WO2014077587A1 - 배터리 수명 연장을 위한 단상 ｂｅｓｓ 전력 변환 장치 및 그 전원공급방법 - Google Patents

배터리 수명 연장을 위한 단상 ｂｅｓｓ 전력 변환 장치 및 그 전원공급방법 Download PDF

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battery
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battery cell
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김효성
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공주대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a single-phase BESS power converter for extending battery life, and a power supply method thereof.
  • a bypass switch in a charging operation mode in which a boost converter and a bypass switch are configured in a battery cell to charge a battery.
  • the boost converter can be operated to secure a high charge voltage while supplying the battery charge voltage / current stably to the battery without ripple, thereby extending the life of the battery.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • a typical ESS (Energy Storage System) device charges when the demand for power is low on the system side, and discharges power to the power storage unit when the demand for power is high, and simultaneously supplies reactive power to the system. It has a role of stabilizing power by instantaneous correction.
  • ESS single-use energy storage system
  • BESS battery energy storage system
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of a general household single-phase battery energy storage system (BESS) system.
  • the converter 130 receives power from the power source of the system 110 and converts the power into DC power, and converts the received DC power into AC power and transmits the power to the system 110 and the load.
  • a PWM generator (131) for applying a PWM signal to the converter (130);
  • the battery 120 for charging the DC power of the converter 130, the LC filter unit 140, the current sensor 150, the voltage sensor 160 and the controller 170 for controlling the operation of the components Include.
  • the home BESS system stores power energy in the battery 120 while the power supply v src of the system 110 is alive, and continuously when the power supply v src of the system 110 cannot be supplied.
  • Supply stable power ( v Load ) to load Alternatively, there is a function of selling power by supplying power to the system 110 in reverse in a peak load power situation.
  • Home BESS system has instantaneous power capacity less than 10kW and single phase type is mainly used.
  • the operation mode of the home BESS system is divided into two.
  • the first is voltage control mode operation.
  • the voltage control mode operation when the power v src of the system 110 is not supplied, the stable power v load is supplied to the load . That is, since a failure occurs in the system 110, the power supply side switch SW is turned off for independent operation.
  • the power converter operates as an inverter 130 and converts the DC power stored in the battery 120 to supply an AC voltage v Load to the load side.
  • the second is the current control mode operation.
  • the current control mode operation operates in a situation where the power v src of the system 110 is supplied. For example, when the electric power is supplied from the system 110 to charge the battery 120, or the current is injected into the system 110 to sell power.
  • the energy storage battery of the home BESS system has a characteristic that the terminal voltage is not constant and increases or decreases depending on the charging or discharging situation.
  • FIG. 2 is a view showing a voltage change during charge and discharge of a typical BESS battery. As shown in Figure 2, the battery voltage can be seen to vary in the 80 ⁇ 100% range of the maximum voltage. These fluctuations vary depending on the battery and depend on the battery's operating conditions and aging, so design with sufficient margin.
  • the voltage of the system is not constant and there is a variation of ⁇ 10% with respect to the nominal voltage.
  • the grid voltage of nominal voltage 220V fluctuates in the range of 198V to 242V, which means that the voltage range of the grid fluctuates in the range of 80 to 100% of the maximum value. Therefore, in order for the power converter to operate stably in response to the voltage fluctuation rate of the DC link side and the voltage fluctuation rate of the AC system side, it must have a voltage response capability in the range of 64% to 100%.
  • the output voltage of BESS power converter should be able to operate in the range of 50 ⁇ 100%.
  • the conventional bidirectional PWM inverter unit / converter is impossible to operate with high efficiency over this operating voltage range.
  • the voltage / current of the DC link side of the single-phase PWM inverter unit / converter is pulsating at twice the frequency of the AC side commercial frequency 60Hz. This 120Hz pulsating voltage / current component quickly ages the battery, reducing the overall lifetime of the single-phase BESS for home use.
  • FIG. 3 is a simulation waveform of a single phase BESS system according to the related art.
  • a voltage ripple of 120 Hz component is present which is considerably larger in the DC link side voltage V DC .
  • the direct-current link-side filter capacitor 3500 is connected [uF] to a fairly even though the installation for a filter capacitor, and as a direct current link to the battery in case of using it because of the same, the voltage (V batt) of the both ends of battery power ripple voltage This is applied, it can be seen that the same amount of ripple current component is also included in the current I batt charged in the battery.
  • the current of the ripple component charges the battery, the battery life is reduced.
  • a peak voltage generated due to the ripple battery voltage does not exceed the charging maximum voltage of the battery.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to configure the boost converter and the bypass switch in the battery cell in the charging operation mode to charge the battery by turning off the bypass switch (SW DC ) while operating the boost converter to ensure a high charging voltage It is to provide a single-phase BESS power converter and a power supply method for extending the battery life that can extend the life of the battery by supplying the battery charging voltage / current to the battery stably without ripple.
  • the power of the battery is directly connected to the PWM inverter through the bypass switch instead of through the boost converter, thereby minimizing the energy loss and ensuring the maximum discharge time of the battery.
  • the degradation of the reliability of the entire system due to malfunction can be prevented.
  • the single-phase BESS power converter for extending the battery life according to the present invention for solving the technical problem in the single-phase BESS power converter, is connected to the battery cell unit is charged in the battery cell unit in the charging operation mode of the battery cell unit A boost converter for boosting and outputting a DC voltage;
  • a bypass switch connected in series with the battery cell unit and connected in parallel with the boost converter and switched on in a discharge operation mode of the battery cell unit to pass a DC voltage charged in the battery cell unit; It characterized in that it comprises a PWM inverter unit for supplying power to the load in response to the PWM signal, the DC voltage passed through the bypass switch, and converts the power applied from the system power supply to the boost converter.
