WO2015182854A1 - 충방전 경로 선택이 가능한 배터리 랙 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

충방전 경로 선택이 가능한 배터리 랙 및 이를 포함하는 시스템 Download PDF

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WO2015182854A1
WO2015182854A1 PCT/KR2015/001898 KR2015001898W WO2015182854A1 WO 2015182854 A1 WO2015182854 A1 WO 2015182854A1 KR 2015001898 W KR2015001898 W KR 2015001898W WO 2015182854 A1 WO2015182854 A1 WO 2015182854A1
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voltage
path
rack
battery
bus
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PCT/KR2015/001898
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홍인관
김정익
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주식회사 코캄
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    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00306—Overdischarge protection

Definitions

  • the present invention relates to a battery rack and a battery system including the same.
  • Secondary batteries are commonly applied to portable devices, electric vehicles (EVs), or hybrid electric vehicles (HEVs).
  • EVs electric vehicles
  • HEVs hybrid electric vehicles
  • the secondary battery has attracted attention as a new energy source for environmental protection and energy efficiency in that it not only has the advantage of dramatically reducing the use of fossil fuels, but does not generate by-products due to the use of energy.
  • a large-capacity power storage system for storing surplus power is required to build an intelligent power grid. Due to the limitations of battery packing technology, such a power storage system is generally configured by connecting battery racks, which are generally composed of one or more batteries, to each other.
  • a battery rack is formed by installing a plurality of battery modules connected in series and / or in parallel to a rack housing to build a large capacity power storage system, and a plurality of such battery racks are connected in series and / or in parallel.
  • the prior art discloses a configuration for stably charging or discharging by providing a separate rack protection circuit to manage the battery rack of such a large capacity power storage system, but the rack protection circuit and the rack BMS (Battery Management System) ) To control the large current path supplied to the rack protection circuit so as not to pass through the rack BMS, but to control the amount of current supplied to the battery module in the rack.
  • a separate rack protection circuit to manage the battery rack of such a large capacity power storage system
  • the rack protection circuit and the rack BMS Battery Management System
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication (KR2012-00083850, Publication Date 2012.07.26)
  • an object of the present invention is to propose a battery rack and a battery system including a charge and discharge path is set according to the difference between the voltage of the battery rack and the voltage of the DC bus.
  • a battery rack according to the present invention for achieving the above object is, at least one battery rack connected to the DC bus to configure a battery system, a battery cell having at least one secondary battery; Two or more charge / discharge paths provided between the battery cell and the DC bus to provide a path through which a charge current supplied to the battery cell or a discharge current supplied from the battery cell flows; A voltage measuring unit measuring a DC voltage of the DC bus and a rack voltage of the battery rack; And a controller configured to receive a voltage measurement result of the voltage measuring unit, compare the DC voltage with the rack voltage, and differently select the charge / discharge path according to the comparison result.
  • the charge / discharge path includes a first path without a resistor and a second path with a precharge resistor, and the controller is configured such that a difference between the DC voltage and the rack voltage is equal to or greater than a predetermined reference.
  • the charge / discharge path may be selected as the second path.
  • the charge / discharge path is a first node which is converged to one path after branching into the first path and the second path between the + terminal of the battery cell and the + terminal of the DC bus, and is provided on the battery cell side.
  • a second node provided on the DC bus side, wherein the voltage measuring unit is connected to the negative terminal of the first node and the DC bus, respectively, and measures the rack voltage by measuring a voltage between both ends.
  • the DC voltage can be measured by measuring the voltage between the two nodes and the-terminal of the DC bus, respectively.
  • the first switching element is provided in the first path to turn on and off the first path; And a second switching element provided in the second path to turn on and off the second path.
  • the controller may be configured to turn off the first switching element and the second switching element when the voltage measuring unit measures the rack voltage and the DC voltage, and the voltage measuring unit measures the rack voltage and the DC voltage. Afterwards, the first switching device or the second switching device may be turned on according to the difference between the DC voltage and the rack voltage.
  • the controller may select the charge / discharge path as the second path and then change the charge / discharge path from the second path to the first path when a difference between the DC voltage and the rack voltage is less than a predetermined reference. .
  • a battery system for achieving the above object, the battery system including at least one battery rack, PCS for controlling the energy charged and discharged in the battery rack; A DC bus provided between the PCS and the battery rack to transfer charge and discharge energy of the battery rack; And a battery rack connected to the DC bus, measuring the DC voltage of the DC bus and the rack voltage of the battery rack, comparing the DC voltage with the rack voltage, and selectively controlling the charge / discharge path according to a comparison result. It may include.
  • the battery rack may include a battery cell including one or more secondary batteries; At least two charge / discharge paths providing a path through which a charge current supplied to the battery cell or a discharge current supplied from the battery cell flows; A voltage measuring unit measuring a DC voltage of the DC bus and a rack voltage of the battery rack; And a controller configured to receive a voltage measurement result of the voltage measuring unit, compare the DC voltage with the rack voltage, and select the charge / discharge path differently according to the comparison result.
  • the charge / discharge path may include a first path without a resistor and a second path with a precharge resistor, wherein the controller is configured such that a difference between the DC voltage and the rack voltage is greater than or equal to a predetermined reference.
  • the charge / discharge path may be selected as the second path.
  • the charge / discharge path is a first node which is converged to one path after branching into the first path and the second path between the + terminal of the battery cell and the + terminal of the DC bus, and is provided on the battery cell side.
  • a second node provided on the DC bus side, wherein the voltage measuring unit is connected to the negative terminal of the first node and the DC bus, respectively, and measures the rack voltage by measuring a voltage between both ends.
  • the DC voltage can be measured by measuring the voltage between the two nodes and the-terminal of the DC bus, respectively.
  • the battery rack may further include a first switching device provided in the first path to turn off the first path, and a second switching device provided in the second path to turn off the second path. Can be.
  • the controller may be configured to turn off the first switching element and the second switching element when the voltage measuring unit measures the rack voltage and the DC voltage, and the voltage measuring unit measures the rack voltage and the DC voltage. Afterwards, the first switching device or the second switching device may be turned on according to a difference between the DC voltage and the rack voltage.
  • the controller may select the charge / discharge path as the second path and then change the charge / discharge path from the second path to the first path when a difference between the DC voltage and the rack voltage is less than a predetermined reference. .
  • the plurality of battery racks are electrically connected to the DC bus sequentially through the second path, and after the selection of the second path, when the voltage between the battery racks is balanced within a predetermined range, the first path It may be electrically connected to the DC bus sequentially through.
  • the path of the energy charged and discharged in the battery rack can be selectively controlled.
  • the voltage of the battery rack and the voltage of the DC bus can be compared, and when the voltage difference is large, the precharge resistor can be connected to the DC bus while limiting the magnitude of the current.
  • FIG. 1 is a view showing a battery system including a battery rack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a battery rack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a parallel connection method between a plurality of battery racks and a DC bus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery system 10 including a battery rack 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery system 10 may include a power conditioning system (PCS) 200, a DC bus 300, and a battery rack 100.
  • PCS power conditioning system
  • the PCS 200 may be provided between the battery rack 100 and the charging device or the discharge device to control the charge / discharge energy of the battery rack 100.
  • the PCS 200 may convert DC power produced by the battery rack 100 into AC power.
  • the PCS 200 may transfer the AC power converted as described above to a grid or a load.
  • the PCS 200 may convert AC power supplied from commercial power, renewable energy, or other charging device into DC power to supply the battery rack 100.
  • the PCS 200 may convert DC power to AC power, and then convert the power back to DC power to re-deliver the battery to the battery rack 100.
