KR20140097628A - 배터리 온도 제어 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 전력 저장 시스템에 스위치를 추가 구성하여 배터리측으로의 충방전 전류 패스를 조절함으로써, 상기 배터리의 온도를 제어할 수 있는 배터리 온도 제어 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 전력 저장 시스템의 동작 중 배터리의 저온 상태 감지 시 부하 및 계통과의 연결을 끊고, 절연형 풀 브리지 회로로 구현되는 인버터의 1차 측에 무효 전력을 발생시킴을 통해 배터리측에 충방전 전류를 제공하여 배터리의 온도를 상승시키는 배터리 온도 제어 방법을 제공한다.

Description

배터리 온도 제어 시스템 및 그 제어 방법{temperature controlling system of battery and controlling method thereof}
본 발명의 실시예는 배터리 온도 제어 시스템에 관한 것으로, 특히 전력 저장 시스템(Energy Storage System)에 구비되는 배터리 온도 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
환경 파괴, 자원 고갈 등이 문제되면서, 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 이와 함께 태양광, 풍력, 조력 등 무한히 공급되는 천연 자원을 이용하고, 발전 과정에서 공해를 유발하지 않는 신재생 에너지의 중요성이 증대되고 있다.
전력 저장 시스템은 이와 같은 신재생 에너지, 전력을 저장하는 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템으로서, 최근의 환경 변화에 맞추어 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
상기 전력 저장 시스템에 구비되는 배터리는 충방전이 가능한 이차전지로 구현되는데, 이러한 배터리는 상온에서는 정상적인 동작이 가능하나, 저온(일 예로 -20℃ 이하)에서는 그 출력이 상온 대비 약 16%정도로 매우 낮은 값을 갖는다.
이에 종래의 경우 상기 배터리의 온도 상승을 위해 히터를 사용하거나, 저항 또는 전자부하에 의한 발열을 사용하는 방법 등이 제안되었다.
그러나, 이와 같은 종래의 방법에 의할 경우 배터리의 전력을 소비하게 되어 배터리 사용률이 저하되고, 화재의 위험성이 높아지는 단점이 있다.
본 발명의 실시예는 전력 저장 시스템에 스위치를 추가 구성하여 배터리측으로의 충방전 전류 패스를 조절함으로써, 상기 배터리의 온도를 제어할 수 있는 배터리 온도 제어 시스템을 제공함을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 전력 저장 시스템의 동작 중 배터리의 저온 상태 감지 시 부하 및 계통과의 연결을 끊고, 절연형 풀 브리지 회로로 구현되는 인버터의 1차 측에 무효 전력을 발생시킴을 통해 배터리측에 충방전 전류를 제공하여 배터리의 온도를 상승시키는 배터리 온도 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 의한 배터리 온도 제어 시스템은, 전력 저장 시스템에 구비되는 배터리와; 복수의 스위치 및 하나의 인덕터로 구성되어 상기 배터리의 전압을 승압 또는 감압하는 컨버터와; 상기 컨버터의 출력 전압을 안정화시키는 캐패시터가 구비된 DC 링크부와; 1차측의 제 1권선 및 2차측의 제 2권선이 공극을 유지하여 분리된 비접촉 변압기와, 상기 1차측에 구비된 제 1 내지 제 4스위치와, 상기 2차측에 구비된 제 5스위치 및 인덕터를 포함하여 구성되는 인버터가 포함된다.
이 때, 상기 컨버터는, 상기 배터리의 제 1단자에 연결되는 인덕터와; 상기 DC 링크부에 구비된 캐패시터의 제 1단자와 상기 인덕터의 제 2단자 사이에 연결되는 제 1스위치와; 상기 인덕터의 제 2단자와 상기 배터리의 제 2단자 사이에 연결되는 제 2스위치가 포함된다.
또한, 상기 인덕터와 병렬로 연결된 제 3스위치가 더 포함된다.
