KR20180126168A - 에너지 저장 시스템의 안정화 및 효율적 관리를 위하여 배터리의 상태를 주기적으로 모니터링 및 제어하는 시스템 - Google Patents

에너지 저장 시스템의 안정화 및 효율적 관리를 위하여 배터리의 상태를 주기적으로 모니터링 및 제어하는 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 셀의 양 단자에 연결된 전압 센싱 라인과 접속되어 각 배터리 셀의 전압을 충전하는 캐패시터; 상기 전압 센싱 라인을 통해 각 배터리 셀에 대응되는 캐패시터의 충전 전압을 센싱하는 전압측정부; 상기 캐패시터를 기준으로 배터리 셀 측 전압 센싱 라인과 셀 전압 센싱 회로 측 전압 센싱 라인에 각각 설치된 제1 및 제2스위치; 상기 캐패시터의 양 단자와 연결되어 캐패시터를 방전시키는 셀 밸런싱 회로; 내장된 배터리 셀의 전력을 AC 전력으로 변환하여 내장된 변압기로 전달하는 DC/AC 변환기; 내장된 변압기의 외부측 연결단에 인가된 전력을 DC 전력으로 변환하여 내장된 배터리 셀로 전달하는 AC/DC 변환기; 내장된 배터리 셀과 상기 DC/AC 변환기 사이 또는 상기 DC/AC 변환기와 내장된 변압기 사이에 위치하고, 상기 제어부의 제어에 따라 열리거나 닫히는 제1 스위치; 내장된 배터리 셀과 상기 AC/DC 변환기 사이 또는 상기 AC/DC 변환기와 내장된 변압기 사이에 위치하고, 제어부의 제어에 따라 열리거나 닫히는 제2 스위치; 상기 제1 및 제2스위치를 순차적으로 동작시켜 셀 전압 센싱 회로로부터 캐패시터의 충전 전압을 입력받아 배터리 셀의 전압을 센싱한 후, 상기 셀 밸런싱 회로를 작동시켜 캐패시터를 방전시키고 일정한 시간이 경과된 이후 다시 제2스위치를 동작시켜 캐패시터의 충전 전압을 센싱하고 센싱된 전압을 토대로 셀 밸런싱 회로의 고장 여부를 판별하며, 내장된 배터리 셀의 상태를 모니터링하고, 모니터링한 상태 정보를 저장하며, 상기 DC/AC 변환기와 상기 AC/DC 변환기를 제어하여 내장된 배터리 셀과 내장된 변압기 사이의 전력 이동을 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

에너지 저장 시스템의 안정화 및 효율적 관리를 위하여 배터리의 상태를 주기적으로 모니터링 및 제어하는 시스템{EFFICIENT ENERGY STORAGE SYSTEM FOR MONITORING AND CONTROLLING BATTERY PERIODICALLY}
본 발명은 에너지 저장 시스템의 안정화 및 효율적 관리를 위하여 배터리의 상태를 주기적으로 모니터링 및 제어하는 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제어부가 각 셀모듈의 정보를 기초로 셀 모듈의 잉여 전력을 다른 셀 모듈로 공급하여 셀 밸런싱하는 에너지 저장 시스템의 안정화 및 효율적 관리를 위하여 배터리의 상태를 주기적으로 모니터링 및 제어하는 시스템에 관한 것이다.
최근 화석 에너지의 고갈과 환경오염으로 인해 화석 에너지를 사용하지 않고 전기 에너지를 이용하는 각종 전장 장치를 작동시키는데 필요한 전력을 공급하기 위해 다수개의 배터리 셀로 구성된 배터리 팩을 탑재한다. 이러한 배터리 팩에 포함되어 있는 다수개의 배터리 셀은 안전성과 수명 향상, 그리고 고출력을 얻기 위해 각 배터리 셀의 전압을 균일하게 유지할 필요가 있다.
배터리 팩 내에 포함된 각 배터리 셀의 충전 전압을 균일하게 밸런싱하는 방법에는, 전압이 상대적으로 낮은 배터리 셀에 충전 전류를 공급하여 전압을 상승시키는 방법, 전압이 상대적으로 높은 배터리 셀을 방전시켜 전압을 하강시키는 방법, 각 배터리 셀의 전압으로부터 밸런싱 목표 전압을 정하고 목표 전압보다 전압이 높은 배터리 셀은 방전시키고 목표 전압보다 전압이 낮은 배터리 셀은 충전시키는 방법 등의 여러 가지 방법이 있다.
