KR101494379B1

KR101494379B1 - 에너지 저장 시스템

Info

Publication number: KR101494379B1
Application number: KR20140124082A
Authority: KR
Inventors: 김진수; 차형우
Original assignee: 김진수; 차형우
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2015-02-23
Anticipated expiration: 2034-09-18

Abstract

본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 복수의 전압크기범위 중 어느 하나의 전압크기범위를 가지는 충전전원을 입력받는 전원 입력부와; 복수의 배터리팩이 직렬 연결되어 이루어지는 배터리팩부와; 상기 배터리팩부의 전단에 연결되어 상기 복수의 배터리팩의 잔존용량을 측정 비교하여 잔존용량이 작은 배터리팩이 먼저 충전되록 제어하는 충전 제어부와; 상기 배터리팩부의 후단에 연결되어 상기 복수의 배터리팩의 잔존용량을 측정 비교하여 잔존용량이 많은 배터리팩이 먼저 방전되도록 제어하는 방전 제어부와; 상기 배터리팩부 또는 상기 방전 제어부에 연결되어 복수의 전압크기 중에서 적어도 어느 하나의 전압크기를 가지는 출력전원을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다 본 발명에 따르면, 복수의 전압크기범위 중 적어도 어느 하나의 전압크기범위를 가지는 충전전원을 이용하여 배터리가 충전이되고, 복수의 전압크기 중 적어도 어느 하나의 전압크기의 출력전원을 출력할 수 있다.

Description

에너지 저장 시스템 {Mobile Energy Strage System}

본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 충전전압으로 리튬이온 배터리에 충전 에너지를 저장하여 필요시 AC 및/또는 DC 전압의 복수 범위 크기를 갖는 전압값으로 동시 또는 개별적으로 출력을 내보내는 시스템에 관한 것이다.

에너지 저장 시스템(ESS : Energy Storage System)은 에너지를 배터리에 저장해서 언제든 꺼내 쓸 수 있는 저장장치를 의미하는 것으로, 지금까지의 전기에너지는 생산과 저장의 차이가 있으므로 전기에너지를 사용하는데 있어서 생산이 함께 움직여줘야 하는데, ESS는 에너지를 효과적으로 저장해 사용하기 위한 시스템으로 에너지 생산에 대한 여유를 가질 수 있게 해준다.

이러한 ESS 관련 업체들은 시장의 활성화 및 규모가 큰 중대형 시장에 집중하고 있고, 특히 정부에서도 ESS의 활성화를 위한 기술개발 지원이나 보조금 지급이 중대형 ESS에 집중되어 있다.

따라서 최근에 캠핑 등 레저시장이 확대되어가고 있음에도 환경변화에 따른 레저, 캠핑용에 필요한 다양한 요구 조건을 충족시킬 만한 ESS 제품이 없는 실정이다.

예를 들어 기존 캠핑용으로 사용하는 전원공급원용인 경우는 대부분 납축전지를 이용하고, 난방용의 경우는 화석 연료인 석유나 LPG를 이용한 제품들로 이루어진다.

상기 납축전지를 사용하는 경우 사용용량에 비하여 부피가 매우 크고 무거운 중량으로 인해 이동성의 제약이 있으며, 화석 연료를 사용하는 경우 화재나 질식의 위험성 등과 같은 안전성에 매우 취약한 문제점이 있었다.

등록번호 10-1270798(공고일자 2013년06월05일) 공개번호 10-2014-0009776(공개일자 2014년01월23일)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 레저 및 캠핑용 등 소형 ESS 시장에서 요구되는 다양한 입력전원에 따른 충전 방식을 충족하면서 여러 종류의 제품에도 사용할 수 있으며 동시에 이동의 편리함을 갖춘 에너지 저장 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은, 복수의 전압크기범위 중 어느 하나의 전압크기범위를 가지는 충전전원을 입력받는 전원 입력부와; 복수의 배터리팩이 연결되어 이루어지는 배터리팩부와; 상기 배터리팩부의 전단에 연결되어 상기 복수의 배터리팩의 잔존용량을 측정 비교하여 잔존용량이 작은 배터리팩이 먼저 충전되록 제어하는 충전 제어부와; 상기 배터리팩부의 후단에 연결되어 상기 복수의 배터리팩의 잔존용량을 측정 비교하여 잔존용량이 많은 배터리팩이 먼저 방전되도록 제어하는 방전 제어부와; 상기 배터리팩부 또는 상기 방전 제어부에 연결되어 복수의 전압크기 중에서 적어도 어느 하나의 전압크기를 가지는 출력전원을 출력하는 출력부를 포함하는 이동형 에너지 저장 시스템에 의하여 달성될 수 있다.

