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KR101631064B1 - 배터리 팩의 전압 측정 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 - Google Patents

배터리 팩의 전압 측정 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 Download PDF

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KR101631064B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 계층 BMS 및 제3 계층 BMS를 포함하는 계층적 구조의 BMS를 포함하는 배터리 시스템에서, 상위 계층의 BMS가 마스터(master)로 설정되고 하위 계층의 BMS가 슬레이브(slave)로 설정되는 경우, 상기 마스터는 상기 슬레이브에 무선으로 요청 신호를 전송하고, 상기 슬레이브는 상기 요청 신호에 기반한 응답 신호를 무선으로 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템이 제공된다.

Description

배터리 팩의 전압 측정 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템{Battery pack, voltage measuring method of the same, and energy storage system including the battery pack}
본 발명은 배터리 팩의 전압 측정 방법 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 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. 에너지 저장 시스템은 이러한 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템으로서, 오늘날의 환경 변화에 맞추어 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
이러한 에너지 저장 시스템에 있어서, 배터리의 효율적 관리가 중요한 요소 중 하나이다. 배터리는 충전, 방전, 셀 밸런싱 등 다양한 사항에 대하여 관리를 하여야 한다. 배터리를 효율적으로 관리함으로 인하여 배터리의 수명을 늘릴 수 있으며, 부하에 안정적으로 전력을 제공할 수 있게 된다.
배터리 시스템은 안정적인 동작을 위하여 내부 상태를 모니터링 하고, 모니터링에 의하여 측정된 데이터들을 취합한다. 이때, 배터리 시스템은 마스터-슬레이브 구조를 갖는 다양한 배터리 관리부를 구비한다. 슬레이브에 해당하는 배터리 관리부들이 마스터에 해당하는 배터리 관리부로 측정된 데이터들을 전송하며, 마스터에 해당하는 배터리 관리부는 데이터를 모두 수신하여 취합한다.
본 발명은 BMS간에 무선 통신을 통해 정보를 송수신할 수 있도록 함으로써, BMS를 일정 거리 내에서 제약 없이 자유롭게 배치시킬 수 있는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 계층 BMS 및 제3 계층 BMS를 포함하는 계층적 구조의 BMS를 포함하는 배터리 시스템에서, 상위 계층의 BMS가 마스터(master)로 설정되고 하위 계층의 BMS가 슬레이브(slave)로 설정되는 경우, 상기 마스터는 상기 슬레이브에 무선으로 요청 신호를 전송하고, 상기 슬레이브는 상기 요청 신호에 기반한 응답 신호를 무선으로 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템이 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 마스터는 상기 제1 계층 BMS이고, 상기 슬레이브는 상기 제3 계층의 BMS일 때, 상기 제2 계층 BMS를 통하지 않고 직접 마스터로부터 슬레이브로 상기 요청 신호를 전송하고, 상기 슬레이브로부터 상기 마스터로 직접 상기 응답 신호를 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 무선 통신은 지그비(zigbee) 방식의 통신인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 계층은 시스템(system) BMS, 상기 제2 계층은 랙(rack) BMS, 상기 제3 계층은 트레이(tray) BMS인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 마스터와 상기 슬레이브는 서로간의 거리가 50m 이하의 거리에서 임의로 배치될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 요청 신호 및 상기 응답 신호는 암호화되어 전송되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 마스터는 상기 요청 신호에 난수 발생으로 생성된 시드(seed)를 포함시키고, 상기 슬레이브는 상기 시드에 대응하는 키(key)값을 생성하여 상기 응답 신호에 포함시키며, 상기 마스터는 상기 키 값을 참조하여 상기 슬레이브를 인증하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 제1 계층 BMS 및 제3 계층 BMS를 포함하는 계층적 구조의 BMS를 포함하는 배터리 시스템에서, 하나의 상기 제1 계층 BMS에 대한 하위 계층인 상기 제3 계층 BMS는 복수개가 