KR20240029527A - SoC에 따라 복수 동작 모드를 지원하는 배터리 시스템 - Google Patents

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KR20240029527A
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Abstract

본 문서는 SoC에 따라 복수 동작 모드를 지원하는 배터리 시스템에 대한 것이다.
이를 위한 배터리 시스템은, SoC (State-of-Charge)에 따라, 전력 저장 또는 공급을 위한 복수의 동작 모드를 지원하는 하나 이상의 배터리; 및 그리드(Grid)의 전력 공급 상황 및 상기 배터리의 SoC에 따라, 상기 복수의 동작 모드 중 상기 배터리의 동작 모드를 결정하는 제어기를 포함하되, 상기 배터리는 제 1 기준치 이하의 SoC에서 UPS (Uninterrupted Power Supply) 모드를 지원하는 배터리를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

SoC에 따라 복수 동작 모드를 지원하는 배터리 시스템 {Battery System Supporting Multi-Mode based on SoC}
이하의 설명은 SoC(State-of-Charge)에 따라 복수 동작 모드를 지원하는 배터리 시스템에 대한 것으로서, 구체적으로 SoC 레벨에 따라 ESS(Energy Storage System)/UPS(Uninterrupted Power Supply)를 모두 지원 가능한 배터리를 활용하는 시스템 및 이의 제어 방법에 대한 것이다.
신재생 에너지 등의 분산 발전 등이 증가하고, 전력 보조에 대한 수요가 증가하면서 ESS의 사용은 급증할 예정이다. 그러나 분산 발전은 수요예측이 상대적으로 어렵고, 발전량의 제어도 어렵기 때문에, 수요 공급이 불안정할 수 있다는 특징이 있다.
이외에도 전력 공급의 불안정 또는 정전은 여러가지 요인으로 발생한다. 날씨(폭풍, 번개, 낙뢰), 나무, 차량, 동물, 풍선의 접촉으로 인해 전기장비, 송전탑, 전선, 전력선 및 전신주에 영향이 가거나, 지진과 같은 자연재해 또는 조경작업과 굴착작업 등의 사람에 의한 작업도 요인이 될 수 있다. 그리고 폭염 및 기타 전력 수요가 비정상적으로 높은 경우 케이블, 변압기 및 기타 전기장비에 의해 정전 또는 BROWNOUT이 발생할 수 있다는 점에서 그리드(Grid)에서 부하(Load)로의 원활한 전력 공급에 많은 방해요인/ 걸림돌이 될 수 있다.
전력공급의 불안정(정전)은 산업 생산공장, 병원, 응급센터, 데이터 센터, 서버룸, 관제탑, 전자보안시스템 등에 일시적으로 발생하더라도 인적, 사업적, 국가적으로 큰 피해, 손해를 입힐 수 있다. 모 데이터센터의 화재발생 사건과 같은 안전상의 이슈를 최소화하기 위해 안정적인 (배터리 및) 배터리 관리가 중요한 사안으로 떠오르고 있다.
상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명의 일 측면에서는, SoC 레벨에 따라 ESS/UPS를 모두 지원 가능한 배터리를 활용하는 시스템을 제안하고자 한다.
구체적으로, 그리드로부터 에너지를 일시적으로 저장 후 필요 시 사용 가능하도록 동작하는 ESS와, 긴급 상황 등에서 끊김 없이 전력 공급을 제공하기 위한 UPS를 별도 구성이 아닌 하나의 배터리를 통해 구현하기 위한 배터리의 요구 조건을 살펴보고, 이의 효율적인 제어 방법/구성을 제안하고자 한다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에서는 고속 충방전을 지원 가능한 배터리에서 배터리를 제어하는 제어기의 최소 구동 전압/최대 구동 전압을 안정적으로 지원하기 위한 배터리 시스템 및 이의 제어 방법을 제안하고자 한다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에서는, SoC에 따라, 전력 저장 또는 공급을 위한 복수의 동작 모드를 지원하는 하나 이상의 배터리; 및 그리드의 전력 공급 상황 및 상기 배터리의 SoC에 따라, 상기 복수의 동작 모드 중 상기 배터리의 동작 모드를 결정하는 제어기를 포함하되, 상기 배터리는 제 1 기준치 이하의 SoC에서 UPS (Uninterrupted Power Supply) 동작 모드를 지원하는 배터리를 포함하는, 배터리 시스템을 제안한다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에서는, 제 2 기준치 이상의 전류로 고속 충전 및 고속 방전을 지원하는 하나 이상의 배터리; 상기 배터리의 SoC (State-of-Charge)를 포함하는 상기 배터리의 상태를 관리하는 제어기; 및 상기 배터리의 상기 제 2 기준치 이상의 전류에 의한 고속 충전 또는 방전 시 상기 제어기에 인가되는 전압이 상기 제어기의 구동 전압 범위 내로 유지되도록 구성되는 제어기 전압 보조 회로를 포함하는, 배터리 시스템을 제안한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 그리드로부터 에너지를 일시적으로 저장 후 필요 시 사용 가능하도록 동작하는 ESS와, 긴급 상황 등에서 끊김 없이 전력 공급을 제공하기 위한 UPS를 별도 구성이 아닌 하나의 배터리를 통해 구현하여 공간 효율성을 높이면서도, 배터리의 충분한 예비율을 확보할 수 있다.
또한, 고속 충방전을 지원 가능한 배터리에서 배터리를 제어하는 제어기의 최소 구동 전압/최대 구동 전압을 별도로 외부 전력을 도입하기 위한 구성 없이 안정적으로 지원할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예들에 사용될 SoC의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에서 설명한 UPS/ESS 모드 활용상의 문제점을 구체화하여 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 ESS용 배터리로 NaS 배터리가 사용되는 경우의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 UPS/ESS 모드를 지원하는 배터리 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 VIB ESS/UPS의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템에서 비상상황 발생 시 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 비상상황 종료 시 회복 동작에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 특정 부하에 대하여 ESS의 충방전이 고속으로 이루어 지는 경우의 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에서 승압회로가 적용된 사례를 개념적으로 도시하고 있다.
도 15는 배터리의 고출력 시 급격한 전압 강하 발생 사례를 개념적으로 보여주는 개념도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 ESS가 설치된 환경의 전력 소모량이 0.5 C-rate 이상일 경우 승압 회로의 구동을 개념적으로 보여주는 개념도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 및 UPS 간의 전환 제어에 있어서 ESS 보조 모드를 도시한 개념도이다.
도 18은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 따른 ESS 및 UPS 모드 간의 전환 제어에 있어서 UPS 모드1을 도시한 개념도이다.
도 19는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 따른 ESS 및 UPS 모드 간의 전환 제어에 있어서 UPS 모드2를 도시한 개념도이다.
도 20은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 따른 ESS 및 UPS 모드 간의 전환 제어에 있어서 UPS 모드3을 도시한 개념도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
일반적으로, ESS는 다양한 에너지 저장 수단에 에너지를 저장한 후, 필요시 그리드에 다시 저장된 전력을 공급할 수 있는 장치를 의미한다. 이러한 ESS 중 배터리를 에너지 저장 수단으로 활용하는 ESS를 특히 BESS (Battery Energy Storage System)으로 지칭하나, 이하의 설명에서 다른 특별한 언급이 없는 한 ESS는 BESS인 것을 가정한다.
일반적으로, ESS는 배터리, 배터리 관리 시스템(BMS), 전력 변환 시스템(Power Conversion System: PCS), 에너지 관리 시스템(EMS) 등으로 구성되어 있다. 배터리는 하나 이상의 셀(cell)이 있으며, 복수 개의 셀들은 하나의 모들(module)을 이루며, 복수 개의 모듈들은 하나의 랙(rack)을 형성할 수 있다. 이렇게 구성된 ESS는 전력망, 전기망, 전력 그리드(grid) 등과 연결되어 전력을 공급받을 수 있다.
이하의 설명에 있어서, 배터리는 ESS에 이용되는 배터리 및/또는 UPS에 이용되는 배터리를 포함할 수 있으며, 해당 배터리의 상태는 대표적으로 충전 상태(state-of-charge: SoC)를 기준으로 표현할 수 있으며, 배터리의 충/방전 속도는 충/방전율(C-Rate)를 기준으로 설명할 수 있다.
먼저, 배터리의 충전율 및/또는 배터리의 방전율은 충/방전율(C-Rate)에 의해 제어될 수 있다. 충/방전율(C-Rate)은 배터리의 충전 및/또는 방전에 사용되는 전류의 측정을 의미한다. 일 예로, 특정 배터리가 1C-Rate 또는 1C로 방전한다는 의미는, 10Ah (즉, 10A(암페어) 전류가 1시간 동안 흘렀을 때의 전기량)의 용량을 가진 배터리가 완전히 충전된 상태에서 1시간 동안 10A(암페어)를 방전할 수 있다는 것을 의미한다.
특정한 C-Rate로 충전되는 배터리를 측정해보면 해당 충전 상태(SoC)를 확인할 수 있다. ESS를 이용하여 전기차를 충전할 때에 ESS 내부 배터리의 SoC, 전기차 내부 배터리의 SoC 등을 확인하여 충전에 대한 각종 제어를 수행할 수 있다.
