KR20120017930A

KR20120017930A - 전력 저장 시스템, 그 제어방법 및 이를 실행시키기 위한 프로그램을 저장한 기록매체

Info

Publication number: KR20120017930A
Application number: KR1020100080885A
Authority: KR
Inventors: 강진욱; 김재순
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2012-02-29
Also published as: US20120043819A1; KR101193168B1; US8860252B2

Abstract

본 발명은 전력 저장 시스템, 그 제어방법, 및 이를 실행시키기 위한 프로그램을 저장한 기록매체에 관한 것으로, 발전 시스템, 배터리, 및 계통의 전력을 연계하여 부하에 공급하는 전력 저장 시스템으로서, 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부와, 배터리 관리부에 전원을 공급하는 전원 공급회로를 포함하며, 전원 공급회로는, 외부 전력이 인가되는 제1 상태일 때에는 외부 전력을 배터리 관리부의 동작 전원으로서 배터리 관리부에 공급하고, 외부 전력이 인가되지 않는 제2 상태일 때에는 배터리로부터 전력을 배터리 관리부의 동작 전원으로서 배터리 관리부에 공급하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템을 제공하여 외부 전력의 공급이 중단되는 경우에도 배터리 관리부가 안정적으로 동작할 수 있도록 한다.

Description

전력 저장 시스템, 그 제어방법 및 이를 실행시키기 위한 프로그램을 저장한 기록매체{Power storage system, controlling method of the same, and recording medium storing program to execute the method}

본 발명은 전력 저장 시스템, 그 제어방법, 및 이를 실행시키기 위한 프로그램을 저장한 기록매체에 관한 것이다.

환경 파괴, 자원 고갈 등이 문제되면서, 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 이와 함께 발전 과정에서 공해를 유발하지 않는 신재생 에너지에 대한 관심도 높아지고 있다. 전력 저장 시스템은 이러한 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템으로서, 오늘날의 환경 변화에 맞추어 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.

전력 저장 시스템에 포함된 배터리는 배터리 관리부에 의하여 제어되며, 이때 배터리 관리부는 동작 전원으로 외부 전력을 공급받는다.

본 발명의 실시 예들이 해결하고자 하는 과제는 외부 전력의 공급이 중단되는 경우에도 배터리 관리부가 안정적으로 동작할 수 있는 전력 저장 시스템, 그 제어방법, 및 이를 실행시키기 위한 프로그램을 저장한 기록매체를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 실시 예들의 일 측면에 의하면, 발전 시스템, 배터리, 및 계통의 전력을 연계하여 부하에 공급하는 전력 저장 시스템으로서, 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부와, 배터리 관리부에 전원을 공급하는 전원 공급회로를 포함하며, 전원 공급회로는, 외부 전력이 인가되는 제1 상태일 때에는 외부 전력을 배터리 관리부의 동작 전원으로서 배터리 관리부에 공급하고, 외부 전력이 인가되지 않는 제2 상태일 때에는 배터리로부터 전력을 배터리 관리부의 동작 전원으로서 배터리 관리부에 공급하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템을 제공한다.

이러한 본 실시 예의 다른 특징에 의하면, 전원 공급회로는, 외부 전력을 배터리 관리부로 인가하는 제1 전원 공급 경로와, 배터리로부터의 전력을 배터리 관리부로 인가하는 제2 전원 공급 경로를 포함할 수 있다.

본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 전원 공급회로는, 외부 전력이 인가되는 입력단자와 배터리 관리부의 전원공급단자 사이에 연결되는 제1 다이오드와, 배터리의 출력 전압을 강압하는 컨버터와, 컨버터와 배터리 관리부의 전원공급단자 사이에 연결되는 제2 다이오드를 포함할 수 있다.

본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 컨버터는 배터리의 출력 전압을 외부 전력의 전압과 동일한 크기로 강압할 수 있다.

본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 컨버터는 배터리의 출력 전압을 배터리 관리부의 동작 전압으로 강압할 수 있다.

본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 전원 공급회로는, 배터리 관리부의 제어에 따라서 컨버터로의 배터리 전력의 공급을 제어하는 전력 스위칭부를 더 포함할 수 있다.

본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 관리부는, 제2 상태일 때, 전력 스위칭부를 온 시킬 수 있다.

본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리는 복수의 배터리 랙을 포함할 수 있다.

본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 전원 공급회로는, 제2 상태일 때 복수의 배터리 랙들 중에서 잔존 용량이 가장 많은 배터리 랙으로부터 전력을 공급받을 수 있다.

본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 복수의 배터리 랙들과 전원 공급회로 사이에 각각 연결되는 복수의 다이오드를 더 포함할 수 있다.

본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 전원 공급회로는, 제2 상태일 때 복수의 배터리 랙들 중에서 미리 설정된 배터리 랙으로부터 전력을 공급받을 수 있다.

