KR20220108340A - 다수의 배터리 모듈을 병렬로 적층한 에너지 저장장치의 밸런싱 및 충전 방법 - Google Patents

다수의 배터리 모듈을 병렬로 적층한 에너지 저장장치의 밸런싱 및 충전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충방전 횟수나 사용상태 등이 서로 다른 배터리 모듈들을 병렬로 적층하여 구성되는 에너지 저장장치의 밸런싱 및 충전 방법에 관한 것으로, 상기 마스터 유닛과 상기 슬레이브 유닛들이 서로 통신 가능한 상태로 연결하는 단계; 상기 마스터 유닛이, 상기 슬레이브 유닛들 각각에 포함된 배터리 모듈의 개로전압(OCV), 충전상태(SOC) 및 노화상태(SOH)에 관한 배터리 모듈 정보를 수집하는 단계; 상기 수집된 배터리 모듈 정보에 기초하여, 상기 마스터 유닛의 제어에 따라 상기 배터리 모듈들에 대한 밸런싱을 수행하는 단계; 및 상기 슬레이브 유닛들을 DC 버스와 연결하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

다수의 배터리 모듈을 병렬로 적층한 에너지 저장장치의 밸런싱 및 충전 방법{METHOD FOR BALANCING AND CHARGING IN ENERGY STORAGE SYSTEM STACKING MULTIPLE BATTERY MODULES}
본 발명은 에너지 저장장치의 밸런싱 및 충전 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충방전 횟수나 사용상태 등이 서로 다른 배터리 모듈들을 병렬로 적층하여 구성되는 에너지 저장장치에서 배터리 모듈을 밸런싱하고 충전하는 방법에 관한 것이다.
에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)는 에너지를 다양한 저장장치를 통해 저장하고 이를 재사용 가능하게 하는 전체적인 시스템을 통칭한다. 이러한 에너지 저장장치는 설치 용량에 따라 일정한 개수의 배터리 모듈을 묶어 트레이(Tray)나 랙(Rack) 등으로 구성하며, 배터리 모듈의 추가나 교체 등이 없이 그 개수가 고정되어 사용되는 것이 일반적이다.
그러나 가정용이나 캠핑용 에너지 저장장치의 경우, 이동이나 사용의 편의를 위해 필요한 용량만큼 배터리 모듈을 탈착하여 사용할 필요성이 있으며, 또한 이에 대한 시장의 요구도 점차 커지고 있는 추세이다.
다만, 이와 같이 배터리 모듈의 개수를 가변하여 구성하게 되면, 각각의 배터리 모듈은 그 사용 빈도나 사용 기간의 차이로 인해 개로전압(Open Circuit Voltage, OCV), 충전상태(State of Charge, SOC) 및 노화상태(State of Health, SOH) 등이 서로 달라질 수 있으므로 에너지 저장장치의 충전 및 방전에 있어서 안전성이 문제될 수 있다.
즉, 다수의 배터리 모듈을 병렬로 적층한 에너지 저장장치에서 배터리 모듈 전체를 병렬로 연결하여 밸런싱하면 소요 시간이 적게 걸릴 수 있지만, 과전류가 발생하거나 배터리 모듈의 전압의 불일치로 스파크가 일어나거나 모듈이 폭발할 수 있어서 안전상 심각한 문제가 발생할 수 있다. 또한, 전체 배터리 모듈을 충전함에 있어서 개별 배터리 모듈을 각각 충전하려면 다수의 충전기가 필요하고, 전체 배터리 모듈을 동시에 병렬로 연결하여 충전하면 과전류가 흘러서 역시 안전상 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 에너지 저장장치에서 고전류를 사용하지 않고, 가능한 한 빠른 시간에 모듈 밸런싱 및 충전을 할 수 있는 방안이 요구된다.
