상 슬레이브 유닛 선택부(154) 및 방전전류 결정부(155)를 포함할 수 있다.
배터리 상태정보 수집부(151)는 슬레이브 유닛(200)의 연결 상태를 확인하고, 정상 연결이 확인된 슬레이브 유닛(200)에 배터리 상태정보를 요청하여 수집할 수 있다.
배터리 상태정보는 충전량(State of Charge; SOC), 잔존수명(State of Health), 개로전압(Open Circuit Voltage; OCV), 배터리 온도, 충전 최대전압, 방전 종료전압, 최대 방전전류, 충전 중지전류 등을 포함할 수 있으며, 그 밖에 제조사, 배터리 모델명, 배터리 구성, 공칭용량, 최소용량, 에너지 용량, 충전 전압, 동작 전압 등의 배터리 사양에 관한 다양한 정보를 포함할 수 있다.
또한, 배터리 상태정보 수집부(151)는 충전 또는 방전 진행 중에 슬레이브 유닛(200)으로부터 충전 상태정보 또는 방전 상태정보를 주기적으로 수신하여 저장할 수 있다.
충전 상태정보는 DC 버스로부터 유입되는 유입전류(In), 충전상태(예컨대, 충전정지, 충전완료 등) 플래그, 배터리 전압, 전류, 온도 및 충전량 등을 포함할 수 있으며, 방전 상태정보 DC 버스로 유출되는 유출전류(Io), 방전상태(예컨대, 방전종료 등) 플래그, 배터리 전압, 전류, 온도 및 충전량 등을 포함할 수 있다.
충전대상 슬레이브 유닛 선택부(152)는 배터리 상태정보에 기초하여 연결된 슬레이브 유닛(200) 중에서 충전이 필요한 충전대상 슬레이브 유닛을 선택할 수 있다.
실시 예에 따라, 충전대상 슬레이브 유닛 선택부(152)는 각 슬레이브 유닛의 배터리 전압과 설정된 제1기준 전압, 예컨대 최대 충전전압을 비교하여 충전대상 여부를 결정할 수 있으며, 이 경우 충전량(SOC)나 잔존수명(SOH) 등을 참고할 수 있다.
충전전류 결정부(152)는 각 충전대상 슬레이브 유닛(200)으로 공급될 충전전류(Ic)를 결정할 수 있으며, 결정된 충전전류(Ic) 정보를 충전대상 슬레이브 유닛(200)으로 전송할 수 있다.
실시 예에 따라, 충전전류(Ic)는 충전 모드(예컨대, 완속 또는 급속)에 따라 DC 버스에 흐르는 전체 공급전류(Is)와 충전대상 슬레이브 유닛(200)의 개수(Nc)를 이용하여 아래의 [수학식 1]에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 1]
충전전류(Ic) = 전체 공급전류(Is) / 충전대상 슬레이브 유닛의 개수(Nc)
다른 실시 예에 따라, 충전전류(Ic)는 충전 모드에 따라 DC 버스로 공급되는 전체 공급전류(Is)와 충전대상 슬래이브 유닛의 배터리 상태정보에 기초하여 각 슬레이브 유닛마다 서로 다르게 결정될 수 있다.
충전전류 결정부(152)는 충전 진행 중 각 충전대상 슬레이브 유닛(200)에서의 충전전류(Ic)와 실제 DC 버스에서 각각의 충전대상 슬레이브 유닛(200)으로 유입되는 유입전류(In)를 비교할 수 있으며, 일정한 범위 이상의 차이가 있는 경우 해당 슬레이브 유닛에 유입전류(In)의 증가 또는 감소를 위한 제어 명령을 전송할 수 있다.
또한, 충전전류 결정부(152)는 적어도 하나의 충전대상 슬레이브 유닛(200)으로부터 충전정지 플래그를 수신하거나 새로운 충전대상 슬레이브 유닛(200)이 편입되어 충전대상 슬레이브 유닛(200)의 개수가 변경되거나, 또는 충전모드 변경 등에 따른 전체 공급전류(Is)가 변경되는 경우 충전전류(Ic)를 다시 산출하여 재결정할 수 있다.
