KR20120118334A

KR20120118334A - 전력 제어 시스템 및 전력 제어 방법

Info

Publication number: KR20120118334A
Application number: KR20110035831A
Authority: KR
Inventors: 강진욱
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2012-10-26
Anticipated expiration: 2031-04-18
Also published as: KR101256077B1; US20120261997A1; US9035496B2

Abstract

본 발명은 전력 제어 시스템 및 전력 제어 방법으로서, 구체적으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 제어 시스템은, 제1 전지부 및 상기 제1 전지부의 일단과 제1 노드에서 접속되는 제2 전지부를 포함하는 이차 전지, 상기 제1 전지부의 타단에 접속되는 제1 스위치 및 상기 제1 노드에 접속되는 제2 스위치를 포함하는 스위칭부, 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 각각에 대응하는 스위치 제어 신호를 생성하여 전달하고, 소정의 정격 전압의 임계 범위 내에서 상기 이차 전지의 전압이 유지되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

전력 제어 시스템 및 전력 제어 방법{POWER CONTROL SYSTEM AND CONTROLLING METHOD THEREOF}

본 발명은 전력 제어 시스템 및 전력 제어 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 충전 또는 방전을 제어하는 전력 제어 시스템과 전력 제어 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 에너지 자원의 고갈 및 환경 문제로 인하여 전세계적으로 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 신재생 에너지란 기존의 화석 연료를 변환시켜 이용하거나 태양광, 수력, 지열 등 재생 가능한 에너지를 말하며, 이러한 재생 가능한 에너지를 전기 에너지 형태로 변환한다. 전기 에너지는 전력 변환 회로를 거쳐 부하에 전달된다. 신재생 에너지의 특성상, 출력 전력이 변동되기 쉽기 때문에 이차 전지를 사용하여 출력 전력의 변동을 줄이는 기술이 사용된다. 즉, 신재생 에너지의 발전량이 많을 때 전기를 충전하고, 소비량이 많을 때 전기를 방전한다.

이차 전지의 잦은 충방전은 이차 전지의 수명에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 충방전이 효율적으로 제어되는 제어 회로의 구성이 요구된다.

본 발명의 충방전이 효율적으로 제어 되는 제어 회로를 포함하는 전력 제어 시스템과 전력 제어 방법에 관한 것으로서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 제어 시스템은 제1 전지부 및 상기 제1 전지부의 일단과 제1 노드에서 접속되는 제2 전지부를 포함하는 이차 전지, 상기 제1 전지부의 타단에 접속되는 제1 스위치 및 상기 제1 노드에 접속되는 제2 스위치를 포함하는 스위칭부, 및 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 각각에 대응하는 스위치 제어 신호를 생성하여 전달하고, 소정의 정격 전압의 임계 범위 내에서 상기 이차 전지의 전압이 유지되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 제1 전지부 및 제2 전지부는 복수의 이차 전지 셀로 구성된다. 이때 상기 이차 전지 셀은 리튬이온 전지 셀일 수 있다. 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부는 동시(同時) 또는 이시(異時)에 전력 공급원으로부터 충전되거나 또는 외부 부하로 방전된다.

본 발명의 전력 제어 시스템은 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 턴 온 상태에 따라 전압 변환 비율이 결정되는 전력 변환부를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치와 접속되는 제1 링크부를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 제1 링크부는 DC 링크용 커패시터일 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예로서, 전력 제어 시스템은 상기 제1 스위치 및 상기 제2 전지부 중 상기 제1 노드에 접속되지 않은 일단과 접속되는 제2 링크부를 더 포함할 수 있다. 마찬가지로 상기 제2 링크부는 DC 링크용 커패시터일 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예로서, 상기 스위칭부는, 상기 제1 노드에 접속되지 않은 상기 제2 전지부의 일단에 접속되는 제3 스위치를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우, 상기 스위칭부의 제2 스위치 및 상기 제3 스위치와 접속되는 제3 링크부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제3 링크부 역시 DC 링크용 커패시터일 수 있다.

본 발명의 전력 제어 시스템에서 상기 소정의 정격 전압은 상기 제어부에서 전력 제어 모드에 따라 미리 설정될 수 있다.

상기 전력 제어 모드는, 이차 전지의 제1 전지부 및 제2 전지부 각각이 별개로 동작하는 제1 전력 제어 모드와, 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부가 함께 동작하는 제2 전력 제어 모드이고, 상기 제1 전력 제어 모드에 상기 제1 전지부의 양단에 각각 접속되는 제1 스위치 및 제2 스위치가 턴 온 되고, 상기 제2 전력 제어 모드에 상기 제2 스위치가 턴 오프 되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 전력 제어 모드에서 상기 제1 전지부 또는 제2 전지부 각각의 충방전 동작이 활성화되고, 상기 제2 전력 제어 모드에서 상기 제1 전지부 및 제2 전지부의 충방전 동작이 활성화된다.