한편, 이러한 제어를 위해 배터리의 충전 및 방전을 통해 SoC-OCV (Open Circuit Voltage) 곡선을 획득할 수 있다. OCV는 개방 회로 상태의 전압을 의미하며, 안정된 상태에서 배터리 전압을 측정한 결과를 의미한다.
이러한 설명을 바탕으로 이하에서는 도면을 참조하여 구체적으로 실시예들에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예들에 사용될 SoC의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
일반적으로 제조사 제공 SoC 는 안전, 배터리 성능, 수명 등을 고려하여 이론상 가능한 SoC보다 더 좁은 범위를 제시한다. 예를 들어, 도 1의 (A)는 특정 배터리의 SoC에 따른 OCV 곡선에서 이론상 SoC (130) 범위 내에 제조사가 제공하는 SoC(120)를 표현한 도면이다. 도 1의 SoC-OCV 곡선 중 도면부호 110으로 표시되는 영역은 리듐 이온 배터리(LIB)와 같은 특정 배터리의 경우, 낮은 OCV로 인하여 화재 위험이 발생하는 가혹 조건 영역을 나타낸다. 따라서, 제조사는 안전, 배터리 성능, 수명 등을 고려하여 도 1의 (A)의 도면부호 120으로 지칭되는 영역을 SoC 0% 내지 100 %의 구간으로 제시하는 것이 일반적이다.
한편, 이러한 제조사 제공 SoC 영역은 어플리케이션별로 목적에 따라 그 범위가 달라지는 경우도 있다. 예를 들어, 긴 수명을 요하는 ESS 용 배터리는 SoC 범위를 더 좁게, 순간적인 에너지가 많이 필요한 UPS 용 배터리는 SoC 범위를 더 넓게 사용하는 경향이 있다.
상술한 바와 같이 전력공급의 불안정(정전) 문제를 해결하기 위해 기존에도 UPS와 ESS를 단순히 결합하여 사용하려는 시도가 있었으며, UES도 이러한 UPS와 ESS를 결합하여 사용되는 배터리 시스템을 지칭하는 용어로 사용된다.
다만, 종래 UPS와 ESS를 단순히 결합하는 것이 어려운 이유는 ESS 사용 도중 일정 에너지 이상을 사용한 상태(낮은 SoC)에서 비상상황이 발생하여 UPS가 필요한 상황이 되었을 때 예비율이 너무 낮아질 수 있기 때문이다.
예를 들어, 도 1의 (B)는 도 1의 (A)와 동일하게 특정 배터리의 SoC-OVC 곡선에서 해당 배터리가 UPS 모드(140)로 동작하는 구간과, ESS 모드(150)로 동작하는 구간을 구분하여 나타내고 있다. 도 1의 (B)에 도시된 바와 같은 UPS 모드(140)에서 도 1의 (A)와 같은 가혹 조건 영역(110)을 제외하고 살펴보면, 실제 UPS 모드(140)로 동작 가능한 영역이 제한적일 수밖에 없다.
도 2는 도 1에서 설명한 UPS/ESS 모드 활용상의 문제점을 구체화하여 설명하기 위한 도면이다.
도 1에서 상술한 바와 같이 이하의 설명에서 특별한 언급이 없는 한 SoC는 이론상 SoC, 즉 배터리의 완전 방전 상태를 0%, 배터리의 완전 충전 상태를 100%로 설정한 SoC를 언급하는 것으로 가정하며, 도 2의 가로축은 이러한 이론상 SoC를 나타낸다.
이에 반해, 안전을 고려한 제조사 기준 SoC는 어플리케이션별로 상대적일 수 있으며, 사용자에게 보여지는 SoC로 지칭될 수 있다. 도 2에서 영역 A1은 ESS 모드로 동작하는 영역을 나타내며, 도 2의 예에서 영역 A1 이 사용자에게 보여지는 SoC 0 - 100% 구간에 대응할 수 있다. 한편, 영역 A2는 UPS로 동작하는 영역을 나타내었다.
만일, ESS/UPS에 이용되는 배터리가 LIB인 경우, 영역 A2의 사용은 화재 발생 등 치명적인 영역에 대응할 수 있다. 따라서, 긴급 상황이 발생한 시점(Es)에서, 해당 배터리를 UPS 모드로 사용하는 것이 매우 제한적일 수 밖에 없으며, 이에 따라 종래에는 ESS로 사용되는 배터리와 UPS로 사용되는 배터리를 구분하고, UPS용 배터리는 상기 100%의 충전 상태를 유지하며, 별도의 공간에 배치하는 형태로 이용하는 것이 일반적이었다.
도 3 및 도 4는 ESS용 배터리로 NaS 배터리가 사용되는 경우의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
ESS에 적용 가능한 배터리로는 다양한 형태가 존재하며, 예를 들어, 납산화물(lead-acid) 배터리, 납탄소(lead carbon) 배터리, NaS (Sodium Sulfur) 배터리, 리듐이온배터리(LIB), 흐름전지 등이 활용될 수 있다.
도 3 및 도 4는 상술한 배터리들 중 NaS 배터리(310)가 이용되는 예를 도시하고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 복수개의 NaS 배터리(310)가 ESS용 배터리로서 이용되어 인버터(320), 그리드 트랜스포머(330)를 거쳐 그리드로부터의 전력을 선택적으로 저장하거나, 그리드의 전력을 보조하도록 동작할 수 있다.
한편, 부하들 중 정전 등 비상상황에 민감한 부하(350)는 비상전원 공급 수단이 필요하며, 도 3에서는 이러한 보조 전력 제공 수단으로써 UPS(340)가 별도로 구비되어 있는 형태를 도시하고 있다. 즉, 비상상황에 민감한 부하(350)는 그리드, NaS 배터리(310)를 이용한 ESS와 별도의 UPS(340)에 의한 보조 전력 제공원을 포함하며, 이는 도 4에 나타낸 바와 같이 별도의 물리적인 공간을 차지하여 공간 효율화를 저해하는 요인이 되기도 한다.
따라서, 이하에서는 동일한 배터리를 ESS 모드와 UPS 모드로 구분하여 사용할 때 문제가 된 SoC 영역 관점에서 배터리별 특성을 살펴보고, ESS 모드/UPS 모드를 모두 지원 가능한 배터리를 활용한 배터리 시스템을 제안한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 UPS/ESS 모드를 지원하는 배터리 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 본 실시예에 따른 배터리 시스템은 SoC 에 따라, 전력 저장 또는 공급을 위한 복수의 동작 모드를 지원하는 하나 이상의 배터리(510)를 포함하며, 이때 상기 배터리는 제 1 기준치(SoC_th) 이하의 SoC에서 UPS 동작 모드를 지원하는 배터리를 포함하는 것을 제안한다.
여기서, SoC는 안전을 고려한 상술한 제조사 기준 SoC와 구분되며, 배터리의 완전 방전 상태를 0%, 배터리의 완전 충전 상태를 100%로 설정한 상술한 이론상 SoC 개념에 기반하는 것이 바람직하며, 후술하는 바와 같이 제 1 기준치(SoC_th)는 20%에 대응할 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
만일, 제 1 기준치(SoC_th)를 제조사 기준 SoC로 판단하는 경우, 제조사 기준 SoC의 0%에 대응할 수도 있다.
한편, 본 실시예에 따른 배터리 시스템은 그리드(530)의 전력 공급 상황 및 배터리(510)의 SoC에 따라, 복수의 동작 모드 중 ESS 모드 또는 UPS 모드 중 어느 하나의 동작 모드를 결정하는 제어기(520)를 포함할 수 있다. 복수의 동작 모드는 ESS 동작 모드/UPS 동작 모드를 포함할 수 있으며, 안전성/활용성을 고려하여 다른 동작 모드가 추가적으로 포함될 수도 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 제어기(520)는 그리드(530)의 전력 공급이 차단된 비상상황을 인지 가능하도록 구성되는 것이 바람직하며, 그 밖에 부하(540)에 필요한 전력량 등의 정보를 획득할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 명세서의 설명에 있어서 '비상상황'은 협의로 정전 등으로 그리드의 전력 공급이 차단되는 상황을 의미한다. 또한, '비상상황'은 배터리 화재 및 탑승자 안전을 위태롭게 만드는 상황, 및 안전을 위협하지는 않지만 정상상황 절차 수행이 곤란한 상황을 포함하는 비정상 상황을 포함하여 해석될 수 있다.
아울러, 이하의 설명에 있어서 배터리의 SoC에 따라 복수의 동작 모드 중 ESS 모드로 동작하는 영역은 '정상상황 대응영역'으로 간주할 수 있으며, 복수의 동작 모드 중 UPS 모드로 동작하는 영역은 '비상상황 대응영역'으로 간주할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에서는 도 2와 마찬가지로 특정 배터리가 ESS로 동작하는 ESS 모드 영역을 영역 A1으로, 해당 배터리가 UPS로 동작하는 UPS 모드 영역을 A2 영역으로 나타내고 있다.