  • the PWM inverter unit may include a switching unit for outputting a pulse signal corresponding to the magnitude of the DC link voltage; An LC filter unit for smoothing the voltage pulse signal output from the switching unit and outputting the sinusoidal signal; A current sensor unit detecting a current output from the switching unit; A voltage sensor unit detecting a load voltage of an output terminal of the LC filter unit; A control unit for controlling and outputting the load voltage detected by the voltage sensor unit as a reference sine wave voltage; And a PWM generator configured to receive a sine wave voltage output from the controller and to receive a comparison triangle wave having a preset switching frequency and to output a pulse width driving signal to the switching unit.
  • the battery cell part is characterized in that a plurality of battery cells are connected in series, and each battery cell forms a battery block.
  • the boost converter and the bypass switch are connected to each of the plurality of battery cells.
  • the boost converter is turned off and the bypass switch is turned on.
  • the boost converter is turned on and the bypass switch is turned on. It is characterized in that it further includes a charging control unit for controlling to be OFF (OFF).
  • the power supply method of the single-phase BESS power converter for extending the battery life in the single-phase BESS power converter, the voltage is supplied from the system power supply in the charging operation mode of the battery cell unit is set according to the PWM signal Stepping up to a voltage; Charging the battery cell unit to the boosted voltage; Bypassing the charged DC voltage in the discharge operation mode of the charged battery cell unit and converting the sinusoidal signal into a sine wave signal in response to a PWM signal; And outputting a voltage converted into the sinusoidal signal to a load.
  • the step of stepping up to the predetermined voltage is characterized in that the system power switch is turned on, the system power is converted into a DC voltage in the PWM inverter unit to boost the DC voltage by the boost converter.
  • the boost converter is turned off and the bypass switch is turned on in the discharge operation mode of the battery cell, so that the DC voltage is bypassed and input to the PWM inverter.
  • the battery cell part is characterized in that a plurality of battery cells are connected in series, and the boost converter and the bypass switch are connected to each battery cell.
  • the plurality of battery cells connected in series are each bypass switch is turned on (on) when discharged, the plurality of battery cells are connected in series, thereby increasing the DC voltage input to the PWM inverter unit There is a characteristic.
  • the bypass switch SW DC is turned off and the boost converter is operated to secure a high charging voltage while the battery charging voltage is maintained.
  • the battery life can be prolonged by reliably supplying current to the battery without ripple.
  • the battery power is directly connected to the PWM inverter through the bypass switch instead of through the boost converter, thereby limiting energy loss to a minimum, thereby ensuring maximum discharge time of the battery.
  • BESS Battery Energy Storage System
  • FIG. 2 is a view showing a voltage change during charge and discharge of a typical battery for BESS.
  • FIG. 3 is a simulation waveform diagram of a conventional single-phase BESS system.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a configuration of a single-phase BESS power converter for extending battery life according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a configuration of a single-phase BESS power converter for extending the battery life according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a simulation waveform diagram of a single phase BESS system according to the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a configuration of a single-phase BESS power converter for extending the battery life according to an embodiment of the present invention.
  • the single-phase BESS power converter for extending the battery life according to the present invention in the single-phase BESS power converter, is connected to the battery cell 420 in the charging operation mode of the battery cell 420.
  • a boost converter 430 that boosts and outputs a DC voltage charged in the battery cell 420, and is connected in series with the battery cell 420, and is connected in parallel with the boost converter 430 to provide a boost converter 430.
  • the bypass switch 440 which is switched on in the discharge operation mode and passes the DC voltage charged in the battery cell 420 and the DC voltage passed by the bypass switch 440 in response to the PWM signal may be loaded (
  • the PWM inverter unit 450 supplies power to the power source 412, converts power applied from a system power source, and outputs the power to the boost converter 430.
  • the boost converter 430 In the discharge operation mode, the boost converter 430 is turned off. And control the bypass switch 440 to be ON.
  • the boost converter 430 is turned ON and the bypass switch 440 is turned OFF.
  • the control unit 470 is included.
  • the single-phase BESS power converter for extending the battery life is to add a boost DC-DC converter (Boost Converter) and a bypass switch (SW DC ) to the DC link side of the single-phase BESS.
  • Boost Converter boost DC-DC converter
  • SW DC bypass switch
  • the bypass switch (SW DC ) is turned off and the boost converter (430) is operated to ensure a high charging voltage and at the same time make the battery charging voltage / current into a ripple-free DC. .
  • the boost converter 430 is connected to the battery cell 420, and supplies a stable DC voltage / current to the battery cell 420 without ripple with respect to an input voltage.
  • the boost converter 430 may apply a configuration having a general boost circuit.
  • the bypass switch 440 is connected in parallel with the boost converter 430 is switched on in the discharge operation mode of the battery cell 420 to convert the DC voltage charged in the battery cell 420 into the PWM inverter unit ( 450 directly.
  • the boost converter 430 does not provide a DC voltage, thereby eliminating power loss in the boost converter 430 and possibly boosting the boost converter ( It is possible to lower the probability of failure of the BESS due to a malfunction of the 430.