상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 특별히 제한되지 않으나, 기계적 스위치 또는 반도체 스위치일 수 있다.

상기 제어부는, 상기 소정의 정격 전압을 설정하는 전압 설정부, 상기 이차 전지의 총 전압을 확인하고, 상기 이차 전지가 상기 정격 전압의 임계 범위 내의 전압을 유지하도록 온 듀티비를 조절한 상기 스위치 제어 신호를 생성하는 제1 제어부, 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압을 확인하여 상기 제1 제어부에 전달하는 제2 제어부, 및 상기 제1 제어부 및 상기 제2 제어부와 외부 간에 전압 정보 또는 상기 스위치 제어 신호를 전달하는 통신부를 포함할 수 있다.

상기 전압 설정부는 상기 제1 제어부 또는 제2 제어부에 포함되도록 구성될 수 있으며 특별히 구성 위치에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에서 상기 제1 제어부는, 상기 전달된 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압 차이가 소정의 전압 이상일 때 낮은 전압의 전지부에 대한 충전을 제어하도록 상기 스위치 제어 신호의 온 듀티비를 조절할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전력 제어 방법으로 충전 또는 방전하기 이전에 이차 전지 셀을 복수 개 포함하는 스트링의 출력 전압량을 센싱하여 이차 전지 스트링에 따라 또는 상기 제1 전지부 및 제2 전지부에 따라 전압 밸런싱을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시 예로서 상기 제2 제어부는, 상기 제1 제어부가 작동하지 않는 경우 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각이 상기 정격 전압의 1/2에 대한 임계 범위 내의 전압을 유지하도록 온 듀티비를 조절한 상기 스위치 제어 신호를 생성할 수 있다. 이때 상기 제2 제어부는 제1 제어부가 수행하는 스위치 제어 신호의 생성 기능을 대체하는 것이다.

본 발명의 다른 실시 예로서, 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각에 연결되어 해당 전압을 실시간 또는 수시로 감지하는 복수의 전압 센서를 포함하고, 상기 감지된 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압을 상기 제어부에 전달하는 센싱부를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압은 동일하다. 동일한 전압이라 함은 수치적으로 각 전지부 상호간의 전압이 동일한 것은 물론, 동일한 전압으로 볼 수 있는 임계 범위 내의 전압을 가지는 것을 포함하는 개념이다.

즉, 본 발명에서 제1 전지부 및 제2 전지부 각각에 포함된 복수의 이차 전지 셀의 개수가 동일하거나, 이차 전지 셀이 복수 개 모인 스트링의 개수가 동일하여 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 총 전압량이 동일한 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 시스템에서 상기 스위칭부는, 상기 제1 전지부의 타단에 연결된 제1 스위치, 상기 제1 전지부 및 제2 전지부가 접속된 제1 노드에 연결된 제2 스위치, 및 상기 제2 전지부의 일단에 연결된 제3 스위치를 포함할 수 있다.

이때 상기 제1 전력 제어 모드에서는 상기 제1 스위치 및 제2 스위치, 또는 상기 제2 스위치 및 제3 스위치가 턴 온 될 수 있다. 또한 상기 제2 전력 제어 모드에서는 상기 제1 스위치 및 제3 스위치가 턴 온 될 수 있다.

그러면 상기 복수의 스위치 각각의 턴 온 듀티비에 따라 상기 제1 전지부 및 제2 전지부가 각각 전기적으로 연결되어 충전 또는 방전되거나, 모두 전기적으로 연결되어 전체 이차 전지가 동시에 충전 또는 방전된다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 제어 방법은 제1 전지부 및 상기 제1 전지부의 일단과 제1 노드에서 접속되는 제2 전지부를 포함하는 이차 전지에서 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부에 대한 동작 상태를 조정하는 전력 제어 모드를 설정하는 단계; 상기 전력 제어 모드에 따라 상기 제1 전지부 및 제2 전지부 각각의 정격 전압 또는 상기 이차 전지 전체의 정격 전압을 설정하는 단계; 상기 전력 제어 모드에 따라 상기 제1 전지부의 타단에 접속되는 제1 스위치 및 상기 제1 노드에 접속되는 제2 스위치를 제어하는 스위치 제어 신호를 생성하는 단계; 및 상기 스위치 제어 신호에 응답하여 상기 제1 스위치 및 제2 스위치가 개폐되고, 상기 제1 전지부 및 제2 전지부가 동시(同時) 또는 이시(異時)에 충전되거나 방전되는 단계를 포함한다.

