KR20230027841A - 충방전 전력 제어 장치, 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템의 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 장치는, 복수의 배터리 랙을 포함하는 에너지 저장 시스템에서 충방전 전력을 제어하는 장치로서, 상기 복수의 배터리 랙 중 어느 하나와 선택 연결되어 전력 변환을 수행하는 제1 DC/DC 컨버터; 상기 제1 DC/DC 컨버터와 연결된 제2 DC/DC 컨버터; 및 상기 제1 DC/DC 컨버터에 의한 배터리 랙간 절체가 수행되는 동안 상기 제2 DC/DC 컨버터가 제1 DC/DC 컨버터의 출력을 유지하기 위한 동작을 수행하도록 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 충방전 전력 제어 장치, 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템의 동작 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 메인 DC/DC 컨버터 및 보조 DC/DC 컨버터를 이용해 충방전 전력을 제어하는 장치, 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템의 동작 방법에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)은 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템이다. 최근 지능형 전력망(smart grid)과 신재생 에너지의 보급이 확대되고 전력 계통의 효율화와 안정성이 강조됨에 따라, 전력 공급 및 수요조절, 및 전력 품질 향상을 위해 에너지 저장 시스템에 대한 수요가 점점 증가하고 있다. 사용 목적에 따라 에너지 저장 시스템은 출력과 용량이 달라진다. 대용량 에너지 저장 시스템을 구성하기 위하여, 복수의 배터리시스템들이 서로 연결될 수 있다.
에너지 저장 시스템에서 배터리에 대한 충/방전을 수행하기 위해서는 배터리가 전력변환장치(DC/DC 컨버터)와 연계될 필요가 있다. 특히 다수의 배터리 랙을 이용한 에너지저장 시스템이나 자동차로부터 회수한 배터리 랙을 이용하여 에너지저장 시스템을 구축하기 위해서는 각 배터리에 전력변환장치를 반드시 연결해야 한다.
하지만, 다수의 배터리 랙이 구비된 시스템에서 각 랙마다 전력변환 장치를 배치하는 경우 비용적으로 큰 부담이 될 수 있다. 특히, 에너지저장 시스템이 상당 시간에 걸쳐 에너지를 제공하는 용도로 사용되기 때문에 이를 고려한 시스템의 최적화 설계가 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 에너지 저장 시스템에서 충방전 전력을 제어하는 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 상기 충방전 전력 제어 장치를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은, 에너지 저장 시스템의 동작 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 제어 장치는, 복수의 배터리 랙을 포함하는 에너지 저장 시스템에서 충방전 전력을 제어하는 장치로서, 상기 복수의 배터리 랙 중 어느 하나와 선택 연결되어 전력 변환을 수행하는 제1 DC/DC 컨버터; 상기 제1 DC/DC 컨버터와 연결된 제2 DC/DC 컨버터; 및 상기 제1 DC/DC 컨버터에 의한 배터리 랙간 절체가 수행되는 동안 상기 제2 DC/DC 컨버터가 제1 DC/DC 컨버터의 출력을 유지하기 위한 동작을 수행하도록 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 제1 DC/DC 컨버터에 의한 배터리 랙간 절체가 완료된 후, 상기 제2 DC/DC 컨버터가 제1 DC/DC 컨버터의 출력 유지 동작에 대한 보상 동작을 수행하도록 상기 제2 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있다.
상기 전력 제어 장치는, 상기 제2 DC/DC 컨버터와 연결된 에너지 저장 디바이스를 더 포함할 수 있다. 여기서, 에너지 저장 디바이스는, 커패시터, 슈퍼 커패시터, 및 배터리 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작은 방전 동작 또는 충전 동작일 수 있다.
상기 컨트롤러는 PMS(Power Management System) 또는 상기 제1 DC/DC 컨버터에 포함된 내부 컨트롤러일 수 있다.
상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 방전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 충전 동작일 수 있다.
상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 충전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 방전 동작일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 복수의 배터리 랙; 각 배터리 랙과 개별 연결된 복수의 스위치부; 상기 복수의 스위치부를 통해 상기 복수의 배터리 랙 중 어느 하나와 선택 연결되는 제1 DC/DC 컨버터; 상기 복수의 스위치부 및 상기 제1 DC/DC 컨버터와 연결된 제2 DC/DC 컨버터; 상기 제1 DC/DC 컨버터에 의한 배터리 랙간 절체가 수행되는 동안 상기 제2 DC/DC 컨버터가 제1 DC/DC 컨버터의 출력을 유지하기 위한 동작을 수행하도록 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 제1 DC/DC 컨버터에 의한 배터리 랙간 절체가 완료된 후, 상기 제2 DC/DC 컨버터가 제1 DC/DC 컨버터의 출력 유지 동작에 대한 보상 동작을 수행하도록 상기 제2 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있다.