  • the PCS 200 may perform bidirectional transmission of the DC-AC. Therefore, the PCS 200 may also be referred to as a power converter.
  • the PCS 200 may control the operation of the battery system 10 by checking a state of charge (SOC) and a diagnosis state of the battery system 10.
  • SOC state of charge
  • the DC bus 300 may be provided between the PCS 200 and the battery rack 100 to transfer charge and discharge energy of the battery rack 100.
  • the DC bus 300 is.
  • a path for transmitting to the PCS 200 may be formed.
  • the DC bus 300 may form a transmission path for transferring the DC power from the PCS 200 to the battery rack 100 to charge the battery rack 100.
  • the DC bus 300 may include a + stage and a ⁇ stage to form an energy transfer path between the PCS 200 and the battery rack 100.
  • the battery rack 100 in the battery system 10 according to the invention may be included one or more, in particular a plurality.
  • the battery rack 100 may be referred to as a minimum unit constituting the battery system 10, and the plurality of battery racks 100 may be serially or in parallel to implement high capacity or high power in the battery system 10. Can be connected.
  • the battery rack 100 may be connected to the DC bus 300 to configure the battery system 10.
  • the battery rack 100 measures the DC voltage of the DC bus 300 and the rack voltage of the battery rack 100 before being electrically connected to the DC bus 300, thereby measuring the DC voltage and the rack voltage.
  • the charging and discharging paths can be selectively controlled according to the comparison result.
  • FIG. 2 is a view showing a battery rack 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a battery rack 100 includes a battery cell 110, a charge / discharge path 120, a voltage measuring unit 130, and a controller 140. can do.
  • the battery cell 110 may include one or more secondary batteries.
  • FIG. 2 only one secondary battery is illustrated as being provided, but this is only for convenience of illustration and the present invention is not necessarily limited to this embodiment.
  • the battery cells 110 included in one battery rack 100 may be provided in the form of two or more secondary batteries connected in series or in parallel.
  • the charge / discharge path 120 may be provided between the battery cell 110 and the DC bus 300 to provide a path through which the charge / discharge current flows in the battery rack 100. That is, the charge / discharge path 120 may be referred to as a wire connected to the DC bus 300 for energy charge / discharge of the battery rack 100.
  • the battery rack 100 has an external terminal (anode terminal, negative terminal) may be connected to the + terminal and the-terminal of the DC bus 300, the charge and discharge path 120, the battery cell 110 And an external terminal of the battery rack 100.
  • the charge / discharge path 120 is supplied between the external terminal and the battery cell 110 to a charge current supplied to the battery cell 110 from an external charging device or to an external load from the battery cell 110.
  • the charge and discharge path 120 can provide a path through which the discharge current flows. More specifically, the charge and discharge path 120, as shown in the figure, between the positive side of the battery cell 110 and the positive terminal of the battery rack 100, the negative side of the battery cell 110 and the battery rack It may be provided between the negative terminal of the (100).
  • two or more charge and discharge paths 120 may be included. That is, in the present invention, one battery rack 100 may include a plurality of paths through which a charge current or a discharge current flows in the battery cell 110.
  • the voltage measuring unit 130 may measure a DC voltage of both ends of the DC bus 300 and a rack voltage of both ends of the battery rack 100.
  • the DC bus 300 may include a + stage and a-stage, and the voltage measuring unit 130 may be provided between the + and-stages of the DC bus 300. Voltage can be measured as DC voltage. In addition, the voltage measuring unit 130 may measure the voltage between the + terminal and the-terminal of the battery rack 100 as a rack voltage.
  • the voltage measuring unit 130 may measure the DC voltage and the rack voltage before the battery cell 110 is electrically connected to the DC bus 300. That is, the battery rack 100, as shown in Figure 1, even if the external terminal is connected to the DC bus 300, so as not to be electrically connected to the DC bus 300 through the turn-off of the switching element, etc. In a state, DC voltage and / or rack voltage can be measured.
  • the voltage measuring unit 130 may be connected to a wire connected to the DC bus 300 for energy charging / discharging of the battery rack 100, that is, the charging / discharging path 120, to measure the DC voltage and the rack voltage. Can be.
  • the voltage measurement unit 130 may transmit the DC voltage measurement result and the rack voltage measurement result to the controller 140.
  • the controller 140 may receive a result measured by the voltage measuring unit 130 from the voltage measuring unit 130. In addition, the controller 140 may compare the DC voltage and the rack voltage based on the input data, and may select the charge / discharge path 120 differently according to the comparison result.
  • the charge / discharge path 120 may include a first path 121 and a second path 122, as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the first path 121 may be a path without a resistor
  • the second path 122 may be a path including a precharge resistor 150 as a resistor.
  • the controller 140 selects the charge / discharge path 120 as the second path 122 including the precharge resistor 150 when the difference between the DC voltage and the rack voltage is greater than or equal to a predetermined reference.
  • a predetermined reference For example, when the predetermined reference value is 1V, when the absolute value of the difference between the rack voltage and the DC voltage measured by the voltage measuring unit 130 is 1.2V, the controller 140 may charge / discharge path 120 Before the first path 121 is formed, the first path 121 may be formed as the second path 122.
  • the predetermined reference value is 1V
  • the control unit 140 allows the charge-discharge path 120 to be formed directly to the first path 121. Can be.
  • the charge and discharge path 120 is a precharge circuit
  • balancing can be performed to reduce the difference between the rack voltage and the DC voltage to a predetermined level or less.
  • the magnitude of the current supplied to the battery rack 100 or the current supplied from the battery rack 100 can be controlled through the precharge resistor 150. Therefore, according to this aspect of the present invention, it is possible to prevent the battery system 10 from being damaged by the difference between the voltage of the battery rack 100 connected to the DC bus 300 and the voltage of the DC bus 300. .
  • the predetermined criterion may be determined based on allowable current values of various elements located in a circuit in the battery rack 100 used in the present embodiment as a comparison target with the measured value.
  • the predetermined criterion may be set based on a voltage difference at which a current exceeding an allowable current value flows.
  • a resistor element is included in the second path 122 and a resistor element is not included in the first path 121, but the resistor element is also included in the first path 121. It may be provided.
  • the resistance element provided in the first path 121 may have a smaller resistance value than the precharge resistor 150 provided in the second path 122.
  • the charge / discharge path 120 may have two or more nodes that branch into at least a portion of the first path 121 and the second path 122.
  • the charge / discharge path 120 may include a first path 121 and a second path 122 between a + end of the battery cell 110 and a + end of the DC bus 300. After branching to, it can converge on one path (wiring). In this process, the charge / discharge path 120 may include a first node provided on the battery cell 110 side and a second node provided on the DC bus 300 side.
  • the charge / discharge path 120 may be branched into the first path 121 and the second path 122 in a section between the + end of the battery cell 110 and the + end of the DC bus 300.
  • the charge / discharge path 120 may include two nodes for branching to the first path 121 and the second path 122 in such a section.
  • the first node is a node located on the battery cell 110 side as indicated by a in FIG. 2
  • the second node is a node located on the DC bus 300 side as indicated by b in FIG. 2. Can be.
  • the voltage measuring unit 130 may be connected to the ⁇ terminal of the first node and the DC bus 300, respectively, and measure a rack voltage by measuring a voltage between both ends. That is, in the configuration of FIG. 2, the voltage measuring unit 130 has one end connected to the side of the first node a of the charge / discharge path 120 (denoted as 130a), and the other end thereof is a negative terminal of the DC bus 300. Or connected to the charge / discharge path 120 directly connected thereto (indicated by 130c). In addition, the voltage measuring unit 130 may measure the rack voltage which is the voltage at both ends of the battery rack 100 through the potential difference between the both ends measured through the connection of 130a and 130c.