상기 전원입력부는, 제1 전압크기범위를 가지는 충전전원이 입력되는 제1입력부와; 제2전압크기범위를 가지는 충전전원이 입력되는 제2입력부와; 제3전압크기범위를 가지는 충전전원이 입력되는 제3입력부를 포함할 수 있다.

상기 출력부는, 상기 배터리팩부 후단에 연결되어 제1 전압크기로 출력하는 제1출력단과; 상기 방전제어부 후단에 연결되어 제2전압크기로 출력하는 제2출력단과; 상기 방전제어부 후단에 연결되어 제3전압크기로 출력하는 제3출력단을 포함하고, 상기 출력부는, 상기 제1출력단 내지 제3출력단 중 적어도 어느 하나의 출력단을 통하여 전원을 출력할 수 있다.

상기 제1출력단은, 상기 배터리팩부의 DC 전압을 AC 전압으로 변환시키는 인버터를 더 포함하고, 상기 제2출력단은, 잔존용량이 많은 배터리팩의 DC 전압을 감압 또는 승압시키는 DC/DC 컨버터를 더 포함하고, 상기 제3출력단은, 잔존용량이 많은 배터리팩의 DC 전압을 그대로 출력시킬 수 있다.

상기 에너지 저장 시스템은, 상기 전원 입력부와 상기 충전 제어부 사이에 구비되어 상기 배터리팩부의 전압을 측정하여 소정의 기준전압까지는 CC(정전류) 충전을 하고, 기준전압에 도달하면 CV(정전압) 충전으로 전환하여 충전하도록 제어하는 CC-CV 충전부를 더 포함할 수 있다.

상기 에너지 저장 시스템은, 상기 복수의 배터리팩 내부의 셀간 전위차를 측정하여 평균치를 기준점으로 상위 셀은 방전하고 하위 셀은 충전하는 액티브 셀 밸런싱 기능을 구현하는 BMS(Battery Management System)를 더 포함할 수 있다.

상기 충전 제어부는, 상기 측정된 잔존용량에 따라 상기 복수의 배터리팩의 충전 접점을 전환하는 제어 IC를 포함하고, 상기 방전 제어부는, 상기 측정된 잔존용량에 따라 상기 복수의 배터리팩의 방전 접점을 전환하는 제어 IC를 포함할 수 있다.

상기 충전 제어부의 제어IC와 상기 방전 제어부의 제어 IC는 동일 IC로서 하나의 구성인 것이다.

상기 제1입력부는 태양전지로부터 충전전원이 입력되고, 상기 제2입력부는 자동차 시가잭으로부터 충전전원이 입력되고, 상기 제3입력부는 어댑터로부터 충전전원이 입력될 수 있다.

상기 충전 제어부는, 주간에는 태양전지를 이용하여 충전하고, 부족한 전력량은 심야전기를 이용하여 충전하되, 타이머 설정에 따라 전기료가 저렴한 시간대에서 자동으로 충전할 수 있도록 제어할 수 있다.

상기 에너지 저장 시스템이 구현된 제품의 전면에는 에너지 저장 시스템의 작동에 필요한 정보를 표시하는 디스플레이와, 상기 제1,2,3출력단에 연결되는 제1,2,3출력포트가 설치되고, 상기 인버터의 방열판이 외부로 노출되며, 상기 제품의 측면에는 제품 내부의 에너지 저장 시스템 냉각을 위한 통풍팬이 설치될 수 있다.

상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 레저 및 캠핑용 등 소형 ESS 시장에서 요구되는 다양한 전원에 따른 충전 방식을 충족하면서 여러 종류의 제품에도 사용할 수 있으며 동시에 이동의 편리함을 갖출 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 충방전 제어부 회로도이다.
도 3과 도 4는 도 1에 나타낸 배터리팩의 충방전을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5와 도 6은 도 1에 나타낸 BMS의 전류주입형 셀 밸런싱 개념도와 회로도이다.
도 7은 도 1에 나타낸 CC-CV 충전부 회로도이다.
도 8은 도 1의 에너지 저장 시스템이 구현된 제품의 한 예를 보여주는 이미지이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 에너지 저장 시스템(1)은 전원 입력부(10), CC-CV 충전부(20), 충전 제어부(30), 충전 선택 스위치(SW1), BMS(40), 배터리팩부(50), 방전 선택 스위치(SW2), 방전 제어부(60), 인버터(70), DC/DC 컨버터(80) 및 출력부(90)를 포함하여 구성된다.