상기 에너지 저장 시스템은, 상기 제2 DC/DC 컨버터와 연결된 에너지 저장 디바이스를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 방전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 충전 동작일 수 있다.
상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 충전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 방전 동작일 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 동작 방법은, 복수의 배터리 랙, 상기 복수의 배터리 랙 중 어느 하나와 선택 연결되는 제1 DC/DC 컨버터 및 제2 DC/DC 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템의 동작 방법으로서, 제1 배터리 랙과 제1 DC/DC 컨버터를 연결하여 상기 제1 배터리 랙에 대한 충전 또는 방전 동작을 수행하는 단계; 상기 제1 배터리 랙의 충전 상태가 배터리 랙간 절체와 관련해 설정된 임계치에 도달하는 경우, 상기 제1 배터리 랙의 출력을 감소시키는 단계; 및 상기 제2 DC/DC 컨버터가 제1 DC/DC 컨버터의 출력을 유지하기 위한 동작을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장 시스템의 동작 방법은, 상기 제1 배터리 랙에 대한 충전 또는 방전 동작이 완료된 경우, 다음 충전 또는 방전 동작을 수행할 제2 배터리 랙과 제1 DC/DC 컨버터를 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 DC/DC 컨버터는 별도의 에너지 저장 디바이스와 연결되어 상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작을 수행할 수 있다.
상기 에너지 저장 시스템의 동작 방법은 또한, 상기 제1 배터리 랙으로부터 상기 제2 배터리 랙으로의 배터리 랙간 절체가 완료된 후, 상기 제2 DC/DC 컨버터가 상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작에 대한 보상 동작을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 방전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 충전 동작일 수 있다.
상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 충전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 방전 동작일 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 에너지저장 시스템의 비용을 절감하면서도 충전 또는 방전과 관련한 전력변환장치의 연속 출력이 가능하다.
그에 따라, 에너지저장 시스템이 제공하는 전력 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 다수의 배터리 랙이 하나의 전력변환장치와 연결된 기존 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 2a는 기존 에너지저장 시스템의 각 구성요소들의 동작 구간을 나타낸다.
도 2b는 기존 에너지저장 시스템에서 충전 과정 중 각 랙별 SOC 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2c는 기존 에너지저장 시스템에서 방전 과정 중 각 랙별 SOC 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 기존 에너지저장 시스템에서 구성요소별 동작 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 4는 기존 에너지저장 시스템의 동작예를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 에너지저장 시스템에서 구성요소별 동작 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서 충전 동작이 이루어지는 경우의 동작예를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 동작 방법을 나타낸다.
도 2a는 기존 에너지저장 시스템의 각 구성요소들의 동작 구간을 나타낸다.
도 2b는 기존 에너지저장 시스템에서 충전 과정 중 각 랙별 SOC 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2c는 기존 에너지저장 시스템에서 방전 과정 중 각 랙별 SOC 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 기존 에너지저장 시스템에서 구성요소별 동작 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 4는 기존 에너지저장 시스템의 동작예를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 에너지저장 시스템에서 구성요소별 동작 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서 충전 동작이 이루어지는 경우의 동작예를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 동작 방법을 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 다수의 배터리 랙이 하나의 전력변환장치와 연결된 기존 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 1에 도시된 시스템은, 각 배터리 랙마다 전력변환 장치가 배치되는 경우의 단점을 극복하기 위해, 다수의 배터리 랙(또는 배터리 팩)을 하나의 전력변환장치에 연결한 형태로 제공된다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장 시스템에서 전력을 저장하는 역할을 수행하는 배터리는, 통상적으로 다수의 배터리 모듈(Battery Module)이 배터리 랙(Rack)을 구성하고, 다수 개의 배터리 랙(도 1의 랙 #1, 랙 #2, ? , 랙 #n)이 배터리 뱅크(Battery Bank)를 구성하는 형태로 구현될 수 있다. 여기서, 배터리가 사용되는 장치 또는 시스템에 따라 배터리 랙은 배터리 팩(pack)으로 지칭될 수도 있다.
이때, 각 배터리 랙에는 랙 배터리 관리 시스템(Rack Battery Management System; RBMS)(11)이 설치될 수 있다. RBMS(11)는 자신이 관장하는 각 배터리 랙(또는 팩)의 전류, 전압 및 온도를 모니터링하고, 모니터링 결과에 근거하여 SOC(Status Of Charge)를 산출하고 충방전을 제어하는 역할을 수행할 수 있다. 다수의 RBMS는 BBMS(Bank BMS)(12)와 연결되는데, BBMS(Bank BMS)(12)는 다수의 RBMS의 상위 제어기로서 배터리 전체를 모니터링하고 제어를 관장하는 BMS이다.