방전대상 슬레이브 유닛 선택부(154)는 배터리 상태정보에 기초하여 연결된 슬레이브 유닛(200) 중에서 방전이 가능한 방전대상 슬레이브 유닛을 선택할 수 있다.
실시 예에 따라, 방전대상 슬레이브 유닛 선택부(154)는 각 슬레이브 유닛의 배터리 전압과 설정된 제2기준 전압, 예컨대 최대 충전전압을 비교하여 방전대상 여부를 결정할 수 있으며, 이 경우 충전량(SOC)나 잔존수명(SOH) 등을 참고할 수 있다.
방전전류 결정부(155)는 각 방전대상 슬레이브 유닛(200)에서 공급될 방전전류(Id)를 결정할 수 있으며, 결정된 방전전류(Id) 정보를 방전대상 슬레이브 유닛(200)으로 전송할 수 있다.
실시 예에 따라, 방전전류(Id)는 출력부를 통해 연결된 부하(Load)에 따라 방전대상 슬레이브 유닛(200)에서 DC 버스로 제공될 전체 수요전류(Im)와 방전대상 슬레이브 유닛(200)의 개수(Nd)를 이용하여 아래의 [수학식 2]에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 2]
방전전류(Id) = 전체 수요전류(Im) / 방전대상 슬레이브 유닛의 개수(Nd)
다른 실시 예에 따라, 방전전류(Id)는 DC 버스로 제공될 전체 수요전류(Im)와 방전대상 슬래이브 유닛의 배터리 상태정보에 기초하여 각 슬레이브 유닛마다 서로 다르게 결정될 수 있다.
방전전류 결정부(155)는 방전 진행 중 각 방전대상 슬레이브 유닛(200)에서의 방전전류(Id)와 실제 각각의 충전대상 슬레이브 유닛(200)에서 DC 버스로 유출되는 유출전류(Io)를 비교할 수 있으며, 일정한 범위 이상의 차이가 있는 경우 해당 슬레이브 유닛에 유출전류(Io)의 증가 또는 감소를 위한 제어 명령을 전송할 수 있다.
또한, 방전전류 결정부(155)는 적어도 하나의 방전대상 슬레이브 유닛(200)으로부터 방전종료 플래그를 수신하거나 새로운 방전대상 슬레이브 유닛(200)이 편입되어 방전대상 슬레이브 유닛(200)의 개수가 변경되는 경우 방전전류(Id)를 다시 산출하여 재결정할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 슬레이브 유닛(200)은 배터리(210), 배터리 관리시스템(220), 전력변환시스템(230), 통신부(240) 및 개별 스위치(250)를 포함할 수 있다.
배터리(210)는 전기 에너지를 충전 및 방전하여 사용할 수 있는 2차전지의 기본 단위인 베터리 셀(Cell)을 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체를 의미할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 각 슬레이브 유닛의 배터리(210)는 성능이나 제조사, 충전용량, 공칭전압 등의 초기 스펙이 서로 상이한 것으로 구성될 수 있으며, 나아가 사용횟수나 사용상태 등이 달라 배터리 상태정보, 예컨대 충전량(State of Charge, SOC), 잔존수명(State of Health, SOH), 개로전압(Open Circuit Voltage, OCV) 등에도 차이가 있을 수 있다.
배터리 관리시스템(220)은 베터리 셀의 전압 밸런싱을 통해 안정적이고 효율적인 충전 및 방전이 이루어지도록 관리하며, 배터리 전류, 전압, 온도 등을 센싱하여 충전상태(SOC) 및 노화상태(SOH)를 예측하고 이를 모니터링하는 기능을 수행할 수 있다.
또한, 배터리 관리시스템(220)은 배터리 상태정보, 충전 및 방전 진행상태 정보 및 각종 플래그 신호(예컨대, 충전정지 플래그, 충전완료 플래그, 방전종료 플래그 등)를 마스터 유닛(100)으로 전송할 수 있다.