위와 같은 셀 밸런싱 방법은 각 배터리 셀과 연결된 셀 밸런싱 회로에 의해 구현된다. 셀 밸런싱 회로는 셀 밸런싱 동작의 시작과 종료를 제어하기 위한 스위칭 소자와 배터리 셀 전압을 방전시킬 때 사용되는 방전저항을 포함한다.
그런데 셀 밸런싱 회로를 이용하여 셀 밸런싱 동작이 이루어지는 과정에서 순간적으로 과도한 전류가 셀 밸런싱 회로로 유입되거나 스위칭 소자에 동작 전압이상의 과전압이 인가되거나 방전저항을 통해 과도한 열이 발생되는 등의 이상 상황이 발생되면 밸런싱 회로에 포함된 부품이 단락(short) 또는 개방(open)되어 회로가 정상적으로 동작하지 않는 문제가 발생한다.
또한 종래 발명은 셀 밸런싱 회로의 이상 유무 검출을 위한 진단 회로에 다수개의 비교기가 추가적으로 사용되어 제조 비용이 증가되는 문제점이 있었다.
한국공개특허 제2014-0051704호 한국등록특허 제1628859호 일본공개특허 제2007-085847호 일본공개특허 제2012-137334호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 다양한 알고리즘을 통한 각 셀모듈의 정보를 기초로 셀 모듈의 잉여 전력을 다른 셀 모듈로 공급하여 셀 밸런싱하는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 셀 밸런싱과 함께 셀 전압의 측정을 위해 사용되는 캐패시터를 이용하여 셀 밸런싱 회로의 이상 여부를 간단하게 진단할 수 있어 배터리의 상태를 주기적으로 모니터링 및 제어하는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 배터리 셀의 양 단자에 연결된 전압 센싱 라인과 접속되어 각 배터리 셀의 전압을 충전하는 캐패시터; 상기 전압 센싱 라인을 통해 각 배터리 셀에 대응되는 캐패시터의 충전 전압을 센싱하는 전압측정부; 상기 캐패시터를 기준으로 배터리 셀 측 전압 센싱 라인과 셀 전압 센싱 회로 측 전압 센싱 라인에 각각 설치된 제1 및 제2스위치; 상기 캐패시터의 양 단자와 연결되어 캐패시터를 방전시키는 셀 밸런싱 회로; 내장된 배터리 셀의 전력을 AC 전력으로 변환하여 내장된 변압기로 전달하는 DC/AC 변환기; 내장된 변압기의 외부측 연결단에 인가된 전력을 DC 전력으로 변환하여 내장된 배터리 셀로 전달하는 AC/DC 변환기; 내장된 배터리 셀과 상기 DC/AC 변환기 사이 또는 상기 DC/AC 변환기와 내장된 변압기 사이에 위치하고, 상기 제어부의 제어에 따라 열리거나 닫히는 제1 스위치; 내장된 배터리 셀과 상기 AC/DC 변환기 사이 또는 상기 AC/DC 변환기와 내장된 변압기 사이에 위치하고, 제어부의 제어에 따라 열리거나 닫히는 제2 스위치; 상기 제1 및 제2스위치를 순차적으로 동작시켜 셀 전압 센싱 회로로부터 캐패시터의 충전 전압을 입력받아 배터리 셀의 전압을 센싱한 후, 상기 셀 밸런싱 회로를 작동시켜 캐패시터를 방전시키고 일정한 시간이 경과된 이후 다시 제2스위치를 동작시켜 캐패시터의 충전 전압을 센싱하고 센싱된 전압을 토대로 셀 밸런싱 회로의 고장 여부를 판별하며, 내장된 배터리 셀의 상태를 모니터링하고, 모니터링한 상태 정보를 저장하며, 상기 DC/AC 변환기와 상기 AC/DC 변환기를 제어하여 내장된 배터리 셀과 내장된 변압기 사이의 전력 이동을 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 제어부는 제2스위치를 턴오프시킨 상태에서 제1스위치를 턴온시켜 각 배터리 셀의 전압을 대응하는 캐패시터에 충전시킨 후, 제1스위치를 턴오프시키고 제2스위치를 턴온시켜 캐패시터와 전압 측정부를 연결함으로써 전압 측정부를 통해 캐패시터의 충전 전압을 측정하고, 제1스위치와 제2스위치를 턴오프시킨 상태에서 제3스위치를 턴온시켜 캐패시터의 양단을 대응하는 셀 밸런싱 회로와 연결함으로써 캐패시터의 충전 전압을 일정한 시간 동안 방전시키며, 상기 제1스위치와 제3스위치를 턴오프시킨 상태에서 제2스위치를 턴온시켜 방전된 캐패시터의 양단을 전압 측정부에 연결하여 전압 측정부를 통해 방전된 캐패시터의 잔류 전압을 다시 측정한다.
