KR102654899B1 - 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템은, AC 전력망으로부터의 교류 전력을 기준 전압을 가지는 직류 전력으로 변환하여 DC 그리드에 출력하도록 구성되는 메인 전력 변환부; 상기 메인 전력 변환부의 출력 전력을 검출하도록 구성되는 전력계; 복수의 배터리에 일대일로 제공되고, 상기 DC 그리드에 전기적으로 결합되는 복수의 충방전기를 포함하는 충방전부; 및 상기 메인 전력 변환부의 출력 전력이 제1 임계 전력보다 큰 경우, 소정의 활성화 스케쥴을 기초로, 충전 이벤트를 지시하는 제1 제어 신호 또는 방전 이벤트를 지시하는 제2 제어 신호를 각 충방전기에게 선택적으로 전송하도록 구성되는 통합 제어부를 포함한다. 각 충방전기는, 상기 제1 제어 신호에 응답하여, 상기 DC 그리드의 직류 전력을 충전 전력으로 변환하여 상기 배터리를 충전하도록 구성된다. 각 충방전기는, 상기 제2 제어 신호에 응답하여, 상기 배터리로부터의 방전 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 DC 그리드로 출력하도록 구성된다. 각 충방전기는, 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호가 수신되지 않는 동안 상기 배터리의 충방전을 정지하도록 구성된다.
Description
본 발명은 배터리 활성화 공정에서의 효율적인 전력 관리를 위한 기술에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리는, 조립 공정과 활성화 공정을 순차적으로 거쳐 완성품으로서 출고된다. 조립 공정에서는, 양극, 음극 및 세퍼레이터의 적층체가 전해질과 함께 외장재에 수납 및 밀봉된다. 활성화 공정에서는, 조립 공정을 거친 배터리에 대한 초기 충전/방전 이벤트가 실행된다. 활성화 공정에 의해, 배터리의 전극 물질이 활성화된다.
배터리 활성화 공정은, 공통된 충방전 라인에 결합된 대량의 배터리를 미리 정해진 활성화 스케쥴에 따라 충전 그룹, 방전 그룹 및 휴지 그룹으로 설정하여, 각 그룹별로 충전 이벤트, 방전 이벤트 및 휴지 이벤트를 부여하는 절차를 반복하면서 수 시간에서 수일에 걸쳐 진행된다. 이러한 활성화 공정은, 상당량의 전력이 투입되고 관련된 제어 절차 역시 복잡한바, 전력 관리의 효율화 및 안정성이 무엇보다 중요하게 고려되어야 한다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리 활성화 공정을 위해, 대량의 배터리를 충방전 설비를 통해 DC 그리드에 공통적으로 결합하고, AC 전력망으로부터의 교류 전력을 배터리 활성화 공정에 요구되는 직류 전력으로 변환하여 DC 그리드에 출력하는, 직류 배전 기반의 충방전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템은, AC 전력망으로부터의 교류 전력을 기준 전압을 가지는 직류 전력으로 변환하여 DC 그리드에 출력하도록 구성되는 메인 전력 변환부; 상기 메인 전력 변환부의 출력 전력을 검출하도록 구성되는 전력계; 복수의 배터리에 일대일로 제공되고, 상기 DC 그리드에 전기적으로 결합되는 복수의 충방전기를 포함하는 충방전부; 및 상기 메인 전력 변환부의 출력 전력이 제1 임계 전력보다 큰 경우, 소정의 활성화 스케쥴을 기초로, 충전 이벤트를 지시하는 제1 제어 신호 또는 방전 이벤트를 지시하는 제2 제어 신호를 각 충방전기에게 선택적으로 전송하도록 구성되는 통합 제어부를 포함한다. 각 충방전기는, 상기 제1 제어 신호에 응답하여, 상기 DC 그리드의 직류 전력을 충전 전력으로 변환하여 상기 배터리를 충전하도록 구성된다. 각 충방전기는, 상기 제2 제어 신호에 응답하여, 상기 배터리로부터의 방전 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 DC 그리드로 출력하도록 구성된다. 각 충방전기는, 상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호가 수신되지 않는 동안 상기 배터리의 충방전을 정지하도록 구성된다.
상기 통합 제어부는, 상기 메인 전력 변환부의 출력 전력이 상기 제1 임계 전력 이하인 경우, 상기 활성화 스케쥴을 변경하여, 상기 휴지 상태인 적어도 하나의 충방전기에게 상기 제1 제어 신호를 전송하도록 구성될 수 있다.
상기 충방전 시스템은, 상기 DC 그리드와 외부 전력망 사이에 전기적으로 결합되고, 상기 DC 그리드의 전압 상승을 억제하도록 구성되는 제1 보호부를 더 포함할 수 있다.
