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KR101342529B1 - 전력 저장 장치의 제어기, 제어 방법 및 컴퓨터로 판독가능한 기록 매체 - Google Patents

전력 저장 장치의 제어기, 제어 방법 및 컴퓨터로 판독가능한 기록 매체 Download PDF

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KR101342529B1
KR101342529B1 KR1020130036253A KR20130036253A KR101342529B1 KR 101342529 B1 KR101342529 B1 KR 101342529B1 KR 1020130036253 A KR1020130036253 A KR 1020130036253A KR 20130036253 A KR20130036253 A KR 20130036253A KR 101342529 B1 KR101342529 B1 KR 101342529B1
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KR
South Korea
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battery
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김식
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(주)티에스식스티즈
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Abstract

본 발명의 전력 저장 장치(Energy Storage System; ESS)를 제어하기 위한 제어기, 제어 방법 및 이를 제어하기 위한 소프트웨어 프로그램이 저장된 컴퓨터로 판독가능한 기록 매체가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치의 제어기는, 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력 저장 장치 내에 위치하며, 상기 전력 저장 장치가 충전 및 방전 모드 중 어느 모드인지를 감지하고, 상기 하나 이상의 배터리의 개방 전압을 산출하고, 상기 감지된 모드 및 산출된 개방 전압에 기초하여 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류 중 적어도 하나를 계산하고, 그리고 상기 계산된 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류에 기초하여, 상기 전력 저장 장치의 충전 및 방전 동작을 제어하도록 구성된다.

Description

전력 저장 장치의 제어기, 제어 방법 및 컴퓨터로 판독가능한 기록 매체{ENERGY STORAGE SYSTEM CONTROLLER, METHOD AND COMPUTER READABLE RECORDING MEDIUM THEREOF}
본 발명은 전력 저장 장치(Energy Storage System; ESS)를 제어하기 위한 제어기, 제어 방법 및 이를 제어하기 위한 소프트웨어 프로그램이 저장된 컴퓨터로 판독가능한 기록 매체에 관련한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력 저장 장치에 포함된 하나 이상의 배터리의 최대 충전/방전 전류를 제어하는 제어기, 제어 방법 및 컴퓨터로 판독가능한 기록 매체에 관한 것이다.
최근들어 환경 친화적인 에너지 대책을 수립하기 위한 필요성이 증가하고 있다. 이러한 노력의 일환으로서, 화석 에너지 자원 대체를 위한 신재생 에너지 사업이나, 에너지 효율을 높이기 위한 스마트 그리드(Smart Grid)에 대한 관심이 높아지고 있다.
에너지 효율을 높이기 위한 지능형 전력망을 구축하는데 있어서, 전력 저장 장치(Energy Storage System; ESS)는 필수적인 구성요소 중 하나이다. 이러한 전력 저장 장치(ESS)는 발전 장치에서 과잉 생산된 전력을 저장하였다가, 전력이 부족한 경우에 외부로 송전해 주는 역할을 수행한다.
전력 저장 장치(ESS)는 전력을 저장할 수 있는 전력단과 이를 제어하는 제어기로 구성된다. 전력단은 전력을 저장할 수 있는 하나 이상의 배터리를 포함하여 구성된다. 이러한 배터리로는 리튬 이온 배터리(lithium ion battery), 나트륨황(NaS, sodium-sulfur) 배터리, 레독시 흐름 배터리(Redox Flow Battery; RFB), 및 수퍼 캐패시터(SuperCapacitor; SC) 등이 사용된다. 제어기는 배터리의 상태를 모니터링하고, 배터리의 충전 및 방전 동작을 제어한다.
이와 같은 전력 저장 장치(ESS)를 충전 및 방전 하는데 있어서, 제어기는 전력 저장 장치를 구성하는 배터리들이 정전류-정전압(Constant Current-Constant Votage; CC-CV) 모드로 충전 및 방전되도록 배터리들을 제어한다. 일반적으로 제어기는 충전인 경우 0.5C(1C는 해당 배터리를 1시간 안에 완전 방전/완전 충전시키는데 필요한 전류량 의미함, 즉 0.5C로 충전하는 경우, 완방전 상태에서 완충전까지 2시간이 소요됨)로, 방전인 경우 2C의 전류로 배터리를 충전 및 방전시킨다.
종래의 전력 저장 장치(ESS)의 제어기는 고정된 크기의 전류로 배터리가 충전 및 방전되도록 제어한다. 따라서, 필요에 따라 일시적으로 고출력을 내거나, 급속 충전을 하도록 전력 제어 장치(ESS)가 동작하는 것이 불가능하다.
