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KR20120111406A - 배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 - Google Patents

배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 Download PDF

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KR20120111406A
KR20120111406A KR1020110029856A KR20110029856A KR20120111406A KR 20120111406 A KR20120111406 A KR 20120111406A KR 1020110029856 A KR1020110029856 A KR 1020110029856A KR 20110029856 A KR20110029856 A KR 20110029856A KR 20120111406 A KR20120111406 A KR 20120111406A
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KR
South Korea
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battery
battery module
power
discharge
charging
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Application number
KR1020110029856A
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English (en)
Inventor
김재순
안진홍
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to US13/369,909 priority patent/US9153967B2/en
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Abstract

본 발명은 배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 충전 및 방전이 가능한 적어도 하나의 배터리 모듈과, 배터리 모듈의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하며, 배터리 관리부는, 시간의 경과에 따라서 배터리 모듈의 충전을 중지시키는 충전 한계치 및 배터리 모듈의 방전을 중지시키는 방전 한계치를 가변하는 배터리 시스템을 제공하여 배터리 모듈의 수명을 증가시킬 수 있게 한다.

Description

배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템{Battery system, controlling method thereof, and energy storage system including same}
본 발명은 배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
환경 파괴, 자원 고갈 등이 심각한 문제로 제기되면서, 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 이와 함께 발전 과정에서 공해를 유발하지 않거나 적게 유발하는 신재생 에너지에 대한 관심도 높아지고 있다. 에너지 저장 시스템은 이러한 신재생 에너지, 전력을 저장하는 배터리 시스템, 그리고 기존의 계통을 연계시키는 시스템으로서, 오늘날의 환경 변화에 맞추어 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
이중, 배터리 시스템은 배터리 시스템은 외부로부터 전력을 공급받아 전력을 저장할 수 있으며, 저장되어 있는 전력을 외부로 공급할 수 있다. 즉, 배터리 시스템은 충전 및 방전 동작을 수행할 수 있다. 이때, 배터리 시스템을 효율적으로 제어하여 안정적으로 충전 및 방전 동작을 수행하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.
본 발명의 실시 예들이 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리 모듈의 수명을 증가시킬 수 있는 배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시 예들의 일 측면에 의하면, 충전 및 방전이 가능한 적어도 하나의 배터리 모듈과, 배터리 모듈의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부를 포함하며, 배터리 관리부는, 시간의 경과에 따라서 배터리 모듈의 충전을 중지시키는 충전 한계치 및 배터리 모듈의 방전을 중지시키는 방전 한계치를 가변하는 배터리 시스템을 제공한다.
이러한 본 실시 예의 다른 특징에 의하면, 배터리 관리부는, 시간의 경과에 따라서 충전 한계치 및 방전 한계치 사이의 폭이 커지도록 할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 관리부는, 폭의 변경 전후에 배터리 모듈이 제공할 수 있는 전력량이 일정하도록 충전 한계치 및 방전 한계치를 조절할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 시간의 경과는 배터리 모듈의 충전 및 방전이 반복된 횟수일 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 모듈의 사용 초기에 제공 가능한 전력량이 외부에서 요구하는 전력량보다 크도록 설정할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 충전 한계치 및 방전 한계치는 전압 값일 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 관리부는, 배터리 모듈의 전압을 측정하는 전압 측정부를 포함하며, 측정한 전압에 따라서 배터리 모듈이 충전 한계치 또는 방전 한계치에 도달하였는지를 판단할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시 예들의 다른 측면에 의하면, 전력을 공급하는 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 시스템의 제어방법으로서, 배터리 모듈의 충전 및 방전을 수행함에 있어서, 시간의 경과에 따라서 배터리 모듈의 충전을 중지시키는 충전 한계치 및 배터리 모듈의 방전을 중지시키는 방전 한계치를 가변하는 배터리 시스템의 제어방법을 제공한다.