도 5에서 상술한 바와 같이 ESS로 동작하는 ESS 모드는 사용자에게 보여지는 SoC 0% 지점(P1) 및 SoC 100% 지점(P2)에 대응할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 배터리는 제 1 기준치(P1) 이하의 SoC에서 UPS 동작 모드를 지원하는 배터리를 이용하는 바, 도 2와 같은 문제를 해결할 수 있다.
상술한 바와 같이 일반적으로 표시되는 (사용자에게 보여지는) SoC는 이론상 SoC의 20 - 80% 범위를 의미할 수 있다. 따라서, 제 1 기준치(P1)는 이론상 SoC를 기준으로 20%에 대응하는 것으로 볼 수도 있다.
도 6에서 UPS 영역(A2)은 이러한 제 1 기준치(P1) 이하의 SoC에서 동작되는 영역을 나타내며, 방전 등 전기 공급이 중단될 경우 부가(특히, 정전에 민감한 부하)가 요구하는 전력을 공급하기 위해 기설정된 범위(이론상 SoC의 5 ~ 20 %)가 적용될 수도 있다.
이하 이러한 기준을 만족하는 배터리에 대해 구체적으로 살펴본다.
배터리 비교
상술한 바와 같이 ESS에 적용 가능한 배터리로는 다양한 형태가 존재하며, 이러한 다양한 ESS용 배터리 중 현재 가장 대중적으로 주목받고 있는 LIB와 본 출원인에 의해 제안된 바나듐 이온 배터리(Vanadium Ion Battery, 이하 VIB)를 비교하여 살펴본다.
LIB는 높은 에너지밀도와 출력밀도를 가지며, 기존의 납축전지보다 약 3배 더 가벼우며, 높은 전력밀도로 공간 차지 비율을 50~80% 감소가 가능한 점에서 주목받고 있다. 그리고, 한달에 충전량의 1~2% 방전하고 긴 사용수명의 유지가 가능하며, 10년 정도 사용 가능한 장점과 조건에 따라 5,000회의 배터리 사이클 가진다고 볼 수 있다.
다만, LIB의 경우, ESS로 운영 시 0.2~0.5C를 기본 조건으로 충방전을 수행하며, 높은 C-rate로 구동시에 열발생으로 인하여 연속 구동이 힘들며, 화재발생 위험성이 높은 단점을 가진다.
또한, 알칼리성(alkaline) 및 납(lead) 배터리의 경우, 열발생으로 인한 배터리 용량저하(성능감소)를 피하기 위해 0.05C(= 20시간 방전)로 구동되는 것이 일반적이다.
이에 반해, 본 출원인에 의해 개발된 VIB는 바나듐 이온을 활물질로 하여 전기 화학적으로 에너지를 저장/방출하는 이차 전지를 말한다. 기존 바나듐 계열 배터리는 전기화학 반응에 참여하는 활물질(예를 들어, 바나듐 이온, H+ 양이온, 물, 황산 등)이 외부 동력으로 동작하는 펌프 등에 의하여 강제로 순환/이송/저장되며 전기에너지를 저장/방출하는 반면, VIB는 셀 및/또는 모듈 내의 활물질이 내부의 전기장, 삼투압, 농도차 등을 이용한 이온 변화 및 이동을 이루며, 해당 활물질은 해당 셀 및/또는 모듈 내에서 전기화학 반응을 통해 에너지를 저장/방출하는 역할을 수행한다.
특히, VIB의 경우, 0.5 ~ 5C(MAX 10C)로 충방전이 가능하다. 또한, 수용성 전해액을 사용하여 구동되기 때문에 화재 위험으로부터 자유로우며, 넓은 SoC의 활용이 가능한 장점을 가진다.
예컨대, LIB의 경우, 고출력 시 발열 및 배터리 수명에 영향이 있으나 VIB의 경우 안정적인 고출력이 가능하다. 또한, LIB의 경우 1C 충전 1C 방전 등의 제한이 있으나 VIB는 고출력으로 입출력 유동 제어가 가능하며, 예를 들어 그리드의 정전 발생 시, VIB ESS는 그리드와 충전기 모두 고출력으로 보조가 가능하므로 VIB ESS의 활용은 매우 효율적인 ESS 충방전 관리를 수행할 수 있는 장점을 가진다.
특히, VIB의 경우 과부하로 인한 화재위험이 없으므로, 이러한 VIB를 본 실시예의 ESS에 적용하는 경우 다양한 부대설비에서 본 발명의 시스템이 안전을 담보하면서 바람직하게 적용될 수 있다는 점에서 매우 효과적인 전력공급 시스템이라고 할 수 있을 것이다. 또한, VIB ESS의 활용인 안전하고 효율적인 에너지 공급이 가능하기 때문에, 에너지 절약이나 에너지 환경, 탄소중립의 실현 등에서 매우 효과적이고 안전하면서도 친환 경적인 에너지 공급수단으로 활용될 수 있다.
한편, LIB의 경우, 상한 전압과 하한 전압이 존재하여 상대적으로 좁은 전압 범위(윈도우)를 사용한다. 구체적으로, LIB는 0 V 또는 가혹방전상태(상기 하한전압보다 낮은 상태)가 되면 덴드라이트(Dendlite)라는 물질이 생성되어 분리막 손상에 의한 단락(쇼트)이 발생하여 열폭주(Thermal Runaway)가 발생할 수 있다.
이에 반해, VIB의 경우, 상한 전압은 존재하나, 하한 전압이 존재하지 않아 상대적으로 넓은 전압 범위(윈도우)를 사용 가능한 장점을 가진다. 즉, 0 V 또는 완방 상태가 되어도 특별한 문제가 발생하지 않아, 후술하는 복수의 전력량계의 계측 상황에 따라 보다 유연하게 동작할 수 있다.
또한, LIB의 경우, 충방전 사이클 반복 시, 상 변화로 인한 비가역적 반응(표면석출현상, Solid Electrolyte Interphase, 크랙킹현상)이 존재하여, 일정 사이클 작동 시 용량 차이가 발생하는 문제를 가지나, VIB의 경우 가역 반응을 이용하여 처음 용량과 일정 사이클 작동 후 용량에 차이가 없는 장점을 가진다.
한편, 상술한 바와 같은 상한 전압/하한 전압과 연결하여 LIB의 경우, 실제(이론상) SoC 20% 이하에서 사용하는 것이 불가능하나, VIB의 경우 하한 전압이 존재하지 않아 실제(이론상) SoC 20% 이하에서 사용이 가능하다.
이러한 LIB와 VIB의 주요 특징은 아래 [표 1]과 같이 요약할 수 있다.
LIB VIB
화재 위험성 높음 없음
충방전율 0.2-0.5 C 0.5 - 5 C(Max 10 C)
전압범위 상한전압, 하한전압 존재 상한전압 존재, 하한전압은 X
실제 SoC 20% 미만 동작 불가 가능
사이클 반복 시 특징 상 변화로 비가역 반응 가역적 반응
한편, 상술한 바와 같이 소개한 VIB를 활용하는 구조에 대해 설명하면 아래와 같다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 VIB ESS/UPS의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이 VIB ESS/UPS 역시 배터리, BMS, PCS, EMS 등의 구성을 포함하고 있다.
구체적으로 배터리는 가장 작은 셀 단위에서부터, 10-20개의 셀이 그룹화된 모듈을 구성하고, 복수의 모듈은 팩을 구성하며, 복수의 팩은 시스템 레벨을 구성할 수 있으며, 이러한 구조에 대응하여 BMS 역시 셀 BMS(미도시), 모듈 BMS(31; 레벨 1), 팩 BMS(32; 레벨 2), 시스템 BMS(33; 레벨 3)의 계층 구조를 가질 수 있다.
여기서, 각 레벨은 상술한 BMS뿐만 다른 제어 구성을 포함하는 동작 레벨을 의미한다. 예를 들어, 레벨 2에서는 상술한 팩 BMS(32)의 레벨 1 제어단과의 제어, 그리고 스위치 기어(34)에 대한 제어 동작을 규정하고, 래밸 3에서는 상술한 시스템 BMS(33)와 PMS(35) 사이의 제어 동작을 규정할 수 있다. 또한, 최종적인 레벨 4는 복수의 PMS(35)와 EMS(36) 사이의 제어 동작을 규정할 수 있다.
여기서, 스위치 기어(34)는 배터리와 전력선(컨텍터, 프리차지, 퓨즈)을 제어할 수 있으며, Linear IC(37)는 팩 BMS(32)로부터 명령을 받아 스위치(38) 턴온을 수행할 수 있다. 이때, 스위치 턴온 = 저항에 의한 밸런싱 수행을 의미할 수 있으며, 여기서 저항은 보드에 구리선이 패턴으로 형성된 패턴저항일 수 있다.
상술한 구조에서 배터리는 PCS 또는 다양한 레벨의 BMS(31, 32, 33)에 의해 ESS 동작 모드 또는 UPS 동작 모드로 동작할 수 있다.