전력변환시스템(230)은 배터리 모듈(210)과 DC 버스 사이에 연결될 수 있으며, 배터리(210)의 충전 및 방전에 필요한 전력변환 이외에 여러 기능을 수행할 수 있다.
전력변환시스템(230)은 마스터 유닛(100)의 제어 명령에 따라, 충전전류(Ic)에 기초하여 DC 버스에서 유입되는 유입전류(In)를 제어하거나, 방전전류(Id)에 기초하여 DC 버스로 유출되는 유출전류(Io)를 제어할 수 있다.
또한, 전력변환시스템(230)은 마스터 유닛(100)의 제어 명령에 따라, 배터리(210) 양단에 일정한 전압이 인가되도록 제어할 수 있다.
통신부(240)는 통신 라인(COM)을 통해 마스터 유닛(100)과 연결되며, 배터리 관리시스템(220) 및 전력변환시스템(230)이 수집한 데이터를 마스터 유닛(100)으로 제공하거나, 마스터 유닛(110)이 전송한 명령 및 데이터를 배터리 관리시스템(220) 또는 전력변환시스템(230)으로 제공할 수 있다.
개별 스위치(250)는 전력변환시스템(230)과 DC 버스 사이에 설치될 수 있으며, 전력변환시스템(230)의 제어에 따라 슬레이브 유닛(200)을 DC 버스와 연결하거나 연결을 차단하는 역할을 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 충전과정을 나타내는 플로우차트이다.
도 4를 참조하면, 사용자는 마스터 유닛(100)에 필요한 개수의 슬레이브 유닛(200)을 결합하여 병렬로 연결할 수 있다(S10). 이때 마스터 유닛(100)과 슬레이브 유닛(200)은 통신 라인(COM)을 통해 연결되며, DC 버스 상의 연결은 차단된 상태에 있다. 즉, 마스터 유닛(100)의 메인 스위치(135)는 온(On) 상태에 있으나, 각 슬레이브 유닛(200)의 개별 스위치(250)는 오프(Off) 상태를 유지한다.
마스터 유닛(100)은, 슬레이브 유닛(200)과의 연결을 확인한 후, 각 슬레이브 유닛(200)으로 배터리 상태정보를 요청할 수 있으며(S21), 각 슬레이브 유닛(200)은 요청에 응답하여 자신의 배터리 상태정보를 마스터 유닛(100)으로 전송할 수 있다(S22).
배터리 상태정보는 충전량(State of Charge; SOC), 잔존수명(State of Health), 개로전압(Open Circuit Voltage; OCV), 배터리 온도, 충전 최대전압, 방전 종료전압, 최대 방전전류, 충전 중지전류 등을 포함할 수 있으며, 그 밖에 제조사, 배터리 모델명, 배터리 구성, 공칭용량, 최소용량, 에너지 용량, 충전 전압, 동작 전압 등의 배터리 사양에 관한 다양한 정보를 포함할 수 있다.
사용자는 마스터 유닛(100)에 결합되는 슬레이브 유닛(200)의 개수를 언제든 필요에 따라 변경하여 사용할 수 있으므로, 마스터 유닛(100)과 연결된 각 슬레이브 유닛(200)의 배터리 상태정보는 서로 다를 수 있다. 예컨대, 총 5개의 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-5)이 마스터 유닛(100)과 연결되었다고 가정할 때, 제1슬레이브 유닛(250-1) 내지 제3슬레이브 유닛(250-3)의 배터리는 일부 또는 전부 방전되어 충전이 필요한 상태일 수 있으며, 제4슬레이브 유닛(250-4) 내지 제5슬레이브 유닛(250-5)의 배터리는 충전 후 사용되지 않아 완전 충전상태일 수 있다.
마스터 유닛(100)과 슬레이브 유닛(200)이 연결된 후, 사용자는 조작부를 통해 완속 또는 급속의 충전 모드를 선택하여 충전 속도를 결정할 수 있으며(S30), 이에 따라 마스터 유닛(100)은 슬레이브 유닛(200)에 대한 충전 프로세스를 시작할 수 있다.
