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WO2024228575A1 - 배터리 모듈 - Google Patents

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Info

Publication number
WO2024228575A1
WO2024228575A1 PCT/KR2024/005989 KR2024005989W WO2024228575A1 WO 2024228575 A1 WO2024228575 A1 WO 2024228575A1 KR 2024005989 W KR2024005989 W KR 2024005989W WO 2024228575 A1 WO2024228575 A1 WO 2024228575A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
power
power generation
solar
battery cell
solar power
Prior art date
Application number
PCT/KR2024/005989
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이정흠
Original Assignee
엘지이노텍 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.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020230058688A external-priority patent/KR20240161488A/ko
Priority claimed from KR1020230058687A external-priority patent/KR20240161487A/ko
Priority claimed from KR1020230058689A external-priority patent/KR20240161489A/ko
Application filed by 엘지이노텍 주식회사 filed Critical 엘지이노텍 주식회사
Publication of WO2024228575A1 publication Critical patent/WO2024228575A1/ko

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/46—Accumulators structurally combined with charging apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells

Definitions

  • the present invention relates to a battery module, and more specifically, to a battery module with high charging efficiency that is connected to a solar power generation module.
  • Solar power generation is an eco-friendly energy generation method that is widely used as a replacement for existing chemical power generation or nuclear power generation.
  • Solar power generation can be either a standalone type where a battery is connected to a converter or a connected type where it is connected to a power grid.
  • standalone generation consists of photovoltaic power generation, storage batteries, and power conversion devices, while a power grid-connected system is connected to a commercial power source so that power can be exchanged with the load grid line.
  • the maximum power point of a photovoltaic module varies depending on the amount of sunlight, temperature, etc.
  • an optimizer or module-level power electronics (MLPE) that performs maximum power point tracking (MPPT) control on a module-by-module basis can be used.
  • MPPT maximum power point tracking
  • the optimizer of the photovoltaic module When the output of the photovoltaic module is stored in the battery module, it is charged to the battery through two power conversions of the optimizer of the photovoltaic module and the battery DC-DC converter of the battery module.
  • the optimizer configured in series with the photovoltaic module 1:1 must be controlled to an appropriate DC (400 V class) voltage for battery charging/discharging and the inverter output connected to the load, which makes the control complicated, and if multiple optimizer strings configured in series are configured in parallel, noise interference may occur in communication due to power conversion switching noise, and as the number of series/parallel connections increases, the complexity of the control increases, which may slow down the responsiveness of the power control.
  • the battery DC-DC converter control also becomes complicated and has the problem of slow response.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a battery module having a high charging efficiency and a solar power generation system including the battery module connected to a solar power generation module.
  • a battery module includes a battery cell; and a power conversion unit connected to the battery cell and a solar power generation unit, wherein power output from the solar power generation unit charges the battery cell or is output to a DC link through the power conversion unit.
  • an inverter connected to a load or grid is connected to the DC link, and the power conversion unit can convert power output from the solar power generation unit and output it to the inverter when the power output from the solar power generation unit is less than the power required by the load.
  • the power output from the solar power generation unit is greater than the power required by the load, at least a portion of the power output from the solar power generation unit can be input to the battery cell to charge the battery cell.
  • the power conversion unit can limit the output of the solar power generation unit when the power output from the solar power generation unit is greater than the power required by the load and the battery cell is fully charged.
  • At least a portion of the power output from the solar power generation unit can be input to the battery cell to charge the battery cell.
  • the power conversion unit can perform power line communication with the solar power generation unit.
  • the solar power generation unit may include a plurality of solar power generation units connected in series, and each solar power generation unit may include a solar panel; and an optimizer that controls the maximum power point (MPPT) of the solar panel.
  • MPPT maximum power point
  • the number of optimizers connected to the power conversion unit may vary depending on the maximum charging power of the battery cell and the maximum discharging power of the power conversion unit.
  • the optimizer may include one of a step-up converter, a buck converter, and a buck-boost converter.
  • the solar power generation unit can be connected to the DC link through the power conversion unit.
  • a solar power generation system includes a solar power generation module; a battery module charged with power from the solar power generation module; and an inverter module outputting power output from the solar power generation module to a load or a grid, wherein the battery module includes a battery cell; and a power conversion unit connected to the battery cell and the solar power generation module, and power output from the solar power generation module charges the battery cell or is output to the inverter module through the power conversion unit.
  • the battery module includes a plurality of battery modules connected in parallel, and the plurality of battery modules can be connected to the inverter module.
  • a battery module includes a battery cell; and a power conversion unit connected to the battery cell and a plurality of solar power generation units, wherein the plurality of solar power generation units include a first solar power generation unit directly connected to the battery cell; and a second solar power generation unit connected in parallel with the power conversion unit and connected to a DC link, and power output from the first solar power generation unit charges the battery cell or is output to the DC link through the power conversion unit.
  • an inverter connected to a load or grid is connected to the DC link, and the power conversion unit can convert power output from the first solar power generation unit and output it to the inverter when the power supplied to the inverter is less than the power required by the load.
  • the power supplied to the inverter is greater than the power required by the load, at least a portion of the power output from the first solar power generation unit can be input to the battery cell to charge the battery cell.
  • the power conversion unit can limit the output of the first solar power generation unit when the power supplied to the inverter is greater than the required power of the load and the battery cell is fully charged.
  • At least a portion of the power output from the first solar power generation unit can be input to the battery cell to charge the battery cell.
  • the power conversion unit can perform power line communication with the solar power generation unit.
  • the first solar power generation unit may include a plurality of first solar power generation units connected in series, and each of the first solar power generation units may include a solar power generation panel; and an optimizer for controlling the maximum power point (MPPT) of the solar power generation panel.
  • MPPT maximum power point
  • the number of optimizers connected to the power conversion unit may vary depending on the maximum charging power of the battery cell and the maximum discharging power of the power conversion unit.
  • the optimizer may include one of a step-up converter, a buck converter, and a buck-boost converter.
  • the first solar power generation unit can be connected to the DC link through the power conversion unit.
  • the second solar power generation unit may include a plurality of second solar power generation units connected in series, and each of the second solar power generation units may include a solar power generation panel; and an optimizer for controlling the maximum power point (MPPT) of the solar power generation panel.
  • MPPT maximum power point
  • a solar power generation system includes: a first solar power generation module; a battery module charged with power from the first solar power generation module; a second solar power generation module connected in parallel with the battery module and connected to a DC link; and an inverter module outputting power output from the first solar power generation module or the second solar power generation module to a load or a grid
  • the battery module includes: a battery cell; and a power conversion unit connected to the battery cell and the first solar power generation module, wherein power output from the first solar power generation module charges the battery cell or is output to the inverter module through the power conversion unit.
  • a battery module includes a battery cell; and a power conversion unit connected to the battery cell and a plurality of solar power generation units, wherein the plurality of solar power generation units are connected in parallel, and power output from the solar power generation units charges the battery cell or is output to a DC link through the power conversion unit.
  • an inverter connected to a load or grid is connected to the DC link, and the power conversion unit can convert power output from the solar power generation unit and output it to the inverter when the power output from the solar power generation unit is less than the power required by the load.
  • the power output from the solar power generation unit is greater than the power required by the load, at least a portion of the power output from the solar power generation unit can be input to the battery cell to charge the battery cell.
  • the power conversion unit can limit the output of the solar power generation unit when the power output from the solar power generation unit is greater than the power required by the load and the battery cell is fully charged.
  • At least a portion of the power output from the solar power generation unit can be input to the battery cell to charge the battery cell.
  • the power conversion unit can perform power line communication with the solar power generation unit.
  • each of the above solar power generation units may include a solar power generation panel; and an optimizer that controls the maximum power point (MPPT) of the solar power generation panel.
  • MPPT maximum power point
  • the number of optimizers connected to the power conversion unit may vary depending on the maximum charging power of the battery cell and the maximum discharging power of the power conversion unit.
  • the minimum voltage of the battery cell is higher than the maximum voltage of each solar power generation unit, and the optimizer may include a boost converter.
  • the solar power generation unit can be connected to the DC link through the power conversion unit.
  • a solar power generation system includes a plurality of solar power generation modules connected in parallel; a battery module charged with power from the solar power generation modules; and an inverter module outputting power output from the solar power generation modules to a load or a grid, wherein the battery module includes a battery cell; and a power conversion unit connected to the battery cell and the solar power generation module, and power output from the solar power generation module charges the battery cell or is output to the inverter module through the power conversion unit.
  • PV-generated power can charge a battery without passing through a battery DC-DC converter, so that the efficiency of charging a battery module from a PV module can be increased.
  • the overall system capacity can be increased.
  • PLC communication becomes complicated as the optimizer and string configured in series increase, whereas as the battery increases, control is performed by a separate PLC communication, so that the control can be performed efficiently.
  • FIG. 1 is a block diagram of a battery module according to one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 to 6 are drawings for explaining a battery module according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram of a battery module according to the second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8 to 12 are block diagrams of a battery module according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 and FIG. 14 are block diagrams of a solar power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • a component when a component is described as being 'connected', 'coupled', or 'connected' to another component, it may include not only cases where the component is 'connected', 'coupled', or 'connected' directly to the other component, but also cases where the component is 'connected', 'coupled', or 'connected' by another component between the component and the other component.
  • a variation according to the present embodiment may include some of the configurations of each embodiment and some of the configurations of other embodiments. That is, a variation may include one embodiment among various embodiments, but some configurations may be omitted and some configurations of the corresponding other embodiment may be included. Or, it may be the opposite.
  • the features, structures, effects, etc. to be described in the embodiments are included in at least one embodiment, and are not necessarily limited to only one embodiment.
  • the features, structures, effects, etc. exemplified in each embodiment may be combined or modified and implemented in other embodiments by a person having ordinary knowledge in the field to which the embodiments belong. Therefore, the contents related to such combinations and modifications should be interpreted as being included in the scope of the embodiments.