공개특허공보 제10-2019-0127060호
본 발명의 목적은 충방전 횟수나 사용상태 등이 서로 다른 배터리 모듈들을 병렬로 적층하여 구성되는 에너지 저장장치에서 안정적이고 효율적인 밸런싱 및 충전 방법을 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 마스터 유닛과 복수의 슬레이브 유닛을 병렬로 적층하여 구성되는 에너지 저장장치의 밸런싱 및 충전 방법으로써, 상기 마스터 유닛과 상기 슬레이브 유닛들이 서로 통신 가능한 상태로 연결하는 단계; 상기 마스터 유닛이, 상기 슬레이브 유닛들 각각에 포함된 배터리 모듈의 개로전압(OCV), 충전상태(SOC) 및 노화상태(SOH)에 관한 배터리 모듈 정보를 수집하는 단계; 상기 수집된 배터리 모듈 정보에 기초하여, 상기 마스터 유닛의 제어에 따라 상기 배터리 모듈들에 대한 밸런싱을 수행하는 단계; 및 상기 슬레이브 유닛들을 DC 버스와 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 밸런싱을 수행하는 단계는, 상기 배터리 모듈들의 충전상태 평균값을 산출하는 단계; 상기 배터리 모듈들을 가운데 인접한 배터리 모듈을 두 개씩 짝지어 연결하여 제1밸런싱을 수행한 후, 인접한 배터리 모듈을 중복되지 않도록 다시 두 개씩 짝지어 제2밸런싱을 수행하는 단계; 상기 배터리 모듈들 각각의 충전상태가 상기 충전상태 평균값을 기준으로 미리 설정된 범위 안에 있는지를 판단하는 단계; 및 상기 판단결과에 따라 상기 배터리 모듈에 대한 밸런싱을 종료하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 벨런싱을 수행하는 단계에 앞서, 상기 배터리 모듈들의 개로전압이 안정한 상태인 플랫 구간에 있는지를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 밸런싱을 수행한 후 상기 배터리 모듈들의 충전상태가 사용 가능한 수준에 있는지를 판단하고, 판단결과에 따라 배터리 모듈들의 충전 및 밸런싱을 동시적으로 병행하여 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 충전 및 밸런싱을 수행하는 단계는, 제N번째 배터리 모듈을 충전하는 단계; 상기 충전된 제N번째 배터리 모듈과 제(N-1)번째 배터리 모듈을 연결하여 밸런싱을 수행하며, 이와 동시에 제(N-2)번째 배터리 모듈을 충전하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈들의 충전상태가 최대 충전상태에 도달했는지를 판단하고, 판단결과에 따라 충전을 종료하는 단계를 더 포함하고, 상기 최대 충전상태는 상기 배터리 모듈들의 노화상태 정보에 기초하여 미리 설정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 충방전상태, 사용시간, 노화상태가 서로 상이한 배터리 모듈들을 병렬로 적층하여 대용량 에너지 저장장치를 구성할 수 있다.
또한, 모듈 밸런싱을 통해 개로전압의 차이로 인한 스파크나 과전류 발생을 방지할 수 있으며, 배터리 모듈별로 충전장치를 구비할 필요 없이 하나의 충전장치로 적층된 여러 개의 배터리 모듈을 효과적으로 충전할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 주요 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 전력변환시스템의 세부 구성에 관한 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3의 양방향 DC/DC 컨버터의 세부 구성에 관한 실시 예를 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 충방전 프로세스를 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 밸런싱 프로세스를 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 밸런싱 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 충전 프로세스를 나타내는 순서도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 충전 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 주요 구성을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장장치(10)는 마스터 유닛(100)과 복수의 슬레이브 유닛(200)을 포함하여 구성될 수 있다.
실시 예에 따라, 마스터 유닛(100)과 슬레이브 유닛(200은 도 1에 도시된 바와 같이 수직 방향으로 적층될 수 있다. 적층되는 슬레이브 유닛(200)의 개수는 제한이 없으며, 필요에 따라 슬레이브 유닛(200)을 추가하거나 제거함으로써 전체 배터리 용량을 쉽게 조절할 수 있다.