  • the PWM inverter unit 450 Since the PWM inverter unit 450 only needs to operate in response to a change in the discharge voltage of the battery in the discharge operation mode, relatively stable and high efficiency operation is possible.
  • the PWM inverter unit 450 includes a switching unit (not shown) for outputting a pulse signal corresponding to the magnitude of the DC link voltage, and an LC filter for smoothing the voltage pulse signal output from the switching unit and outputting the sine wave signal.
  • a unit 460 a current sensor unit (not shown) for detecting a current output from the switching unit, a voltage sensor unit for detecting an output terminal load voltage of the LC filter unit 460, and a detection at the voltage sensor unit
  • a control unit 470 for controlling and outputting the received load voltage as a reference sine wave voltage, and a sine wave voltage output from the control unit 470, and receiving a comparison triangular wave having a preset switching frequency to receive a pulse width driving signal. It includes a PWM generator (not shown) for outputting.
  • the switching unit may include at least one switching element, and may have a full bridge structure including four Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) switching elements. In this case, a diode is connected to each of the four switching elements in anti-parallel across the switching elements.
  • the switching unit may have a half bridge structure or a push-pull structure.
  • control unit (not shown) of the power converter is connected to the connection portion of the gate electrode of the IGBT switching element of the switching unit.
  • the controller controls the switching operation of the switching unit to control the size and shape of the output voltage of the load 412.
  • the control unit selects the size and shape of the output voltage desired by the user and generates a voltage command signal corresponding thereto.
  • a voltage controller (not shown), a voltage controller (not shown) for comparing an output signal of the voltage generator (not shown) with an output voltage signal of the load 412 and outputting a difference signal, and the voltage controller
  • a phase shift pulse width modulator (not shown) is configured to control the switching unit according to an output signal (not shown) so that the voltage corresponding to the voltage signal is provided to the load 412.
  • a battery cell unit includes a plurality of battery cells 513 connected in series, and each of the battery blocks 510a, 510b, 510c).
  • a boost converter 511 and a bypass switch 512 are connected to each of the battery cells 513 so that the DC link side voltage can be proportionally increased when the AC system side voltage level is increased. have.
  • the number of series circuits of the battery cells 513 must be increased in order to increase the DC link side voltage in the power circuit of the single-phase BESS.
  • each battery block 510a may be divided by dividing the number of series circuits of the battery cells 513 into small units in which the imbalance problem of the battery cells 513 does not occur.
  • Boost converter 511 and bypass switch 512 are allocated to 510b and 510c.
  • each of the battery blocks 510a, 510b, and 510b may be charged by independently charging the battery cells 513 of the unit battery blocks 510a, 510b, and 510c to which the boost converter 511 is allocated.
  • the charging imbalance problem that may occur between 510c is prevented in advance.
  • a voltage is supplied from a grid power supply in a charging operation mode of a battery cell 420, and the boost converter 430 is set to a preset voltage according to a PWM signal output from the PWM inverter unit 450. Will be boosted.
  • the system power switch 411 is turned on, and the system power supply 410 is converted into a DC voltage by the PWM inverter unit 450 to boost the DC voltage by the boost converter 430.
  • the boost converter 430 supplies a stable DC voltage / current to the battery without ripple with respect to the input voltage.
  • the boosted voltage from the boost converter 430 is charged in the battery cell 420.
  • the power charged in the battery cell 420 is a DC voltage charged in the discharge operation mode is switched to the bypass switch 440 is turned on to bypass the PWM converter 450 to correspond to the PWM signal
  • the signal is converted into a sine wave signal and output. That is, in the discharge operation mode, the boost converter 430 is turned off and the bypass switch 440 is turned on so that a direct current voltage is bypassed and input to the PWM inverter unit 450.
  • a DC voltage is input directly to the PWM inverter unit 450 without passing through the boost converter 430 by the bypass switch 440, so that a DC voltage is not provided to the boost converter 430. It is possible to eliminate the power loss at 430 and to lower the probability of failure of the BESS due to a malfunction of the boost converter 430 which may occur.
  • the voltage converted into the sinusoidal signal is output to the load to supply power even when the system power is stopped.
  • FIG. 6 is a simulation waveform diagram of a single phase BESS system according to the present invention.
  • the DC-capacitor filter capacitor has a capacity of 3000 [uF] at C DC and 500 [uF] at C batt , and the total capacity of the filter used is 3500 [uF].
  • V DC the ripple component of the DC link side voltage of the single-phase BESS system
  • V batt the boost converter
  • the battery charge voltage can be increased to a desired level. Therefore, the battery's charging current ( I batt ) also provides a constant direct current with little ripple component, thereby extending the battery life.

