KR101500709B1 - 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치 - Google Patents

배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치 Download PDF

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Abstract

에너지 저장용 배터리로 제공되는 충전 전압 및 전류의 리플을 제거함과 동시에 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀에 대한 셀 평형회로를 별도로 구비하지 않고서도 셀 불평형의 문제를 해소함으로써 배터리의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있는 에너지 저장 장치가 개시된다. 상기 에너지 저장 장치는 배터리부; 상기 배터리부의 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하여 계통 또는 부하로 제공하고, 상기 계통으로부터 교류 전력을 제공받아 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리부로 제공하는 양방향 PWM 인버터부; 및 상기 배터리부와 상기 양방향 PWM 인버터부 사이에 배치되며, 상기 양방향 PWM 인버터부에서 상기 배터리부로 전달되는 직류 전력의 리플 성분을 제거하는 리플 제거 회로부를 포함한다.

Description

배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치{AN ENERGY STORAGE SYSTEM FOR LONG-LIFE OPERATION OF BATTERY}
본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 저장용 배터리로 제공되는 충전 전압 및 전류의 리플을 제거함과 동시에 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀에 대한 셀 평형회로를 별도로 구비하지 않고서도 셀 불평형의 문제를 해소함으로써 배터리의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있는 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
일반적으로, PWM(Pulse Width Modulation) 인버터를 이용한 에너지 저장 장치(Energy Storage System: ESS)는, 계통의 전원이 공급되는 동안에는 배터리에 전기에너지를 저장하고, 계통의 전원이 공급되지 못하는 상황이 발생하였을 때 인버터를 통하여 부하에 안정된 전원을 공급하는 장치이다.
에너지 저장 장치에 채용되는 양방향 PWM 인버터(Bidirectional PWM Inverter)는 교류측과 직류측 간의 양쪽 방향의 전력 흐름을 통하여 배터리의 충전과 방전이 가능하도록 하는 전력변환기(PCS; Power Conditioning System)이다.
통상적인 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는 선행기술문헌인 한국공개특허 제10-2011-0054041호에 개시된다.
일반적으로, 에너지 저장 장치는 크게 두 가지 모드로 운전되고 있다.
두 가지 운전 모드 중 하나는 전압 제어 운전으로서, 계통으로부터 전원이 제공되지 않을 때, 부하에 안정된 전원을 공급하기 위한 모드이다. 전압 제어 운전 모드에서는, 독립운전을 위하여 계통과의 연결을 위한 스위치를 오프시키고 전력 변환기(PCS)인 양방향성 PWM 인버터를 사용하여 배터리에 저장된 직류 전력을 교류로 변환하여 부하 측에 공급한다. 전압 제어 운전 모드에서는 부하 측에 안정된 교류 전압을 제공하기 위해, 배터리의 직류 전력을 교류로 변환하여 부하로 제공하는 양방향 PWM 인버터의 부하 측 교류 전압과 사전 설정된 기준 전압을 비교하여 일정한 크기의 교류 전압이 부하에 제공될 수 있도록 PWM 인버터를 제어한다.
다른 하나의 운전 모드는 전류 제어 운전으로서, 계통의 전원이 정상적으로 공급되는 상황에서 계통의 전력을 공급받아 배터리를 충전한다든지, 역으로 계통에 전류를 주입하여 전력을 판매하는 경우에 적용되는 모드이다. 전류 제어 운전 모드에서는, 배터리의 충전을 위하여 배터리로 안정된 직류 전류를 제공하기 위해, 양방향성 PWM 인버터의 배터리측 전류와 사전 설정된 기준 직류전류를 비교하여 일정한 크기의 직류 전류가 배터리로 제공될 수 있도록 PWM 인버터를 제어한다.
일반적인 에너지 저장 장치에서, 배터리를 충전하는 모드로 동작하는 경우 양방향 PWM 인버터의 직류링크측(배터리와 연결된 단부) 전압/전류는 교류측 상용주파수(예를 들어, 60Hz)의 두 배의 주파수(예를 들어, 120Hz)로 맥동하는 특징이 있다. 이러한 두 배의 맥동하는 전압/전류 성분은 배터리를 빨리 노화시키게 되고 이에 따라 에너지 저장 장치 전체 수명을 저하시키는 문제를 발생시킨다.