존재하며, 상위 계층의 BMS가 마스터로 설정되고, 하위 계층의 복수개의 BMS가 복수개의 슬레이브로 설정되는 경우에, 상기 마스터는 상기 복수개의 슬레이브에 무선으로 요청 신호를 동시에 전송하고, 상기 복수개의 슬레이브는 상기 요청 신호에 기반한 응답 신호를 무선으로 각각 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템이 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 마스터는 동기화된 신호를 사용하여 상기 복수개의 슬레이브에 상기 요청 신호를 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 응답 신호는 상기 슬레이브의 상태를 동시에 측정한 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 마스터는 상기 제1 계층 BMS이고, 상기 슬레이브는 상기 제3 계층의 BMS일 때, 상기 제2 계층 BMS를 통하지 않고 직접 마스터로부터 슬레이브로 상기 요청 신호를 전송하고, 상기 슬레이브로부터 상기 마스터로 직접 상기 응답 신호를 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 무선 통신은 지그비(zigbee) 방식의 통신인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 계층은 시스템(system) BMS, 상기 제2 계층은 랙(rack) BMS, 상기 제3 계층은 트레이(tray) BMS인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 마스터와 상기 슬레이브는 서로간의 거리가 50m 이하의 거리에서 임의로 배치될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 요청 신호 및 상기 응답 신호는 암호화되어 전송되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 마스터는 상기 요청 신호에 난수 발생으로 생성된 시드(seed)를 포함시키고, 상기 슬레이브는 상기 시드에 대응하는 키(key)값을 생성하여 상기 응답 신호에 포함시키며, 상기 마스터는 상기 키 값을 참조하여 상기 슬레이브를 인증하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 발전 시스템에서 발전되는 전력을 DC 전압으로 변환하는 전력 변환부; DC 전압을 DC-AC 변환하여 출력하며, AC 전압을 AC-DC 변환하여 출력하는 양방향 인버터; 계층 구조로 이루어진 배터리들의 집합인 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈의 충방전을 제어하며 상기 배터리에 대응하여 계층 구조로 이루어진 BMS의 집합을 포함하는 배터리 시스템; 상기 배터리를 충전하고, 상기 배터리를 방전하여 상기 부하 및 상기 계통으로 전력을 공급하도록 상기 전력 변환부, 상기 양방향 컨버터, 상기 양방향 인버터, 상기 배터리 관리부를 제어하는 통합 제어기;를 포함하며, 상기 배터리 시스템은 상위 계층의 BMS가 마스터(master)로 설정되고 하위 계층의 BMS가 슬레이브(slave)로 설정되는 경우, 상기 마스터는 상기 슬레이브에 지그비(zigbee) 기반의 무선 요청 신호를 전송하고, 상기 슬레이브는 상기 요청 신호에 기초한 지그비 기반의 무선 응답 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 에너지로부터 전기 에너지를 발전하는 발전 시스템; 전력을 전달하는 계통; 상기 계통, 상기 발전 시스템 또는 전력 저장 장치로부터 전력을 전달받아 소비하는 부하; 및 에너지 저장 시스템을 포함하며, 상기 에너지 저장 시스템은, 전력 변환부; DC 전압을 DC-AC 변환하여 출력하며, AC 전압을 AC-DC 변환하여 출력하는 양방향 인버터; 계층적 구조의 배터리 모듈 및 BMS를 포함하는 배터리 시스템; 통합 제어기를 포함하고, 상기 배터리 시스템은 상위 계층의 BMS가 마스터(master)로 설정되고 하위 계층의 BMS가 슬레이브(slave)로 설정되는 경우, 상기 마스터는 상기 슬레이브에 지그비(zigbee) 기반의 무선 요청 신호를 전송하고, 상기 슬레이브는 상기 요청 신호에 기초한 지그비 기반의 무선 응답 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는; 에너지 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 발전 시스템에서 발전되는 전력을 DC 전압으로 변환하는 전력 변환부; DC 전압을 DC-AC 변환하여 출력하며, AC 전압을 AC-DC 변환하여 출력하는 양방향 인버터; 계층 구조로 이루어진 배터리들의 집합인 배터리 모듈 및 상기 배터리 모듈의 충방전을 제어하며 상기 배터리에 대응하여 계층 구조로 이루어진 BMS의 집합을 포함하는 배터리 시스템; 상기 배터리를 충전하고, 상기 배터리를 방전하여 상기 부하 및 상기 계통으로 전력을 공급하도록 상기 전력 변환부, 상기 양방향 컨버터, 상기 양방향 인버터, 상기 배터리 관리부를 제어하는 통합 제어기;를 포함하며, 상기 배터리 시스템은 상위 계층의 BMS가 마스터(master)로 설정되고 복수개의 하위 계층의 BMS가 복수개의 슬레이브(slave)로 설정되는 경우, 상기 마스터는 상기 슬레이브에 지그비(zigbee) 기반의 무선으로 요청 