이러한 본 실시 예의 다른 특징에 의하면, 시간의 경과에 따라서 충전 한계치 및 방전 한계치 사이의 폭이 커지도록 할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 폭의 변경 전후에 배터리 모듈이 제공할 수 있는 전력량이 일정하도록 충전 한계치 및 방전 한계치를 조절할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 시간의 경과는 배터리 모듈의 충전 및 방전이 반복된 횟수일 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 모듈의 사용 초기에 제공 가능한 전력량이 외부에서 요구하는 전력량보다 크도록 설정할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 충전 한계치 및 방전 한계치는 전압 값이며, 배터리 모듈의 전압을 측정하고, 측정한 전압에 따라서 배터리 모듈이 충전 한계치 또는 방전 한계치에 도달하였는지를 판단할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시 예들의 다른 측면에 의하면, 외부로 전력을 공급하고 외부로부터 공급받은 전력을 저장하는 배터리 시스템과, 배터리 시스템에 저장된 제1 전력을 외부에서 필요로 하는 제2 전력으로 변환하고, 외부로부터의 제2 전력을 배터리 시스템에서 필요로 하는 제2 전력으로 변환하는 전력 변환 시스템을 포함하며, 배터리 시스템은, 충전 및 방전이 가능한 적어도 하나의 배터리 모듈과, 배터리 모듈의 충전 및 방전을 제어하며, 시간의 경과에 따라서 배터리 모듈의 충전을 중지시키는 충전 한계치 및 배터리 모듈의 방전을 중지시키는 방전 한계치를 가변하는 배터리 관리부를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공한다.
이러한 본 실시 예의 다른 특징에 의하면, 배터리 관리부는, 시간의 경과에 따라서 충전 한계치 및 방전 한계치 사이의 폭이 커지도록 할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 관리부는, 폭의 변경 전후에 배터리 모듈이 제공할 수 있는 전력량이 일정하도록 충전 한계치 및 방전 한계치를 조절할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 시간의 경과는 배터리 모듈의 충전 및 방전이 반복된 횟수일 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 모듈의 사용 초기에 제공 가능한 전력량이 외부에서 요구하는 전력량보다 크도록 설정할 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 충전 한계치 및 방전 한계치는 전압 값일 수 있다.
본 실시 예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 관리부는, 배터리 모듈의 전압을 측정하는 전압 측정부를 포함하며, 측정한 전압에 따라서 배터리 모듈이 충전 한계치 또는 방전 한계치에 도달하였는지를 판단할 수 있다.
이러한 본 실시 예들에 의하면, 수명을 증가시킬 수 있는 배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 시간에 따른 배터리 모듈의 성능 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 충전 방법을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈의 충전 방법을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈의 충전 방법을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템(Energy Storage System)(1)의 구성을 나타내는 도면이다.
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.
인버터(13)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 인버터일 수 있다. 혹은, 인버터(13)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있도록 복수의 인버터를 포함할 수도 있을 것이다.
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. 컨버터(14)는 배터리 시스템(20)의 충전 또는 방전이 필요없는 경우에는 동작을 중지시켜 전력 소비를 최소화할 수도 있다.
컨버터(14)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 컨버터일 수 있다. 혹은 컨버터(14)는 입력과 출력의 방향이 변할 수 있도록 복수의 컨버터를 포함할 수도 있을 것이다.
통합 제어기(15)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리 시스템(20), 및 부하(4)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과에 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)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 배터리 시스템(20)은 배터리 모듈(21), 배터리 관리부(Battery Management System, 이하 'BMS'라고 한다)(22), 배터리 보호회로(23)를 포함한다.
배터리 모듈(21)은 외부, 즉 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 저장하고, 저장하고 있는 전력을 발전 시스템(2) 및/또는 계통(3)으로 공급한다.
배터리 모듈(21)은 복수의 배터리 서브 유닛을 구비하는 구조체를 통칭하는 이름이다. 예를 들어, 배터리 시스템(20)이 복수의 배터리 트레이를 포함하는 배터리 랙인 경우, 상기 배터리 랙을 배터리 모듈(21)이라고 볼 수 있다. 마찬가지로, 배터리 트레이가 복수의 배터리 셀을 포함하는 경우, 배터리 트레이를 배터리 모듈(21)이라고 볼 수도 있을 것이다.
BMS(22)는 배터리 모듈(21)에 연결되며, 배터리 모듈(21)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. 또한 BMS(22)는 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, BMS(22)는 배터리 모듈(21)으로부터 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, 이하 'SOC'라고 한다) 등을 측정하는 측정수단을 포함할 수 있으며, 측정 결과에 기초하여 제어신호를 생성하여 배터리 보호회로(23)를 제어할 수 있다. 또한 BMS(22)는 수신한 측정 결과를 통합 제어기(15)에 인가할 수 있으며, 통합 제어기(15)로부터 배터리 모듈(21)의 제어에 관련된 명령을 수신할 수도 있을 것이다.