마스터 유닛(100)은 먼저 배터리 상태정보에 기초하여 충전이 필요한 슬레이브 유닛(200) 즉, 충전대상 슬레이브 유닛을 선택할 수 있다(S41).
실시 예에 따라, 마스터 유닛(100)은 배터리 단자 전압이 미리 설정된 기준값(예컨대, 최대 충전전압) 이하에 있는 슬레이브 유닛(200)을 충전대상 슬레이브 유닛으로 선택할 수 있다.
예컨대, 마스터 유닛(100)은 앞선 예의 5개의 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-5) 중에서 배터리 단자 전압이 최대 충전전압보다 낮은 3개의 슬레이브 유닛, 예컨대 제1슬레이브 유닛(200-1) 내지 제3슬레이브 유닛(200-3)을 충전대상 슬레이브 유닛으로 선택할 수 있다.
충전대상 슬레이브 유닛이 선택된 후, 마스터 유닛(100)은 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3) 각각으로 공급될 충전전류(Ic)를 산출하여 결정할 수 있다(S42).
실시 예에 따라, 충전전류(Ic)는 충전모드에 따라 DC 버스 상에서 공급되는 전체 공급전류(Is)와 충전대상 슬래이브 유닛의 개수(EA)에 기초하여 결정될 수 있다.
예컨대, 급속 충전모드에 따라 DC 버스로 공급되는 전체 공급전류(Is)가 30A라고 가정할 때, 충전전류는 전체 공급전류(Is)를 충전대상 슬레이브 유닛의 개수(EA)인 3개로 나눈 10A로 결정될 수 있다.
충전전류가 결정되면, 마스터 유닛(100)은 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)으로 제1충전명령을 전송할 수 있다(S50). 본 발명의 실시 예에서 충전은 정전류/정전압(CC/CV) 방식을 적용하였으며, 제1충전은 정전류(CC) 충전을 제2충전은 정전압(CV) 충전을 의미할 수 있다.
이하, 각각의 충전대상 슬레이브 유닛의 작동은 서로 유사하며, 제1충전대상 슬레이브 유닛(200-1)을 기준으로 설명하기로 한다.
제1충전대상 슬레이브 유닛(200-1)은 제1충전명령에 따라 DC 버스와 연결을 위한 개별 스위치(250-1)를 온(On)시켜 충전을 시작할 수 있다(S51). 이때, 제1충전대상 슬레이브 유닛(200-1)은 앞서 결정된 충전전류(Ic)에 상응하여 DC 버스로부터 유입되는 유입전류(In)가 일정하게 유지될 수 있도록 전력변환시스템(250-1)을 제어할 수 있다(S52).
한편, 충전이 진행되는 동안 제1충전대상 슬레이브 유닛(200-1)은 유입전류, 충전상태 플래그, 배터리 전압, 전류, 온도 및 충전량 등을 포함하는 충전 상태정보를 상기 마스터 유닛(100)으로 일정 시간마다 전송할 수 있다(S53).
제1충전대상 슬레이브 유닛(200-1)은 충전이 진행됨에 따라 배터리 전압이 설정된 기준값(예컨대, 충전 최대전압)에 도달되면 제1충전 종료를 알리는 충전정지 플래그를 마스터 유닛(100)으로 전송하고(S71), 개별 스위치(250-1)를 오프(Off)시킴으로써 충전을 정지할 수 있다(S72).
이와 같이, 제1충전명령에 따라 모든 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)의 배터리 전압이 기준값에 도달하여 충전 정지상태에 있는 경우, 마스터 유닛(100)은 제2충전명령을 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)으로 전송할 수 있다(S80).
제1충전대상 슬레이브 유닛(200-1)은 제2충전명령에 따라 DC 버스와의 연결을 위한 개별 스위치(250-1)를 다시 온(On)시키고, 전력변환시스템(250-1)을 이용하여 배터리에 일정한 단자 전압을 인가할 수 있다(S92).