신호를 동시에 전송하고, 상기 슬레이브는 상기 요청 신호에 기반하여 상기 슬레이브의 상태를 동시에 측정한 응답 신호를 지그비 기반의 무선으로 각각 전송하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 에너지로부터 전기 에너지를 발전하는 발전 시스템; 전력을 전달하는 계통; 상기 계통, 상기 발전 시스템 또는 전력 저장 장치로부터 전력을 전달받아 소비하는 부하; 및 에너지 저장 시스템을 포함하며, 상기 에너지 저장 시스템은, 전력 변환부; DC 전압을 DC-AC 변환하여 출력하며, AC 전압을 AC-DC 변환하여 출력하는 양방향 인버터; 계층적 구조의 배터리 모듈 및 BMS를 포함하는 배터리 시스템; 통합 제어기를 포함하고, 상기 배터리 시스템은 상위 계층의 BMS가 마스터(master)로 설정되고 복수개의 하위 계층의 BMS가 복수개의 슬레이브(slave)로 설정되는 경우, 상기 마스터는 상기 슬레이브에 지그비(zigbee) 기반의 무선으로 요청 신호를 동시에 전송하고, 상기 슬레이브는 상기 요청 신호에 기반하여 상기 슬레이브의 상태를 동시에 측정한 응답 신호를 지그비 기반의 무선으로 각각 전송하는 것을 특징으로 하는; 에너지 시스템이 제공된다.
본 발명에 의하면, BMS간에 무선 통신을 통해 정보를 송수신할 수 있도록 함으로써, BMS를 일정 거리 내에서 제약 없이 배치시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템(1)을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템(20)을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 랙(210-1)을 나타내는 블록도이다.
도 4는 계층적 구조를 가지는 BMS를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터-슬레이브 구조의 통신 시스템(300)을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 BMS간의 통신을 순서도로 나타낸 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 여러 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 여러 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템(1)을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시 예에 따른 에너지 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 에너지 저장 시스템(1)에 공급한다. 발전 시스템(2)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것으로 발전 시스템(2)은 상기 언급한 종류에 한정되는 것은 아니다. 태양열이나 지열 등, 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 가정이나 공장에 분산된 에너지 저장 시스템(1)에 적용하기에 적합하다. 발전 시스템(2)은 다수의 발전 모듈을 병렬로 구비하고 발전 모듈별로 전력을 생산함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다.
계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비한다. 계통(3)은 정상 상태인 경우, 에너지 저장 시스템(1)으로 전력을 공급하여 부하(4) 및/또는 배터리 시스템(20)에 전력이 공급되도록 하고, 에너지 저장 시스템(1)으로부터 전력을 공급받는다. 계통(3)이 비정상 상태인 경우, 계통(3)으로부터 에너지 저장 시스템(1)으로의 전력 공급은 중단되고, 에너지 저장 시스템(1)으로부터 계통(3)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
부하(4)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력, 배터리 시스템(20)에 저장된 전력, 또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비한다. 가정이나 공장 등이 부하(4)의 일 예일 수 있다.
에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하고, 생산한 전력을 계통(3)으로 공급할 수 있다. 에너지 저장 시스템(1)은 배터리 시스템(20)에 저장된 전력을 계통(3)으로 공급하거나, 계통(3)으로부터 공급된 전력을 배터리 시스템(20)에 저장할 수도 있다. 또한, 에너지 저장 시스템(1)은 계통(3)이 비정상 상태일 경우, 예를 들면 정전이 발생한 경우에는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 동작을 수행하여 부하(4)에 전력을 공급할 수 있다. 또한 에너지 저장 시스템(1)은 계통(3)이 정상인 상태에서도 발전 시스템(2)이 생산한 전력이나 배터리 시스템(20)에 저장되어 있는 전력을 부하(4)로 공급할 수 있다.
에너지 저장 시스템(1)은 전력 변환을 제어하는 전력 변환 시스템(Power Conversion System, 이하 'PCS'라 함)(10), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 및 제2 스위치(40) 등을 포함한다.