  • FIG. 1 is a block diagram of a battery module according to one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 to 6 are drawings for explaining a battery module according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a block diagram of a battery module according to a second embodiment of the present invention
  • FIGS. 8 to 11 are block diagrams of a battery module according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is a block diagram of a solar power generation system according to one embodiment of the present invention.
  • a battery module (100) includes a battery cell (120) and a power conversion unit (110).
  • the battery cell (120) is connected to the solar power generation unit (210) and the power conversion unit (110). It can be charged through the power generated and output from the solar power generation unit (210) and can be discharged according to the power conversion operation of the power conversion unit (110). The power stored in the battery cell (120) can be converted in the power conversion unit (110) and output to the DC link (220).
  • the power conversion unit (110) is connected to the battery cell (120) and the solar power generation unit (210).
  • the power conversion unit (110) can convert the power generated and output from the solar power generation unit (210) and output it to the DC link (220), and can convert the power stored in the battery cell (120) and output it to the DC link (220).
  • the power of the DC link (220) can be converted to charge the battery cell (120).
  • the power conversion unit (110) is a device that converts and outputs input power, and may be a converter. It may be a boost converter that increases voltage, a buck converter that decreases voltage, and a buck-boost converter that increases or decreases voltage. It may be a DC-DC converter that converts direct current into direct current. It may include various devices that convert power, voltage, and current.
  • the power conversion unit (110) may include a battery DC-DC converter that charges or discharges a battery cell (120), which is an energy storage unit.
  • a solar power generation unit (210) is connected between a power conversion unit (110) and a battery cell (120), so that power output from the solar power generation unit (210) can charge the battery cell (120) or be output to the DC link (220) through the power conversion unit (110). Since the solar power generation unit (210) is directly connected to the battery cell (120), power output from the solar power generation unit (210) can charge the battery cell (120) directly without passing through the power conversion unit (110). When charging the battery cell (120) using the power output from the solar power generation unit (210), power loss occurring during power conversion can be prevented because a separate power conversion unit is not passed through, so that efficiency can be increased when charging the battery cell (120) using solar power generation.
  • the lowest voltage of the battery cell (120) can be higher than the maximum voltage of the solar power generation unit (210). Since the power of the solar power generation unit (210) is directly input to the battery cell (120), the minimum voltage of the battery cell (120) can be set higher than the maximum voltage of the solar power generation unit (210) to prevent danger from occurring.
  • the power conversion unit (110) can convert power received from the solar power generation unit (210) and output it to the DC link (220).
  • the power conversion unit (110) can perform power line (PLC) communication with the solar power generation unit (210). Or, it can perform communication with the solar power generation unit (210) using other wired or wireless communication.
  • the power conversion unit (110) can be connected to a plurality of solar power generation units (210).
  • the plurality of solar power generation units (210) can be connected to each other in series. Or, the plurality of solar power generation units (210) can be connected in parallel and connected to the power conversion unit (110).
  • the solar power generation unit (210) may include a solar panel (211) and an optimizer (214).
  • the optimizer (214) may perform maximum power point estimation (MPPT) so that the power output from the solar panel (211) becomes maximum power.
  • the power conversion unit (110) may perform maximum power point estimation control through communication with the optimizer (214).
  • the solar panel (211) may include a plurality of cell strings.
  • a solar cell that performs solar power generation may be expressed as a cell string unit in which a plurality of cells are connected in series.
  • a cell string may include at least one cell, and when including a plurality of cells, the plurality of cells may be connected in series.
  • the cell string may be a solar cell string including solar cells.
  • the solar cell string may form a solar panel.
  • the solar panel (211) may also be referred to as a photovoltaic (PV) panel or solar panel. Solar cells generate solar power (PV, Photovoltaic) by utilizing the photovoltaic effect.
  • PV photovoltaic
  • the photovoltaic effect is the emission of electrons when light above a specific frequency strikes a specific metal material, and a pn junction is formed by utilizing a P-type semiconductor and an n-type semiconductor, and current is generated by utilizing electrons generated by the photovoltaic effect, thereby generating power.
  • the solar cell is formed by utilizing silicon, etc., and may be formed in a wafer shape. Solar cells are located in places where they can receive a lot of sunlight, such as fields, the exterior walls of buildings, and rooftops, and use sunlight to generate electricity. In this case, the solar cells can be formed as BIPV (building-integrated photovoltaics) that are formed as an integral part of the building.
  • BIPV building-integrated photovoltaics
  • a solar cell string can be a basic unit for generating power.
  • the solar power generation unit (210) may include a plurality of solar power generation units.
  • Each solar power generation unit includes a solar panel (211, 212, 213) and an optimizer (214, 215, 216), and the plurality of optimizers (214, 215, 216) are respectively connected to the output power of each cell string and may be connected in series with each other.
  • the optimizer optimizes the output power of the cell string so that the solar cell operates at the maximum power point (MPP), which is the operating point where the power of the solar cell is maximum under each condition.
  • the optimizer may include module-level power electronics (MLPE). This is called maximum power point tracking (MPPT), and the efficiency of solar power generation can be increased by using maximum power point tracking.
  • MPE module-level power electronics
  • the maximum power may be the power when it is about 80% of the maximum voltage, not the maximum voltage. Since this maximum power point continues to change depending on the magnitude of the voltage and current generated by the solar panel, it is necessary to continuously find a point where the maximum power point can occur. That is, in order to pursue the maximum power, not the maximum voltage, the magnitude of the voltage and current can be varied so that the maximum power is achieved. That is, the voltage can be reduced and the current can be increased in the direction of increasing power, or the voltage can be increased and the current can be reduced.
  • Each optimizer may include one of a boost type optimizer that increases voltage, a buck type optimizer that decreases voltage, and a buck-boost type optimizer that increases or decreases voltage.
  • the type of optimizer may be set according to the size of the charge voltage of the battery cell.
  • the optimizer (214) may include at least one of a monitoring unit (241), a communication unit (242), an RSD unit (243), and an MPPT control unit (244).
  • the monitoring unit (241) may monitor the solar panel (211). It may sense and monitor voltage, current, power, temperature, etc. of the solar panel (241).
  • the communication unit (242) may communicate with the power conversion unit (110) or the outside.
  • the communication unit (242) may transmit information on monitoring the solar panel (241) to the power conversion unit (110) or the outside, or receive a command for the RSD function or MPPT control.
  • the communication unit (242) may perform power line communication (PLC) or separate wired or wireless communication.
  • PLC power line communication
  • the RSD unit (243) can perform an RSD (Rapid Shut Down) function to quickly stop the solar panel (211) when a risk of fire or other problems occurs in the solar panel (241) during monitoring by the monitoring unit (241) for the solar panel (241) or when an RSD operation command is received from the power conversion unit (110) or the outside.
  • RSD Rapid Shut Down
  • a resistor that consumes power can be included.
  • the MPPT control unit (244) can control the voltage or current of the solar panel (211) so that maximum power is output from the solar panel (211).
  • the power conversion unit (110) can charge or discharge the battery cell (120), control the charging or discharging of the battery cell (120) according to the output power of the optimizer (214), and control the power generation amount of the solar power generation unit (210) through on/off and MPPT control of the output of the optimizer (214).
  • the number of optimizers connected to the power conversion unit (110) can be set according to the maximum charging power of the battery cell (120) and the maximum discharging power of the power conversion unit (110). Since the optimizers are directly connected to the battery cell (120) without going through the power conversion unit (110), the number of optimizers can be limited within a range that can protect the battery cell (120). That is, the number of optimizers can be set so that the total output power of the optimizers is less than or equal to the sum of the maximum charging power of the battery cell (120) and the maximum discharging power of the power conversion unit (110).
  • An inverter (230) connected to a load (231) or grid (232) can be connected to the DC link (220).
  • the inverter (230) can convert power from the DC link (220) and supply power to the load (231) or the grid (232).
  • the inverter (230) is connected to the DC link (220), receives DC power from the DC link (220), converts it into AC power, and supplies power to the load (231) or the grid (232).
  • the AC power can be supplied to the load (231) including the load requiring AC power, and the surplus power can be transmitted to the grid, i.e., the system.
  • the AC power can be received from the grid (232), converted into DC power, and output to the DC link (220).
  • the inverter (230) can include a DC-AC inverter.
  • a separate power generation device such as a diesel generator, that can generate and supply power when the power supplied to the load (231) is insufficient may be connected to the inverter (230), and a circuit breaker that can block the connection to the grid (232) and an energy meter that measures the power supplied or provided from the grid (232) may be connected.
  • a circuit breaker that can block the connection to the grid (232) and an energy meter that measures the power supplied or provided from the grid (232) may be connected.
  • the entire system excluding the grid (232) may be converted to independent operation.
  • the power conversion unit (110) can convert the power output from the solar power generation unit (210) and output it to the inverter (230) when the power output from the solar power generation unit (210) is less than the power required by the load (231).
  • the power conversion unit (110) can convert the power output from the solar power generation unit (210) and output it to the DC link (220), and the inverter (230) can convert the power of the DC link (220) into an alternating current suitable for the load (231) and provide it to the load (231).
  • the power conversion unit (110) is the power conversion unit of the battery module (100), but can also perform the role of the power conversion unit of the solar power generation unit. That is, the power conversion unit (110) can perform the role of a battery DC-DC converter and a PV DC-DC converter.
  • the power output from the solar power generation unit (210) is greater than the power required by the load (231)
  • at least a portion of the power output from the solar power generation unit (210) may be input to the battery cell (120) to charge the battery cell (120).
  • the surplus power may be stored in the battery cell (120). The surplus power may not be output to the DC link (220) through the power conversion unit (110), but may be supplied directly from the solar power generation unit (210) to the battery cell (120) to charge the battery cell (120).
  • the battery cell (120) When the battery cell (120) is in an over-discharge state, at least a portion of the power output from the solar power generation unit (210) may be input to the battery cell (120) to charge the battery cell (120). When the battery cell (120) is in an over-discharge state, the life of the battery cell (120) may be affected, and the performance of the battery cell (120) may deteriorate.