한편, 본 실시 예에 따른 BMS(22)는 충전 한계치 및 방전 한계치를 설정하여 배터리 모듈(21)에서 사용하는 전력 구간을 결정할 수 있다. 여기서 충전 한계치는 배터리 모듈의 충전을 중시시키는 기준치로서, 특정 측정값, 예를 들어 전압 값이 상기 충전 한계치에 도달하였을 때, 배터리 모듈(21)의 충전을 중지시키게 된다. 마찬가지로 방전 한계치는 상기 배터리 모듈(21)의 방전을 중지시키는 기준치이다.
BMS(22)에서 설정하는 충전 한계치와 방전 한계치는 SOC 또는 SOC를 판단할 수 있는 다른 파라미터일 수 있다. 따라서 BMS(22)는 SOC를 판단하기 위하여 전압 측정 방식, 전류 적산 방식, 전류 적산 및 칼만 필터 적용 방식 등의 SOC 판단 방법을 사용할 수 있다. 다만, 상기 SOC 판단 방법은 예시적인 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 SOC를 판단할 수 있는 다른 파라미터로서, 충전 한계치 및 방전 한계치는 전압 값일 수도 있다. 즉, BMS(22)는 상술한 측정 수단에 의하여 배터리 모듈(21)의 전압을 측정하고, 측정한 전압에 따라서 배터리 모듈(21)이 충전 한계치 또는 방전 한계치에 도달하였는지를 판단할 수 있다.
BMS(22)는 설정한 충전 한계치 및 방전 한계치를 수정할 수도 있다. BMS(22)에서 충전 한계치 및 방전 한계치를 설정 및 수정하는 동작에 대하여는 도 4 내지 도 8을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.
랙 보호회로(130)는 배터리 모듈(21)과 컨버터(14) 사이에 연결되며, 배터리 모듈(21)의 손상을 방지한다. 배터리 보호회로(23)는 BMS(22)로부터 제어신호를 수신하여 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 또한 배터리 보호회로(23)는 배터리 모듈(21) 전체의 출력 전압이나 출력 전류를 측정하고 측정 결과를 BMS(22)로 전송할 수 있다. 이때, 배터리 보호회로(23)는 BMS(22)와 물리적으로 분리되어 있을 수 있다. 다시 말해, BMS(22)를 대전류 경로 상에 위치한 배터리 보호회로(23)와 분리하여 대전류로부터 BMS(22)를 보호할 수 있다.
도 3은 시간에 따른 배터리 모듈(21)의 성능 변화를 나타내는 그래프이다. 가로축은 시간을 나타내며, 세로축은 배터리 모듈(21)의 에너지 밀도를 나타낸다.
도 3에 도시한 바와 같이, 일반적으로 배터리 모듈(21)은 시간이 지날수록, 즉 충전 횟수가 증가할수록 성능이 저하된다. 이는 배터리 모듈(21)을 만충전 한 경우에, 사용 초기에 비하여 사용 후기로 갈수록 공급할 수 있는 전력량이 감소하는 것을 의미한다. 따라서, 배터리 시스템(20)을 구비하는 에너지 저장 시스템(1)에서는 시간이 지날수록 설계시에 요구되는 만큼의 전력을 공급할 수 없게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈(21)의 충전 방법을 나타내는 그래프이다. 가로축은 시간을 나타내며, 세로축은 SOC를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 배터리 모듈(21)의 사용 초기에는 충전 한계치는 H1, 방전 한계치는 L1으로 설정된다. 예를 들어, H1은 70%, L1은 30%일 수 있다. 이때, 충전 한계치와 방전 한계치 L1 사이의 폭은 W1이다. BMS(22)는 일정 시간 동안에는 상기 설정된 H1 과 L1 사이에서 배터리 모듈(21)의 충방전이 이루어지도록 제어한다.
시간이 경과 할수록 배터리 모듈(21)의 성능은 저하되므로, 충전 한계치 H1까지 충전을 한 후, 방전 한계치 L1까지 방전할 때, t1에서는 사용 초기에 비하여 공급할 수 있는 전력량이 감소하게 된다. 따라서 BMS(22)는 미리 설정된 시간이 되었을 때, 예를 들어 충전 횟수를 카운트하여 미리 설정된 횟수가 되었을 때, 설정되어 있는 충전 한계치 H1 및 방전 한계치 L1을 각각 H2 및 L2로 수정한다. 예를 들어, H2는 80%, L2는 20%일 수 있다.
H2 및 L2는 그 폭 W2가 기존의 폭 W1 보다 증가하도록 수정된다. 또한 수정된 충전 한계치 H2까지 충전을 한 후, 수정된 방전 한계치 L2까지 방전할 때 공급할 수 있는 전력량이 초기에 설정된 H1 및 L1에 의하여 배터리 모듈(21)이 사용 초기에 공급할 수 있는 전력량과 실질적으로 동일하도록 한다.