전원 입력부(10)는, 복수의 전압크기범위 중 적어도 어느 하나의 전압크기범위를 가지는 충전전원을 입력받을 수 있다. 상기 전원 입력부(10)는 제1전압크기범위를 가지는 충전전원이 입력되는 제1입력부(미도시)와, 제2전압크기범위를 가지는 충전전원이 입력되는 제2입력부(미도시)와, 제3전압크기범위를 가지는 충전전원이 입력되는 제3입력부(미도시)를 포함할 수 있으며, 상기 제1입력부 내지 제3입력부 중 적어도 어느 하나로부터 충전전원이 입력될 수 있다. 즉, 제1입력부 내지 제3입력부 개별적으로 또는 동시에 충전전원이 입력될 수 있다.

본 실시예에서, 예를 들어, 상기 제1입력부는 태양전지로부터 충전전원이 입력되고, 상기 제2입력부는 자동차 시가잭으로부터 충전전원이 입력되고, 상기 제3입력부는 어댑터로부터 충전전원이 입력될 수 있다.

상기 제1입력부가 태양전지로부터 충전전원이 입력되는 경우 상기 제1전압크기범위는 DC 8V~16V이고, 상기 제2입력부가 자동차 시가잭으로부터 충전전원이 입력되는 경우 상기 제2전압크기범위는 DC 11~14V이며, 상기 제3입력부가 어댑터로부터 충전전원이 입력되는 경우 상기 제3전압크기범위는 DC 13V~16V일 수 있다.

전원 입력부(10)를 통해 입력된 충전전압은 CC-CV 충전부(20)에서 후술하는 배터리팩부(50)의 충전 상태에 따라 정전류의 CC 방식이나 정전압의 CV 방식으로 배터리팩부(50)에 인가된다.

배터리팩부(50)는, 복수의 배터리팩이 연결되어 이루어지는 것으로서, 복수의 배터리팩이 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들어서 리튬이온 배터리팩이 복수 개 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 도 1은 복수 개의 배터리팩이 직렬 연결된 실시예로서, 도 1에 도시된 배터리팩부(50)는 리튬이온 재질의 DC 12V 배터리팩(50a, 50b) 2개가 직렬 연결되어 이루어지는 것으로 도시되고, 배터리팩(50) 내부에는 예를 들어 DC 4.2V의 셀(cell) 6개가 직렬 연결된다. 상기 배터리팩의 개수는 예시일 뿐 2개 이상의 배터리팩이 직렬 연결되어 배터리팩부(50)를 형성할 수 있음은 물론이다.

충전 제어부(30)는, 상기 배터리팩부(50)의 전단에 연결되어 상기 복수의 배터리팩의 잔존용량을 측정비교하여 잔존용량이 작은 배터리팩이 먼저 충전되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 충전 제어부(30)는 상기 도 2에 도시된 두 개의 배터리팩(50a, 50b)의 충전량에 따라 충전 선택 스위치(SW1)의 접점을 전환하여 제1배터리팩(50a)이나 제2배터리팩(50b)을 개별적으로 충전하도록 제어할 수 있다. 상기 충전 선택 스위치는 상기 배터리팩의 개수의 증가에 대응하여 증가될 수 있음은 물론이다.

BMS(Battery Management System)는 제1,2배터리팩(50a,50b) 직렬 구조의 셀 전압값을 검출하여 셀 밸런싱을 제어하고, 전류량을 검출하여 잔존용량(State of charge, SOC)을 산출하며, 온도 등을 검출하여 에러 등을 제어한다.

방전 제어부(60)는, 상기 배터리팩부(50)의 후단에 연결되어 상기 복수의 배터리팩의 잔존용량을 측정비교하여 잔존용량이 많은 배터리팩이 먼저 방전되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 도 2의 도시된 제1,2 배터리팩(50a, 50b)의 잔존용량을 확인하여 잔존용량이 더 많은 쪽으로 방전 선택 스위치(SW2)의 접점을 전환하여 잔존용량이 더 많은 배터리팩이 먼저 방전하도록 할 수 있다. 상기 방전 선택 스위치는 상기 배터리팩의 개수의 증가에 대응하여 증가될 수 있음은 물론이다.