본 발명에 따른 실시 예들의 다른 측면에 의하면, 발전 시스템, 배터리, 및 계통의 전력을 연계하여 부하에 공급하며, 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부와 배터리 관리부에 전원을 공급하는 전원 공급회로를 포함하는 전력 저장 시스템의 제어방법으로서, a) 외부 전력이 인가되는 제1 상태일 때에는 전원 공급회로가 외부 전력을 배터리 관리부의 동작 전원으로서 배터리 관리부에 공급하는 단계와, b) 외부 전력이 인가되지 않는 제2 상태일 때에는 전원 공급회로가 배터리로부터 전력을 배터리 관리부의 동작 전원으로서 배터리 관리부에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어방법을 제공한다.

이러한 본 실시 예의 다른 특징에 의하면, b) 단계는, 배터리의 출력 전압을 외부 전력의 전압과 동일한 크기로 강압하는 것일 수 있다.

본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, b) 단계는, 배터리의 출력 전압을 배터리 관리부의 동작 전압으로 강압하는 것일 수 있다.

본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, c) 외부 전력 인가 여부에 따라서 전원 공급회로로의 배터리 전력의 공급을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리는 복수의 배터리 랙을 포함하며, 제2 상태일 때, d) 전원 공급회로가 복수의 배터리 랙들 중에서 잔존 용량이 가장 많은 배터리 랙으로부터 전력을 공급받는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리는 복수의 배터리 랙을 포함하며, 제2 상태일 때, e) 전원 공급회로가 복수의 배터리 랙들 중에서 미리 설정된 배터리 랙으로부터 전력을 공급받는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 실시 예들의 다른 측면에 의하면, 상기와 같은 제어방법을 실행시키기 위한 프로그램을 저장한 기록매체를 제공한다.

이러한 본 발명의 실시 예들에 의하면, 외부 전력의 공급이 중단되는 경우에도 배터리 관리부가 안정적으로 동작할 수 있는 전력 저장 시스템, 그 제어방법, 및 이를 실행시키기 위한 프로그램을 저장한 기록매체를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 저장 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리, 배터리 관리부, 및 전원 공급회로의 연결관계를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 랙의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전원 공급회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전원 공급회로를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전원 공급회로의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전원 공급회로를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전원 공급회로를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 에에 따른 전원 공급회로의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 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 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 저장 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시 예에 따른 전력 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2), 계통(3)과 연계하여 부하(4)에 전력을 공급한다.

발전 시스템(2)은 에너지원을 이용하여 전력을 생산하는 시스템이다. 발전 시스템(2)은 생산한 전력을 전력 저장 시스템(1)에 공급한다. 발전 시스템(2)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등일 수 있으며, 그 밖에 태양열이나 지열 등을 이용하는 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 시스템을 모두 포함할 수 있다. 특히 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 태양 전지는, 각 가정 또는 공장 등에 설치하기 용이하여, 각 가정에 분산된 전력 저장 시스템(1)에 적용하기에 적합하다. 발전 시스템(2)은 다수의 발전모듈을 병렬로 구비하여 발전 모듈별로 전력을 생산함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다.

계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비한다. 계통(3)은 정상 상태인 경우, 전력 저장 시스템(1) 또는 부하(4)로 전력을 공급하고, 전력 저장 시스템(1)으로부터 공급된 전력을 입력받는다. 계통(3)이 비정상 상태인 경우, 계통(3)으로부터 전력 저장 시스템(1) 또는 부하(4)로의 전력 공급은 중단되고, 전력 저장 시스템(1)으로부터 계통(3)으로의 전력 공급 또한 중단된다.

부하(4)는 발전 시스템(2)으로부터 생산된 전력, 배터리(40)에 저장된 전력, 또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비하는 것으로서, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다.

전력 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 발전한 전력을 배터리(40)에 저장하고, 발전한 전력을 계통(3)으로 보낼 수 있다. 또한 전력 저장 시스템(1)은 배터리(40)에 저장된 전력을 계통(3)으로 전달하거나, 계통(3)에서 공급된 전력을 배터리(40)에 저장할 수 있다. 또한, 전력 저장 시스템(1)은 이상 상황, 예를 들면 계통(3)의 정전 발생 시에는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 동작을 수행하여 부하(4)에 전력을 공급할 수 있고, 계통(3)이 정상인 상태에서도 발전 시스템(2)이 발전한 전력이나 배터리(40)에 저장되어 있는 전력을 부하(4)로 공급할 수 있다.

전력 저장 시스템(1)은 전력 변환부(10), DC 링크부(20), 양방향 인버터(30), 배터리(40), 배터리 관리부(Battery Management System: 이하 'BMS'라 한다)(50), 전원 공급회로(60), 양방향 컨버터(70), 제1 스위치(80), 제2 스위치(81), 및 통합 제어기(90)를 포함한다.

전력 변환부(10)는 발전 시스템(2)과 제1 노드(N1) 사이에 연결된다. 전력 변환부(10)는 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 제1 노드(N1)로 전달하며, 이때 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환한다. 즉, 전력 변환부(10)가 동작함으로 인하여 발전 시스템(2)에서 생산된 전력이 배터리(40), 계통(3), 부하(4) 등에 공급될 수 있다.