또한, 상기 1차측에 구비된 제 1 내지 제 4스위치들은 풀 브릿지(Full Bridge) 구조로 구현되고, 상기 풀브릿지 구조의 스위치들은, 상기 DC 링크부에 구비된 캐패시터의 제 1단자와 상기 비접촉 변압기의 1차측 제 1권선의 제 1단자 사이에 연결되는 제 1스위치와; 상기 제 1권선의 제 1단자와 상기 배터리의 제 2단자 사이에 연결되는 제 2스위치와; 상기 DC 링크부에 구비된 캐패시터의 제 1단자와 상기 제 1권선의 제 2단자 사이에 연결되는 제 3스위치와; 상기 제 1권선의 제 2단자와 상기 배터리의 제 2단자 사이에 연결되는 제 4스위치로 구성된다.
또한, 상기 비접촉 변압기의 2차측에 구비된 제 5스위치 및 인덕터는 직렬로 연결된다.
또한, 상기 제 5스위치와 인덕터 사이에 다이오드가 추가로 더 구비될 수 있고, 상기 다이오드는 애노드 전극이 상기 제 5스위치의 제 2단자와 접속되도록 직렬로 연결된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 온도 제어 방법은, 전력 저장 시스템에 구비되는 배터리의 온도 제어 방법에 있어서, 상기 배터리의 저온 상태가 일정기간 유지됨이 감지되는 단계와; 상기 배터리의 저온 상태가 감지되면, 상기 전력 저장 시스템 내의 인버터에 구비된 비접촉 변압기의 2차측 연결이 차단되는 단계와; 상기 비접촉 변압기의 1차측 제 1권선에서 생성된 전류가 상기 배터리 측으로 전달되는 충방전 전류 패스가 형성되는 단계와; 상기 비접촉 변압기의 1차측에 구비된 복수개의 스위치들이 한 쌍씩 교변 동작하여 상기 충방전 전류 패스를 통해 상기 배터리의 충 방전 동작이 반복 수행되는 단계가 포함된다.
또한, 상기 비접촉 변압기의 2차측 연결이 차단될 때, 상기 전력 저장 시스템과 연계된 계통 및 부하의 연결이 차단되는 단계가 더 포함된다.
또한, 상기 배터리의 온도가 정상 온도 범위에 도달한 이후 상기 전력 저장 시스템이 상기 부하 및 계통과 연결되고 상기 형성된 충방전 전류 패스가 차단되는 단계가 더 포함된다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 전력 저장 시스템에 스위치를 추가 구성하여 배터리의 충방전 전류 패스를 조절함으로써, 배터리의 승온을 위해 복잡한 회로를 구현할 필요 없이 상기 전력 저장 시스템에 구비된 배터리가 저온 상태로 방치됨을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 기본적인 전력 저장 시스템의 운영 동작과 배터리 온도 제어를 위한 동작의 변환이 용이하게 구현될 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 배터리 온도 제어 시스템을 포함하는 전력 저장 시스템에 대한 블록도.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 온도 제어 시스템의 실시예에 대한 회로도.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 배터리 온도 제어 시스템의 동작을 설명하는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 배터리 온도 제어 시스템을 포함하는 전력 저장 시스템에 대한 블록도이다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 배터리 온도 제어 시스템은 전력 저장 시스템에 포함되는 구성으로서, 상기 전력 저장 시스템에 구비된 배터리가 저온 상태로 방치되는 것을 방지하고 저온 상태의 배터리의 온도를 상승시키는 동작을 수행하는 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 전력 저장 시스템(100)은 발전 시스템(3), 계통(1)과 연계하여 부하(2)에 전력을 공급한다.
발전 시스템(3)은 에너지원, 일 예로 재상 가능한 에너지원을 이용하여 전력을 생산하는 시스템이다. 발전 시스템(3)은 생산한 전력을 전력 저장 시스템(100)에 공급한다. 발전 시스템(3)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등일 수 있으며, 그 밖에 태양열이나 지열 등의 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 가정에 분산된 전력 저장 시스템(100)에 적용하기에 적합하다. 발전 시스템(3)은 다수의 발전모듈을 병렬로 구비하여 발전모듈 별로 전력을 생산함으로써 대용량 에너지 시스템을 구성할 수 있다.
계통(1)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비한다. 계통(1)은 정상 상태인 경우, 전력 저장 시스템(100) 또는 부하(2)로 전력을 공급하고, 전력 저장 시스템(100)으로부터 공급된 전력을 입력받는다. 계통(1)이 비정상 상태인 경우, 계통(1)으로부터 전력 저장 시스템(100) 또는 부하(2)로의 전력 공급은 중단되고, 전력 저장 시스템(100)으로부터 계통(1)으로의 전력 공급 또한 중단된다.