상기 제어부는 방전된 캐패시터의 잔류 전압이 미리 정한 기준 전압을 초과하면 해당하는 셀 밸런싱 회로에 이상이 있는 것으로 판별하거나, 방전된 캐패시터의 잔류 전압과 배터리 셀의 셀 전압을 상호 대비하여 두 전압 값의 차이가 미리 정한 기준 전압 미만이면 해당하는 셀 밸런싱 회로에 이상이 있는 것으로 판별하고, 상기 셀 밸런싱 회로에 이상이 발생된 것으로 판별되면, 경보기를 통해 외부의 사용자에게 시각적 또는 청각적으로 경보한다.
상기 제어부는 배터리 셀의 전압과 기준 전압을 비교하고, 배터리 셀의 전압이 기준 전압보다 높은 경우, 제어부는 배터리 셀에 인가된 전력을 AC 전력으로 변환하여 변압기로 전달하도록 제어하고, 배터리 셀의 전압이 기준 전압보다 낮은 경우, 제어부는 변압기에 인가된 전력을 DC 전력으로 변환하여 배터리 셀로 전달하도록 제어한다.
상기 제어부는 배터리 셀의 전압이 기준 전압과 같은지 판단하여 전압이 기준 전압과 같지 않은 경우 전력 이동시키고, 배터리 셀의 전압이 기준 전압과 같은 경우 전력 이동을 중단하여 셀 밸런싱을 완료한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 셀 밸런싱 회로에 대한 고장을 쉽게 진단할 수 있어 셀 밸런싱 회로의 고장으로 인한 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 배터리 셀의 밸런싱이 문제가 되면 특정 배터리 셀이 과방전되어 배터리 팩의 고장이 확대될 수 있는데 정밀한 배터리 셀의 밸런싱을 유지하여 이를 미연에 방지할 수 있다.
또한 본 발명은 배터리 셀의 잉여 전력을 전압이 낮은 셀 모듈에 공급하여 저항에서 잉여 전력을 소비할 필요 없이 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
또한 본 발명은 잉여 전력을 효율적으로 분배하여 급속 충전이 가능하고, 모든 셀 모듈의 균형을 맞출 수 있어 배터리 팩의 가용 용량과 수명을 늘릴 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 기능 구성도를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 Battery Cell Balancing 제어 방식을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 Monitoring chip 직렬 연결 구성도이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따라 충전시간 최적화를 위한 CC Control 및 CV Control 충전방식 회로도이다.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따라 배터리 셀의 셀 밸런싱 회로의 이상 진단 방법을 설명하기 위해 도시한 절차 흐름도이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 구성도이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전, 방전 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1에 도시된 바와 같이 각 배터리 셀(10)의 전압 등을 센싱하여 각 배터리 셀(10)의 전압 레벨을 기준 전압과 비교하여 밸런싱을 맞추어 관리하는 BMS(battery management system) 기능과 전력 손실을 낮추기 위해 무효전력의 품질을 제어하여 각 계통을 연계 보호하는 PCS(Power converter system) 기능과 각 배터리 셀(10)의 전력 현황을 관리하는 PMS(Power Management System), 교류 상태로 흘러온 전류를 직류로 상기 배터리 셀(10)에 저장하는 ESS(energy storage system) 기능을 모니터링하는 모니터링부(38)와, 이에 따라 시스템을 제어하는 제어부(40)로 구성된다.