또한, 전술한 동작을 가능하게 하기 위해, 별도의 고성능 프로세서를 전력 저장 장치(ESS)에 장착하는 경우, 전력 저장 장치(ESS)의 단가가 상승하고, 설계 복잡도가 증가하는 문제점이 발생한다.
전력 공급자와 전력 소비자 간의 정보가 실시간으로 교환되고, 실시간 수요 및 공급량에 따라 전력 공급이 결정되는 스마트 그리드 시스템에 있어서, 기존의 하드웨어 시스템을 이용하면서, 실시간 전력 공급 필요량에 따라 가변되는 크기의 전류로 충전 및 방전이 가능하도록 전력 저장 장치(ESS)를 제어하는 기술이 요구된다.
대한민국 공개 제2012-0078134호(2012년 7월 10일 공개)는 "스마트 그리드를 이용한 전력 제어 시스템"에 대하여 개시하고 있다.
본 발명은 전술한 배경 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 필요에 따라 가변적인 크기의 전류로 전력 저장 장치(ESS)의 배터리를 충전 및 방전 시키는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 가변적인 크기의 전류로 전력 저장 장치(ESS)의 배터리를 충전 및 방전시키는데 있어서, 소프트웨어 알고리즘의 도입 만으로 고성능 제어기와 같은 추가적인 하드웨어의 도입 없이 전술한 과제를 수행하는 것을 그 목적으로 한다.
전술한 바와 같은 과제를 실시하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치의 제어기는, 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력 저장 장치 내에 위치하며, 상기 전력 저장 장치가 충전 및 방전 모드 중 어느 모드인지를 감지하고, 상기 하나 이상의 배터리의 개방 전압을 산출하고, 상기 감지된 모드 및 산출된 개방 전압에 기초하여 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류 중 적어도 하나를 계산하고, 그리고 상기 계산된 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류에 기초하여, 상기 전력 저장 장치의 충전 및 방전 동작을 제어하도록 구성된다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전력 저장 장치의 제어기는, 샘플링 레이트에 따라 일정 시간 간격으로, 상기 최대 충전 전류 및 상기 최대 방전 전류 중 적어도 하나를 계산하도록 추가로 구성된다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전력 저장 장치의 제어기는, 조정 가능한 샘플링 레이트를 사용한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전력 저장 장치의 제어기는, 상기 하나 이상의 배터리의 전압 및 전류에 따라 전류 적산법에 의해 상기 충전량을 계산하며, 상기 충전량에 따라 미리 측정된 충전량-대-개방 전압 테이블을 참조하여 상기 개방 전압을 산출하도록 추가로 구성되며, 여기서, 상기 개방 전압은 상기 하나 이상의 배터리의 충전량에 따라 변경된다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전력 저장 장치의 제어기는, 배터리 충전 저항, 배터리 방전 저항, 배터리 충전 가능 최대 전압, 배터리 방전 가능 최소 전압, 및 상기 개방 전압 중 하나 이상의 파라미터를 이용하여, 상기 최대 충전 전류 및 상기 최대 방전 전류 중 적어도 하나를 계산하도록 추가로 구성된다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전력 저장 장치의 제어기는, 상기 하나 이상의 배터리의 충전 전류 또는 방전 전류가, 각각 상기 최대 충전 전류 또는 최대 방전 전류 이하가 되도록 추가로 구성된다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전력 저장 장치의 제어기는, 상기 하나 이상의 배터리의 충전 전류 또는 방전 전류가, 각각 상기 최대 충전 전류 또는 최대 방전 전류와 동일한 값이 되도록 제어하도록 추가로 구성된다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전력 저장 장치의 제어기는, 충전 조건 표시자 또는 방전 조건 표시자 중 적어도 하나를 수신하고, 상기 충전 조건 표시자 또는 방전 조건 표시자 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 하나 이상의 배터리의 충전 전류 또는 방전 전류를 제어하도록 구성되고, 여기서 상기 충전 전류 또는 방전 전류는 각각 상기 최대 충전 전류 또는 최대 방전 전류를 초과하지 않는다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력 저장 장치의 충전 및 방전을 제어하기 위한 방법은, 상기 전력 저장 장치가 충전 및 방전 모드 중 어느 모드인지를 감지하는 단계, 상기 하나 이상의 배터리의 개방 전압을 산출하는 단계. 