전력 변환부(10)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 컨버터 또는 정류회로로 구성될 수 있다. 즉, 발전 시스템(2)이 직류의 전력을 발생시키는 경우, 전력 변환부(10)는 직류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 컨버터일 수 있다. 반대로 발전 시스템(2)이 교류의 전력을 발생시키는 경우, 전력 변환부(10)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류회로일 수 있다. 특히, 발전 시스템(2)이 태양광 발전인 경우, 전력 변환부(10)는 일사량, 온도 등의 변화에 따라서 발전 시스템(2)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다.

전력 변환부(10)는 발전 시스템(2)에서 생산되는 전력이 없을 때에는 동작을 중지하여 컨버터 등에서 소비되는 전력을 최소화시킬 수도 있다.

DC 링크부(20)는 제1 노드(N1)와 양방향 인버터(30) 사이에 연결되어 제1 노드(N1)의 직류 링크 전압을 일정하게 유지시킨다. 제1 노드(N1)는 발전 시스템(2) 또는 계통(3)의 순시 전압 강하, 부하(4)에서 피크 부하 발생 등으로 인하여 그 전압 레벨이 불안정해질 수 있다. 그러나 제1 노드(N1)의 전압은 양방향 컨버터(70) 및 양방향 인버터(30)의 정상 동작을 위하여 안정화될 필요가 있다. DC 링크부(20)는 제1 노드(N1)의 직류 링크 전압의 레벨 안정화를 위해 구비될 수 있으며, 예를 들면, 대용량 커패시터 등으로 구현될 수 있다. 본 실시 예에서는 DC 링크부(20)가 별도로 구비된 예를 도시하였으나, DC 링크부(20)가 양방향 컨버터(70), 양방향 인버터(30), 또는 전력 변환부(10) 내에서 구현되는 실시 예 또한 가능하다.

양방향 인버터(30)는 DC 링크부(20)와 제1 스위치(80) 사이에 연결되는 전력 변환기이다. 양방향 인버터(30)는 방전 모드에서 발전 시스템(2) 또는 배터리(40)로부터 출력된 직류 링크 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 반면에, 양방향 인버터(30)는 충전 모드에서 계통(3)의 전력을 배터리(40)에 저장하기 위하여, 계통(3)의 교류 전압을 정류하여 직류 링크 전압으로 변환하여 출력한다. 양방향 인버터(30)는 계통(3)으로 출력되는 교류 전압으로부터 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있으며, 무효 전력 발생을 억제하기 위하여 양방향 인버터(30)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프PLL(Phase Locked Loop) 회로를 포함할 수 있다. 그 밖에, 양방향 인버터(30)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다. 양방향 인버터(30)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력이나 배터리(40)에 저장된 전력을 부하(4)나 계통(3)으로 공급할 필요가 없는 경우, 또는 배터리(40)를 충전할 때에 계통(3)의 전력을 필요로 하지 않는 경우 등에는 전력 소비를 최소화하기 위하여 양방향 인버터(30)의 동작을 중지시킬 수도 있다.

배터리(40)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력 또는 계통(3)의 전력을 공급받아 저장하고, 부하(4) 또는 계통(3)에 저장하고 있는 전력을 공급한다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 배터리(40)의 구성에 대하여 구체적으로 살펴본다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리, BMS, 및 전원 공급회로의 연결관계를 나타내는 블록도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 랙의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 배터리(40)는 적어도 하나 이상의 배터리 랙(41-1,...41-n)과 배터리 랙(41-1,...41-n) 각각을 제어하는 랙 BMS(42-1,...42-n)들을 포함할 수 있다. 배터리 랙(41-1,...41-n)은 다시 복수의 배터리 트레이(411-1,...411-m)와 복수의 배터리 트레이(411-1,...411-m) 각각을 제어하는 트레이 BMS(412-1,...412-m)를 포함하도록 구성될 수 있다.

배터리 트레이(411-1,...411-m)는 적어도 하나의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 배터리 셀은 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등일 수 있다. 배터리 트레이(411-1,...,411-m)에 포함된 배터리 셀들은 서로 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼용된 형태로 연결될 수 있다. 또한 적어도 하나의 배터리 트레이(411-1,...,411-m)는 서로 직렬로 연결될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 적어도 하나의 배터리 트레이(411-1,...,411-m)가 서로 병렬 또는 직렬과 병렬이 혼용된 형태로 연결될 수 있다.

트레이 BMS(412-1,...412-m)는 배터리 트레이(411-1,...,411-m)에 포함된 배터리 셀들의 전압, 전류, 온도, 잔존용량 등을 모니터링하고, 모니터링 결과에 따라서 배터리 트레이(411-1,...411-m)의 충전 및 방전을 제어한다. 또한 트레이 BMS(412-1,...,412-m)는 배터리 트레이(411-1,...411-m)를 보호하기 위하여, 상기 모니터링 결과에 따라서 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 트레이 BMS(412-1,...,412-m)는 모니터링 결과를 랙 BMS(42-1,...42-n)에 전송할 수 있으며, 랙 BMS(42-1,...42-n)로부터 제어신호를 수신하여 배터리 트레이(411-1,...411-m)를 제어할 수도 있다.