상기 제어부(40)는 상기 모니터링부(38)가 셀 전압 센싱 회로로부터 캐패시터의 충전 전압을 입력받아 배터리 셀의 전압을 센싱한 후, 각각 배터리 셀(10)의 전압 레벨을 기준 전압과 비교를 반복하여 다수개의 내장된 배터리 셀(10)의 전력을 밸런싱하기 위해 각 배터리 셀(10)에 일정하게 전력이 분배되도록 제어한다.
또한 제어부(40)는 배터리 셀(10)의 전압이 기준 전압과 같은지 판단하여 전압이 기준 전압과 같지 않은 경우 전력 이동시키고, 배터리 셀(10)의 전압이 기준 전압과 같은 경우 전력 이동을 중단하여 셀 밸런싱을 완료한다.
아래 표 1과 같이 본 발명에 따른 실시간 모니터링 항목으로 전압(Voltage), 전류(Current), 온도(Temperature Measure), 충전량(SOC:State of Charge Calculation), 수명 예측(SOH:State of Health Estimation), 진단 알고리즘(Diagnostic Algorithm), 방호 알고리즘(Protection Algorithm), 통신(Modbus, CAN, DNA 등) 등을 포함한다.



BMS 실시간 모니터링 항목		 전압(Voltage)
전류(Current)
온도(Temperature Measure)
충전량(SOC : State of Charge Calculation)
수명 예측(SOH : State of Health Estimation)
진단 알고리즘(Diagnostic Algorithm)
방호 알고리즘(Protection Algorithm)
통신(Modbus, CAN, DNA 등)
도 2 내지 도 4a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 배터리 셀(10)의 충전, 방전 시 고열, 과충전 및 과방전을 막아주며 배터리 셀(10) 간의 전압을 균일하게 하여 에너지 효율 및 배터리 수명을 높일 수 있다.
이를 위해 본 발명은 Multi-Cell Battery Stack Monitor chip을 이용한 Battery Cell Balancing 기능을 갖는다.
또한 본 발명은 배터리 셀(10)의 Cell Balancing 구현을 위하여 기본적으로 전압 측정부(20)를 통해 Battery Cell별 전압 측정이 가능하고, 자체 Passive 방식의 Cell Balancing 기능이 내장된 Linear사의 LTC680 계열 chip을 사용한다.
이를 위해 배터리 셀 모듈(200)에 대한 전류 측정을 위한 ADC측정 포트를 제공한다.
본 발명은 Multi-Cell Battery Stack Monitor chip 내 온도센서 부착이 가능하며 제어부(40)가 배터리 셀(10) 내 온도 수집을 통한 배터리 셀(10)의 온도상승 방지 기능을 갖고 있다.
다수의 배터리 셀(10)을 하나의 배터리 셀 모듈(200)로 구성하며, 각 배터리 셀 모듈(200)에 도 3의 Monitoring chip을 장착하고, Monitoring chip은 자체 모듈별 전원공급이 가능하고 SPI통신은 절연방식으로 구성한다.
또한 본 발명은 다수의 배터리 셀 모듈(200)을 직렬로 연결시 높은 전압 구성이 가능하여 AC공급 전압에 따른 효율적인 직류전압이 구성 가능하다.
이하 본 발명의 일실시예로서 리튬계 배터리의 수명 및 효율적인 관리를 위하여 충전용량별 Constant Current, Constant Voltage 제어 장치 및 알고리즘을 설명한다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따라 충전시간 최적화를 위한 CC Control 및 CV Control 충전방식 회로도이고, 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따라 배터리 셀(10)의 셀 밸런싱 회로의 이상 진단 방법을 설명하기 위해 도시한 절차 흐름도이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 구성도이고, 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩의 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4a와 도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명은 각 배터리 셀(V1, V2), 캐패시터(C1, C2), 전압측정부(20), 제1 및 제2스위치(281, 283), 셀 밸런싱 회로(30A, 30B), DC/AC 변환기(260), AC/DC 변환기(270), 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), 모니터링부(38), 제어부(40)로 구성된다.
캐패시터(C1, C2)는 각 배터리 셀(V1, V2)의 양 단자에 연결된 전압 센싱 라인과 접속되어 각 배터리 셀의 전압을 충전한다.