상기 감지된 모드 및 산출된 개방 전압에 기초하여 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류 중 적어도 하나를 계산하는 단계 및 상기 계산된 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류에 기초하여, 상기 전력 저장 장치의 충전 및 방전 동작을 제어하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력 저장 장치의 충전 및 방전을 제어하기 위한 소프트웨어 프로그램을 기록한 컴퓨터로 판독가능한 기록 매체는, 컴퓨터로 하여금, 상기 전력 저장 장치가 충전 및 방전 모드 중 어느 모드인지를 감지하도록 하기 위한 명령, 상기 컴퓨터로 하여금 상기 하나 이상의 배터리의 개방 전압을 산출하도록 하기 위한 명령, 상기 컴퓨터로 하여금 상기 감지된 모드 및 산출된 개방 전압에 기초하여 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류 중 적어도 하나를 계산하도록 하기 위한 명령 및 상기 컴퓨터로 하여금 상기 계산된 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류에 기초하여, 상기 전력 저장 장치의 충전 및 방전 동작을 제어하도록 하기 위한 명령을 포함하는, 소프트웨어 프로그램을 기록한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외부 전력 계통의 필요에 따라 충전 전류 및 방전 전류를 가변함으로써, 더 효율적인 전력 관리를 제공할 수 있는 전력 저장 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 샘플링 레이트에 따라 샘플링 시간 마다 최대 충전 전류 및 방전 전류를 계산함으로써, 시간에 따라 외부 전력 계통의 전력 수요에 적응이 가능한 전력 저장 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 추가적인 하드웨어 또는 센서의 도입 없이, 기존의 전력 저장 장치의 제어기를 구동하는 알고리즘의 변경만으로 전술한 본 발명의 전력 저장 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기를 포함하는 전력 저장 장치(ESS)의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기를 포함하는 전력 저장 장치(ESS)의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치 제어 방법의 제어 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치 제어 방법 중 전력 저장 장치(ESS)의 충전 및 방전 동작을 제어하는 단계의 세부 제어 흐름도이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 구성요소를 나타내기 위해서 사용된다. 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 구체적인 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이어그램 형태로 제공된다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "컴포넌트", "모듈", "시스템" 등은 컴퓨터-관련 엔티티, 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 소프트웨어 및 하드웨어의 조합, 또는 소프트웨어의 실행을 지칭한다. 예를 들어, 컴포넌트는 프로세서상에서 실행되는 처리과정, 프로세서, 객체, 실행 스레드, 프로그램, 및/또는 컴퓨터일 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 컴퓨팅 장치에서 실행되는 애플리케이션 및 컴퓨팅 장치 모두 컴포넌트일 수 있다. 하나 이상의 컴포넌트는 프로세서 및/또는 실행 스레드 내에 상주할 수 있고, 일 컴포넌트는 하나의 컴퓨터 내에 로컬화될 수 있고, 또는 2개 이상의 컴퓨터들 사이에 분배될 수 있다. 또한, 이러한 컴포넌트들은 그 내부에 저장된 다양한 데이터 구조들을 갖는 다양한 컴퓨터 판독가능한 매체로부터 실행할 수 있다. 컴포넌트들은 예를 들어 하나 이상의 데이터 패킷들을 갖는 신호(예를 들면, 로컬 시스템, 분산 시스템에서 다른 컴포넌트와 상호작용하는 하나의 컴포넌트로부터 데이터 및/또는 신호를 통해 다른 시스템과 인터넷과 같은 네트워크를 통한 데이터)에 따라 로컬 및/또는 원격 처리들을 통해 통신할 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기(100)를 포함하는 전력 저장 장치(ESS; 200)의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전력 저장 장치(200)는 크게 제어기(100)와 전력단(110)을 포함할 수 있다. 제어기(100)는 전력 저장 장치(200)의 상태를 모니터링하고, 전력 저장 장치(200)의 충전 및 방전 동작을 제어할 수 있다. 또한 배터리팩(111)에 다수의 배터리들이 포함된 경우에, 다수의 배터리 중 각각의 배터리에 대한 정보(예를 들어, 온도, 충전량, 전압, 전류, 잔여 수명 등)를 모니터링하고, 배터리팩(111)을 구성하는 다수의 배터리들이 효율적으로 충전 및 방전되도록 각각의 배터리의 충전 및 방전 상태를 제어할 수 있다.
전력단(110)은 배터리팩(111), 양방향 인버터(112), 단상 인버터(113) 및 출력 단자(114)를 포함할 수 있다.
