KR101265010B1 - 배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템 - Google Patents

배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

배터리 랙 간의 전압 불균형을 해소할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는, 하나 이상의 배터리들로 구성되는 트레이(Tray); 상기 하나 이상의 배터리들의 충방전을 위해 상기 트레이를 전력 관리 장치(Power Conditioning System: PCS)에 연결시키는 제1 스위치; 상기 제1 스위치가 온 되기 이전에 동작하여 상기 하나 이상의 배터리들을 초기충전시킴으로써 돌입전류 발생을 방지하는 초기 충전부; 및 상기 초기 충전부의 동작에 의해 발생되는 서지전압을 적어도 하나의 커패시터를 통해 흡수하여 서지전압을 제거하는 서지전압 방지부를 포함하는 것을 특징으로

Description

배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템{Battery Conditioning System and Battery Energy Storage System including Battery Conditioning System}
본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 배터리 에너지 저장 시스템의 제어에 관한 것이다.
산업의 발달과 더불어 전력수요가 점차 증대되고 있으며 주야간, 계절간, 일별간 전력 사용량의 격차가 점차 심화되고 있다.
최근에 이러한 이유로 계통의 잉여 전력을 활용하여 피크부하를 삭감하기 위한 많은 기술들이 빠르게 개발되고 있는데, 이러한 기술들 중에서 대표적인 것이 계통의 잉여 전력을 전지에 저장하거나 계통의 부족 전력을 전지에서 공급해주는 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System)이다.
배터리 에너지 저장 시스템은 야간의 잉여 전력이나 풍력, 태양광 등의 신재생 에너지에서 발전된 잉여 전력을 저장하였다가 피크 부하 또는 계통 사고시 배터리에 저장된 전력을 계통에 공급한다. 이를 통해 신재생 에너지원에 의해 불안정하게 변동되는 계통 전력을 안정화 시키고 최대부하 삭감과 부하 평준화를 달성할 수 있게 된다.
최근 다양한 신재생 에너지원의 출현으로 인해 부각되고 있는 지능형 전력망(Smart Grid)에도 이러한 배터리 에너지 저장 시스템이 이용될 수 있다.
이러한 배터리 에너지 저장 시스템은, 배터리 패킹(Packing) 기술의 한계로 인해, 일반적으로 하나 이상의 배터리들로 구성되는 배터리 랙(Battery Rack)들을 서로 병렬로 연결하여 구성하게 된다.
그러나, 각 배터리 랙들을 병렬로 연결 시 각 배터리 랙의 전압이 서로 다르기 때문에 돌입 전류가 발생하게 되고, 이러한 돌입 전류로 인해 소자의 용량을 초과하는 전류가 소자에 흐르게 되어 소자가 파괴되거나 심할 경우 소자의 파괴로 인해 화재가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배터리 관리 장치에 포함된 배터리 랙 간의 전압 불균형을 해소할 수 있는 배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 배터리 관리 장치에 포함된 배터리 랙의 연결 시 돌입 전류의 발생을 방지할 수 있는 배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 돌입 전류 방지를 위해 배터리 관리 장치에 포함된 초기 충전부의 온오프 동작으로 인한 서지(Surge)전압의 발생을 방지할 수 있는 배터리 관리 장치 및 이를 포함하는 배터리 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 장치는, 하나 이상의 배터리들로 구성되는 트레이(Tray); 상기 하나 이상의 배터리들의 충방전을 위해 상기 트레이를 전력 관리 장치(Power Conditioning System: PCS)에 연결시키는 제1 스위치; 상기 제1 스위치가 온 되기 이전에 동작하여 상기 하나 이상의 배터리들을 초기충전시킴으로써 돌입전류 발생을 방지하는 초기 충전부; 및 상기 초기 충전부의 동작에 의해 발생되는 서지전압을 적어도 하나의 커패시터를 통해 흡수하여 서지전압을 제거하는 서지전압 방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 에너지 저장 시스템은, 계통으로부터 제공되는 잉여 에너지가 충전되는 하나 이상의 배터리 랙을 