다수의 배터리 랙(또는 배터리 팩)은 개별 스위치부를 통해 하나의 전력변환장치(DC/DC 컨버터; 20)에 연결된다. 도 1에서 각 배터리 랙의 출력단에 위치하는 스위치부는 프로-차지 회로 및 메인 컨택터(MC; Main Contactor)를 포함할 수 있다. PC((Precharge Contactor) 및 PR(Precharge Resistor)은 프리-차지 회로를 구성하여 초기 충전 회로의 역할을 수행한다. 프리-차지 회로와 병렬로 연결된 메인 컨택터는 초기 충전이 완료된 후 정상 충/방전시 닫혀 충방전 회로를 형성한다.
DC/DC 컨버터(20)의 출력은 부하(40) 및 전력관리시스템(Power Management System; PMS)(30)으로 연결될 수 있다. 전력관리 시스템은 시스템 전체를 관장하는 최상위 제어기로서, BBMS(12)와도 연동하며 BMS 모니터링 값을 기초로 하여 DC/DC 컨버터의 출력 지령값을 계산하여 DC/DC 컨버터로 전달한다. 한편, 부하는 DC 부하 또는 PCS, 인버터 등이 될 수 있다. 여기서, PCS(Power Conversion System)는 충/방전 지령을 기반으로 하여 충방전을 수행하는 장치로서 전력변환부(DC/AC 인버터) 및 컨트롤러를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2a는 기존 에너지저장 시스템의 각 구성요소들의 동작 구간을 나타낸다.
도 2a를 참조하면, 배터리 랙 #1의 전력이 DC/DC 컨버터로 전달되는 경우에는 MC #1이 닫히고 배터리 랙 #1의 충/방전 동작이 수행될 수 있다. 배터리 랙 #1의 충/방전이 완료되면 MC #1이 열리고, 그에 따라 배터리 랙 #1은 DC/DC 컨버터와 분리된다. 이후 순차적으로, 배터리 랙 #2의 전력을 DC/DC 컨버터로 전달하기 위해 MC #2가 닫히게 되고 배터리 랙 #2의 충/방전 동작이 수행될 수 있다. 즉, 동시에 하나의 배터리 랙만이 DC/DC 컨버터에 연결될 수 있다.
이때, 도 2a의 맨 아랫단에 도시된 DC/DC 컨버터의 동작 상태를 살펴보면, 배터리 랙에 대한 절체가 이루어지는 순간마다 DC/DC 컨버터의 출력이 "0"으로 조정되는 것을 확인할 수 있다.
도 2b는 기존 에너지저장 시스템에서 충전 과정 중 각 랙별 SOC 변화를 나타낸 그래프이다.
배터리 랙 #1에 대한 충전 동작이 수행되는 동안에는 배터리 랙 #1의 SOC가 시간에 비례하여 증가하고 일정 시간이 지나면 충전이 완료된다. 이후, 배터리 랙 #2에 대한 충전 동작이 시작되고, 배터리 랙 #2의 SOC가 증가하게 된다. 즉, 하나의 배터리 랙에 대한 충전이 완료되어야 다음 배터리 랙이 동작할 수 있음을 알 수 있다. 여기서, SOC(State of Charge; 충전율)는 배터리의 현재 충전된 상태를 비율[%]로 표현한 것이다.
도 2c는 기존 에너지저장 시스템에서 방전 과정 중 각 랙별 SOC 변화를 나타낸 그래프이다.
배터리 랙 #1에 대한 방전 동작이 수행되는 동안에는 배터리 랙 #1의 SOC가 감소하고 일정 시간이 지나면 방전이 완료된다. 이후, 배터리 랙 #2에 대한 방전 동작이 시작되고, 배터리 랙 #2의 SOC가 감소하게 된다. 즉, 하나의 배터리 랙에 대한 방전이 완료되어야 다음 배터리 랙이 동작할 수 있음을 알 수 있다.
도 3은 기존 에너지저장 시스템에서 구성요소별 동작 시퀀스를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 각 배터리 랙은 본격적으로 동작하기 전, 프리-차지 회로를 이용해 사전 충전 동작을 수행하여 서서히 출력을 상승시킨다. 프리-차지 동작을 통해 배터리가 특정 전압에 도달하면 메인 스위치가 폐쇄(close)되고 이후부터 정상적인 충전 또는 방전 동작이 수행될 수 있다.