상기 통합 제어부는, 상기 메인 전력 변환부의 출력 전력이 상기 제1 임계 전력보다 작은 제2 임계 전력 이하인 경우, 상기 제1 보호부에게 대기 명령을 전송하도록 구성될 수 있다. 상기 제1 보호부는, 상기 대기 명령에 응답하여, 상기 DC 그리드로부터 상기 외부 전력망으로의 전류 경로를 선택적으로 형성하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 보호부는, 제1 다이오드 및 제1 서브 전력 변환부를 포함할 수 있다. 상기 제1 다이오드는, 상기 DC 그리드와 상기 외부 전력망 사이에서, 제1 노드를 통해 상기 제1 서브 전력 변환부에 직렬 연결되고, 상기 DC 그리드로부터 상기 제1 서브 전력 변환부로의 전류 경로를 제공할 수 있다. 상기 제1 서브 전력 변환부는, 상기 대기 명령에 응답하여 오프 상태로부터 대기 상태로 전환하여 동작 중에, 상기 제1 노드의 전압이 상기 기준 전압보다 큰 제1 임계 전압 이상인 경우, 상기 DC 그리드의 직류 전력을 상기 외부 전력망으로 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 충방전 시스템은, 상기 DC 그리드와 외부 전력망 사이에 전기적으로 결합되고, 상기 DC 그리드의 전압 강하를 억제하도록 구성되는 제2 보호부를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 보호부는, 슈퍼 커패시터; 상기 슈퍼 커패시터와 상기 외부 전력망 사이에 전기적으로 결합되고, 상기 외부 전력망으로부터의 전력을 이용하여 상기 슈퍼 커패시터를 선택적으로 충전하도록 구성되는 제2 서브 전력 변환부; 및 상기 슈퍼 커패시터로부터 상기 DC 그리드로의 전류 경로를 제공하는 제2 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 통합 제어부는, 상기 슈퍼 커패시터와 상기 제2 다이오드의 접속점인 제2 노드의 전압이 상기 기준 전압보다 작은 제2 임계 전압 이하인 경우, 경우, 상기 제2 서브 전력 변환부에게 충전 명령을 전송하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 서브 전력 변환부는, 상기 충전 명령에 응답하여, 상기 슈퍼 커패시터를 충전하도록 구성될 수 있다.
상기 충방전 시스템은, 상기 DC 그리드와 상기 통합 제어부에 전기적으로 결합되고, 상기 AC 전력망이 정전된 경우, 상기 기준 전압을 가지는 비상 전력을 상기 통합 제어부에 출력하도록 구성되는 제3 보호부를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 보호부는, 백업 배터리; 상기 DC 그리드와 상기 백업 배터리 사이에 전기적으로 결합되는 제3 서브 전력 변환부; 및 상기 DC 그리드로부터 상기 제2 서브 전력 변환부로의 전류 경로를 제공하는 제3 다이오드를 포함할 수 있다. 상기 제3 서브 전력 변환부는, 상기 AC 전력망이 정상인 경우, 상기 제3 다이오드를 통해 공급되는 상기 DC 그리드의 전력을 이용하여 상기 백업 배터리를 선택적으로 충전하도록 구성될 수 있다. 상기 제3 서브 전력 변환부는, 상기 백업 배터리의 방전 전력을 상기 비상 전력으로 선택적으로 변환하도록 구성될 수 있다.
상기 충방전 시스템은, 상기 DC 그리드와 각 충방전기를 연결하는 전력 라인에 설치되는 제4 보호부를 더 포함할 수 있다. 상기 통합 제어부는, 상기 전력 라인의 절연 이상이 감지된 경우, 상기 제4 보호부에 트립 신호를 전송하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 대량의 배터리를 충방전 설비를 통해 DC 그리드에 공통적으로 결합하고, DC 그리드와 AC 전력망 간에 설치된 전력 변환기가 AC 전력망으로부터의 교류 전력을 배터리 활성화 공정에 요구되는 직류 전력으로 변환하여 DC 그리드에 일괄적으로 출력할 수 있다. 이에 따라, 각 충방전기가 AC 전력망으로부터의 교류 전력을 개별적으로 직류 전력으로 변환하여 배터리를 충전하는 방식에 비하여, 활성화 공정에 투입되는 전력량을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 방전 그룹의 각 배터리로부터의 방전 전력을 강제로 소모하는 대신 회생 전력으로서 DC 그리드로 공급할 수 있다. 이에 따라, 충전 그룹의 각 배터리가 전력 변환기로부터의 직류 전력 및 회생 전력에 의해 충전 가능하여, 활성화 공정에 투입되는 전력량을 추가적으로 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 방전 그룹으로부터의 회생 전력이 충전 그룹에서 사용되는 직류 전력을 초과하는 경우, DC 그리드의 직류 전력을 외부 전력망으로 전달 및/또는 휴지 그룹의 일부 배터리를 충전 그룹으로 변경함으로써, DC 그리드의 과도한 전압 상승을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 충전 그룹에서 사용되는 직류 전력이 방전 그룹으로부터의 회생 전력을 초과 외부 전력망에 결합된 슈퍼 커패시터로부터의 보충 전력을 DC 그리드로 전달함으로써, DC 그리드의 과도한 전압 강하를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, AC 전력망의 정전 시, 백업용 배터리의 직류 전력을 방전시켜 충방전 시스템의 