PCS(10)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 시스템(20)의 전력을 적절한 전력으로 변환하여 필요한 곳에 공급한다. PCS(10)는 전력 변환부(11), DC 링크부(12), 인버터(13), 컨버터(14), 통합 제어기(15)를 포함한다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)과 DC 링크부(12) 사이에 연결되는 전력 변한 장치이다. 전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 DC 링크부(12)로 전달하며, 이때 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환한다.
전력 변환부(11)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 컨버터, 정류회로 등의 전력 변환 회로로 구성될 수 있다. 발전 시스템(2)이 생산하는 전력이 직류인 경우, 전력 변환부(11)는 직류를 직류로 변환하기 위한 컨버터일 수 있다. 발전 시스템(2)이 생산하는 전력이 교류인 경우, 전력 변환부(11)는 교류를 직류로 변환하기 위한 정류회로일 수 있다. 특히, 발전 시스템(2)이 태양광 발전 시스템인 경우, 전력 변환부(11)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(11)는 발전 시스템(2)에서 생산되는 전력이 없을 때에는 동작을 중지하여 컨버터 등에서 소비되는 전력을 최소화시킬 수도 있다.
직류 링크 전압은 발전 시스템(2) 또는 계통(3)에서의 순시 전압 강하, 부하(4)에서의 피크 부하 발생 등으로 인하여 그 크기가 불안정해 지는 경우가 있다. 그러나 직류 링크 전압은 컨버터(14) 및 인버터(13)의 정상 동작을 위하여 안정화될 필요가 있다. DC 링크부(12)는 전력 변환부(11)와 인버터(13) 사이에 연결되어 직류 링크 전압을 일정하게 유지시킨다. DC 링크부(12)로서, 예를 들어 대용량 커패시터 등을 사용할 수 있다.
인버터(13)는 DC 링크부(12)와 제1 스위치(30) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 인버터(13)는 방전 모드에서 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)으로부터 출력된 직류 링크 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터를 포함할 수 있다. 또한, 인버터(13)는 충전 모드에서 계통(3)의 전력을 배터리 시스템(20)에 저장하기 위하여, 계통(3)의 교류 전압을 정류하고 직류 링크 전압으로 변환하여 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다. 혹은 인버터(13)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 인버터일 수 있다.
인버터(13)는 계통(3)으로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 또한 인버터(13)는 무효 전력의 발생을 억제하기 위하여 인버터(13)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로를 포함할 수 있다. 그 밖에, 인버터(13)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다. 인버터(13)는 사용되지 않을 때, 전력 소비를 최소화하기 위하여 동작을 중지시킬 수도 있다.
컨버터(14)는 DC 링크부(12)와 배터리 시스템(20) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 컨버터(14)는 방전 모드에서 배터리 시스템(20)에 저장된 전력을 인버터(13)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 출력하는 컨버터를 포함한다. 또한, 컨버터(14)는 충전 모드에서 전력 변환부(11)에서 출력되는 전력이나 인버터(13)에서 출력되는 전력의 전압을 배터리 시스템(20)에서 요구하는 전압 레벨, 즉 충전 전압으로 DC-DC 변환하는 컨버터를 포함한다. 혹은 컨버터(14)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 컨버터일 수 있다. 컨버터(14)는 배터리 시스템(20)의 충전 또는 방전이 필요없는 경우에는 동작을 중지시켜 전력 소비를 최소화할 수도 있다.
통합 제어기(15)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 시스템(20), 및 부하(4)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과 및 미리 설정되어 있는 알고리즘 등에 따라서 전력 변환부(11), 인버터(13), 컨버터(14), 배터리 시스템(20), 제1 스위치(30), 제2 스위치(40)의 동작을 제어한다. 통합 제어기(15)는 계통(3)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력을 생산하는 경우 그 생산량, 배터리 시스템(20)의 충전 상태, 부하(4)의 소비 전력량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다. 또한 통합 제어기(15)는 계통(3)에 정전이 발생하는 등, 부하(4)로 공급할 전력이 충분하지 않은 경우에는 부하(4) 내에 포함된 전력 사용 기기들에 대하여 우선 순위를 정하고, 우선 순위가 높은 전력 사용 기기로 전력을 공급하도록 부하(4)를 제어할 수도 있을 것이다.