이때, 도 3의 맨 아랫단에 도시된 DC/DC 컨버터의 동작 상태를 살펴보면, DC/DC 컨버터의 출력 전력이 불연속적임을 확인할 수 있다. 즉, 기존 에너지저장 시스템에 따르는 경우, 배터리 랙에 대한 절체가 이루어지는 순간마다 DC/DC 컨버터의 출력을 순간적으로 "0"으로 조정하고 다음 배터리 랙 동작이 수행되어야 한다.
도 4는 기존 에너지저장 시스템의 동작예를 나타낸다.
도 4는 도 1에 도시된 바와 같은 기존의 에너지 저장 시스템에서 배터리 랙의 충전 시의 동작을 기준으로 나타낸 동작 순서도이다. 해당 시스템에서는 우선 배터리 랙 #1에 대한 충전이 먼저 수행되는 경우를 설명한다. 배터리 랙 #1에 대한 충전은 프리차지 컨택터 1(PC 1)이 닫힌 상태에서 수행되는 초기 충전 과정(S410) 및 프리차지 컨택터 1이 오픈되고 메인 컨택터 1이 닫힌 상태에서 수행되는 정상적인 충전 과정(S411)을 통해 수행될 수 있다. 배터리 랙 #1에 대한 충전 과정은 배터리 랙 #1의 SOC가 특정 임계치(도 4에서는 99%)에 도달할 때까지 지속된다(S412). 이때, SOC 임계치는 충전 또는 방전 동작 중이던 배터리 랙의 출력을 배터리 절체를 위해 감소시키기 위한 기준 값으로 설명할 수 있으며, 각 시스템에 따라 다른 값으로 설정될 수 있다.
한편, 배터리 랙 #1의 SOC가 예를 들어, 99%에 도달한 경우 배터리 랙 #1의 충전량은 서서히 감소하고, DC/DC 컨버터의 충전량 또한 감소한다(S413). 이후, 배터리 랙 #1에 대한 충전이 완료되어 충전 동작이 중단되면, DC/DC 컨버터의 충전 동작이 중단되고 출력이 일시적으로 "0"이 된다(S414).
이후 다음 배터리 랙(도 4에서는 배터리 랙 #2)으로의 절체가 일어나고, 다음 배터리 랙에 대해서도, 배터리 랙 #1에서의 동작과 동일한 과정이 수행될 수 있다(S420).
이처럼, 다수의 배터리 랙이 하나의 DC/DC 컨버터와 연결되는 시스템의 경우, 하나의 배터리 랙 또는 배터리 팩을 충전 또는 방전한 후, 다음 배터리 랙 또는 배터리 팩으로 절체하여 동작할 필요가 있다. 이 경우 절체를 위해 DC/DC 컨버터의 출력을 0으로 조정할 필요가 있고, 이로 인해, 전체 시스템에서 제공하는 전력 품질이 저하되는 결과를 초래할 수 있다. 또한, 병렬 연결된 배터리 랙 또는 배터리 팩의 개수가 증가할수록 DC/DC 컨버터의 출력이 0으로 조정되는 횟수가 증가하게 되고, 이러한 문제는 더 심화된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
본 발명이 적용되는 에너지 저장 시스템은 복수의 배터리 랙(100)(또는 배터리 팩)을 포함하며, 각 배터리 랙에는 랙 배터리 관리 시스템(120)(Rack Battery Management System; RBMS)(120)이 설치될 수 있다.
이때, 배터리 랙(100)은 에너지저장 시스템에 사용되기 위한 목적으로 신규로 배치되는 배터리일 수 있다. 배터리 랙은 또한 자동차에 사용되다 회수되어 재활용되는 다양한 종류(차종)의 배터리일 수도 있다.
RBMS(120)는 자신이 관장하는 각 배터리 랙(또는 랙)의 전류, 전압 및 온도를 모니터링하고, 모니터링 결과에 근거하여 SOC를 산출할 수 있다. 다수의 RBMS는 BBMS(Bank BMS)(130)와 연결될 수 있으며, BBMS는 다수의 RBMS의 상위 제어기로서 배터리 뱅크 전체를 모니터링하고 제어를 관장하는 BMS이다.
각 배터리 랙의 출력단에는 프리-차지 회로 및 메인 컨택터가 배치되며, 프리-차지 회로 및 메인 컨택터는 상호 병렬로 배치된다. 프리-차지 회로는 PC((Precharge Contactor) 및 PR(Precharge Resistor)을 포함하여, 초기 충전 회로의 역할을 수행한다. 메인 컨택터(MC)는 초기 충전이 끝난 후 정상 충/방전시 닫혀 각 배터리 랙과 메인 DC/DC 컨버터(200)를 연결함으로써, 충방전 회로를 형성한다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지저장 시스템은 전력변환장치로서 메인 DC/DC 컨버터(210) 및 보조 DC/DC 컨버터(220)를 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같이 보조 DC/DC 컨버터(220)는 복수의 스위치 및 메인 DC/DC 컨버터(210)와 연결될 수 있다.