배터리팩(111)은 하나 이상의 배터리를 전기적으로 연결하여 구성될 수 있다. 배터리팩(111)을 구성하는 배터리는 하나의 배터리 이거나 또는 복수의 배터리가 전기적으로 연결되어 구성될 수 있다. 배터리팩(111)을 구성하는 하나 이상의 배터리는 리튬 이온 배터리(lithium ion battery), 나트륨황(NaS, sodium-sulfur) 배터리, 레독시 흐름 배터리(Redox Flow Battery; RFB), 및 수퍼 캐패시터(SuperCapacitor; SC) 중 하나 또는 이들의 조합으로서 구성될 수 있다.
양바향 인버터(112)는 배터리의 전압을 승압(step-up) 하거나 감압(step-down)할 수 있으며, 전류의 흐름을 양방향으로 제어할 수 있다.
단상 인버터(113)는 배터리팩(111) 및 양방향 인버터(112)를 통해 제공되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하거나, 외부 계통으로부터 제공되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 배터리팩(111) 및 양방향 인버터(112)로 제공할 수 있다. 단상 인버터(113)는 외부 전력 계통과 연결되어 외부로 전력을 제공하거나, 외부로부터 전력을 제공받을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 제어기(100)는 전력 저장 장치(200)가 충전 모드 인지 또는 방전 모드 인지 여부를 감지할 수 있다. 제어기(100)는 외부에서 수신된 입력에 따라, 또는 전력 저장 장치(200)의 동작을 모니터링한 결과에 따라 전력 저장 장치(200)가 충전 모드인지 또는 방전 모드인지 여부를 감지할 수 있다.
또한, 제어기(100)는 배터리팩(111)을 구성하는 하나 이상의 배터리의 개방 전압(Open Circuit Voltage; OCV)을 산출할 수 있다. 배터리의 개방 전압은, 배터리가 개방(open) 상태에 있을때 배터리의 양 단자 사이의 전위차를 의미한다. 상기 배터리의 개방 전압 값은 배터리의 충전량(State of Charge; SOC)에 따라 가변할 수 있다. 배터리의 충전량(SOC)은 만충전량 대비 현재 배터리의 잔여 충전량을 의미하며, 배터리가 완전 충전되는 경우 100(%), 완전 방전된 경우 0(%)의 값을 가진다. 배티러의 충전량(SOC)을 계산하는 방법으로는, 전류 적산법(Coulomb Counting Method)이 사용될 수 있다. 적류 적산법에 의해 배터리의 충전량(SOC)을 계산하기 위한 식은 다음 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112013028976448-pat00001
수학식 1에서, soc(k+1)은 현재 배터리의 충전량(SOC), soc(k)는 이전 단계에서 배터리의 충전량(SOC), i(k)는 이전 단계에서 배터리의 충전 및/또는 방전 전류량, C는 배터리의 공칭 용량(nominal capacity)을 의미한다. 수학식 1에서, i(k)값이 양수이면 충전 모드, 음수 이면 방전 모드임을 의미한다.
상기 배터리의 충전량 대비 배터리의 개방 전압 값은 배터리의 물성에 의존하여 변화하는 값으로서, 배터리의 종류 마다 오프 라인 테스트(off line test)에 의해 계산될 수 있다. 배터리의 충전량(SOC) 대비 개방 전압(OCV)값은 SOC-OCV 곡선(SOC-OCV curve)에 의해 표현될 수 있다. 일 예로서, 리튬-이온 배터리의 SOC-OCV 곡선의 일 예는 다음 표 1에 도시된 것과 같을 수 있다.
[표 1]
Figure 112013028976448-pat00002
표 1에서, OCV의 단위는(V), SOC의 단위는 %(만충전량 대비 현재 잔여충전량)이다.
전술한 바와 같이, 제어기(100)는 전류 적산법을 통해 계산된 하나 이상의 배터리의 충전량(SOC)과, 배터리팩(111)을 구성하는 하나 이상의 배터리의 물성을 통해 미리 알려진 배터리의 SOC-OCV 곡선을 통해, 해당 시점에의 배터리의 개방 전압을 산출할 수 있다.
제어기(100)는 감지된 모드 및 산출된 개방 전압에 기초하여, 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max) 중 적어도 하나를 계산할 수 있다. 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)는 배터리 충전 저항(Rcharge), 배터리 방전 저항(Rdischarge), 배터리 충전 가능 최대 전압(Vmax), 배터리 방전 가능 최소 전압(Vmin), 및 상기 개방 전압 중 하나 이상의 파라미터를 이용하여 계산될 수 있다.