마스터 유닛(100)과 슬레이브 유닛(200)의 상부 및/또는 하부에는 DC 버스와 연결되는 (+)단자와 (-)단자, 그리고 통신 라인과 연결되는 통신(com) 단자가 마련될 수 있다, 각각의 단자들은 슬라이딩 및 끼움 방식으로 체결될 수 있으며, 이에 따라 마스터 유닛(100)과 슬레이브 유닛(200), 및 슬레이브 유닛들(200)이 병렬로 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 내부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이고, 도 3은 도 2의 전력변환시스템의 세부 구성에 관한 실시 예를 나타내는 블록도이고, 도 4는 도 3의 양방향 DC/DC 컨버터의 세부 구성에 관한 실시 예를 나타내는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 마스터 유닛(100)은 모듈제어시스템(110), 전력변환시스템(120) 및 메인 스위치(130)를 포함할 수 있다.
모듈제어시스템(110)은 통신 라인(COM)을 통해 슬레이브 유닛들(200)과 연결될 수 있다. 모듈제어시스템(110)은 각 슬레이브 유닛들(200)에 포함된 배터리 모듈들(210)들에 대한 정보를 수집하여 저장할 수 있으며, 이를 이용하여 배터리 모듈들(210)의 밸런싱, 충전 및 방전 등에 필요한 전반적인 제어를 수행할 수 있다.
전력변환시스템(120)은 DC 버스(+)와 연결되며, 양방향 전력변환을 통해 배터리 모듈들(210)로부터 제공된 전기 에너지를 외부에 연결된 다양한 부하(Load)에 제공하거나 배터리 모듈들(210)의 충전 및 밸런싱을 위한 전력을 DC 버스(+)를 통해 제공할 수 있다.
메인 스위치(130)는 모듈제어시스템(110)의 제어에 따라 온(On) 또는 오프(Off)될 수 있으며, 슬레이브 유닛(200) 전체를 DC 버스(+)에 연결하거나 연결을 차단할 수 있다.
슬레이브 유닛(200)은 배터리 모듈(210), 배터리 관리시스템(220), 전력변환시스템(230), 통신부(240), 서브 스위치(250) 및 모듈연결 스위치를 포함할 수 있다.
배터리 모듈(210)은 전기 에너지를 충전 및 방전하여 사용할 수 있는 2차전지의 기본 단위인 베터리 셀(Cell)을 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체를 의미할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 각각의 배터리 모듈(210)은 성능이나 충전용량, 공칭전압 등의 초기 스펙은 서로 동일한 것으로 구성될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 에너지 저장장치(10)에서 배터리 용량의 가변적 구성이 가능함에 따라 배터리 모듈(210) 각각의 사용횟수나 사용기간 등은 서로 다를 수 있으며, 이에 따라 배터리 모듈(210) 각각의 상태 정보, 예컨대 충전상태(State of Charge, SOC), 노화상태(State of Health, SOH), 개로전압(Open Circuit Voltage, OCV) 등에도 차이가 있을 수 있다.
특히, 슬레이브 유닛(200)을 새로이 추가하거나 교체가 이루어져 배터리 모듈들의 개로전압 차이가 있는 상태에서 곧바로 배터리 모듈들을 병렬 연결하면 스파크가 발생하거나 배터리 모듈들 사이에 고전류가 발생하여 에너지 저장장치의 안전에 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로, 안전성 확보를 위해 배터리 모듈들에 대한 밸런싱이 먼저 수반되어야 할 필요가 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 5 내지 도 7을 통해 후술하기로 한다.
배터리 관리시스템(220)은 베터리 셀의 전압 밸런싱을 통해 안정적이고 효율적인 충전 및 방전이 이루어지도록 관리하며, 배터리 모듈의 전류, 전압, 온도 등을 센싱하여 충전상태(SOC) 및 노화상태(SOH)를 예측하고 이를 모니터링하는 기능을 수행할 수 있다.
전력변환시스템(230)은 배터리 모듈(210)과 DC 버스(+) 사이에 연결될 수 있으며, 배터리 모듈의 밸런싱과 충전 및 방전에 필요한 전력변환 이외에 여러 기능을 수행할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 전력변환시스템(230)은 양방향 DC/DC 컨버터(231), 모드 제어부(232) 및 전압검출부(233)를 포함하여 구성될 수 있다.