상술한 VIB를 활용한 구조에서 이론상 SoC는 전체 바나듐 이온 중에 상대적으로 에너지 준위가 높은 이온(2가, 3가)을 비율로 계산한 것을 의미할 수 있다.
상술한 실시예에서는 ESS/UPS에 적용되는 배터리의 타입을 LIB와 대비하여, VIB로서 예시적으로 설명하였으나, ESS/UPS에 적용되는 배터리의 타입은 VIB로 제한될 필요는 없다. 예를 들어, 본 명세서에서 ESS/UPS는 VRB(Vanadium Redox Battery), PSB(polysulfide bromide battery), ZBB(zinc-bromine battery) 등을 활용할 수도 있다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템에서 비상상황 발생 시 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 11에서 (A)는 상술한 바와 같이 제 1 기준치(P1) 이하의 SoC 영역(A2)에서 UPS 모드로 동작 가능한 하나 이상의 배터리를 활용하여, 제어기가 인지한 상황에 따라 배터리를 ESS 모드와 UPS 모드로 활용하는 개념을 도시한 도면으로써, 다른 상황과 비교를 위해 도시하고 있다.
이러한 개념하에, 도 8의 (B)-(D)에서는 UPS 모드로 동작하는 영역(A2)이 ESS 모드로 동작하는 영역(A1)과 중첩되어 설정되어 있는 형태를, 도 9의 (B) - (D)에서는 UPS 모드로 동작하는 영역(A2)과 ESS 모드로 동작하는 영역(A1)이 중첩되지 않도록 설정되어 있는 형태를, 도 10의 (B)-(D)는 이들이 일부 중첩되어 설정되어 있는 형태를 도시하고 있다.
즉, 본 실시예에 따른 배터리가 제 1 기준치(P1) 이하의 영역에서 UPS 모드를 지원하는 배터리라는 의미는, 도 8의 (B) 및 (C)에서 A3로 지칭된 영역과 같이 LIB 사용 시 화재 위험성이 있는 위험 영역(이하 '위험 영역(A3)'이라 함)을 UPS 모드로 사용하는 것이 가능한 배터리라는 의미이며, 제 1 기준치(P1) 이상의 영역(즉, ESS 모드로 동작하는 영역(A1))에서도 ESS 모드/UPS 모드로 선택적으로 동작할 수 있음을 배제하는 것은 아니다.
또한, 본 실시예에서 배터리는 복수 개일 수 있으며, 도 8의 (B) 내지 (D)에 도시된 바와 같이 ESS 모드 동작 영역(A1)과 UPS 모드 동작 영역(A2)이 중첩되어 설정된 경우, 복수의 배터리 중 제 1 그룹은 UPS 모드로, 제 2 그룹은 ESS 모드로 운용될 수 있다.
또한, 도 9의 (B) 내지 (D)에 도시된 바와 같이 ESS 모드 동작 영역(A1)과 UPS 모드 동작 영역(A2)이 중첩되지 않은 경우에도, 복수의 배터리 중 제 1 기준치(P1) 이하의 SoC를 가지는 제 1 그룹은 UPS 모드로, 제 1 기준치(P2) 이상의 SoC를 가지는 제 2 그룹은 ESS 모드로 운용될 수도 있다.
도 8의 (B)에서 그리드의 전력 공급이 차단되는 것과 같은 비상상황이 발생하는 시점은 도면부호 Es로 표기하였다. 이 경우, 비상상황에 대비하여 중요 부하에 전원 공급을 보장하기 위해 일부 배터리를 UPS 모드로, 나머지 배터리는 ESS 모드로 운용하는 것이 가능하다.
일부 배터리를 도 8의 (B)에 도시된 바와 같은 UPS 모드 동작 영역(A2)에서 운용하는 경우, 사용자는 제조사가 제공한 SoC 범위 (0 - 100%)를 벗어난 범위까지 UPS 모드로 동작 가능한 점을 활용할 수 있는 장점이 있으며, 예를 들어, 사용자는 제조사가 제공한 SoC 범위 기준으로 3배 더 넓은 SoC 범위(0-300%)를 활용하는 것으로 인지할 수도 있다.
도 8의 (C)에서는 비상상황이 종료되는 시점을 도면부호 Ee로 표기하였다. 비상상황이 종료되는 시점이 상술한 바와 같은 위험 영역(A3)에 진입하기 이전인 경우, 본 실시예에 따른 제어기는 굳이 해당 배터리를 위험 영역(A3)까지 운용할 필요는 없으며, 이 시점에서 회복 동작을 수행할 수 있다.
또한, 도 8의 (D)에서는 비상상황이 ESS 모드로 동작 가능한 영역(A1) 범위에서 종료되는 경우를 도시하고 있다. 회복 동작은 이하에서 설명하는 바와 같이 비상상황 종료 시 해당 배터리의 SoC 수준에 따라 다른 수준으로 수행되도록 제어될 수 있다.
한편, 도 9의 (B)-(D)는 비상상황 발생 시점(Es)이 ESS 모드로 동작 가능한 영역(A1)의 경계(P1) 직전인 경우를 도시하고 있다. 이 경우, 제어기는 최소 장치를 제외하고 전력 소모량을 최소화하기 위해 최소 장치만 운용하도록 제어할 수 있다. 도 9의 (C) 및 (D)는 제어기의 위와 같은 주변 장치 정지를 통해 상술한 위험 영역(A3)까지 배터리의 SoC를 낮추지 않고 비상상황이 종료되도록 제어되는 개념을 도시하고 있다.
한편, 도 10의 (B) -(D)에서는 상술한 바와 같이 UPS 모드로 동작하는 영역(A2)이 ESS 모드로 동작하는 영역(A1)과 일부 중첩되도록 설정되는 경우를 나타내며, 이는 도 9와 관련하여 상술한 바와 같이 비상상황 발생 시 비상상황에 대처한 후 비상상황이 종료되는 시점을 위험 영역(A3) 이전으로 유지하기 위해 배터리의 현재 SoC까지 UPS 모드로 동작하는 영역(A2)을 확대한 것으로 볼 수 있다. 이러한 설정 하에 비상상황이 발생(Es)하는 경우, 도 9에서 상술한 바와 같이 최소 장치(예를 들어, BMS, 공조 장치 등)만을 정상 구동하여 비상상황에 대응할 수 있다.
아울러, 도 11의 (B)는 UPS로 동작하는 영역(A2)을 오히려 ESS로 동작하는 영역(A1) 내부에 배치되도록 설정한 예를 도시하고 있다. 이러한 설정 하에서도 긴급 상황 발생(Es) 시, 배터리를 UPS 모드로 운용하여 UPS로 동작하는 영역(A2) 내에서 비상상황이 종료(Ee)될 수 있도록 제어할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 비상상황 종료 시 회복 동작에 대해 설명하기 위한 도면이다.
상술한 바와 같이 본 실시예에 따른 제어기는 비상상황 발생 시, 배터리의 SoC 수준에 따라 주변 장치의 전력을 선택적으로 차단할 수 있다. 바람직하게, 제어기는 복수의 주변 장치의 전력 사용 정보를 수신하도록 구성될 수 있으며, 이를 위해 본 실시예에 따른 배터리 시스템은 ESS/UPS에서 사용하는 전력량을 계측하는 전력량계, ESS/UPS 외 부하에서 사용하는 전력량을 계측하는 전력량계, 충전기에서 사용되는 전력량계 등의 복수의 전력량계를 추가적으로 포함할 수 있다. 이와 같이 복수의 전력량계로부터 수신된 전력량 정보는 VIB와 같이 고속 충방전이 가능한 배터리를 활용하여 동적으로 상황에 대처하여 필요한 부하에 전력을 공급하는 것이 가능하게 한다.
한편, 도 12에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 제어기는 비상상황 종료 시 배터리의 SoC 수준에 따라 배터리의 회복 동작을 서로 다른 수준으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 12의 (A)는 비상상황 종료가 SoC 0%에 가까운 영역(즉, 상술한 위험 영역(A3))에서 이루어지는 경우를 나타내고 있으며, 실질적으로 전기화학적 반응을 통해 약 0.6 V의 전위차를 가지는 영역에서 비상상황이 종료될 수 있다. 이에 따라 제어기는 배터리의 전해액 재분리, 전해액 재구성 및 회복 사이클 가동 중 하나 이상을 수행하여 해당 배터리를 ESS 모드로 동작하는 영역(A1)까지 회복시키는 경우를 나타내고 있다. 이때, VIB를 이용하는 경우 배터리에서 전해액을 제거 후 다시 주입하는 의미의 '전해액 재분리'가 수행되기 보다는, 양극 전해액과 음극 전해액의 중간 물질 수준에서 다시 양극/음극 전해액으로 재구성되는 전해액 재구성이 수행될 수도 있다.
또한, 도 12의 (B)는 비상상황 종료가 위험 영역(A3)까지 다다르지 않았으나, UPS 모드 동작 영역(A2) 내에서 이루어지는 경우를 나타내고 있으며, 이에 따라 제어기는 해당 배터리의 회복 사이클 가동하여 SoC를 회복할 수 있다.