배터리 충전 저항(Rcharge)은 배터리팩(111)을 구성하는 하나 이상의 배터리가 충전되는 경우 배터리가 나타내는 저항값(Ω)을 나타낸다. 배터리 충전 저항(Rcharge)은 DC-IR 테스트에 의해 계산될 수 있으며, 배터리의 물성에 따라 고정된 값일 수 있다.
배터리 방전 저항(Rdischarge)은 배터리팩(111)을 구성하는 하나 이상의 배터리가 방전되는 경우 배터리가 나타내는 저항값(Ω)을 나타낸다. 배터리 방전 저항(Rdischarge)은 DC-IR 테스트에 의해 계산될 수 있으며, 배터리의 물성에 따라 고정된 값일 수 있다.
배터리 충전 가능 최대 전압(Vmax)은 배터리가 충전 되는 경우, 배터리가 수용할 수 있는 최대 전압을 나타낸다. 배터리 충전 가능 최대 전압(Vmax)은 배터리의 물성에 따라 고정된 값일 수 있다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리의 경우 일반적으로 배터리 충전 가능 최대 전압(Vmax)은 4.2 V일 수 있다.
배터리 방전 가능 최소 전압(Vmin)은 배터리가 충전 되는 경우, 배터리가 수용할 수 있는 최대 전압을 나타낸다. 배터리 방전 가능 최소 전압(Vmin)은 배터리의 물성에 따라 고정된 값일 수 있다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리의 경우 일반적으로배터리 방전 가능 최소 전압(Vmin)은 3.0 V일 수 있다.
제어기(100)는 아래 수학식 2 및 수학식 3을 이용하여, 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)를 계산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112013028976448-pat00003
[수학식 3]
Figure 112013028976448-pat00004
예를 들어, 배터리 충전 가능 최대 전압(Vmax)이 4.14(V)이고, 배터리 방전 가능 최소 전압(Vmin)이 3.46V 이며, 배터리 충전 저항(Rcharge)이 0.02(Ω), 배터리 방전 저항(Rdischarge)이 0.00547(Ω)인 물성을 가지는 리튬-이온 배터리가, 표 1에 도시된 바와 같은 SOC-OCV 곡선을 갖는다고 가정하면, 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)는 수학식 2 및 수학식 3에 의해 표 2와 같이 계산될 수 있다.
[표 2]
Figure 112013028976448-pat00005
상기 살펴본 바와 같이, 제어기(100)는 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)를 계산할 수 있고, 계산된 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)에 기초하여 전력 저장 장치(200)의 충전 및 방전 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어기(100)는 상기 전력 저장 장치(200)의 동작 모드가 충전 모드인 것으로 감지되는 경우, 최대 충전 전류(icharge max)를 계산할 수 있다. 제어기(100)는 배터리팩(111)을 구성하는 하나 이상의 배터리의 충전 전류가 최대 충전 전류(icharge max)와 동일한 값을 갖도록 제어할 수 있다.
유사하게, 제어기(100)는 상기 전력 저장 장치(200)의 동작 모드가 방전 모드인 것으로 감지되는 경우, 최대 방전 전류(idischarge max)를 계산할 수 있다. 제어기(100)는 배터리팩(111)을 구성하는 하나 이상의 배터리의 방전 전류가 최대 방전 전류(icharge max)와 동일한 값을 갖도록 제어할 수 있다.
또한, 제어기(100)는 전력 저장 장치(200)의 모드에 따라, 상기 계산된 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)를 충전 전류 및 방전 전류의 상한 값으로 설정할 수 있다. 즉, 외부 전력 계통의 상황에 따라, 하나 이상의 배터리의 충전 및 방전 전류를 가변적으로 제어하되, 배터리의 충전 전류 및 방전 전류가 계산된 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)를 초과하지 않도록 제어할 수 있다.
또한, 제어기(100)는 외부 전력 계통으로부터 충전 조건 표시자 또는 방전 조건 표시자를 수신할 수 있다. 충전 조건 표시자는 외부 전력 계통에서 전력 저장 장치(200)에 제공할 수 있는 충전 전력, 충전 시간, 충전 전류 등의 파라미터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 유사하게, 방전 조건 표시자는 외부 전력 계통이 전력 저장 장치(200)에 요구하는 방전 전력, 방전 시간, 방전 전류 등의 파라미터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제어기(100)는 상기 충전 조건 표시자 또는 방전 조건 표시자 중 적어도 하나의 신호를 외부 전력 계통으로부터 수신하고, 상기 충전 조건 표시자 또는 방전 조건 표시자에 따라 배터리의 충전 전류 또는 방전 전류를 제어할 수 있다. 그러나, 이 경우에도, 제어기(100)는 배터리의 충전 전류 또는 방전 전류가 계산된 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)를 초과하지 않도록 제어할 수 있다.