상기 스위치 제어 신호의 온 듀티비는, 상기 정격 전압의 임계 범위 내에서 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압 또는 상기 이차 전지 전체의 전압이 유지되도록 조절된다.

상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부각각의 전압은 동일하다.

본 발명의 제어 방법에서 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부의 충전 또는 방전 단계 이전에, 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 간의 전압 차이를 소정의 전압 범위 이하로 조정하는 밸런싱 단계를 추가로 더 포함할 수 있다.

상기 밸런싱 단계는, 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압을 측정하는 단계; 및 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압을 비교하고, 전압차가 소정의 전압 이상일 때 낮은 전압에 해당하는 전지부에 대한 충전을 제어하도록 해당 전지부의 양단에 연결된 스위치에 전달되는 스위치 제어 신호의 온 듀티비를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 발전 시스템으로부터 공급되는 전력을 이용한 수시 충전 및 상용 계통 또는 부하에 전력을 공급하기 위한 수시 방전을 제어하는 전원 공급 장치를 제공함으로써, 낭비되는 에너지 없이 필요한 전력을 사용하여 에너지를 절약하고 비축할 수 있다.

한편 본 발명에 의한 전력 제어 방법을 적용하여 에너지 충전 전에 전지별 전압 불균형을 바로잡는 셀 밸런싱을 수행함으로써 전지별로 정상적인 충전 또는 방전을 동시에 개시할 수 있도록 하고, 이로써 안정적으로 전력 사용을 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 제어 시스템의 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 제어 시스템의 회로도.
도 3은 도 1에 도시된 전력 제어 시스템의 제어부(20)의 구성을 도시한 블록도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 제어 방법을 나타내는 흐름도.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.

또한, 여러 실시 예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시 예에서 설명하고, 그 외의 실시 예에서는 제1 실시 예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 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 일 실시 예에 따른 전력 제어 시스템의 블록도이다. 본 발명의 실시 예에 따른 전력 제어 시스템은 2차 전지에 적용된다. 이차 전지는 충방전이 가능한 복수의 이차 전지 셀 집합체이다.

도 1의 실시 예에 따르면 전력 제어 시스템(100)은 이차 전지(10), 제어부(20), 스위칭부(30)를 포함하고 있다.

이차 전지(10)는 스위칭부(30)의 개폐 동작에 대응하여 DC 링크부(50) 및 전력 변환부(60)를 통해 발전기와 같은 외부 전력 공급원 또는 외부 부하에 연결되어 충전 또는 방전을 수시로 반복한다.

경우에 따라서 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전력 제어 시스템(100)은 전압 밸런싱을 수행하기 위해 이차 전지(10)의 영역에 대한 전압을 측정하는 센싱부(40)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로 본 발명의 전력 제어 시스템(100)의 각 구성부와 그 기능은 도 2의 회로도를 참조하여 설명하기로 한다.

먼저 이차 전지(10)는 제1 전지부(11)와 제2 전지부(13)로 구성된다. 제1 전지부(11)와 제2 전지부(13) 각각은 복수의 이차 전지 셀이 직렬로 연결된다.

이차 전지(10)는 리튬 이온 전지를 사용할 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.

제1 전지부(11)와 제2 전지부(13)의 전압은 동일하거나 동일 범위인 것이 바람직한데, 이를 위해 제1 전지부(11)와 제2 전지부(13) 각각은 동일한 전압 용량을 가지는 이차 전지 셀들을 동일한 개수로 포함할 수 있다.

복수의 이차 전지 셀은 직렬로 연결된 스택 구조로서 하나의 스트링(string)을 구성할 수 있는데, 상기 제1 전지부(11)와 제2 전지부(13) 각각은 이러한 스트링을 복수 개 포함하는 것이다. 본 발명의 일 실시 예에서 상기 제1 전지부(11)와 제2 전지부(13) 각각은 소정의 오차 범위 내에서 상호 동일한 전압을 가진다. 제1 전지부(11)와 제2 전지부(13)가 별도로 동작하는 것은 하프 스트링 모드이고, 제1 전지부(11)와 제2 전지부(13)가 함께 동작하면 전체 이차 전지(10)가 구동하는 풀 스트링 모드로 정의할 수 있다.

이차 전지(10)의 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13)의 각 양단에는 스위치가 구비된다. 즉, 제1 전지부(11)의 일단에 제1 스위치(SW1)가 연결되고, 제1 전지부(11)와 제2 전지부(13)의 공통단에 제2 스위치(SW2)가 연결되며, 제2 전지부(13)의 일단에 제3 스위치(SW3)가 연결된다.