출력부(90)는, 상기 배터리팩부(50) 또는 상기 방전 제어부(60)에 연결되어 복수의 전압크기 중에서 적어도 어느 하나의 전압크기를 가지는 출력전원을 출력할 수 있다.

상기 출력부(90)는 상기 배터리팩부(50) 후단에 연결되어 제1전압크기로 출력하는 제1출력단(91)과; 상기 방전제어부(60) 후단에 연결되어 제2전압크기로 출력되는 제2출력단(93)과; 상기 방전 제어부(60) 후단에 연결되어 제3전압크기로 출력하는 제3출력단(95)을 포함할 수 있으며, 상기 제1출력단(91) 내지 제3출력단(95) 중 적어도 어느 하나의 출력단을 통하여 전원이 출력될 수 있다. 즉, 제1출력단(91) 내지 제3출력단(95)이 개별적으로 어느 하나, 어느 둘, 또는 세 개의 출력단 전부를 통하여 전원이 출력될 수 있다.

상기 제1출력단(91)은, 상기 배터리팩부(50)의 DC 전압을 AC 전압으로 변환시키는 인버터(70)를 더 포함하고 있다. 상기 인버터(70)는, 배터리팩(50)의 직렬 DC 24V 전압을 AC 110V 또는 AC 220V 전압으로 변환할 수 있다. 이를 통하여 상기 제1출력단(91)을 통하여 AC 110V 또는 AC 220V 전압이 출력될 수 있다.

상기 제2출력단(93)은, 상기 방전 제어부(60)의 후단에 연결되어 잔존용량이 많은 배터리팩의 DC 전압을 감압 또는 승압시키는 DC/DC 컨버터(80)를 더 포함하고 있다. DC/DC 컨버터(80)의 DC 전압의 감압의 예시로서, 상기 DC/DC 컨버터(80)는 방전 제어부(60)에서 선택한 배터리팩(50a 또는 50b)의 DC 12V 전압을 DC 5V 전압으로 변환할 수 있다. 이에 따라 제2출력단(93)은 DC 5V 전압을 출력할 수 있으며, 이의 예시로 USB 포트를 포함할 수 있다. 또는 상기 DC/DC 컨버터(80)는 방전 제어부(60)에서 선택한 배터리팩(50a 또는 50b)의 DC 12V 전압을 DC 24V 또는 DC 48V 전압으로 변환할 수 있다. 이에 따라 제2출력단(93)은 DC 24V 또는 DC 48V 전압을 출력할 수 있다.

상기 제3출력단(95)은, 상기 방전 제어부(60)의 후단에 연결되어 잔존 용량이 많은 배터리팩의 DC전압을 그대로 출력시키는 것으로서, 배터리팩(50a 또는 50b)의 전압인 DC 12V를 출력할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 DC 12V를 사용하여 DC 24V의 리튬이온 배터리팩(50a, 50b)을 전압 승압 없이 BMS(40)의 셀 밸런싱을 이용하여 충전하고 에너지 효율을 높이기 위하여 인버터(70)는 DC 24V의 전압을 이용하여 작동되며, DC 12V는 전압 승압 없이 출력이 가능하고 DC 5V는 전압 강하하여 출력함으로써 3가지 전압값을 동시 또는 개별적으로 출력할 수 있다.

인버터(70)를 사용하여 AC로 전력을 사용하게 되면 DC에서 AC로 변환시 에너지 손실은 DC 전압값이 높을수록 손실율이 작아지므로, DC 12V보다는 DC 24V의 전압을 사용하는 것이 유리하다.

그러나, 충전 및 별도의 부하 장치는 대부분 DC 12V의 제품이 많으므로, 이러한 제품을 사용하기 위해서는 DC 24V의 전압을 DC 12V로 강하하여 사용하여야 하나, 이럴 경우 에너지 손실이 발생한다.

이에 본 발명에서는 에너지 손실을 최소화하기 위하여 인버터(70)를 사용하는 전압은 DC 24V로 사용하고, DC 12V는 전압 강하 없이 배터리팩(50a 또는 50b)에서 12V를 직접 출력하도록 한다.

또한, 주간에는 태양전지를 이용하여 충전하고, 부족한 전력량은 심야전기를 이용하여 충전하되, 충전 제어부(30)의 타이머 설정에 따라 전기료가 제일 저렴한 시간대에서 자동으로 충전을 하여, 전기료를 절감할 수 있으며 전력난 및 비상 전원 필요시 유용하게 사용할 수 있다.