충전 한계치 및 방전 한계치가 각각 H2 및 L2로 설정된 후, 다시 미리 설정된 시간이 경과하였을 때, 충전 한계치 및 방전 한계치를 H3 및 L3로 수정한다. 예를 들어, H3는 90%, L3는 10%일 수 있다.
상기 H1~H3 및 L1~L3의 수치는 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 H1~H3 및 L1~L3의 수치는 배터리 모듈(21)의 성능에 따라서 결정될 수 있을 것이다.
본 실시 예에서는 충전 한계치 및 방전 한계치를 2회 수정하는 것으로 도시하였으나, 이는 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, BMS(22)는 충전 한계치 및 방전 한계치를 1회 수정할 수도 있으며, 혹은 3회 이상 수정하도록 설정할 수도 있을 것이다.
또한 상기와 같이 배터리 모듈(21)의 충전 한계치 및 방전 한계치를 설정하기 위하여, 배터리 모듈(21)은 초기에, 설계시 요구되는 전력량에 비하여 큰 용량을 가져야 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템(20)의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 제조시에 혹은 사용자에 의하여 BMS(22)에 충전 한계치 및 방전 한계치를 설정한다(S10). 이때, a=0으로 설정한다.
배터리 모듈(21)은 외부로 전력을 공급하기 위하여 방전을 수행할 수 있으며, 외부의 전력을 공급받아서 충전을 수행할 수도 있다(S11). BMS(22)는 이러한 배터리 모듈(21)의 충전 및 방전 동작을 모니터링 하며, 충전 횟수를 카운트한다(S12).
그리고 충전 횟수가 미리 설정된 수(Na)가 되었는지를 판단한다(S13). 충전 횟수가 미리 설정된 수 미만인 경우에는 S11 단계 내지 S13 단계를 반복한다.
반면에 충전 횟수가 미리 설정된 수가 된 경우에는 배터리 모듈(21)의 수명이 종료되었는지를 판단한다(S14). 배터리 모듈(21)의 수명이 아직 남아있는 경우에는 충전 한계치 및 방전 한계치를 수정한다(S15). 그리고 a의 값에 1을 더하여 저장한 후(S16), S11 단계로 돌아간다.
물론, 배터리 모듈(21)의 수명이 종료된 경우에는 배터리 모듈(21)을 더 이상 사용할 수 없으므로, 충전 및 방전 동작을 종료시키고 배터리 모듈(21)을 교체하는 등, 추가적인 조치를 취하게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈(21)의 충전 방법을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 시간의 경과에 따라서 충전 한계치 및 방전 한계치를 실질적으로 연속적이며 선형적으로 변하도록 수정하였다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 모듈(21)의 충전 방법을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 시간의 경과에 따라서 충전 한계치 및 방전 한계치를 실질적으로 연속적으로 변하도록 수정하였다.
도 6 및 도 7에서는 충전 한계치 및 방전 한계치를 수정하는 방법에 대하여 나타내고 있으나, 이는 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 그래프의 모양은 배터리 모듈(21)의 특성에 따른 것으로, 도 6 및 도 7에 도시된 그래프의 모양은 다양하게 변경될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 7에서는 배터리 모듈(21)의 성능이 감소하는 속도가 시간이 경과할수록 감소하였으나, 반대로 배터리 모듈(21)의 성능이 감소하는 속도가 시간이 경과할수록 증가할 수도 있을 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템(20)의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 제조시에 혹은 사용자에 의하여 BMS(22)에 충전 한계치 및 방전 한계치를 설정한다(S20).
배터리 모듈(21)은 외부로 전력을 공급하기 위하여 방전을 수행할 수 있다(S21). 또한 배터리 모듈(21)은 외부의 전력을 공급받아서 충전을 수행할 수도 있다(S22). BMS(22)는 배터리 모듈(21)의 충전 및 방전 동작을 모니터링 하며, 충전 횟수를 카운트한다(S23).
그리고 배터리 모듈(21)의 수명이 종료되었는지를 판단한다(S24). 배터리 모듈(21)의 수명이 종료된 경우에는 배터리 모듈(21)을 더 이상 사용할 수 없으므로, 충전 및 방전 동작을 종료시키고 배터리 모듈(21)을 교체하는 등, 추가적인 조치를 취하게 된다.