보조 DC/DC 컨버터(220)는 또한 에너지 저장 디바이스(300)와 연결될 수 있다. 에너지 저장 디바이스(300)는 예를 들어, 슈퍼 커패시터, 각종 배터리 등 고출력 에너지원일 수 있다. 슈퍼 커패시터는 일반 커패시터 대비 대용량의 커패시터로 순간적인 전력 요구에 대해 빠른 응답 특성을 가진다. 즉, 슈퍼 커패시터를 이용하면 메인 DC/DC 컨버터(210)의 출력을 유지하기 위해 순간적으로 부족한 전력에 빠르게 대응할 수 있다.
보조 DC/DC 컨버터(220)는 평상 시에는 대기 모드로 동작하다가 배터리 랙의 절체 순간에 동작을 시작한다. 즉, 보조 DC/DC 컨버터(220)는 DC/DC 컨버터의 일정한 출력 유지를 위해 배터리 랙의 절체시 부족한만큼의 전력에 대한 충전 또는 방전을 수행할 수 있다.
이때의 제어는, 도 5의 실시예에서는, PMS(500)에 의해 수행될 수 있는데, 배터리 랙의 절체시 얼마만큼의 전력이 부족하고, 보조 DC/DC 컨버터(220)가 얼마만큼의 전력 보충을 담당해야 하는지 등을 결정하고 제어할 수 있다. 보조 DC/DC 컨버터(220)는 에너지 저장 디바이스(300)를 이용해 이러한 충/방전 보조 동작을 수행할 수 있다.
보조 DC/DC 컨버터(220)는 배터리 랙의 절체 순간 일시적으로 동작(예를 들어, 충전)하다가, 주어진 임무 수행이 완료되고 배터리 랙이 정상 동작하는 동안 배터리 절체 순간의 동작과 반대 동작(예를 들어, 방전)을 수행한다. 즉, 보조 DC/DC 컨버터는 임무 수행이 끝나면 슈퍼-커패시터를 일정한 전압 상태로 유지하기 위하여 장시간 방전(배터리 절체시 순간 충전 동작을 수행한 경우) 또는 장시간 충전 동작(배터리 절체시 순간 방전 동작을 수행한 경우)을 수행할 수 있다. 이 경우, 슈퍼 커패시터에 의한 상호 동작 전체 구간에서의 에너지의 합은 0이 되어야 한다. 즉, 슈퍼 커패시터에 의한 순간 충전 구간과 장시간 방전 구간 동안의 에너지의 합은 0이 된다. 마찬가지로, 슈퍼 커패시터에 의한 순간 방전 구간과 장시간 충전 구간 동안의 에너지의 합은 0이 된다.
즉, 순간 충전 또는 순간 방전으로 이루어지는 임무 수행이 완료되면, 장시간 동안의 보상 동작(방전 또는 충전)이 이루어진다. 이때의 보상 동작은 저전력 방전 또는 충전이므로 메인 DC/DC 컨버터(210)의 출력량에는 거의 영향을 주지 않는다.
도 5에 도시된 바와 같이 메인 DC/DC 컨버터(210)의 출력은 부하(400) 및 전력관리시스템(Power Management System; PMS)(500)으로 연결될 수 있다. 본 명세서에서 메인 DC/DC 컨버터(210)의 출력이 유지된다고 하는 것은 메인 DC/DC 컨버터(210)가 부하(400)로 공급하는 출력 또는 배터리 랙(100)으로 공급하는 출력이 일정하게 유지된다는 것을 의미할 수 있다.
전력관리시스템(300)은 보조 DC/DC 컨버터(220)와도 연결되어 보조 DC/DC 컨버터(220)의 동작을 제어할 수 있다.
메인 DC/DC 컨버터 및 보조 DC/DC 컨버터는 양방향 컨버터일 수 있으며, DC/DC 컨버터의 예로는 풀-브릿지 컨버터, 하프-브릿지(half-bridge) 컨버터, 플라이백 컨버터 등 다양한 종류의 컨버터가 사용될 수 있다. 메인 DC/DC 컨버터는 제어부, 입력 스위칭 셋, 1차측 코일, 2차측 코일, 출력 스위칭 셋, 커패시터 등을 포함할 수 있다.