전압측정부(20)는 상기 전압 센싱 라인을 통해 각 배터리 셀에 대응되는 캐패시터의 충전 전압을 센싱한다.
제1 및 제2스위치(281, 283)는 상기 캐패시터를 기준으로 배터리 셀 측 전압 센싱 라인과 셀 전압 센싱 회로 측 전압 센싱 라인에 각각 설치된다.
셀 밸런싱 회로(30A, 30B)는 상기 캐패시터의 양 단자와 연결되어 캐패시터를 방전시킨다.
DC/AC 변환기(260)는 내장된 배터리 셀의 전력을 AC 전력으로 변환하여 내장된 변압기로 전달한다.
AC/DC 변환기(270)는 내장된 변압기의 외부측 연결단에 인가된 전력을 DC 전력으로 변환하여 내장된 배터리 셀로 전달한다.
제1 스위치(SW1)는 내장된 배터리 셀과 상기 DC/AC 변환기 사이 또는 상기 DC/AC 변환기와 내장된 변압기 사이에 위치하고, 상기 제어부(40)의 제어에 따라 열리거나 닫힌다.
제2 스위치(SW2)는 내장된 배터리 셀과 상기 AC/DC 변환기 사이 또는 상기 AC/DC 변환기와 내장된 변압기 사이에 위치하고, 상기 제어부(40)의 제어에 따라 열리거나 닫힌다.
모니터링부(38)는 상기 제1 및 제2스위치를 순차적으로 동작시켜 셀 전압 센싱 회로로부터 캐패시터의 충전 전압을 입력받아 배터리 셀의 전압을 센싱하고, 내장된 배터리 셀의 모니터링한 상태 정보를 저장한다.
제어부(40)는 상기 센싱한 배터리 셀의 전압을 전달받아 저장하고, 상기 셀 밸런싱 회로를 작동시켜 캐패시터를 방전시키고 일정한 시간이 경과된 이후 다시 제2스위치를 동작시켜 상기 모니터링부(38)에서 센싱된 캐패시터의 충전 전압을 토대로 셀 밸런싱 회로의 고장 여부를 판별하며, 상기 DC/AC 변환기와 상기 AC/DC 변환기를 제어하여 내장된 배터리 셀과 내장된 변압기 사이의 전력 이동을 제어한다.
도 4b에 도시된 바와 같이 S10 단계에서, 제어부(40)는 제2스위치(SW2)를 턴오프시킨 상태에서 제1스위치(SW1)를 턴온시켜 각 배터리 셀(V1, V2)의 전압을 대응하는 캐패시터(C1, C2)에 충전시킨다.
S20 단계에서, 제어부(40)는 제1스위치(SW1)를 턴오프시키고 제2스위치(SW2)를 턴온시켜 캐패시터(C1, C2)와 전압 측정부(20)를 연결함으로써 전압 측정부(20)를 통해 캐패시터(C1, C2)의 충전 전압을 측정한다. 여기서, 측정된 전압 값은 각 배터리 셀(V1, V2)의 셀 전압에 해당한다.
S30 단계에서, 제어부(40)는 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)를 턴오프시킨 상태에서 제3스위치(SW3-1, SW3-2)를 턴온시켜 캐패시터(C1, C2)의 양단을 대응하는 셀 밸런싱 회로(30A, 30B)와 연결함으로써 캐패시터(C1, C2)의 충전 전압을 일정한 시간 동안 방전시킨다.
S40 단계에서, 제어부(40)는 제1스위치(SW1)와 제3스위치(SW3-1, SW3-2)를 턴오프시킨 상태에서 제2스위치(SW2)를 턴온시켜 방전된 캐패시터(C1, C2)의 양단을 전압 측정부(20)에 연결하여 전압 측정부(20)를 통해 방전된 캐패시터(C1, C2)의 잔류 전압을 다시 측정한다.
S50 단계에서, 제어부(40)는 방전된 캐패시터(C1, C2)의 잔류 전압이 미리 정한 기준 전압을 초과하면 해당하는 셀 밸런싱 회로(30A, 30B)에 이상이 있는 것으로 판별한다.