양방향 DC/DC 컨버터(231)는 배터리 모듈(210) 측의 직류 전압을 승압 또는 강압하여 DC 버스(+) 측으로 전달하거나 DC 버스(+) 측의 직류 전압을 승압 또는 강압하여 배터리 모듈(210)로 제공할 수 있다. 또한, 양방향 DC/DC 컨버터(231)는 배터리 모듈(210) 측의 직류 전압을 전력변환 없이 DC 버스(+)으로 전달하거나 서브 스위치(250)를 통해 연결된 배터리 모듈들(210) 사이의 액티브 밸런싱을 수행하기 위한 회로 구성을 포함할 수 있다.
모드 제어부(232)는 양방향 DC/DC 컨버터(231) 내의 스위칭 소자들(S1 내지 S5)의 온/오프를 제어함으로써, 양방향 DC/DC 컨버터(231)가 벅(Buck) 모드, 부스트(Boost) 모드, 바이패스(Bypass) 모드, 밸런싱(Balancing) 모드 및 개방(Open) 모드 중에서 어느 하나로 작동하도록 할 수 있다. 예컨대, 모드 제어부(232)는 모듈 밸런싱 및 충전 시에는 DC/DC 컨버터(231)를 벅 모드로 작동시킬 수 있으며, 방전 시에는 DC/DC 컨버터(231)를 부스트 모드로 작동시킬 수 있다.
한편, 양방향 DC/DC 컨버터(231)의 모드를 결정함에 있어서, 모드 제어부(232)는 모듈제어시스템(110)으로부터 전송된 명령(CMD)에 따르거나 배터리 모듈(210) 측 전압(Vb)과 DC 버스(+) 측 전압(Vd)을 비교한 결과를 이용할 수 있다. 이때, 배터리 모듈(210) 측 전압(Vb)은 배터리 관리시스템(220)으로부터 제공될 수 있으며, DC 버스(+) 측 전압(Vd)은 전압검출부(233)를 통해 제공될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 통신부(240)는 통신 라인(COM)을 통해 모듈제어시스템(110)과 연결되며, 배터리 관리시스템(220) 및 전력변환시스템(230)이 수집한 데이터를 모듈제어시스템(110)으로 제공하거나 모듈제어시스템(110)이 전송한 명령 및 데이터를 배터리 관리시스템(220) 또는 전력변환시스템(230)으로 제공할 수 있다. 마스터 유닛(100)과 슬레이브 유닛(200)의 통신은 CAN(Controller Area Network)이나 TCP/IP 방식을 사용할 수 있다.
서브 스위치(250)는 전력변환시스템(230)의 제어에 따라 슬레이브 유닛(200)을 DC 버스(+)와 연결하거나 연결을 차단하는 역할을 하며, 메인 스위치(130)가 오프된 경우에 슬레이브 유닛(200)들을 병렬 연결할 수 있도록 하는 역할을 한다.
서브 스위치(250)는 전력변환시스템(230)과 DC 버스(+) 사이에 설치될 수 있으며, 실시 예에 따라 전력번환시스템(230)이 DC/DC 컨버터(241)를 개방 모드또는 바이패스 모드로 작동시킴으로써 대체될 수 있다.
모듈연결 스위치(260)는 인접한 슬레이브 유닛(200)들 사이를 연결하는 역할을 수행하며, 슬레이브 유닛(200)의 전력변환시스템(230)에 의해 제어될 수 있다. 예컨대, 제1모듈연결 스위치(260-1)은 제1슬레이브 유닛(200-1)과 제2슬레이브 유닛(200-2)을 DC 버스 상에서 연결하거나 연결을 차단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 충방전 프로세스를 나타내는 순서도이며, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 밸런싱 프로세스를 나타내는 순서도이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈의 밸런싱 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 사용자는 필요한 배터리 용량을 구성하기 위하여 적절한 개수의 슬레이브 유닛(200)을 적층하여 마스터 유닛(100)과 연결할 수 있다. 이후 에너지 저장장치(10)에 전원이 공급되면 마스터 유닛(100)과 슬레이브 유닛(200)은 통신 라인(COM)을 통해 서로 통신 가능한 상태가 된다(S100).