도 5의 실시예에서는 메인 DC/DC 컨버터 및 보조 DC/DC 컨버터가 별개의 장치로 구현되는 경우를 도시하였으나, 메인 DC/DC 컨버터 및 보조 DC/DC 컨버터가 하나의 컨버터 장치(200) 내에 듀얼로 포함된 형태 또한 본 발명의 범주에 포함된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 6에 도시된 에너지저장 시스템은 본 발명의 다른 실시예로서, 도 5에 도시된 시스템 대비 PMS를 구성요소로 포함하지 않는다. 이 경우 메인 DC/DC 컨버터 및 보조 DC/DC 컨버터에 대한 제어는 메인 DC/DC 컨버터(210)에 포함된 내부 컨트롤러(211)에 의해 수행될 수 있다.
이 경우, 메인 DC/DC 컨버터(210)에 포함된 컨트롤러(211)는 BBMS(130)를 통해 모니터링한 배터리의 상태에 따라 메인 DC/DC 컨버터(210)의 출력을 결정할 수 있고, 이를 기반으로 보조 DC/DC 컨버터(220)의 출력값을 결정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 에너지저장 시스템에서 구성요소별 동작 시퀀스를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 에너지저장 시스템에서, 각 배터리 랙은 본격적으로 동작하기 전, 프리-차지 회로를 이용해 프리-차지 동작을 수행하여 서서히 출력을 상승시킨다. 프리-차지 동작을 통해 배터리가 특정 전압에 도달하면 메인 스위치가 폐쇄(close)되고 이후부터 정상적인 충전 또는 방전 동작이 수행될 수 있다.
도 7의 실시예를 참조하면, 배터리 랙 #1이 가장 먼저 동작하는 배터리 랙이며, 배터리 랙 #1에 대한 충전 동작이 완료되고, 배터리 랙 #2의 동작이 수행되는 순서로 진행된다. 이때, 즉 배터리 랙 #1로부터 배터리 랙 #2로 절체가 일어나는 순간, 즉 배터리 랙 #1의 충전이 서서히 줄어들고 있지만 메인 DC/DC 컨버터의 출력은 일정하게 유지된다. 이는 보조 DC/DC 컨버터의 보조 충전 동작에 따른 것으로 감소한 배터리 랙 #1의 충전량(71)만큼을 보조 DC/DC 컨버터가 공급하기 때문이다.
이후, 배터리 랙 #2의 동작이 개시되고 정상 동작하면, 보조 DC/DC 컨버터는 저전력으로 장시간에 걸친 방전(72)을 수행한다. 이때, 보조 DC/DC 컨버터의 방전 전력은 매우 적은 값이기 때문에 메인 DC/DC 컨버터의 출력에 미치는 영향은 미미하다. 이렇게 방전된 에너지는 매우 작은 값으로 배터리 랙 #2의 충전에 기여한다. 이러한 과정은 예정된 배터리 동작 순서에 따라 순차적으로 배터리 랙 #n까지 반복될 수 있다.
한편, 도 7의 예에서는 충전 동작을 예로 들어 설명했지만 방전 동작에도 동일하게 적용될 수 있다. 방전 시에는 보조 DC/DC 컨버터가 순간적으로 큰 값의 전력을 방전하였다가 이후 장시간에 걸쳐 적은 전력으로 슈퍼 커패시터를 충전한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서 충전 동작이 이루어지는 경우의 동작예를 나타낸다.
도 8의 순서도는 배터리 랙의 충전 시의 동작을 기준으로 나타낸 순서도이며, 방전 동작 또한 유사한 순서로 진행될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 본 실시예에서는 우선 배터리 랙 #1에 대한 충전이 먼저 수행되고, 배터리 랙 #2로의 절체가 일어나는 경우의 동작을 설명한다.
배터리 랙 #1에 대한 충전은 프리차지 컨택터 1(PC 1)이 닫힌 상태에서 수행되는 초기 충전 과정(S810) 및 프리차지 컨택터 1이 오픈되고 메인 컨택터 1이 닫힌 상태에서 수행되는 정상적인 충전 과정(S811)을 통해 수행될 수 있다. 이때, 배터리 랙 #1 은 메인 DC/DC 컨버터와 연동하여 충전 동작을 수행한다. 배터리 랙 #1에 대한 충전 과정은 배터리 랙 #1의 SOC가 특정 임계치(도 8에서는 99%)에 도달할 때까지 지속된다(S812). 이때, SOC 임계치는 충전 또는 방전 동작 중이던 배터리 랙의 출력을 배터리 절체를 위해 감소시키기 시작하는 기준 값으로 설명할 수 있으며, 각 시스템에 따라 다른 값으로 설정될 수 있다.