도 2는 도 1에 나타낸 충방전 제어부 회로도이고, 도 3과 도 4는 도 1에 나타낸 배터리팩의 충방전을 설명하기 위한 회로도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 제어 IC(U12)는 PCD 라인을 통해 각각 버퍼 IC(U4,U5)에 연결되고, 드라이버 IC(U6,U8)의 입력은 상기 버퍼 IC(U4,U5)에, 드라이버 IC(U6,U8)의 출력은 릴레이((RY1~RY6,RY8),(KL1~KL4))에 연결된다.

여기서 드라이버 IC(U8)의 출력에 연결된 릴레이(KL1,KL2)는 제1,2배터리팩(50a,50b)의 충전에 이용되고, 릴레이(KL3,KL4)는 제1,2배터리팩(50a,50b)의 방전에 연결된다.

또한, 본원의 전원 입력부는 태양전지로부터 충전전원이 입력되는 제1입력부와, 자동차 시가잭으로부터 충전전원이 입력되는 제2입력부와, 어댑터로부터 충전전원이 입력되는 제3입력부를 포함하는바, 이를 위하여, 충전전압 검출 회로는 도 3에 도시된 바와 같이 솔라셀 입력(PV+_IN) 단자는 포토커플러(PC1)를 통해 솔라셀 입력 M(PV_IN_M) 단자에, 어댑터 입력(ADP+_IN) 단자는 포토커플러(PC2)를 통해 어댑터 입력 M(ADP_IN_M) 단자에, 시가잭 입력(CAR+_IN) 단자는 포토커플러(PC3)를 통해 시가잭 입력 M(CAR_IN_M) 단자에 연결되어 구성된다.

또한, 배터리팩 충전 회로는 도 4에 도시된 바와 같이 릴레이(KL1)는 제1배터리팩(50a) 충전에, 릴레이(KL2)는 제2배터리팩(50b) 충전에, 릴레이(KL3)는 제1배터리팩(50a) 방전에, 릴레이(KL4)는 제2배터리팩(50b) 방전에 연결되어 이루어진다.

이와 같은 회로 구성의 충방전에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저 충전에 대해 설명하면, 도 3의 솔라셀 입력(PV+_IN) 단자에 솔라셀 충전전압이 입력되면 포토커플러(PC1)의 다이오드에 전류가 흘러 포토커플러의 트랜지스터가 도통된다.

이를 통해 5V의 전압이 접지로 흘러 솔라셀 입력 M(PV_IN_M) 단자의 레벨이 접지와 같은 레벨이 되고, 이를 제어 IC(U12)에서 인지하여 솔라셀 충전전압이 인가된 것을 확인한다.

마찬가지로 어댑터 입력(ADP+_IN) 단자에 어댑터 충전전압이 입력되면 포토커플러(PC2)의 다이오드에 전류가 흘러 포토커플러의 트랜지스터가 도통된다.

이를 통해 5V의 전압이 접지로 흘러 어댑터 입력 M(ADP_IN_M) 단자의 레벨이 접지와 같은 레벨이 되고, 이를 제어 IC(U12)에서 인지하여 어댑터 충전전압이 인가된 것을 확인한다.

또한, 시가잭 입력(CAR+_IN) 단자에 시가잭 충전전압이 입력되면 포토커플러(PC3)의 다이오드에 전류가 흘러 포토커플러의 트랜지스터가 도통된다.

이를 통해 5V의 전압이 접지로 흘러 시가잭 입력 M(CAR_IN_M) 단자의 레벨이 접지와 같은 레벨이 되고, 이를 제어 IC(U12(에서 인지하여 시가잭 충전전압이 인가된 것을 확인한다.

이와 같이 도 2의 제어 IC(U12)에서 충전전압 인가를 확인한 후 제1배터리팩(50a)과 제2배터리팩(50b)의 잔존용량을 비교하여 잔존용량이 작은 배터리팩 쪽으로 충전전압을 연결하기 위해 버퍼 IC(U5)의 2,4번 핀 또는 3,5번 핀에 신호를 인가하면 드라이버 IC(U8)가 동작하여 도 4의 릴레이(KL1) 또는 릴레이(KL2)가 작동한다.

상기 릴레이(KL1,KL2)의 동작 상태에 따라 제1배터리팩(50a) 또는 제2배터리팩(50b)이 충전하기 시작하고, 충전상태를 판단하여 제1,2배터리팩(50a,50b) 간 잔존용량의 차이가 많이 발생하면 다시 도 4의 릴레이(KL1,KL2)를 동작시켜 잔존용량이 작은 배터리팩(50a 또는 50b)을 충전한다.