또한, 도 12의 (C)는 비상상황 종료가 UPS 모드 동작 영역(A2)과 ESS 모드 동작 영역(A1)의 경계부에서 이루어지는 경우를 나타내고 있으며, 이에 따라 제어기는 일반 사이클 가동으로 해당 배터리의 SoC를 회복할 수 있다.
아울러, 도 12의 (D)는 비상상황 종료가 ESS 모드 동작 영역(A1) 내에서 이루어지는 경우를 나타내고 있으며, 이에 따라 제어기는 특별한 회복 동작 없이 해당 배터리를 운용할 수 있다.
상술한 실시예에서 비상상황 발생 시 제어기는 하나 이상의 배터리를 UPS 모드로 운용하고, 바람직하게 제 2 기준치 이상의 전류로 고속 방전을 수행하여 이러한 긴급 상황에 대응하도록 운용하는 것을 제안한다.
또한, 비상상황 종료 시 회복 절차에 있어서도 제 2 기준치 이상의 전력로 고속 충전을 수행하여 배터리의 회복 속도를 빠르게 제어할 수 있다.
일례로서 상기 제 2 기준치는 0.5 C-Rate를 기준으로 활용될 수도 있으며, 이를 통해 LIB 기반 배터리 시스템에서 고속 충방전 대응이 어려운 문제를 해결할 수 있다.
다른 일례로서 상기 제 2 기준치는 0.5 C-Rate 내지 5 C-Rate 범위 내에서 ESS/UPS의 설치 상황에 따라 가변적으로 선택되어 적용될 수 있다. 예를 들어, ESS/UPS가 배치되는 장소의 안전성 등에 따라 제 2 기준치가 가변적으로 적용될 수 있다. 또한, 전기차 등 전기 구동 이동 장치의 충전에 소요되는 전체 시간 중 ESS가 관여하는 시간을 고려하여 소정 기준의 상한은 5 C-Rate 범위 내에서 결정하는 것이 바람직하다.
또 다른 일례로서, 상기 제 2 기준치는 0.2 C-Rate을 기준으로 활용될 수도 있으며, 이는 LIB 기반 배터리 등을 ESS/UPS에 적용하면서, 상술한 위험 영역(A3)에서의 배터리 사용 문제에 대응하기 위한 추가 수단을 구비하여 활용될 수 있다.
상술한 바와 같이 상기 제 2 기준치 이상의 충방전 속도를 지원하는 배터리로는 VIB가 대표적이나, 다른 배터리도 상술한 기준을 만족하는 한 이용 가능함은 상술한 바와 같다.
다만, 배터리의 고속 충방전 진행 시 본 발명자는 다소 큰 셀 편차가 발생하여 경우에 따라 BMS와 같은 제어기의 구동 전압 이하로 강하될 수 있는 문제를 인지하였으며, 이러한 경우에도 안정적으로 배터리 시스템을 운용하기 위한 구성을 이하에서 설명한다.
도 13은 특정 부하에 대하여 ESS의 충방전이 고속으로 이루어 지는 경우의 현상을 설명하기 위한 도면이다.
고속 충방전에 대한 기준은 상술한 바와 같은 제 2 기준치 이상의 C-Rate으로 판단할 수 있으며, ESS 내부 배터리의 셀들에 대하여 다양한 셀 편차를 예시적으로 도 13의 <1>, <2> 및 <3>의 경우로 나타내고 있다.
본 발명자들은 높은 C-rate 충/방전 시 셀 편차 발생 확률 및 편차 전압 증가하는 문제를 인식하였다. 해결방안으로써 펄스 폭 변조(PWM)로 밸런싱 전류량을 조절할 수 있는데, 높은 C-rate운용 시 최대 전류량 밸런싱, 낮은 C-rate시 최소한의 전류량으로 밸런싱 등의 방식으로 제어할 수 있다.
그 결과, 밸런싱 전류를 유동적으로 제어하므로, 안정적인 높은 C rate 유지가 가능하다. 예를 들어, 셀 편차가 발생되는 셀들이 많을 경우, 특정 셀에 대하여 조금 더 많이 밸런싱 되도록 PWM 제어를 수행할 수도 있다.
구체적인 밸런싱 방식은 다양하게 적용될 수 있고 제한되지 않으며, 유동적으로 밸런싱 전류를 조절하는 것이 중요하다. 또한, 밸런싱 전류 제한 소자의 저항 값을 밸런싱 스위치 소자를 보호할 수 있는 선에서 최대한으로 낮춘 뒤, PWM 제어를 통한 전류 제어를 통해 밸런싱 전류를 제어할 수도 있다.
또한, 본 발명자들은 높은 C-rate 충/방전시 과방전 되는 셀이 많아질 경우 셀 모니터링 BMS 동작 중지 우려가 발생할 수 있다는 문제도 인식하였다.
기존 구성과 같이 배터리 전원 사용시 고출력 방전을 할 경우 BMS의 입력 전원 변동으로 안정적인 동작이 불가능하였다. 즉, BMS의 전원 공급이 차단될 경우 통상 ESS 전력이 차단되므로, 고출력 방전 시 많은 어려움이 발생하였다. 또한, 기존 구성처럼 외부 전원을 사용할 경우, 다수의 커넥터 와이어 등의 부품 추가, 여기에 필요한 제조공정 공정 추가, 및 전반적인 비용 추가로 인한 단가 상승의 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 최소 전압만 입력되면 BMS가 정상 동작 할 수 있도록 승압 회로를 구성하는 것을 제안한다. 즉, 배터리 전압을 1차적으로 입력 받고, 입력 받은 전압을 BMS가 동작할 수 있는 전압으로 변경(승압)하여 BMS 전원 입력으로 제공하는 것을 제안한다.
그 결과, 배터리의 편차 발생 시에도 BMS는 안정적인 동작 가능하고, 다수의 과방전 배터리 발생시에도 BMS는 안정적인 동작이 가능하며, BMS의 내부 회로기판에 소수의 소자만 추가되므로 단가 상승을 최소화하고, 특별한 공정 추가 없이도 구현 가능하다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에서 승압회로가 적용된 사례를 개념적으로 도시하고 있다.
도 14에서 배터리 관리 시스템으로서, 셀 모니터링 체계(1700)을 도시한다. 셀 모니터링 체계(1700)에는 복수 개의 배터리들(1701)이 개념적으로 표시되어 있고 셀 모니터링 시스템(BMS:1703)은 여기에 연결되어 있다. 셀 모니터링 시스템(1703) 내부에 배터리(1701)들과 연결된 승압회로(1707)가 있으며 제어부, 예를 들어, 셀 모니터링 직접회로(IC)(1705)에 의하여 제어될 수 있다.
일 실시예에 따른 VIB는 리튬 기반 배터리 대비 더 높은 C-rate를 사용할 수 있으며, 높은 C-rate로 충전 및/또는 방전이 수행될 수 있다. 이때, 배터리들 중에서 특정 셀에 과방전 현상 등의 비정상적인 현상이 발생할 수도 있다. 이런 과방전 셀의 악영향으로부터 대응하도록 최소의 전압으로 상기 제어부의 정상 동작이 필요할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 적어도 일부 실시예에는 승압회로를 더 구비하여 제어부 또는 배터리 관리부 등에 필요한 최소 전압이 제공될 수 있도록 만들어준다.
도 15는 배터리의 고출력 시 급격한 전압 강하 발생 사례를 개념적으로 보여주는 개념도이다.
일 실시예에 따른 바나듐 기반 배터리들에 연결된 배터리 관리 시스템(BMS: 예, 모듈 BMS (m.BMS), 셀 모니터링 BMS(1801) 등)은 동작 전압이 예시적으로 10V~40V일 수 있다.
상술한 바와 같이 배터리의 고출력 시, 급격한 전압 강하가 발생할 수 있다. 배터리 전원으로 동작하는 BMS의 경우, 고출력 시 동작 전압보다 낮은 배터리 전압으로 인해 BMS 동작 불안정 현상 발생될 수도 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 승압 회로를 상황에 맞게 ON/OFF 제어를 수행할 수 있다. 또한, UPS 모드 또는 고출력 시스템과 연결될 경우 승압 회로에 대하여 상시 On 제어를 수행할 수 있다.
한편, 경우에 따라 배터리의 고속 충방전 시 BMS와 같은 제어기에 인가되는 전압이 너무 높을 수도 있다. 이러한 경우, 상술한 승압 회로는 배터리의 전압을 제어기의 전압 범위 내로 감압하는 역할을 수행할 수 있으며, 이러한 의미에서 승압 회로는 '제어기 전압 보조 회로'로 지칭될 수 있다. 다만, 이하에서 설명의 편의를 위해 제어기의 구동 전압 범위를 보조하는 회로를 '승압 회로'로 지칭한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 ESS가 설치된 환경의 전력 소모량이 0.5 C-rate 이상일 경우 승압 회로의 구동을 개념적으로 보여주는 개념도이다.