포함하는 배터리 관리 장치; 및 상기 잉여 에너지를 상기 하나 이상의 배터리 랙에 충전시키고, 상기 하나 이상의 배터리 랙에 충전되어 있는 에너지를 방전시켜 상기 계통으로 제공하는 전력 관리 장치를 포함하고, 상기 배터리 랙은, 하나 이상의 배터리들로 구성되는 트레이; 배터리 에너지 저장 시스템이 정상상태에 도달하기 이전의 시간구간 동안 상기 트레이를 상기 전력 관리 장치에 연결시켜 상기 하나 이상의 배터리들을 초기 충전시키는 초기 충전부; 및 상기 초기 충전부의 동작에 의해 발생되는 서지전압을 적어도 하나의 커패시터를 통해 흡수하는 서지전압 방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 배터리 관리 장치에 포함된 배터리 랙에 초기 충전부를 연결함으로써 배터리 랙간의 병렬 연결시 배터리 랙 간의 전압 불균형을 제어할 수 있고, 이로 인해 배터리 랙간의 전압 불균형으로 인한 돌입 전류의 발생을 방지할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 각 배터리 랙에 Y-커패시터 회로를 추가함으로써 초기 충전부의 동작에 따른 서지전압 발생을 최소화함은 물론, 각 배터리 랙을 충방전시키는 전력관리장치의 인버터에 의해 발생되는 스위칭 노이즈 및 전력관리장치에 포함된 평활 커패시터 양단의 전위 불균형을 최소화할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 시스템이 적용되는 네트워크 구성을 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면.
도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면.
도 4는 배터리의 충반전 특성을 보여주는 그래프.
도 5a는 초기 충전부의 동작에 따라 발생되는 서지전압을 보여주는 그래프
도 5b는 배터리 랙 제어기 간의 통신시 발생되는 노이즈를 보여주는 그래프.
도 6a는 서지전압 발생부에 따라 서지전압의 발생이 억제되는 것을 보여주는 그래프.
도 6b는 서지전압 발생부에 따라 통신 노이즈의 발생이 억제되는 것을 보여주는 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 1 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System: BESS)이 적용되는 네트워크 구성을 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 에너지 저장 시스템(100)은 글로벌 모니터링 시스템(Global Monitoring System: GMS, 110) 및 에너지 관리 시스템(Energy Management System: EMS, 120)과 연결된다. 이때, 글로벌 모니터링 시스템(110)은 인터넷을 통해 배터리 에너지 저장 시스템(100) 및 에너지 관리 시스템(120)과 연결될 수 있다.
먼저, 글로벌 모니터링 시스템(110)은 에너지 관리 시스템(110)을 통해 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들과 연결되는 것으로서, 글로벌 통합 관리, 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들로부터 전송되는 각종 데이터의 수집, 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들의 운영 현황 표시, 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들로부터 전송되는 각종 데이터 분석(예컨대, 배터리의 수명 예측 또는 점검), 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)의 운영 최적화 관리, 및 투자/설비 효율을 관리하는 기능을 수행한다.
에너지 관리 시스템(120)은 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들과 연결되어 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)의 운전 스케쥴 제어를 수행하거나, 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들로부터 전송되는 각종 데이터들을 글로벌 모니터링 시스템(110)로 리포팅하거나, 복수개의 배터리 에너지 저장 시스템(100)들의 전력을 통합 관리하거나, 계통(미도시)의 수요나 발전량을 예측하는 기능을 수행한다.
이외에도, 에너지 관리 시스템(120)은 전력 거래 이력 관리 또는 최적 발전 계획 수립 등의 기능을 수행한다.