  • the voltage measuring unit 130 may be connected to the ⁇ terminal of the second node and the DC bus 300, respectively, and measure the DC voltage by measuring the voltage between both ends. That is, in the configuration of FIG. 2, the voltage measuring unit 130 has one end connected to the side of the second node b of the charge / discharge path 120 (denoted as 130b), and the other end thereof is a negative terminal of the DC bus 300. Or connected to the charge / discharge path 120 directly connected thereto (indicated by 130c). In addition, the voltage measuring unit 130 may measure the DC voltage which is the voltage between the + terminal and the-terminal of the DC bus 300 through the potential difference between both ends measured through the connection of 130b and 130c.
  • the battery rack 100 determines the charge / discharge path 120 of the battery rack 100 only after comparing the DC voltage and the rack voltage, and the battery rack 100 and the DC bus 300. May be electrically connected to each other, and the battery rack 100 and the DC bus 300 may not be electrically connected before the charge / discharge path 120 of the battery rack 100 is determined.
  • the battery rack 100 is provided with one or more switching elements for turning on and off the electrical connection between the battery rack 100 and the DC bus 300 and determining the charge / discharge path 120. can do.
  • the charge / discharge path setting in the present embodiment can be implemented through such switching elements.
  • the battery rack 100 may include a first switching element 161 and a second switching element 162.
  • the first switching element 161 may be provided in the first path 121 of the charge / discharge path 120 to selectively turn on or off the first path 121.
  • the second switching element 162 may be provided in the second path 122 of the charge / discharge path 120 to selectively turn on / off the second path 122.
  • the first switching element 161 and the second switching element 162 may be controlled by the controller 140, as shown in FIG. 2.
  • the controller 140 may turn on the first switching element 161 and turn off the second switching element 162 so that the first path 121 functions as the charge / discharge path 120. have.
  • the controller 140 turns off the first switching element 161 and turns on the second switching element 162 so that the second path 122 including the precharge resistor 150 is connected to the charge / discharge path ( 120).
  • the controller 140 turns off the first switching element 161 and the second switching element 162 when the voltage measuring unit 130 measures the rack voltage and the DC voltage, and the voltage measuring unit 130.
  • the first switching element 161 or the second switching element 162 may be turned on according to the difference between the DC voltage and the rack voltage. That is, the controller 140 turns off both the first switching element 161 and the second switching element 162 before the charge / discharge path 120 of the battery rack 100 is determined, thereby providing a battery rack ( 100 and the DC bus 300 may be prevented from being electrically connected.
  • the controller 140 selects the charge / discharge path 120 as the second path 122 and then, if the difference between the DC voltage and the rack voltage is less than a predetermined reference, removes the charge / discharge path 120.
  • the first path 121 may be changed from the second path 122. That is, the controller 140 sets the charge / discharge path 120 as the second path 122 at the initial stage of the connection between the battery rack 100 and the DC bus 300, and the difference between the DC voltage and the rack voltage is large. If not, the charge / discharge path 120 may be changed to the first path 121.
  • the controller 140 may precharge the resistor 150.
  • the charge / discharge path 120 may be set to the second path 122 including).
  • the controller 140 may allow only the second switching element 162 to be turned on while the first switching element 161 is turned off.
  • the voltage measuring unit 130 may measure the rack voltage and the DC voltage periodically or aperiodically.
  • the controller 140 allows the second path 122 to continue as a path through which the charge / discharge current flows, and the difference between the rack voltage and the DC voltage is increased.
  • Charging and discharging may be performed in the first path 121 at a time point below a reference value, for example, 0.9V. In this case, the controller 140 may turn on the first switching device 161.
  • the voltage measuring unit 130 and the control unit 140 may be implemented by a BMS of a battery rack or a battery pack.
  • the battery management system refers to a device that manages a battery rack or a pack.
  • the battery management system may measure voltage or current of the battery rack 100, and perform charge / discharge operation of the battery rack 100 according to a measurement result. Overall control is possible.
  • the BMS may prevent overcharging or overdischarging the battery rack 100, and may optimize the state of the battery rack 100.
  • the battery system 10 may include a plurality of battery racks 100, and each of the battery racks 100 may be interconnected through the DC bus 300.
  • each battery rack 100 in the manner as described above, compares the rack voltage and the DC voltage, and in such a way to select the charge and discharge path 120 according to the comparison result, the DC bus 300 Can be electrically connected to the
  • the parallel connection between the plurality of battery racks 100 and the DC bus 300 may be connected by a series of sequences. That is, the plurality of battery racks 100 may be sequentially connected to the DC bus 300.
  • each battery rack is a first battery rack.
  • the battery rack, the second battery rack, ..., the N-th battery rack in order to be electrically connected to the DC bus 300 through the second path 122 provided with the precharge resistor 150.
  • each battery rack is connected to the N-th battery rack, ..., the second battery rack, and the first battery rack through the first path 121 without the precharge resistor 150. It may be electrically connected to the DC bus 300.
  • the electrical connection or release order of the battery rack 100 may be based on a physical distance between the PCS 200 and the battery rack 100.
  • the configuration in which the balance is connected to the DC bus 300 through the second path 122 is performed from the battery rack farthest from the PCS 200, and then the DC bus 300 through the first path 121. ) May be performed from the battery rack closest to the PCS 200 in the reverse order.
  • the present invention is not necessarily limited to the specific connection order of the battery rack.
  • the battery rack 100 is sequentially connected to the DC bus 300, even if there is a voltage difference in each battery rack 100 connected to the DC bus 300, the battery system 10
  • the battery rack 100 can be smoothly connected without giving a large load to the.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a parallel connection configuration between a plurality of battery racks and a DC bus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the parallel connection method between the battery rack and the DC bus may include a user input step S100, a connection step S200 through a precharge circuit, and a direct connection step S300. have.
  • the user input step (S100) is a step of receiving a start of parallel connection from a user.
  • a user receives a start by pressing an input button attached to one battery rack, for example, a first battery rack.
  • the step S100 may be performed by receiving a start input from a user through wireless communication or software operation, in addition to an input method of pressing a physical button.
  • the step S100 may be performed in a manner of automatically receiving the start of the parallel connection from the control unit 140 of the PCS according to a predetermined algorithm by the user.
  • each battery rack may select a precharge circuit, which is a path provided with the precharge resistor 150, as a charge / discharge path, and may be electrically connected to the DC bus through the precharge circuit.
  • the plurality of battery racks may be sequentially connected to the DC bus from any battery rack by the path selection method according to the above-described method. For example, referring to FIG. 1, a plurality of battery racks may be connected to the DC bus by sequentially selecting a path from the left battery rack farthest from the PCS.
  • the step S200 may be a step in which the charge / discharge current of the battery rack flows through the second path 122 because the charge / discharge path is set as the second path 122. have.
  • the step of measuring the rack voltage and DC voltage, and comparing the difference between the measured value and the reference value may be performed before the step S200.
  • the connection through the precharge circuit may be performed when the difference between the rack voltage and the DC voltage is equal to or greater than a reference value.
  • the charge-discharge path is precharge resistor 150 It can be formed as a path that is directly connected without passing through.
  • the step S300 may be a step in which the charge / discharge current is set as the first path and the charge / discharge current of the corresponding battery rack flows through the first path.
  • the present invention it is possible to selectively control the path of the energy charged and discharged in the battery rack to prevent damage to the battery system 10 due to the voltage difference between the DC bus and the battery voltage.