이때, 마스터 유닛(100)과 슬레이브 유닛(200)의 DC 버스(+)를 통한 연결은 차단된 상태가 된다. 즉, 메인 스위치(130)와 서브 스위치(250)는 모두 오프 상태에 있게 된다. 이는 개로전압이 서로 다른 배터리 모듈들이 곧바로 병렬 연결될 때 배터리 모듈 사이에 고전류가 흐르거나 스파크가 발생하여 에너지 저장장치가 손상되는 것을 방지하기 위함이다.
이후, 마스터 유닛(100)의 모듈제어시스템(110)은 각 슬레이브 유닛(200)의 배터리 관리시스템(220)으로부터 제공된 배터리 모듈정보를 수집하여 저장할 수 있다(S110). 여기서, 배터리 모듈정보는 배터리 모듈(210)의 개로전압(OCV), 충전상태(SOC) 및 노화상태(SOH)를 포함할 수 있다.
한편, 배터리 모듈(200)의 개로전압은 측정 환경이나 배터리 모듈의 상태 등에 따라 측정값에 변동이 생길 수 있으므로 휴지시간을 고려하여 반복 측정하여 측정값이 플랫 구간에 있는지를 추가적으로 확인할 필요가 있다(S120).
배터리 모듈 정보에 대한 수집이 완료된 후, 모듈제어시스템(110)은 수집된 배터리 모듈 정보에 기초하여, 배터리 모듈들(210)에 대한 밸런싱을 수행할 수 있다. 여기서, 배터리 모듈 밸런싱은 배터리 모듈들을 병렬 연결하여 사용하거나 충전을 하기에 앞서, 에너지 저장장치의 안전성 확보를 위해 배터리 모듈들의 전압이나 충전상태를 동일 또는 유사 수준으로 맞추는 과정을 의미할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 모듈제어시스템(110)은 각각의 배터리 모듈의 충전상태를 합산하여 평균값을 산출할 수 있다(S131).
이후, 모듈제어시스템(110)은 각 슬레이브 유닛(200)의 전력변환시스템(230)과 서브 스위치(250) 및 모듈연결 스위치(260)를 제어하여 배터리 모듈 밸런싱을 수행할 수 있다(S130). 구체적으로, 모듈제어시스템(110)은 인접한 배터리 모듈을 두 개씩 짝지어 연결하여 제1밸런싱(Stage 1)을 수행한 후, 인접한 배터리 모듈을 중복되지 않도록 다시 두 개씩 짝지어 연결하여 제2밸런싱(Stage 2)을 수행할 수 있다(S132). 예컨대, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1밸런싱 과정에서는 제1배터리 모듈(210-1)과 제2배터리 모듈(210-2), 및 제3배터리 모듈(210-3)과 제4배터리 모듈(210-4)이 짝을 이루어 밸런싱을 수행할 수 있다. 또한, 제2밸런싱 과정에서는 제2배터리 모듈(210-2)과 제3배터리 모듈(210-3), 및 제4배터리 모듈(210-4)과 제5배터리 모듈(210-5)이 짝을 이루어 동시적으로 밸런싱을 수행할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이 인접한 배터리 모듈들을 짝을 이루어 동시적으로 밸런싱하는 것은 모듈 밸런싱에 소요되는 시간을 최소로 줄이기 위함이다.
모듈제어시스템(110)은 제1밸런싱 및 제2밸런싱 과정 이후 배터리 모듈들 각각의 충전상태를 확인할 수 있으며, 배터리 모듈들의 충전상태가 모두 목표한 범위 내에 있는지를 판단할 수 있다(S133). 예컨대, 모듈제어시스템(110)은 배터리 모듈의 충전상태 값과 앞서 산출된 전체 평균값의 차이를 계산하고, 차이값을 기 설정된 값과 비교할 수 있다.
단계 S133의 판단결과에 따라, 모듈제어시스템(110)은 제1밸런싱과 제2밸런싱 과정을 반복 수행하거나, 배터리 모듈 밸런싱 프로세스를 종료시킬 수 있다(S134).