배터리 에너지 저장 시스템(100)은 풍력, 태양광 등에서 발전된 잉여 전력을 계통으로부터 제공 받아 배터리 에너지 저장 시스템(100)에 포함된 하나 이상의 배터리 랙(Rack)에 충전하였다가 피크부하 또는 계통 사고 시 하나 이상의 배터리 랙에 충전되어 있던 전력을 계통으로 방전하여 계통에 전력을 공급하는 기능을 수행한다.
이하에서는 이러한 배터리 에너지 저장 시스템(100)의 구성을 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 에너지 저장 시스템(100)은, 배터리 관리 장치(210), 전력 관리 장치(220), 및 제어부(230)를 포함한다.
도 2에 도시된 배터리 에너지 저장 시스템(100)에서는 하나의 배터리 관리 장치(210) 및 하나의 전력 관리 장치(220)가 포함되는 것으로 기재하였지만, 변형된 실시예에 있어서는 배터리 에너지 저장 시스템(100)에 복수개의 배터리 관리 장치(210) 및 복수개의 전력 관리 장치(220)가 포함될 수도 있을 것이다.
먼저, 배터리 관리 장치(Battery Conditioning System: BCS, 210)는, 계통으로부터 공급되는 잉여 에너지를 하나 이상의 배터리 랙에 저장하고, 피크 부하 또는 계통 사고 발생 시 하나 이상의 배터리 랙에 저장되어 있는 에너지를 계통에 공급한다.
이하에서는 이러한 배터리 관리 장치(210)의 구성을 도 3a 및 3b를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 3a 및 도 3 b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 장치(210)는 서로 병렬로 연결되는 하나 이상의 배터리 랙(310)을 포함한다.
배터리 랙(310)은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 트레이(320a~320n), 제1 스위치(330), 초기 충전부(340), 및 서지전압 방지부(350)를 포함한다.
먼저, 트레이(320a~320n)는 하나 이상의 배터리를 포함하는 모듈(미도시)들이 복수개 연결되어 구성되는 것으로서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 배터리 랙(310)은 서로 직렬로 연결되는 복수개의 트레이(320a~320n)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 하나의 모듈은 24개의 배터리로 구성될 수 있고, 하나의 트레이는 3개의 모듈로 구성될 수 있으며, 하나의 배터리 랙은 8개의 트레이로 구성될 수 있다.
다음으로, 제1 스위치(330)는, 트레이(320a~320n)를 전력 관리 장치(220)에 연결시키기 위한 것으로서, 배터리 에너지 저장 시스템(100)이 정상상태에 도달하기 이전의 시간 구간 동안에는 오프(Off) 상태로 유지되다가, 배터리 에너지 저장 시스템(100)이 정상상태에 도달하면 온(On) 되어 트레이(320a~320n)를 전력 관리 장치(220)에 연결시킨다.
이러한 제1 스위치(330)를 통해 전력 관리 장치(220)에 연결된 각 트레이(320a~320n)들의 배터리들은, 전력 관리 장치(220)에 의해 충방전된다.
다음으로, 초기 충전부(340)는, 하나 이상의 배터리 랙(310)들을 전력 관리 장치(220)에 연결하는 경우, 배터리 랙(310)간의 전압 차이로 인해 발생될 수 있는 돌입전류를 방지하는 역할을 수행한다.
여기서, 돌입 전류는 병렬로 연결되어 있는 배터리 랙(310)간의 전압 불균형으로 인해 발생하게 되는 것으로서, 이러한 돌입 전류로 인해 소자에 소자의 용량을 초과하는 전류가 흐르게 되어 소자가 파괴되거나 화재가 발생할 수 있다.
특히, 배터리가 리튬 이온 전지로 구현되는 경우 도 4에 도시된 바와 같이, 충방전 상태의 동적 전압(Dynamic Voltage)과 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage: OCV)이 다르므로 배터리 랙(310)을 병렬 연결하는 경우 반드시 돌입 전류가 발생하게 된다.