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Abstract

본 발명은 DC 버스에 접속될 때 충방전 경로 선택이 가능하도록 구성된 배터리 랙을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 랙은, 배터리 시스템을 구성하기 위해 DC 버스에 접속되는 하나 이상의 배터리 랙으로서, 하나 이상의 이차 전지를 구비하는 배터리 셀; 상기 배터리 셀과 상기 DC 버스 사이에 구비되어, 상기 배터리 셀로 공급되는 충전 전류나 상기 배터리 셀로부터 공급되는 방전 전류가 흐르는 경로를 제공하는 둘 이상의 충방전 경로; 상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부의 전압 측정 결과를 입력받아, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 충방전 경로를 다르게 선택하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

충방전 경로 선택이 가능한 배터리 랙 및 이를 포함하는 시스템
본 발명은 배터리 랙 및 이를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
본 출원은 2014년 5월 30일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2014-0065689호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
이차전지는 휴대용 기기, 전기 차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 적용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 장점을 가질 뿐만 아니라, 에너지의 사용에 따른 부산물이 발생되지 않는다는 점에서 환경 보호 및 에너지 효율성 향상을 위한 새로운 에너지원으로서 주목 받고 있다.
최근에는 스마트 그리드(Smart Grid)에 대한 관심이 높아지면서 지능형 전력망을 구축하기 위해 잉여 전력을 저장하는 대용량의 전력 저장 시스템이 요구되고 있다. 이러한 전력 저장 시스템은, 배터리 패킹(Packing) 기술의 한계로 인해, 일반적으로 하나 이상의 배터리들로 구성되는 배터리 랙(Battery Rack)들을 서로 연결하여 구성하게 된다.
즉, 대용량의 전력 저장 시스템을 구축하기 위해 랙 하우징에 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수개의 배터리 모듈을 설치함으로써 배터리 랙을 형성하고, 이러한 배터리 랙을 직렬 및/또는 병렬로 복수 개 연결한다.
이때, 수 kWh, 또는 MWh 시스템을 구성하기 위해서는 배터리 랙을 병렬로 구성하는 경우, 단위 배터리 랙이 DC 버스에 접속할 때 배터리 랙 간에 전압 차이가 있으면 큰 전류가 발생할 수 있으며, 큰 전류가 순간적으로 흐르는 경우 전력 저장 시스템이 파손이 되는 위험이 있다.
종래기술의 경우 이러한 대용량의 전력 저장 시스템의 배터리 랙을 관리하기 위하여 별도의 랙 보호회로를 구비하여 안정적으로 충전 또는 방전을 수행하기 위한 구성을 개시하고 있으나, 랙 보호회로와 랙 BMS(Battery Management System)를 물리적으로 분리 구성하여 랙 보호회로로 공급되는 대전류 경로가 랙 BMS를 통과하지 않도록 제어할 뿐 랙 내의 배터리 모듈에 공급되는 전류의 크기를 제어하는 구성은 개시하고 있지 않다.
(특허문헌 1) 한국공개특허공보(KR2012-00083850, 공개일 2012.07.26)
상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 배터리 랙의 전압과 DC 버스의 전압 사이의 차이에 따라 충방전 경로가 설정되는 배터리 랙 및 이를 포함하는 배터리 시스템을 제안하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 랙은, 배터리 시스템을 구성하기 위해 DC 버스에 접속되는 하나 이상의 배터리 랙으로서, 하나 이상의 이차 전지를 구비하는 배터리 셀; 상기 배터리 셀과 상기 DC 버스 사이에 구비되어, 상기 배터리 셀로 공급되는 충전 전류나 상기 배터리 셀로부터 공급되는 방전 전류가 흐르는 경로를 제공하는 둘 이상의 충방전 경로; 상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부의 전압 측정 결과를 입력받아, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 충방전 경로를 다르게 선택하는 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 충방전 경로는, 저항 소자를 구비하지 않는 제1 경로와, 프리차지 저항을 구비하는 제2 경로를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 충방전 경로를 상기 제2 경로로 선택할 수 있다.
또한, 상기 충방전 경로는, 상기 배터리 셀의 +단과 상기 DC 버스의 +단 사이에서 상기 제1 경로 및 상기 제2 경로로 분기 후 하나의 경로로 수렴되어, 배터리 셀 측에 구비되는 제1 노드 및 DC 버스 측에 구비되는 제2 노드를 구비하고, 상기 전압 측정부는, 상기 제1 노드 및 상기 DC 버스의 -단에 각각 접속되어 양단 사이의 전압을 측정함으로써 상기 랙 전압을 측정하고, 상기 제2 노드 및 상기 DC 버스의 -단에 각각 접속되어 양단 사이의 전압을 측정함으로써 상기 DC 전압을 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 랙은, 상기 제1 경로에 구비되어 상기 제1 경로를 온오프시키는 제1 스위칭 소자; 및 상기 제2 경로에 구비되어 상기 제2 경로를 온오프시키는 제2 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 전압 측정부가 상기 랙 전압 및 상기 DC 전압을 측정할 때에는 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자를 턴오프시키고, 상기 전압 측정부가 상기 랙 전압 및 상기 DC 전압을 측정한 후에는 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이에 따라 제1 스위칭 소자 또는 제2 스위칭 소자를 턴온시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 충방전 경로를 상기 제2 경로로 선택한 후, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 미만이면 충방전 경로를 상기 제2 경로에서 상기 제1 경로로 변경할 수 있다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 시스템은, 하나 이상의 배터리 랙을 포함하는 배터리 시스템으로서, 상기 배터리 랙에서 충방전되는 에너지를 제어하는 PCS; 상기 PCS와 상기 배터리 랙 사이에 구비되어, 상기 배터리 랙의 충방전 에너지를 전달하는 DC 버스; 및 상기 DC 버스에 접속되며, 상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하여, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 충방전 경로를 선택적으로 제어하는 배터리 랙을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 배터리 랙은, 하나 이상의 이차 전지를 구비하는 배터리 셀; 상기 배터리 셀로 공급되는 충전 전류나 상기 배터리 셀로부터 공급되는 방전 전류가 흐르는 경로를 제공하는 둘 이상의 충방전 경로; 상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부의 전압 측정 결과를 입력받아 상기 DC 전압과 상기 랙 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 충방전 경로를 다르게 선택하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 충방전 경로는, 저항 소자를 구비하지 않는 제1 경로와, 프리차지 저항을 구비하는 제2 경로를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우, 충방전 경로를 상기 제2 경로로 선택할 수 있다.
또한, 상기 충방전 경로는, 상기 배터리 셀의 +단과 상기 DC 버스의 +단 사이에서 상기 제1 경로 및 상기 제2 경로로 분기 후 하나의 경로로 수렴되어, 배터리 셀 측에 구비되는 제1 노드 및 DC 버스 측에 구비되는 제2 노드를 구비하고, 상기 전압 측정부는, 상기 제1 노드 및 상기 DC 버스의 -단에 각각 접속되어 양단 사이의 전압을 측정함으로써 상기 랙 전압을 측정하고, 상기 제2 노드 및 상기 DC 버스의 -단에 각각 접속되어 양단 사이의 전압을 측정함으로써 상기 DC 전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 배터리 랙은, 상기 제1 경로에 구비되어 상기 제1 경로를 온오프시키는 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 경로에 구비되어 상기 제2 경로를 온오프시키는 제2 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 전압 측정부가 상기 랙 전압 및 상기 DC 전압을 측정할 때에는 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자를 턴오프시키고, 상기 전압 측정부가 상기 랙 전압 및 상기 DC 전압을 측정한 후에는 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이에 따라 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제2 스위칭 소자를 턴온시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 충방전 경로를 상기 제2 경로로 선택한 후, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 미만이면 충방전 경로를 상기 제2 경로에서 상기 제1 경로로 변경할 수 있다.