랙 BMS(42-1,...42-n)는 배터리 랙(41-1,...41-n)의 전압, 전류, 온도, 잔존 용량 등을 모니터링하고, 모니터링 결과에 따라서 배터리 랙(41-1,...,41-n)의 충전 및 방전을 제어한다. 또한 랙 BMS(42-1,...,42-n)는 배터리 랙(41-1,...41-n)을 보호하기 위하여, 상기 모니터링 결과에 따라서 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 랙 BMS(42-1,...,42-n)는 모니터링 결과를 BMS(50)에 전송할 수 있으며, BMS(50)로부터 제어신호를 수신하여 배터리 랙(41-1,...41-n)을 제어할 수도 있다.

적어도 하나의 배터리 랙(41-1,...,41-n)은 서로 병렬로 연결될 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이며, 적어도 하나의 배터리 랙(41-1,...,41-n)들이 서로 직렬 또는 직렬과 병렬이 혼용된 구성으로 연결될 수도 있을 것이다.

한편, 적어도 하나의 배터리 랙(41-1,...,41-n)에서는 랙 BMS(42-1,...,42-n)의 제어에 따라서 부하(4)나 계통(3)으로 공급하기 위한 전력 Pb1이 출력된다. 또한 적어도 하나의 배터리 랙(41-1,...,41-m)은 BMS(50)에 동작 전원으로서의 외부 전력이 공급되지 않는 경우에 BMS(50)의 동작을 위한 전력 Pb2를 전원 공급회로(60)로 출력한다. 전원 공급회로(60)는 외부 전력 Po 또는 배터리(40)로부터의 전력 Pb2를 BMS(50)의 동작 전원으로 공급한다.

한편, 도 1 내지 도 3에서는 배터리(40)로부터 출력되는 전력이 트레이 BMS(412-1,...412-m), 랙 BMS(42-1,...,42-n), BMS(50)를 각각 거쳐서 외부로 출력되는 것으로 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 전력 저장 시스템(1)용 배터리(40)는 용량, 출력 전압, 출력 전류 등이 매우 크므로 전력 공급 경로를 각각의 BMS들과 절연(isolation)되도록 구성할 수도 있을 것이다.

배터리(40)는 전력 저장 시스템(1)에서 요구되는 전력 용량, 설계 조건 등에 따라서 포함하는 배터리 랙(41-1,...,41-n)의 개수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 부하(4)의 소비 전력이 큰 경우에는 복수의 배터리 랙(41-1,...,41-n)을 구비할 수 있으며, 부하(4)의 소비 전력이 작은 경우에는 하나의 배터리 랙(41-1)만을 구비할 수도 있을 것이다.

BMS(50)는 배터리(40)에 연결되며, 배터리(40)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. BMS(50)는 배터리(40)를 보호하기 위하여, 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, BMS(50)는 직접 배터리(40)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링거나 랙 BMS(42-1,...,42-n), 트레이 BMS(412-1,...,412-m)으로부터 모니터링 결과를 전송받을 수 있으며, 모니터링 결과를 통합 제어기(90)에 전송할 수 있다. 또한 BMS(50)는 통합 제어기(90)로부터 제어신호를 인가받아 배터리(40)를 제어할 수도 있을 것이다.

전원 공급회로(60)는 BMS(50)에 동작에 필요한 전원을 공급한다. 전원 공급회로(60)는 외부 전력 또는 배터리(40)의 전력을 선택적으로 BMS(50)에 공급할 수 있다. 전원 공급회로(60)는 BMS(50)의 동작 전원용 전력이 외부로부터 공급되는 경우에는 외부 전력을 BMS(50)에 공급한다. 그러나 정전 등 비상상황이 발생하여 외부 전력이 공급되지 않는 경우에는 배터리(40)로부터의 전력을 BMS(50)의 동작 전원으로서 공급한다.

양방향 컨버터(70)는 방전 모드에서 배터리(40)에 저장된 전력을 양방향 인버터(30)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 출력한다. 반면에, 양방향 컨버터(70)는 충전 모드에서 제1 노드(N1)를 통해서 유입되는 충전 전력을 배터리(40)에서 요구하는 전압 레벨, 즉 충전 전압으로 DC-DC 변환한다. 여기서, 충전 전력은 예를 들어 발전 시스템(2)에서 생산된 전력 또는 계통(3)으로부터 양방향 인버터(30)를 통하여 공급된 전력이다. 양방향 컨버터(70)는 배터리(40)의 충전 또는 방전이 필요없는 경우에는 동작을 중지시켜 전력 소비를 최소화할 수도 있다.

