WO2022270736A1 - 배터리 상태 검출 장치 및 배터리 보호 장치 - Google Patents

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voltage
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정수엽
김민규
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주식회사 엘지에너지솔루션
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Definitions

  • the present invention relates to a battery state detection device, and more particularly, to a battery state detection device to which a high-resistance parallel structure is applied, and a battery protection device using the same.
  • An energy storage system is a system that links renewable energy, a battery storing power, and existing grid power. Recently, as the spread of smart grid and renewable energy has been expanded and the efficiency and stability of power systems have been emphasized, the demand for energy storage systems is increasing for power supply and demand control and power quality improvement. . Depending on the purpose of use, energy storage systems vary in output and capacity. In order to configure a large-capacity energy storage system, a plurality of battery systems may be connected to each other.
  • the ESS system generally provides information about the battery system voltage and whether a battery fuse is disconnected. For example, when a 17-stage battery rack is used as a battery, voltages of 238 battery cells connected in series are measured respectively and summed to calculate the system voltage. In this case, since the number of battery cells is large, an error caused by truncating a decimal point in an individual voltage calculation process may increase when the voltages for each battery cell are summed up. In addition, when the battery is not charged and discharged, it is not easy to determine whether the problem is with the fuse or with other elements.
  • an error occurs in measuring the system voltage or a problem in that it is not immediately known whether or not the fuse is disconnected occurs.
  • An object of the present invention to solve the above problems is to provide a battery state detection device capable of checking system voltage and whether a fuse is disconnected.
  • Another object of the present invention to solve the above problems is to provide a battery protection device including the battery state detection device.
  • An apparatus for detecting a battery state includes a first fuse connected to a positive electrode of a battery; a second fuse connected to the negative electrode of the battery; a high resistance element connected to the first fuse and the second fuse and arranged in parallel with the battery; a sensor measuring a current flowing through the high-resistance element or a voltage applied to the high-resistance element; and a control unit that determines whether a system voltage and a fuse are disconnected from the current or voltage measured by the sensor.
  • the senor is located between the high resistance element and the first fuse and connected in series with the high resistance element, or is located between the high resistance element and the second fuse and connected in series with the high resistance element It may be a current sensor that becomes
  • the sensor may also be a voltage sensor that is connected in parallel with the high resistance and measures a voltage applied to the high resistance element.
  • control unit may be included in a battery management system (BMS) that manages the state of the battery.
  • BMS battery management system
  • control unit may determine that the fuse is disconnected when the current value measured from the current sensor is 0, and the battery can be operated by using the current value measured from the current sensor and the resistance value of the high-resistance element.
  • the system voltage provided can be calculated.
  • control unit may determine that the fuse is disconnected, and determine the voltage value measured by the voltage sensor as a system voltage value provided by the battery. .
  • a battery protection device for achieving the other object is a device for protecting a battery in an energy storage system including a battery and a PCS (Power Conversion System), comprising a first connected to a positive electrode of the battery fuse; a second fuse connected to the negative electrode of the battery; a first main contactor controlling a connection between the first fuse and the PCS; a second main contactor controlling a connection between the second fuse and the PCS; a high resistance element connected to the first fuse and the second fuse and arranged in parallel with the battery; a sensor measuring a current flowing through the high-resistance element or a voltage applied to the high-resistance element; and a control unit that determines whether a system voltage and a fuse are disconnected from the current or voltage measured by the sensor.
  • PCS Power Conversion System
  • voltage information of a battery system and information on whether a fuse is disconnected can be checked at low cost through application of a high-resistance parallel structure.
  • FIG. 1 is a block diagram of an energy storage system to which the present invention can be applied.
  • FIG. 2 is a block diagram of a conventional battery condition monitoring device.
  • FIG. 3 is a block diagram of an apparatus for detecting a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates an example of checking system voltage information in a battery state detection device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates an example of checking whether a fuse is disconnected in the battery state detection device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram of an apparatus for detecting a battery state according to another embodiment of the present invention.
  • first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.
  • the term “and/or” includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • FIG. 1 is a block diagram of an energy storage system to which the present invention can be applied.
  • a battery cell The smallest unit of a battery that serves to store power in an energy storage system (ESS) is typically a battery cell.
  • a series/parallel combination of battery cells may form a battery module, and a plurality of battery modules may form a battery rack. That is, a battery rack may be a minimum unit of a battery system with a series/parallel combination of battery modules.