제어기(100)는 미리결정된 샘플링 레이트 또는 외부에서 수신된 입력에 따라 결정된 샘플링 레이트에 따라 최대 충전 전류 또는 최대 방전 전류를 계산하고, 이에 따라 전력 저장 장치(200)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(100)는 제어기(100)를 구동하는 클럭 신호를 카운트하여, 상기 샘플링 레이트에 따라, 샘플링 시간에 도달하였는지 여부를 판단할 수 있다. 상기 샘플링 레이트는 미리결정될 수 있다. 또는 사용자의 입력에 의해 조정 가능할 수 있다.
제어기(100)는 샘플링 레이트에 따라 샘플링 시간을 결정하고(예를 들어, 1초 마다 샘플링 또는 10초 마다 샘플링, 등), 해당 샘플링 시간에 도달하는 경우, 전력 저장 장치(200)의 모드를 감지하고, 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류 중 적어도 하나를 계산하여, 이를 기초로 전력 저장 장치의 충전 및 방전 동작을 제어할 수 있다. 따라서, 제어기(100)는 샘플링 레이트에 의해 설정된 시간 간격에 따라 전력 제어 장치(200)의 동작을 제어하고, 충전 전류 및 방전 전류를 가변시킬 수 있다.
상기 샘플링 레이트는 외부 전력 계통으로부터 수신된 신호에 의해 제어되거나, 제어기(100)를 제어하는 소프트웨어 프로그램의 파라미터를 변경함으로써 제어되거나, 또는 전력 저장 장치(200)를 사용하는 사용자의 입력에 따라 조정가능할 수 있다.
여기에 설명되는 다양한 실시예는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.
하드웨어적인 구현에 의하면, 여기에 설명되는 실시예는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 일부의 경우에 본 명세서에서 설명되는 실시예들이 제어기(100) 자체로 구현될 수 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 씌여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 제어기(100)에 포함된 메모리(미도시)에 저장되고, 제어기(100)에 의해 실행될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어기를 포함하는 전력 저장 장치(ESS)의 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 배터리팩(111)은 하나 이상의 배터리를 포함하여 구성될 수 있다. 제어기(100)는 배터리팩(111)에 연결되어, 배터리팩(111)의 전압, 온도를 모니터링 할 수 있으며, 배터리팩(111)의 출력단에 연결되어 배터리팩(111)의 충전 전류 및/또는 방전 전류를 모니터링 할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어기(100)는 배터리팩(111)에 포함되는 하나 이상의 배터리들과 전기적으로 연결되어, 배터리팩(111)의 전압, 온도, 전류 등의 정보를 모니터링할 수 있다.
또한, 제어기(100)는 배터리팩(111)을 구성하는 하나 이상의 배터리의 종류에 따라 결정되는 배터리 물성에 대한 데이터를 저장할 수 있다. 배터리 물성에 따라, 배터리 충전 저항(Rcharge), 배터리 방전 저항(Rdischarge), 배터리 충전 가능 최대 전압(Vmax), 배터리 방전 가능 최소 전압(Vmin), 충전량 대비 배터리 개방전압(OCV(soc)) 등이 결정되며, 제어기(100)는 이러한 정보를 제어기(100)에 포함된 메모리(미도시)에 저장할 수 있다. 충전량 대비 배터리 개방전압(OCV(soc))은 제어기(100)에 충전량 대비 개방전압 곡선(SOC-OCV Curve)의 형태로 저장되거나, 충전량 대비 개방전압 테이블의 형태로 저장될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치 제어 방법의 제어 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어기(100)는 전력 저장 장치(200)의 모드가 전력 충전 모드인지 또는 전력 방전 모드인지 여부를 감지할 수 있다(S110). 제어기(100)가 전력 저장 장치(200)의 모드가 충전 모드인지 또는 방전 모드인지를 확인한 경우, 제어기(100)는 배터리팩(111)을 구성하는 배터리의 개방 전압을 배터리의 충전량에 따라 산출할 수 있다(S120). 제어기(100)는 산출된 배터리의 개방 전압과, 배터리 충전 저항(Rcharge), 배터리 방전 저항(Rdischarge), 배터리 충전 가능 최대 전압(Vmax), 배터리 방전 가능 최소 전압(Vmin)를 이용하여, 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)를 계산할 수 있다(S130). 제어기(100)는 계산된 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)를 이용하여, 배터리의 실제 충전 전류 및 방전 전류가 계산된 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)와 동일하거나 또는 그 미만이 되도록 제어할 수 있다(S140). 제어기(100)는 제어기 내부의 클럭을 이용하여, 샘플링 레이트에 따라 설정된 샘플링 시간에 도달하였는지 여부를 판단할 수 있다(S150). 샘플링 시간에 도달한 경우, 제어기(100)는 상기 단계들(S110 내지 S140)을 다시 수행하여, 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)를 다시 계산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치 제어 방법 중 전력 저장 장치의 충전 및 방전 동작을 제어하는 단계의 세부 제어 흐름도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전력 저장 장치의 충전 및 방전 동작을 제어하는 단계(S140)는 세부적인 서브-단계들(S141 내지 S145)를 더 포함할 수 있다.