부하 기기에 공급할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 충방전 시스템의 구성들 간의 통신 연결 관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 충방전부에 대한 제어 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 4는 도 1에 도시된 제1 보호부에 대한 제어 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 5는 도 1에 도시된 제2 보호부에 대한 제어 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 6은 도 1에 도시된 제3 보호부에 대한 제어 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 충방전 시스템의 구성들 간의 통신 연결 관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 충방전부에 대한 제어 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 4는 도 1에 도시된 제1 보호부에 대한 제어 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 5는 도 1에 도시된 제2 보호부에 대한 제어 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 6은 도 1에 도시된 제3 보호부에 대한 제어 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 충방전 시스템(10)의 구성들 간의 통신 연결 관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 충방전 시스템(10)은, DC 그리드(20), 통합 제어부(110), 전력계(113), 메인 전력 변환부(110) 및 배터리 충방전부(120)를 포함한다. 충방전 시스템(10)은, 제1 보호부(210), 제2 보호부(220), 제3 보호부(230) 및 제4 보호부(240)를 더 포함할 수 있다.
통합 제어부(110)는, 자신과 동작 가능하게 결합된 AC 전력망(1), DC 그리드(20), 메인 전력 변환부(110), 배터리 충방전부(120), 전력계(113),제1 보호부(210), 제2 보호부(220), 제3 보호부(230) 및 제4 보호부(240)에 각각의 운용 상태를 모니터링하고, 모니터링된 운용 상태에 대응하는 제어 기능을 실행하도록 구성된다. 통합 제어부(110)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 통합 제어부(110)는, 적어도 하나의 전압 센서를 포함할 수 있다. 각 전압 센서는 충방전 시스템(10) 내에 위치하는 노드들(N1, N2, N3)의 전압을 측정할 수 있다. 통합 제어부(110)는, 메모리를 가질 수 있다. 메모리는, 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 메모리는, 통합 제어부(110)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리부는, 통합 제어부(110)에 의한 연산 동작의 결과를 나타내는 데이터를 저장할 수 있다.
메인 전력 변환부(110)는, AC 전력망(1)과 DC 그리드(20)를 연결하는 전력 라인에 설치된다. 메인 전력 변환부(110)는, 직류 배전 기반으로, AC 전력망(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 DC 그리드(20)에 출력한다. 메인 전력 변환부(110)로부터의 출력 전력의 전압은 피드백 제어에 의해 기준 전압(예, 370 V)으로 유지될 수 있다. 메인 전력 변환부(110)는, AC-DC 컨버터(111)를 포함한다. 통합 제어부(110)는, AC 전력망(1)의 운용 상태에 따라, AC-DC 컨버터(111)를 온오프 및 출력 전력을 제어할 수 있다. 메인 전력 변환부(110), 제1 보호 다이오드(112)를 더 포함할 수 있다. 제1 보호 다이오드(112)는, AC-DC 컨버터(111)로부터 DC 그리드(20)로의 순방향 전류가 흐를 수 있는 전류 경로를 제공한다.
통합 제어부(110)는, 전력계(113)의 검출값을 기초로, 메인 전력 변환부(110)의 출력 전력을 모니터링할 수 있다. 전력계(113)는, 메인 전력 변환부(110)와 DC 그리드(20) 사이의 전력 라인에 설치된다. 전력계(113)는, 메인 전력 변환부(110)로부터 출력되는 직류 전력을 검출하고, 검출된 직류 전력을 나타내는 검출값을 통합 제어부(110)에게 전송한다.
통합 제어부(110)는, 전력계(113)의 검출값 등을 기초로, AC 전력망(1) 및/또는 DC 그리드(20)의 전압 불안정 상태가 검출되는 경우, 충방전 시스템(10)을 전반적으로 보호하기 위한 제어 기능을 실행할 수 있다.
구체적으로, DC 그리드(20)에 걸리는 부하량이 감소할수록 전력계(113)의 검출값은 감소한다. 예컨대, 방전 그룹으로부터 DC 그리드(20)로 공급되는 회생 전력이 DC 그리드(20)로부터 충전 그룹으로 공급되는 직류 전력보다 큰 전력 과잉 상황에서, 메인 전력 변환부(110)는 출력 전력을 감소시킴으로써 DC 그리드(20)의 직류 전압의 과도한 상승을 1차적으로 억제할 수 있다.