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치는, 단상 BESS 전력 변환 장치에 있어서, 배터리 셀부와 연결되어 상기 배터리 셀부의 충전 운전 모드시 상기 배터리 셀부에 충전되는 직류 전압을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터와; 상기 배터리 셀과 직렬 연결되고, 상기 부스트 컨버터와 병렬로 연결되어 상기 배터리 셀부의 방전 운전 모드에서 온으로 스위칭 되어 상기 배터리 셀부에 충전된 직류 전압을 통과시키는 바이패스 스위치와; 상기 바이패스 스위치에서 통과된 직류 전압을 PWM 신호에 대응하여 부하에 전원을 공급하고, 계통 전원으로부터 인가되는 전원을 변환하여 상기 부스트 컨버터에 출력하는 PWM 인버터부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

Description

배터리 수명 연장을 위한 단상 ＢＥＳＳ 전력 변환 장치 및 그 전원공급방법
본 발명은 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치 및 그 전원공급방법에 관한 것으로, 특히 배터리 셀에 부스트 컨버터와 바이패스 스위치를 구성하여 배터리를 충전하는 충전 운전 모드에서 바이패스 스위치(SWDC)는 오프시키고 부스트 컨버터를 동작시켜 높은 충전 전압을 확보하면서 배터리 충전 전압/전류를 리플이 없이 안정적으로 배터리에 공급함으로써 배터리의 수명을 연장할 수 있으며, 방전시에는 배터리의 전력이 부스트 컨버터를 통하지 않고 바이패스 스위치를 통하여 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터부에 직접 접속되기 때문에 에너지 손실을 최소한으로 제한하여 배터리의 방전 시간을 최대한 확보할 수 있게 하며, 복잡한 부스트 컨버터의 오동작에 따른 전체 시스템의 신뢰성 저하를 방지할 수 있는 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치 및 그 전원공급방법에 관한 것이다.
통상적인 ESS(Energy Storage System) 장치는, 계통 측에 전력의 수요가 적을 시 충전을 행하며, 전력의 수요가 많을 시 축전부 전원을 방전시켜 계통에 전력을 공급하며, 아울러 이와 동시에 무효전력을 계통에 순시로 보정하여 전력을 안정시키는 역할을 가진다.
이러한 ESS(Energy Storage System) 장치는 가정에도 보급하기 위한 가정용 단상 BESS(Battery Energy Storage System) 시스템이 개발되고 있다.
도 1은 일반적인 가정용 단상 BESS(Battery Energy Storage System) 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 계통(110) 측 전원으로부터 전력을 제공받아 직류 전원으로 변환하고 수신된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 계통(110) 측과 부하(Load) 측으로 전달하는 컨버터(130)와, 상기 컨버터(130)에 PWM 신호를 인가하는 PWM 발생기(131)와; 상기 컨버터(130)의 직류 전원을 충전하는 배터리(120)와, LC 필터부(140), 전류센서(150), 전압센서(160) 및 상기 각 구성 요소들의 동작을 제어하는 제어부(170)를 포함한다.
상기 가정용 BESS 시스템은 계통(110)의 전원(v src )이 살아있는 동안에는 배터리(120)에 전력에너지를 저장하여 두었다가, 계통(110)의 전원(v src )이 공급되지 못하는 상황이 발생하였을 때 연속적으로 부하(Load)에 안정된 전원(v Load )을 공급한다. 또는 피크부하전력 상황에서 역으로 계통(110)에 전력을 공급하여 전력을 판매하는 기능도 있다. 가정용 BESS 시스템은 순간 전력용량이 10kW이하이고 단상방식이 주로 사용된다.
이러한, 가정용 BESS 시스템의 운전모드는 크게 두 가지로 나눈다. 첫 번째는 전압제어모드 운전이다. 전압제어모드 운전은 계통(110)의 전원(v src )이 공급되지 않을 때, 부하(Load)에 안정된 전원(v Load )을 공급한다. 즉, 계통(110)에 고장이 발생하였으므로 독립운전을 위하여 전원 측 스위치(SW)는 오프시킨다. 전력변환기는 인버터(130)로 동작하며 배터리(120)에 저장된 직류 전력을 변환하여 부하(Load) 측에 교류 전압(v Load )을 공급하게 된다.
두 번째는 전류제어모드 운전이다. 전류제어모드 운전은 계통(110)의 전원(v src )이 공급되는 상황에서 동작한다. 예를 들어, 계통(110)의 전력을 공급받아 배터리(120)를 충전한다든지, 역으로 계통(110)에 전류를 주입하여 전력을 판매하는 경우가 이에 해당된다.
가정용 BESS 시스템의 에너지저장용 배터리는 단자전압이 일정하지 않고 충전 또는 방전하는 상황에 따라 증가 또는 감소하는 특성이 있다.
도 2는 일반적인 BESS용 배터리의 충방전시 전압 변화를 보여주는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 전압은 최대전압의 80~100% 범위에서 변동하는 것을 볼 수 있다. 이러한 변동량은 배터리에 따라 다르고 배터리의 동작조건이나 노화정도에 따라 다르기 때문에 충분한 여유를 갖고 설계를 하여야 한다.
한편 계통의 전압도 일정한 것이 아니고 공칭전압에 대하여 ±10%의 변동이 존재한다. 다시 말해 공칭전압 220V의 계통전압은 198V~242V의 범위에서 변동한다.이는 계통의 전압범위가 최대값에 대하여 80~100% 범위로 변동하는 것을 의미한다. 따라서 전력변환기가 직류링크 측의 전압변동율과 교류계통 측의 전압변동율에 대응하여 안정적인 동작을 하기 위하여는 64%~100% 범위의 전압대응 능력이 있어야 한다. 여기에 더하여 전력용 스위치의 전압강하와 변압기 및 필터 등 회로요소에서 발생하는 전압강하를 고려하면 BESS용 전력변환기의 출력전압은 대략 50~100% 범위의 운전이 가능하여야 한다. 그러나 종래의 양방향 PWM 인버터부/컨버터는 이러한 운전전압 범위에 대하여 고효율 운전이 불가능하다.
더욱이 단상 PWM 인버터부/컨버터의 직류링크 측 전압/전류는 교류 측 상용주파수인 60Hz의 두 배의 주파수로 맥동하는 특징이 있다. 이러한 120Hz로 맥동하는 전압/전류 성분은 배터리를 빨리 노화시켜 가정용 단상 BESS의 전체 수명을 저하시키게 된다.