제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)는 인버터(13)와 계통(3) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(15)의 제어에 따라서 on/off 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 스위치(30)와 제2 스위치(40)는 발전 시스템(2), 계통(3), 및 배터리 시스템(20)의 상태에 따라서 on/off가 결정될 수 있다.
구체적으로, 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)의 전력을 부하(4)로 공급하는 경우 또는 계통(3)의 전력을 배터리 시스템(20)에 공급하는 경우, 제1 스위치(30)를 on 상태로 한다. 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)의 전력을 계통(3)으로 공급하는 경우 또는 계통(3)의 전력을 부하(4) 및/또는 배터리 시스템(20)에 공급하는 경우에는 제2 스위치(40)를 on 상태로 한다.
한편, 계통(3)에서 정전이 발생한 경우에는, 제2 스위치(40)를 off 상태로 하고 제1 스위치(30)를 on 상태로 한다. 즉, 발전 시스템(2) 및/또는 배터리 시스템(20)으로부터의 전력을 부하(4)에 공급하는 동시에, 부하(4)로 공급되는 전력이 계통(3) 측으로 흐르는 것을 방지한다. 이로 인하여 에너지 저장 시스템(1)의 단독운전을 방지하여 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 에너지 저장 시스템(1)으로부터의 전력에 의하여 감전되는 등의 사고를 방지할 수 있게 한다.
제1 스위치(30) 및 제2 스위치(40)로는 큰 전류에 견딜 수 있는 릴레이(relay) 등의 스위칭 장치가 사용될 수 있다.
배터리 시스템(20)은 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)의 전력을 공급받아 저장하고, 부하(4) 또는 계통(3)에 저장하고 있는 전력을 공급한다. 배터리 시스템(20)은 전력을 저장하는 부분과 이를 제어 및 보호하는 부분을 포함할 수 있다. 이하, 도 2를 참조하여 배터리 시스템(20)에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템(20)을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 배터리 시스템(20)은 복수의 배터리 랙들(210-1~210-l), 시스템 BMS(Battery Management System)(200), 및 무선 데이터 통신을 제1 통신 채널(250)을 포함할 수 있다.
복수의 배터리 랙들(210-1~210-l)은 외부, 즉 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 저장하고, 저장하고 있는 전력을 계통(3) 및/또는 부하(4)로 공급한다. 복수의 배터리 랙들(220-1~210-l)은 랙(220), 랙 BMS(230), 랙 보호회로(240)를 각각 포함할 수 있다.
랙(220)은 전력을 저장하는 부분으로 하위 구성인 트레이(222)를 포함할 수 있다. 랙(220)은 랙 BMS(230)에 의하여 충전 및 방전 동작이 제어된다. 각각의 랙(220)들은 요구되는 출력 전압에 따라서 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
랙 BMS(230)는 랙 보호회로(240)를 제어함으로써 랙(220)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. 또한 랙 BMS(230)는 랙(220)의 상태, 예를 들어 온도나 전압, 흐르는 전류 등을 모니터링하여 측정된 데이터를 시스템 BMS(200)로 전송한다.
랙 보호회로(240)는 랙 BMS(230)로부터의 제어에 따라서 전력 공급을 차단할 수 있다. 또한 랙 보호회로(240)는 랙(220)의 전압 및 전류 등을 측정하여 그 결과를 랙 BMS(230)로 전송할 수 있다.
랙(220)에서 출력되는 전력은 랙 보호회로(240)를 통하여 컨버터(14)로 공급될 수 있으며, 외부로부터 컨버터(14)로 공급된 전력은 랙 보호회로(240)를 통하여 랙(220)에 저장될 수 있을 것이다. 랙 보호회로(240)들로부터 연장되는 전력선은 서로 병렬로 컨버터(14)에 연결될 수 있을 것이다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 랙(220)에서 출력되는 전력량, 랙(220)의 출력 전압의 크기 등에 따라서 직렬, 또는 직렬 및 병렬의 혼합 형태로 구성될 수도 있을 것이다.