제1 스위치(80) 및 제2 스위치(81)는 양방향 인버터(30)와 제2 노드(N2) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(90)의 제어에 따라서 on/off 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 스위치(80)와 제2 스위치(81)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및 배터리(40)의 상태에 따라서 on/off가 결정될 수 있다. 예를 들어, 부하(4)에서 요구되는 전력량이 큰 경우, 제1 스위치(80) 및 제2 스위치(81)를 모두 on 상태로 하여 발전 시스템(2), 계통(3)의 전력이 모두 사용될 수 있도록 한다. 물론 발전 시스템(2) 및 계통(3)으로부터의 전력만으로는 부하(4)에서 요구하는 전력량을 충족시키지 못하는 경우에는 배터리(40)에 저장된 전력이 부하(40)에 공급될 수도 있다. 반면에, 계통(3)에서 정전이 발생한 경우, 제2 스위치(81)를 off 상태로 하고 제1 스위치(80)를 on 상태로 한다. 이로 인하여 발전 시스템(2) 또는 배터리(40)로부터의 전력을 부하(4)에 공급할 수 있으며, 부하(4)로 공급되는 전력이 계통(3) 측으로 흘러들어가 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 감전되는 등의 사고를 방지할 수 있게 한다.

통합 제어기(90)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리(40), 및 부하(4)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라서 전력 변환부(10), 양방향 인버터(30), BMS(50), 양방향 컨버터(70), 제1 스위치(80) 및 제2 스위치(81)를 제어한다. 통합 제어기(90)가 모니터링 하는 사항은 계통(3)이 부하(4)와 연계되었는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지 여부를 포함할 수 있다. 또한 통합 제어기(90)는 발전 시스템(2)의 전력 생산량, 배터리(40)의 충전 상태, 부하(4)의 전력 소비량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다.

이하, 전원 공급회로(60)의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.

<제1 실시예>

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전원 공급회로를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 전원 공급회로(60)는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2), 전력 스위칭부(61), 컨버터(62)를 포함할 수 있다.

전원 공급회로(60)는 BMS(50)의 동작 전원으로서 외부 전력 Po를 인가받아 BMS(50)에 공급한다. 전원 공급회로(60)는 외부 전력 Po를 BMS(50)에 공급하기 위한 경로를 형성하고 있으며, 외부 전력 Po의 공급 경로상에는 전류의 역류를 방지하기 위하여 외부 전력이 인가되는 입력단자와 BMS(50) 사이에 연결되는 제1 다이오드(D1)가 구비된다.

이와 동시에, 전원 공급회로(60)는 BMS(50)의 동작 전원으로서 배터리 전력 Pb2를 인가받아 BMS(50)에 공급할 수 있다. 전원 공급회로(60)는 배터리(40)로부터의 전력 Pb2를 BMS(50)에 공급하기 위한 경로를 형성하고 있으며, 배터리(40)로부터의 전력 Pb2를 공급하는 경로상에는 전력 스위칭부(61), 컨버터(62), 및 제2 다이오드(D2)가 구비된다.

전력 스위칭부(61)는 컨버터(620로의 배터리(40) 전력의 공급을 제어한다. 외부 전력이 전원 공급회로(60)에 인가되지 않는 경우, 전력 스위칭부(61)는 온 상태로 되어 배터리(40)로부터의 전력을 컨버터(62)로 공급한다. 전력 스위칭부(61)의 온/오프 동작은 BMS(50)로부터의 제어신호에 의하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 전력 스위칭부(61)로 P채널 FET를 사용하는 경우, 외부 전력이 BMS(50)에 공급되는 정상 상태일 때에는 BMS(50)는 하이 레벨의 제어 신호를 FET의 게이트 전극에 인가하여 배터리(40)로부터의 전력이 컨버터(62)로 전달되지 않게 한다. 반면에 BMS(50)에 외부 전력이 공급되지 않는 비정상 상태일 때에는 BMS(50)는 로우 레벨의 제어 신호를 FET의 게이트 전극에 인가하여 배터리(40)로부터의 전력이 컨버터(62)로 전달되도록 한다.

컨버터(62)는 전력 스위칭부(61)를 통하여 공급받은 배터리(40)로부터의 전력의 전압을 미리 설정된 전압으로 변경한다. 미리 설정된 전압은 외부 전력의 전압과 동일한 크기일 수 있다. 예를 들어, 외부로부터 공급되는 외부 전력 Po의 전압이 24V이고, 배터리(40)의 출력 전압이 50V인 경우, 컨버터(62)로 강압형 DC-DC 컨버터를 사용하여 50V를 24V로 변압하여 BMS(50)로 공급할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니며, 외부 전력 Po의 전압과 배터리(40)의 출력 전압에 따라서 강압 또는 승압의 어느 하나로 동작할 수 있을 것이다.

제2 다이오드(D2)는 컨버터(62)와 BMS(50) 사이에 연결되어 배터리 전력(Pb2)의 공급 경로상에서 전류의 역류를 방지한다. 제2 다이오드(D2)는 외부 전력 Po가 BMS(50)로 전력을 공급하는 단자와 동일한 단자를 통하여 전력을 BMS(50)에 공급할 수 있다. 즉, 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)의 캐소드 전극이 서로 연결되도록 구성될 수 있을 것이다.