이들 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), 및 제3 스위치(SW3)는 DC 컨택 스위치이며 스위칭부(30)를 구성한다.

상기 스위칭부(30)의 스위치들은 기계적 스위치로 구성될 수 있으나, 바람직하게는 제어부(20)로부터 전달되는 스위칭 제어 신호에 응답하여 스위칭 동작하는 반도체 스위치로 구성될 수 있다.

제어부(20)는 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), 및 제3 스위치(SW3) 각각의 스위칭 온/오프를 제어하는 제1 스위칭 제어 신호, 제2 스위칭 제어 신호, 및 제3 스위칭 제어 신호를 생성하여 전달한다.

제어부(20)는 전력 제어 모드를 설정하고, 전력 제어 모드에 따라 제1 스위칭 제어 신호, 제2 스위칭 제어 신호, 및 제3 스위칭 제어 신호를 조정한다.

본 발명의 일 실시 예에서 전력 제어 모드는 제1 전지부(11) 또는 제2 전지부(13)만을 전기적으로 구동시켜 충전 또는 방전하는 하프 스트링 모드, 및 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13) 모두 전기적으로 구동시켜 충전 또는 방전하는 풀 스트링 모드로 나눌 수 있다.

제어부(20)는 상기 하프 스트링 모드에서는 제1 스위칭 제어 신호와 제2 스위칭 제어 신호를 생성하여 스위칭부(30)에 전달하고 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 턴 온 시킬 수 있다. 또는 제어부(20)는 제2 스위칭 제어 신호와 제3 스위칭 제어 신호를 생성하여 스위칭부(30)에 전달하고 제2 스위치(SW2) 및 제3 스위치(SW3)를 턴 온 시킬 수 있다.

그러면 이차 전지(10)에서 제1 전지부(11) 또는 제2 전지부(13)가 각각 DC 링크부(50)에 전기적으로 연결되고 외부 전력 발생원 또는 외부 부하를 통해 전력을 충전하거나 방전한다.

한편, 제어부(20)는 상기 풀 스트링 모드에서는 제1 스위칭 제어 신호와 제3 스위칭 제어 신호를 생성하여 스위칭부(30)에 전달하고 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3)를 턴 온 시킨다. 이때 제2 스위칭 제어 신호는 스위칭 오프 신호로 전달되어 제2 스위치(SW2)를 턴 오프 시킨다. 그러면 이차 전지(10)의 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13)가 모두 전기적으로 연결되고, DC 링크부(50)를 통해 외부와 충방전을 수행할 수 있게 된다.

이차 전지(10)의 각 전지부가 연결되는 DC 링크부(50)는 각각의 전지부 또는 이차 전지(10)의 전압 레벨을 일정한 DC 링크 전압 레벨로 유지시킨다. DC 링크부(50)는 이차 전지(10)의 각 전지부와 전력 변환부(60) 사이에 병렬로 연결되는 DC 링크용 커패시터로 구성될 수 있다. DC 링크용 커패시터로는 알루미늄 전해 커패시터(Electrolytic Capacitor), 고압용 필름 커패시터(Polymer Capacitor), 고압 대전류용 적층 칩 커패시터(Multi Layer Ceramic Capacitor) 등이 사용될 수 있다.

상기 DC 링크용 커패시터는 전력 제어 모드에 따라 소정의 개수만큼 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, DC 링크부(50)는 하프 스트링 모드에 따라 제1 전지부(11)와 제2 전지부(13) 각각의 양단 전압을 유지시키는 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)를 포함한다. 제1 전지부(11)의 양단에 제1 커패시터(C1)의 양 전극이 연결되며, 제2 전지부(13)의 양단에 제2 커패시터(C2)의 양 전극이 연결된다. 또한 DC 링크부(50)는 풀 스트링 모드에 따라 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13) 전체의 전압을 유지시키는 제3 커패시터(C3)를 포함한다. 제3 커패시터(C3)의 양 전극은 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13)의 공통단이 아닌 각각의 일단에 연결된다.

또한 DC 링크부(50)는 외부 전력 발생원의 출력 전압의 변동, 상용 계통의 순간적 전압 강하, 외부 부하의 최대 부하 발생 등으로 인하여 전압 레벨이 불안정해지는 것을 방지함으로써, 전력 변환부(60)가 정상 동작하도록 한다.