또한, 상기 복수의 배터리 랙은, 상기 제2 경로를 통해 순차적으로 상기 DC 버스에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 경로의 선택 후 상기 배터리 랙 간의 전압이 미리 결정된 범위 내에서 밸런싱되면 상기 제1 경로를 통해 순차적으로 상기 DC 버스에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 랙 내에서 충방전되는 에너지의 경로가 선택적으로 제어될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 구성에 의하면, 배터리 랙의 전압과 DC 버스의 전압을 비교하고, 전압차가 큰 경우 프리차지 저항을 통해 전류의 크기를 제한하면서 DC 버스에 접속하도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, DC 버스와 배터리 전압의 전압 차에 의한 배터리 시스템의 파손을 방지할 수 있고, DC 버스에 다수의 배터리 랙이 접속될 때, 각 배터리 랙 간 전압이 밸런싱된 후 접속되도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙을 포함하는 배터리 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 배터리 랙과 DC 버스 간의 병렬 연결 방법을 나타내는 도면이다.
이하의 내용은 단지 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 발명의 원리를 구현하고 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
또한, 발명을 설명함에 있어서 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙(100)을 포함하는 배터리 시스템(10)을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 시스템(10)은, PCS(Power Conditioning System)(200), DC 버스(300) 및 배터리 랙(100)을 포함할 수 있다.
상기 PCS(200)는, 배터리 랙(100)과 충전 장치 또는 방전 장치 사이에 구비되어, 배터리 랙(100)의 충방전 에너지를 제어할 수 있다. 더욱이, 상기 PCS(200)는 배터리 랙(100)에서 생산되는 DC 전력을 AC 전력으로 변환할 수 있다. 그리고, PCS(200)는 이와 같이 변환된 AC 전력을 그리드(Grid) 또는 부하에 전달할 수 있다. 또한, 상기 PCS(200)는 상용전원이나 신재생에너지, 또는 기타 충전 장치로부터 공급된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 배터리 랙(100)으로 공급할 수 있다. 또한, 상기 PCS(200)는 DC 전력에서 AC 전력으로 변환한 후, 이를 다시 DC 전력으로 재변환하여 배터리 랙(100)으로 재전달할 수 있다. 이처럼, 상기 PCS(200)는 DC-AC의 양방향 전송을 수행할 수 있다. 따라서, 상기 PCS(200)는, 전력 변환 장치라고도 할 수 있다.
특히, 상기 PCS(200)는, 배터리 시스템(10)의 잔존용량(SOC; State Of Charge) 및 진단 상태를 확인하여 배터리 시스템(10)의 운용을 제어할 수 있다.
상기 DC 버스(300)는, 상기 PCS(200)와 상기 배터리 랙(100) 사이에 구비되어, 배터리 랙(100)의 충방전 에너지를 전달할 수 있다. 예를 들어, 상기 DC 버스(300)는. 배터리 랙(100)에서 생산되는 DC 전력을 그리드나 부하에 전달하기 위해 PCS(200)로 전송하는 경로를 형성할 수 있다. 그리고, 상기 DC 버스(300)는, 배터리 랙(100)의 충전을 위해 PCS(200)가 배터리 랙(100)으로 DC 전력을 전달하기 위한 전송 경로를 형성할 수 있다.
한편, 상기 DC 버스(300)는, PCS(200)와 배터리 랙(100) 사이에서 에너지 전송 경로를 형성하기 위해, +단과 -단을 구비할 수 있다.
상기 배터리 랙(100)은, 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)에서 하나 이상, 특히 복수 개 포함될 수 있다. 배터리 랙(100)이란, 배터리 시스템(10)을 구성하는 최소 단위를 의미한다고 할 수 있으며, 다수의 배터리 랙(100)은 배터리 시스템(10) 내에서 고용량 또는 고출력을 구현하기 위해 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
본 실시예에서는, 다수의 배터리 랙(100)이 병렬로 연결되는 경우를 중심으로 설명하도록 한다.
상기 배터리 랙(100)은, 배터리 시스템(10)을 구성하기 위해 DC 버스(300)에 접속될 수 있다. 그리고, 상기 배터리 랙(100)은, DC 버스(300)에 전기적으로 연결되기 이전에, DC 버스(300)의 DC 전압과 배터리 랙(100)의 랙 전압을 측정하여, DC 전압과 랙 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 충방전 경로를 선택적으로 제어할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 배터리 랙(100)에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙(100)을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙(100)은, 배터리 셀(110), 충방전 경로(120), 전압 측정부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.
상기 배터리 셀(110)은, 하나 이상의 이차 전지를 구비할 수 있다. 도 2에서는 하나의 이차 전지만 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 도시의 편의를 위한 것일 뿐, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 배터리 랙(100)에 포함된 배터리 셀(110)에는 둘 이상의 이차 전지가 직렬 또는 병렬로 연결된 형태로 구비될 수 있다.
상기 충방전 경로(120)는, 배터리 셀(110)과 DC 버스(300) 사이에 구비되어, 배터리 랙(100) 내부에서 충방전 전류가 흐르는 경로를 제공할 수 있다. 즉, 상기 충방전 경로(120)는, 배터리 랙(100)의 에너지 충방전을 위한 DC 버스(300)에 접속된 배선이라 할 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 랙(100)은 외부 단자(양극 단자, 음극 단자)가 DC 버스(300)의 +단과 -단에 연결될 수 있는데, 상기 충방전 경로(120)는, 배터리 셀(110)과 배터리 랙(100)의 외부 단자 사이에 구비될 수 있다. 그리고, 상기 충방전 경로(120)는, 외부 단자와 배터리 셀(110) 사이에서 외부의 충전 장치로부터 배터리 셀(110)로 공급되는 충전 전류 또는 배터리 셀(110)로부터 외부의 부하 등으로 공급되는 방전 전류가 흐르는 경로를 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 충방전 경로(120)는, 도면에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(110)의 양극 측과 배터리 랙(100)의 양극 단자 사이 및 배터리 셀(110)의 음극 측과 배터리 랙(100)의 음극 단자 사이에 구비될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 배터리 랙(100)에서, 상기 충방전 경로(120)는, 둘 이상 포함될 수 있다. 즉, 본 발명의 경우, 하나의 배터리 랙(100) 내부에는 배터리 셀(110)의 충전 전류나 방전 전류가 흐르는 경로가 다수 포함될 수 있다.
상기 전압 측정부(130)는, DC 버스(300)의 양단 전압인 DC 전압과 배터리 랙(100)의 양단 전압인 랙 전압을 측정할 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, DC 버스(300)는 +단과 -단을 구비할 수 있는데, 상기 전압 측정부(130)는, 이러한 DC 버스(300)의 +단과 -단 사이의 전압을 DC 전압으로 측정할 수 있다. 또한, 전압 측정부(130)는, 배터리 랙(100)의 + 단자와 -단자 사이의 전압을 랙 전압으로 측정할 수 있다.
특히, 상기 전압 측정부(130)는, 배터리 셀(110)이 DC 버스(300)에 전기적으로 연결되기 이전에, DC 전압과 랙 전압을 측정할 수 있다. 즉, 배터리 랙(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 외부 단자가 DC 버스(300)에 접속되어 있다 하더라도 스위칭 소자의 턴 오프 등을 통해 DC 버스(300)와 전기적으로 연결되지 않도록 한 상태에서, DC 전압 및/또는 랙 전압을 측정할 수 있다.