제어기(100)는 외부 전력 계통으로부터 충전 조건 표시자 또는 방전 조건 표시자를 수신할 수 있다(S141). 제어기(100)는 충전 조건 표시자 또는 방전 조건 표시자에 따라 충전 전류 또는 방전 전류를 결정할 수 있다(S142). 제어기(100)는 결정된 충전 전류 또는 방전 전류가 계산된 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)를 초과하는지 여부를 판단할 수 있다(S143).
만약 결정된 충전 전류 또는 방전 전류가 계산된 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)를 초과하는 경우, 제어기(100)는 배터리의 충전 전류 및 방전 전류를, 계산된 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)로 설정할 수 있다. 이를 통해, 전력 저장 장치(200)의 배터리에 최대 충전 전압 및 최대 방전 전압 값을 초과하는 전압이 인가되어, 배터리가 열화되는 현상을 방지할 수 있다.
만약 결정된 충전 전류 또는 방전 전류가 계산된 최대 충전 전류(icharge max) 및 최대 방전 전류(idischarge max)를 초과하지 않는 경우, 제어기(100)는 배터리의 충전 전류 및 방전 전류를, 수신된 표시자에 의해 결정된 충전 전류 및 방전 전류로 설정할 수 있다.
한편, 여기서 제시된 다양한 실시예들은 방법, 장치, 또는 표준 프로그래밍 및/또는 엔지니어링 기술을 사용한 제조 물품(article)으로 구현될 수 있다. 용어 "제조 물품"은 임의의 컴퓨터 판독가능한 장치로부터 액세스 가능한 컴퓨터 프로그램, 캐리어, 또는 매체(media)를 포함한다. 예를 들어, 컴퓨터 판독가능한 매체는 자기 저장 장치(예를 들면, 하드 디스크, 플로피 디스크, 자기 스트립, 등), 광학 디스크(예를 들면, CD, DVD, 등), 스마트 카드, 및 플래쉬 메모리 장치(예를 들면, EEPROM, 카드, 스틱, 키 드라이브, 등)를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 또한, 여기서 제시되는 다양한 저장 매체는 정보를 저장하기 위한 하나 이상의 장치 및/또는 다른 기계-판독가능한 매체를 포함한다. 용어 "기계-판독가능한 매체"는 명령(들) 및/또는 데이터를 저장, 보유, 및/또는 전달할 수 있는 무선 채널 및 다양한 다른 매체를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력 저장 장치 내에 위치하는, 상기 전력 저장 장치의 충전 및 방전을 제어하는 제어기에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 전력 저장 장치가 충전 및 방전 모드 중 어느 모드인지를 감지하고, 상기 하나 이상의 배터리의 개방 전압을 산출하고, 상기 감지된 모드 및 산출된 개방 전압에 기초하여 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류 중 적어도 하나를 계산하고, 그리고 상기 계산된 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류에 기초하여, 상기 전력 저장 장치의 충전 및 방전 동작을 제어하도록 구성되고,
    여기서, 상기 제어기는,
    충전 조건 표시자 또는 방전 조건 표시자 중 적어도 하나를 수신하고, 그리고
    상기 충전 조건 표시자 또는 방전 조건 표시자 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 하나 이상의 배터리의 충전 전류 또는 방전 전류를 제어하도록 추가적으로 구성되고,
    여기서 상기 충전 전류 또는 방전 전류는 각각 상기 최대 충전 전류 또는 최대 방전 전류를 초과하지 않는,
    전력 저장 장치의 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    샘플링 레이트에 따라 일정 시간 간격으로, 상기 최대 충전 전류 및 상기 최대 방전 전류 중 적어도 하나를 계산하도록 추가로 구성되는,
    전력 저장 장치의 제어기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 샘플링 레이트는 조정 가능한,
    전력 저장 장치의 제어기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 개방 전압은 상기 하나 이상의 배터리의 충전량에 따라 변경되고,