도 3은 종래에 따른 단상 BESS 시스템의 시뮬레이션 파형이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 직류링크 측 전압(V DC )에 상당히 큰 120Hz 성분의 전압리플이 나타나고 있다. 여기서, 직류링크 측 필터커패시터는 3500[uF]을 사용하였을 경우로 상당히 큰 필터커패시터를 설치하였음에도 불구하고 직류링크가 그대로 배터리에 접속 되어 있기 때문에 배터리 양단의 전압(V batt )도 같은 양의 리플전압이 가해지게 되고, 배터리에 충전되는 전류(I batt )에도 같은 정도의 리플 전류성분이 포함되는 것을 볼 수 있다. 이렇게 리플 성분의 전류가 배터리를 충전하게 되면 배터리의 수명이 저하하게 된다. 더구나 리튬 이온 배터리와 같이 충전 최대전압을 초과하면 폭발의 위험이 있는 경우에는 리플 성분의 배터리 전압 때문에 발생하는 피크전압이 배터리의 충전 최대전압을 넘지 않도록 충전시 평균전압을 낮추어야 하는 문제점이 발생된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리 셀에 부스트 컨버터와 바이패스 스위치를 구성하여 배터리를 충전하는 충전 운전 모드에서 바이패스 스위치(SWDC)는 오프시키고 부스트 컨버터를 동작시켜 높은 충전전압을 확보하면서 배터리 충전 전압/전류를 리플이 없이 안정적으로 배터리에 공급함으로써 배터리의 수명을 연장할 수 있는 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치 및 그 전원공급방법을 제공하는 것이다.
또한, 방전시에는 배터리의 전력이 부스트 컨버터를 통하지 않고 바이패스 스위치를 통하여 PWM 인버터부에 직접 접속되기 때문에 에너지 손실을 최소한으로 제한하여 배터리의 방전 시간을 최대한 확보할 수 있게 하며, 복잡한 부스트 컨버터의 오동작에 따른 전체 시스템의 신뢰성 저하를 방지할 수 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 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.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치는, 단상 BESS 전력 변환 장치에 있어서, 배터리 셀부와 연결되어 상기 배터리 셀부의 충전 운전 모드시 상기 배터리 셀부에 충전되는 직류 전압을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터와; 상기 배터리 셀부와 직렬 연결되고, 상기 부스트 컨버터와 병렬로 연결되어 상기 배터리 셀부의 방전 운전 모드에서 온으로 스위칭 되어 상기 배터리 셀부에 충전된 직류 전압을 통과시키는 바이패스 스위치와; 상기 바이패스 스위치에서 통과된 직류 전압을 PWM 신호에 대응하여 부하에 전원을 공급하고, 계통 전원으로부터 인가되는 전원을 변환하여 상기 부스트 컨버터에 출력하는 PWM 인버터부를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 PWM 인버터부는, 직류링크전압의 크기에 대응하여 펄스 신호로 출력하는 스위칭부와; 상기 스위칭부에서 출력되는 전압 펄스 신호를 평활화하여 정현파 신호로 출력하는 LC 필터부와; 상기 스위칭부에서 출력되는 전류를 검출하는 전류 센서부와; 상기 LC 필터부의 출력단 부하전압을 검출하는 전압 센서부와; 상기 전압 센서부에서 검출된 부하전압을 기준 정현파 전압으로 제어하여 출력하는 제어부; 및 상기 제어부에서 출력된 정현파 전압을 입력받고 기 설정된 스위칭 주파수를 갖는 비교 삼각파를 입력받아 상기 스위칭부에 펄스 폭 구동 신호를 출력하는 PWM 발생기를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 배터리 셀부는 복수의 배터리 셀들이 직렬 연결되어 있고, 각 배터리 셀마다 배터리 블럭을 형성하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 복수의 배터리 셀들에는 각 배터리 셀마다 상기 부스트 컨버터와 상기 바이패스 스위치가 연결되어 있는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 방전 운전 모드에서는 상기 부스트 컨버터가 오프(OFF) 되고 상기 바이패스 스위치가 온(ON)이 되도록 제어하고, 상기 충전 운전 모드에서는 상기 부스트 컨버터가 온(ON) 되고 상기 바이패스 스위치가 오프(OFF) 되도록 제어하는 충전 제어부를 더 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치의 전원공급방법은, 단상 BESS 전력 변환 장치에 있어서, 배터리 셀부의 충전 운전 모드시 계통 전원으로부터 전압을 공급받아 PWM 신호에 따라 기 설정된 전압으로 승압하는 단계와; 상기 승압된 전압으로 상기 배터리 셀부를 충전하는 단계와; 상기 충전된 배터리 셀부의 방전 운전 모드시 충전된 직류 전압을 바이패스하여 PWM 신호에 대응하여 정현파 신호로 변환하여 출력하는 단계; 및 상기 정현파 신호로 변환된 전압을 부하에 출력하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 기 설정된 전압으로 승압하는 단계는 계통 전원 스위치를 온으로 전환하고, 상기 계통 전원을 PWM 인버터부에서 직류 전압으로 변환하여 부스트 컨버터에 의해 직류 전압을 승압하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 배터리 셀부의 방전 운전 모드시 상기 부스트 컨버터가 오프(OFF) 되고 바이패스 스위치가 온(ON)이 되어 직류 전압이 바이패스되어 PWM 인버터부로 입력되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 배터리 셀부는 복수의 배터리 셀들이 직렬로 연결되고, 각 배터리 셀마다 상기 부스트 컨버터와 상기 바이패스 스위치가 연결되어 있는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀들은 방전 시에 각 바이패스 스위치가 온(on) 으로 전환되어 상기 복수의 배터리 셀들이 직렬 접속됨으로써, 상기 PWM 인버터부로 입력되는 직류 전압을 높이는 점에 그 특징이 있다.