  • the battery rack may be referred to as a battery pack according to a device or system in which batteries are used.
  • one battery rack may include a plurality of battery modules and one BPU (500) or a protective device.
  • Battery rack can be monitored and controlled through the RBMS (Rack BMS) (100).
  • RBMS (100) may play a role of monitoring the current, voltage and temperature of each battery rack it manages, and calculating the SOC (Status Of Charge) of the battery based on the monitoring result and controlling charging and discharging.
  • a battery protection unit (BPU) 500 is a device for protecting a battery from abnormal current and fault current in a battery rack unit.
  • the BPU may include a Main Contactor (MC), a fuse, a Circuit Breaker (CB), or a Disconnect Switch (DS).
  • the BPU may control the battery system in units of racks by turning on/off the main contactor under the control of the RBMS.
  • the BPU can also use a fuse to protect the battery from short circuit current in the event of a short circuit. In this way, the battery system can be controlled through protection devices such as BPUs and switch gears.
  • a battery section controller (BSC) 200 is installed in each of the battery sections composed of a plurality of batteries and peripheral circuits, devices, etc. to monitor and control control targets such as voltage, current, temperature, circuit breaker, etc. can do.
  • the BSC is an uppermost controller of a battery system including a bank unit battery system including a plurality of battery packs, and is also used as a control device in a battery system having a plurality of bank level structures.
  • the Power Conversion System (PCS) 400 installed in each battery section controls the charging and discharging of the battery by controlling the power supplied to the outside and the power supplied to the outside from the battery section, and the DC / AC inverter can include Meanwhile, when the ESS system is interlocked with a photovoltaic (PV) system, a PV inverter may be included.
  • PCS Power Conversion System
  • each BPU may be connected to the PCS 400 through a DC bus, and the PCS 400 may be connected to the grid 600.
  • an energy management system (EMS)/power management system (PMS) 300 manages the ESS system as a whole.
  • FIG. 2 is a block diagram of a conventional battery condition monitoring device.
  • FIG. 2 Conventionally, a device configured as shown in FIG. 2 has been used to monitor the battery state of the ESS system.
  • a first fuse is connected to the positive poles of a series of batteries, and a second fuse is connected to the negative poles of the batteries.
  • the other end of the first fuse is connected to the first main contactor, and the other end of the second fuse is connected to the second main contactor.
  • the first main contactor is connected to the positive terminal of the DC link unit, and the second main contactor is connected to the negative terminal of the DC link unit.
  • a current sensor is disposed between the main contactor and the DC link unit, and the sum of the battery cell voltages is estimated by the RBMS based on the current value measured through the current sensor 510.
  • the present invention is proposed to solve this problem, and through the embodiments presented through FIGS. 3 to 6 below, voltage information of the system and whether or not the fuse is disconnected can be simultaneously checked.
  • FIG. 3 is a block diagram of an apparatus for detecting a battery state according to an embodiment of the present invention.
  • an apparatus for detecting a battery state includes a first fuse connected to a positive electrode of a battery; a second fuse connected to the negative electrode of the battery; a high resistance element 550 connected to the first fuse and the second fuse and arranged in parallel with the battery; a sensor 520 measuring a current flowing through the high resistance element; and a control unit 100 that determines whether a system voltage and a fuse are disconnected from the current measured by the sensor.
  • control unit 100 may be included in the RBMS or as a part of the RBMS.
  • the senor 520 may be positioned between the high resistance element and the first fuse and connected in series with the high resistance element.
  • the current sensor may be positioned between the high resistance element and the second fuse and connected in series with the high resistance element.
  • a high resistance element 550 is provided between the contact point of the first fuse and the first main contactor and between the contact point of the second fuse and the second main contactor. ) and can be arranged in parallel.
  • a fuse is one of the main parts of the BPU and is a protection element that is disconnected passively to protect the battery when a short-circuit current occurs, and is a one-time part that requires periodic replacement during use.
  • the main contactor is an electrical switchgear, and is generally referred to as a magnetic contactor. The DC link must be closed to the ESS main circuit to charge and discharge the battery.
  • the resistance value of the high-resistance element may be several mega ohms (M ⁇ ).
  • the high-resistance element is connected in parallel with the battery so that a minute current of several mA flows through the high-resistance element, and the minute current is measured through the current sensor 520 connected in series with the high-resistance element.