제1 통신 채널(250)은 시스템 BMS(200)와 랙 BMS(230)들 사이에 데이터나 명령을 전송하는 경로이다. 시스템 BMS(200)와 랙 BMS(230) 사이의 통신 프로토콜로는 지그비(zigbee) 통신이 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 데이터나 명령을 전송하는 무선 통신 프로토콜이라면 블루투스(Bluetooth), UWB(Ultra Wide Band), Wifi 등과 같은 근거리 무선 네트워크가 제한없이 모두 적용 가능할 것이다. 시스템 BMS(200) 및 랙 BMS(230)는 무선 통신 프로토콜을 사용함으로써 일정 거리 내에서 자유로이 배치될 수 있고, 기존의 유선 통신시 사용했던 전선을 없앨 수 있다.
참고적으로, 지그비란 IEEE 802.15.4(LR-WPAN:Low Rate-Wireless Personal Area Network) PHY/MAC 기반위에 868/915MHz 및 2.4GHz 대역에서 동작하는 데이터 통신 프로토콜(Data Communication Protocol)을 말한다.
이하, 첫 번째 배터리 랙(210-1)에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 랙(210-1)을 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 배터리 랙(210-1)은 복수의 배터리 트레이들(221-1~221-m), 랙 BMS(230), 및 데이터 통신을 위한 제2 통신 채널(224)을 포함할 수 있다. 또한 배터리 랙(210-1)은 랙 보호회로(240)를 포함할 수 있으나 여기서는 생략한다.
복수의 배터리 트레이들(221-1~221-m)은 랙의 하위 구성으로서, 전력을 저장하고, 저장하고 있는 전력을 계통(3), 부하(4) 등으로 공급한다. 이러한 배터리 트레이들(221-1~221-m)은 트레이(222), 및 트레이 BMS(223)를 각각 포함할 수 있다.
트레이(222)는 전력을 저장하는 부분으로 그 하위 구성으로 배터리 셀을 포함할 수 있다. 트레이(222)에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압에 따라서 결정될 수 있을 것이다. 이러한 배터리 셀로 충전가능한 다양한 이차 전지가 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀에 사용되는 이차 전지는 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.
트레이(222)는 트레이 BMS(223)에 의하여 충전 및 방전 동작이 제어된다. 또한 복수의 트레이(222)들은 서로 직렬로 연결되어 랙(220)에서 필요로하는 출력 전압을 생성하도록 할 수 있다. 그리고 직렬로 연결된 트레이(222)들 중 양끝 트레이(222)들로부터 전력선이 연장되어 랙 보호회로(240)를 통하여 컨버터(14)로 전력을 공급할 수 있을 것이다.
트레이 BMS(223)는 트레이(222)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. 또한 트레이 BMS(223)는 트레이(222)의 상태, 예를 들어 온도나 전압, 흐르는 전류 등을 모니터링하여 측정된 데이터를 랙 BMS(230)로 전송한다.
제2 통신 채널(224)은 랙 BMS(230)와 트레이 BMS(223)들 사이에 무선으로 데이터나 명령을 전송하는 경로이다. 랙 BMS(230)와 트레이 BMS(223) 사이의 통신 프로토콜로는 지그비 통신이 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 데이터나 명령을 전송하는 무선 통신 프로토콜이라면 모두 적용 가능할 것이다.
도 4는 계층적 구조를 가지는 BMS를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 도2 및 도3에서 상술한 BMS만을 계층적 구조로 다시 도식화한 것을 알 수 있다. 시스템 BMS(200)의 하위 계층으로 복수개의 랙 BMS(230)가 존재하고, 각각의 랙 BMS(230)의 하위 계층으로 트레이 BMS(223)가 존재한다. 또한, 상술한 바와 같이 시스템 BMS(200)와 랙 BMS(230) 간에는 무선 통신 채널인 제1 통신 채널(240)이 존재하고, 랙 BMS(230)와 트레이 BMS(233) 사이에는 제2 통신 채널(224)가 존재한다. 이 밖에도 도 4를 참조하면, 시스템 BMS(200)와 트레이 BMS(233)간에도 무선 통신 채널인 제3 통신 채널(225)이 존재하는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 시스템 BMS(200)와 랙 BMS(230), 랙 BMS(230)와 트레이 BMS(230) 간에 무선 통신이 가능함은 물론, 시스템 BMS(200)와 트레이 BMS(233)간에도 중간 단계를 거치지 않고 직접 무선 통신이 가능하다. 도 4에서는 BMS의 계층이 3가지로 이루어진 경우를 상정하였지만, 배터리 시스템의 복잡도에 따라 BMS 계층의 수는 더 증가할 수 있다. BMS가 3단계 이상의 계층을 가지는 경우에도, 상위 계층의 BMS와 하위 계층의 BMS는 직접적으로 무선 통신이 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마스터-슬레이브 구조의 통신 시스템(300)을 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 통신 시스템(300)은 마스터(310), 복수의 슬레이브들(320-1~320-n), 통신 채널(330)을 포함한다.