추가적으로, 제어부(40)는 방전된 캐패시터(C1, C2)의 잔류 전압과 배터리 셀(V1, V2)의 셀 전압을 상호 대비하여 두 전압 값의 차이가 미리 정한 기준 전압 미만이면 해당하는 셀 밸런싱 회로(30A, 30B)에 이상이 있는 것으로 판별한다.
S60 단계에서, 제어부(40)는 셀 밸런싱 회로(30A, 30B)에 이상이 발생되지 않은 것으로 판별되면, 셀 밸런싱 회로(30A, 30B)의 이상 진단을 위한 프로세스를 종료한다.
반면, 제어부(40)를 통해 셀 밸런싱 회로(30A, 30B)에 이상이 발생된 것으로 판별되면, 셀 밸런싱 회로(30A, 30B)에 이상이 발생한 사실을 이상 경보기(50)를 통해 외부의 사용자에게 시각적 또는 청각적으로 경보한다(S70 단계).
상술한 S10 단계 내지 S70 단계는 각 배터리 셀(V1, V2)에 대응하는 셀 밸런싱 회로(30A, 30B)의 이상 진단을 위해 일정한 주기로 반복적으로 실행될 수 있으며, 사용자의 진단 명령 또는 제어부(40)의 제어 알고리즘에서 자동으로 발생되는 진단 명령에 의해 실행될 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 배터리 셀 모듈(200)의 전압측정부(20)를 통해 전압 정보를 모니터링하는 모니터링부(38)와 상기 모니터링된 정보에 따라 제어하는 제어부(40)는 배터리 셀 모듈(200)의 배터리 셀(10)의 전압과 기준 전압을 비교한다(S110).
상기 제어부(40)는 배터리 팩(100)에 내장된 배터리 셀(10)의 평균 전압을 기준 전압으로 이용할 수 있다. 또는 상기 제어부(40)는 배터리 셀(10)의 충전이나 방전 시간을 기초로 시간에 따른 기준 전압을 단계적으로 설정할 수 있다.
배터리 셀(10)의 전압이 기준 전압보다 높은 경우, 제어부(40)는 배터리 셀 모듈(200)의 배터리 셀(10)에 인가된 전력을 AC 전력으로 변환하여 변압기(250)로 전달하도록 배터리 셀 모듈(200)을 제어한다(S120).
이때 제어부(40)는 DC/AC 변환기(260)를 작동하고 스위치(281)를 턴온한다. 그리고 제어부(40)는 AC/DC 변환기(270)를 작동하지 않고 스위치(283)를 턴오프한다.
배터리 셀(10)의 전압이 기준 전압보다 낮은 경우, 제어부(40)는 변압기(250)에 인가된 전력을 DC 전력으로 변환하여 배터리 셀(10)로 전달하도록 배터리 셀 모듈(200)을 제어한다(S130). 이때 제어부(40)는 AC/DC 변환기(270)를 작동하고 스위치(283)를 턴온하며, DC/AC 변환기(260)와 스위치(281)를 턴오프한다.
이후 제어부(40)는 배터리 셀(10)의 전압이 기준 전압과 같은지 판단한다(S140). 아직 배터리 셀(10)의 전압이 기준 전압과 같지 않은 경우, 제어부(40)는 S110 이후 단계를 반복한다.
그리고 배터리 셀(10)의 전압이 기준 전압과 같은 경우, 제어부(40)는 해당 배터리 셀 모듈(200)의 배터리 셀(10)과 변압기(250) 사이의 전력 이동을 중단한다(S150). 이때 제어부(40)는 해당 배터리 셀 모듈(200)의 DC/AC 변환기(260), AC/DC 변환기(270) 그리고 복수의 스위치(281, 283)를 턴오프 한다.
제어부(40)는 모든 배터리 셀 모듈(200)의 배터리 셀(10)의 전압이 기준 전압과 같은지 판단한다(S160). 아직 모든 배터리 셀 모듈(200)의 배터리 셀(10)의 전압이 기준 전압과 같지 않은 경우, 제어부(40)는 해당 배터리 셀 모듈(200)에 대해 S110 이후 단계를 반복한다.
제어부(40)는 모든 배터리 셀 모듈(200)의 배터리 셀(10)의 전압이 기준 전압과 같은 경우, 배터리 셀 모듈 팩(100)은 셀 밸런싱을 완료한다(S170).