한편, 에너지 저장 장치에 적용되는 충전용 배터리는 에너지 저장 장치의 중요한 부분중의 하나이며 전력 변환기(PCS)인 양방향 PWM 인버터의 직류측 전압을 관장한다.
일반적으로, 에너지 저장 장치에 적용되는 충전용 배터리는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 통상 배터리 팩(Battery Pack)이라 지칭한다.
배터리 팩 내의 직렬로 연결된 배터리 셀들은 시간이 경과하면서 내부저항, 충방전 용량 등의 편차가 발생하게 되어 문제를 일으킨다. 예를 들어, 충전시 충전용량이 감소한 일부 셀이 조기에 과충전 상태에 이르러 과열되면 전체 배터리 팩이 화재 및 폭발의 위험한 상황에 빠지게 된다. 또한, 일부 셀 들의 내부저항이 증가하게 되면 충전시 충분히 충전되지 않았음에도 불구하고 배터리 팩 전체의 전압이 높이 상승함으로써 충전이 중단되어 전체 배터리 팩의 충전부족 현상이 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 통상적으로 배터리 셀에는 셀 평형회로(Cell balancing circuit)가 적용된다. 셀 평형회로는 복수의 배터리 셀 각각 전압을 검출하여 상호 비교하고 전체 배터리 셀의 전압을 상호 동일하게 유지하도록 제어하는 회로이다. 셀 평형회로에 적용되는 셀 평형 기법은 수동형(Passive) 방식과 능동형(Active) 방식이 있다. 수동형 방식의 셀 평형 방법은 과충전된 셀의 전하를 저항을 통하여 소비시킴으로써 셀간의 평형을 맞추어주는 방식이고, 능동형 방식의 셀 평형 방법은 부족 충전된 셀에 더 많은 전류를 공급하여 셀 간의 평형을 맞추어 주는 방식이다.
에너지 저장 장치와 같이 용량이 상대적으로 큰 배터리를 사용하는 경우 능동형 방식을 채용하는 것이 바람직하지만 전력변환기의 부피와 중량이 증가하고 가격이 상승한다는 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2011-0054041호
본 발명은, 에너지 저장용 배터리로 제공되는 충전 전압 및 전류의 리플을 제거함으로써 배터리 수명을 향상시킬 수 있는 에너지 저장 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
또한 본 발명은 에너지 저장용 배터리로 제공되는 충전 전압 및 전류의 리플을 제거함과 동시에 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀에 대한 셀 평형회로를 별도로 구비하지 않고서도 셀 불평형의 문제를 해소함으로써 배터리의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있는 에너지 저장 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
배터리부;
상기 배터리부의 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하여 계통 또는 부하로 제공하고, 상기 계통으로부터 교류 전력을 제공받아 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리부로 제공하는 양방향 PWM 인버터부; 및
상기 배터리부와 상기 양방향 PWM 인버터부 사이에 배치되며, 상기 양방향 PWM 인버터부에서 상기 배터리부로 전달되는 직류 전력의 리플 성분을 제거하는 리플 제거 회로부
를 포함하는 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 리플 제거 회로부는, 상기 양방향 PWM 인버터부의 직류 입출력단에서 출력되는 전압을 강압하여 상기 배터리부로 제공하는 강압 직류-직류 컨버터로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 강압 직류-직류 컨버터는 벅(Buck) 컨버터로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 리플 제거 회로부와 상기 양방향 PWM 인버터부 사이의 연결 노드와 상기 리플 제거 회로부와 상기 배터리부 사이의 연결 노드 사이에 연결되어, 상기 배터리부가 충전되는 모드에서 개방되고 상기 배터리부가 방전되는 모드에서 단락되는 바이패스 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 바이패스 스위칭 소자는, 상기 리플 제거 회로부와 상기 양방향 PWM 인버터부 사이의 연결 노드와 상기 리플 제거 회로부와 상기 배터리부 사이의 연결 노드에 각각 애노드와 캐소드가 연결된 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하는 복수의 배터리부;