전력 변환부(60)는 DC 링크부(50)에 연결되어 DC 링크부(50)에 인가된 전력을 변환시키거나 DC 링크부(50)로 전달되는 전력을 변환시킨다. 전력 변환부(60)의 구성은 특별히 제한되지 않으나, 직류 전력과 교류 전력 간을 변환시키는 양방향 인버터 및 컨버터를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 양방향 인버터 및 컨버터는 단상 또는 3상일 수 있다.

도 2의 회로도에 도시된 본 발명의 일 실시 예에서 전력 변환부(60)는 범용 3상 인버터를 사용하였다.

도 2의 전력 변환부(60)는 충전의 경우 외부 전력 발생원으로부터 전달된 3상의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 DC 링크부(50)를 경유하여 이차 전지(10)의 각 전지부에 전하를 충전시킨다.

방전의 경우에는 이차 전지(10)의 각 전지부에 충전된 전하로 발생된 직류 전압이 DC 링크부(50)를 통해 DC 링크 전압 레벨로 유지되는 상태에서 전력 변환부(60)에 전달되어 3상의 교류 전력으로 변환된다. 그러면 교류 전력은 외부의 상용계통이나 부하에 전달되어 전력이 소모된다.

이때, 전력 제어 모드가 하프 스트링 모드에서 충전하는 경우, 제1 전지부(11) 또는 제2 전지부(13)가 별개로 각각 구동되어 전력 변환부(60)로부터 변환된 직류 전력을 DC 링크부(50)의 제1 커패시터(C1) 또는 제2 커패시터(C2)를 통해 각각 소정의 DC 전압 레벨로 전달받아 충전된다.

풀 스트링 모드에서 충전하는 경우라면, 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13)가 모두 구동되어 전력 변환부(60)로부터 변환된 직류 전력을 DC 링크부(50)의 제3 커패시터(C3)를 통해 각각 소정의 DC 전압 레벨로 전달받아 충전된다.

한편, 전력 제어 모드가 하프 스트링 모드에서 방전하는 경우라면, 제1 전지부(11) 또는 제2 전지부(13)가 별개로 충전된 DC 전압을 DC 링크부(50)의 제1 커패시터(C1) 또는 제2 커패시터(C2)를 통해 전력 변환부(60)로 전달하고, 전력 변환부(60)가 각 전지부에 따른 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 외부에 전달한다.

풀 스트링 모드에서 방전하는 경우라면, 이차 전지(10)가 전체에 충전된 DC 전압을 DC 링크부(50)의 제3 커패시터(C3)를 통해 유지시켜 전력 변환부(60)로 전달하고, 다시 전력 변환부(60)가 교류 전력으로 변환하여 외부로 방전한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전력 제어 시스템은, 제어부(20)에서 전달되는 스위칭 제어 신호에 응답하여 이차 전지(10)의 각 전지부의 동작을 제어하고, 그에 따라 충방전되는 전압을 전력 제어 모드에 대응하여 유지하거나 전력을 변환시킴으로써 충방전 설계에 따라 수시로 에너지 출입을 조절할 수 있다. 따라서 에너지 효율이 개선되고 충방전되는 전력을 순시적으로 사용할 수 있어 경제적인 전력 사용 시스템을 구축할 수 있다.

도 3은 도 1 및 도 2의 실시 예에 도시된 본 발명의 전력 제어 시스템의 구성 중 제어부(20)의 구성을 좀더 자세히 도시한 블록도이다.

도 3의 블록도를 통해 본 발명의 전력 제어 시스템에서 제어부(20)의 기능을 상세히 설명하고자 한다.

제어부(20)는 이차 전지(10)의 전반적인 전력 충방전 제어를 수행하는 제1 제어부(21), 이차 전지(10)의 하위 전지부 각각의 전력 충방전 제어를 수행하는 제2 제어부(23), 상기 제1 제어부(21) 및 상기 제2 제어부(23)와 다른 구성 요소간 정보 또는 신호를 전달하는 통신부(27), 및 전력 제어 모드에 따른 각 전지부 또는 이차 전지의 정격 전압을 설정하는 전압 설정부(25)를 포함한다.

구체적으로 전압 설정부(25)는 하프 스트링 모드 또는 풀 스트링 모드에 따라 이차 전지(10)의 전체 정격 전압 또는 이차 전지(10)를 구성하는 각 전지부, 즉 제1 전지부(11) 또는 제2 전지부(13) 각각의 정격 전압을 설정한다. 도 3에서는 전압 설정부(25)를 별도로 구성하였으나, 제1 제어부(21) 또는 제2 제어부(23)에서 정격 전압을 설정하도록 상기 구성부를 내장할 수 있다.

제1 제어부(21)는 본 발명의 전력 제어 시스템의 전체 충방전을 제어하는 마스터 제어부에 해당하고, 제2 제어부(23)는 상기 마스터 제어부의 서브 제어부에 해당하는 슬레이브 제어부일 수 있다.