이러한 돌입 전류는, 배터리 랙(310)을 최초로 연결하는 경우 이외에도 배터리 랙(310)을 교체하거나 재기동하는 경우에도 발생할 수 있다. 이러한 돌입 전류를 방지하기 위해 병렬로 결선될 배터리 랙(310)을 개별적으로 충전하여 모든 배터리 랙(310)의 전압이 동일해진 이후에 결선할 수 있지만, 이러한 방법은 배터리 랙(310)의 연결이나 교체에 상당히 많은 시간이 소요되고, 대단지형 배터리 에너지 저장 시스템의 경우 시스템 정지시간이 길어질 수 있어 많은 경제적 손실이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 초기 충전부(340)를 통해 배터리 에너지 저장 시스템(100)이 정상 상태에 도달하기 이전의 시간 구간 동안 트레이(320a~320n)에 포함된 배터리들을 초기 충전(Pre-Charging)시켜 배터리 랙(310)간의 전압 차이를 최소화시킴으로써 돌입전류의 발생을 방지한다.
이를 위해, 초기 충전부(340)는 제1 저항(342) 및 제2 스위치(344)로 구성된다.
제1 저항(342)은 도 3에 도시된 바와 같이, 트레이(320a~320n)에 직렬로 연결되고, 제2 스위치(344)는 제1 저항(342)에 직렬로 연결되어 제1 저항(342)과 전력 관리 장치(220)를 연결시키는 역할을 수행한다.
구체적으로, 제2 스위치(344)는, 배터리 에너지 저장 시스템(100)이 정상 상태에 도달하기 이전의 시간 구간 동안에는 온(On) 상태로 유지되어 제2 저항(342)과 전력 관리 장치(220)를 연결시켜 트레이(320a~320n)에 포함된 배터리들이 초기 충전 되도록 한다.
이후, 배터리 에너지 저장 시스템(100)이 정상 상태에 도달하면 제2 스위치(344)는 오프된다.
상술한 실시예에 있어서, 하나 이상의 배터리 랙(310)을 전력 관리 장치(220)에 연결시키는 경우, 배터리 랙(310) 중 개방 회로 전압(OCV)이 가장 낮은 배터리 랙(310)을 전력 관리 장치(220)에 먼저 연결시키는 것이 바람직하다.
상술한 실시예에 있어서는, 배터리 랙(310)에 회로적인 구성을 추가하는 아날로그 방식을 이용하여 돌입전류를 방지하는 것을 설명하였다.
하지만, 변형된 실시예에 있어서는 디지털 방식으로 돌입전류의 발생을 방지하기 위해, N개의 배터리 랙(310)을 병렬로 연결하는 경우 각각의 배터리 랙 제어기(미도시)가 배터리 랙(310)의 전압을 모니터링한 후에 전압이 가장 낮은 배터리 랙(310)부터 순차적으로 전력 관리 장치(220)에 연결되도록 할 수 있다.
이러한 경우, 우선순위에 따라 배터리 랙(310)의 전압은 동적 전압(DV)과 개방 회로 전압(OCV) 상태가 되므로 시스템 설계시 SOC(State of Charge) 또는 동적전압과 개방 회로 전압간의 전압 편차를 측정하여 제어 시 반영되도록 하여야 한다.
예컨대, SOC 70%-3.8V인 제1 배터리 랙과 SOC 55%-3.2V인 제2 배터리 랙을 병렬 연결하는 경우, 전압 불균형에 따라 돌입 전류가 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해 제2 배터리 랙을 전력 관리 장치(220)에 먼저 연결한 후 에너지를 충전시킨다. 이때, 제어기는 제1 배터리 랙의 SOC와 전압을 모니터링 한다. 모니터링 결과 제1 배터리 랙의 전압과 제2 배터리 랙의 전압이 동일해 진 경우, 사전에 데이터화한 동적전압과 개방회로전압간의 전압 편차를 고려하여 제1 배터리 랙을 전력 관리 장치(220)에 연결한다.