상기 복수의 배터리부의 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하여 계통 또는 부하로 제공하고, 상기 계통으로부터 교류 전력을 제공받아 직류 전력으로 변환하여 상기 복수의 배터리부로 제공하는 양방향 PWM 인버터부; 및
상기 복수의 배터리부의 양극과 음극에 각각 연결된 출력단을 갖는 복수의 리플 제거 회로부를 포함하며,
상기 리플 제거 회로부의 입력단은 상호 직렬 연결되고, 상기 복수의 리플 제거 회로부로 이루어진 직렬 연결 회로 구조는 상기 양방향 PWM 인버터의 직류 입출력단에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 배터리부 각각에 포함된 배터리 셀의 개수는, 상호 직렬 연결된 배터리 셀 간의 셀 불평형 현상을 발생시키지 않는 개수로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 리플 제거 회로부는, 상기 양방향 PWM 인버터부의 직류 입출력단에서 출력되는 전압의 분기 전압을 강압하여 각각이 연결된 배터리부로 제공하는 강압 직류-직류 컨버터로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 강압 직류-직류 컨버터는 벅(Buck) 컨버터로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 리플 제거 회로부의 입력단과 출력단 사이에 각각 연결되어, 상기 배터리부가 충전되는 모드에서 개방되고 상기 배터리부가 방전되는 모드에서 단락되는 복수의 바이패스 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 바이패스 스위칭 소자는, 상기 리플 제거 회로부의 입력단과 출력단에 각각 애노드와 캐소드가 연결된 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 리플 제거 회로부를 채용함으로써 배터리부를 충전하는 전압/전류에 리플 성분이 존재하지 않도록 관리함으로써 배터리부의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 적은 개수의 배터리 셀을 포함하는 복수의 배터리 부를 채용함으로써 높은 직류 전압에 필요한 경우에도 셀 불균형의 문제를 회피할 수 있으며, 동시에 에너지 저장 장치의 충전 운전 모드에서 리플에 제거된 직류 전력을 각 배터리부로 제공하여 배터리부의 수명 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치가 배터리부의 충전 모드로 동작하는 경우의 등가회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치가 배터리부의 충전 모드에서 주요 부분의 전압/전류 파형을 도시한 것으로, (a)는 양방향 PWM 인버터부의 교류 입출력단으로 입력되는 전류의 파형을 도시하며, (b)는 양방향 PWM 인버터부의 직류 입출력단으로 출력되는 전압의 파형을 도시하며, (c)는 리플 제거 회로부의 출력 전압의 파형을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치가 배터리부의 방전 모드로 동작하는 경우의 등가회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치의 블록 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치는, 배터리부(11)와, 배터리부(11)의 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하여 계통(14) 또는 부하(15)로 제공하고, 계통(14)으로부터 교류 전력을 제공받아 직류 전력으로 변환하여 배터리부(11)로 제공하는 양방향 PWM 인버터부(12) 및 배터리부(11)와 양방향 PWM 인버터부(12) 사이에 배치되며, 양방향 PWM 인버터부(12)에서 배터리부(11)로 전달되는 직류 전력의 리플 성분을 제거하는 리플 제거 회로부(13)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리부(11)는 전기 에너지를 저장하기 위한 요소로서, 사전 설정된 개수의 상호 직렬 연결된 배터리 셀을 포함할 수 있다. 배터리부(11)는 양방향 PWM 인버터부(12)의 직류 입출력단(또는 직류 링크)에 연결되어 직류 전력을 제공받아 충전되거나, 양방향 PWM 인버터부(12)로 직류 전력을 제공하여 계통(14) 또는 부하(15)로 전력을 제공하게 할 수 있다.
양방향 PWM 인버터부(12)는 배터리부(11)에서 제공되는 직류 전력 입력을 교류 전력 출력으로 변환하여 계통(14) 또는 부하(15)로 제공하고, 계통(14)에서 제공되는 교류 전력 입력을 직류 전력 출력으로 변환하여 배터리부(11)로 제공하여 배터리부(11)의 충전이 이루어지게 할 수 있다.