BMS(1901)(예, 모듈 BMS, 셀 모니터링 BMS 등)은 승압 회로, 부스팅 회로 등을 포함할 수 있으며, 스위치 기어(1903)와 연결될 수 있다. 스위치 기어(1903)는 전력변환시스템(PCS), 파워뱅크, 파워변환기 등과 같은 전력장치(1905)와 연결되어 있고, 부하(load; 1907)와도 연결될 수 있다.
상술한 도 15 및 16과 관련해서 해당 승압 동작을 수행한 후에는 필요한 조치를 취할 수다.
예를 들어, 해당 BMS의 동작이 승압에 의하여 일시적으로 수행 가능하면, 전반적인 시스템 또는 ESS의 운전 완료(shut down) 동작을 취할 수도 있다. 다른 방안으로, 일부 셀들에 대한 충전 작업을 수행하여 승압 된 상태 동안에 빠른 셀 충전으로 해당 BMS의 전력/전원 공급이 빠르게 다시 이루어질 수 있도록 만들어 줄 수도 있다. 또 다른 사례로, 전기차 충전이 이루어지고 있다면, 승압으로 인하여 BMS 동작을 지속시켜 전기차 충전이 갑자기 멈추거나 중단되는 상황에 대하여 대응할 수도 있다.
여기서, 승압 회로는 다양한 방식으로 제어되어 동작하 수 있다. 예를 들어, ESS가 설치된 환경의 전력 소모량이 ESS 기준 충 방전 Rate가 0.5 C-rate 이상일 경우에 승압 회로를 항시 구동할 수 있도록 구현될 수 있다. 반면, ESS가 설치된 환경의 전력 소모량이 ESS 기준 충 방전 Rate가 0.5 C-rate 이하일 경우 승압 회로는 선택적으로 구동할 수 있다.
모듈의 전압이 모듈 BMS(M.BMS)의 구동 전압 +10% 내외일 경우. 모듈 전압 10.5V, M.BMS 구동 전압 10V일 때 승압회로 ON 시키고, 모듈 전압 11.5V, 모듈 BMS 구동 전압 10V일 때, 승압회로 OFF시킬 수 있다.
또 다른 예시로, 모듈을 구성하는 셀들 중, 1.2V 이하로 떨어지는 셀들이 n 개 일 경우 (n은 모듈 사양에 따라 가변), 예를 들어, 20개의 셀이 하나의 모듈일 경우, 10개 이상 셀이 1.2V이하로 떨어지면, 승압회로 ON시킬 수 있다. 다른 예로, 10개 미만일 경우 승압회로 OFF시킬 수 있다. 모듈의 배터리 잔존 수명 및/또는 현재 성능 상태(state of health: SOH)를 판단했을 때, 상태가 나쁘다고 판단되는 경우에 승압 회로를 ON 시킬 수도 있다.
이하, 도 17 내지 도 20은 ESS에 VIB를 적용하고 UPS 장치 및/또는 기능을 통합한 구조(즉, VIB ESS + UPS)에서 충전 및 방전 상태가 다르다는 것을 보여주기 위한 도면들이다.
구체적으로, 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 및 UPS 간의 전환 제어에 있어서 ESS 보조 모드를 도시한 개념도이다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS/UPS 통합구조는 단순히 기존의 UPS를 기존의 ESS에 물리적으로 추가한 구성은 아니다. 우선, 기존의 LIB와 전기화학적 특성이 완전히 다른 VIB를 활용하며 이에 따라, VIB를 적용한 ESS/UPS 통합구조는 특별한 제어 및 운용이 필요하다.
한편, 본 실시예의 VIB ESS/UPS 통합 시스템은 기존의 레독스 흐름 전지(RFB: Redox Flow Battery)를 적용한 ESS와 기술적으로 다른 점이 많다. 일반적으로, RFB는 UPS와 결합하기에는 부적합하다고 알려져 있다. 그 이유로는, RFB의 반응 속도가 너무 느리기 때문이다. 즉, UPS는 일반적으로 정전과 같은 비상 상황에서 가동되어 전력 공급에 차질을 주지 않기 위해서 UPS의 전력이 순간적으로 빠르게 공급되어야 시스템의 전력이 실질적으로 끊기지 않고 동작을 할 수 있도록 해줘야 한다. 하지만, RFB의 반응 속도는 수 초 단위로 수 밀리 초 수준의 반응 속도를 가진 VIB 대비 약 1,000 배 느리다고 할 수 있다.
본 실시예의 특징에 따라 VIB의 넓은 C-rate coverage를 활용한 시스템을 제공할 수 있다. 이러한 VIB ESS/UPS 통합 구성으로 특정 배터리의 동작 모드를 ESS 모드와 UPS 모드로 자유롭게 전환하여 시스템의 안전성 향상에 기여할 수 있다.
기존에는 ESS 및 UPS가 독립적 구성되어 운용 방식에서 ESS 전용 배터리 팩 및 UPS 전용 배터리 팩을 따로 사용했다. 반면, 본 발명의 실시예들에 의하면, ESS 모드와 UPS 모드로 자유롭게 전환 가능한 배터리 팩을 사용하는 구조 및 제어 방식을 이용한다.
즉, 본 발명의 특징 중 하나는, ESS 전용 배터리 및 UPS 전용 배터리를 따로 독립적으로 구비할 필요없이, 독특한 ESS/UPS 모드 전횐 기능을 지원할 수 있도록 구현된 VIB를 적용하여 사용한다. 특히, 본 발명의 일 실시예에서는 특별한 센서 네트워크(또는 유사한 기능 수행 및/또는 구조를 가진 모니티링 수단)를 구현하여 필요한 제어에 활용할 수도 있다.
개념적으로 도시된 구성을 보면, 그리드에서 부하로 전력이 공급되며, 전력 변환 시스템(PCS)는 그리드와 부하 사이에서 전력 변환 등의 제어를 제공한다. PCS는 복수 개의 스위치 기어들과 연동하며 ESS 시스템 내부의 특정한 ESS, 배터리, 배터리 팩, 등의 충전 및 방전을 수행하도록 동작한다.
ESS 보조 모드 동작 때는, 환경 변수들이 주어지거나 정해지는데, 예시적으로 그리드 전력이 500kW, ESS 용량이 1대당 100kW (순간 최대 출력 500kW) 및 부하 요구 용량이 600kW~700kW라고 예시적으로 간주한다.
이런 조건하에, 본 실시예의 운용 방식을 수행하면, 부하 요구 수준에 맞게 특정 개수의 ESS를 연결하는 제어가 발생한다. 도 17은 ESS 1 내지 5 중 ESS 1 내지 3이 ESS로 연결되며, 여기서, 연결되지 않은 ESS 4 내지 5는 프리차지(pre-charge) 상태로 대기하도록 만들 수 있다.
그 결과, 그리드의 필요 전력량만큼만 ESS를 운용할 수 있고, 그 외 ESS는 비상 상태를 위한 대비용으로 활용 가능하다. 해당 ESS가 사용 중이지 않을 때, 프리차지 모드가 적용될 수 있으며, 이 경우 자연스러운 배터리 팩 간의 셀 밸런싱 유지도 가능하다.
여기서, 본 실시예에 의한 프리차지 모드 수행은 또 다른 장점이 있다. LIB의 경우, ESS 내의 해당 LIB가 0V(볼트), 즉, 완전히 방전된 상태의 LIB에 대해서 충방전 연결을 끊어주는 것이 바람직한데, 0V의 VIB의 경우는 이럴 필요가 없다. 다시 말해서, 0V의 VIB를 본 실시예의 프리차지 모드를 수행하여 프리차지를 해두면 다시 활용할 수 있는 상황을 만들 수 있다. 이는 상술한 전해액 재구성 및 회복 사이클 가동 중 하나 이상을 수행하는 것과 대응하여 생각할 수 있다.
본 실시예에 따른 하나의 ESS에는 다수의 VIB들이 셀(cell), 팩(pack), 모듈(module) 등의 형태로 서로 결합되어 탑재될 수 있다. 해당 VIB들에 대하여 충전 또는 방전이 모두 함께 또는 선별적으로 수행될 수 있도록 필요한 측정과 제어를 수행할 수 있다. 이와 유사하게, 이런 ESS가 복수 개로 연결되어 필요한 측정과 제어를 통하여 함께 또는 선택적으로 동작될 수 있다.
여기서, 프리차지 동작은 하나의 ESS 내에 일부 VIB에 대하여 수행될 수도 있고, 다수의 ESS들 중에서 일부 EES에 대하여 수행될 수도 있고, 이들의 조합으로 수행될 수도 있다. 프리차지라는 것은 해당 VIB 및/또는 ESS를 미리 충전하는 것을 의미할 수 있다. 여기서, 프리차지가 필요한 시점, 제어되는 충전량, 수행되는 충전 시간 등은 다양한 측정과 제어를 통하여 제공되거나 필요한 전력 상황에 따라 맞춤형으로 구현될 수 있으며, 이하 설명에 예시적인 사례들이 있다.