상기 전압 측정부(130)는, DC 전압과 랙 전압을 측정하기 위해, 배터리 랙(100)의 에너지 충방전을 위한 DC 버스(300)에 접속된 배선, 즉 충방전 경로(120)에 접속될 수 있다.
또한, 상기 전압 측정부(130)는, DC 전압 측정 결과와 랙 전압 측정 결과를 제어부(140)에 전송할 수 있다.
상기 제어부(140)는, 상기 전압 측정부(130)에 의해 측정된 결과를 전압 측정부(130)로부터 입력받을 수 있다. 그리고, 상기 제어부(140)는, 이와 같이 입력된 데이터를 기초로, DC 전압과 랙 전압을 비교하여, 비교 결과에 따라 충방전 경로(120)를 다르게 선택할 수 있다.
바람직하게는, 상기 충방전 경로(120)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 경로(121)와 제2 경로(122)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 경로(121)는 저항 소자를 구비하지 않는 경로이고, 제2 경로(122)는 프리차지 저항(150)을 저항 소자로서 구비하는 경로라 할 수 있다.
이러한 구성에 있어서, 상기 제어부(140)는, DC 전압과 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 충방전 경로(120)를 프리차지 저항(150)이 포함된 제2 경로(122)로 선택되도록 할 수 있다. 예를 들어, 미리 결정된 기준값이 1V일 때, 전압 측정부(130)에 의해 측정된 랙 전압과 DC 전압의 차이의 절대값이 1.2V인 경우, 상기 제어부(140)는 충방전 경로(120)가 제1 경로(121)로 형성되기 전에 먼저 제2 경로(122)로 형성되도록 할 수 있다. 반면, 미리 결정된 기준값이 1V일 때, 랙 전압과 DC 전압의 차이의 절대값이 0.7V인 경우, 상기 제어부(140)는 충방전 경로(120)가 제1 경로(121)로 곧바로 형성되도록 할 수 있다.
본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 배터리 랙(100)이 DC 버스(300)에 전기적으로 연결될 때, 랙 전압과 DC 전압 사이의 차가 일정 수준 이상이 되면, 충방전 경로(120)가 프리차지 회로를 경유하도록 함으로써, 랙 전압과 DC 전압 사이의 차이를 일정 수준 이하로 줄이는 밸런싱이 수행될 수 있다. 또한, 본 발명의 이러한 실시예에 의하면, 배터리 랙(100)으로 공급되는 전류나 배터리 랙(100)으로부터 공급되는 전류의 크기를, 프리차지 저항(150)을 통해 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, DC 버스(300)에 접속되는 배터리 랙(100)의 전압과 DC 버스(300)의 전압 사이의 차이 의해 배터리 시스템(10)이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 미리 결정된 기준이라는 것은, 측정된 값과의 비교 대상으로서, 본 실시예에서 이용하는 배터리 랙(100) 내의 회로에 위치하는 각종 소자의 허용 전류값을 통해 결정될 수 있다. 특히, 미리 결정된 기준은, 허용 전류값을 초과하는 전류가 흐르게 되는 전압차를 기준으로 설정될 수 있다.
한편, 상기 실시예에서는 제2 경로(122)에는 저항 소자가 포함되고, 제1 경로(121)에는 저항 소자가 포함되지 않는 구성을 기준으로 설명되어 있으나, 제1 경로(121)에도 저항 소자가 구비될 수 있다. 이때, 제1 경로(121)에 구비되는 저항 소자는, 제2 경로(122)에 구비되는 프리차지 저항(150)에 비해 작은 저항값을 가질 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 충방전 경로(120)는, 적어도 일부분에서 제1 경로(121)와 제2 경로(122)로 분기되는 노드를 2개 이상 가질 수 있다.
특히, 도 2에 도시된 바를 참조하면, 상기 충방전 경로(120)는, 배터리 셀(110)의 +단과 DC 버스(300)의 +단 사이에서 제1 경로(121) 및 제2 경로(122)로 분기 후 하나의 경로(배선)로 수렴될 수 있다. 그리고, 이 과정에서, 충방전 경로(120)는, 배터리 셀(110) 측에 구비되는 제1 노드와 DC 버스(300) 측에 구비되는 제2 노드를 구비할 수 있다.
즉, 상기 충방전 경로(120)는, 배터리 셀(110)의 +단과 DC 버스(300)의 +단 사이 구간에서 제1 경로(121)와 제2 경로(122)로 분기될 수 있다. 그리고, 충방전 경로(120)는, 이러한 구간에서 제1 경로(121)와 제2 경로(122)로 분기되기 위한 노드를 2개 구비할 수 있다. 여기서, 제1 노드는 도 2에서 a로 표시된 바와 같이 배터리 셀(110) 측에 위치하는 노드이고, 제2 노드는 도 2에서 b로 표시된 바와 같이 DC 버스(300) 측에 위치하는 노드라 할 수 있다.
이러한 구성에 있어서, 상기 전압 측정부(130)는, 제1 노드 및 DC 버스(300)의 -단에 각각 접속되어 양단 사이의 전압을 측정함으로써 랙 전압을 측정할 수 있다. 즉, 도 2의 구성에서 전압 측정부(130)는, 일단이 충방전 경로(120)의 제1 노드(a) 측에 접속되고(130a로 표시), 타단이 DC 버스(300)의 -단 또는 그에 직접적으로 연결된 충방전 경로(120)에 접속될 수 있다(130c로 표시). 그리고, 전압 측정부(130)는, 이와 같이 130a와 130c의 접속을 통해 측정된 양단 사이의 전위차를 통해 배터리 랙(100)의 양단 전압인 랙 전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 구성에 있어서, 상기 전압 측정부(130)는, 제2 노드 및 DC 버스(300)의 -단에 각각 접속되어 양단 사이의 전압을 측정함으로써 DC 전압을 측정할 수 있다. 즉, 도 2의 구성에서 전압 측정부(130)는, 일단이 충방전 경로(120)의 제2 노드(b) 측에 접속되고(130b로 표시), 타단이 DC 버스(300)의 -단 또는 그에 직접적으로 연결된 충방전 경로(120)에 접속될 수 있다(130c로 표시). 그리고, 전압 측정부(130)는, 이와 같이 130b와 130c의 접속을 통해 측정된 양단 사이의 전위차를 통해 DC 버스(300)의 +단과 -단 사이의 전압인 DC 전압을 측정할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 랙(100)은, DC 전압과 랙 전압을 비교한 이후에야 배터리 랙(100)의 충방전 경로(120)를 결정하고, 배터리 랙(100)과 DC 버스(300)가 전기적으로 연결되도록 할 수 있으며, 배터리 랙(100)의 충방전 경로(120)가 결정되기 이전에는 배터리 랙(100)과 DC 버스(300)가 전기적으로 연결되지 않도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 랙(100)은, 배터리 랙(100)과 DC 버스(300)의 전기적 연결을 온오프시키는 한편, 충방전 경로(120)를 결정하기 위해, 하나 또는 그 이상의 스위칭 소자를 구비할 수 있다. 그리고, 본 실시예에서의 충방전 경로 설정은 이러한 스위칭 소자들을 통해 구현될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 랙(100)은, 제1 스위칭 소자(161) 및 제2 스위칭 소자(162)를 구비할 수 있다. 도 2에 도시된 바를 참조하면, 제1 스위칭 소자(161)는, 충방전 경로(120) 중 제1 경로(121)에 구비되어 제1 경로(121)를 선택적으로 온오프시킬 수 있다. 또한, 제2 스위칭 소자(162)는, 충방전 경로(120) 중 제2 경로(122)에 구비되어 제2 경로(122)를 선택적으로 온오프시킬 수 있다.