부하(2)는 발전 시스템(3)으로부터 생산된 전력, 전력 저장 시스템(100) 내의 배터리(60)에 저장된 전력, 또는 계통(1)으로부터 공급된 전력을 소비하는 것으로서, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다.
전력 저장 시스템(100)은 발전 시스템(3)에서 발전한 전력을 내부의 배터리(60)에 저장하고, 발전한 전력을 계통(1)으로 보낼 수 있다. 또한 전력 저장 시스템(100)은 배터리(60)에 저장된 전력을 계통(1)으로 전달하거나, 계통(1)에서 공급된 전력을 배터리(60)에 저장할 수 있다. 또한, 전력 저장 시스템(100)은 이상 상황, 예를 들면 계통(1)의 정전 발생 시에는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 동작을 수행하여 부하(2)에 전력을 공급할 수 있고, 계통(1)이 정상인 상태에서도 발전 시스템(3)이 발전한 전력이나 배터리(60)에 저장되어 있는 전력을 부하(2)로 공급할 수 있다.
전력 저장 시스템(100)은 전력 변환부(10), DC 링크부(20), 인버터(30), 컨버터(50), 배터리 및 배터리 관리 시스템(Battery Management System: 이하 BMS)(60), 계통 연계기(40), 부하 연계기(70) 및 제어기(80)를 포함하며, 상기 인버터(30) 및 컨버터(50)는 각각 양방향 인버터(30) 및 양방향 컨버터(50)로 구현될 수 있다.
상기 전력 변환부(10)는 상기 발전 시스템(3)과 제1 노드(N1) 사이에 연결되며, 발전 시스템(3)에서 생산된 전력(electric power)을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 변환하는 역할을 한다. 전력 변환부(10)의 동작은 발전 시스템(3)에서 발전하는 전력에 따라 변화한다. 예를 들어 발전 시스템(3)이 AC 전압을 발전하는 경우 전력 변환부(10)는 상기 AC 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 변환한다. 또한 발전 시스템(3)에서 DC전압을 발전하는 경우 상기 DC 전압을 제1 노드(N1)의 DC 전압으로 승압 하거나 감압한다.
예를 들어 발전 시스템(3)이 태양 발전 시스템인 경우에, 상기 전력 변환부(10)는 태양광에 의한 일사량 변화나 태양열에 의한 온도의 변화에 따라 최대 전력점을 검출하고 전력을 생산하는 MPPT 컨버터(Maximum power point tracking converter)일 수 있다. 이외에도 전력 변환부(10)로 다양한 종류의 컨버터(converter) 또는 정류기(rectifier)가 사용될 수 있다.
DC 링크부(20)는 제1 노드(N1)와 양방향 인버터(30) 사이에 연결되어 제1 노드(N1)의 직류 링크 전압(Vlink)을 일정하게 유지시키는 역할을 수행한다. 발전 시스템(2) 또는 계통(3)의 순시 전압 강하, 부하(4)에서 피크 부하 발생 등으로 인하여 제1 노드(N1)에서의 전압 레벨이 불안정해질 수 있다. 그러나 제1 노드(N1)의 전압은 양방향 인버터(30) 및 양방향 컨버터(50)의 안정적인 동작을 위하여 일정하게 유지될 필요가 있다. 이를 위해 DC 링크부(20)는, 예를 들면 알루미늄 전해 커패시터(Electrolytic Capacitor), 고압용 필름 커패시터(Polymer Capacitor), 고압 대전류용 적층 칩 커패시터(Multi Layer Ceramic Capacitor, MLCC) 등의 커패시터가 사용될 수 있다.
배터리(60)는 발전 시스템(3)에서 생산된 전력 또는 계통(1)의 전력을 공급받아 저장하고, 부하(3) 또는 계통(1)에 저장하고 있는 전력을 공급한다. 배터리(60)는 적어도 하나 이상의 배터리 셀로 이루어질 수 있으며, 각 배터리 셀은 복수의 베어셀을 포함할 수 있다. 이러한 배터리(60)는 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들어 니켈-카드뮴 전지(nikel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등일 수 있다.