  • the battery cell (120) when the battery cell (120) is in an over-discharge state or there is a risk of an over-discharge state, even if the power output from the solar power generation unit (210) is less than the required power of the load (231), at least a portion of the power output from the solar power generation unit (210) may be input to the battery cell (120) to charge the battery cell (120). Through this, over-discharge of the battery cell (120) may be prevented.
  • the power conversion unit (110) can limit the output of the solar power generation unit (210).
  • the battery cell (120) is charged using the output power of the solar power generation unit (210).
  • the power conversion unit (110) can limit the output of the solar power generation unit (210) so that the battery cell (120) is no longer charged. Through this, the battery cell (120) can be protected from being overcharged.
  • the power conversion unit (110) may perform MPPT control to limit the output of the solar power generation unit (210).
  • the power conversion unit (110) may limit the output of the solar power generation unit (210) by turning off the optimizer (214) of the solar power generation unit (210) or changing the MPPT power point.
  • the power conversion unit (110) can increase the output of the solar power generation unit (210) to the DC link (220).
  • the increased power output to the DC link (220) can be transmitted to the grid (232) through the inverter (230).
  • the power conversion unit (110) can limit the output of the solar power generation unit (210) by turning off the optimizer (214) of the solar power generation unit (210) or changing the MPPT power point.
  • the battery module (100) may be connected in parallel with another battery module (300) and connected to one inverter (230) or DC link (220).
  • the other battery module (300) may include a configuration corresponding to the configuration of the battery module (100), as shown in FIG. 5.
  • the battery module (100) and the other battery module (300) may be connected to different inverters (230, 330), respectively.
  • the PV generated power charges the battery cell without passing through the DC-DC converter of the battery module
  • the efficiency of charging the battery module from the PV module can be increased.
  • the number of battery modules can be increased, the overall system capacity can be increased.
  • the PLC communication becomes complicated as the optimizer and string configured in series increase, whereas as the battery module increases, it is controlled by a separate PLC communication, so the control can be performed efficiently.
  • FIG. 7 is a block diagram of a battery module according to the second embodiment of the present invention.
  • a battery module (1100) according to a second embodiment of the present invention includes a battery cell (1120) and a power conversion unit (1110) connected to the battery cell (11220) and a plurality of solar power generation units, wherein a plurality of solar power generation units (1210) are connected in parallel.
  • a detailed description of each component of the battery module (1100) according to the second embodiment of the present invention corresponds to a detailed description of the component of the battery module (100) according to the first embodiment of FIGS. 1 to 6, except that a plurality of solar power generation units (1210) are connected in parallel, and thus any redundant description will be omitted below.
  • each of the plurality of solar power generation units (1210) includes solar panels (1211, 1212, 1213) and optimizers (1214, 1215, 1216), and the plurality of optimizers (1214, 1215, 1216) are connected in parallel with each other and connected to the power conversion unit (1110) and the battery cell (1120).
  • the lowest voltage of the battery cell (1120) may be higher than the maximum voltage of the solar power generation unit, and the optimizers (1214, 1215, 1216) are connected in parallel rather than in series, so that a boost is required to increase the output voltage of the optimizer to the voltage of the battery cell (1120).
  • the optimizer may include a boost type optimizer.
  • the voltage of the output power of the series-connected optimizers may be greater than the voltage of the battery cell (1120), so a buck-boost type optimizer is required.
  • the voltage of the output power of the parallel-connected optimizers may be lower than the voltage of the battery cell (1120), so the optimizer circuit can be configured only with a boost optimizer, so that the efficiency of the optimizer circuit can be increased and the cost can be reduced.
  • the number of optimizers connected to the power conversion unit (1110) may be limited depending on the maximum charging power of the battery cell (1120) and the maximum discharging power of the power conversion unit (1110).
  • the number of optimizers connected in parallel can be freely increased, and due to the parallel configuration, individual on/off control of the optimizers is possible, making it easy to control the output power.
  • Power output from multiple solar power generation units (1210) charges the battery cell (1120) or is output to the DC link (1220) through the power conversion unit (1110).
  • An inverter connected to a load or grid is connected to the DC link (1220), and the power conversion unit (1110) can convert power output from the solar power generation units (1210) and output it to the inverter when the power output from the solar power generation units (1210) is less than the power required by the load.
  • the power output from the solar power generation unit (1210) when the power output from the solar power generation unit (1210) is greater than the required power of the load, at least a portion of the power output from the solar power generation unit (1210) can be input to the battery cell (1120) to charge the battery cell (1120), and when the battery cell (1120) is in an over-discharge state, at least a portion of the power output from the solar power generation unit (1210) can be input to the battery cell (1120) to charge the battery cell (1120).
  • the power conversion unit (1110) can limit the output of the solar power generation unit (1210) when the power output from the solar power generation unit (1210) is greater than the required power of the load and the battery cell (1120) is fully charged.
  • the power conversion unit (1110) can perform power line communication with the solar power generation unit (1210).
  • FIGS. 8 to 12 are block diagrams of a battery module according to a third embodiment of the present invention.
  • a battery module (2100) according to a third embodiment of the present invention includes a battery cell (2120) and a power conversion unit (2120) connected to the battery cell (2120) and a plurality of solar power generation units.
  • a detailed description of each component of the battery module (2100) according to the third embodiment of the present invention corresponds to a detailed description of the component of the battery module (100) according to the first embodiment of FIGS. 1 to 6 or a detailed description of the component of the battery module (1100) according to the second embodiment of FIG. 7, and thus, any redundant description will be omitted below.
  • the above-described plurality of solar power generation units include a first solar power generation unit (2210) directly connected to the battery cell (2120) and a second solar power generation unit (2250) connected in parallel with the power conversion unit (2110) and connected to a DC link (2230), and power output from the first solar power generation unit (2210) can charge the battery cell (2120) or be output to the DC link (2230) through the power conversion unit (2110).
  • the first solar power generation unit (2210) can be connected to the battery cell (2120) without going through the power conversion unit (2110), and the second solar power generation unit (2250) can be connected to the DC link (2230) without going through the power conversion unit (2110).
  • An inverter connected to a load or a grid can be connected to the DC link (2230).
  • the power conversion unit (2110) can convert the power output from the first solar power generation unit (2210) and output it to the inverter if the power supplied to the inverter is less than the power required by the load. Even if the power supplied to the inverter is output from the second solar power generation unit (2250) to the DC link (2230) without going through the power conversion unit (2110) and transmitted to the load through the inverter, in order to transmit not only the power output from the second solar power generation unit (2250) but also the power output from the first solar power generation unit (2210) to the load if the power supplied to the inverter is less than the power required by the load, the power conversion unit (2110) can convert the power output from the first solar power generation unit (2210) and output it to the DC link so that the power is transmitted to the load through the inverter.
  • the power supplied to the inverter is greater than the power required by the load, at least a portion of the power output from the first solar power generation unit (2210) may be input to the battery cell (2120) to charge the battery cell (2120). If the power supplied to the inverter is greater than the power required by the load, the power output from the first solar power generation unit (2210) may not be output to the DC link (2230), but may be input to the battery cell (2120) to charge the battery cell (2120).
  • the power conversion unit (2110) can limit the output of the first solar power generation unit (2210) when the power supplied to the inverter is greater than the required power of the load and the battery cell (2120) is fully charged.
  • the output of the first solar power generation unit (2210) can be limited to prevent the battery cell (2120) from being overcharged.
  • At least a portion of the power output from the first solar power generation unit (2210) may be input to the battery cell (2120) to charge the battery cell (2120).
  • at least a portion of the power output from the first solar power generation unit (2210) may be input to the battery cell (2120) to charge the battery cell (2120).
  • the power conversion unit (2110) can perform power line communication (PLC) with the first solar power generation unit (2210) or the second solar power generation unit (2250), and the first solar power generation unit (2210) can be connected to a DC link (2230) through the power conversion unit (2110).
  • PLC power line communication
  • the first solar power generation unit (2210) includes a plurality of first solar power generation units connected in series, and each of the first solar power generation units may include solar panels (2211, 2212, 2213) and an optimizer (2214, 2215, 2216) that controls the solar panels (2211, 2212, 2213) at a maximum power point (MPPT). As shown in FIG. 9, the optimizers (2214, 2215, 2216) constituting the first solar power generation unit (2210) may be connected in series.
  • the number of optimizers connected to the power conversion unit (2110) can be set according to the maximum charging power of the battery cell (2120) and the maximum discharging power of the power conversion unit (2110).
  • the optimizers connected in series can include one of a boost type optimizer, a buck type optimizer, and a buck-boost type optimizer.
  • the second solar power generation unit (2250) includes a plurality of second solar power generation units connected in series, and each of the second solar power generation units may include solar panels (2254, 2255, 2256) and an optimizer (2251, 2252, 2253) that controls the maximum power point (MPPT) of the solar panels (2254, 2255, 2256). As shown in FIG. 9, the optimizers (2251, 2252, 2253) may be connected in series, but may be connected in parallel with the power conversion unit (2110) and connected to the DC link (2230).
  • the second solar power generation unit (2250) may be connected to the DC link (2230) through a converter (2271), i.e., a power conversion unit.
  • the converter (2271) may convert the voltage of the power output from the optimizers (2261, 2262, 2263) of the second solar power generation unit (2250) into a DC link voltage and output it to the DC link (2230).
  • each optimizer (2261, 2262, 2263) may include a buck type optimizer, and the converter (2271) may be a boost converter.
  • the first solar power generation unit (2210) includes a plurality of first solar power generation units connected in parallel, and each of the first solar power generation units may include solar panels (2211, 2212, 2213) and an optimizer (2214, 2215, 2216) that controls the solar panels (2211, 2212, 2213) at a maximum power point (MPPT). As shown in FIG. 11, the optimizers (2214, 2215, 2216) constituting the first solar power generation unit (2210) may be connected in parallel.
  • the number of optimizers connected to the power conversion unit (2110) may not be limited.
  • the optimizers connected in parallel may include boost type optimizers.
  • the second solar power generation unit (2250) includes a plurality of second solar power generation units connected in series, and each of the second solar power generation units may include solar panels (2254, 2255, 2256) and an optimizer (2251, 2252, 2253) that controls the maximum power point (MPPT) of the solar panels (2254, 2255, 2256).