DC 그리드(20)에 걸리는 부하량이 증가할수록 전력계(113)의 검출값은 증가한다. 예컨대, DC 그리드(20)로부터 충전 그룹으로 공급되는 직류 전력이 방전 그룹으로부터 DC 그리드(20)로 공급되는 회생 전력보다 큰 전력 부족 상황에서, 메인 전력 변환부(110)는 출력 전력을 증가시킴으로써 DC 그리드(20)의 직류 전압의 과도한 강하를 1차적으로 억제할 수 있다.
배터리 충방전부(120)는, 활성화 대상인 복수의 배터리(B)를 DC 그리드(20)에 연계하도록 구성된다. 배터리 충방전부(120)는, 복수의 충방전기(121)를 포함한다. 복수의 충방전기(121)는, 복수의 배터리(B)에 일대일로 제공된다. 충방전기(121)는, DC 그리드(20)와 배터리(B) 사이의 전력 라인에 설치되어, DC 그리드(20)와 배터리(B) 간의 양방향 전력 전달을 연계한다. 충방전기(121)는, 단일의 양방향 DC-DC 컨버터 또는 두 양방향 DC-DC 컨버터의 직렬 연결로 구성될 수 있다.
통합 제어부(110)는, DC 그리드(20)의 운용 상태가 정상인 경우, 활성화 스케쥴 정보에 따른 제어 시퀀스를 추종하면서, 메인 전력 변환부(110) 및 배터리 충방전부(120)를 제어한다
구체적으로, 통합 제어부(110)는, 메인 전력 변환부(110)의 출력 전력이 제1 임계 전력(예, 20kW)보다 큰 경우, 소정의 활성화 스케쥴 정보를 기초로, 설정 시간마다, 복수의 배터리(B)를 충전 그룹, 방전 그룹 및 휴지 그룹으로 분류할 수 있다.
통합 제어부(110)는, 충전 그룹의 배터리(B)에 결합된 충방전기(121)에게 충전 이벤트를 지시하는 제1 제어 신호를, 방전 그룹의 배터리(B)에 결합된 충방전기(121)에게 방전 이벤트를 지시하는 제2 제어 신호를 전송할 수 있다.
충방전기(121)는, 제1 제어 신호에 응답하여, DC 그리드(20)의 직류 전력을 충전 전력으로 변환하여 배터리(B)를 충전한다. 즉, 충방전기(121)는, 제1 제어 신호에 응답하여, DC 그리드(20)의 직류 전압을 배터리(B)의 충전에 요구되는 직류 전압으로 강압한다.
충방전기(121)는, 제2 제어 신호에 응답하여, 배터리(B)의 방전으로 생성되는 회생 전력을 DC 그리드(20)로 출력한다. 즉, 충방전기(121)는, 제2 제어 신호에 응답하여, 배터리(B)의 방전 전력의 직류 전압을 DC 그리드(20)에 요구되는 직류 전압으로 승압한다.
충방전기(121)는, 제1 제어 신호 및 제2 제어 신호 둘다 수신되지 않는 동안에는, 배터리(B)를 휴지 모드가 된다. 휴지 모드란, 배터리(B)의 충방전을 정지하고 있는 모드이다.
통합 제어부(110)는, 메인 전력 변환부(110)의 출력 전력이 제1 임계 전력(예, 20kW) 이하인 경우, DC 그리드(20)로부터 배터리 충방전부(120)로 공급되는 전력량을 증가시키기 위해 활성화 스케쥴 정보를 변경하여, 휴지 상태로 제어 중인 적어도 하나의 충방전기(121)에게 제1 제어 신호를 전송할 수 있다.
한편, 메인 전력 변환부(110) 단독의 제어 기능만으로는, DC 그리드(20)의 전압 불안정 상황에 완벽히 대응하기 어려울 수 있다. 충방전 시스템(10)은, 제1 보호부(210), 제2 보호부(220), 제3 보호부(230) 및 제4 보호부(240) 중 적어도 하나를 DC 그리드(20)의 급격한 전압 변동을 억제하기 위한 보조적 수단으로서 활용한다.
통합 제어부(110)는, 메인 전력 변환부(110)의 출력 전력이 제2 임계 전력 이하인 경우, 제1 보호부(210)에게 대기 명령을 전송할 수 있다. 제2 임계 전력은, 제1 임계 전력보다 작은 값으로서, DC 그리드(20)로 공급되는 회생 전력의 과잉 상황을 판정하기 위한 기준값일 수 있다.
제1 보호부(210)는, DC 그리드(20)와 외부 전력망(2)을 연결하는 전력 라인에 설치된다. 제1 보호부(210)는, 서로 직렬 연결되는, 제1 서브 전력 변환부(212) 및 제1 보호 다이오드(211)를 포함한다. 제1 보호 다이오드(211)는, DC 그리드(20)와 제1 서브 전력 변환부(212)의 입력단 간에 연결된다. 제1 보호 다이오드(211)는, DC 그리드(20)로부터 제1 서브 전력 변환부(212)로의 순방향 전류가 흐를 수 있는 전류 경로를 제공한다.