구체적으로 제1 제어부(21)는 이차 전지(10)의 전압 레벨을 확인하고, 상기 이차 전지(10)가 전압 설정부(25)에서 기 설정된 상기 정격 전압의 오차 범위 내에서 동일한 전압을 유지할 수 있도록 이차 전지(10)의 충방전을 제어한다. 이차 전지(10)의 충방전은 스위칭부(30)에 전달되는 복수의 스위칭 제어 신호의 온 듀티비를 조절함으로써 제어한다.

이때 이차 전지(10)의 전압 레벨은 이차 전지(10)의 양단 전압을 센싱함으로서 확인할 수 있는데, 본 발명의 전력 제어 시스템은 이차 전지(10)의 전압을 측정하는 센싱부(40)를 추가로 더 구성할 수 있다.

센싱부(40)는 전압 센서를 복수 개 포함하고 전압 센서를 통해 측정된 실시간 이차 전지(10)의 전압을 제어부(20)에 전달한다.

도 3에서 센싱부(40)의 측정 전압이 제2 제어부(23)에 전달되도록 구성하였으나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니며 제1 제어부(21)에 전달될 수 있음은 물론이다.

도 3에서는 센싱부(40)의 측정 전압이 제2 제어부(23)에 전달되는데, 이것은 센싱부(40)에서 이차 전지(10)의 전지부 각각의 전압을 센싱하여 각 전지부의 전압을 슬레이브 제어부에 전달하는 것이다. 즉, 하프 스트링 모드에 따라 충방전을 제어하는 경우에 각각의 전지부 전압이 센싱부(40)에서 측정되고, 이들 측정 전압이 슬레이브 제어부인 제2 제어부(23)에 전달된다. 그러면 각 전지부의 출력 전압을 제2 제어부(23)에서 확인 및 취합하여 마스터 제어부인 제1 제어부(21)에 전달한다. 제1 제어부(21)는 각 전지부 간 출력 전압을 취득하여 차이 전압을 산출한 후 상기 차이 전압이 전압 균형의 임계 범위 내를 벗어나서 불균형하게 되는 때에 밸런싱을 수행한다.

즉, 정상적인 전력 제어 시스템의 충방전에 앞서 이러한 각 전지부 간의 전압 불균형을 보정하는 밸런싱을 수행한다. 상기 임계 범위는 임의로 설정가능하며 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 차이 전압이 충전 전압의 3% 이내를 유지하도록 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서는 각 전지부 간의 전압 불균형을 보정하는 밸런싱을 수행하는 것을 제안하였으나, 이에 반드시 한정되지 않고 각 스트링별 전압을 센싱하여 밸런싱을 수행할 수 있음은 물론이다. 이러한 실시 예의 경우 이차 전지(10)에서 전압 밸런싱의 수행 영역과 충방전의 제어 영역이 달라질 수 있다. 즉, 이차 전지(10)의 충방전을 개시하기 전에 밸런싱을 수행하는 것은 이차 전지(10)의 스트링별로 전압을 센싱하여 보정할 수 있고, 이후 충방전은 복수 개의 스트링을 포함한 전지부 별로 또는 전체적으로 수행하고 제어할 수 있다.

상기 밸런싱 과정은 제1 제어부(21)에서 균형 전압에 못 미치는 부족 전압의 전지부를 전기적으로 구동시키는 스위칭 제어 신호를 전달함으로써 이루어진다. 부족 전압이 발생된 전지부는 상기 스위칭 제어 신호에 따라 개방되어 충전됨으로써 부족 전압을 상승시켜 전압 균형을 이루게 된다.

도 3에 도시된 통신부(27)는 제어부(20)와 외부 구성간의 정보 또는 신호를 송수신하는데, 특히 제1 제어부(21) 및 제2 제어부(23)로부터 발생된 스위칭 제어 신호를 이차 전지(10)에 전달한다. 또한 센싱부(40)로부터 실시간 이차 전지(10)의 측정 전압 데이터를 취득하여 제2 제어부(23)에 전달한다.