다시 도 5를 참조하면, 배터리 모듈 밸런싱이 종료된 후, 모듈제어시스템(110)은 메인 스위치(130)와 서브 스위치(250) 및/또는 모듈연결 스위치(260)를 온 상태로 제어하여 배터리 모듈들(200)을 DC 버스(+)와 연결할 수 있다(S140). 이에 따라 배터리 모듈들(200)은 충전 및 방전이 가능한 상태에 놓이게 된다.
이후, 모듈제어시스템(110)은 밸런싱된 배터리 모듈의 충전상태가 방전 가능한 수준인지를 판단하고(S150), 판단결과에 따라 배터리 충전 프로세스를 수행할 수 있다(S160).
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈 충전 프로세스를 나타내는 순서도이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 모듈 충전 프로세스를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 충전 프로세스는 병렬 연결된 배터리 모듈 전체에 대하여 일괄적으로 수행되는 것이 아닌 배터리 모듈을 하나씩 순차적으로 충전을 진행하며 이와 동시에 모듈 밸런싱을 병행하는 방법을 제안한다.
구체적으로, 도 9에 도시된 바와 같이 5개의 배터리 모듈이 병렬 연결되었다고 가정할 때, 모듈제어시스템(110)은 먼저 마스터 유닛(100)과 가장 멀리 있는 제5배터리 모듈(210-5)을 충전할 수 있다(S161). 즉, 본 발명에서는 후술하는 바와 같이 충전 및 밸런싱이 동시에 수행되어야 하기 때문에 모듈연결 스위치(260)가 모두 연결된 상태에서 가장 멀리 있는 제N배터리 모듈(200-N)의 서브 스위치(250-N)을 연결하여 최초 충전을 시작하여야 한다. 이때, 나머지 서브 스위치들(250-1 내지 250-(N-1))은 오프상태에 있게 된다.
제5배터리 모듈(210-5)의 충전이 완료된 후, 모듈제어시스템(110)은 제5배터리 모듈(210-5)과 제4배터리 모듈(210-4)의 밸런싱을 수행하며(S162), 그와 동시에 제3배터리 모듈(210-3)을 충전할 수 있다(S162).
즉, 제3모듈연결 스위치(260-3)는 오프 상태로 하고, 제1모듈연결 스위치(260-1)와 제2모듈연결 스위치(260-2), 및 제3서브 스위치(250-3)을 온 상태로 제어하여 제3배터리 모듈(200-3)을 충전함과 동시에, 제4모듈연결 스위치(260-4)와 제4서브 스위치(250-4) 및 제5서브 스위치(250-5)를 온 상태로 제어하여 제4배터리 모듈(200-4)과 제5배터리 모듈(200-5)을 밸런싱할 수 있다.
마찬가지로, 제3배터리 모듈(210-3)의 충전이 완료된 후, 모듈제어시스템(110)은 제3배터리 모듈(210-3)과 제2배터리 모듈(210-2)의 밸런싱을 수행하며(S163), 그와 동시에 제1배터리 모듈(210-1)을 충전할 수 있다(S163).
즉, 제1모듈연결 스위치(260-1)를 오프 상태로 하고, 제1서브 스위치(250-1)를 온 상태로 제어하여 제1배터리 모듈(200-1)을 충전함과 동시에, 제2모듈연결 스위치(260-2)와 제2서브 스위치(250-2) 및 제3서브 스위치(250-3)를 온 상태로 제어하여 제2배터리 모듈(200-2)과 제3배터리 모듈(200-3)을 밸런싱할 수 있다.
이와 같은 방식으로, 모듈제어시스템(110)은 n번째 배터리 모듈의 충전을 완료한 후, 다음 (n-2)번째 배터리 모듈을 충전하는 동안 이전에 충전된 n번째 배터리 모듈과 (n-1)번째 배터리 모듈의 밸런싱을 동시에 수행하는 방식으로 전체 배터리 모듈을 충전 및 밸런싱할 수 있다.