  • the optimizers (2251, 2252, 2253) may be connected in series, but may be connected in parallel with the power conversion unit (2110) and connected to the DC link (2230).
  • the second solar power generation unit (2250) may be connected to the DC link (2230) through a converter (2271), i.e., a power conversion unit.
  • the converter (2271) may convert the voltage of the power output from the optimizers (2261, 2262, 2263) of the second solar power generation unit (2250) into a DC link voltage and output it to the DC link (2230).
  • each optimizer (2261, 2262, 2263) may include a buck type optimizer, and the converter (2271) may be a boost converter.
  • a hybrid system including a first solar power generation unit with high battery charging efficiency and a second solar power generation unit with high power transmission efficiency to a load can be configured, and at this time, the first solar power generation unit and the second solar power generation unit have separate optimizers so that communication is not complicated and control is easy.
  • FIG. 13 and FIG. 14 are block diagrams of a solar power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • the solar power generation system according to an embodiment of the present invention includes a solar power generation module, a battery module, and an inverter module.
  • a detailed description of the solar power generation system according to an embodiment of the present invention corresponds to the detailed description of the battery module of FIGS. 1 to 12, and thus, any duplicate description will be omitted below.
  • a solar power generation system (3000) includes a solar power generation module (3100), a battery module (3200) charged with power from the solar power generation module (3100), and an inverter module (3300) that outputs power output from the solar power generation module (3100) to a load (231) or a grid (232).
  • the battery module (3200) may include a battery cell (3220), and a power conversion unit (3210) connected to the battery cell (3220) and the solar power generation module (3100). Power output from the solar power generation module (3100) may charge the battery cell (3220) or be output to the inverter module (3300) through the power conversion unit (3210).
  • the above battery module (3200) includes a plurality of battery modules connected in parallel, and the plurality of battery modules can be connected to the inverter module (3300).
  • a solar power generation system includes a plurality of solar power generation modules (3100) connected in parallel, a battery module (3200) charged with power from the solar power generation modules (3100), and an inverter module outputting power output from the solar power generation modules (3100) to a load (231) or a grid (232), wherein the battery module (3200) includes a battery cell (3220) and a power conversion unit (3210) connected to the battery cell (3220) and the solar power generation module (3100), and power output from the solar power generation module (3100) can charge the battery cell (3220) or be output to the inverter module (3300) through the power conversion unit (3210).
  • a solar power generation system (4000) includes, as shown in FIG. 14, a first solar power generation module (4100), a battery module (3200) charged with power from the first solar power generation module (4100), a second solar power generation module (4200) connected in parallel with the battery module (3200) and connected to an inverter module (3300), and an inverter module (3300) that outputs power output from the first solar power generation module (4100) or the second solar power generation module (4200) to a load (231) or a grid (232), and the battery module (3200) includes a battery cell (3220) and a power conversion unit (3210) connected to the battery cell (3220) and the first solar power generation module (4100), and power output from the first solar power generation module (4100) is used to charge the battery cell (3220) or to convert the power output from the first solar power generation module (4100) into the It can be output to the inverter module (3300) through the power conversion unit (3210).

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Abstract

본 발명은 태양광 발전 모듈과 연계되는 배터리 모듈의 충전효율이 높은 배터리 모듈에 관한 것으로, 배터리 모듈은 배터리 셀, 및 배터리 셀 및 태양광 발전부와 연결되는 전력변환부를 포함하고, 태양광 발전부로부터 출력되는 전력은 배터리 셀을 충전하거나 전력변환부를 통해 DC 링크로 출력된다.　본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전시스템은 태양광 발전 모듈, 태양광 발전 모듈의 전력으로 충전되는 배터리 모듈, 및 태양광 발전 모듈에서 출력되는 전력을 부하 또는 그리드로 출력하는 인버터 모듈을 포함한다.

Description

배터리 모듈
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로 태양광 발전 모듈과 연계되는 배터리 모듈의 충전효율이 높은 배터리 모듈에 관한 발명이다.
태양광 발전은 친환경 에너지 발전 방식으로 기존 화학발전이나 원자력 발전을 대체하여 널리 보급되고 있다. 태양광 발전은 컨버터에 배터리가 접속되는 독립형과 전력계통과 연계되는 연계형태가 있고, 일반적으로 독립형 발전은 광발전, 축전지, 전력변환 장치 등으로 구성되고 전력계통 연계형 시스템은 상용 전원과 연결하여 부하계통선과 전력을 상호 교류할 수 있도록 구성된다.
광발전 모듈은 일조량, 온도 등에 따라 최대전력점이 상이해진다. 태양광 셀을 최대 전력 점에서 동작시키기 위해 모듈 단위로 최대전력점 추종(MPPT) 제어를 하는 옵티마이저(Optimizer) 또는 모듈 레벨 파워 일렉트로닉스(Module-Level Power Electronics, MLPE)를 사용할 수 있다.
광발전 모듈의 출력은 배터리 모듈에 저장될 때, 광발전 모듈의 옵티마이저 및 배터리 모듈의 배터리 DC-DC 컨버터의 2 번의 전력변환을 거쳐 배터리에 충전된다. 이때, 광발전 모듈 1대1 직렬로 구성된 옵티마이저는 배터리 충방전 및 부하와 연결되는 인버터 출력을 위해 적절한 DC(400V 급)전압으로 제어해야 하는바, 제어가 복잡해지고, 옵티마이저들이 직렬로 구성된 String이 병렬로 여러 개 구성되면 전력변환 스위칭 노이즈에 의해 통신에 노이즈 간섭이 발생할 수 있고, 직병렬 수량이 많아질수록 제어의 복잡성이 증가하여 전력제어의 응답성이 늦어 질 수 있다. 배터리 DC-DC 컨버터 제어 또한 복잡해지고 응답이 늦어지는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 태양광 발전 모듈과 연계되는 배터리 모듈의 충전효율이 높은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 태양광 발전 시스템을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀; 및 상기 배터리 셀 및 태양광 발전부와 연결되는 전력변환부를 포함하고, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력은 상기 배터리 셀을 충전하거나 상기 전력변환부를 통해 DC 링크로 출력된다.
또한, 상기 DC 링크에는 부하 또는 그리드와 연결되는 인버터가 연결되고, 상기 전력변환부는, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 작은 경우, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력을 변환하여 상기 인버터로 출력할 수 있다.
또한, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 큰 경우, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 상기 배터리 셀로 입력되어 상기 배터리 셀을 충전할 수 있다.
또한, 상기 전력변환부는, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 크고, 상기 배터리 셀이 완충된 경우, 상기 태양광 발전부의 출력을 제한할 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀이 과방전 상태인 경우, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 상기 배터리 셀로 입력되어 상기 배터리 셀을 충전할 수 있다.
또한, 상기 전력변환부는 상기 태양광 발전부와 전력선통신을 수행할 수 있다.
또한, 상기 태양광 발전부는, 직렬로 연결되는 복수의 태양광 발전부를 포함하고, 상기 각 태양광 발전부는, 태양광 패널; 및 상기 태양광 패널을 최대출력점(MPPT) 제어하는 옵티마이저를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력변환부와 연결되는 상기 옵티마이저의 수는, 상기 배터리 셀의 최대충전 전력 및 상기 전력변환부의 최대방전전력에 따라 달라질 수 있다.
또한, 상기 옵티마이저는, 승압형 컨버터, 강압형 컨버터, 및 강압-승압형 컨버터 중 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 태양광 발전부는 상기 전력변환부를 통해 상기 DC 링크와 연결될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 태양광 발전 모듈; 상기 태양광 발전 모듈의 전력으로 충전되는 배터리 모듈; 및 상기 태양광 발전 모듈에서 출력되는 전력을 부하 또는 그리드로 출력하는 인버터 모듈을 포함하고, 상기 배터리 모듈은, 배터리 셀; 및 상기 배터리 셀 및 상기 태양광 발전 모듈과 연결되는 전력변환부를 포함하고, 상기 태양광 발전 모듈로부터 출력되는 전력은 상기 배터리 셀을 충전하거나 상기 전력변환부를 통해 상기 인버터 모듈로 출력된다.
또한, 상기 배터리 모듈은 병렬 연결되는 복수의 배터리 모듈을 포함하고, 상기 복수의 배터리 모듈은 상기 인버터 모듈과 연결될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀; 및 상기 배터리 셀 및 복수의 태양광 발전부와 연결되는 전력변환부를 포함하고, 상기 복수의 태양광 발전부는 상기 배터리 셀과 직접 연결되는 제1 태양광 발전부; 및 상기 전력변환부와 병렬로 연결되고, DC 링크와 연결되는 제2 태양광 발전부를 포함하고, 상기 제1 태양광 발전부로부터 출력되는 전력은 상기 배터리 셀을 충전하거나 상기 전력변환부를 통해 상기 DC 링크로 출력된다.
또한, 상기 DC 링크에는 부하 또는 그리드와 연결되는 인버터가 연결되고, 상기 전력변환부는, 상기 인버터로 공급되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 작은 경우, 상기 제1 태양광 발전부로부터 출력되는 전력을 변환하여 상기 인버터로 출력할 수 있다.
또한, 상기 인버터로 공급되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 큰 경우, 상기 제1 태양광 발전부로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 상기 배터리 셀로 입력되어 상기 배터리 셀을 충전할 수 있다.
또한, 상기 전력변환부는, 상기 인버터로 공급되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 크고, 상기 배터리 셀이 완충된 경우, 상기 제1 태양광 발전부의 출력을 제한할 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀이 과방전 상태인 경우, 상기 제1 태양광 발전부로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 상기 배터리 셀로 입력되어 상기 배터리 셀을 충전할 수 있다.
또한, 상기 전력변환부는 상기 태양광 발전부와 전력선통신을 수행할 수 있다.
또한, 상기 제1 태양광 발전부는, 직렬로 연결되는 복수의 제1 태양광 발전부를 포함하고, 상기 각 제1 태양광 발전부는, 태양광 발전 패널; 및 상기 태양광 발전 패널을 최대출력점(MPPT) 제어하는 옵티마이저를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력변환부와 연결되는 상기 옵티마이저의 수는, 상기 배터리 셀의 최대충전 전력 및 상기 전력변환부의 최대방전전력에 따라 달라질 수 있다.