이러한 제1 스위칭 소자(161) 및 제2 스위칭 소자(162)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(140)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(140)는, 제1 스위칭 소자(161)를 턴온시키고 제2 스위칭 소자(162)를 턴오프시킴으로써 제1 경로(121)가 충방전 경로(120)로 기능하도록 할 수 있다. 또한, 상기 제어부(140)는, 제1 스위칭 소자(161)를 턴오프시키고 제2 스위칭 소자(162)를 턴온시킴으로써 프리차지 저항(150)이 포함된 제2 경로(122)가 충방전 경로(120)로 기능하도록 할 수 있다.
특히, 상기 제어부(140)는, 전압 측정부(130)가 랙 전압 및 DC 전압을 측정할 때에는 제1 스위칭 소자(161) 및 제2 스위칭 소자(162)를 턴오프시키고, 전압 측정부(130)가 랙 전압 및 DC 전압을 측정한 후에는 DC 전압과 랙 전압의 차이에 따라 제1 스위칭 소자(161) 또는 제2 스위칭 소자(162)를 턴온시킬 수 있다. 즉, 상기 제어부(140)는, 배터리 랙(100)의 충방전 경로(120)가 결정되기 이전에는 제1 스위칭 소자(161) 및 제2 스위칭 소자(162)를 모두 턴 오프시킴으로써, 배터리 랙(100)과 DC 버스(300)가 전기적으로 연결되지 않도록 할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 제어부(140)는, 충방전 경로(120)를 제2 경로(122)로 선택한 후, DC 전압과 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 미만이면 충방전 경로(120)를 제2 경로(122)에서 제1 경로(121)로 변경할 수 있다. 즉, 상기 제어부(140)는, 배터리 랙(100)과 DC 버스(300)의 연결 초기에는 충방전 경로(120)를 제2 경로(122)로 설정하다가, DC 전압과 랙 전압의 차이가 크지 않게 되면, 충방전 경로(120)를 제1 경로(121)로 변경 설정할 수 있다.
예를 들어, 미리 설정된 기준값이 1V일 때, 배터리 랙(100)과 DC 버스(300)의 연결 초기에는 DC 전압과 랙 전압의 차이가 1.2V라면, 상기 제어부(140)는 프리차지 저항(150)이 포함된 제2 경로(122)로 충방전 경로(120)가 설정되도록 할 수 있다. 이때, 상기 제어부(140)는, 제1 스위칭 소자(161)는 턴오프된 상태에서 제2 스위칭 소자(162)만 턴온되도록 할 수 있다. 이후, 전압 측정부(130)는 주기적으로 또는 비주기적으로 랙 전압과 DC 전압을 측정할 수 있다. 그리고, 제어부(140)는 측정된 결과를 전송받아 랙 전압과 DC 전압의 차이가 기준값 이상이면 제2 경로(122)가 충방전 전류가 흐르는 경로로 지속되도록 하다가, 랙 전압과 DC 전압의 차이가 기준값 미만, 이를테면 0.9V가 되는 시점에서 제1 경로(121)로 충방전이 이루어지도록 할 수 있다. 이때, 상기 제어부(140)는, 제1 스위칭 소자(161)를 턴온시킬 수 있다.
상기 전압 측정부(130) 및 상기 제어부(140)는, 배터리 랙 또는 배터리 팩의 BMS에 의해 구현될 수 있다. BMS(Battery Management System)는, 배터리 랙 또는 팩을 관리하는 장치를 의미하는 것으로, 배터리 랙(100)의 전압 또는 전류를 측정할 수 있고, 측정 결과에 따라 배터리 랙(100)의 충방전 동작을 전반적으로 제어할 수 있다. 특히, BMS는, 배터리 랙(100)의 과충전 또는 과방전을 방지할 수 있고, 배터리 랙(100)의 상태를 최적화할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)에는, 복수의 배터리 랙(100)이 포함될 수 있으며, 각각의 배터리 랙(100)은 DC 버스(300)를 통해 상호 접속될 수 있다. 이때, 각각의 배터리 랙(100)은, 상기 설명된 바와 같은 방식으로, 랙 전압과 DC 전압을 비교하고, 그러한 비교 결과에 따라 충방전 경로(120)를 선택하는 방식으로, DC 버스(300)에 전기적으로 연결될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)에서, 복수의 배터리 랙(100)과 DC 버스(300) 간의 병렬 연결은 일련의 시퀀스에 의해 접속될 수 있다. 즉, 복수의 배터리 랙(100)은, DC 버스(300)에 순차적으로 접속될 수 있다.
예를 들어, 배터리 시스템(10)에 N개의 배터리 랙이 포함되고, 각 배터리 랙을 제1 배터리 랙, 제2 배터리 랙, ..., 제N 배터리 랙이라 하면, 각 배터리 랙은, 제1 배터리 랙, 제2 배터리 랙, ..., 제N 배터리 랙 순으로, 프리차지 저항(150)이 구비된 제2 경로(122)를 통해 DC 버스(300)와 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 밸런싱이 완료된 후 각 배터리 랙은, 제N 배터리 랙, ..., 제2 배터리 랙, 제1 배터리 랙 순으로, 프리차지 저항(150)이 구비되지 않은 제1 경로(121)를 통해 DC 버스(300)와 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 배터리 랙(100)의 전기적 연결 또는 해제 순서는, PCS(200)와 배터리 랙(100) 사이의 물리적인 거리 등을 기준으로 할 수 있다. 예를 들어, 제2 경로(122)를 통해 DC 버스(300)와 연결되어 밸런싱되는 구성은 PCS(200)에서 가장 먼 배터리 랙부터 수행되고, 이후 제1 경로(121)를 통해 DC 버스(300)와 연결되는 구성은 그와 역순인 PCS(200)에서 가장 가까운 배터리 랙부터 수행되도록 할 수 있다. 다만, 본 발명이 반드시 이러한 배터리 랙의 특정 연결 순서에 의해 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이, 배터리 랙(100)이 DC 버스(300)에 순차적으로 접속되는 실시예에 의하면, DC 버스(300)에 접속되는 각 배터리 랙(100)에 전압 차이가 있더라도, 배터리 시스템(10)에 큰 무리를 주지 않고, 원활하게 배터리 랙(100)이 접속되도록 할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 배터리 랙과 DC 버스 간의 병렬 연결 구성을 나타내는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 배터리 랙과 DC 버스의 병렬 연결 방법은, 사용자 입력 단계(S100), 프리차지 회로를 통한 접속 단계(S200), 직접 접속 단계(S300)를 포함할 수 있다.
상기 사용자 입력 단계(S100)는, 사용자로부터 병렬 접속의 시작을 입력받는 단계로서, 본 실시예에서는 사용자가 하나의 배터리 랙, 이를테면 제1 배터리 랙에 부착된 입력 버튼을 누르는 것을 통해 시작을 입력받을 수 있다. 나아가, 상기 S100단계는, 물리적인 버튼을 누르는 입력 방식 이외에, 무선 통신이나 소프트웨어 조작을 통하여 사용자로부터 시작을 입력받는 방식으로 수행될 수도 있다. 또한, 상기 S100 단계는, 사용자에 의해 미리 결정된 알고리즘에 따라 PCS의 제어부(140)로부터 자동으로 병렬 접속의 시작을 입력받는 방식으로 수행되는 것도 가능할 수 있다.