또한 제어부(40)는 각 배터리 셀 모듈(200)의 잉여 전력을 전압이 낮은 배터리 셀 모듈(200)에 공급하여 셀 밸런싱을 수행한다. 배터리 셀 모듈 팩(100)은 충전할 때뿐만 아니라 방전하는 경우에도 이와 같은 방법을 이용하여 배터리 셀 모듈 팩(100)을 구성하는 배터리 셀 모듈(200)의 셀 밸런싱을 수행할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 만일 배터리 셀(10)이 Vin > 0 , Iin > 0이고, 볼트 영역(voltage region)이 K이면, 제어부(40)을 통해 최저 dc 모선 전압(dc bus voltage)을 가지고 있는 (K-1) 셀이 "+1" 모드로 충전된다. 이 때 K 번째 배터리 셀(10)은 PWM 모드이고, 나머지는 "0"모드이다.
배터리 셀(10)이 Vin > 0 , Iin < 0이고, 볼트 영역이 K이면, 제어부(40)을 통해 최대 dc 모선 전압을 가지고 있는 (K-1) 셀이 "+1" 모드로 방전된다. 이 때 K 번째 배터리 셀(10)은 PWM 모드이고, 나머지는 "0"모드이다.
배터리 셀(10)이 Vin < 0 , Iin > 0이고, 볼트 영역이 K이면, 제어부(40)을 통해 최대 dc 모선 전압을 가지고 있는 (K-1) 셀이 "-1" 모드로 방전된다. 이 때 K 번째 배터리 셀(10)은 PWM 모드이고, 나머지는 "0"모드이다.
배터리 셀(10)이 Vin < 0 , Iin < 0이고, 볼트 영역이 K이면, 제어부(40)을 통해 최저 dc 모선 전압을 가지고 있는 (K-1) 셀이 "-1" 모드로 충전된다. 이 때 K 번째 배터리 셀(10)은 PWM 모드이고, 나머지는 "0"모드이다.
여기에서 상기 배터리 셀(10)에서 K 셀은 PWM(pulse-width modulation) 모드이고, 나머지는 "0" 모드이다.
도면에 나타나 있는 벡터 Vi 값은 "0", "+1", "-1", 또는 PWM을 포함하며, 배터릴 셀의 동작 모드를 표현한다.
K 영역은 입력 볼트(|Vin|)의 크기를 표시하는 것으로서 아래 수학식 1로 정의된다.
Figure pat00001
여기에서 각 입력 전압 Vin은 동일하게 Vc로 나뉜다. Vc는 dc 모선 전압(dc bus voltage) 레퍼런스로서 각 셀의 전압 기준이 된다.
그리고 입력 전압 K가 업데이트될 경우 스위칭 함수(h1... hN)는 멀티 플렉서에 의해 작동되고, 다음 입력 데이터에 대한 샘플링이 반복된다.
10 : 배터리 셀
20 : 전압 측정부
30A, 30B : 셀 밸런싱 회로
40 : 제어부
200 : 배터리 셀 모듈
250 : 변압기
260 : DC/AC 변환기
281, 283 : 스위치
270 : AC/DC 변환기

Claims (5)

  1. 배터리 셀의 양 단자에 연결된 전압 센싱 라인과 접속되어 각 배터리 셀의 전압을 충전하는 캐패시터;
    상기 전압 센싱 라인을 통해 각 배터리 셀에 대응되는 캐패시터의 충전 전압을 센싱하는 전압측정부;
    상기 캐패시터를 기준으로 배터리 셀 측 전압 센싱 라인과 셀 전압 센싱 회로 측 전압 센싱 라인에 각각 설치된 제1 및 제2스위치;
    상기 캐패시터의 양 단자와 연결되어 캐패시터를 방전시키는 셀 밸런싱 회로;
    내장된 배터리 셀의 전력을 AC 전력으로 변환하여 내장된 변압기로 전달하는 DC/AC 변환기;
    내장된 변압기의 외부측 연결단에 인가된 전력을 DC 전력으로 변환하여 내장된 배터리 셀로 전달하는 AC/DC 변환기;
    내장된 배터리 셀과 상기 DC/AC 변환기 사이 또는 상기 DC/AC 변환기와 내장된 변압기 사이에 위치하고, 제어부의 제어에 따라 열리거나 닫히는 제1 스위치;
    내장된 배터리 셀과 상기 AC/DC 변환기 사이 또는 상기 AC/DC 변환기와 내장된 변압기 사이에 위치하고, 제어부의 제어에 따라 열리거나 닫히는 제2 스위치;