이후 배터리에 흐르는 전류가 설정된 기준전류(예컨대, 충전중지 전류) 이하로 떨어지면, 제1충전대상 슬레이브 유닛(200-1)은 제2충전 종료를 알리는 충전완료 플래그를 마스터 유닛(100)으로 전송하고, 개별 스위치(250-1)를 오프(Off)시킬 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 충전과정을 나타내는 플로우차트이다.
이하의 도 5 내지 도 7의 실시 예에서는 앞서 도 4에서 설명한 실시 예와 중복되는 부분은 생략하고 추가 및 변경되는 부분만을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 단계 S50의 제1충전명령에 따라 각각의 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)은 DC 버스로부터 유입되는 유입전류(In)를 제어하여 배터리 충전을 시작하게 되는데, 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)은 각자 서로 다른 배터리 상태를 가질 수 있으므로 충전에 걸리는 시간이 충전대상 슬레이브 유닛마다 차이가 있을 수 있다.
따라서, 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)이 충전정지 플래그를 전송하는 시점은 각기 다를 수 있으며, 마스터 유닛(100)은 먼저 제1충전을 마친 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)으로부터 충전정지 플래그를 수신한 경우(S61), 앞서 결정된 충전전류(Ic)를 다시 산출하여 재결정할 필요가 있다.
예컨대, 충전 진행 중에 제3충전대상 슬레이브 유닛(200-3)이 충전정지 플래그를 마스터 유닛(100)으로 전송한 경우, 제1충전이 진행되고 있는 전체 충전대상 슬레이브 유닛의 개수는 2개로 변경되므로, 이에 따라 마스터 유닛(100)은 충전전류(Ic)를 재결정할 수 있으며(S65), 재결정에 따른 충전전류 변경 정보를 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 및 200-2)으로 전송할 수 있다(S66).
이에 따라, 충전 진행 중인 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 및 200-2)은 재결정된 충전전류(Ic)에 기초하여 전력변환시스템(250-1 및 250-2)을 통해 DC 버스로부터 유입되는 유입전류(In)를 제어하게 되며, 더 많은 전류를 배터리로 공급함으로써 충전 속도를 높일 수 있게 된다(S67).
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 저장 장치(10)에서 제1충전이 진행되는 동안 새로운 제6슬레이브 유닛(200-6)이 추가로 결합될 수 있다(S62). 이 경우, 마스터 유닛(100)은 단계 S10, S21 및 S22의 과정을 통해 추가된 제6슬레이브 유닛(200-6)의 배터리 상태정보를 수집할 수 있으며, 충전대상 슬레이브 유닛에 편입시킬 것인지 여부를 판단할 수 있다.
이후, 추가된 슬레이브 유닛에 충전이 필요한 것으로 판단된 경우, 마스터 유닛(100)은 전체 충전대상 슬레이브 유닛의 개수 변경으로 인한 충전전류(Ic)를 다시 산출하여 재결정할 수 있다(S65).
재결정된 충전전류(Ic)에 관한 정보는 충전 진행 중인 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)과 새로 추가된 슬레이브 유닛(200-6)으로 전송되며(S66), 이에 따라 각 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3, 및 200-6)은 재결정된 충전전류(Ic)에 따라 유입전류(In)를 제어하여 충전을 시작하거나 계속 진행하게 된다(S67).
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 저장장치(10)에서 충전진행 중에 사용자의 조작에 따라 충전모드가 변경될 수 있다. 예컨대, 완속 충전모드에서 급속 충전모드로 변경되거나 반대로 급속 충전모드에서 완속 충전모드로 변경될 수 있으며, 이에 따라 DC 버스 상의 공급전류(Is)가 달라질 수 있다(S63).