제1 보호부(210)는, 대기 명령이 수신되지 않는 동안에는 전력을 전혀 소모하지 않는 오프 상태로 유지된다. 즉, 통합 제어부(110)는, 메인 전력 변환부(110)의 출력 전력이 제2 임계 전력 이하인 경우에 한하여 제1 보호부(210)를 동작시킴으로써, 제1 보호부(210)에서 불필요한 전력 소모를 절감할 수 있다.
제1 보호부(210)는, 대기 명령이 수신되는 경우, 오프 상태로부터 대기 상태로 전환한다. 제1 서브 전력 변환부(212)는, 대기 명령에 응답하여 대기 상태로 동작 중에, 제1 노드(N1)의 전압이 기준 전압보다 큰 제1 임계 전압(예, 380 V) 이상인 경우, 대기 상태로부터 온 상태로 전환한다. 제1 노드(N1)는, DC 그리드(20)와 제1 보호 다이오드(211)의 접속점 또는 제1 보호 다이오드(211)와 제1 서브 전력 변환부(212)의 입력단의 접속점일 수 있다. 제1 서브 전력 변환부(212)는, 단방향 DC-DC 컨버터 및 단방향 DC-AC 컨버터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 서브 전력 변환부(212)는, 온 상태로 동작 중에, DC 그리드(20)의 직류 전력을 외부 전력망(2)에 의해 수용 가능한 범위의 전압을 가지는 직류 전력 및/또는 교류 전력으로 변환한다. 이에 따라, DC 그리드(20)의 직류 전압의 과도한 상승을 2차적으로 억제할 수 있다.
제2 보호부(220)는, 외부 전력망(2)과 DC 그리드(20)를 연결하는 전력 라인에 설치된다. 제2 보호부(220)는, 서로 직렬 연결되는, 제2 보호 다이오드(221), 슈퍼 커패시터(223) 및 제2 서브 전력 변환부(222)를 포함한다. 제2 보호 다이오드(221)는, 슈퍼 커패시터(223)와 DC 그리드(20) 간에 연결된다. 제2 보호 다이오드(221)는, 슈퍼 커패시터(223)로부터 DC 그리드(20)로의 순방향 전류가 흐를 수 있는 전류 경로를 제공한다. 제2 서브 전력 변환부(222)의 입력단 및 출력단은 각각 외부 전력망(2)과 슈퍼 커패시터(223)에 결합된다.
통합 제어부(110)는, 슈퍼 커패시터(223)와 제2 보호 다이오드(221)의 접속점인 제2 노드(N2)의 전압이 기준 전압보다 작은 제2 임계 전압(예, 360 V) 이하인 경우인 경우, 제2 서브 전력 변환부(222)에게 충전 명령을 전송할 수 있다.
제2 서브 전력 변환부(222)는, 충전 명령이 수신되지 않는 동안에는 전력을 전혀 소모하지 않는 오프 상태로 유지될 수 있다. 제2 서브 전력 변환부(222)는, 충전 명령이 수신되는 경우, 오프 상태로부터 온 상태로 전환하여, 외부 전력망(2)으로부터의 직류 전력 및/또는 교류 전력을 제2 임계 전압을 가지는 직류 전력으로 변환하여 슈퍼 커패시터(223)를 충전한다. DC 그리드(20)의 전압이 제2 임계 전압 미만으로 강하하는 경우, 슈퍼 커패시터(223)와 DC 그리드(20) 간의 전압차에 의해, 슈퍼 커패시터(223)에 충전된 직류 전력이 백업 전력으로서 제2 보호 다이오드(221)를 통해 DC 그리드(20)로 공급된다. 슈퍼 커패시터(223)는, 제2 임계 전압으로 충전 시, DC 그리드(20)의 순단을 소정의 백업 시간(예, 1~5초) 이상 지연시킬 수 있는 용량을 가질 수 있다. 이에 따라, DC 그리드(20)의 직류 전압의 과도한 강하를 2차적으로 억제할 수 있다.
통합 제어부(110)는, 제2 서브 전력 변환부(222)를 피드백 제어함으로써, 제2 서브 전력 변환부(222)에 의해 슈퍼 커패시터(223)가 충전되는 중의 전압 오버슛 현상을 방지할 수 있다.
통합 제어부(110)는, AC 전력망(1)의 정전 시, 제3 보호부(230)에게 제3 방전 명령을 전송할 수 있다. 제3 보호부(230)는, AC 전력망(1)이 정상 상태인 동안에 직류 전력을 충전해두었다가, AC 전력망(1)의 정전 시에 부하 기기에게 비상 전력을 공급하도록 구성된다.