  • the measured minute current value is analyzed by the control unit 100, and from this, voltage information of the system and whether fuse 1 or fuse 2 is disconnected can be confirmed. Accordingly, the current sensor 510 used in the existing device may not necessarily be used.
  • control unit 100 may be included in the RBMS or as a part of the RBMS.
  • the battery state detection device uses an element 550 having a high resistance value to allow only a minute current to flow through the corresponding element, thereby monitoring the battery state without significantly affecting the system's unique function of charging and discharging the battery. can be performed.
  • the battery protection device 500 a first fuse connected to the positive electrode of the battery; a second fuse connected to the negative electrode of the battery; a first main contactor controlling a connection between the first fuse and a power conversion system (PCS); a second main contactor controlling a connection between the second fuse and the PCS; a high resistance element 550 connected to the first fuse and the second fuse and arranged in parallel with the battery; a sensor 520 for measuring a current flowing through the high-resistance element or a voltage applied to the high-resistance element; and a control unit 100 that determines whether a system voltage and a fuse are disconnected from the current or voltage measured by the sensor.
  • PCS power conversion system
  • a control unit 100 that determines whether a system voltage and a fuse are disconnected from the current or voltage measured by the sensor.
  • FIG. 4 illustrates an example of checking system voltage information in a battery state detection device according to an embodiment of the present invention.
  • the high-resistance element is connected in parallel with the battery so that a minute current of several mA flows through the high-resistance element, and the minute current is measured through the current sensor 520 connected in series with the high-resistance element.
  • the measured minute current value is analyzed by the control unit 100, and voltage information of the system and whether the fuse is disconnected can be confirmed from this.
  • FIG. 5 illustrates an example of checking whether a fuse is disconnected in the battery state detection device according to an embodiment of the present invention.
  • the control unit 100 can determine that the fuse (fuse 1 or fuse 2) is disconnected from the current value measured by the current sensor.
  • FIG. 6 is a block diagram of an apparatus for detecting a battery state according to another embodiment of the present invention.
  • a high-resistance element 550 is provided between the contacts of the first fuse and the first main contactor and between the contacts of the second fuse and the second main contactor. are connected in parallel with
  • the resistance value of the high-resistance element may be several megaohms (M ⁇ ).
  • the battery state detection device includes a first fuse connected to a positive electrode of a battery; a second fuse connected to the negative electrode of the battery; a high resistance element 550 connected to the first fuse and the second fuse and arranged in parallel with the battery; a sensor 520 measuring a voltage applied to the high resistance element; and a control unit 100 that determines whether a system voltage and a fuse are disconnected from the voltage measured by the sensor, and in the embodiment, the sensor is connected in parallel with the high resistance element to It may be a voltage sensor that measures the applied voltage.
  • a voltage value applied to the high-resistance element may be measured through the voltage sensor 530 connected in parallel with the high-resistance element.
  • the voltage value applied to the high-resistance element measured by the voltage sensor 530 may be equal to or similar to the system voltage value, that is, the sum of voltage values of a plurality of batteries connected in series. . When the fuse is disconnected, the voltage applied to the high-resistance element will be close to zero.
  • the control unit 100 determines that the voltage value measured by the voltage sensor is a normal voltage value that can be expected in the battery system (eg, battery cell voltage of 4.2V, based on SOC100% in the case of a module 17-tier rack, module Since each unit has a voltage value of 58.8V, when the voltage output by the battery rack is 999.6V), the corresponding voltage value can be recognized as system voltage information.
  • the controller 100 may also confirm that the fuse is disconnected when the voltage value measured by the voltage sensor is close to 0.
  • a block or apparatus corresponds to a method step or feature of a method step.
  • aspects described in the context of a method may also be represented by a corresponding block or item or a corresponding feature of a device.
  • Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device such as, for example, a microprocessor, programmable computer, or electronic circuitry. In some embodiments, one or more of the most important method steps may be performed by such an apparatus.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배터리 상태 검출 장치는 배터리의 양극과 연결된 제1 퓨즈; 상기 배터리의 음극과 연결된 제2 퓨즈; 상기 제1 퓨즈 및 상기 제2 퓨즈와 연결되어 상기 배터리와 병렬로 배치되는 고저항 소자; 상기 고저항 소자에 흐르는 전류 또는 상기 고저항 소자에 인가되는 전압을 측정하는 센서; 및 상기 센서에 의해 측정된 전류 또는 전압으로부터 시스템 전압 및 퓨즈의 단선 여부를 판단하는 제어부를 포함하여, 저비용으로 시스템 전압 및 단선 여부를 확인할 수 있다.