상술한 실시예에 있어서는 디지털 방식 및 아날로그 방식 중 어느 하나의 방식을 이용하여 돌입전류를 방지하는 것으로 설명하였다. 하지만, 변형된 실시예에 있어서는 이 2가지 방식을 모두 적용하여 돌입전류를 방지할 수도 있을 것이다.
예컨대, 배터리 랙(310)들 중 전압 차이가 기준치 보다 작은 배터리 랙(310)들은 디지털 방식을 이용하여 제어하고, 배터리 랙(310)들 중 전압 차이가 기준치 보다 큰 배터리 랙은 아날로그 방식으로 제어할 수 있다.
즉, 배터리 랙(310)들 중 전압 차이가 기준치 보다 큰 배터리 랙(310)들은 동시에 전력 관리 장치(220)에 연결하되, 초기 충전부(340)를 우선 연결하여 돌입 전류를 최소화하고, 배터리 랙(310)들 중 전압 차이가 기준치 보다 작은 배터리 랙(310)들은 전압이 작은 배터리 랙(310)부터 순차적으로 전력 관리 장치(220)에 연결되도록 하되, SOC(State of Charge) 또는 동적전압과 개방회로전압 간의 전압 편차를 측정하여 제어시 반영되도록 하는 것이다.
다시 도 2를 참조하면, 서지전압 방지부(350)는, 초기 충전부(340)의 동작에 따른 서지(Surge) 전압의 발생을 억제하는 역할을 수행한다.
본 발명에 따른 배터리 에너지 저장 시스템(100)이 서지전압 방지부(350)를 포함하는 이유는, 도 5a에 도시된 바와 같이 초기 충전부(340)에 포함된 제2 스위치(344)의 온오프시 서지전압(510)이 발생하거나, 도 5b에 도시된 바와 같이 각 배터리 랙(310)을 제어하는 배터리 랙 제어기(미도시)들 간의 통신시 노이즈(520)가 발생하기 때문에 이러한 서지 전압이나 통신 노이즈를 최소화하기 위한 것이다.
일 실시예에 있어서, 이러한 서지전압 방지부(350)는 트레이(320a~320n)의 제1 전극 단자(P)와 제2 전극 단자(N)에 연결되는 Y-커패시터(Capacitor) 회로를 포함할 수 있다.
이를 위해 본 발명의 제1 실시예에 따른 서지전압 방지부(350)는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 일단은 트레이(320a~320n)의 제1 전극 단자(P)에 연결되고 타단은 접지 노드(N1)에 연결되는 제1 커패시터(C1)와, 일단은 접지 노드(N1)에 연결되고 타단은 트레이(320a~320n)의 제2 전극 단자(N)에 연결되는 제2 커패시터(C2)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)는 제1 전극 단자(P)와 접지 사이의 전위와 제2 전극 단자(N)와 접지 사이의 전위를 동일하게 하기 위해 서로 동일한 커패시턴스 값(C)을 가질 수 있고, 순간적으로 발생되는 서지 전압의 흡수 속도를 증가시키기 위해 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)의 커패시턴스의 값은 전력 관리 장치(220)에 포함된 평활 커패시터의 커패시턴스 값보다 작을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 또는 제2 커패시터(C1, C2)의 커패시턴스 값(C)은 아래의 수학식 1을 이용하여 결정할 수 있다.
Figure 112011060022017-pat00001
수학식 1에서, C는 제1 또는 제2 커패시터(C1, C2)의 커패시턴스 값을 의미하고, I는 제1 또는 제2 커패시터(C1, C2)에서의 누설전류를 의미하며, E는 배터리 랙의 전압을 의미하며, f는 전력관리장치(220)에 포함된 인버터의 스위칭 주파수를 의미한다. 이때, 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)에서의 누설전류는 10mA 이내의 범위에서 미리 결정되어 있을 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 서지전압 방지부(350)는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 커패시터(C1), 제2 커패시터(C2), 제1 커패시터(C1)에 병렬로 연결되는 제2 저항(R1), 및 제2 커패시터(C2)에 병렬로 연결되는 제3 저항(R2)를 포함할 수 있다.