여기서, 마스터(310)는 도 4의 시스템 BMS(200)에 대응되고, 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)은 도 4의 랙 BMS(230)에 대응될 수 있을 것이다. 혹은 마스터(310)는 도 4의 랙 BMS(230)에 대응되고, 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)은 도 4의 트레이 BMS(223)에 대응될 수 있을 것이다. 혹은, 마스터(310)는 도 4의 시스템 BMS(200)에 대응되고, 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)은 도 4의 트레이 BMS(223)에 대응될 수 있다. 즉, 마스터(310)는 상위 계층의 BMS에 대응되고, 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)은 하위 계층의 BMS에 해당된다. 마스터(310)와 슬레이브(320)는 바로 인접한 계층일 필요가 없으므로, 시스템 BMS(200)는 랙 BMS(230)를 거치지 않고 트레이 BMS(233)와 통신 채널(330)을 통해 통신할 수 있다. 또한, 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)끼리도 반드시 같은 계층일 필요는 없다.
통신 채널(330)은 도 4의 제1 통신 채널(240), 제2 통신 채널(224), 제3 통신 채널(225)를 포함한다. 통신 채널(330)은 지그비를 통신 프로토콜로 사용하는 무선 통신 채널일 수 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 무선 통신 프로토콜을 제한없이 사용할 수 있다.
통신 채널(330)이 무선이므로, 마스터(310)와 슬레이브(320)는 위치에 관계없이 일정 거리 내에서라면 전선이 없이도 자유롭게 통신할 수 있다. 즉, 상위 계층의 BMS와 하위 계층의 BMS가 통신할 때 전선을 통해 통신하지 않아도 되므로, 다른 유선 통신 방식보다 배터리 내의 회로가 간단해지는 장점이 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따라 통신 채널(330)이 지그비 프로토콜을 사용하는 경우에는, 50m 이내에서 자유로운 근거리 무선 통신이 가능하므로, 시스템 BMS(200), 랙 BMS(230), 트레이 BMS(223)의 배치를 전선에 구애받지 않고 자유롭게 할 수 있다.
마스터(310)는 통신 채널(330)을 통하여 슬레이브(320)에 요청 신호(Ds)를 전송한다. 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)은 요청 신호에 기반한 응답 신호(R1~Rn)를 통신 채널(330)을 통하여 마스터(310)에 전송한다.
요청 신호(Ds)는 상위 계층의 BMS가 하위 계층의 BMS의 정보를 알기 위해 요청하는 신호이다. 예를 들어, 시스템 BMS(200)는 트레이(222)의 전압 상태를 알기 위해 트레이 BMS(223)에 전압 정보를 요청하는 요청 신호(Ds)를 생성하여 통신망(330)을 통해 전달할 수 있다. 전압 정보를 요청하는 요청 신호(Ds)를 수신한 트레이 BMS(223) 각각은 트레이(222)의 전압을 측정하여 응답 신호(R1~Rn)로 통신망(330)에 전송한다.
마스터(310)가 요청 신호(Ds)를 통신망(330)을 통하여 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)에 전달할 때, 각 슬레이브들에 전달되는 요청 신호(Ds)는 동기화된 신호일 수 있다. 즉, 마스터(310)는 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)에 동시에 요청 신호(Ds)를 전달할 수 있다. 따라서, 요청 신호(Ds)에 대응하여 작성되는 응답 신호(R1~Rn)는 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)의 상태를 동시에 측정한 동시간대의 측정 데이터 정보를 포함한다.