경우에 따라서 본 발명의 제2 제어부(23)는, 상기 제1 제어부(21)가 작동하지 않는 경우 그 기능을 대행할 수 있다. 즉, 하프 스트링 모드에서 제1 제어부(21)가 주로 제1 전지부(11) 및 상기 제2 전지부(13) 각각의 정격 전압이 유지되도록 제어할 수 있는데, 제1 제어부(21)가 작동하지 않을 경우 제 2 제어부(23)가 각 전지부의 전압 유지를 제어할 수 있다. 구체적으로 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13)의 각 출력 전압은 전체 이차 전지(10)의 정격 전압의 절반에 해당하는 정격 전압으로 제어되어야 하는데, 제2 제어부(23)에서 이러한 각 전지부 전압이 유지되도록 스위칭 제어 신호의 온 듀티비를 조절할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 4의 전력 제어 방법은 상술한 전력 제어 시스템의 과정과 유사하므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

도 4의 실시 예에 따른 전력 제어 방법은, 정상적인 충방전 동작의 수행 이전에 스트링별 밸런싱을 수행하는 방법에 관한 것이다. 경우에 따라서 스트링이 복수 개 취합되어 구성된 전지부별로 밸런싱을 수행할 수 있다.

먼저, 스트링별로 출력 전압을 센싱한다(S1).

제어부(20)에서 상기 출력 전압을 취합하여 전압 밸런싱을 수행한다(S2). 이때 밸런싱 과정은 스트링이 복수 개 취합되어 구성된 전지부의 슬레이브 보드별로 이루어질 수 있다.

그런 다음 본격적으로 전력 제어 시스템에서 충방전 과정이 진행되는데, 먼저 제어부(20)에서 복수의 이차 전지 셀로 구성된 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13)를 포함하는 이차 전지(10)의 전력 제어 모드를 설정한다. 상기 전력 제어 모드는 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13)를 별개로 제어하는 하프 스트링 모드 및 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13)를 한꺼번에 제어하는 풀 스트링 모드로 구분될 수 있다.

제어부(20)에서 상기 설정된 전력 제어 모드에 따라 상기 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13) 각각의 정격 전압 또는 상기 이차 전지(10) 전체의 정격 전압을 설정한다(S3).

상기 전력 제어 모드에 따라 상기 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13) 각각을 별개로 동작시키거나 함께 동작시키도록 상기 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13)에 연결된 복수의 스위치를 제어하는 복수의 스위칭 제어 신호를 생성한다(S4). 상기 복수의 스위칭 제어 신호는 제어부(20)의 통신부(27)를 통해서 이차 전지(10)의 동작을 개폐하는 스위칭부(30)에 전달된다.

상기 전달된 복수의 스위칭 제어 신호에 응답하여 복수의 스위치가 개폐되고, 그로 인해 이차 전지(10)의 제1 전지부(11) 및 제2 전지부(13)가 동시(同時) 또는 이시(異時)에 충전되거나 방전된다(S5). 동시에 충방전 되는 것은 풀 스트링 모드에 따른 것이고, 별도로 충방전 되는 것은 하프 스트링 모드에 따른 것인데, 하프 스트링 모드에 의한 경우 충방전의 전력 사용을 다양화할 수 있게 되므로 에너지 효율 면에서 유리하다.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.

10: 이차 전지 11: 제1 전지부
13: 제2 전지부 20: 제어부
21: 제1 제어부 23: 제2 제어부
25: 전압 설정부 27: 통신부
30: 스위칭부 40: 센싱부
50: DC 링크부 60: 전력 변환부
100: 전력 제어 시스템