양방향 PWM 인버터부(12)는 PWM 제어에 의해 소정 주기로 온/오프가 제어되는 스위칭 소자를 포함함으로써, 계통(14)으로부터 제공되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고 배터리부(11)로부터 제공되는 직류 전력을 소정 주파수의 교류 전력으로 변환하는 스위칭 회로부(121)와, 스위칭 회로부(121)의 교류 입출력단에 각각 시리즈(series)로 연결된 인덕터와 션트(shunt)로 연결된 캐패시터를 포함하는 LC 필터부(122)를 포함할 수 있다.
양방향 PWM 인버터부(12)의 직류-교류 변환 또는 교류-직류 변환은 배경 기술에서 설명된 전압 제어 모드 및 전류 제어 모드의 통상적인 PWM 제어에 의해 이루어질 수 있다는 점은 당업자에게 쉽게 이해되어 실시될 수 있으며, 구체적인 제어 기법은 본 발명의 주요 기술 사상과 직접적인 관련이 없으므로, 본 발명의 명료한 설명을 위해 생략하기로 한다.
리플 제거 회로부(13)는 양방향 PWM 인버터부(12)에서 배터리부(11)로 전달되는 직류 전력의 리플 성분을 제거하기 위해 마련된 것이다. 리플 제거 회로부(13)의 입력단은 양방향 PWM 인버터부(12)에 연결되고, 리플 제거 회로부(13)의 출력단은 배터리부(11)의 양극(+ 단)과 음극(- 단)에 각각 연결되는 회로 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서 양방향 PWM 인버터부(12)의 직류 입출력단에서 출력되는 전압을 강압하여 배터리부(11)로 제공하는 강압 직류-직류 컨버터로 구현될 수 있다. 도 1에서는 리플 제거 회로부(13)를 구성하는 강압 직류-직류 컨버터를 벅(Buck) 컨버터로 구현한 일례를 도시한다. 벅 컨버터는 배터리부(11)의 양극(+ 단)에 일단이 연결된 인덕터(131)와 인덕터(131)의 타단과 양방향 PWM 인버터부(12)의 직류 입출력단의 정(+) 단자 사이를 소정 주기로 단락/개방하는 스위칭 소자(132)와, 인덕터(131)와 스위칭 소자(132)의 연결노드와 배터리부(11)의 음극(- 단)에 각각 캐소드와 애노드가 연결된 다이오드(133)를 포함하여 구성될 수 있다. 이에 더하여 리플 제거 회로부(13)는, 배터리부(11)의 양극과 음극 사이에 양단이 연결된 캐패시터(134)와 양방향 PWM 인버터부(12)의 직류 입출력단의 정(+) 단자와 부(-)단자 사이에 양단이 연결된 캐패시터(135)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 회로 구조에 따라, 벅 컨버터의 입력단은 양방향 PWM 인버터부(12)의 직류 입출력단과 연결되고 벅 컨버터의 출력단은 배터리부(11)와 연결되어, 양방향 PWM 인버터부(12)에서 제공되는 직류 전압을 강압하여 배터리부(11)로 제공함으로써 배터리부(11)가 충전되게 할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태는, 리플 제거 회로부(13)와 양방향 PWM 인버터부(12) 사이의 연결 노드와 리플 제거 회로부(13)와 배터리부(11) 사이의 연결 노드, 즉 리플 제거 회로부(13)의 입력단과 출력단에 양단이 연결되어 두 노드 간의 전기적인 단락/개방을 선택적으로 형성하는 바이패스 스위칭 소자(16)를 더 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 바이패스 스위칭 소자(16)는, 배터리부(11)의 양극(+)과 양방향 PWM 인버터부(12)의 직류 입출력단의 정(+) 단자에 사이에 양단이 연결되는 회로 구조를 가질 수 있다. 바이패스 스위칭 소자(16)는 배터리부(11)가 충전되는 모드에서 개방되고 배터리부(11)가 방전되는 모드에서 단락되도록 동작할 수 있다. 도 1에 도시된 일례에서, 바이패스 스위칭 소자(16)는 리플 제거 회로부(13)와 양방향 PWM 인버터부(12) 사이의 연결 노드와 리플 제거 회로부(13)와 배터리부(11) 사이의 연결 노드, 즉 리플 제거 회로부(13)의 입력단과 출력단에 각각 캐노드와 애소드가 연결된 다이오드(16)로 구현될 수 있다.