이때, 제2 저항(R1) 및 제3 저항(R2)은 제1 전극 단자(P)와 접지 사이의 전위와 제2 전극 단자(N)와 접지 사이의 전위를 동일하게 하기 위해 동일한 저항 값을 가질 수 있고, 저항 값은 수백KΩ 내지 수MΩ일 수 있다. 여기서, 제2 저항(R1) 및 제3 저항(R2)의 값을 큰 저항 값으로 결정하는 것은 제2 저항(R1) 및 제3 저항(R2)의 저항 값을 작은 값으로 결정하게 되면 저항에 의한 배터리의 자연 방전이 발생하기 때문에 이를 방지하기 위한 것이다.
일 실시예에 있어서, 제2 또는 제3 저항(R1, R2)의 저항값(R)은 아래의 수학식 2를 이용하여 결정할 수 있다.
Figure 112011060022017-pat00002
수학식 2에서, R은 제2 또는 제3 저항(R1, R2)의 저항값을 의미하고, t는 배터리 방전율 측정의 기준이 되는 단위 시간을 의미하며, a는 배터리 랙의 전압을 의미하고, b는 단위 시간 동안 배터리 랙의 용량을 충방전 시킬 수 있는 정격전류를 의미하며, c는 배터리의 방전율을 나타낸다. 이때, t는 시간 단위의 값이고, 배터리 방전율은 % 단위의 값일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 랙(310)이 서지전압 방지부(350)를 포함함으로써 도 6a에 도시된 바와 같이, 제2 스위치(344)의 온오프로 인한 서지 전압의 발생이 억제(610)되고, 도 6b에 도시된 바와 같이 배터리 랙 제어기간의 통신시 발생되는 노이즈 또한 감소(620)된다는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 경우, 배터리 랙(310)에 포함된 서지전압 방지부(350)가 제1 전극 단자(P)와 접지 사이의 전위와 제2 전극 단자(N)와 접지 사이의 전위를 동일하게 함으로써 전력관리장치(220)에 포함된 평활 커패시터 양단의 전위 불균형을 개선시킬 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 전력 관리 장치(220)는, 배터리 관리 장치(210)와 계통(미도시)을 연계하는 역할을 수행한다. 보다 구체적으로, 전력 관리 장치(220)는 배터리 관리 장치(210)에 포함된 하나 이상의 배터리 랙(310)에 계통의 잉여 에너지를 충전시키거나 하나 이상의 배터리 랙(310)에 저장된 에너지를 계통에 제공하는 역할을 수행한다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 전력 관리 장치에 대해 간략히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 관리 장치의 전기적 구성을 보여주는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 관리 장치(220)는, 제1 차단기(710), 변압기(720), 및 하나 이상의 전력 변환 모듈(Power Converting Unit: PCU, 730)을 포함한다.
먼저, 제1 차단기(710)는, 사고 발생시 사고 전류가 계통(700)으로 유입되거나, 전력 변환 모듈(730) 내로 유입되는 것을 차단하는 역할을 수행한다.
다음으로, 변압기(720)는 계통(700)의 교류 전압을 미리 정해진 값으로 감압하여 전력 변환 모듈(730)로 공급하거나, 전력 변환 모듈(730)로부터 출력되는 교류 전압을 미리 정해진 값으로 승압하여 계통(700)으로 제공하는 역할을 수행한다.
다음으로, 전력 변환 모듈(730)은 교류를 직류로 변환하여 배터리 관리 장치(210)로 제공하거나, 배터리 관리 장치(210)로부터 제공되는 직류를 교류로 변환하여 변압기(720)로 출력한다.
이러한 전력 변환 모듈(730)은, 제2 차단기(731), 필터(733), 인버터(735), 평활 커패시터(737), 및 제3 스위치(739)를 포함한다.