한편, 배터리 랙 #1의 SOC가 예를 들어, 99%에 도달한 경우 배터리 랙 #1의 충전량은 서서히 감소한다. 이때, 본 발명에 따른 보조 DC/DC 컨버터의 충전량은 감소하는 배터리 랙 #1의 충전량만큼 서서히 증가한다. 그에 따라 전체 DC/DC 컨버터의 충전량은 일정하게 유지될 수 있다(S813). 이 점이 기존 시스템 대비 본 발명이 제공하는 장점이다.
이후, 배터리 랙 #1에 대한 충전이 완료되어 충전 동작이 중단되는(S814) 시점에, 보조 DC/DC 컨버터는 풀(full) 충전을 수행하고 있는 상태이고 메인 DC/DC 컨버터의 충전량은 일정하게 유지되고 있는 상태이다.
이후 다음 배터리 랙(도 8에서는 배터리 랙 #2)으로의 절체가 일어나고, 다음 배터리 랙에 대한 충전 과정이 수행될 수 있다. 우선, 프리차지 컨택터 2(PC 2)가 닫힌 상태에서 배터리 랙 #2에 대한 초기 충전이 수행된다(S820). 이때, 배터리 #2로의 절체가 일어난 이후이므로 보조 DC/DC 컨버터의 충전량이 감소한다. 이때에는 메인 DC/DC 컨버터가 다시 동작하기 때문에 메인 DC/DC 컨버터의 출력이 일정하게 유지될 수 있다.
이후, 프리차지 컨택터 2가 오픈되고 메인 컨택터 2가 닫힌 상태에서 배터리 랙 2에 대한 정상적인 충전 과정이 수행될 수 있다(S821). 이 시점에서 보조 DC/DC 컨버터는 충전 동작에 대한 보상 동작으로 장시간에 걸친 저전력 방전 동작을 수행하게 된다. 이때, 보조 DC/DC 컨버터에 대한 방전 전력은 저전력이므로 전체 DC/DC컨버터의 출력은 이 경우에도 일정하게 유지될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 동작 방법을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 동작 방법은, 복수의 배터리 랙, 상기 복수의 배터리 랙 중 어느 하나와 선택 연결되는 제1 DC/DC 컨버터 및 제2 DC/DC 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템의 동작 방법이다. 여기서, 제1 DC/DC 컨버터는 메인DC/DC 컨버터이고, 제2 DC/DC 컨버터는 보조 DC/DC 컨버터일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 동작 방법에 따르면, 제1 배터리 랙과 제1 DC/DC 컨버터를 연결하여(S910), 상기 제1 배터리 랙에 대한 충전 또는 방전 동작을 수행할 수 있다(S920).
상기 제1 배터리 랙의 충전 상태(SOC)가 배터리 랙간 절체와 관련하여 설정된 임계치에 도달하는 경우(S930의 예), 상기 제1 배터리 랙의 출력을 감소시킬 수 있다(S940). 이때, 제1 배터리 랙의 출력 감소를 보상하기 위해, 상기 제2 DC/DC 컨버터가 제1 DC/DC 컨버터의 출력을 유지하기 위한 동작을 수행할 수 있다(S950). 여기서, 제2 DC/DC 컨버터는 별도의 에너지 저장 디바이스와 연결되어 상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작을 수행할 수 있다.
이후, 제1 배터리 랙에 대한 충전 또는 방전 동작이 완료된 경우, 다음 충전 또는 방전 동작을 수행할 제2 배터리 랙과 제1 DC/DC 컨버터를 연결할 수 있다. 제1 배터리 랙으로부터 제2 배터리 랙으로의 배터리 랙간 절체가 완료된 후(S960), 제2 DC/DC 컨버터가 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작에 대한 보상 동작을 수행할 수 있다(S970).