제3 보호부(230)는, 서로 직렬 연결된, 제3 보호 다이오드(231), 제3 서브 전력 변환부(232) 및 백업 배터리(233)를 포함한다. 제3 보호 다이오드(231)는, DC 그리드(20)와 제3 서브 전력 변환부(232) 간에 연결된다. 제3 보호 다이오드(231)는, DC 그리드(20)로부터 제3 서브 전력 변환부(232)로의 순방향 전류가 흐를 수 있는 전류 경로를 제공한다. 제3 서브 전력 변환부(232)로는, 양방향 DC-DC 컨버터가 이용될 수 있다. 제3 서브 전력 변환부(232)는, 방전 명령이 수신되지 않는 경우에는, 제3 보호 다이오드(231)를 통해 공급되는 DC 그리드(20)로부터의 직류 전력을 이용하여 백업 배터리(233)를 위한 충전 전력을 생성하도록 구성된다.
제3 보호부(230)는, 제3 기동 신호에 응답하여, 백업 배터리(233)를 방전 전력의 전압을 승압하여 비상 전력을 출력한다. 비상 전력의 전압은 기준 전압 이상이며, 따라서 제3 보호 다이오드(231)에 의해 DC 그리드(20)는 비상 전력으로부터 차단되는 한편, 부하 기기는 제3 보호 다이오드(231)와 제3 서브 전력 변환부(232) 간의 접속점인 제3 노드(N3)를 통해 비상 전력을 공급받는다. 여기서, 비상 전력을 공급받게 되는 부하 기기는, 통합 제어부(110) 등과 같이 충방전 시스템(10)에 포함되는 구성이라면 특별히 제한되지 않는다.
제3 보호부(230)는 제2 보호부(220)와의 상호 작용을 통해, 충방전 시스템(10)을 효과적으로 보호할 수 있다. 상세히는, AC 전력망(1)의 정전 시, 제3 보호부(230)로부터의 비상 전력에 의한 통합 제어기가 재부팅되는 동안, 제2 보호부(220)에 의해 DC 그리드(20)의 순단이 방지될 수 있다.
제4 보호부(240)는, DC 그리드(20)에 연결된 각 전력 라인에 설치되는 차단기(241)를 포함한다. 즉, 메인 전력 변환부(110), 충방전기(121), 제1 보호부(210), 제2 보호부(220), 제3 보호부(230) 및 제4 보호부(240) 각각과 DC 그리드(20) 사이에 차단기(241)가 하나씩 설치될 수 있다. 통합 제어부(110)는, 차단기(241)가 설치된 각 전력 라인의 절연 이상(예, 단락, 지락)을 감시한다. 통합 제어부(110)는, 절연 이상이 검출된 각 전력 라인의 차단기(241)에게 트립 신호를 전송하여, DC 그리드(20)로부터 탈락시킨다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 충방전부(120)에 대한 제어 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 3의 방법은, 복수의 배터리(B)에 대한 활성화 공정이 완료될 때까지, 설정 시간마다 반복될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 단계 S310에서, 통합 제어부(110)는, 소정의 활성화 스케쥴을 기초로, 복수의 충방전기(121) 각각을 충전 그룹, 방전 그룹 및 휴지 그룹 중 어느 하나로 분류한다.
단계 S320에서, 통합 제어부(110)는, 전력계(113)의 검출값을 기초로, 메인 전력 변환부(110)의 출력 전력이 제1 임계 전력보다 큰지 여부를 판정한다. 단계 S320의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S330으로 진행된다. 단계 S320의 값이 "예"인 경우, 단계 S340으로 진행된다.
단계 S330에서, 통합 제어부(110)는, 활성화 스케쥴을 변경하여, 휴지 그룹에 속하는 적어도 하나의 충방전기(121)를 충전 그룹으로 분류한다.
단계 S340에서, 통합 제어부(110)는, 충전 그룹에 속하는 각 충방전기(121)에게 제1 제어 신호를 출력하고, 방전 그룹에 속하는 각 충방전기(121)에게 제2 제어 신호를 출력한다.
도 4는 도 1에 도시된 제1 보호부(210)에 대한 제어 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 4의 방법은, 복수의 배터리(B)에 대한 활성화 공정이 완료될 때까지, 설정 시간마다 반복될 수 있다.
단계 S410에서, 통합 제어부(110)는, 전력계(113)의 검출값을 기초로, 메인 전력 변환부(110)의 출력 전력이 제2 임계 전력보다 큰지 여부를 판정한다. 단계 S410의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S420으로 진행된다. 단계 S410의 값이 "예"인 경우, 단계 S430으로 진행된다.
단계 S420에서, 통합 제어부(110)는, 제1 서브 전력 변환부(212)에게 대기 명령을 전송한다. 제1 서브 전력 변환부(212)는, 대기 명령에 응답하여, 대기 상태가 된다.