또한, BMS는 배터리(60)에 연결되며, 제어기(80)의 제어에 따라 배터리(60)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. BMS는 배터리(60)를 보호하기 위하여, 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(41)는 배터리(40)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링하고, 관련 정보를 제어기(80)에 전송할 수 있다. 도 1의 실시예에서는 BMS가 배터리(40)가 일체로 된 배터리 팩으로 구성됨을 그 예로 설명하고 있으나, 이는 분리되어 구비될 수 있음은 물론이다.
컨버터(50)는 배터리(60)로부터 출력된 전력의 전압을 인버터(30)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 직류 링크 전압(Vlink)으로 DC-DC 변환한다. 또한 컨버터(50)는 제1 노드(N1)를 통해서 유입되는 충전전력을 배터리(60)에서 요구하는 전압 레벨로 DC-DC 변환한다. 여기서, 충전 전력은 예를 들어 발전 시스템(3)에서 생산된 전력 또는 계통(1)으로부터 인버터(30)를 통하여 공급되는 전력이다.
인버터(30)는 제1 노드(N1)와 부하(2) 또는 계통 연계기(60)가 연결된 제2노드(N2) 사이에 구비되는 전력 변환기이다. 인버터(30)는 발전 시스템(3) 또는 배터리(60)로부터 출력된 직류 링크 전압(Vlink)을 계통(1)의 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 또한 인버터(30)는 계통(1)의 전력을 배터리(60)에 저장하기 위하여, 계통(1)의 교류 전압을 정류하여 직류 링크 전압(Vlink)으로 변환하여 출력한다. 인버터(30)는 계통(1)으로 출력되는 교류 전압으로부터 고조파를 제거하기 위한 필터를 포함할 수 있으며, 무효 전력 발생을 억제하기 위하여 인버터(30)로부터 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL: Phase Locked Loop) 회로를 포함할 수 있다. 그 밖에, 인버터(30)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(transient phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다.
계통 연계기(40)는 계통(1)과 인버터(30) 사이에 연결된다. 계통 연계기(40)는 계통(1)에 이상 상황이 발생한 경우 제어기(80)의 제어 하에 전력 저장 시스템(100)와 계통(1)의 연계를 차단한다. 계통 연계기(40)는 스위칭 소자로 구현될 수 있으며, 이는 접합형 트랜지스터(BJT), 전계 효과트랜지스터(FET) 등 일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 상기 전력 저장 시스템(100)의 구성요소들 중 배터리(60), 컨버터(50), DC 링크부(20), 인버터(30)들이 상기 배터리(60)의 온도를 제어하는 동작을 수행하는 배터리 온도 제어 시스템(200)을 구성함을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 실시예는 상기 인버터(30)가 절연형 풀 브릿지 회로로 구현되고, 상기 인버터의 2차측에 스위치를 추가하여 상기 전력 저장 시스템(100)의 동작 중 배터리(60)의 저온 상태가 일정기간 유지됨이 제어기(80)에 의해 감지되면, 상기 제어기(80)는 계통(1) 및 부하(2)와의 연결을 끊고, 상기 인버터의 1차 측에 무효 전력을 발생시킴을 통해 배터리측에 충방전 전류를 제공함으로써, 상기 배터리의 온도를 상승시키는 동작을 수행할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 배터리 온도 제어 동작을 수행하기 위해 상기 인버터(30)에 스위치를 추가하는 것 외에 상기 컨버터(50) 및/또는 DC 링크부(20)에 스위치를 추가할 수 있으며, 상기 추가된 스위치들의 동작은 상기 제어기(80)에 의해 제어된다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 의한 배터리 온도 제어 시스템(200)의 구체적인 구성 및 동작은 이후 도 2 내지 3을 통해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 온도 제어 시스템의 실시예에 대한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 배터리 온도 제어 시스템(210)은 도 1에 도시된 전력 저장 시스템의 구성요소들 중 배터리(60), 컨버터(50), DC 링크부(20), 인버터(30)로 구성되며, 도 2에서는 상기 배터리 온도 제어 시스템(210)과 연결되는 부하(2)와, 계통 연계기(40) 및 계통(1)이 도시되어 있다.