다음 방전에 대해 설명하면 전술한 바와 같이 제어 IC(U12)에서 배터리팩(50a,50b) 간의 잔존용량을 항시 확인한다.

제2출력단(93)의 DC 12V와 제3출력단(95)의 DC 5V를 출력으로 사용할 경우 잔존용량의 많은 배터리팩을 선택하여 사용할 수 있도록 도 2의 버퍼 IC(U5)의 6,8번 핀 또는 7,9번 핀에 신호를 인가하면 드라이버 IC(U8)가 동작하여 도 4의 릴레이(KL3,KL4)가 ON/OFF되어 잔존용량이 많은 배터리팩(50a 또는 50b)을 DC 12V 출력단 또는 DC/DC 컨버터(80)에 연결한다.

만약 DC 24V 부하의 사용을 중지하려면 배터리팩(50a,50b) 간의 잔존용량을 판단하고, 버퍼 IC(U5)의 6,8번 핀 또는 7,9번 핀에 신호를 인가하여 잔존용량이 많은 배터리팩에 제3출력단(95)(DC 12V 출력단) 또는 DC/DC 컨버터(80)를 미리 연결하여 제3출력단(95)의 DC 12V나 제2출력단(93)의 DC 5V를 바로 사용할 수 있도록 한다.

물론 인버터(70)는 이와 같이 제3출력단(95)의 DC 12V와 제2출력단(93)의 DC 5V를 출력하는 과정에서도 배터리팩부(50)로부터 DC 24V 전압을 입력받아 AC 110V 또는 220V 전압으로 변환하여 제1출력단(91)으로 출력한다.

방전이 중지되면 제1배터리팩(50a)과 제2배터리팩(50b) 사이의 릴레이가 OFF되면서 두 배터리팩을 절연시키고, 이때 DC 12V의 충전전압을 인가하여 두 개의 배터리팩을 배터리 전압값이 낮은 배터리팩(50a 또는 50b)를 순차적으로 충전한다.

도 5와 도 6은 도 1에 나타낸 BMS의 전류주입형 셀 밸런싱 개념도와 회로도이다.

2개의 리튬이온 배터리팩(50a,50b)를 직렬로 연결하여 충방전을 지속할 경우 배터리팩(50a,50b) 내부의 직렬로 연결된 셀간 전위차가 발생하게 된다.

이러한 현상을 방지하기 위하여 BMS(40)에서는 기본적으로 셀 밸런싱 기능을 수행한다. 상기 BMS(40)는 상기 직렬 또는 병렬로 연결된 배터리팩을 두 번 이상의 액티브 셀 밸런싱 기능이 가능하다.

특히 본 발명에 따른 BMS(40)에서는 셀간 전압차가 발생하였을 때 낮은 셀에 전류를 주입하여 주므로 전위차를 줄여주는 전류주입형(Active) 셀 밸런싱 기능을 수행한다.

도 5에 도시된 바와 같이 액티브 셀 밸런싱은 배터리팩 내부의 셀간 전위차를 측정하여 평균치를 기준점으로 상위 셀은 방전하고, 하위 셀은 충전하여 단시간 내에 전위차가 동등하게 해 줌으로써 배터리팩 전체의 활용도를 최적화한다.

이를 통해 배터리팩의 잔존용량(SOC) 운영범위를 20% 이상 향상할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이 액티브 셀 밸런싱 회로는 컨버터(DCM1)와 릴레이(RY8)를 통해 6개의 각 셀(LBC1~LBC6)에 1대1로 연결된 릴레이(RY1~RY6)에 연결되고, 상기 각 릴레이(RY1~RY6)의 코일은 도 2에 나타낸 드라이버 IC(U6)의 출력에 각각 연결된다.

도 2에 나타낸 제어 IC(U12)는 SCLK, SDATA 통신 라인을 통해 셀 전압을 요청하여 셀 전압을 수신받는다.

이와 같이 회로에서 도 2의 제어 IC(U12)에서 충전전압을 인지하면 SCLK, SDATA 통신 라인을 통해 셀 전압을 요청하여 셀 전압을 수신받는다.

상기 제어 IC(U12)에서 수신된 셀 전압을 판단하여 셀 전압이 설정 전압 이하가 된 셀이 있으면 셀 밸런싱을 시작한다.