다시 도 17을 참조하면, ESS/UPS 통합 시스템에서의 필요한 제어는 제어부에 의해서 수행될 수 있다. 해당 제어부는 하나의 구성요소로 개념적으로 표시했으며, PCS 내부에 구현된 것을 예시적으로 제시하였다. 하지만, 제어부 자체가 PCS 외부에 별도 구성요소로 구현될 수도 있고, ESS의 다른 구성요소에 통합되어 구현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 아닌 복수 개의 구성요소에 제어 기능들이 나누어져서 구비될 수도 있다. 하나의 예로, 특정한 스위치 기어(switch gear)에 적용될 수도 있고, 여러 스위치 기어들에 나누어서 제어에 필요한 기능들이 적용될 수도 있다.
또한, 도 17을 참조하면, ESS/UPS 통합 시스템에서의 필요한 승압은 승압회로에 의해서 수행될 수 있다. 해당 승압회로는 하나의 구성요소로 개념적으로 표시했으며, PCS 내부에 구현된 것을 예시적으로 제시하였다. 하지만, 승압회로 자체가 PCS 외부에 별도 구성요소로 구현될 수도 있고, ESS의 다른 구성요소에 통합되어 구현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 아닌 복수 개의 구성요소에 승압 기능들이 나누어져서 구비될 수도 있다. 하나의 예로, 특정한 스위치 기어에 적용될 수도 있고, 여러 스위치 기어들에 나누어서 승압에 필요한 기능들이 적용될 수도 있다.
이하 도 18의 내용은 ESS 및 UPS 간의 전환 제어에 있어서, UPS 모드의 몇 가지 동작에 대하여 살펴본다.
도 18은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 따른 ESS 및 UPS 모드 간의 전환 제어에 있어서 UPS 모드1을 도시한 개념도이다.
UPS 모드1 동작 때는, 환경 변수들이 주어지거나 정해지는데, 예시적으로 그리드 전력은 정전(black out) 상태, ESS 용량이 1대당 100kW (순간 최대 출력 500kW) 및 부하 요구 용량이 600kW~700kW라고 예시적으로 간주한다.
이럴 경우, 즉, 그리드 전력 단절 상황 시, 도 17의 예에서 대기 모드에 있던 ESS들(ESS 4 및 ESS 5)을 연결하여 시스템 복구가 되는 시간 동안 전력 보조를 하도록 제어할 수 있다. 한편, 이전에 방전 중이던 ESS들(ESS 1 내지 3)에 대하여 전력 복구 때까지, 전원 연결을 차단할 수 있다. 만일, 이전에 방전 중인 ESS들까지 모두 연결한다면, 그리드로 송출되는 전력이 차감되므로, 본 실시예에서는 UPS 모드1로 동작하는 ESS(ESS 4 및 5)의 전력을 조금이라도 더 그리드로 송출하기 위하여 제어하는 방식이다.
그 결과, 대기중이던 ESS의 순간적인 고출력 보조로, 그리드 복구시까지 시스템 안정화가 가능하다. 도 18은 예를 들어 UPS 모드1로 동작하는 ESS 4 및 ESS 5가 350 kW를 고출력으로 보조하여 그리드의 안정시까지 부하의 요구 전력(700kW)를 지원하는 것을 예시적으로 도시하고 있다.
도 19는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 따른 ESS 및 UPS 모드 간의 전환 제어에 있어서 UPS 모드2를 도시한 개념도이다.
UPS 모드2 동작 때는, 환경 변수들이 주어지거나 정해지는데, 예시적으로 그리드 전력은 정전(black out) 상태지만 복구 지연이 발생할 경우이며, ESS 용량이 1대당 100kW (순간 최대 출력 500kW) 및 부하 요구 용량이 600kW~700kW라고 예시적으로 간주한다.
이럴 경우, UPS 모드2로 고출력 중인 ESS의 용량과, 이전에 방전을 진행했던 ESS 용량의 차이가 임계 값 이내 일 경우에 프리차지(pre-charge) 연결을 수행한다.
예를 들어, 도 18에서 UPS 모드1에 따라 고출력 중인 ESS 4 및 ESS 5 이외에, ESS 1 내지 3은 도 17에서 ESS 모드 방전 후, 도 18의 예와 같이 전원 연결을 차단한 후, UPS 모드로 운용되는 ESS 4 및 5와 용량 차이가 임계 값 이내로 진입하였을 때 도 19에 도시된 바와 같이 프리차지 연결을 수행하여 현재 UPS 모드로 동작하는 ESS 4 및 5와 전압을 맞출 수 있다.그 결과, 대기중이던 ESS 1 내지 3까지 활용하여 그리드 복구 지연이 발생하더라도 시스템 안정화가 가능하다.
도 20은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 따른 ESS 및 UPS 모드 간의 전환 제어에 있어서 UPS 모드3을 도시한 개념도이다.
그리드 전력 복구가 되지 않을 경우, 도 19와 관련하여 상술한 바와 같이 프리차지로 전압을 회복한 ESS 1 내지 3을 포함하는 모든 ESS를 UPS 형태로 사용하여 최대 전력 공급을 진행할 수 있다.
그 결과, 그리드 전력 복구 지연되는 상황에서도, 시스템 유지 시간을 최대화할 수 있다.
전술한 도 17 내지 도 20을 참조하며 이하 본 발명의 ESS/UPS 통합 시스템에 있어서, ESS 모드 및 UPS 모드를 전환하며 동작할 수 있고, ESS들의 프리차지 연결에 대하여 추가적으로 설명한다. 여기서, ESS1 내지 ESS5의 명칭은 각각의 ESS를 의미할 수도 있고, 개별 배터리, 개별 셀, 복수 개의 배터리들이 묶여 있는 모듈, 등을 의미할 수 있다.
UPS로 전환될 ESS들의 프리차지 연결 이유는, 그리드 부하에 필요한 만큼의 ESS를 연결해서 전력을 제공하기 위함이다. 이 때 연결되지 않은 ESS는 부하와의 전압차로 인한 서지 발생을 억제하고, 비상 상황 시 바로 전력 공급을 하기 위해 프리차지를 연결한다.
여기서, 프리차지 연결 이유는, ESS 모드와 UPS 모드 두 가지로 나뉜 상태에서 비상 상황이 발생하지 않을 경우, ESS 모드로 사용중인 배터리를 통한 전력의 계속되는 공급으로 인하여 해당 배터리의 용량이 더 낮아질 수밖에 없다. 이로 인하여, 상대적으로 UPS 모드에 있는 ESS들의 전압이 ESS 모드에 있는 ESS들의 전압보다 높게 될 수 있다.
한편, 비상 상황 발생 시, ESS 모드의 ESS들은 연결을 해제하고, UPS 모드로 준비중인 ESS들을 연결시킨다. 그럼, UPS 모드로 동작하면서 점점 나머지 ESS 모드로 사용했던 배터리 전압과 맞아지며, UPS 모드의 ESS와 ESS 모드의 ESS의 전압이 유사해질 때 프리차지를 연결해서 모든 ESS의 전압을 맞출 수 있다.
전술한 도 17 내지 도 20의 실시예들의 ESS1 내지 ESS5에 대하여, 처음에는 모두 100% 충전 상태이며, ESS 모드인 ESS1 내지 ESS3번이 서서히 방전을 하다가 70%가 됐을 때 정전이 발생한 상태가 되었다고 가정해보자.
ESS1, ESS2 및 ESS3은 70% 상태에서 방전 종료를 했으며, ESS4와 ESS5는 100% 상태에서 UPS 모드로 동작하여 100%에서 서서히 방전하다가, 예시적으로 72-73%쯤 되면 ESS1, ESS2, ESS3번에 대하여 ESS 프리차지 동작을 진행한다.
여기서, 배터리와 기타 부하를 연결할 때 전압 레벨이 맞지 않으면 순간적으로 과전류(예: 돌입전류)가 발생해서 문제가 생긴다.
따라서, 프리차지를 붙이고 있는 이유는 바로 전력공급을 하는 것이 아닌, 배터리와 기타 부하의 전압레벨을 맞추기 위해 수행한다.
UPS 모드 ESS들의 전압이 높으니, ESS 모드의 ESS들은 프리차지를 하게 된다면 UPS모드 ESS들 때문에 충전되는 형태가 될 수 있다. 반대로, 초기에 UPS모드의 ESS들은 프리차지로 인해 조금씩 방전이 되는 형태가 될 것이다.
전술한 도 17 내지 20에서 이해되듯이, 본 실시예의 ESS/UPS 모드 동작들은 선택적으로 전환 사용될 수 있다. 예를 들어, UPS 모드 1 내지 3을 주기적으로 전환하도록 제어를 수행할 수도 있다. 이 결정은 그리드 전력 상황에 어떻게 감지되는지에 따라 결정될 수 있으며, 정전 상황뿐만 아니라 다양한 전력 수급 상태에 따라 ESS/UPS 모드 동작의 전환이 가능하다. 가령, 그리드 전력 수급이 안정적이거나 보다 저렴한 심야시간에 ESS 또는 내부 배터리의 일부에 대하여 프리차지 또는 충전 작업이 이루어질 수도 있다.