이상의 본 발명에 따르면, 배터리 셀에 부스트 컨버터와 바이패스 스위치를 구성하여 배터리를 충전하는 충전 운전 모드에서 바이패스 스위치(SWDC)는 오프시키고 부스트 컨버터를 동작시켜 높은 충전전압을 확보하면서 배터리 충전 전압/전류를 리플이 없이 안정적으로 배터리에 공급함으로써 배터리의 수명을 연장할 수 있다.
또한, 방전시에는 배터리의 전력이 부스트 컨버터를 통하지 않고 바이패스 스위치를 통하여 PWM 인버터부에 직접 접속되기 때문에 에너지 손실을 최소한으로 제한하여 배터리의 방전 시간을 최대한 확보할 수 있다.
도 1은 일반적인 가정용 단상 BESS(Battery Energy Storage System) 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 일반적인 BESS용 배터리의 충방전시 전압 변화를 보여주는 도면.
도 3은 종래에 따른 단상 BESS 시스템의 시뮬레이션 파형도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 단상 BESS 시스템의 시뮬레이션 파형도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 본 발명의 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치는, 단상 BESS 전력 변환 장치에 있어서, 배터리 셀(420)과 연결되어 배터리 셀(420)의 충전 운전 모드시 배터리 셀(420)에 충전되는 직류 전압을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터(430)와, 상기 배터리 셀(420)과 직렬 연결되고, 상기 부스트 컨버터(430)와 병렬로 연결되어 배터리 셀(420)의 방전 운전 모드에서 온으로 스위칭 되어 상기 배터리 셀(420)에 충전된 직류 전압을 통과시키는 바이패스 스위치(440)와, 상기 바이패스 스위치(440)에서 통과된 직류 전압을 PWM 신호에 대응하여 부하(412)에 전원을 공급하고, 계통 전원으로부터 인가되는 전원을 변환하여 상기 부스트 컨버터(430)에 출력하는 PWM 인버터부(450), 상기 방전 운전 모드에서는 상기 부스트 컨버터(430)가 오프(OFF) 되고 상기 바이패스 스위치(440)가 온(ON)이 되도록 제어하고, 상기 충전 운전 모드에서는 상기 부스트 컨버터(430)가 온(ON) 되고 상기 바이패스 스위치(440)가 오프(OFF) 되도록 제어하는 제어부(470)를 포함한다.
상기 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치는 단상 BESS의 직류링크 측에 승압용 DC-DC 컨버터(Boost Converter)와 바이패스 스위치(SWDC)를 추가하는 구성이다. 배터리를 충전하는 충전 운전 모드에서 바이패스 스위치(SWDC)는 오프시키고 부스트 컨버터(Boost Converter)(430)를 동작시켜서 높은 충전전압을 확보하고 동시에 배터리 충전 전압/전류를 리플이 없는 직류로 만들어 준다.
상기 부스트 컨버터(boost convertor)(430)는 상기 배터리 셀(420)과 연결되어 있으며, 입력되는 전압에 대해 리플이 없이 안정적인 직류 전압/전류를 배터리 셀(420)에 공급하게 된다. 이때, 상기 부스트 컨버터(430)는 일반적인 승압 회로를 갖는 구성을 적용할 수 있다.
상기 바이패스 스위치(440)는 상기 부스트 컨버터(430)와 병렬로 연결되어 배터리 셀(420)의 방전 운전 모드에서 온으로 스위칭 되어 상기 배터리 셀(420)에 충전된 직류 전압을 상기 PWM 인버터부(450)에 직접 인가하게 된다.
보다 구체적으로, 계통 전원에 고장이 발생되어 백업운전을 하는 방전 운전 모드에서는 상기 부스트 컨버터(430)에 직류 전압이 제공되지 않아 부스트 컨버터(430)에서의 전력 손실을 없애고 혹시 발생할지 모르는 부스트 컨버터(430)의 오동작에 의한 BESS의 고장 확률을 낮출 수 있게 된다.
상기 PWM 인버터부(450)는 방전 운전 모드에서 배터리의 방전전압 변화에만 대응하여 동작하면 되기 때문에 상대적으로 안정적·고효율 운전이 가능하게 된다.
여기서, 상기 PWM 인버터(450)의 구성은 상기 도 1의 도면을 참조하여 생략하기로 한다. 이러한, 상기 PWM 인버터부(450)는 직류링크전압의 크기에 대응하여 펄스 신호로 출력하는 스위칭부(미도시)와, 상기 스위칭부에서 출력되는 전압 펄스 신호를 평활화하여 정현파 신호로 출력하는 LC 필터부(460)와, 상기 스위칭부에서 출력되는 전류를 검출하는 전류 센서부(미도시)와, 상기 LC 필터부(460)의 출력단 부하전압을 검출하는 전압 센서부와, 상기 전압 센서부에서 검출된 부하전압을 기준 정현파 전압으로 제어하여 출력하는 제어부(470), 및 상기 제어부(470)에서 출력된 정현파 전압을 입력받고 기 설정된 스위칭 주파수를 갖는 비교 삼각파를 입력받아 상기 스위칭부에 펄스 폭 구동 신호를 출력하는 PWM 발생기(미도시)를 포함한다.