단계 S430에서, 통합 제어부(110)는, 제1 서브 전력 변환부(212)에게 제1 정지 명령을 전송한다. 제1 서브 전력 변환부(212)는, 제1 정지 명령에 응답하여, 오프 상태가 된다.
단계 S440에서, 통합 제어부(110)는, 제1 서브 전력 변환부(212)의 제1 노드(N1)의 전압이 제1 임계 전압 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S440는 통합 제어부(110) 대신, 제1 서브 전력 변환부(212)에 의해 실행될 수도 있다. 단계 S440의 값이 "예"인 경우, 단계 S450으로 진행된다.
단계 S450에서, 통합 제어부(110)는, 제1 서브 전력 변환부(212)에게 제1 동작 명령을 전송한다. 제1 서브 전력 변환부(212)는, 제1 동작 명령에 응답하여, DC 그리드(20)의 직류 전력을 외부 전력망(2)으로 출력한다.
도 5는 도 1에 도시된 제2 보호부(220)에 대한 제어 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 5의 방법은, 복수의 배터리(B)에 대한 활성화 공정이 완료될 때까지, 설정 시간마다 반복될 수 있다.
단계 S510에서, 통합 제어부(110)는, 슈퍼 커패시터(223)의 전압이 제2 임계 전압 이하인지 여부를 판정한다. 단계 S510의 값이 "예"인 경우, 단계 S520으로 진행된다.
단계 S520에서, 통합 제어부(110)는, 제2 서브 전력 변환부(222)에게 충전 명령을 전송한다. 제2 서브 전력 변환부(222)는, 충전 명령에 응답하여, 외부 전력망(2)으로부터의 전력을 슈퍼 커패시터(223)를 위한 충전 전력으로 변환한다.
도 6은 도 1에 도시된 제3 보호부(230)에 대한 제어 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 6의 방법은, 복수의 배터리(B)에 대한 활성화 공정이 완료될 때까지, 설정 시간마다 반복될 수 있다.
단계 S610에서, 통합 제어부(110)는, AC 전력망(1)의 정전 여부를 판정한다. 단계 S610의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S620으로 진행된다. 단계 S610의 값이 "예"인 경우, 단계 S640으로 진행된다.
단계 S620에서, 통합 제어부(110)는, 백업 배터리(233)의 전압이 기준 전압 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S620의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S630으로 진행된다.
단계 S630에서, 통합 제어부(110)는, 제3 서브 전력 변환부(232)에게 충전 명령을 전송한다. 제3 서브 전력 변환부(232)는, 충전 명령에 응답하여, DC 그리드(20)로부터의 직류 전력을 백업 배터리(233)를 위한 충전 전력으로 변환한다.
단계 S640에서, 통합 제어부(110)는, 제3 서브 전력 변환부(232)에게 방전 명령을 전송한다. 제3 서브 전력 변환부(232)는, 방전 명령에 응답하여, 백업 배터리(233)로부터의 방전 전력을 비상 전력으로 변환한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
1: AC 전력망
2: 외부 전력망
10: 충방전 시스템
20: DC 그리드
100: 통합 제어부
110: 메인 전력 변환부
113: 전력계
120: 배터리 충방전부
121: 충방전기
210: 제1 보호부
211: 제1 보호 다이오드
212: 제1 서브 전력 변화부
220: 제2 보호부
221: 제2 보호 다이오드
222: 제2 서브 전력 변화부
223: 슈퍼 커패시터
230: 제3 보호부
231: 제3 보호 다이오드
232: 제3 서브 전력 변화부
233: 백업 배터리
240: 제4 보호부
241: 차단기
2: 외부 전력망
10: 충방전 시스템
20: DC 그리드
100: 통합 제어부
110: 메인 전력 변환부
113: 전력계
120: 배터리 충방전부
121: 충방전기
210: 제1 보호부
211: 제1 보호 다이오드
212: 제1 서브 전력 변화부
220: 제2 보호부
221: 제2 보호 다이오드
222: 제2 서브 전력 변화부
223: 슈퍼 커패시터
230: 제3 보호부
231: 제3 보호 다이오드
232: 제3 서브 전력 변화부
233: 백업 배터리
240: 제4 보호부
241: 차단기
Claims (11)
- AC 전력망으로부터의 교류 전력을 기준 전압을 가지는 직류 전력으로 변환하여 DC 그리드에 출력하도록 구성되는 메인 전력 변환부;
상기 메인 전력 변환부의 출력 전력을 검출하도록 구성되는 전력계;
복수의 배터리에 일대일로 제공되고, 상기 DC 그리드에 전기적으로 결합되는 복수의 충방전기를 포함하는 충방전부;