또한, 상기 옵티마이저는, 승압형 컨버터, 강압형 컨버터, 및 강압-승압형 컨버터 중 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 태양광 발전부는 상기 전력변환부를 통해 상기 DC 링크와 연결될 수 있다.
또한, 상기 제2 태양광 발전부는, 직렬로 연결되는 복수의 제2 태양광 발전부를 포함하고, 상기 각 제2 태양광 발전부는, 태양광 발전 패널; 및 상기 태양광 발전 패널을 최대출력점(MPPT) 제어하는 옵티마이저를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 제1 태양광 발전 모듈; 상기 제1 태양광 발전 모듈의 전력으로 충전되는 배터리 모듈; 상기 배터리 모듈과 병렬로 연결되고, DC 링크와 연결되는 제2 태양광 발전 모듈; 및 상기 제1 태양광 발전 모듈 또는 상기 제2 태양광 발전 모듈에서 출력되는 전력을 부하 또는 그리드로 출력하는 인버터 모듈을 포함하고, 상기 배터리 모듈은, 배터리 셀; 및 상기 배터리 셀 및 상기 제1 태양광 발전 모듈과 연결되는 전력변환부를 포함하고, 상기 제1 태양광 발전 모듈로부터 출력되는 전력은 상기 배터리 셀을 충전하거나 상기 전력변환부를 통해 상기 인버터 모듈로 출력된다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈은 배터리 셀; 및 상기 배터리 셀 및 복수의 태양광 발전부와 연결되는 전력변환부를 포함하고, 상기 복수의 태양광 발전부는 병렬연결되고, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력은 상기 배터리 셀을 충전하거나 상기 전력변환부를 통해 DC 링크로 출력된다.
또한, 상기 DC 링크에는 부하 또는 그리드와 연결되는 인버터가 연결되고, 상기 전력변환부는, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 작은 경우, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력을 변환하여 상기 인버터로 출력할 수 있다.
또한, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 큰 경우, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 상기 배터리 셀로 입력되어 상기 배터리 셀을 충전할 수 있다.
또한, 상기 전력변환부는, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 크고, 상기 배터리 셀이 완충된 경우, 상기 태양광 발전부의 출력을 제한할 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀이 과방전 상태인 경우, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 상기 배터리 셀로 입력되어 상기 배터리 셀을 충전할 수 있다.
또한, 상기 전력변환부는 상기 태양광 발전부와 전력선통신을 수행할 수 있다.
또한, 상기 각 태양광 발전부는, 태양광 발전 패널; 및 상기 태양광 발전 패널을 최대출력점(MPPT) 제어하는 옵티마이저를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력변환부와 연결되는 상기 옵티마이저의 수는, 상기 배터리 셀의 최대충전 전력 및 상기 전력변환부의 최대방전전력에 따라 달라질 수 있다.
또한, 상기 배터리 셀의 최저전압은 상기 각 태양광 발전부의 최대전압보다 높고, 상기 옵티마이저는 승압형 컨버터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 태양광 발전부는 상기 전력변환부를 통해 상기 DC 링크와 연결될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 병렬연결되는 복수의 태양광 발전 모듈; 상기 태양광 발전 모듈의 전력으로 충전되는 배터리 모듈; 및 상기 태양광 발전 모듈에서 출력되는 전력을 부하 또는 그리드로 출력하는 인버터 모듈을 포함하고, 상기 배터리 모듈은, 배터리 셀; 및 상기 배터리 셀 및 상기 태양광 발전 모듈과 연결되는 전력변환부를 포함하고, 상기 태양광 발전 모듈로부터 출력되는 전력은 상기 배터리 셀을 충전하거나 상기 전력변환부를 통해 상기 인버터 모듈로 출력된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, PV발전전력이 배터리 DC-DC 컨버터를 거치지 않고 배터리를 충전하여, PV 모듈에서 배터리 모듈을 충전하는 효율이 증가할 수 있다. 또한, 배터리 수량을 증가시킬 수 있어, 전체 시스템 용량이 증가할 수 있다. 기존 시스템의 경우 직렬 구성된 optimizer와 String 증가에 따라 PLC 통신이 복잡해지는 반면, 배터리가 증가함에 따라 별도의 PLC통신에 의해 제어가 되므로 제어가 효율적으로 이루어 질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 블록도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈의 블록도이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈의 블록도이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
본 실시예에 따른 변형례는 각 실시예 중 일부 구성과 다른 실시예 중 일부 구성을 함께 포함할 수 있다. 즉, 변형례는 다양한 실시예 중 하나 실시예를 포함하되 일부 구성이 생략되고 대응하는 다른 실시예의 일부 구성을 포함할 수 있다. 또는, 반대일 수 있다. 실시예들에 설명할 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 블록도이다. 도 2 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈의 블록도이고, 도 8 내지 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈의 블록도이고, 도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 배터리 셀(120) 및 전력변환부(110)를 포함한다.
배터리 셀(120)은 태양광 발전부(210) 및 전력변환부(110)와 연결된다. 태양광 발전부(210)에서 발전되어 출력되는 전력을 통해 충전될 수 있고, 전력변환부(110)의 전력변환 동작에 따라 방전될 수 있다. 배터리 셀(120)에 저장된 전력은 전력변환부(110)에서 변환되어 DC 링크(220)로 출력될 수 있다.
전력변환부(110)는 배터리 셀(120) 및 태양광 발전부(210)와 연결된다. 전력변환부(110)는 태양광 발전부(210)에서 발전되어 출력되는 전력을 변환하여 DC 링크(220)로 출력할 수 있고, 배터리 셀(120)에 저장된 전력을 변환하여 DC 링크(220)로 출력할 수 있다. 또한, DC 링크(220)의 전력을 변환하여 배터리 셀(120)을 충전할 수 있다.
전력변환부(110)는 입력되는 전력을 변환하여 출력하는 장치로, 컨버터(converter)일 수 있다. 전압을 높이는 승압형인 부스트(boost) 컨버터, 전압을 낮추는 강압형인 벅(buck) 컨버터, 전압을 높이거나 낮추는 강압/승압형인 벅-부스트 컨버터일 수 있다. 직류를 직류로 변환하는 DC-DC 컨버터일 수 있다. 전력, 전압, 전류를 변환하는 다양한 장치를 포함할 수 있다. 전력변환부(110)는 에너지 저장부인 배터리 셀(120)을 충전하거나 방전하는 배터리 DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.
전력변환부(110)와 배터리 셀(120)의 사이에 태양광 발전부(210)가 연결되어 태양광 발전부(210)로부터 출력되는 전력은 배터리 셀(120)을 충전하거나 전력변환부(110)를 통해 DC 링크(220)로 출력될 수 있다. 태양광 발전부(210)가 배터리 셀(120)과 직접 연결되는바, 태양광 발전부(210)에서 출력되는 전력이 전력변환부(110)를 거치지 않고 바로 배터리 셀(120)을 충전할 수 있다. 태양광 발전부(210)에서 출력되는 전력을 이용하여 배터리 셀(120)을 충전함에 있어서, 별도의 전력변환부를 거치지 않는 바, 전력변환시 발생하는 전력손실을 방지할 수 있어, 태양광 발전전력을 이용한 배터리 셀(120) 충전시 효율을 높일 수 있다. 이때, 배터리 셀(120)의 최저전압은 태양광 발전부(210)의 최대전압보다 높을 수 있다. 태양광 발전부(210)의 전력이 배터리 셀(120)로 직접 입력되는바, 배터리 셀(120)의 최저전압은 태양광 발전부(210)의 최대전압보다 높도록 설정하여 위험이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
전력변환부(110)는 태양광 발전부(210)로부터 수신하는 전력을 변환하여 DC 링크(220)로 출력할 수 있다. 전력변환부(110)는 태양광 발전부(210)와 전력선(PLC) 통신을 수행할 수 있다. 또는 다른 유무선 통신을 이용하여 태양광 발전부(210)와 통신을 수행할 수도 있다. 전력변환부(110)는 복수의 태양광 발전부(210)와 연결될 수 있다. 복수의 태양광 발전부(210)는 서로 직렬로 연결될 수 있다. 또는 복수의 태양광 발전부(210)는 병렬로 연결되어 전력변환부(110)와 연결될 수 있다.
태양광 발전부(210)는 태양광 패널(211) 및 옵티마이저(214)를 포함할 수 있다. 옵티마이저(214)는 태양광 패널(211)에서 출력되는 전력이 최대전력이 되도록 최대전력점 추정(MPPT)을 수행할 수 있다. 전력변환부(110)는 옵티마이저(214)와의 통신을 통해 최대전력점 추정 제어를 수행할 수 있다.
태양광 패널(211)은 복수의 셀 스트링을 포함할 수 있다. 태양광 발전을 수행하는 태양광 셀은 복수의 셀이 직렬로 연결되는 셀 스트링 단위로 표현할 수 있다. 셀 스트링은 적어도 하나 이상의 셀을 포함할 수 있고, 복수의 셀을 포함하는 경우, 복수의 셀은 직렬로 연결될 수 있다. 셀 스트링은 태양광 셀을 포함하는 태양광 셀 스트링일 수 있다. 태양광 셀 스트링은 태양광 패널을 형성할 수 있다. 태양광 패널(211)은 광발전(PV) 패널 또는 태양광 패널이라고도 할 수 있다. 태양광 셀은 광전효과를 이용하여 전력을 생성하는 태양광 발전(PV, Photovoltaic)을 한다. 광전효과는 특정 주파수 이상의 빛이 특정 금속 물질에 부딪히면 전자 방출하는 것으로, P형 반도체와 n형 반도체를 이용하여 pn 접합을 형성하고, 광전효과에 의해 발생하는 전자를 이용하여 전류를 생성함으로써 전력을 생성한다. 태양광 셀은 실리콘 등을 이용하여 형성되며, 웨이퍼 형태로 형성될 수 있다. 태양광 셀은 태양광을 잘 받을 수 있는 야지나 건물의 외벽, 옥상 등에 위치하여, 태양광을 이용하여 전력을 생성한다. 이때, 태양광 셀은 건물과 일체형으로 형성되는 BIPV(건물 일체형 태양광 발전)로 형성될 수 있다.