사용자로부터 시작을 입력받으면, 프리차지 회로를 통한 접속 단계(S200)가 수행될 수 있다. 상기 S200 단계는, 각각의 배터리 랙이 프리차지 저항(150)이 구비된 경로인 프리차지 회로를 충방전 경로로서 선택하고, 이러한 프리차지 회로를 통해 DC 버스와 전기적으로 연결되도록 할 수 있다. 여기서, 복수의 배터리 랙은, 임의의 배터리 랙부터 상술한 방식에 따른 경로 선택 방법으로 순차적으로 DC 버스와 접속될 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 복수의 배터리 랙은, PCS에서 가장 먼 좌측 배터리 랙부터 순차적으로 경로를 선택하여 DC 버스에 접속될 수 있다.
예를 들어, 도 2의 실시예에서, 상기 S200 단계는, 충방전 경로가 제2 경로(122)로 설정되어 제2 경로(122)를 통해 해당 배터리 랙의 충방전 전류가 흐르는 단계라고 할 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 S200 단계를 수행하기 위해서는, 상기 S200 단계 이전에, 랙 전압과 DC 전압을 측정하고, 측정된 값의 차이를 기준값과 비교하는 단계가 수행될 수 있다. 그리고, 상기 프리차지 회로를 통한 접속 단계는, 이러한 랙 전압과 DC 전압의 차이가 기준값 이상인 경우에 수행될 수 있다.
다음으로, 직접 접속 단계(S300)는, 상기 S200 단계를 통해 해당 배터리 랙의 밸런싱이 완료되면, 다시 말해 랙 전압과 DC 전압의 차이가 기준값 미만이 되면, 충방전 경로가 프리차지 저항(150)을 경유하지 않고 직접 연결되는 경로로 형성되도록 할 수 있다.
예를 들어, 도 2의 실시예에서, 상기 S300 단계는, 충방전 경로가 제1 경로로 설정되어 제1 경로를 통해 해당 배터리 랙의 충방전 전류가 흐르는 단계라고 할 수 있다.
이상의 본 발명에 따르면, 배터리 랙 내에서 충방전되는 에너지의 경로를 선택적으로 제어하여 DC 버스와 배터리 전압의 전압 차에 의한 배터리 시스템(10)의 파손을 방지 할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 변경이 가능할 수 있다. 예를 들어, DC 버스의 구성을 달리하거나, 배터리 랙 내부 회로의 +와 -의 방향을 바꾸는 등의 수정 및 치환이 가능 수 있다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 배터리 시스템을 구성하기 위해 DC 버스에 접속되는 하나 이상의 배터리 랙에 있어서,
    하나 이상의 이차 전지를 구비하는 배터리 셀;
    상기 배터리 셀과 상기 DC 버스 사이에 구비되어, 상기 배터리 셀로 공급되는 충전 전류나 상기 배터리 셀로부터 공급되는 방전 전류가 흐르는 경로를 제공하는 둘 이상의 충방전 경로;
    상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
    상기 전압 측정부의 전압 측정 결과를 입력받아, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 충방전 경로를 다르게 선택하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충방전 경로는, 저항 소자를 구비하지 않는 제1 경로와, 프리차지 저항을 구비하는 제2 경로를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우 충방전 경로를 상기 제2 경로로 선택하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충방전 경로는, 상기 배터리 셀의 +단과 상기 DC 버스의 +단 사이에서 상기 제1 경로 및 상기 제2 경로로 분기 후 하나의 경로로 수렴되어, 배터리 셀 측에 구비되는 제1 노드 및 DC 버스 측에 구비되는 제2 노드를 구비하고,
    상기 전압 측정부는, 상기 제1 노드 및 상기 DC 버스의 -단에 각각 접속되어 양단 사이의 전압을 측정함으로써 상기 랙 전압을 측정하고, 상기 제2 노드 및 상기 DC 버스의 -단에 각각 접속되어 양단 사이의 전압을 측정함으로써 상기 DC 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 경로에 구비되어 상기 제1 경로를 온오프시키는 제1 스위칭 소자; 및
    상기 제2 경로에 구비되어 상기 제2 경로를 온오프시키는 제2 스위칭 소자
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전압 측정부가 상기 랙 전압 및 상기 DC 전압을 측정할 때에는 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자를 턴오프시키고, 상기 전압 측정부가 상기 랙 전압 및 상기 DC 전압을 측정한 후에는 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이에 따라 제1 스위칭 소자 또는 제2 스위칭 소자를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 충방전 경로를 상기 제2 경로로 선택한 후, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 미만이면 충방전 경로를 상기 제2 경로에서 상기 제1 경로로 변경하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  7. 하나 이상의 배터리 랙을 포함하는 배터리 시스템에 있어서,
    상기 배터리 랙에서 충방전되는 에너지를 제어하는 PCS;
    상기 PCS와 상기 배터리 랙 사이에 구비되어, 상기 배터리 랙의 충방전 에너지를 전달하는 DC 버스; 및
    상기 DC 버스에 접속되며, 상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하여, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 충방전 경로를 선택적으로 제어하는 배터리 랙
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 랙은, 하나 이상의 이차 전지를 구비하는 배터리 셀; 상기 배터리 셀로 공급되는 충전 전류나 상기 배터리 셀로부터 공급되는 방전 전류가 흐르는 경로를 제공하는 둘 이상의 충방전 경로; 상기 DC 버스의 DC 전압과 상기 배터리 랙의 랙 전압을 측정하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부의 전압 측정 결과를 입력받아 상기 DC 전압과 상기 랙 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 충방전 경로를 다르게 선택하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 충방전 경로는, 저항 소자를 구비하지 않는 제1 경로와, 프리차지 저항을 구비하는 제2 경로를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 이상인 경우, 충방전 경로를 상기 제2 경로로 선택하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 충방전 경로는, 상기 배터리 셀의 +단과 상기 DC 버스의 +단 사이에서 상기 제1 경로 및 상기 제2 경로로 분기 후 하나의 경로로 수렴되어, 배터리 셀 측에 구비되는 제1 노드 및 DC 버스 측에 구비되는 제2 노드를 구비하고,
    상기 전압 측정부는, 상기 제1 노드 및 상기 DC 버스의 -단에 각각 접속되어 양단 사이의 전압을 측정함으로써 상기 랙 전압을 측정하고, 상기 제2 노드 및 상기 DC 버스의 -단에 각각 접속되어 양단 사이의 전압을 측정함으로써 상기 DC 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 배터리 랙은, 상기 제1 경로에 구비되어 상기 제1 경로를 온오프시키는 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 경로에 구비되어 상기 제2 경로를 온오프시키는 제2 스위칭 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전압 측정부가 상기 랙 전압 및 상기 DC 전압을 측정할 때에는 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자를 턴오프시키고, 상기 전압 측정부가 상기 랙 전압 및 상기 DC 전압을 측정한 후에는 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이에 따라 상기 제1 스위칭 소자 또는 상기 제2 스위칭 소자를 턴온시키는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는, 충방전 경로를 상기 제2 경로로 선택한 후, 상기 DC 전압과 상기 랙 전압의 차이가 미리 결정된 기준 미만이면 충방전 경로를 상기 제2 경로에서 상기 제1 경로로 변경하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 랙은, 상기 제2 경로를 통해 순차적으로 상기 DC 버스에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 경로의 선택 후 상기 배터리 랙 간의 전압이 미리 결정된 범위 내에서 밸런싱되면 상기 제1 경로를 통해 순차적으로 상기 DC 버스에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
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