Claims

제1 전지부 및 상기 제1 전지부의 일단과 제1 노드에서 접속되는 제2 전지부를 포함하는 이차 전지;
상기 제1 전지부의 타단에 접속되는 제1 스위치 및 상기 제1 노드에 접속되는 제2 스위치를 포함하는 스위칭부; 및
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 각각에 대응하는 스위치 제어 신호를 생성하여 전달하고, 소정의 정격 전압의 임계 범위 내에서 상기 이차 전지의 전압이 유지되도록 제어하는 제어부를 포함하는 전력 제어 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 턴 온 상태에 따라 전압 변환 비율이 결정되는 전력 변환부를 더 포함하는 전력 제어 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치와 접속되는 제1 링크부를 더 포함하는 전력 제어 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 제1 링크부는 DC 링크용 커패시터인 전력 제어 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 전지부 중 상기 제1 노드에 접속되지 않은 일단과 접속되는 제2 링크부를 더 포함하는 전력 제어 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 스위칭부는, 상기 제1 노드에 접속되지 않은 상기 제2 전지부의 일단에 접속되는 제3 스위치를 더 포함하는 전력 제어 시스템.
제 6항에 있어서,
상기 스위칭부의 제2 스위치 및 상기 제3 스위치와 접속되는 제3 링크부를 더 포함하는 전력 제어 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 소정의 정격 전압은 상기 제어부에서 전력 제어 모드에 따라 미리 설정되는 전력 제어 시스템.
제 8항에 있어서,
상기 전력 제어 모드는,
이차 전지의 제1 전지부 및 제2 전지부 각각이 별개로 동작하는 제1 전력 제어 모드와, 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부가 함께 동작하는 제2 전력 제어 모드이고,
상기 제1 전력 제어 모드에 상기 제1 전지부의 양단에 각각 접속되는 제1 스위치 및 제2 스위치가 턴 온 되고,
상기 제2 전력 제어 모드에 상기 제2 스위치가 턴 오프 되는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
제 9항에 있어서,
상기 제1 전력 제어 모드에서 상기 제1 전지부 또는 제2 전지부 각각의 충방전 동작이 활성화되고,
상기 제2 전력 제어 모드에서 상기 제1 전지부 및 제2 전지부의 충방전 동작이 활성화되는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는 기계적 스위치 또는 반도체 스위치인 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 소정의 정격 전압을 설정하는 전압 설정부;
상기 이차 전지의 총 전압을 확인하고, 상기 이차 전지가 상기 정격 전압의 임계 범위 내의 전압을 유지하도록 온 듀티비를 조절한 상기 스위치 제어 신호를 생성하는 제1 제어부;
상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압을 확인하여 상기 제1 제어부에 전달하는 제2 제어부; 및
상기 제1 제어부 및 상기 제2 제어부와 외부 간에 전압 정보 또는 상기 스위치 제어 신호를 전달하는 통신부를 포함하는 전력 제어 시스템.
제 12항에 있어서,
상기 제1 제어부는, 상기 전달된 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압 차이가 소정의 전압 이상일 때 낮은 전압의 전지부에 대한 충전을 제어하도록 상기 스위치 제어 신호의 온 듀티비를 조절하는 전력 제어 시스템.
제 12항에 있어서,
상기 제2 제어부는, 상기 제1 제어부가 작동하지 않는 경우 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각이 상기 정격 전압의 1/2에 대한 임계 범위 내의 전압을 유지하도록 온 듀티비를 조절한 상기 스위치 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각에 연결되어 해당 전압을 실시간 또는 수시로 감지하는 복수의 전압 센서를 포함하고, 상기 감지된 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압을 상기 제어부에 전달하는 센싱부를 더 포함하는 전력 제어 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 이차 전지는 복수의 리튬이온 전지 셀로 이루어진 전력 제어 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압은 동일한 것을 특징으로 하는 전력 제어 시스템.
제1 전지부 및 상기 제1 전지부의 일단과 제1 노드에서 접속되는 제2 전지부를 포함하는 이차 전지에서 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부에 대한 동작 상태를 조정하는 전력 제어 모드를 설정하는 단계;
상기 전력 제어 모드에 따라 상기 제1 전지부 및 제2 전지부 각각의 정격 전압 또는 상기 이차 전지 전체의 정격 전압을 설정하는 단계;
상기 전력 제어 모드에 따라 상기 제1 전지부의 타단에 접속되는 제1 스위치 및 상기 제1 노드에 접속되는 제2 스위치를 제어하는 스위치 제어 신호를 생성하는 단계; 및
상기 스위치 제어 신호에 응답하여 상기 제1 스위치및 상기 제2 스위치가 개폐되고, 상기 제1 전지부 및 제2 전지부가 동시(同時) 또는 이시(異時)에 충전되거나 방전되는 단계를 포함하는 전력 제어 방법.
제 18항에 있어서,
상기 스위치 제어 신호의 온 듀티비는, 상기 정격 전압의 임계 범위 내에서 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압 또는 상기 이차 전지 전체의 전압이 유지되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 전력 제어 방법.
제 18항에 있어서,
상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압은 동일한 것을 특징으로 하는 전력 제어 방법.
제 18항에 있어서,
상기 전력 제어 모드는, 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각이 별개로 동작하는 제1 전력 제어 모드와, 상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부가 함께 동작하는 제2 전력 제어 모드인 전력 제어 방법.
제 18항에 있어서,
상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부의 충전 또는 방전 단계 이전에,
상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 간의 전압 차이를 소정의 전압 범위 이하로 조정하는 밸런싱 단계를 추가로 더 포함하는 전력 제어 방법.
제 22항에 있어서,
상기 밸런싱 단계는,
상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압을 측정하는 단계; 및
상기 제1 전지부 및 상기 제2 전지부 각각의 전압을 비교하고, 전압차가 소정의 전압 이상일 때 낮은 전압에 해당하는 전지부에 대한 충전을 제어하도록 해당 전지부의 양단에 연결된 스위치에 전달되는 스위치 제어 신호의 온 듀티비를 조절하는 단계를 포함하는 전력 제어 방법.