이 경우, 도 5 및 도 6의 실시 예와 마찬가지로 마스터 유닛(100)은 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)으로 공급되는 충전전류(Ic)를 다시 산출하여 재결정할 수 있으며, 충전전류(Ic) 변경 정보를 각 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)으로 전송할 수 있다. 이에 따라 각 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)은 재결정된 충전전류(Ic)에 따라 유입전류(In)를 제어하여 충전을 계속 진행하게 된다(S67).
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 방전과정을 나타내는 플로우차트이다.
도 8을 참조하면, 사용자는 마스터 유닛(100)에 필요한 개수의 슬레이브 유닛(200)을 결합하여 병렬로 연결할 수 있다(S110). 이때 마스터 유닛(100)과 슬레이브 유닛(200)은 통신 라인(COM)을 통해 연결되며, DC 버스 상의 연결은 차단된 상태에 있다. 즉, 마스터 유닛(100)의 메인 스위치(135)는 온(On) 상태에 있으나, 각 슬레이브 유닛(200)의 개별 스위치(250)는 오프(Off) 상태를 유지한다.
마스터 유닛(100)은, 슬레이브 유닛(200)과의 연결을 확인한 후, 각 슬레이브 유닛(200)으로 배터리 상태정보를 요청할 수 있으며(S121), 각 슬레이브 유닛(200)은 요청에 응답하여 자신의 배터리 상태정보를 마스터 유닛(100)으로 전송할 수 있다(S122).
슬레이브 유닛(200)의 배터리 상태정보가 수집된 후, 사용자는 에너지 저장장치(10)의 출력부를 통해 사용될 부하를 연결할 수 있으며(S130), 이에 따라 마스터 유닛(100)은 슬레이브 유닛(200)에 대한 방전 프로세스를 시작할 수 있다.
마스터 유닛(100)은 먼저 배터리 상태정보에 기초하여 방전이 필요한 슬레이브 유닛(200) 즉, 방전대상 슬레이브 유닛을 선택할 수 있다(S141).
실시 예에 따라, 마스터 유닛(100)은 배터리 단자 전압이 미리 설정된 기준값 이상인 슬레이브 유닛(200)을 방전대상 슬레이브 유닛으로 선택할 수 있다.
예컨대, 마스터 유닛(100)은 5개의 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-5) 중에서 배터리 단자 전압이 최대 충전전압의 70% 이상인 4개의 슬레이브 유닛, 예컨대 제1슬레이브 유닛(200-1) 내지 제3슬레이브 유닛(200-4)을 방전대상 슬레이브 유닛으로 선택할 수 있다.
방전대상 슬레이브 유닛이 선택된 후, 마스터 유닛(100)은 방전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-4) 각각에서 제공될 방전전류(Id)를 산출하여 결정할 수 있다(S142).
실시 예에 따라, 방전전류(Id)는 연결된 부하에 상응하여 방전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-4)에서 DC 버스를 통해 제공되는 전체 수요전류(Im)과 방전대상 슬래이브 유닛의 개수(EA)에 기초하여 결정될 수 있다.
예컨대, 전체 수요전류(Im)가 30A라고 가정할 때, 방전전류(Id)는 전체 수요전류(Im)를 방전대상 슬레이브 유닛의 개수(EA)인 3개로 나눈 10A로 결정될 수 있다.
방전전류가 결정되면, 마스터 유닛(100)은 방전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-4)으로 방전명령을 전송할 수 있다(S150). 이하, 각각의 방전대상 슬레이브 유닛의 작동은 서로 유사하며, 제1방전대상 슬레이브 유닛(200-1)을 기준으로 설명하기로 한다.
제1방전대상 슬레이브 유닛(200-1)은 방전명령에 따라 DC 버스와 연결을 위한 개별 스위치(250-1)를 온(On)시켜 방전을 시작할 수 있다(S51). 이때, 제1방전대상 슬레이브 유닛(200-1)은 앞서 결정된 방전전류(Id)에 따라 DC 버스로 유출되는 유출전류(Io)가 일정하게 유지될 수 있도록 전력변환시스템(250-1)을 제어할 수 있다(S152).