상기 스위칭부는 적어도 하나 이상의 스위칭 소자를 가지고 있으며, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위칭 소자 4개로 이루어진 풀브리지 (Full Bridge) 구조로 구성될 수 있다. 이때, 상기 4개의 스위칭 소자 각각에는 스위칭 소자 양단에 역병렬로 다이오드가 접속된다. 여기서 상기 스위칭부의 구조는 풀브리지 이외에도 하프브리지(Half Bridge) 구조 또는 푸쉬-풀(Push-Pull) 구조도 가능하다.
또한 본 발명의 특징이 아닌 바 구체적으로 도시하지는 아니하였으나, 상기 스위칭부의 IGBT 스위칭 소자의 게이트 전극의 연결 부분에는 전력 변환 장치의 제어부(미도시)가 연결된다. 상기 제어부는 상기 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하여 부하(412)의 출력 전압의 크기 및 형태를 제어하도록 하는 것으로서, 사용자가 원하는 출력 전압의 크기 및 형태를 선택하고 그에 대응하는 전압 지령 신호를 발생하기 위한 전압 발생부(미도시), 상기 전압 발생부(미도시)의 출력 신호와 상기 부하(412)의 출력 전압 신호를 비교하여 그 차이 신호를 출력하기 위한 전압 제어부(미도시), 및 상기 전압 제어부(미도시)의 출력 신호에 따라 상기 스위칭부를 제어하여 상기 부하(412)에 상기 전압 신호에 대응하는 전압이 제공되도록 하기 위한 위상변이 펄스폭변조기(미도시)로 구성된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 가정용 단상 BESS의 직류링크-직렬확장 개념으로, 배터리 셀부는 복수의 배터리 셀들(513)이 직렬 연결되어 있고, 각 배터리 셀(513)마다 배터리 블럭(510a,510b,510c)을 형성하는 구조이다.
상기 복수의 배터리 셀들(513)에는 각 배터리 셀(513)마다 부스트 컨버터(511)와 바이패스 스위치(512)가 연결되어 있어 교류 계통 측 전압 레벨이 높아지면 직류링크 측 전압도 비례하여 증가시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 단상 BESS의 전력회로에서 직류링크 측 전압이 증가되기 위하여는 배터리 셀들(513)의 직렬 회로수가 증가되어야 한다.
이때, 충전 중에 배터리 셀들(513)의 불균형이 발생될 수 있으므로 배터리 셀들(513)의 직렬회로수를 배터리 셀들(513)의 불균형의 문제가 발생되지 않는 작은 단위로 나누어서 각각의 배터리 블럭(510a,510b,510c)에 부스트 컨버터(Boost converter)(511) 및 바이패스 스위치(512)를 할당하게 된다.
즉, 각각의 단위 배터리 블럭(510a,510b,510c)을 직렬 접속함으로써, 배터리 셀들(513)의 충전시 발생할 수 있는 배터리 셀들(513)의 불균형의 문제를 회피할 수 있다. 다시 말해 충전 운전 모드에서는 각각의 부스트 컨버터(Boost Converter)(511)가 할당된 단위 배터리 블럭(510a,510b,510c)의 배터리 셀(513)을 독립적으로 최대한 충전하여 각 배터리 블록(510a,510b,510c) 사이에 발생할 수 있는 충전 불균형 문제를 미연에 방지하게 된다.
한편, 방전 운전 모드에서는 모든 부스트 컨버터(Boost Converter)들(511)은 정지되고 모든 바이패스 스위치들(512)이 켜져서 배터리 블록들(510a,510b,510c)을 직렬 접속함으로써 높은 직류링크 전압을 확보하여 PWM 인버터부(520)에 필요한 직류 전압을 공급하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치의 전원공급방법 동작에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 단상 BESS 전력 변환 장치에서 배터리 셀(420)의 충전 운전 모드시 계통 전원으로부터 전압을 공급받아 상기 부스트 컨버터(430)에서는 상기 PWM 인버터부(450)에서 출력되는 PWM 신호에 따라 기 설정된 전압으로 승압하게 된다. 다시 말해, 계통 전원 스위치(411)를 온으로 전환하고, 상기 계통 전원(410)을 PWM 인버터부(450)에서 직류 전압으로 변환하여 상기 부스트 컨버터(430)에서 직류 전압을 승압하게 된다. 이때, 상기 부스트 컨버터(430)는 입력되는 전압에 대해 리플이 없이 안정적인 직류 전압/전류를 배터리에 공급하게 된다.
그리고, 상기 부스트 컨버터(430)로부터 상기 승압된 전압을 상기 배터리 셀(420)에 충전하게 된다.
또한, 상기 배터리 셀(420)에 충전된 전원은 방전 운전 모드시 충전된 직류 전압을 상기 바이패스 스위치(440)가 온 상태로 전환되어 상기 PWM 컨버터(450)로 바이패스하여 PWM 신호에 대응하여 정현파 신호로 변환하여 출력하게 된다. 즉, 방전 운전 모드시 상기 부스트 컨버터(430)가 오프(OFF) 되고 상기 바이패스 스위치(440)가 온(ON)이 되어 직류 전압이 바이패스되어 PWM 인버터부(450)로 입력하게 된다.