단, 도 2에서는 배터리(60)만 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 상기 배터리(60)에는 BMS가 포함되어 구현될 수 있다.
상기 컨버터(50)는 도 2에 도시된 바와 같이 제 1, 2스위치(52, 53) 및 하나의 인덕터(L1)(51)로 구성되어 양방향 컨버팅 동작을 수행할 뿐 아니라, 상기 인덕터(51)와 병렬로 연결된 제 3스위치(54)가 추가로 구성됨으로써, 상기 인덕터(51)를 경유하지 않고 곧바로 배터리(60) 측으로의 충방전 전류 패스를 형성함을 특징으로 한다.
상기 인덕터(51)는 도시된 바와 같이 코일로 구현될 수 있으며, 이는 배터리(60)의 제 1단자(+)에 연결되는 제 1단자와, 상기 제 1스위치(52) 및 제 2스위치(53)의 사이의 노드(n1)와 연결되는 제 2단자를 포함한다.
상기 제 1스위치(52)는 DC 링크부(20)를 구성하는 캐패시터(C1)의 제 1단자와 인덕터(51)의 제 2단자를 연결한다. 즉, 제 1스위치(52)의 제 1단자는 상기 캐패시터(C1)의 제 1단자와 연결되고, 제 1스위치(52)의 제 2단자는 상기 인덕터(51)의 제 2단자와 연결된다.
또한, 상기 제 2스위치(53)는 인덕터(51)의 제 2단자와, DC 링크부(20)를 구성하는 캐패시터(C1)의 제 2단자 및 배터리(60)의 제 2단자(-)를 연결한다. 즉, 제 2스위치(53)의 제 1단자는 상기 인덕터(51)의 제 2단자와 연결되고, 제 2스위치(53)의 제 2단자는 상기 캐패시터(C1)의 제 2단자 및 배터리(60)의 제 2단자(-)와 연결된다.
이와 같은 상기 제 1, 2스위치(52, 53)은 IGBT(Insulated gate bipolar transistor) 또는 MOSFET 스위치로 구현될 수 있으나, 이 외에도 스위칭 기능을 하는 스위칭 소자라면 모두 가능하다. 단, 상기 제 1, 2스위치(52, 53)가 MOSFET 스위치인 경우라면 상기 스위치(52, 53)의 제 1 단자는 소스 단자이고, 제 2 단자는 드레인 단자일 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 컨버터(50)는 입력되는 전력의 전압을 승압하는 승압 컨버터 또는 강압할 수 있는 벅 컨버터로서 작용하는 양방향 컨버팅 동작을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 컨버터(50)는 기존의 일반적인 양방향 컨버팅 동작을 수행할 뿐 아니라, 상기 인덕터(51)를 경유하지 않고 곧바로 배터리(60) 측으로의 충방전 전류 패스를 형성할 수 있도록 상기 인덕터(51)와 병렬로 연결된 제 3스위치(54)가 추가로 구성됨을 특징으로 한다.
즉, 상기 컨버터(50)에는 도시된 바와 같이 상기 배터리(60)의 제 1단자(+)와, 상기 제 1스위치(52) 및 제 2스위치(53)의 사이의 노드(n1)를 연결하는 제 3스위치(54)가 더 포함된다.
따라서, 상기 제 3스위치(54)가 턴 온되면 상기 인덕터(51)를 경유하지 않고 곧바로 배터리(60) 측으로의 충방전 전류 패스가 형성되는 것이다.
이 때, 상기 제 1 내지 3스위치(52, 53, 54)의 턴 온/오프의 제어는 앞서 도 1에 도시된 제어기(80)에 의해 수행된다.
다음으로 상기 인버터(30)는 도 2에 도시된 바와 같이 4개의 스위치들(31 내지 34)로 구성된 풀 브릿지(Full Bridge) 구조이고, 1차측과 2차측이 비접촉 변압기(38)로 구분되는 절연형 풀 브릿지 구조로 구현됨을 특징으로 한다.