하나의 태양광 셀에서 생성되는 전력의 크기가 부하나 전력계통에서 이용하기에는 부족하기 때문에, 하나의 태양광 셀이 아닌 복수의 태양광 셀을 직렬로 연결하여 태양광 셀 스트링을 형성함으로써 이용하기에 적합한 크기의 전력을 생성할 수 있다. 태양광 셀 스트링은 전력을 생성하는 기본 단위일 수 있다. 기본 단위인 셀 스트링을 복수 개를 패널로 형성하여 광발전 패널을 형성할 수 있다. 태양광 셀은 일조량, 기온 등에 따라 상이한 전압-전류 특성을 가지며, 최대 전력 점(MPP) 또한 변동된다. (발전전력 = 전압 X 전류)
태양광 발전부(210)는 복수의 태양광 발전부를 포함할 수 있다. 각 태양광 발전부는 태양광 패널(211,212,213) 및 옵티마이저(214,215,216)를 포함하되, 복수의 옵티마이저(214,215,216)는 상기 각 셀 스트링의 출력 전력과 각각 연결되고, 서로 직렬로 연결될 수 있다. 옵티마이저(Optimizer)는 태양광 셀이 각 조건에서 전력이 최대가 되는 동작점인 최대 전력 점(MPP)에서 태양광 셀이 동작하도록 셀 스트링의 출력전력을 최적화하는 역할을 한다. 여기서, 옵티마이저는 모듈 레벨 파워 일렉트로닉스(Module-Level Power Electronics, MLPE)를 포함할 수 있다. 이를 최대전력점 추종(MPPT, Maximum Power Point Tracking)이라 하고, 최대전력점 추종을 이용하여 태양광 발전의 효율성을 높일 수 있다. 태양광 발전에 있어서 전류와 전압의 관계 및 전압과 전력과의 관계에서의 특성에 따라 최대 전력은 최대 전압이 아닌 최대 전압에서 약 80% 정도일 때의 전력이 될 수 있다. 이와 같은 최대전력점은 태양광 패널에서 생성되는 전압 및 전류의 크기에 따라 계속 변하기 때문에, 최대전력 점을 발생시킬 수 있는 지점을 계속 찾아야 한다. 즉, 최대전압이 아닌 최대전력을 추종하기 위하여, 최대전력이 되도록 전압과 전류의 크기를 가변할 수 있다. 즉, 전력이 커지는 방향으로 전압을 감소시키고 전류를 증가시키거나, 전압을 증가시키고, 전류를 감소시킬 수 있다.
각 옵티마이저(214,215,216)는 전압을 높이는 승압형인 부스트(boost) 타입, 전압을 낮추는 강압형인 벅(buck) 타입, 전압을 높이거나 낮추는 강압/승압형인 벅-부스트 타입 옵티마이저 중 하나를 포함할 수 있다. 옵티마이저의 타입은 배터리 셀의 충전전압의 크기에 따라 설정될 수 있다.
옵티마이저(214)는 모니터링부(241), 통신부(242), RSD 부(243), 및 MPPT 제어부(244) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 모니터링부(241)는 태양광 패널(211)를 모니터링할 수 있다. 태양광 패널(241)의 전압, 전류, 전력, 온도 등을 센싱하여 모니터링할 수 있다. 통신부(242)는 전력변환부(110) 또는 외부와 통신을 수행할 수 있다. 통신부(242)는 태양광 패널(241)을 모니터링한 정보를 전력변환부(110) 또는 외부로 송신하거나, RSD 기능 또는 MPPT 제어에 대한 명령을 수신할 수 있다. 통신부(242)는 전력선 통신(PLC)을 수행하거나 별도의 유무선 통신을 수행할 수 있다. RSD부(243)는 태양광 패널(241)에 대한 모니터링부(241)의 모니터링 중 태양광 패널(241)에 화재 등의 위험이 발생하거나, 전력변환부(110) 또는 외부로부터 RSD 동작 명령을 수신하는 경우, 태양광 패널(211)을 빠르게 정지시키는 RSD(Rapid Shut Down) 기능을 수행할 수 있다. RSD 동작을 위하여, 전력을 소모하는 저항을 포함할 수 있다. MPPT 제어부(244)는 태양광 패널(211)에서 최대전력이 출력되도록 태양광 패널(211)의 전압 또는 전류를 제어할 수 있다.
전력변환부(110)는 배터리 셀(120)을 충전 또는 방전할 수 있고, 옵티마이저(214)의 출력전력에 따라 배터리 셀(120)의 충전 또는 방전을 제어할 수 있고, 옵티마이저(214) 출력의 온/오프(on/off) 및 MPPT 제어를 통해 태양광 발전부(210)의 발전량을 제어할 수 있다.
전력변환부(110)와 연결되는 옵티마이저의 수는 배터리 셀(120)의 최대충전 전력 및 전력변환부(110)의 최대방전전력에 따라 설정될 수 있다. 옵티마이저는 전력변환부(110)를 거치지 않고 배터리 셀(120)와 직접 연결되는바, 옵티마이저의 수는 배터리 셀(120)을 보호할 수 있는 범위내로 제한될 수 있다. 즉, 옵티마이저의 총 출력전력은 배터리 셀(120)의 최대충전 전력과 전력변환부(110)의 최대방전전력을 합한 전력 이하가 되도록 옵티마이저의 수를 설정할 수 있다. 옵티마이저의 총 출력전력이 배터리 셀(120)의 최대충전 전력과 전력변환부(110)의 최대방전전력을 합한 전력보다 커지는 경우, 배터리 셀(120)의 최대충전 전력 이상의 전력이 공급되어 과충전이 이루어질 수 있고, 이로 인해 화재 등의 위험이 발생할 수 있어, 옵티마이저의 수를 제한함으로써 배터리 셀(120)의 과충전을 방지할 수 있다.
DC 링크(220)에는 부하(231) 또는 그리드(232)와 연결되는 인버터(230)가 연결될 수 있다.
인버터(230)는 DC 링크(220)의 전력을 변환하여 부하(231) 또는 그리드(232)에 전력을 공급할 수 있다. 인버터(230)는 DC 링크(220)와 연결되어 DC 링크(220)로부터 DC 전력을 수신하고 AC 전력으로 변환하여 부하(231) 또는 그리드(232)에 전력을 공급할 수 있다. AC 전력을 필요로 하는 부하를 포함하는 부하(231)에 AC 전력을 공급하고, 여분의 전력을 그리드, 즉 계통으로 전달할 수 있다. 또는, 그리드(232)로부터 AC 전력을 수신하여 DC 전력으로 변환하여 DC 링크(220)로 출력할 수 있다. 여기서, 인버터(230)는 DC-AC 인버터를 포함할 수 있다. 인버터(230)에는 부하(231)에 공급되는 전력이 부족시 전력을 발전하여 공급할 수 있는 디젤 발전기 등 별도의 발전장치가 연결될 수 있고, 그리드(232)와의 연결을 차단할 수 있는 차단기 및 그리드(232)로부터 전력을 공급받거나 제공시 이를 계측하는 에너지미터가 연결될 수도 있다. 그리드(232)와의 연결이 차단되는 경우, 그리드(232)를 제외한 전체 시스템이 독립운전으로 전환될 수 있다.
전력변환부(110)는 태양광 발전부(210)로부터 출력되는 전력이 부하(231)의 필요전력보다 작은 경우, 태양광 발전부(210)로부터 출력되는 전력을 변환하여 인버터(230)로 출력할 수 있다. 태양광 발전부(210)에서 출력되는 전력을 부하(231)에 전달하기 위하여, 전력변환부(110)가 태양광 발전부(210)에서 출력되는 전력을 변환하여 DC 링크(220)로 출력하고, 인버터(230)가 DC 링크(220)의 전력을 부하(231)에 적합한 교류로 변환하여 부하(231)로 제공할 수 있다. 여기서, 전력변환부(110)는 배터리 모듈(100)의 전력변환부이나, 태양광 발전부의 전력변환부의 역할도 수행할 수 있다. 즉, 전력변환부(110)는 배터리 DC-DC 컨버터와 PV DC-DC 컨버터의 역할을 수행할 수 있다.
태양광 발전부(210)로부터 출력되는 전력이 부하(231)의 필요전력보다 큰 경우, 태양광 발전부(210)로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 배터리 셀(120)로 입력되어 배터리 셀(120)을 충전할 수 있다. 태양광 발전부(210)에서 출력되는 전력이 부하(231) 등에서 소모되는 전력보다 큰 경우, 잉여 전력은 배터리 셀(120)에 저장될 수 있다. 잉여 전력은 전력변환부(110)를 통해 DC 링크(220)로 출력되지 않고, 태양광 발전부(210)로부터 직접 배터리 셀(120)로 공급되어 배터리 셀(120)을 충전할 수 있다.
배터리 셀(120)이 과방전 상태인 경우, 태양광 발전부(210)로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 배터리 셀(120)로 입력되어 배터리 셀(120)을 충전할 수 있다. 배터리 셀(120)이 과방전 상태인 경우, 배터리 셀(120)의 수명에 영향을 미치고, 배터리 셀(120)의 성능이 떨어질 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 배터리 셀(120)이 과방전 상태이거나, 과방전 상태의 위험성이 있는 경우, 태양광 발전부(210)로부터 출력되는 전력이 부하(231)의 필요전력보다 작은 경우라고 하더라고 태양광 발전부(210)로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 배터리 셀(120)로 입력되어 배터리 셀(120)을 충전할 수 있다. 이를 통해, 배터리 셀(120)의 과방전을 방지할 수 있다.