전술한 도 16 내지 20의 내용 및 관련 설명에서 각종 전력량의 확인 및 비교판단은 감시 또는 모니터링(monitoring) 수단, 장치, 센서, 측정기, 계측기, 전력량계 등을 이용할 수 있으며, 해당 전력량 정보의 송수신에는 유선통신 또는 와이파이(Wi-Fi) 같은 무선통신 장비 및 기술을 활용할 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시예들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 시스템은 다양한 전기 구동 이동 장치의 충전, 전력 공급의 안정성이 요구되는 전력 시스템 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.

Claims (27)

  1. SoC (State-of-Charge)에 따라, 전력 저장 또는 공급을 위한 복수의 동작 모드를 지원하는 하나 이상의 배터리; 및
    그리드(Grid)의 전력 공급 상황 및 상기 배터리의 SoC에 따라, 상기 복수의 동작 모드 중 상기 배터리의 동작 모드를 결정하는 제어기를 포함하되,
    상기 배터리는 제 1 기준치 이하의 SoC에서 UPS (Uninterrupted Power Supply) 모드를 지원하는 배터리를 포함하는, 배터리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 SoC는 안전을 고려한 제조사 기준 SoC와 구분되며,
    상기 제조사 기준 SoC의 0% 이하 범위의 SoC를 가용 SoC 구간으로 포함하는 SoC에 대응하는, 배터리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 기준치는 상기 제조사 기준 SoC의 0%에 대응하는, 배터리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기준치는 5 ~ 25% 범위 내에서 선택되는, 배터리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 동작 모드는 ESS (Energy Storage System) 모드 및 상기 UPS 모드를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 그리드의 전력 공급이 차단된 비상상황에서 상기 하나 이상의 배터리를 상기 UPS 모드로 운용하도록 제어하는, 배터리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 배터리는 복수개이며,
    상기 제어기는 상기 비상상황에서 상기 복수의 배터리 중 제 1 그룹을 상기 UPS 모드로, 제 2 그룹을 상기 ESS 모드로 운용하는, 배터리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 그룹의 배터리는 상기 제 1 기준치 이상의 SoC를 가진 배터리를 포함하는, 배터리 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리는 바나듐 이온 배터리(VIB)를 포함하는, 배터리 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리는 제 2 기준치 이상의 전류로 고속 충전 및 고속 방전을 지원하며,
    상기 UPS 모드는 상기 제 2 기준치 이상의 전류로 고속 방전을 지원하는, 배터리 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 기준치는 0.5 C에 대응하는, 배터리 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 배터리의 상기 제 2 기준치 이상의 전류에 의한 고속 충전 또는 방전 시 상기 제어기에 인가되는 전압이 상기 제어기의 구동 전압 범위 내로 유지되도록 구성되는 제어기 전압 보조 회로를 추가적으로 포함하는, 배터리 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어기는 BMS (Battery Management System)을 포함하며,
    상기 제어기 전압 보조 회로는 상기 BMS에 인가되는 전압이 상기 BMS의 구동 전압 범위 내로 유지되도록 구성되는, 배터리 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전압 보조 회로는, 상기 배터리가 상기 제 2 기준치 이상의 전류로 고속 충전 또는 고속 방전을 수행하는 경우에 한정되어, 상기 BMS에 입력되는 전압의 승압 또는 감압 중 하나 이상을 수행하도록 구성되는, 배터리 시스템.
  14. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 배터리의 SoC 수준에 따라 상기 제 1 기준치 이상의 ESS 영역 및 상기 제 1 기준치 미만의 UPS 영역으로 구분하여 제어하는, 배터리 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 복수의 주변 장치의 전력 사용 정보를 수신하도록 구성되며,
    상기 제어기는 상기 비상상황 발생 시, 상기 배터리의 SoC 수준 및 상기 복수의 주변 장치의 전력 사용 정보에 기반하여, 상기 복수의 주변 장치의 전력을 선택적으로 차단하도록 구성되는, 배터리 시스템.
  16. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 비상상황 종료 시 상기 배터리의 SoC 수준에 따라 상기 배터리의 회복 동작을 서로 다른 수준으로 제어하는, 배터리 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 배터리의 회복 동작은 상기 배터리의 SoC 수준에 따라,
    전해액 재분리, 전해액 재구성 및 회복 사이클 가동 중 하나 이상이 요구되는 제 1 수준,
    상기 회복 사이클 가동이 요구되는 제 2 수준,
    일반 사이클 가동으로 회복 가능한 제 3 수준, 및
    회복 동작이 필요 없는 제 4 수준,
    으로 구분되어 수행되는, 배터리 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 PCS (Power Conversion Subsystem) 또는 파워뱅크 중 어느 하나에 구비되는, 배터리 시스템.
  19. 제 2 기준치 이상의 전류로 고속 충전 및 고속 방전을 지원하는 하나 이상의 배터리;
    상기 배터리의 SoC (State-of-Charge)를 포함하는 상기 배터리의 상태를 관리하는 제어기; 및
    상기 배터리의 상기 제 2 기준치 이상의 전류에 의한 고속 충전 또는 방전 시 상기 제어기에 인가되는 전압이 상기 제어기의 구동 전압 범위 내로 유지되도록 구성되는 제어기 전압 보조 회로를 포함하는, 배터리 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제어기는 BMS (Battery Management System)을 포함하며,
    상기 제어기 전압 보조 회로는 상기 BMS에 인가되는 전압이 상기 BMS의 구동 전압 범위 내로 유지되도록 구성되는, 배터리 시스템.
  21. SoC (State-of-Charge)에 따라, 전력 저장 또는 공급을 위한 복수의 동작 모드를 지원하는 하나 이상의 배터리를 포함하는 배터리 시스템이 상기 배터리를 제어하는 방법에 있어서,
    그리드(Grid)로부터 에너지를 일시적으로 저장 후 필요 시 사용하는 정상상황 대응영역에서 상기 그리드의 전력을 보조하는 단계; 및
    상기 그리드의 비상상황 돌입 시, 상기 배터리의 SoC 수준에 기반하여 상기 복수의 동작 모드 중 비상상황 대응영역에 대응하는 동작 모드를 결정하여 운용하는 단계를 포함하되,
    상기 배터리는 제 1 기준치 이하의 SoC에서 UPS (Uninterrupted Power Supply) 모드를 지원하는 배터리를 포함하는, 배터리 제어 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 비상상황 대응영역에 대응하는 동작 모드를 결정하여 운용하는 단계는,
    상기 배터리의 SoC에 따라 상기 비상상황 대응영역을 설정하는 것을 포함하는, 배터리 제어 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 정상상황 대응영역은 상기 배터리가 ESS (Energy Storage System) 모드로 이용되는 영역을 포함하며,
    상기 비상상황 대응영역은 상기 배터리가 상기 UPS 모드로 이용되는 영역을 포함하는, 배터리 제어 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 SoC는 안전을 고려한 제조사 기준 SoC와 구분되며,
    상기 제조사 기준 SoC의 0% 이하 범위의 SoC를 가용 SoC 구간으로 포함하는 SoC에 대응하는, 배터리 제어 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 배터리는 제 2 기준치 이상의 전류로 고속 충전 및 고속 방전을 지원하며,
    상기 UPS 모드는 상기 제 2 기준치 이상의 전류로 고속 방전을 지원하는, 배터리 제어 방법.
  26. 제 21 항에 있어서,
    상기 비상상황 종료 시, 상기 배터리의 SoC 수준에 따라 상기 배터리의 회복 동작을 서로 다른 수준으로 제어하는 단계를 추가적으로 포함하는, 배터리 제어 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 배터리의 회복 동작은 상기 배터리의 SoC 수준에 따라,
    전해액 재분리, 전해액 재구성 및 회복 사이클 가동 중 하나 이상이 요구되는 제 1 수준,
    상기 회복 사이클 가동이 요구되는 제 2 수준,
    일반 사이클 가동으로 회복 가능한 제 3 수준, 및
    회복 동작이 필요 없는 제 4 수준,
    으로 구분되어 수행되는, 배터리 제어 방법.
KR1020230111453A 2022-08-26 2023-08-24 SoC에 따라 복수 동작 모드를 지원하는 배터리 시스템 KR20240029527A (ko)

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KR102002343B1 (ko) * 2013-09-17 2019-07-22 에스케이이노베이션 주식회사 무정전 전원장치용 배터리 충방전 장치 및 방법
JP2018113800A (ja) * 2017-01-12 2018-07-19 株式会社ベストアメニティホールディングス 配電制御システム
KR101998069B1 (ko) * 2017-06-23 2019-07-09 이정환 전기자동차용 배터리의 열화 발생을 저감하면서 고속충전과 최대방전을 수행하기 위한 방법 및 그 장치
KR102060270B1 (ko) * 2018-11-14 2019-12-27 (주)피앤이이노텍 혼합형 제어전원 공급장치 및 이를 이용한 제어전원 공급방법
KR20200089991A (ko) * 2019-01-18 2020-07-28 주식회사 엘지화학 그리드 ess와 ups 겸용 에너지 저장 시스템

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