전원 공급회로(60)는 상기와 같은 구성에 의하여 외부 전력 Po가 공급되지 않는 경우라도 배터리(40)로부터의 전력 Pb2를 사용하여 BMS(50)에 공급함으로써 안정적으로 BMS(50)가 동작할 수 있도록 한다.

<제2 실시예>

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전원 공급회로를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 전원 공급회로(60)는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2), 전력 스위칭부(61), 컨버터(62)를 포함할 수 있다. 전원 공급회로(60)의 각 부분의 동작은 도 4와 실질적으로 동일하므로 도 4와의 차이점에 대하여 중점적으로 설명하도록 한다.

본 실시 예에 따른 컨버터(62)는 전력 스위칭부(61)를 통하여 공급받은 배터리(40)로부터의 전력의 전압을 BMS(50)에 포함된 부품들이 동작하는데 사용하는 전압으로 변경한다. BMS(50)는 내부에 별도의 레귤레이터를 구비하여 외부에서 인가되는 전압을 BMS(50) 내부에 포함된 부품들이 필요로 하는 전압으로 바꾼다. 예를 들어, 24V의 전압값을 갖는 외부 전력을 인가받으며, 이를 레귤레이터를 사용하여 5V로 바꾼다. 따라서 본 실시 예의 경우, 예를 들어 배터리(40)의 출력 전압이 50V이고, BMS(50)에 포함된 부품들이 5V로 동작하는 경우, 컨버터(62)는 강압형 DC-DC 컨버터를 사용하여 50V를 5V로 변압하여 BMS(50)로 공급할 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니며, BMS(50)에 포함된 부품의 종류에 따라서 적절한 전압으로 변압할 수 있을 것이다.

본 실시 예의 경우, 외부 전력 Po의 전압과 배터리(40)로부터의 전력 Pb2의 전압이 서로 다른 크기를 가지므로, 각각의 전력이 BMS(50)에 인가되는 단자가 상이할 수 있다. 따라서 제2 다이오드(D2)는 외부 전력 Po가 BMS(50)에 인가되는 단자와 다른 단자와 연결되어 배터리(40)로부터의 전력 Pb2를 BMS(50)에 공급할 수 있다.

전원 공급회로(60)는 상기와 같은 구성에 의하여 외부 전력 Po가 공급되지 않는 경우라도 배터리(40)로부터의 전력 Pb2를 사용하여 BMS(50)에 공급함으로써 안정적으로 BMS(50)가 동작할 수 있도록 한다. 또한 배터리(40)의 출력 전압을 BMS(50)에 포함된 부품들이 필요로 하는 전압으로 직접 변압하므로 인하여 변압 횟수를 감소시킬 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전원 공급회로의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.

도 6을 참조하면, BMS(50)는 전원 공급회로(60)에 외부 전력 Po가 인가되는지를 판단한다(S10). 외부 전력 Po가 전원 공급회로(60)로 인가되는 경우, 정상적인 상태이므로 인가되는 외부 전력 Po를 BMS(50)에 공급한다(S11).

반면에 외부 전력 Po가 전원 공급회로(60)로 인가되지 않는 경우, 전력 스위칭부(61)는 BMS(50)의 제어에 따라서 배터리(40)에 저장된 전력을 컨버터(62)로 공급한다(S12). 그리고 컨버터(62)는 배터리(40)로부터 공급받은 전력 Pb2의 전압을 미리 설정된 값으로 변압한다(S13). 미리 설정된 값이란 외부 전력 Po의 전압값 또는 BMS(50)에 포함된 부품들이 동작하는데 사용하는 전압값일 수 있다.

변압된 전압을 갖는 전력은 BMS(50)에 공급하며(S14), 이로 인하여 외부 전력이 인가되지 않는 비정상 상태일 때에도 BMS(50)에 안정적으로 동작 전원이 공급될 수 있다.

<제3 실시예>

도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전원 공급회로를 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 전원 공급회로(60)는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2), 전력 스위칭부(61), 컨버터(62)를 포함할 수 있다. 또한 배터리(40)로부터 출력되는 전원들 중 어느 하나를 출력받기 위하여 복수의 다이오드들(D3-1,...,D3-n)을 더 포함할 수 있다. 전원 공급회로(60)의 각 부분의 동작은 도 4와 실질적으로 동일하므로 도 4와의 차이점에 대하여 중점적으로 설명하도록 한다.

본 실시 예의 경우, 배터리(40)가 복수의 배터리 랙(41-1,...,41-n) 및 복수의 랙 BMS(42-1,...,42-n)를 포함한다. 이때, 전원 공급회로(60)는 복수의 배터리 랙(41-1,...,41-n)들 중에서 잔존용량이 가장 많은 배터리 랙으로부터 전력을 공급받는다.