태양광 발전부(210)로부터 출력되는 전력이 부하(231)의 필요전력보다 크고, 배터리 셀(120)이 완충된 경우, 전력변환부(110)는 태양광 발전부(210)의 출력을 제한할 수 있다. 태양광 발전부(210)로부터 출력되는 전력이 부하(231)의 필요전력보다 큰 상태에서 태양광 발전부(210)의 출력전력을 이용하여 배터리 셀(120)을 충전하게 되는데, 배터리 셀(120)이 완충된 경우, 추가적인 전력이 입력되면, 배터리 셀(120)이 과충전 상태가 될 수 있다. 이때, 배터리 셀(120)가 더 이상 충전되지 않도록 전력변환부(110)가 태양광 발전부(210)의 출력을 제한할 수 있다. 이를 통해, 배터리 셀(120)이 과충전되는 것으로부터 보호할 수 있다. 배터리 셀(120)이 과충전되는 경우, 화재 등의 위험이 발생할 수 있고, 배터리 셀(120)의 수명에 영향을 미치기 때문에, 전력변환부(110)가 태양광 발전부(210)의 출력을 제한하도록 MPPT 제어를 수행할 수 있다. 전력변환부(110)는 태양광 발전부(210)의 옵티마이저(214)를 오프시키거나 MPPT 전력점을 변경함으로써 태양광 발전부(210)의 출력을 제한할 수 있다.
태양광 발전부(210)로부터 출력되는 전력이 부하(231)의 필요전력보다 크고, 배터리 셀(120)이 완충된 경우, 전력변환부(110)는 태양광 발전부(210)의 출력전력에 대한 DC 링크(220)로의 출력을 늘릴 수 있다. DC 링크(220)로 출력되는 증가된 전력은 인버터(230)를 통해 그리드(232)로 전송될 수 있다. Zero Export와 같이 그리드로의 전송이 불가한 경우, 전력변환부(110)는 태양광 발전부(210)의 옵티마이저(214)를 오프시키거나 MPPT 전력점을 변경함으로써 태양광 발전부(210)의 출력을 제한할 수 있다.
배터리 모듈(100)은 다른 배터리 모듈(300)과 병렬연결되어 하나의 인버터(230) 또는 DC 링크(220)와 연결될 수 있다. 이때, 다른 배터리 모듈(300)은 도 5와 같이, 배터리 모듈(100)의 구성과 대응하는 구성을 포함할 수 있다. 또는, 도 6과 같이, 배터리 모듈(100)과 다른 배터리 모듈(300)이 각각 다른 인버터(230, 330)와 연결될 수 있다.
상기와 같이, PV 발전전력이 배터리 모듈의 DC-DC 컨버터를 거치지 않고 배터리 셀을 충전하여, PV 모듈에서 배터리 모듈을 충전하는 효율이 증가할 수 있다. 또한, 배터리 모듈의 수량을 증가시킬 수 있어, 전체 시스템 용량이 증가할 수 있다. 기존 시스템의 경우 직렬 구성된 optimizer와 String 증가에 따라 PLC 통신이 복잡해지는 반면, 배터리 모듈이 증가함에 따라 별도의 PLC통신에 의해 제어가 되므로 제어가 효율적으로 이루어 질 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈의 블록도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(1100)은 배터리 셀(1120) 및 상기 배터리 셀(11220) 및 복수의 태양광 발전부와 연결되는 전력변환부(1110)를 포함하되, 복수의 태양광 발전부(1210)가 병렬연결된다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(1100)의 각 구성에 대한 상세한 설명은, 복수의 태양광 발전부(1210)가 병렬연결되는 것 이외, 도 1 내지 도 6의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)의 구성에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 7과 같이, 복수의 태양광 발전부(1210) 각각은 태양광 패널(1211, 1212, 1213) 및 옵티마이저(1214, 1215, 1216)을 포함하되, 복수의 옵티마이저(1214, 1215, 1216)는 서로 병렬로 연결되어 전력변환부(1110) 및 배터리 셀(1120)와 연결된다. 여기서, 배터리 셀(1120)의 최저전압은 태양광 발전부의 최대전압보다 높을 수 있고, 옵티마이저(1214, 1215, 1216)는 직렬이 아닌 병렬로 연결되는바, 옵티마이저의 출력전압을 배터리 셀(1120)의 전압으로 높이는 승압이 필요하다. 이를 위하여, 옵티마이저는 부스트 타입의 옵티마이저를 포함할 수 있다. 옵티마이저가 직렬로 연결되는 경우, 직렬연결된 옵티마이저의 출력되는 전력의 전압이 배터리 셀(1120)의 전압보다 커질 수 있어, 벅-부스트 타입의 옵티마이저가 필요하다. 이에 반해, 옵티마이저를 병렬로 연결하는 경우, 병렬연결된 옵티마이저의 출력되는 전력의 전압은 배터리 셀(1120)의 전압보다 낮은바, 부스트 옵티마이저로만 구성할 수 있어, 옵티마이저 회로의 효율이 증가하고, 비용 측면에서 감소할 수 있다.
또한, 옵티마이저가 직렬로 연결시, 전력변환부(1110)와 연결되는 옵티마이저의 수는 배터리 셀(1120)의 최대충전 전력 및 전력변환부(1110)의 최대방전전력에 따라 제한될 수 있다. 이에 반해, 옵티마이저를 병렬로 연결하는 경우, 병렬연결되는 옵티마이저의 수는 자유롭게 늘릴 수 있고, 병렬 구성으로 인해, 옵티마이저의 개별 온오프 제어가 가능하여 출력전력 제어가 용이해질 수 있다.
복수의 태양광 발전부(1210)로부터 출력되는 전력은 상기 배터리 셀(1120)을 충전하거나 상기 전력변환부(1110)를 통해 DC 링크(1220)로 출력된다. DC 링크(1220)에는 부하 또는 그리드와 연결되는 인버터가 연결되고, 전력변환부(1110)는, 상기 태양광 발전부(1210)로부터 출력되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 작은 경우, 상기 태양광 발전부(1210)로부터 출력되는 전력을 변환하여 상기 인버터로 출력할 수 있다.
또한, 상기 태양광 발전부(1210)로부터 출력되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 큰 경우, 상기 태양광 발전부(1210)로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 상기 배터리 셀(1120)로 입력되어 상기 배터리 셀(1120)을 충전할 수 있고, 상기 배터리 셀(1120)이 과방전 상태인 경우, 상기 태양광 발전부(1210)로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 상기 배터리 셀(1120)로 입력되어 상기 배터리 셀(1120)을 충전할 수 있다.
전력변환부(1110)는 상기 태양광 발전부(1210)로부터 출력되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 크고, 상기 배터리 셀(1120)이 완충된 경우, 상기 태양광 발전부(1210)의 출력을 제한할 수 있다.
또한, 전력변환부(1110)는 상기 태양광 발전부(1210)와 전력선통신을 수행할 수 있다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈의 블록도이다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈(2100)은 배터리 셀(2120) 및 상기 배터리 셀(2120) 및 복수의 태양광 발전부와 연결되는 전력변환부(2120)를 포함한다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 배터리 모듈(2100)의 각 구성에 대한 상세한 설명은, 도 1 내지 도 6의 제1 실시예에 따른 배터리 모듈(100)의 구성에 대한 상세한 설명 또는 도 7의 제2 실시예에 따른 배터리 모듈(1100)의 구성에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
상기 복수의 태양광 발전부는 상기 배터리 셀(2120)과 직접 연결되는 제1 태양광 발전부(2210) 및 상기 전력변환부(2110)와 병렬로 연결되고, DC 링크(2230)와 연결되는 제2 태양광 발전부(2250)를 포함하고, 상기 제1 태양광 발전부(2210)로부터 출력되는 전력은 상기 배터리 셀(2120)을 충전하거나 상기 전력변환부(2110)를 통해 상기 DC 링크(2230)로 출력될 수 있다.
제1 태양광 발전부(2210)는 전력변환부(2110)를 거치지 않고 배터리 셀(2120)과 연결되고, 제2 태양광 발전부(2250)는 전력변환부(2110)를 거치지 않고 DC 링크(2230)와 연결될 수 있다. DC 링크(2230)에는 부하 또는 그리드와 연결되는 인버터가 연결될 수 있다. 상기 연결구조를 통해, 제1 태양광 발전부(2210)에서 출력되는 전력을 이용하여 배터리 셀(2120)을 충전시 전력변환부(2110)를 거치지 않아 배터리 셀(2120) 충전효율을 높일 수 있다. 또한, 제2 태양광 발전부(2250)에서 출력되는 전력을 이용하여 DC 링크(2230)에 연결되는 인버터를 통해 부하로 제공시 전력변환부(2110)를 거치지 않아, 부하로의 전력전송 효율을 높일 수 있다.
전력변환부(2110)는 인버터로 공급되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 작은 경우, 상기 제1 태양광 발전부(2210)로부터 출력되는 전력을 변환하여 상기 인버터로 출력할 수 있다. 제2 태양광 발전부(2250)에서 전력변환부(2110)를 거치지 않고 DC 링크(2230)로 출력되어 인터버를 통해 부하로 전송되더라도 인버터로 공급되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 작은 경우, 제2 태양광 발전부(2250)에서 출력되는 전력뿐만 아니라, 제1 태양광 발전부(2210)에서 출력되는 전력도 부하로 전송하기 위하여, 전력변환부(2110)는 제1 태양광 발전부(2210)로부터 출력되는 전력을 변환하여 DC 링크로 출력하여 인버터로 통해 부하로 전력이 전송되도록 할 수 있다.
상기 인버터로 공급되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 큰 경우, 상기 제1 태양광 발전부(2210)로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 상기 배터리 셀(2120)로 입력되어 상기 배터리 셀(2120)을 충전할 수 있다. 상기 인버터로 공급되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 큰 경우, 제1 태양광 발전부(2210)로부터 출력되는 전력은 DC 링크(2230)로 출력되지 않고, 배터리 셀(2120)로 입력되어 배터리 셀(2120)을 충전할 수 있다.