한편, 방전이 진행되는 동안 제1방전대상 슬레이브 유닛(200-1)은 유출전류, 방전상태 플래그, 배터리 전압, 전류, 온도 및 충전량 등을 포함하는 방전 상태정보를 상기 마스터 유닛(100)으로 일정 시간마다 전송할 수 있다(S153).
또한, 제1방전대상 슬레이브 유닛(200-1)은 방전이 진행됨에 따라 배터리 전압이 설정된 기준값(예컨대, 방전 종료전압)에 도달하면 방전종료 플래그를 마스터 유닛(100)으로 전송하고(S171), 개별 스위치(250-1)를 오프(Off)시킴으로써 방전을 종료할 수 있다(S172).
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 방전과정을 나타내는 플로우차트이다.
이하의 도 9의 실시 예에서는 앞서 도 8에서 설명한 실시 예와 중복되는 부분은 생략하고 추가 및 변경되는 부분만을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 9를 참조하면, 단계 S150의 방전명령에 따라 각각의 방전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-4)은 DC 버스로 유출되는 유출전류(Io)를 제어하여 배터리 방전을 시작하게 되는데, 방전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-4)은 각각 서로 다른 배터리 상태를 가질 수 있으므로, 방전을 지속할 수 있는 시간이 방전대상 슬레이브 유닛마다 차이가 있을 수 있다.
따라서, 방전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-4)이 방전종료 플레그를 전송하는 시점은 각기 다를 수 있으며, 마스터 유닛(100)은 먼저 방전 종료된 충전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)으로부터 방전종료 플래그를 수신한 경우(S161), 앞서 결정된 방전전류(Id)를 다시 산출하여 재결정할 필요가 있다.
예컨대, 방전 진행 중에 제4방전대상 슬레이브 유닛(200-4)이 방전종료 플래그를 마스터 유닛(100)으로 전송한 경우, 전체 방전이 진행되는 방전대상 슬레이브 유닛의 개수는 변경되므로, 이에 따라 마스터 유닛(100)은 방전전류(Id)를 재결정할 수 있으며(S65), 재결정에 따른 방전전류 변경 정보를 방전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)으로 전송할 수 있다(S166).
이에 따라, 방전 중인 방전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)은 재결정된 방전전류(Id)에 기초하여 전력변환시스템(250-1 내지 250-3)을 통해 DC 버스로 유출되는 유출전류(Io)를 제어하게 된다(S67).
한편, 방전전류(Id)의 재결정에 따라 방전대상 슬레이브 유닛(200-1 내지 200-3)의 유출전류(Io)는 증가될 수 있으며, 유출전류(Io)가 설정된 기준값(예컨대, 최대 방전전류)을 초과하는 경우, 방전대상 슬레이브 유닛은 과방전 방지를 위해 방전종료 플래그를 마스터 유닛(100)에 전송하고, 개별 스위치(250-1)를 오프(Off)시킴으로써 방전을 종료할 수 있다(S172).