도 1에서 구체적으로 설명되지 않은 도면 참조 부호 ‘17’로 지시된 요소는 매칭 트랜스포머이다. 매칭 트랜스포머(17)는 양방향 PWM 인버터부(12)와 계통(14) 또는 부하(15)의 상호 임피던스 매칭을 위해 구비될 뿐만 아니라, 양방향 PWM 인버터부(12)에서 변환된 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 계통(14) 또는 부하(15)로 적절한 크기의 교류 전압을 제공하고, 계통(14)으로부터 교류 전력을 제공받아 전압의 크기를 변환하여 양방향 PWM 인버터부(12)에 적절한 크기의 교류전압을 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치가 배터리부의 충전 모드로 동작하는 경우의 등가회로도이다.
도 2에 도시한 것과 같이, 에너지 저장 장치가 충전 모드로 동작하는 경우, 양방향 PWM 인버터부(12)의 직류 입출력단에 연결된 리플 제거 회로부(13)의 벅 컨버터가 동작하여 리플이 제거된 직류 전력을 배터리부(11)로 제공하여 배터리부(11)의 충전이 이루어지게 할 수 있다. 즉, 배터리부(11)를 충전하는 충전 모드에서 양방향 PWM 인버터부(12)는 계통(14)으로부터 교류 전력을 제공받아 이를 변환하여 리플 제거 회로부(13)의 벅 컨버터에 리플성분(예를 들어, 120 Hz)이 있지만 충분히 높은 직류 전압을 공급한다. 이 때, 다이오드(16)는 역방향 바이어스 되므로 자동적으로 오프(개방상태)가 되고 벅 컨버터를 동작시켜서 배터리부(11)에 제공되는 직류의 충전 전압/전류를 리플이 없는 직류 전압/전류로 만들어준다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치가 배터리부의 충전 모드에서 주요 부분의 전압/전류 파형을 도시한 것으로, (a)는 양방향 PWM 인버터부의 교류 입출력단으로 입력되는 전류의 파형을 도시하며, (b)는 양방향 PWM 인버터부의 직류 입출력단으로 출력되는 전압의 파형을 도시하며, (c)는 리플 제거 회로부의 출력 전압의 파형을 도시한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 양방향 PWM 인버터부(11)의 직류 입출력단 전압파형(VDC)은 양방향 PWM 인버터부의 교류 입출력단으로 입력되는 전류(iinv)의 영향으로 인해 리플성분이 있지만, 배터리부(11)를 충전하는 리플 제거 회로부의 벅 컨버터의 직류 출력 전압파형(Vbatt)은 리플이 없이 깨끗한 직류인 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 에너지 저장 시스템은 배터리부를 충전하는 전압/전류에 리플 성분이 존재하지 않도록 관리함으로써 배터리부의 수명을 높이는 데 기여할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치가 배터리부의 방전 모드로 동작하는 경우의 등가회로도이다.
계통(14)에 전력을 판매하거나, 계통의 전원에 고장이 발생하여 백업운전을 하는 방전운전모드에서는 제한된 배터리 에너지를 사용하여 최대한 오래 방전할 수 있도록 관리해야 한다. 도 4에 도시된 것과 같이, 방전 모드 동작을 위해 리플 제거 회로부(13)의 벅 컨버터를 정지시키면, 다이오드(16)는 순방향 바이어스되므로 자동적으로 온(단락)되고, 배터리부(11)의 직류 전력은 양방향 PWM 인버터부(12)의 직류링크측에 직접 가해져서 교류로 변환 가능하게 된다. 방전 모드에서, 전력은 배터리부(11)로부터 계통(14) 측을 향하여 흐른다. 리플 제거 회로부(13)에 포함된 두 개의 캐패시터(즉, 벅 컨버터의 입출력단에 접속 되었던 커패시터)(134, 135)는 병렬로 접속되어 커패시터 뱅크를 구성함으로써 양방향 PWM 인버터부(12)의 직류 입출력단의 전압을 안정화 시킨다.