Description

배터리 상태 검출 장치 및 배터리 보호 장치
본 출원은 2021년 6월 25일 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2021-0082830호의 출원일의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 배터리 상태 검출 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고저항 병렬 구조를 적용한 배터리 상태 검출 장치, 그리고 이를 이용하는 배터리 보호 장치에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)은 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템이다. 최근 지능형 전력망(smart grid)과 신재생 에너지의 보급이 확대되고 전력 계통의 효율화와 안정성이 강조됨에 따라, 전력 공급 및 수요조절, 및 전력 품질 향상을 위해 에너지 저장 시스템에 대한 수요가 점점 증가하고 있다. 사용 목적에 따라 에너지 저장 시스템은 출력과 용량이 달라진다. 대용량 에너지 저장 시스템을 구성하기 위하여, 복수의 배터리시스템들이 서로 연결될 수 있다.
한편, ESS를 이용한 서비스 제공시 배터리의 상태를 모니터링하고 관리할 필요가 있는데, 이를 위해 ESS 시스템은 배터리 시스템 전압, 배터리 퓨즈의 단선 여부 등에 대한 정보를 제공하는 것이 보통이다. 예를 들어, 배터리로서 17단 배터리 랙이 사용되는 경우, 직렬로 연결된 238 개의 배터리 셀 전압들을 각각 측정하고 이들을 모두 합산하여 시스템 전압으로 계산하게 된다. 이 경우, 배터리 셀의 개수가 많아 개별 전압 산출 과정에서 소수점 절삭에 의해 발생되는 오차가 각 배터리셀에 대한 전압 합산시 더축 커지는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 배터리 충방전이 이루어지지 않는 경우에는 퓨즈의 문제인지 다른 소자의 문제인지 판단하기 쉽지 않다는 문제가 있다.
이처럼, 현재 배터리의 상태를 관리하는 방식에 따르면 시스템 전압의 측정에 오차가 발생하거나 퓨즈의 단선 여부를 즉각적으로 알 수 없다는 문제가 발생하고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 시스템 전압 및 퓨즈의 단선 여부를 확인할 수 있는 배터리 상태 검출 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 상기 배터리 상태 검출 장치를 포함하는 배터리 보호 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 검출 장치는, 배터리의 양극과 연결된 제1 퓨즈; 상기 배터리의 음극과 연결된 제2 퓨즈; 상기 제1 퓨즈 및 상기 제2 퓨즈와 연결되어 상기 배터리와 병렬로 배치되는 고저항 소자; 상기 고저항 소자에 흐르는 전류 또는 상기 고저항 소자에 인가되는 전압을 측정하는 센서; 및 상기 센서에 의해 측정된 전류 또는 전압으로부터 시스템 전압 및 퓨즈의 단선 여부를 판단하는 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 센서는, 상기 고저항 소자 및 상기 제1 퓨즈와의 사이에 위치하여 상기 고저항 소자와 직렬 연결되거나 상기 고저항 소자 및 상기 제2 퓨즈와의 사이에 위치하고 상기 고저항 소자와 직렬 연결되는 전류 센서일 수 있다.
상기 센서는 또한, 상기 고저항과 병렬 연결되어 상기 고저항 소자에 인가되는 전압을 측정하는 전압 센서일 수 있다.
이때, 제어부는 상기 배터리의 상태를 관리하는 BMS(Battery Management System)에 포함될 수 있다.