여기서, 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 방전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 충전 동작일 수 있다. 또한, 상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 충전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 방전 동작일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 배터리 랙
120: RBMS
130: BBMS 200: 충방전 제어 장치
210: 메인DC/DC 컨버터 220: 보조 DC/DC 컨버터
300: 슈퍼 커패시터 400: 부하
500: PMS
130: BBMS 200: 충방전 제어 장치
210: 메인DC/DC 컨버터 220: 보조 DC/DC 컨버터
300: 슈퍼 커패시터 400: 부하
500: PMS
Claims (20)
- 복수의 배터리 랙을 포함하는 에너지 저장 시스템에서 충방전 전력을 제어하는 장치로서,
상기 복수의 배터리 랙 중 어느 하나와 선택 연결되어 전력 변환을 수행하는 제1 DC/DC 컨버터;
상기 제1 DC/DC 컨버터와 연결된 제2 DC/DC 컨버터; 및
상기 제1 DC/DC 컨버터에 의한 배터리 랙간 절체가 수행되는 동안 상기 제2 DC/DC 컨버터가 제1 DC/DC 컨버터의 출력을 유지하기 위한 동작을 수행하도록 제어하는 컨트롤러를 포함하는, 전력 제어 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 제1 DC/DC 컨버터에 의한 배터리 랙간 절체가 완료된 후, 상기 제2 DC/DC 컨버터가 제1 DC/DC 컨버터의 출력 유지 동작에 대한 보상 동작을 수행하도록 상기 제2 DC/DC 컨버터를 제어하는, 전력 제어 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제2 DC/DC 컨버터와 연결된 에너지 저장 디바이스를 더 포함하는, 전력 제어 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작은 방전 동작 또는 충전 동작인, 전력 제어 장치. - 청구항 4에 있어서,
상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 방전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 충전 동작인, 전력 제어 장치. - 청구항 4에 있어서,
상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 충전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 방전 동작인, 전력 제어 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 컨트롤러는 PMS(Power Management System) 또는 상기 제1 DC/DC 컨버터에 포함된 내부 컨트롤러인, 전력 제어 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 에너지 저장 디바이스는, 커패시터, 슈퍼 커패시터, 및 배터리 중 적어도 하나를 포함하는, 전력 제어 장치. - 복수의 배터리 랙;
각 배터리 랙과 개별 연결된 복수의 스위치부;
상기 복수의 스위치부를 통해 상기 복수의 배터리 랙 중 어느 하나와 선택 연결되는 제1 DC/DC 컨버터;
상기 복수의 스위치부 및 상기 제1 DC/DC 컨버터와 연결된 제2 DC/DC 컨버터; 및
상기 제1 DC/DC 컨버터에 의한 배터리 랙간 절체가 수행되는 동안 상기 제2 DC/DC 컨버터가 제1 DC/DC 컨버터의 출력을 유지하기 위한 동작을 수행하도록 제어하는 컨트롤러를 포함하는, 에너지 저장 시스템. - 청구항 9에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 제1 DC/DC 컨버터에 의한 배터리 랙간 절체가 완료된 후, 상기 제2 DC/DC 컨버터가 제1 DC/DC 컨버터의 출력 유지 동작에 대한 보상 동작을 수행하도록 상기 제2 DC/DC 컨버터를 제어하는, 에너지 저장 시스템. - 청구항 9에 있어서,
상기 제2 DC/DC 컨버터와 연결된 에너지 저장 디바이스를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템. - 청구항 10에 있어서,
상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 방전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 충전 동작인, 에너지 저장 시스템. - 청구항 10에 있어서,
상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 충전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 방전 동작인, 에너지 저장 시스템. - 복수의 배터리 랙, 상기 복수의 배터리 랙 중 어느 하나와 선택 연결되는 제1 DC/DC 컨버터 및 제2 DC/DC 컨버터를 포함하는 에너지 저장 시스템의 동작 방법으로서,
제1 배터리 랙과 제1 DC/DC 컨버터를 연결하여 상기 제1 배터리 랙에 대한 충전 또는 방전 동작을 수행하는 단계;
상기 제1 배터리 랙의 충전 상태가 배터리 랙간 절체와 관련해 설정된 임계치에 도달하는 경우, 상기 제1 배터리 랙의 출력을 감소시키는 단계; 및
상기 제2 DC/DC 컨버터가 제1 DC/DC 컨버터의 출력을 유지하기 위한 동작을 수행하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 동작 방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 제1 배터리 랙에 대한 충전 또는 방전 동작이 완료된 경우, 다음 충전 또는 방전 동작을 수행할 제2 배터리 랙과 제1 DC/DC 컨버터를 연결하는 단계를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템의 동작 방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 제2 DC/DC 컨버터는 별도의 에너지 저장 디바이스와 연결되어 상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작을 수행하는, 에너지 저장 시스템의 동작 방법. - 청구항 16에 있어서,
상기 제1 배터리 랙으로부터 상기 제2 배터리 랙으로의 배터리 랙간 절체가 완료된 후, 상기 제2 DC/DC 컨버터가 상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작에 대한 보상 동작을 수행하는 단계를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템의 동작 방법. - 청구항 17에 있어서,
상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 방전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 충전 동작인, 에너지 저장 시스템의 동작 방법. - 청구항 17에 있어서,
상기 제1 DC/DC 컨버터에 대한 출력 유지 동작이 충전인 경우, 상기 보상 동작은 상기 에너지 저장 디바이스에 대한 장시간 동안의 저전력 방전 동작인, 에너지 저장 시스템의 동작 방법. - 청구항 16에 있어서,
상기 에너지 저장 디바이스는, 커패시터, 슈퍼 커패시터, 및 배터리 중 적어도 하나를 포함하는, 에너지 저장 시스템의 동작 방법.
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