상기 DC 그리드와 외부 전력망 사이에 전기적으로 결합되고, 상기 DC 그리드의 전압 강하를 억제하도록 구성되는 제2 보호부; 및
충전 이벤트를 지시하는 제1 제어 신호 또는 방전 이벤트를 지시하는 제2 제어 신호를 각 충방전기에게 선택적으로 전송하도록 구성되는 통합 제어부를 포함하고,
각 충방전기는,
상기 제1 제어 신호에 응답하여, 상기 DC 그리드의 직류 전력을 충전 전력으로 변환하여 상기 배터리를 충전하고,
상기 제2 제어 신호에 응답하여, 상기 배터리로부터의 방전 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 DC 그리드로 출력하고,
상기 제1 제어 신호 및 상기 제2 제어 신호가 수신되지 않는 동안 상기 배터리의 충방전을 정지하도록 구성되고,
상기 제2 보호부는,
슈퍼 커패시터;
상기 슈퍼 커패시터와 상기 외부 전력망 사이에 전기적으로 결합되고, 상기 외부 전력망으로부터의 전력을 이용하여 상기 슈퍼 커패시터를 선택적으로 충전하도록 구성되는 제2 서브 전력 변환부; 및
상기 슈퍼 커패시터로부터 상기 DC 그리드로의 전류 경로를 제공하는 제2 보호 다이오드를 포함하는 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 통합 제어부는,
상기 메인 전력 변환부의 출력 전력이 제1 임계 전력 이하인 경우, 소정의 활성화 스케쥴을 변경하여, 휴지 상태인 적어도 하나의 충방전기에게 상기 제1 제어 신호를 전송하도록 구성되는 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 DC 그리드와 외부 전력망 사이에 전기적으로 결합되고, 상기 DC 그리드의 전압 상승을 억제하도록 구성되는 제1 보호부를 더 포함하는 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 통합 제어부는,
상기 메인 전력 변환부의 출력 전력이 상기 제1 임계 전력보다 작은 제2 임계 전력 이하인 경우, 상기 제1 보호부에게 대기 명령을 전송하도록 구성되고,
상기 제1 보호부는,
상기 대기 명령에 응답하여, 상기 DC 그리드로부터 상기 외부 전력망으로의 전류 경로를 선택적으로 형성하도록 구성되는 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 제1 보호부는,
제1 보호 다이오드 및 제1 서브 전력 변환부를 포함하되,
상기 제1 보호 다이오드는,
상기 DC 그리드와 상기 외부 전력망 사이에서, 제1 노드를 통해 상기 제1 서브 전력 변환부에 직렬 연결되고, 상기 DC 그리드로부터 상기 제1 서브 전력 변환부로의 전류 경로를 제공하고,
상기 제1 서브 전력 변환부는,
상기 대기 명령에 응답하여 오프 상태로부터 대기 상태로 전환하여 동작 중에, 상기 제1 노드의 전압이 상기 기준 전압보다 큰 제1 임계 전압 이상인 경우, 상기 DC 그리드의 직류 전력을 상기 외부 전력망으로 출력하도록 구성되는 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 통합 제어부는,
상기 슈퍼 커패시터와 상기 제2 보호 다이오드의 접속점인 제2 노드의 전압이 상기 기준 전압보다 작은 제2 임계 전압 이하인 경우, 경우, 상기 제2 서브 전력 변환부에게 충전 명령을 전송하도록 구성되고,
상기 제2 서브 전력 변환부는,
상기 충전 명령에 응답하여, 상기 슈퍼 커패시터를 충전하도록 구성되는 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 DC 그리드와 상기 통합 제어부에 전기적으로 결합되고, 상기 AC 전력망이 정전된 경우, 상기 기준 전압을 가지는 비상 전력을 상기 통합 제어부에 출력하도록 구성되는 제3 보호부를 더 포함하는 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템.
- 제9항에 있어서,
상기 제3 보호부는,
백업 배터리;
상기 DC 그리드와 상기 백업 배터리 사이에 전기적으로 결합되는 제3 서브 전력 변환부; 및
상기 DC 그리드로부터 상기 제2 서브 전력 변환부로의 전류 경로를 제공하는 제3 보호 다이오드를 포함하고,
상기 제3 서브 전력 변환부는,
상기 AC 전력망이 정상인 경우, 상기 제3 보호 다이오드를 통해 공급되는 상기 DC 그리드의 전력을 이용하여 상기 백업 배터리를 선택적으로 충전하고,
상기 백업 배터리의 방전 전력을 상기 비상 전력으로 선택적으로 변환하도록 구성되는 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 DC 그리드와 각 충방전기를 연결하는 전력 라인에 설치되는 제4 보호부를 더 포함하되,
상기 통합 제어부는,
상기 전력 라인의 절연 이상이 감지된 경우, 상기 제4 보호부에 트립 신호를 전송하도록 구성되는 배터리 활성화를 위한 직류 배전 기반의 충방전 시스템.
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