한편, 모듈제어시스템(110)은 충전 프로세스가 진행되는 동안 배터리 모듈의 충전상태를 주기적으로 확인하여 전체 배터리 모듈의 충전상태가 최대 충전상태에 도달했는지를 판단할 수 있으며, 판단결과에 따라 충전 프로세스를 종료할 수 있다(S164, S165). 여기서, 최대 충전상태는 배터리 모듈들의 노화상태 정보에 기초하여 미리 설정되거나 산출될 수 있다.
이러한 충전 방식은 하나의 충전장치로 여러 개의 배터리 모듈이 적층된 상태에서 수행되므로, 배터리 모듈별로 충전장치를 구비할 필요가 없으며 적층된 배터리 모듈의 개수가 많더라도 고전류가 발생될 위험이 없어 전체 시스템의 안전성과 효율성을 극대화할 수 있다. 또한 배터리 모듈을 충전함에 있어서 충전과 모듈 밸런싱을 동시적으로 병행함으로써 전체 배터리 모듈 충전에 소요되는 시간을 최소화할 수 있다.
이상에서, 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 에너지 저장장치 100 : 마스터 유닛
110 : 모듈제어시스템 120 : 전력변환시스템
200 : 슬레이브 유닛 210 : 배터리 모듈
220 : 배터리 관리시스템 230 : 전력변환시스템
231 : 양방향 DC/DC 컨버터 232 : 모드 제어부
233 ; 전압검출부 240 : 통신부
250 : 서브 스위치

Claims (6)

  1. 마스터 유닛과 복수의 슬레이브 유닛을 병렬로 적층하여 구성되는 에너지 저장장치의 밸런싱 및 충전 방법에 있어서,
    상기 마스터 유닛과 상기 슬레이브 유닛들이 서로 통신 가능한 상태로 연결하는 단계;
    상기 마스터 유닛이, 상기 슬레이브 유닛들 각각에 포함된 배터리 모듈의 개로전압(OCV), 충전상태(SOC) 및 노화상태(SOH)에 관한 배터리 모듈 정보를 수집하는 단계;
    상기 수집된 배터리 모듈 정보에 기초하여, 상기 마스터 유닛의 제어에 따라 상기 배터리 모듈들에 대한 밸런싱을 수행하는 단계; 및
    상기 슬레이브 유닛들을 DC 버스와 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 밸런싱 및 충전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱을 수행하는 단계는,
    상기 배터리 모듈들의 충전상태 평균값을 산출하는 단계;
    상기 배터리 모듈들을 가운데 인접한 배터리 모듈을 두 개씩 짝지어 연결하여 동시적으로 제1밸런싱을 수행한 후, 인접한 배터리 모듈을 중복되지 않도록 다시 두 개씩 짝지어 동시적으로 제2밸런싱을 수행하는 단계;
    상기 배터리 모듈들 각각의 충전상태가 상기 충전상태 평균값을 기준으로 미리 설정된 범위 안에 있는지를 판단하는 단계; 및
    상기 판단결과에 따라 상기 배터리 모듈에 대한 밸런싱을 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 밸런싱 및 충전 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱을 수행하는 단계에 앞서, 상기 배터리 모듈들의 개로전압이 안정한 상태인 플랫 구간에 있는지를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 밸런싱 및 충전 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 밸런싱을 수행한 후 상기 배터리 모듈들의 충전상태가 사용 가능한 수준에 있는지를 판단하고, 판단결과에 따라 배터리 모듈들의 충전 및 밴런싱을 동시적으로 병행하여 수행하는 단계를 더 포함는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 밸런싱 및 충전 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충전 및 밸런싱을 동시적으로 병행하여 수행하는 단계는,
    제N번째 배터리 모듈을 충전하는 단계;
    상기 충전된 제N번째 배터리 모듈과 제(N-1)번째 배터리 모듈을 연결하여 밸런싱을 수행하며, 이와 동시에 제(N-2)번째 배터리 모듈을 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 밸런싱 및 충전 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 모듈들의 충전상태가 최대 충전상태에 도달했는지를 판단하고, 판단결과에 따라 충전을 종료하는 단계를 더 포함하고,
    상기 최대 충전상태는 상기 배터리 모듈들의 노화상태 정보에 기초하여 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장장치의 밸런싱 및 충전 방법.


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