이러한, 에너지 저장 장치의 회로 구조에 의하여, 양방향 PWM 인버터부(12)는 방전모드에서 배터리부(11)의 방전전압 변화에만 대응하여 동작하면 되기 때문에 상대적으로 안정적·고효율 운전이 가능하다. 또한, 배터리부(11)를 충전하는 충전운전모드에서 리플 제거 회로부(13)의 벅 컨버터가 리플이 없는 안정적인 직류 전압/전류를 배터리부(11)에 공급할 수 있으므로 배터리부(11)의 수명을 높일 수 있고, 양방향 PWM 인버터부(12)는 최적의 직류링크 전압으로 고효율 운전이 가능하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치의 블록 구성도이다.
계통측 전압 레벨이 높아지면 직류 링크측 전압도 비례하여 증가하여야 한다. 전술한 도 1의 에너지 저장 장치에서 직류 링크측 전압이 증가되기 위하여는 배터리부(11)를 구성하는 상호 직렬 연결된 배터리 셀의 개수가 증가되어야 하며, 배터리 셀의 개수가 증가하는 경우 충전 중에 배터리 셀들의 불균형이 발생되는 문제가 있다. 종래에는 이러한 배터리 셀들의 불균형 문제를 해소하기 위해 별도의 배터리 셀 평형 회로를 사용하였다.
본 발명의 일 실시형태에서는, 직류 링크측 전압 상승의 문제를 해소하고자 별도의 배터리 셀 평형 회로를 채용하는 대신, 도 5에 도시한 것과 같이, 배터리 부(11-1 내지 11-3) 내에 상호 직렬 연결된 배터리 셀의 개수를 셀 불균형의 문제가 발생되지 않는 범위의 적은 개수로 구성한다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 부(11-1 내지 11-3)는 단일 배터리 셀 또는 복수의 배터리 셀을 포함하되, 복수의 배터리 셀을 포함하는 경우 배터리 셀의 개수는, 셀 불평형의 문제가 발생하지 않는 적은 개수(예를 들어, 2 내지 3 개)의 배터리 셀을 포함하도록 구현될 수 있다.
또한, 복수의 배터리 부(11-1 내지 11-3) 각각에 리플 제거 회로부(13-1 내지 13-3)를 적용하며, 복수의 리플 제거 회로부(13-1 내지 13-3)를 상호 직렬 연결하여 양방향 PWM 인버터부(12)의 직류 입출력단에 연결한다. 더욱 구체적으로, 각 리플 제거 회로부(13-1 내지 13-3)의 출력단은 각 배터리부(11-1 내지 11-3)의 양극과 음극에 연결되고, 리플 제거 회로부(13-1 내지 13-3)의 입력단은 상호 직렬 연결될 수 있으며, 리플 제거 회로부(13-1 내지 13-3)의 직렬 연결 회로 구조는 전체적으로 양방향 PWM 인버터부(12)의 직류 입출력단에 연결될 수 있다. 각 리플 제거 회로부(13-1 내지 13-3)는 도 1에서 설명된 실시예와 같이 강압 직류-직류 컨버터인 벅 컨버터로 구현될 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 실시형태는, 복수의 리플 제거 회로부(13-1 내지 13-3)의 입출력 단자 사이에 각각 양단이 연결된 바이패스 스위칭 소자로서 다이오드(16-1 내지 16-3)를 연결할 수 있다. 다이오드(16-1 내지 16-3) 역시 도 1에서 설명된 바이패스 스위칭 소자인 다이오드(16)와 동일하게 동작할 수 있다.