먼저, 제2 차단기(731)는, 사고 발생시 사고 전류가 계통(700)으로 유입되거나, 전력 변환 모듈(730) 내로 유입되는 것을 차단하는 역할을 수행한다.
필터(733)는 변압기(720)를 통해 감압된 교류 전압의 고조파를 감소시키거나 인버터(735)로부터 출력되는 교류 전압의 고조파를 감소시키는 역할을 수행한다.
도 7에서는, 이러한 필터(733)가 LCL타입으로 구성되는 것으로 도시하였지만, 이는 하나의 예일 뿐 다른 형태의 구성도 가능할 것이다.
인버터(735)는 필터(733)로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나, 배터리 관리 장치(210)로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 역할을 수행한다.
평활 콘덴서(737)는 배터리 관리 장치(210)로부터 인버터(735)로 입력되는 직류 전압 또는 인버터(735)로부터 출력되는 직류 전압을 평활화하는 역할을 수행한다. 이러한 평활 콘덴서(737)의 전압이 미리 충전되어 있어야, 배터리 관리 장치(210)를 전력 관리 장치(220)에 연결할 때 돌입 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
만약, 배터리 관리 장치(210)를 전력 관리 장치(220)에 연결할 때 평활 콘덴서(737)가 충전되어 있지 않으면 돌입 전류가 발생하게 되어 소자가 파괴되거나 화재가 발생할 수 있다.
제3 스위치(739)는, 배터리 관리 장치(210)를 전력 관리 장치(220)에 연결시키기는 역할을 수행한다.
다시 도 2를 참조하면, 제어기(230)는 배터리 관리 장치(210)에 포함된 하나 이상의 배터리들의 충방전 여부를 결정하고, 상기 충방전 여부에 따라 상기 배터리 관리 장치(210) 및 전력 관리 장치(220)의 동작을 제어한다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 배터리 에너지 저장 시스템 110: 에너지 관리 시스템
120: 글로벌 모니터링 시스템 210: 배터리 관리 장치
220: 전력 관리 장치 230: 제어기
310: 배터리 랙 320a~320n: 트레이
330: 제1 스위치 340: 초기 충전부
342: 제2 스위치 344: 제1 저항
350: 서지전압 방지부

Claims (13)

  1. 하나 이상의 배터리들로 구성되는 트레이(Tray);
    상기 하나 이상의 배터리들의 충방전을 위해 상기 트레이를 전력 관리 장치(Power Conditioning System: PCS)에 연결시키는 제1 스위치;
    상기 제1 스위치가 온 되기 이전에 동작하여 상기 하나 이상의 배터리들을 초기충전시킴으로써 돌입전류 발생을 방지하는 초기 충전부; 및
    상기 초기 충전부의 동작에 의해 발생되는 서지전압을 적어도 하나의 커패시터를 통해 흡수하여 서지전압을 제거하는 서지전압 방지부를 포함하고,
    상기 서지전압 방지부는, 일단은 상기 트레이의 제1 전극 단자에 연결되고 타단은 접지 노드에 연결되는 제1 커패시터 및 일단은 상기 접지 노드에 연결되고 타단은 상기 트레이의 제2 전극 단자에 연결되는 제2 커패시터를 포함하는 Y-커패시터(Capacitor) 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 커패시터 및 제2 커패시터는, 상기 제1 전극 단자와 상기 접지 노드간의 제1 전위와 상기 제2 전극 단자와 상기 접지 노드간의 제2 전위가 동일해 지도록 하기 위해 동일한 커패시턴스 값을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 커패시터의 커패시턴스 값은 수학식
    Figure 112012086327261-pat00003
    을 이용하여 산출되고,
    I는 제1 또는 제2 커패시터에서의 누설전류를 의미하고, E는 복수개의 트레이가 연결되어 구성된 배터리 랙의 전압을 의미하며, f는 상기 전력관리장치에 포함된 인버터의 스위칭 주파수를 의미하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 서지전압 방지부는, 상기 제1 커패시터에 병렬로 연결되는 제1 저항 및 상기 제2 커패시터에 병렬로 연결되는 제2 저항을 더 포함하고,