전력변환부(2110)는 상기 인버터로 공급되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 크고, 상기 배터리 셀(2120)이 완충된 경우, 상기 제1 태양광 발전부(2210)의 출력을 제한할 수 있다. 상기 인버터로 공급되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 크고, 상기 배터리 셀이 완충된 경우, 배터리 셀(2120)이 과충전되는 것을 방지하기 위하여, 제1 태양광 발전부(2210)의 출력을 제한할 수 있다.
상기 배터리 셀(2120)이 과방전 상태인 경우, 상기 제1 태양광 발전부(2210)로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 상기 배터리 셀(2120)로 입력되어 상기 배터리 셀(2120)을 충전할 수 있다. 배터리 셀(2120)의 과방전을 방지하기 위하여, 제1 태양광 발전부(2210)로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 배터리 셀(2120)로 입력되어 배터리 셀(2120)을 충전할 수 있다.
전력변환부(2110)는 상기 제1 태양광 발전부(2210) 또는 제2 태양광 발전부(2250)와 전력선통신(PLC)을 수행할 수 있고, 제1 태양광 발전부(2210)는 전력변환부(2110)를 통해 DC 링크(2230)와 연결될 수 있다.
제1 태양광 발전부(2210)는 직렬로 연결되는 복수의 제1 태양광 발전부를 포함하고, 상기 각 제1 태양광 발전부는, 태양광 패널(2211,2212,2213) 및 태양광 패널(2211,2212,2213)을 최대출력점(MPPT) 제어하는 옵티마이저(2214,2215,2216)를 포함할 수 있다. 도 9와 같이, 제1 태양광 발전부(2210)를 구성하는 옵티마이저(2214,2215,2216)는 직렬로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 전력변환부(2110)와 연결되는 상기 옵티마이저의 수는 배터리 셀(2120)의 최대충전 전력 및 상기 전력변환부(2110)의 최대방전전력에 따라 설정될 수 있다. 직렬로 연결되는 옵티마이저는 부스트 타입 옵티마이저, 벅 타입 옵티마이저, 및 벅-부스트 타입 옵티마이저 중 하나를 포함할 수 있다.
제2 태양광 발전부(2250)는 직렬로 연결되는 복수의 제2 태양광 발전부를 포함하고, 상기 각 제2 태양광 발전부는, 태양광 패널(2254,2255,2256) 및 태양광 패널(2254,2255,2256)을 최대출력점(MPPT) 제어하는 옵티마이저(2251,2252,2253)를 포함할 수 있다. 도 9와 같이, 옵티마이저(2251,2252,2253)는 직렬로 연결되되 전력변환부(2110)와 병렬로 연결되어 DC 링크(2230)와 연결될 수 있다.
또한, 제2 태양광 발전부(2250)는 컨버터(2271), 즉 전력변환부를 통해 DC 링크(2230)와 연결될 수 있다. 도 10과 같이, 컨버터(2271)는 제2 태양광 발전부(2250)의 옵티마이저(2261,2262,2263)에서 출력되는 전력의 전압을 DC 링크 전압으로 변환하여 DC 링크(2230)로 출력할 수 있다. 여기서, 각 옵티마이저(2261,2262,2263)는 벅 타입 옵티마이저를 포함할 수 있고, 컨버터(2271)는 부스트 컨버터일 수 있다.
제1 태양광 발전부(2210)는 병렬로 연결되는 복수의 제1 태양광 발전부를 포함하고, 상기 각 제1 태양광 발전부는, 태양광 패널(2211,2212,2213) 및 태양광 패널(2211,2212,2213)을 최대출력점(MPPT) 제어하는 옵티마이저(2214,2215,2216)를 포함할 수 있다. 도 11과 같이, 제1 태양광 발전부(2210)를 구성하는 옵티마이저(2214,2215,2216)는 병렬로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 전력변환부(2110)와 연결되는 상기 옵티마이저의 수는 제한되지 않을 수 있다. 병렬로 연결되는 옵티마이저는 부스트 타입 옵티마이저를 포함할 수 있다.
이때, 제2 태양광 발전부(2250)는 직렬로 연결되는 복수의 제2 태양광 발전부를 포함하고, 상기 각 제2 태양광 발전부는, 태양광 패널(2254,2255,2256) 및 태양광 패널(2254,2255,2256)을 최대출력점(MPPT) 제어하는 옵티마이저(2251,2252,2253)를 포함할 수 있다. 도 11과 같이, 옵티마이저(2251,2252,2253)는 직렬로 연결되되 전력변환부(2110)와 병렬로 연결되어 DC 링크(2230)와 연결될 수 있다.
또한, 제2 태양광 발전부(2250)는 컨버터(2271), 즉 전력변환부를 통해 DC 링크(2230)와 연결될 수 있다. 도 12와 같이, 컨버터(2271)는 제2 태양광 발전부(2250)의 옵티마이저(2261,2262,2263)에서 출력되는 전력의 전압을 DC 링크 전압으로 변환하여 DC 링크(2230)로 출력할 수 있다. 여기서, 각 옵티마이저(2261,2262,2263)는 벅 타입 옵티마이저를 포함할 수 있고, 컨버터(2271)는 부스트 컨버터일 수 있다.
상기와 같이, 배터리 충전 효율이 높은 제1 태양광 발전부와 부하로의 전력전송효율이 높은 제2 태양광 발전부를 포함하는 하이브리드 시스템을 구성할 수 있고, 이때, 제1 태양광 발전부와 제2 태양광 발전부는 옵티마이저가 구분되어 통신이 복잡하지 않고 제어가 용이하다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 블록도이다. 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 태양광 발전 모듈, 배터리 모듈, 및 인버터 모듈을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 태양광 발전 시스템에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 12의 배터리 모듈에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 태양광 발전 시스템(3000)은 태양광 발전 모듈(3100), 상기 태양광 발전 모듈(3100)의 전력으로 충전되는 배터리 모듈(3200) 및 상기 태양광 발전 모듈(3100)에서 출력되는 전력을 부하(231) 또는 그리드(232)로 출력하는 인버터 모듈(3300)을 포함하고, 배터리 모듈(3200)은, 배터리 셀(3220)과, 상기 배터리 셀(3220) 및 상기 태양광 발전 모듈(3100)과 연결되는 전력변환부(3210)를 포함할 수 있다. 상기 태양광 발전 모듈(3100)로부터 출력되는 전력은 상기 배터리 셀(3220)을 충전하거나 상기 전력변환부(3210)를 통해 상기 인버터 모듈(3300)로 출력될 수 있다.
상기 배터리 모듈(3200)은 병렬 연결되는 복수의 배터리 모듈을 포함하고, 상기 복수의 배터리 모듈은 상기 인버터 모듈(3300)과 연결될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 병렬연결되는 복수의 태양광 발전 모듈(3100), 상기 태양광 발전 모듈(3100)의 전력으로 충전되는 배터리 모듈(3200) 및 상기 태양광 발전 모듈(3100)에서 출력되는 전력을 부하(231) 또는 그리드(232)로 출력하는 인버터 모듈을 포함하고, 상기 배터리 모듈(3200)은 배터리 셀(3220)과, 상기 배터리 셀(3220) 및 상기 태양광 발전 모듈(3100)과 연결되는 전력변환부(3210)를 포함하고, 상기 태양광 발전 모듈(3100)로부터 출력되는 전력은 상기 배터리 셀(3220)을 충전하거나 상기 전력변환부(3210)를 통해 상기 인버터 모듈(3300)로 출력될 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 태양광 발전 시스템(4000)은 도 14와 같이, 제1 태양광 발전 모듈(4100), 상기 제1 태양광 발전 모듈(4100)의 전력으로 충전되는 배터리 모듈(3200), 상기 배터리 모듈(3200)과 병렬로 연결되고, 인버터 모듈(3300)과 연결되는 제2 태양광 발전 모듈(4200), 및 상기 제1 태양광 발전 모듈(4100) 또는 상기 제2 태양광 발전 모듈(4200)에서 출력되는 전력을 부하(231) 또는 그리드(232)로 출력하는 인버터 모듈(3300)을 포함하고, 상기 배터리 모듈(3200)은, 배터리 셀(3220)과, 상기 배터리 셀(3220) 및 상기 제1 태양광 발전 모듈(4100)과 연결되는 전력변환부(3210)를 포함하고, 상기 제1 태양광 발전 모듈(4100)로부터 출력되는 전력은 상기 배터리 셀(3220)을 충전하거나 상기 전력변환부(3210)를 통해 상기 인버터 모듈(3300)로 출력될 수 있다.
본 실시 예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 배터리 셀; 및
    상기 배터리 셀 및 태양광 발전부와 연결되는 전력변환부를 포함하고,
    상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력은 상기 배터리 셀을 충전하거나 상기 전력변환부를 통해 DC 링크로 출력되는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 DC 링크에는 부하 또는 그리드와 연결되는 인버터가 연결되고,
    상기 전력변환부는,
    상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 작은 경우, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력을 변환하여 상기 인버터로 출력하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 큰 경우, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 상기 배터리 셀로 입력되어 상기 배터리 셀을 충전하는 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전력변환부는,
    상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력이 상기 부하의 필요전력보다 크고, 상기 배터리 셀이 완충된 경우, 상기 태양광 발전부의 출력을 제한하는 배터리 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀이 과방전 상태인 경우, 상기 태양광 발전부로부터 출력되는 전력 중 적어도 일부가 상기 배터리 셀로 입력되어 상기 배터리 셀을 충전하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력변환부는 상기 태양광 발전부와 전력선통신을 수행하는 배터리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 발전부는,
    직렬로 연결되는 복수의 태양광 발전부를 포함하고,
    상기 각 태양광 발전부는,
    태양광 패널; 및
    상기 태양광 패널을 최대출력점(MPPT) 제어하는 옵티마이저를 포함하는 배터리 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전력변환부와 연결되는 상기 옵티마이저의 수는,
    상기 배터리 셀의 최대충전 전력 및 상기 전력변환부의 최대방전전력에 따라 달라지는 배터리 모듈.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 옵티마이저는,
    승압형 컨버터, 강압형 컨버터, 및 강압-승압형 컨버터 중 하나를 포함하는 배터리 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 발전부는 상기 전력변환부를 통해 상기 DC 링크와 연결되는 배터리 모듈.
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