한편, 제어부는, 상기 전류 센서로부터 측정된 전류 값이 0인 경우, 상기 퓨즈가 단선되었다고 판단할 수 있으며, 상기 전류 센서로부터 측정된 전류 값과 상기 고저항 소자의 저항 값을 이용해 상기 배터리에 의해 제공되는 시스템 전압을 산출할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 전압 센서로부터 측정된 전압 값이 0인 경우, 상기 퓨즈가 단선되었다고 판단하며, 상기 전압 센서로부터 측정된 전압 값을 상기 배터리에 의해 제공되는 시스템 전압 값으로 판단할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호 장치는, 배터리 및 PCS(전력 변환 시스템)을 포함하는 에너지 저장 시스템에서 상기 배터리를 보호하는 장치로서, 상기 배터리의 양극과 연결된 제1 퓨즈; 상기 배터리의 음극과 연결된 제2 퓨즈; 상기 제1 퓨즈와 상기 PCS와의 연결을 제어하는 제1 메인 컨택터; 상기 제2 퓨즈와 상기 PCS와의 연결을 제어하는 제2 메인 컨택터; 상기 제1 퓨즈 및 상기 제2 퓨즈와 연결되어 상기 배터리와 병렬로 배치되는 고저항 소자; 상기 고저항 소자에 흐르는 전류 또는 상기 고저항 소자에 인가되는 전압을 측정하는 센서; 및 상기 센서에 의해 측정된 전류 또는 전압으로부터 시스템 전압 및 퓨즈의 단선 여부를 판단하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 고저항 병렬 구조 적용을 통해 저비용으로 배터리 시스템의 전압 정보와 퓨즈의 단선 여부에 대한 정보를 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 기존의 배터리 상태 모니터링 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 검출 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 검출 장치에서 시스템 전압 정보를 확인하는 예를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 검출 장치에서 퓨즈의 단선 여부를 확인하는 예를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 상태 검출 장치의 구성도이다.
[부호의 설명
100: RBMS
110: 배터리
200: BSC
300: EMS/PMS
400: PCS
500: BPU(배터리 보호 장치)
520: 전류 센서
530: 전압 센서
550: 고저항 소자
600: 전력망(Grid)
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 에너지 저장 시스템의 블록 구성도이다.
에너지 저장 시스템(ESS)에서 전력을 저장하는 역할을 수행하는 배터리의 최소 단위는 통상적으로 배터리 셀(cell)이다. 배터리 셀의 직/병렬 조합이 배터리 모듈을 이루고, 다수의 배터리 모듈(Battery Module)이 배터리 랙(Rack)을 구성할 수 있다. 즉, 배터리 랙은 배터리 모듈의 직/병렬 조합으로 배터리 시스템의 최소 단위가 될 수 있다. 여기서, 배터리가 사용되는 장치 또는 시스템에 따라 배터리 랙은 배터리 팩(pack)으로 지칭될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 하나의 배터리 랙은 복수의 배터리 모듈과 1개의 BPU(500) 또는 보호장치를 포함할 수 있다. 배터리 랙은 RBMS(Rack BMS)(100)를 통해 모니터링과 제어가 가능하다. RBMS(100)는 자신이 관장하는 각 배터리 랙의 전류, 전압 및 온도를 모니터링하고, 모니터링 결과에 근거하여 배터리의 SOC(Status Of Charge)를 산출하고 충방전을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
한편, BPU(Battery Protection Unit)(500)는 배터리 랙 단위에서 이상 전류와 사고 전류로부터 배터리를 보호하기 위한 장치이다. BPU는 메인 컨택터(Main Contactor; MC), 퓨즈, 써킷 브레이커(Circuit Breaker; CB) 또는 (Disconnect Switch; DS) 등을 포함할 수 있다. BPU는 RBMS의 제어에 따라 메인 컨택터를 on/off 제어하여 랙 단위로 배터리 시스템을 제어할 수 있다. BPU는 또한, 단락 발생 시 퓨즈를 이용해 단락 전류로부터 배터리를 보호할 수 있다. 이처럼, 배터리 시스템은 BPU, 스위치 기어와 같은 보호 장치를 통해 제어될 수 있다.
한편, 다수의 배터리 및 주변 회로, 장치 등을 포함하여 구성된 배터리 섹션 각각에는 배터리 섹션 컨트롤러(Battery Section Controller; BSC)(200)가 설치되어 전압, 전류, 온도, 차단기 등과 같은 제어 대상을 모니터링하고 제어할 수 있다. BSC는 복수의 배터리 팩을 포함하는 뱅크 단위 배터리 시스템을 포함하는 배터리 시스템의 최상단 제어장치로, 여러 개의 뱅크 레벨 구조의 배터리 시스템에서 제어 장치로 사용되기도 한다.
또한, 배터리 섹션마다 설치된 전력 변환 시스템(Power Conversion System; PCS)(400)은 외부로터 공급되는 전력과 배터리 섹션에서 외부로 공급하는 전력을 제어하여 배터리의 충방전을 제어하며, DC/AC 인버터를 포함할 수 있다. 한편, ESS 시스템이 PV(Photovoltaic, 태양광 발전 시스템)와 연동하는 경우 PV 인터버를 포함할 수 있다.