이때, 상기 바이패스 스위치(440)에 의해 상기 부스트 컨버터(430)를 거치지 않고 바로 직류 전압이 상기 PWM 인버터부(450)로 입력되어 상기 부스트 컨버터(430)에 직류 전압이 제공되지 않아 부스트 컨버터(430)에서의 전력 손실을 없애고 혹시 발생할지 모르는 부스트 컨버터(430)의 오동작에 의한 BESS의 고장 확률을 낮출 수 있게 된다.
이러한 상기 정현파 신호로 변환된 전압을 부하에 출력하여 상기 계통 전원에서 공급이 중단된 경우에도 전원을 공급하게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 단상 BESS 시스템의 시뮬레이션 파형도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 직류링크측 필터커패시터는 3000[uF]을 CDC에 구비하고 500[uF]을 Cbatt에 배치한 경우에 사용한 필터의 전체 용량은 3500[uF]으로 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이, 단상 BESS 시스템의 직류링크측 전압(V DC )에는 상당량의 리플 성분이 존재하지만 부스트 컨버터(Boost converter)의 동작으로 인하여 배터리 충전전압(V batt )에는 리플 성분이 거의 존재하지 않는다. 더욱이 배터리 충전전압은 원하는 레벨로 높일 수 있음을 알 수 있다. 따라서 배터리의 충전전류(I batt )도 리플 성분이 거의 없이 일정한 직류를 제공함으로써 배터리의 수명이 연장된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (10)

  1. 단상 BESS 전력 변환 장치에 있어서,
    배터리 셀부와 연결되어 상기 배터리 셀부의 충전 운전 모드시 상기 배터리 셀부에 충전되는 직류 전압을 승압하여 출력하는 부스트 컨버터와;
    상기 배터리 셀부와 직렬 연결되고, 상기 부스트 컨버터와 병렬로 연결되어 상기 배터리 셀부의 방전 운전 모드에서 온으로 스위칭 되어 상기 배터리 셀부에 충전된 직류 전압을 통과시키는 바이패스 스위치와;
    상기 바이패스 스위치에서 통과된 직류 전압을 PWM 신호에 대응하여 부하에 전원을 공급하고, 계통 전원으로부터 인가되는 전원을 변환하여 상기 부스트 컨버터에 출력하는 PWM 인버터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 PWM 인버터부는,
    직류링크전압의 크기에 대응하여 펄스 신호로 출력하는 스위칭부와;
    상기 스위칭부에서 출력되는 전압 펄스 신호를 평활화하여 정현파 신호로 출력하는 LC 필터부와;
    상기 스위칭부에서 출력되는 전류를 검출하는 전류 센서부와;
    상기 LC 필터부의 출력단 부하전압을 검출하는 전압 센서부와;
    상기 전압 센서부에서 검출된 부하전압을 기준 정현파 전압으로 제어하여 출력하는 제어부; 및
    상기 제어부에서 출력된 정현파 전압을 입력받고 기 설정된 스위칭 주파수를 갖는 비교 삼각파를 입력받아 상기 스위칭부에 펄스 폭 구동 신호를 출력하는 PWM 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리 셀부는 복수의 배터리 셀들이 직렬 연결되어 있고, 각 배터리 셀마다 배터리 블럭을 형성하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀들에는 각 배터리 셀마다 상기 부스트 컨버터와 상기 바이패스 스위치가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 방전 운전 모드에서는 상기 부스트 컨버터가 오프(OFF) 되고 상기 바이패스 스위치가 온(ON)이 되도록 제어하고, 상기 충전 운전 모드에서는 상기 부스트 컨버터가 온(ON) 되고 상기 바이패스 스위치가 오프(OFF) 되도록 제어하는 충전 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치.
  6. 단상 BESS 전력 변환 장치에 있어서,
    배터리 셀의 충전 운전 모드시 계통 전원으로부터 전압을 공급받아 PWM 신호에 따라 기 설정된 전압으로 승압하는 단계와;
    상기 승압된 전압으로 상기 배터리 셀부를 충전하는 단계와;
    상기 충전된 배터리 셀부의 방전 운전 모드시 충전된 직류 전압을 바이패스하여 PWM 신호에 대응하여 정현파 신호로 변환하여 출력하는 단계; 및
    상기 정현파 신호로 변환된 전압을 부하에 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치의 전원공급방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 기 설정된 전압으로 승압하는 단계는 계통 전원 스위치를 온으로 전환하고, 상기 계통 전원을 PWM 인버터부에서 직류 전압으로 변환하여 부스트 컨버터에 의해 직류 전압을 승압하는 것을 특징으로 하는 단상 BESS 전력 변환 장치의 전원공급방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 배터리 셀부의 방전 운전 모드시 상기 부스트 컨버터가 오프(OFF) 되고 바이패스 스위치가 온(ON)이 되어 직류 전압이 바이패스되어 상기 PWM 인버터부로 입력되는 것을 특징으로 하는 단상 BESS 전력 변환 장치의 전원공급방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 배터리 셀부는 복수의 배터리 셀들이 직렬로 연결되고, 각 배터리 셀마다 성가 부스트 컨버터와 상기 바이패스 스위치가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치의 전원공급방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀들은 방전 시에 각 바이패스 스위치가 온(on)으로 전환되어 상기 복수의 배터리 셀들이 직렬 접속됨으로써, 상기 PWM 인버터부로 입력되는 직류 전압을 높이는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 연장을 위한 단상 BESS 전력 변환 장치의 전원공급방법.
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