이를 위하여, 복수의 배터리 랙(41-1,...,41-n)들은 출력단자와 전력 스위칭부(61) 사이에 각각 다이오드(D3-1,...,D3-n)를 구비할 수 있다. 배터리 랙은 잔존용량이 많을수록 출력 전압이 크다. 따라서, 전력 스위칭부(61)가 BMS(50)의 제어에 따라서 온되는 경우, 복수의 배터리 랙(41-1,...,41-n)들 중에서 가장 잔존용량이 많은 배터리 랙으로부터 전력이 출력되어 전력 스위칭부(61)로 인가되게 될 것이다. 그러나 이는 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, BMS(50)는 랙 BMS(42-1,...,42-n)와 통신을 통하여 각종 데이터를 주고받을 수 있으므로, 실시간으로 배터리 랙(41-1,...,41-n)의 잔존용량을 파악하고, BMS(50)의 동작 전원을 어느 배터리 랙으로부터 공급받을지를 실시간으로 선택하여 선택된 랙 BMS(50)가 비정상 상태일 때 전력을 공급하도록 제어할 수도 있을 것이다.

또는 전원 공급회로(60)는 복수의 배터리 랙(41-1,...,41-n)들 중에서 특정 배터리 랙으로부터 전력을 공급받도록 미리 설정할 수도 있을 것이다. 이 경우, 미리 설정된 배터리 랙만을 전원 공급회로(60)에 연결하고, 비정상 상태일 때 미리 설정된 배터리 랙으로부터 전원을 공급받을 수 있을 것이다.

전원 공급회로(60)는 상기와 같은 구성에 의하여 외부 전력 Po가 공급되지 않는 경우라도 배터리(40)로부터의 전력 Pb2를 사용하여 BMS(50)에 공급함으로써 안정적으로 BMS(50)가 동작할 수 있도록 한다. 또한 배터리(40)에 포함된 복수의 배터리 랙(41-1,...,41-n)들 중에서 잔존용량이 가장 많은 배터리 랙으로부터 전력을 공급받으므로 인하여 셀 밸런싱 기능을 동시에 수행할 수 있으며, 이로 인하여 배터리 랙(41-1,...,41-n)들의 수명이 연장되는 효과도 발생할 것이다. 또는 배터리(40)에 포함된 복수의 배터리 랙(41-1,...,41-n)들 중에서 미리 설정된 특정 배터리 랙으로부터 전력을 공급받는 경우, 상대적으로 회로의 구성을 간단하게 할 수 있게 될 것이다.

<제4 실시예>

도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전원 공급회로를 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 전원 공급회로(60)는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2), 전력 스위칭부(61), 컨버터(62)를 포함할 수 있다. 또한 배터리(40)로부터 출력되는 전원들 중 어느 하나를 출력받기 위하여 복수의 다이오드들(D3-1,...,D3-n)을 더 포함할 수 있다. 본 실시 예에 따른 전원 공급회로(60)의 각 부분의 동작은 도 5 및 도 7과 실질적으로 동일하므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시 에에 따른 전원 공급회로의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.

도 9를 참조하면, BMS(50)는 전원 공급회로(60)에 외부 전력 Po가 인가되는지를 판단한다(S20). 외부 전력 Po가 전원 공급회로(60)로 인가되는 경우, 정상적인 상태이므로 인가되는 외부 전력 Po를 BMS(50)에 공급한다(S21).

반면에 외부 전력 Po가 전원 공급회로(60)로 인가되지 않는 경우, 복수의 배터리 랙(41-1,...,41-n)들 중에서 잔존용량이 가장 많은 배터리 랙을 선택한다(S22). 잔존용량이 가장 많은 배터리 랙의 선택은 도 7에서 설명한 바와 같이 자동으로 선택하는 방법 또는 BMS(50)가 능동적으로 특정 배터리 랙을 선택하는 방법 등이 사용될 수 있을 것이다. 전력 스위칭부(61)는 BMS(50)의 제어에 따라서 선택된 배터리 랙에 저장된 전력을 컨버터(62)로 공급한다(S23). 그리고 컨버터(62)는 배터리(40)로부터 공급받은 전력 Pb2의 전압을 미리 설정된 값으로 변압한다(S24). 미리 설정된 값이란 외부 전력 Po의 전압값 또는 BMS(50)에 포함된 부품들이 동작하는데 사용하는 전압값일 수 있다.

변압된 전압을 갖는 전력은 BMS(50)에 공급하며(S25), 이로 인하여 외부 전력이 인가되지 않는 비정상 상태일 때에도 BMS(50)에 안정적으로 동작 전원이 공급될 수 있다.