한편, 각 BPU의 출력은 DC 버스를 통해 PCS(400)로 연결될 수 있고, PCS (400)는 그리드(600)와 연결될 수 있다. 또한, EMS(Energy Management System)/PMS(Power Management System)(300)은 ESS 시스템을 전체적으로 관리한다.
도 2는 기존의 배터리 상태 모니터링 장치의 구성도이다.
ESS 시스템의 배터리 상태를 모니터링하기 위해 기존에는 도 2에 도시된 바와 같은 구성의 장치가 사용되었다.
도 2를 참조하면, 일련의 배터리 양극에는 제1 퓨즈가 연결되어 있고, 배터리 음극에는 제2 퓨즈가 연결되어 있다. 제 1 퓨즈의 다른 단은 제1 메인 컨택터와 연결되어 있으며, 제2 퓨즈의 다른 단은 제2 메인 컨택터와 연결되어 있다. 여기서, 제1 메인 컨택터는 DC 링크부의 양극 단자와 연결되고, 제2 메인 컨택터는 DC 링크부의 음극 단자와 연결되어 있다.
기존의 구조에서는 메인 컨택터와 DC 링크부 사이에 전류 센서(current sensor)를 배치하고, 전류 센서(510)를 통해 측정한 전류 값을 통해 RBMS가 배터리 셀 전압의 합산 값을 추정하였다. 이러한 구조에서는 퓨즈가 단선되는 경우에도 이를 인지하지 못하다가 배터리 충방전 명령에도 전류가 흐르지 않음을 인지한 후 퓨즈 혹은 다른 부품에 문제가 있음을 간적적으로만 알 수 있다. 따라서, 숙련된 유지보수 엔지니어가 아닐 경우 충방전이 되지 않는 이유를 쉽고 신속하게 알 수 없다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안되며, 아래 도 3 내지 도 6을 통해 제시되는 실시예들을 통해 시스템의 전압 정보 및 퓨즈 단선 여부를 동시에 확인할 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 검출 장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 상태 검출 장치는, 배터리의 양극과 연결된 제1 퓨즈; 상기 배터리의 음극과 연결된 제2 퓨즈; 상기 제1 퓨즈 및 상기 제2 퓨즈와 연결되어 상기 배터리와 병렬로 배치되는 고저항 소자(550); 상기 고저항 소자에 흐르는 전류를 측정하는 센서(520); 및 상기 센서에 의해 측정된 전류으로부터 시스템 전압 및 퓨즈의 단선 여부를 판단하는 제어부(100)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 제어부(100)는 RBMS이거나 또는 RBMS의 일부로서 RBMS에 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 센서(520)는 상기 고저항 소자 및 상기 제1 퓨즈와의 사이에 위치하여 상기 고저항 소자와 직렬 연결될 수 있다. 상기 전류 센서는 또한, 상기 고저항 소자 및 상기 제2 퓨즈와의 사이에 위치하고 상기 고저항 소자와 직렬 연결될 수 있다.
도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 퓨즈와 제1 메인 컨택터의 접점, 그리고 제2 퓨즈와 제2 메인 컨택터의 접점 사이에 고저항 소자(550)가 배터리(110)와 병렬로 연결되어 배치될 수 있다.
퓨즈(Fuse)는 BPU의 주요 부품 중 하나로서 단락 전류 발생시 배터리 보호를 위해 수동적으로 단선되는 보호 소자이며 사용시 주기적인 교체가 필수적인 일회성 부품이다. 또한, 메인 컨택터(main contactor)는 전기개폐장치로서, 일반적으로 마그네틱 컨택터라고도 불린다. DC 링크부(DC Link)는 ESS 주회로로 Close되어야 배터리의 충방전이 가능하다.
여기서, 고저항 소자의 저항 값은 수 메가 옴(MΩ)일 수 있다. 본 발명에서는 이처럼 고저항 소자를 배터리와 병렬로 결선하여 수 mA의 미소 전류가 고저항 소자에 흐르도록 하고, 고저항 소자와 직렬 연결된 전류 센서(520)를 통해 미소 전류를 측정하도록 한다. 측정된 미소 전류 값은 제어부(100)에 의해 분석되고, 이로부터 시스템의 전압 정보 및 퓨즈 1 또는 퓨즈 2의 단선 여부를 확인할 수 있다. 따라서, 기존 장치에서 사용되던 전류 센서(510)는 필수적으로 사용되지 않아도 무방하다.