이상에서, 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 에너지 저장장치 100 : 마스터 유닛
110 : 통신부 120 : 저장부
130 : 센싱부 135 : 메인 스위치
140 : 디스플레이 및 조작부 150 : 제어부
200 : 슬레이브 유닛 210 : 배터리
220 : 배터리 관리시스템 230 : 전력변환시스템
240 : 통신부 250 : 개별 스위치

Claims (8)

  1. 충방전 횟수나 사용상태 등이 서로 다른 복수의 배터리 모듈을 병렬로 적층하여 구성되는 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법에 있어서,
    마스터 유닛이,
    통신라인을 통해 적어도 하나의 슬레이브 유닛과 연결되면 상기 슬레이브 유닛으로부터 배터리 상태정보를 수신하는 단계;
    상기 배터리 상태정보에 기초하여 충전이 요구되는 충전대상 슬레이브 유닛을 선택하는 단계;
    상기 선택된 충전대상 슬레이브 유닛 각각으로 공급될 충전전류를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 충전전류와 관련된 정보와 함께 제1충전 명령을 상기 충전대상 슬레이브 유닛으로 전송하는 단계와,
    상기 충전대상 슬레이브 유닛이,
    상기 제1충전 명령에 따라 DC 버스와 연결을 위한 개별 스위치를 온(On)시키는 단계;
    상기 DC 버스로부터 유입되는 유입전류가 상기 충전전류에 상응하도록 상기 유입전류를 제어하며, 상기 유입전류를 통해 배터리에 일정한 전류를 공급하는 단계; 및
    상기 배터리의 전압이 설정된 기준전압에 도달하면 충전정지 플래그를 상기 마스터 유닛으로 전송하고, 상기 개별 스위치를 오프(Off)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    배터리 충전 속도와 관련된 급속 또는 완속 충전모드를 입력받는 단계를 더 포함하며,
    상기 충전전류는 상기 충전모드에 따라 미리 정해져 상기 충전대상 슬레이브 유닛 전체로 공급되는 전체 공급전류와 상기 충전대상 슬레이브 유닛의 개수에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전대상 슬레이브 유닛은,
    충전이 진행되는 동안 상기 유입전류, 충전상태 플래그, 배터리 단자전압 및 충전량을 포함하는 충전 상태정보를 상기 마스터 유닛으로 일정 시간마다 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 마스터 유닛은,
    충전이 진행되는 동안 상기 충전전류를 변경하여 재결정하는 단계; 및
    상기 재결정된 충전전류에 따른 제어명령을 상기 충전대상 슬레이브 유닛으로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충전대상 슬레이브 유닛은,
    상기 제어명령에 따라 상기 유입전류가 상기 재결정된 충전전류에 상응하도록 상기 유입전류를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 마스터 유닛은,
    상기 충전정지 플래그를 적어도 하나의 충전대상 슬레이브 유닛으로부터 수신하거나, 충전 진행 중에 새로이 추가된 슬레이브 유닛이 상기 충전대상 슬레이브 유닛으로 편입되거나, 상기 충전 모드가 변경된 경우 상기 충전전류를 변경하여 재결정하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 유닛이,
    연결된 모든 충전대상 슬레이브 유닛으로부터 상기 충전정지 플래그를 수신한 경우, 상기 충전대상 슬레이브 유닛에 제2충전 명령을 전송하는 단계;
    상기 충전대상 슬레이브 유닛이,
    상기 제2충전 명령에 응답하여 상기 개별 스위치를 다시 온(On)시키고, 상기 배터리에 일정한 단자 전압을 인가하는 단계; 및
    상기 배터리로 흐르는 전류가 설정된 기준전류보다 작아지면 충전완료 플래그를 상기 마스터 유닛으로 전송하고, 상기 개별 스위치를 오프(Off)시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법.
  8. 충방전 횟수나 사용상태 등이 서로 다른 복수의 배터리 모듈을 병렬로 적층하여 구성되는 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법에 있어서,
    마스터 유닛이,
    통신라인을 통해 연결된 적어도 하나의 슬레이브 유닛으로부터 배터리 상태정보를 수신하는 단계;
    상기 배터리 상태정보에 기초하여 방전 가능한 수준에 있는 방전대상 슬레이브 유닛을 선택하는 단계;
    상기 선택된 각각의 방전대상 슬레이브 유닛으로부터 공급받을 방전전류를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 방전전류와 관련된 정보와 함께 상기 방전대상 슬레이브 유닛으로 방전 명령을 전송하는 단계와,
    상기 방전대상 슬레이브 유닛이,
    상기 방전명령에 따라 DC 버스와 연결을 위한 개별 스위치를 온(On)시키는 단계;
    상기 DC 버스로 유출되는 유출전류가 상기 방전전류에 상응하도록 상기 유출전류를 제어하며, 상기 유출전류를 통해 배터리를 방전하는 단계; 및
    상기 배터리의 단자 전압이 방전 종료전압에 도달하면 방전종료 플래그를 상기 마스터 유닛으로 전송하고, 상기 개별 스위치를 오프(Off)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 충전 및 방전 방법.

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