이상에서 언급된 본 실시 예들 및 그 변형 예들에 따른 제어방법을 전력 저장 시스템에서 실행시키기 위한 프로그램은 기록매체에 저장될 수 있다. 여기서 기록매체라 함은 예컨대 프로세서가 읽을 수 있는 매체로서 반도체 기록매체(예컨대, Flash memory, SRAM) 등을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 기록매체는 BMS(50)나 통합 제어기(90)에 임베디드될 수 있으며, 상기 BMS(50)나 통합 제어기(90) 등의 프로세서에서 실행될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1 전력 저장 시스템 2 발전 시스템
3 계통 4 부하
10 전력 변환부 20 DC 링크부
30 양방향 인버터 40 배터리
50 배터리 관리부(BMS) 60 전원 공급회로
61 전력 스위칭부 62 컨버터
70 양방향 인버터 80 제1 스위치
81 제2 스위치 90 통합 제어기

Claims

발전 시스템, 배터리, 및 계통의 전력을 연계하여 부하에 공급하는 전력 저장 시스템으로서,
상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부; 및
상기 배터리 관리부에 전원을 공급하는 전원 공급회로를 포함하며,
상기 전원 공급회로는,
외부 전력이 인가되는 제1 상태일 때에는 상기 외부 전력을 상기 배터리 관리부의 동작 전원으로서 상기 배터리 관리부에 공급하고,
상기 외부 전력이 인가되지 않는 제2 상태일 때에는 상기 배터리로부터 전력을 상기 배터리 관리부의 동작 전원으로서 상기 배터리 관리부에 공급하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전원 공급회로는,
상기 외부 전력을 상기 배터리 관리부로 인가하는 제1 전원 공급 경로; 및
상기 배터리로부터의 전력을 상기 배터리 관리부로 인가하는 제2 전원 공급 경로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전원 공급회로는,
상기 외부 전력이 인가되는 입력단자와 상기 배터리 관리부의 전원공급단자 사이에 연결되는 제1 다이오드;
상기 배터리의 출력 전압을 강압하는 컨버터; 및
상기 컨버터와 상기 배터리 관리부의 전원공급단자 사이에 연결되는 제2 다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
제3항에 있어서,
상기 컨버터는 상기 배터리의 출력 전압을 상기 외부 전력의 전압과 동일한 크기로 강압하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
제3항에 있어서,
상기 컨버터는 상기 배터리의 출력 전압을 상기 배터리 관리부의 동작 전압으로 강압하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
제3항에 있어서,
상기 전원 공급회로는,
상기 배터리 관리부의 제어에 따라서 상기 컨버터로의 상기 배터리 전력의 공급을 제어하는 전력 스위칭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
제6항에 있어서,
상기 배터리 관리부는 상기 제2 상태일 때, 상기 전력 스위칭부를 온 시키는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배터리는 복수의 배터리 랙을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
제8항에 있어서,
상기 전원 공급회로는, 상기 제2 상태일 때 상기 복수의 배터리 랙들 중에서 잔존 용량이 가장 많은 배터리 랙으로부터 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
제8항에 있어서,
상기 복수의 배터리 랙들과 상기 전원 공급회로 사이에 각각 연결되는 복수의 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
제8항에 있어서,
상기 전원 공급회로는, 상기 제2 상태일 때 상기 복수의 배터리 랙들 중에서 미리 설정된 배터리 랙으로부터 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.
발전 시스템, 배터리, 및 계통의 전력을 연계하여 부하에 공급하며, 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부와 상기 배터리 관리부에 전원을 공급하는 전원 공급회로를 포함하는 전력 저장 시스템의 제어방법으로서,
a) 외부 전력이 인가되는 제1 상태일 때에는 상기 전원 공급회로가 상기 외부 전력을 상기 배터리 관리부의 동작 전원으로서 상기 배터리 관리부에 공급하는 단계; 및
b) 상기 외부 전력이 인가되지 않는 제2 상태일 때에는 상기 전원 공급회로가 상기 배터리로부터 전력을 상기 배터리 관리부의 동작 전원으로서 상기 배터리 관리부에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어방법.
제12항에 있어서,
상기 b) 단계는,
상기 배터리의 출력 전압을 상기 외부 전력의 전압과 동일한 크기로 강압하는 것임을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어방법.
제12항에 있어서,
상기 b) 단계는,
상기 배터리의 출력 전압을 상기 배터리 관리부의 동작 전압으로 강압하는 것임을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어방법.
제12항에 있어서,
c) 상기 외부 전력 인가 여부에 따라서 상기 전원 공급회로로의 상기 배터리 전력의 공급을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어방법.
제12항에 있어서,
상기 배터리는 복수의 배터리 랙을 포함하며,
상기 제2 상태일 때,
d) 상기 전원 공급회로가 상기 복수의 배터리 랙들 중에서 잔존 용량이 가장 많은 배터리 랙으로부터 전력을 공급받는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어방법.
제12항에 있어서,
상기 배터리는 복수의 배터리 랙을 포함하며,
상기 제2 상태일 때,
e) 상기 전원 공급회로가 상기 복수의 배터리 랙들 중에서 미리 설정된 배터리 랙으로부터 전력을 공급받는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템의 제어방법.
제12항 내지 제17항 중 어느 한 항의 제어방법을 실행시키기 위한 프로그램을 저장한 기록매체.