    상기 제어기는 상기 하나 이상의 배터리의 전압 및 전류에 따라 전류 적산법에 의해 상기 충전량을 계산하며,
    상기 충전량에 따라 미리 측정된 충전량-대-개방 전압 테이블을 참조하여 상기 개방 전압을 산출하도록 추가로 구성되는,
    전력 저장 장치의 제어기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    배터리 충전 저항, 배터리 방전 저항, 배터리 충전 가능 최대 전압, 배터리 방전 가능 최소 전압, 및 상기 개방 전압 중 하나 이상의 파라미터를 이용하여,
    상기 최대 충전 전류 및 상기 최대 방전 전류 중 적어도 하나를 계산하도록 추가로 구성되는,
    전력 저장 장치의 제어기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 하나 이상의 배터리의 충전 전류 또는 방전 전류가, 각각 상기 최대 충전 전류 또는 최대 방전 전류 이하가 되도록 추가로 구성되는,
    전력 저장 장치의 제어기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 하나 이상의 배터리의 충전 전류 또는 방전 전류가, 각각 상기 최대 충전 전류 또는 최대 방전 전류와 동일한 값이 되도록 제어하도록 추가로 구성되는,
    전력 저장 장치의 제어기.
  8. 삭제
  9. 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력 저장 장치의 충전 및 방전을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 전력 저장 장치가 충전 및 방전 모드 중 어느 모드인지를 감지하는 단계;
    상기 하나 이상의 배터리의 개방 전압을 산출하는 단계;
    상기 감지된 모드 및 산출된 개방 전압에 기초하여 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류 중 적어도 하나를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류에 기초하여, 상기 전력 저장 장치의 충전 및 방전 동작을 제어하는 단계를 포함하고,
    여기서, 상기 전력 저장 장치의 제어 방법은,
    충전 조건 표시자 또는 방전 조건 표시자 중 적어도 하나를 수신하는 단계; 및
    상기 충전 조건 표시자 또는 방전 조건 표시자 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 하나 이상의 배터리의 충전 전류 또는 방전 전류를 제어하는 단계를 더 포함하고,
    여기서 상기 충전 전류 또는 방전 전류는 각각 상기 최대 충전 전류 또는 최대 방전 전류를 초과하지 않는,
    전력 저장 장치의 제어 방법.
  10. 하나 이상의 배터리를 포함하는 전력 저장 장치의 충전 및 방전을 제어하기 위한 소프트웨어 프로그램을 기록한 컴퓨터로 판독가능한 기록 매체로서,
    상기 소프트웨어 프로그램은,
    컴퓨터로 하여금, 상기 전력 저장 장치가 충전 및 방전 모드 중 어느 모드인지를 감지하도록 하기 위한 명령;
    상기 컴퓨터로 하여금 상기 하나 이상의 배터리의 개방 전압을 산출하도록 하기 위한 명령;
    상기 컴퓨터로 하여금 상기 감지된 모드 및 산출된 개방 전압에 기초하여 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류 중 적어도 하나를 계산하도록 하기 위한 명령; 및
    상기 컴퓨터로 하여금 상기 계산된 최대 충전 전류 및 최대 방전 전류에 기초하여, 상기 전력 저장 장치의 충전 및 방전 동작을 제어하도록 하기 위한 명령을 포함하고,
    여기서 상기 소프트웨어 프로그램은,
    상기 컴퓨터로 하여금 충전 조건 표시자 또는 방전 조건 표시자 중 적어도 하나를 수신하도록 하기 위한 명령; 및
    상기 컴퓨터로 하여금 상기 충전 조건 표시자 또는 방전 조건 표시자 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 하나 이상의 배터리의 충전 전류 또는 방전 전류를 제어하도록 하기 위한 명령을 더 포함하고,
    여기서 상기 충전 전류 또는 방전 전류는 각각 상기 최대 충전 전류 또는 최대 방전 전류를 초과하지 않는,
    컴퓨터로 판독가능한 기록 매체.
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