예를 들어 1번 셀(LBC1)의 전압이 다른 셀보다 낮으면 도 2의 제어 IC(U12)에서는 1번 셀에 전압을 더 인가하기 위하여 버퍼 IC(U6)의 6번핀과 9번 핀에 전압을 인가하여 도 6의 릴레이(RY8,RY6)를 동작시킨다.

상기 릴레이(RY8,RY6)를 동작시키면 컨버터(DCM1)의 출력전압이 릴레이(RY8,RY6)의 접점을 거쳐서 1번 셀(LBC1)에 인가되고 1번 셀은 다른 셀(LBC2~LBC6)보다 더 빨리 충전된다.

충전에 의해 1번 셀의 전압이 정상 범위로 되면 제어 IC(U12)에서 릴레이(RY8,RY6)를 OFF 시켜 도 6의 셀 밸런싱 회로 동작을 일시 정지한다.

제어 IC(U12)에서는 계속 전압을 검출하고 낮은 용량의 셀이 검출되면 도 6의 셀 밸런싱 회로 동작을 반복한다.

도 3에서 입력 단자에 충전전압의 입력이 차단되면 솔라셀 입력 M(PV_IN_M) 단자, 어댑터 입력 M(ADP_IN_M) 단자, 또는 시가잭 입력 M(CAR_IN_M) 단자의 레벨이 접지 레벨에서 하이 레벨로 되어 제어 IC(U12)에서 충전전압이 차단된 것을 인지하고 도 6의 셀 밸런싱 회로 동작을 정지한다.

도 7은 도 1에 나타낸 CC-CV 충전부 회로도이다.

도 7에 도시된 바와 같이 충전 IC(U1)의 1번 핀은 잭(J2)에 연결되고 16번 핀은 배터리팩에 연결된다.

충전 IC(U1)는 잭(J2)으로 제1입력부로부터 태양전지, 제2입력부로부터 시가잭 또는 제3입력부로부터 어댑터 충전 전원이 입력되면, 16번 핀으로 배터리팩의 전압을 감지하여 CC 또는 CV 충전 방식을 제어한다.

즉, 충전 IC(U1)는 기설정된 소정의 기준전압에 따라 배터리팩의 전압이 소정의 기준전압까지는 CC(정전류) 충전을 시행하고, 설정전압에 도달하면 CV(정전압) 충전으로 전환하여 충전을 한다.

물론 감지된 배터리팩의 전압이 기준전압 이상이면 CV 충전을 한다.

도 8은 도 1의 에너지 저장 시스템이 구현된 제품의 한 예를 보여주는 이미지이다.

도 8에 도시된 제품(100)에는 도 1의 에너지 저장 시스템이 구현된 것으로서, 제품(100) 전면의 상부에는 디스플레이(102)가 가운데 위치하고 그 좌우에는 상기 디스플레이(102)에 출력될 입출력 관련 정보를 선택할 수 있도록 버튼이 각각 구비된다.

또한, 상기 디스플레이(102)의 하부에는 좌에서 우측으로 예를 들어 제3출력단(95)의 DC 12V를 출력하는 제3출력포트(104), 제2출력단(93)의 DC 5V를 출력하는 제2출력포트(106), 제1출력단(91)의 AC 110V 또는 220V를 출력하는 제1출력포트(108)가 나란히 배치된다.

또한, 제품의 전면 하부에는 방열 효율을 높일 수 있도록 도 1에 나타낸 인버터(70)의 방열판(110)이 외부로 노출되고, 제품(1)의 측면에는 통풍에 의해 제품 내부의 열을 냉각시킬 수 있도록 통풍팬(112)이 설치된다.

상기 디스플레이(102)에는 에너지 저장 시스템(1)의 작동에 필요한 정보를 표시한다. 즉, 충전 방식에 따라 태양전지, 자동차 시가잭, 어댑터을 동시 또는 개별 표시하고, 방전 방식에 따라 예를 들어 DC 5V, DC 12V, AC 110V 또는 220V를 동시 또는 개별 표시하며, 충전 및 방전 전력량과 입출력 정보(예를 들어 셀 전압, 전류, 온도, 충전 및 방전 완료 예정 시간 등)를 표시한다.