여기서, 제어부(100)는 RBMS이거나 또는 RBMS의 일부로서 RBMS에 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 상태 검출 장치는 고저항 값을 갖는 소자(550)를 사용하여 해당 소자로 미소 전류만 흐르도록 함으로써, 배터리 충방전이라는 시스템 고유의 기능에 큰 영향을 미치지 않고 배터리 상태에 대한 모니터링을 수행할 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호 장치(500)는, 배터리의 양극과 연결된 제1 퓨즈; 상기 배터리의 음극과 연결된 제2 퓨즈; 상기 제1 퓨즈와 PCS(전력 변환 시스템)와의 연결을 제어하는 제1 메인 컨택터; 상기 제2 퓨즈와 상기 PCS와의 연결을 제어하는 제2 메인 컨택터; 상기 제1 퓨즈 및 상기 제2 퓨즈와 연결되어 상기 배터리와 병렬로 배치되는 고저항 소자(550); 상기 고저항 소자에 흐르는 전류 또는 상기 고저항 소자에 인가되는 전압을 측정하는 센서(520); 및 상기 센서에 의해 측정된 전류 또는 전압으로부터 시스템 전압 및 퓨즈의 단선 여부를 판단하는 제어부(100)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 검출 장치에서 시스템 전압 정보를 확인하는 예를 나타낸다.
도 4에 도시된 예에서는 배터리에 의해 제공되는 시스템 전압을 모르는 상태에서 고저항 소자로 흐르는 전류값을 통해 시스템 전압값을 산출하는 방식을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 4에 사용된 고저항 소자의 저항 값은 20 메가옴(MΩ)이고, 고저항 소자를 흐르는 전류가 0.05mA로 측정된다고 가정한다. 이때, 시스템 전압은 V=IR식을 이용해, 0.05m * 20M = 1000 (V)로 계산될 수 있다.
본 발명에서는 이처럼 고저항 소자를 배터리와 병렬로 결선하여 수 mA의 미소 전류가 고저항 소자에 흐르도록 하고, 고저항 소자와 직렬 연결된 전류 센서(520)를 통해 미소 전류를 측정하도록 한다. 측정된 미소 전류 값은 제어부(100)에 의해 분석되고, 이로부터 시스템의 전압 정보 및 퓨즈의 단선 여부를 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 상태 검출 장치에서 퓨즈의 단선 여부를 확인하는 예를 나타낸다.
도 5에 도시된 예에서는 전류 센서에 전류값이 나타나지 않는 경우, 즉 0에 가까운 전류값이 측정되는 경우를 나타낸다. 이 경우 제어부(100)는 전류 센서에 의해 측정된 전류 값으로부터 퓨즈(퓨즈 1또는 퓨즈 2)가 단선되었음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 상태 검출 장치의 구성도이다.
도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서도, 제1 퓨즈와 제1 메인 컨택터의 접점, 그리고 제2 퓨즈와 제2 메인 컨택터의 접점 사이에 고저항 소자(550)가 배터리(110)와 병렬로 연결되어 배치된다. 여기서, 고저항 소자의 저항 값은 수 메가옴(MΩ)일 수 있다.
즉, 도 6에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 배터리 상태 검출 장치는, 배터리의 양극과 연결된 제1 퓨즈; 상기 배터리의 음극과 연결된 제2 퓨즈; 상기 제1 퓨즈 및 상기 제2 퓨즈와 연결되어 상기 배터리와 병렬로 배치되는 고저항 소자(550); 상기 고저항 소자에 인가되는 전압을 측정하는 센서(520); 및 상기 센서에 의해 측정된 전압으로부터 시스템 전압 및 퓨즈의 단선 여부를 판단하는 제어부(100)를 포함하여 구성될 수 있으며, 해당 실시예에서 센서는 상기 고저항 소자와 병렬 연결되어 상기 고저항 소자에 인가되는 전압을 측정하는 전압 센서일 수 있다.
도 6의 실시예에서는 고저항 소자와 병렬로 연결된 전압 센서(530)를 통해 고저항 소자에 인가되는 전압 값을 측정할 수 있다.
퓨즈가 정상 동작하는 경우 전압 센서(530)를 통해 측정되는 고저항 소자에 인가되는 전압 값은 시스템 전압값, 즉 직렬로 연결된 복수의 배터리들의 전압값의 합산값과 동일 내지 유사한 값이 될 수 있다. 퓨즈가 단선되는 경우 고저항 소자에 인가되는 전압은 0에 가까운 값이 될 것이다.