또한, 요청 신호(Ds) 및 응답 신호(R1~Rn)는 암호화되어 전송될 수 있다. 마스터(310)는 요청 신호(Ds) 생성 시 난수 발생으로 생성된 시드(seed)를 포함시킨다. 시드가 포함된 요청 신호(Ds)를 전송받은 제1~n 슬레이브들(320-1~320-n)은 각각 시드에 대응하는 키(key) 값을 생성하여 응답 신호(R1~Rn)에 포함시킨다. 마스터(310)는 응답 신호에 포함된 키 값을 참조하여, 시드에 대응하는 키 값이 옳은 것인지 판단하여 해당 슬레이브가 통신을 할 정당한 권한이 있는지 여부를 인증한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 BMS간의 통신을 순서도로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 먼저 마스터가 될 상위 계층의 BMS와 슬레이브가 될 하위 계층의 BMS를 하나 이상 선정한다(S11).
다음으로, 마스터가 동기화된 요청 신호를 생성하여 무선 통신망에 전송한다(S12).
다음으로, 하나 이상의 슬레이브가 무선 통신망을 통해 전송된 요청 신호를 수신한다(S13).
다음으로, 하나 이상의 슬레이브가 요청 신호에 대응하여 슬레이브가 포함된 배터리의 상태를 동시에 측정하고, 측정된 정보에 기초하여 응답 신호를 생성한다(S14).
다음으로, 하나 이상의 슬레이브가 무선 통신망을 통해 응답 신호를 전송한다(S15).
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항과 한정된 실시예 및 도면에 의하여 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정과 변경을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 에너지 저장 시스템 2: 발전 시스템
3.: 계통 4: 부하
10: 배터리
70: BMS
100: 배터리 시스템 200: PCS
201: 콘덴서 210: 전력 변환부
220: DC 링크부 230: 인버터
240: 컨버터 250: 제1 스위치
260: 제2 스위치 270: 통합 제어기

Claims (20)

  1. 제1 계층의 BMS, 상기 제1 계층의 하위 계층인 제2 계층의 BMS, 및 상기 제2 계층의 하위 계층인 제3 계층의 BMS를 포함하는 계층적 구조의 BMS를 포함하는 배터리 시스템에서,
    상위 계층의 BMS가 마스터(master)로 설정되고 하위 계층의 BMS가 슬레이브(slave)로 설정되는 경우, 상기 마스터는 상기 슬레이브에 무선으로 요청 신호를 전송하고, 상기 슬레이브는 상기 요청 신호에 기반한 응답 신호를 무선으로 전송하며,
    상기 제1 계층의 BMS와 상기 제2 계층의 BMS 간에 상기 요청 신호 및 상기 응답 신호를 무선으로 전송할 수 있는 제1 통신 채널;
    상기 제2 계층의 BMS와 상기 제3 계층의 BMS 간에 상기 요청 신호 및 상기 응답 신호를 무선으로 전송할 수 있는 제2 통신 채널; 및
    상기 제1 계층의 BMS와 상기 제3 계층의 BMS 간에 상기 요청 신호 및 상기 응답 신호를 상기 제2 계층의 BMS를 통하지 않고 직접 무선으로 전송할 수 있는 제3 통신 채널을 포함하는 배터리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무선 통신은 지그비(zigbee) 방식의 통신인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 계층의 BMS는 시스템(system) BMS, 상기 제2 계층의 BMS는 랙(rack) BMS, 상기 제3 계층의 BMS는 트레이(tray) BMS인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마스터와 상기 슬레이브는 서로간의 거리가 50m 이하의 거리에서 임의로 배치될 수 있는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 요청 신호 및 상기 응답 신호는 암호화되어 전송되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마스터는 상기 요청 신호에 난수 발생으로 생성된 시드(seed)를 포함시키고, 상기 슬레이브는 상기 시드에 대응하는 키(key)값을 생성하여 상기 응답 신호에 포함시키며, 상기 마스터는 상기 키 값을 참조하여 상기 슬레이브를 인증하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    하나의 상기 제1 계층 BMS에 대한 하위 계층인 상기 제3 계층 BMS는 복수개가 존재하며,
    상위 계층의 BMS가 마스터로 설정되고, 하위 계층의 복수개의 BMS가 복수개의 슬레이브로 설정되는 경우에, 상기 마스터는 상기 복수개의 슬레이브에 무선으로 요청 신호를 동시에 전송하고, 상기 복수개의 슬레이브는 상기 요청 신호에 기반한 응답 신호를 무선으로 각각 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 마스터는 동기화된 신호를 사용하여 상기 복수개의 슬레이브에 상기 요청 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 응답 신호는 상기 슬레이브의 상태를 동시에 측정한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
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