이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

1: 에너지 저장 시스템
10: 전원 입력부 20: CC-CV 충전부
30: 충전 제어부 40: BMS
50: 배터리팩 60: 방전 제어부
70: 인버터 80: DC/DC 컨버터
90: 출력부
100: 제품

Claims

복수의 전압크기범위 중 적어도 어느 하나의 전압크기범위를 가지는 충전전원을 입력받는 전원 입력부와;
복수의 배터리팩이 연결되어 이루어지는 배터리팩부와;
상기 배터리팩부의 전단에 연결되어 상기 복수의 배터리팩의 잔존용량을 측정 비교하여 잔존용량이 작은 배터리팩이 먼저 충전되록 제어하는 충전 제어부와;
상기 배터리팩부의 후단에 연결되어 상기 복수의 배터리팩의 잔존용량을 측정 비교하여 잔존용량이 많은 배터리팩이 먼저 방전되도록 제어하는 방전 제어부와;
상기 배터리팩부 또는 상기 방전 제어부에 연결되어 복수의 전압크기 중에서 적어도 어느 하나의 전압크기를 가지는 출력전원을 출력하는 출력부를 포함하고,
상기 전원입력부는, 제1 전압크기범위를 가지는 충전전원이 입력되는 제1입력부와; 제2전압크기범위를 가지는 충전전원이 입력되는 제2입력부와; 제3전압크기범위를 가지는 충전전원이 입력되는 제3입력부를 포함하고,
상기 출력부는, 상기 배터리팩부 후단에 연결되어 제1 전압크기로 출력하는 제1출력단과; 상기 방전제어부 후단에 연결되어 제2전압크기로 출력하는 제2출력단과; 상기 방전제어부 후단에 연결되어 제3전압크기로 출력하는 제3출력단을 포함하고, 상기 출력부는, 상기 제1출력단 내지 제3출력단 중 적어도 어느 하나의 출력단을 통하여 전원을 출력하는 것인 에너지 저장 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 제1출력단은, 상기 배터리팩부의 DC 전압을 AC 전압으로 변환시키는 인버터를 더 포함하고,
상기 제2출력단은, 잔존용량이 많은 배터리팩의 DC 전압을 감압 또는 승압시키는 DC/DC 컨버터를 더 포함하고,
상기 제3출력단은, 잔존용량이 많은 배터리팩의 DC 전압을 그대로 출력시키는 것인 에너지 저장 시스템.
제4항에 있어서,
상기 전원 입력부와 상기 충전 제어부 사이에 구비되어 상기 배터리팩부의 전압을 측정하여 소정의 기준전압까지는 CC(정전류) 충전을 하고, 기준전압에 도달하면 CV(정전압) 충전으로 전환하여 충전하도록 제어하는 CC-CV 충전부를 더 포함하는 에너지 저장 시스템.
제5항에 있어서,
상기 복수의 배터리팩 내부의 셀간 전위차를 측정하여 평균치를 기준점으로 상위 셀은 방전하고 하위 셀은 충전하는 액티브 셀 밸런싱 기능을 구현하는 BMS를 더 포함하는 에너지 저장 시스템.
제6항에 있어서,
상기 충전 제어부는, 상기 측정된 잔존용량에 따라 상기 복수의 배터리팩의 충전 접점을 전환하는 제어 IC를 포함하고,
상기 방전 제어부는, 상기 측정된 잔존용량에 따라 상기 복수의 배터리팩의 방전 접점을 전환하는 제어 IC를 포함하는 것인 에너지 저장 시스템.
제7항에 있어서,
상기 충전 제어부의 제어IC와 상기 방전 제어부의 제어 IC는 동일 IC로서 하나의 구성인 것인 에너지 저장 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1입력부는 태양전지로부터 충전전원이 입력되고,
상기 제2입력부는 자동차 시가잭으로부터 충전전원이 입력되고,
상기 제3입력부는 어댑터로부터 충전전원이 입력되는 것인 에너지 저장 시스템.
제9항에 있어서,상기 충전 제어부는, 주간에는 태양전지를 이용하여 충전하고, 부족한 전력량은 심야전기를 이용하여 충전하되, 타이머 설정에 따라 전기료가 저렴한 시간대에서 자동으로 충전할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
제4항에 있어서,
상기 에너지 저장 시스템이 구현된 제품의 전면에는 에너지 저장 시스템의 작동에 필요한 정보를 표시하는 디스플레이와, 상기 제1,2,3출력단에 연결되는 제1,2,3출력포트가 설치되고, 상기 인버터의 방열판이 외부로 노출되며,
상기 제품의 측면에는 제품 내부의 에너지 저장 시스템 냉각을 위한 통풍팬이 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.