즉, 제어부(100)는 전압 센서에 의해 측정되는 전압값이 배터리 시스템에서 기대할 수 있는 통상적인 전압값(예를 들어, 배터리 셀 전압 4.2V, 모듈 17단 랙의 경우 SOC100%를 기준으로, 모듈 1개당 58.8V의 전압 값을 가지므로, 배터리 랙이 출력하는 전압은 999.6V)인 경우 해당 전압값을 시스템 전압 정보로 인지할 수 있다. 제어부(100)는, 또한 전압 센서에 의해 측정되는 전압값이 0에 가까운 값인 경우 퓨즈가 단선되었음을 확인할 수 있다.
이상 살펴본 바와 같은 본 발명의 실시예들에 의해 제공되는 고저항 병렬 구조 적용을 통해 배터리 전압 확인 및 퓨즈의 단선 상태 확인 기능을 경제적으로 구현할 수 있다.
본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 배터리의 양극과 연결된 제1 퓨즈;
    상기 배터리의 음극과 연결된 제2 퓨즈;
    상기 제1 퓨즈 및 상기 제2 퓨즈와 연결되어 상기 배터리와 병렬로 배치되는 고저항 소자;
    상기 고저항 소자에 흐르는 전류 또는 상기 고저항 소자에 인가되는 전압을 측정하는 센서; 및
    상기 센서에 의해 측정된 전류 또는 전압으로부터 시스템 전압 및 퓨즈의 단선 여부를 판단하는 제어부를 포함하는, 배터리 상태 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 고저항 소자 및 상기 제1 퓨즈와의 사이에 위치하여 상기 고저항 소자와 직렬 연결되거나 상기 고저항 소자 및 상기 제2 퓨즈와의 사이에 위치하고 상기 고저항 소자와 직렬 연결되는 전류 센서인, 배터리 상태 검출 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 고저항과 병렬 연결되어 상기 고저항 소자에 인가되는 전압을 측정하는 전압 센서인, 배터리 상태 검출 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리의 상태를 관리하는 BMS(Battery Management System)에 포함되는, 배터리 상태 검출 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전류 센서로부터 측정된 전류 값이 0인 경우, 상기 퓨즈가 단선되었다고 판단하는, 배터리 상태 검출 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전류 센서로부터 측정된 전류 값과 상기 고저항 소자의 저항 값을 이용해 상기 배터리에 의해 제공되는 시스템 전압을 산출하는, 배터리 상태 검출 장치.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전압 센서로부터 측정된 전압 값이 0인 경우, 상기 퓨즈가 단선되었다고 판단하는, 배터리 상태 검출 장치.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전압 센서로부터 측정된 전압 값을 상기 배터리에 의해 제공되는 시스템 전압 값으로 판단하는, 배터리 상태 검출 장치.
  9. 배터리 및 PCS(전력 변환 시스템)을 포함하는 에너지 저장 시스템에서 상기 배터리를 보호하는 장치로서,
    상기 배터리의 양극과 연결된 제1 퓨즈;
    상기 배터리의 음극과 연결된 제2 퓨즈;
    상기 제1 퓨즈와 상기 PCS와의 연결을 제어하는 제1 메인 컨택터;
    상기 제2 퓨즈와 상기 PCS와의 연결을 제어하는 제2 메인 컨택터;
    상기 제1 퓨즈 및 상기 제2 퓨즈와 연결되어 상기 배터리와 병렬로 배치되는 고저항 소자;
    상기 고저항 소자에 흐르는 전류 또는 상기 고저항 소자에 인가되는 전압을 측정하는 센서; 및
    상기 센서에 의해 측정된 전류 또는 전압으로부터 시스템 전압 및 퓨즈의 단선 여부를 판단하는 제어부를 포함하는, 배터리 보호 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 고저항 소자 및 상기 제1 퓨즈와의 사이에 위치하여 상기 고저항 소자와 직렬 연결되거나 상기 고저항 소자 및 상기 제2 퓨즈와의 사이에 위치하고 상기 고저항 소자와 직렬 연결되는 전류 센서인, 배터리 보호 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 고저항과 병렬 연결되어 상기 고저항 소자에 인가되는 전압을 측정하는 전압 센서인, 배터리 보호 장치.
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