    상기 제1 저항 및 제2 저항은 상기 제1 전위와 상기 제2 전위가 동일해 지도록 하기 위해 동일한 저항 값을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 저항 또는 제2 저항의 저항값은 수학식
    Figure 112011060022017-pat00004
    를 이용하여 산출되고,
    R은 제1 저항 또는 제2 저항의 저항값을 나타내고, t는 상기 배터리의 방전율 측정 기준이 되는 단위 시간을 의미하고, a는 복수개의 트레이가 연결되어 구성된 배터리 랙의 전압을 의미하며, b는 단위 시간 동안 상기 배터리 랙의 용량을 충방전 시킬 수 있는 정격전류를 의미하고, c는 상기 배터리의 방전율을 의미하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 커패시터는, 상기 서지전압의 흡수 속도가 증가되도록 상기 전력 관리 장치에 포함된 평활 커패시터의 커패시턴스 값보다 작은 커패시턴스 값을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 초기 충전부는,
    상기 트레이에 직렬로 연결되는 제3 저항; 및
    상기 제3 저항에 직렬로 연결되어 상기 제3 저항과 상기 전력 관리 장치를 전기적으로 연결시키는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 스위치는 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System: BESS)이 정상상태에 도달할 때까지 온(On)되어 상기 제3 저항과 상기 전력 관리 장치의 연결을 통해 상기 하나 이상의 배터리가 초기 충전 되도록 하고, 상기 배터리 에너지 저장 시스템이 정상상태에 도달하면 오프 되는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 배터리 에너지 저장 시스템이 정상 상태에 도달할 때까지는 오프(Off)되고, 상기 배터리 에너지 저장 시스템이 정상상태에 도달하면 온 되어 상기 트레이를 상기 전력 관리 장치에 연결시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 장치.
  10. 계통으로부터 제공되는 잉여 에너지가 충전되는 하나 이상의 배터리 랙을 포함하는 배터리 관리 장치; 및
    상기 잉여 에너지를 상기 하나 이상의 배터리 랙에 충전시키고, 상기 하나 이상의 배터리 랙에 충전되어 있는 에너지를 방전시켜 상기 계통으로 제공하는 전력 관리 장치를 포함하고,
    상기 배터리 랙은,
    하나 이상의 배터리들로 구성되는 트레이;
    배터리 에너지 저장 시스템이 정상상태에 도달하기 이전의 시간구간 동안 상기 트레이를 상기 전력 관리 장치에 연결시켜 상기 하나 이상의 배터리들을 초기 충전시키는 초기 충전부; 및
    상기 초기 충전부의 동작에 의해 발생되는 서지전압을 적어도 하나의 커패시터를 통해 흡수하는 서지전압 방지부를 포함하고,
    상기 서지전압 방지부는,
    일단은 상기 트레이의 제1 전극 단자에 연결되고 타단은 접지 노드에 연결되는 제1 커패시터와, 일단은 상기 접지 노드에 연결되고 타단은 상기 트레이의 제2 전극 단자에 연결되는 제2 커패시터를 포함하는 Y-커패시터(Capacitor) 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배터리 관리 장치는,
    상기 배터리 에너지 저장 시스템이 정상 상태에 도달하면 온 되어 상기 트레이를 상기 전력 관리 장치에 연결시키는 제1 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 서지전압 방지부는,
    상기 제1 커패시터에 병렬로 연결되는 제1 저항; 및
    상기 제2 커패시터에 병렬로 연결되는 제2 저항을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 초기 충전부는,
    상기 트레이에 직렬로 연결되는 제3 저항; 및
    상기 배터리 에너지 저장 시스템이 정상상태에 도달하기 이전의 시간구간 동안 온 되어 상기 제3 저항과 상기 전력 관리 장치를 전기적으로 연결시키는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 에너지 저장 시스템.
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