    상기 제1 및 제2스위치를 순차적으로 동작시켜 셀 전압 센싱 회로로부터 캐패시터의 충전 전압을 입력받아 배터리 셀의 전압을 센싱하고, 내장된 배터리 셀의 모니터링한 상태 정보를 저장하는 모니터링부;
    상기 센싱한 배터리 셀의 전압을 전달받아 저장하고, 상기 셀 밸런싱 회로를 작동시켜 캐패시터를 방전시키고 일정한 시간이 경과된 이후 다시 제2스위치를 동작시켜 상기 모니터링부에서 센싱된 캐패시터의 충전 전압을 토대로 셀 밸런싱 회로의 고장 여부를 판별하며, 상기 DC/AC 변환기와 상기 AC/DC 변환기를 제어하여 내장된 배터리 셀과 내장된 변압기 사이의 전력 이동을 제어하는 제어부;를 포함하는 에너지 저장 시스템의 안정화 및 효율적 관리를 위하여 배터리의 상태를 주기적으로 모니터링 및 제어하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 제2스위치를 턴오프시킨 상태에서 제1스위치를 턴온시켜 각 배터리 셀의 전압을 대응하는 캐패시터에 충전시킨 후,
    상기 모니터링부는 제1스위치를 턴오프시키고 제2스위치를 턴온시켜 캐패시터와 전압 측정부를 연결함으로써 전압 측정부를 통해 캐패시터의 충전 전압을 측정하고, 상기 제어부가 제1스위치와 제2스위치를 턴오프시킨 상태에서 제3스위치를 턴온시켜 캐패시터의 양단을 대응하는 셀 밸런싱 회로와 연결함으로써 캐패시터의 충전 전압을 일정한 시간 동안 방전시키며,
    상기 제어부가 상기 제1스위치와 제3스위치를 턴오프시킨 상태에서 제2스위치를 턴온시켜 방전된 캐패시터의 양단을 전압 측정부에 연결하여 상기 모니터링부가 전압 측정부를 통해 방전된 캐패시터의 잔류 전압을 다시 측정하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 안정화 및 효율적 관리를 위하여 배터리의 상태를 주기적으로 모니터링 및 제어하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 모니터링부에 의해 방전된 것으로 측정된 캐패시터의 잔류 전압이 미리 정한 기준 전압을 초과하면 해당하는 셀 밸런싱 회로에 이상이 있는 것으로 판별하거나, 방전된 캐패시터의 잔류 전압과 배터리 셀의 셀 전압을 상호 대비하여 두 전압 값의 차이가 미리 정한 기준 전압 미만이면 해당하는 셀 밸런싱 회로에 이상이 있는 것으로 판별하고, 상기 셀 밸런싱 회로에 이상이 발생된 것으로 판별되면, 경보기를 통해 외부의 사용자에게 시각적 또는 청각적으로 경보하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 안정화 및 효율적 관리를 위하여 배터리의 상태를 주기적으로 모니터링 및 제어하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 배터리 셀의 전압과 기준 전압을 비교하고, 배터리 셀의 전압이 기준 전압보다 높은 경우, 제어부는 배터리 셀에 인가된 전력을 AC 전력으로 변환하여 변압기로 전달하도록 제어하고,
    배터리 셀의 전압이 기준 전압보다 낮은 경우, 제어부는 변압기에 인가된 전력을 DC 전력으로 변환하여 배터리 셀로 전달하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 안정화 및 효율적 관리를 위하여 배터리의 상태를 주기적으로 모니터링 및 제어하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 배터리 셀의 전압이 기준 전압과 같은지 판단하여 전압이 기준 전압과 같지 않은 경우 전력 이동시키고, 배터리 셀의 전압이 기준 전압과 같은 경우 전력 이동을 중단하여 셀 밸런싱을 완료하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템의 안정화 및 효율적 관리를 위하여 배터리의 상태를 주기적으로 모니터링 및 제어하는 시스템.
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