이러한 도 5에 도시된 것과 같은 구성을 통해, 배터리 부(11-1 내지 11-3)의 충전시 발생할 수 있는 셀 불균형의 문제를 회피할 수 있으며, 동시에 에너지 저장 장치의 충전 운전 모드에서 리플에 제거된 직류 전력을 각 배터리부(11-1 내지 11-3)로 제공할 수 있다. 즉, 리플 제거 회로부(13-1 내지 13-3)의 벅 컨버터들이 각각에 연결된 배터리부(11-1 내지 11-3)를 독립적으로 최대한 충전하여 각 배터리 부 사이에 발생할 수 있는 충전불균형 문제를 미연에 방지할 수 있다. 에너지 저장 장치의 방전모드에서, 리플 제거 회로부(13-1 내지 13-3) 내 벅 컨버터 들은 정지되고 바이패스 스위치로 작용하는 복수의 다이오드(16-1 내지 16-3)가 단락 상태가 됨으로써 복수의 배터리부(11-1 내지 11-3)를 상호 직렬 접속되게 하여 높은 직류링크 전압을 확보할 수 있으므로, 양방향 PWM 인버터부(12)에 필요한 직류전압을 충분하게 공급할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
11: 배터리부 12: 양방향 PWM 인버터
121: 스위칭 회로부 122: LC 필터부
14: 계통(계통 전원) 15: 부하
16: 바이패스 스위칭 소자(다이오드) 17: 매칭 트랜스포머

Claims (11)

  1. 배터리부;
    상기 배터리부의 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하여 계통 또는 부하로 제공하고, 상기 계통으로부터 교류 전력을 제공받아 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리부로 제공하는 양방향 PWM 인버터부;
    상기 배터리부와 상기 양방향 PWM 인버터부 사이에 배치되며, 상기 양방향 PWM 인버터부에서 상기 배터리부로 전달되는 직류 전력의 리플 성분을 제거하는 리플 제거 회로부; 및
    상기 리플 제거 회로부와 상기 양방향 PWM 인버터부 사이의 연결 노드와 상기 리플 제거 회로부와 상기 배터리부 사이의 연결 노드 사이에 연결되어, 상기 배터리부가 충전되는 모드에서 개방되고 상기 배터리부가 방전되는 모드에서 단락되는 바이패스 스위칭 소자
    를 포함하는 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리플 제거 회로부는,
    상기 양방향 PWM 인버터부의 직류 입출력단에서 출력되는 전압을 강압하여 상기 배터리부로 제공하는 강압 직류-직류 컨버터인 것을 특징으로 하는 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 강압 직류-직류 컨버터는 벅(Buck) 컨버터인 것을 특징으로 하는 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 바이패스 스위칭 소자는,
    상기 리플 제거 회로부와 상기 양방향 PWM 인버터부 사이의 연결 노드와 상기 리플 제거 회로부와 상기 배터리부 사이의 연결 노드에 각각 애노드와 캐소드가 연결된 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치.
  6. 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하는 복수의 배터리부;
    상기 복수의 배터리부의 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하여 계통 또는 부하로 제공하고, 상기 계통으로부터 교류 전력을 제공받아 직류 전력으로 변환하여 상기 복수의 배터리부로 제공하는 양방향 PWM 인버터부;
    상기 복수의 배터리부의 양극과 음극에 각각 연결된 출력단을 갖는 복수의 리플 제거 회로부; 및
    상기 리플 제거 회로부의 입력단과 출력단 사이에 각각 연결되어, 상기 배터리부가 충전되는 모드에서 개방되고 상기 배터리부가 방전되는 모드에서 단락되는 복수의 바이패스 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 리플 제거 회로부의 입력단은 상호 직렬 연결되고, 상기 복수의 리플 제거 회로부로 이루어진 직렬 연결 회로 구조는 상기 양방향 PWM 인버터의 직류 입출력단에 연결된 것을 특징으로 하는 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 배터리부 각각에 포함된 배터리 셀의 개수는, 상호 직렬 연결된 배터리 셀 간의 셀 불평형 현상을 발생시키지 않는 개수인 것을 특징으로 하는 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 복수의 리플 제거 회로부는,
    상기 양방향 PWM 인버터부의 직류 입출력단에서 출력되는 전압의 분기 전압을 강압하여 각각이 연결된 배터리부로 제공하는 강압 직류-직류 컨버터인 것을 특징으로 하는 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 강압 직류-직류 컨버터는 벅(Buck) 컨버터인 것을 특징으로 하는 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치.
  10. 삭제
  11. 제6항에 있어서, 상기 바이패스 스위칭 소자는,
    상기 리플 제거 회로부의 입력단과 출력단에 각각 애노드와 캐소드가 연결된 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 향상이 가능한 에너지 저장 장치.
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