반면에 배터리 모듈(21)의 수명이 남아있는 경우에는 충전 한계치 및 방전 한계치의 설정치를 수정할 것인지를 판단한다(S25).
설정치를 수정하는 경우에는 충전 횟수에 따라서 설정치를 수정하고(S26), 다시 S21 단계로 돌아간다. 설정치를 수정하지 않는 경우에는 설정치의 수정 없이 다시 S21 단계로 돌아간다.
일반적으로 배터리 모듈(21)을 만충전 하거나 만방전 하는 경우, 배터리 모듈(21)의 수명을 단축시키게 된다. 그러나, 상기와 같이, 배터리 모듈(21)의 사용 범위를 시간이 경과할수록 변경함으로 인하여 배터리 모듈(21)의 수명을 증가시킬 수 있게 된다. 또한 배터리 모듈(21)의 사용 범위를 변경함으로 인하여 사용 범위의 변경 전후에 외부로 공급할 수 있는 전력량이 일정하게 되도록 할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1 에너지 저장 시스템(ESS) 2 발전 시스템
3 계통 4 부하
10 전력 변환 시스템(PCS) 11 전력 변환부
12 DC링크부 13 인버터
14 컨버터 15 통합 제어기
20 배터리 시스템 21 배터리 모듈
22 배터리 관리부(BMS) 23 배터리 보호회로
30 제1 스위치 40 제2 스위치

Claims (14)

  1. 충전 및 방전이 가능한 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리부;를 포함하며,
    상기 배터리 관리부는,
    시간의 경과에 따라서 상기 배터리 모듈의 충전을 중지시키는 충전 한계치 및 상기 배터리 모듈의 방전을 중지시키는 방전 한계치를 가변하는, 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 시간의 경과에 따라서 상기 충전 한계치 및 상기 방전 한계치 사이의 폭이 커지도록 하는, 배터리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 폭의 변경 전후에 상기 배터리 모듈이 제공할 수 있는 전력량이 일정하도록 상기 충전 한계치 및 상기 방전 한계치를 조절하는, 배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시간의 경과는 상기 배터리 모듈의 충전 및 방전이 반복된 횟수인 것을 특징으로 하는, 배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 사용 초기에 제공 가능한 전력량이 외부에서 요구하는 전력량보다 크도록 설정하는, 배터리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 충전 한계치 및 상기 방전 한계치는 전압 값인 것을 특징으로 하는, 배터리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 배터리 모듈의 전압을 측정하는 전압 측정부를 포함하며,
    상기 측정한 전압에 따라서 상기 배터리 모듈이 상기 충전 한계치 또는 상기 방전 한계치에 도달하였는지를 판단하는, 배터리 시스템.
  8. 외부로 전력을 공급하고 외부로부터 공급받은 전력을 저장하는 배터리 시스템; 및
    상기 배터리 시스템에 저장된 제1 전력을 외부에서 필요로 하는 제2 전력으로 변환하고, 상기 외부로부터의 제2 전력을 상기 배터리 시스템에서 필요로 하는 제2 전력으로 변환하는 전력 변환 시스템;을 포함하며,
    상기 배터리 시스템은,
    충전 및 방전이 가능한 적어도 하나의 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈의 충전 및 방전을 제어하며, 시간의 경과에 따라서 상기 배터리 모듈의 충전을 중지시키는 충전 한계치 및 상기 배터리 모듈의 방전을 중지시키는 방전 한계치를 가변하는 배터리 관리부;를 포함하는,
    에너지 저장 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 시간의 경과에 따라서 상기 충전 한계치 및 상기 방전 한계치 사이의 폭이 커지도록 하는, 에너지 저장 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 폭의 변경 전후에 상기 배터리 모듈이 제공할 수 있는 전력량이 일정하도록 상기 충전 한계치 및 상기 방전 한계치를 조절하는, 에너지 저장 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 시간의 경과는 상기 배터리 모듈의 충전 및 방전이 반복된 횟수인 것을 특징으로 하는, 에너지 저장 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 사용 초기에 제공 가능한 전력량이 외부에서 요구하는 전력량보다 크도록 설정하는, 에너지 저장 시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 충전 한계치 및 상기 방전 한계치는 전압 값인 것을 특징으로 하는, 에너지 저장 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 배터리 모듈의 전압을 측정하는 전압 측정부를 포함하며,
    상기 측정한 전압에 따라서 상기 배터리 모듈이 상기 충전 한계치 또는 상기 방전 한계치에 도달하였는지를 판단하는, 에너지 저장 시스템.
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