이 때, 상기 비접촉 변압기(38)는 1차측의 제 1권선(l1)과, 2차측의 제 2권선(l2)이 일정한 공극을 유지한 채로 분리된 것으로, 이는 감전 및 접촉 불량의 문제가 발생하지 않는다는 장점이 있다. 상기 제 1 및 제 2권선(l1, l2)는 코일로 구현될 수 있다.
상기 인버터(30)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 비접촉 변압기(38)의 1차측에 제 1 내지 4스위치(31 내지 34)들이 구비되고, 상기 비접촉 변압기(38)의 2차측에는 직렬로 연결된 제 5스위치(35) 및 다이오드(D), 인덕터(L2)(36)와, 상기 인덕터(L2)(36)에 병렬로 연결된 캐패시터(C2)가 구비된다.
여기서, 상기 다이오드(D)는 출력측으로 전달되는 전력을 정류하는 역할을 수행하고, 상기 캐패시터(C2)는 2차측에 연결된 부하(2)의 변동에 따른 일정한 출력 특성을 얻기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예에 의한 인버터(30)는 상기 1차측에 구비된 제 1 내지 4스위치들(31 내지 34)과 2차측에 구비된 인덕터(L2)를 통해 양방향 인버팅 동작을 수행할 뿐 아니라, 상기 비접촉 변압기(38)의 2차측에 직렬로 구비되어 상기 2차측의 연결을 제어하는 제 5스위치(37)가 추가로 구성됨을 특징으로 한다.
즉, 상기 제 5스위치(37)가 턴 온된 경우 상기 인버터(30)는 일반적인 양방향 인버팅 동작을 수행하고, 상기 제 5스위치(35)가 턴 오프되면 상기 1차측의 제 1권선(l1)이 무효 전력을 생성하는 인덕터의 역할을 수행하여 상기 발생된 무효전력에 의한 충방전 전류를 배터리측에 제공하는 역할을 수행하게 된다.
보다 구체적으로 상기 인덕터(30)의 1차측에 구비된 풀 브릿지 구조의 스위치들 중 상기 제 1스위치(31)는 DC 링크부(20)를 구성하는 캐패시터(C1)의 제 1단자와 제 1권선(l1)의 제 1단자를 연결한다. 즉, 제 1스위치(31)의 제 1단자는 상기 캐패시터(C1)의 제 1단자와 연결되고, 제 1스위치(31)의 제 2단자는 상기 제 1권선(l1)의 제 1단자와 연결된다.
상기 제 2스위치(32)는 제 1권선(l1)의 제 1단자와, DC 링크부(20)를 구성하는 캐패시터(C1)의 제 2단자 및 배터리(60)의 제 2단자(-)를 연결한다. 즉, 제 2스위치(32)의 제 1단자는 상기 제 1권선(l1)의 제 1단자와 연결되고, 제 2스위치(32)의 제 2단자는 상기 캐패시터(C1)의 제 2단자 및 배터리(60)의 제 2단자(-)와 연결된다.
또한, 상기 풀 브릿지 구조의 스위치들 중 상기 제 3스위치(33)는 DC 링크부(20)를 구성하는 캐패시터(C1)의 제 1단자와 제 1권선(l1)의 제 2단자를 연결한다. 즉, 제 3스위치(33)의 제 1단자는 상기 캐패시터(C1)의 제 1단자와 연결되고, 제 3스위치(33)의 제 2단자는 상기 제 1권선(l1)의 제 2단자와 연결된다.
상기 제 4스위치(34)는 제 1권선(l1)의 제 2단자와, DC 링크부(20)를 구성하는 캐패시터(C1)의 제 2단자 및 배터리(60)의 제 2단자(-)를 연결한다. 즉, 제 4스위치(34)의 제 1단자는 상기 제 1권선(l1)의 제 2단자와 연결되고, 제 4스위치(34)의 제 2단자는 상기 캐패시터(C1)의 제 2단자 및 배터리(60)의 제 2단자(-)와 연결된다.
이와 같은 상기 제 1 내지 4스위치(31 내지 34)은 IGBT(Insulated gate bipolar transistor) 또는 MOSFET 스위치로 구현될 수 있으나, 이 외에도 스위칭 기능을 하는 스위칭 소자라면 모두 가능하다. 단, 상기 제 1 내지 4스위치(31 내지 34)가 MOSFET 스위치인 경우라면 상기 스위치들의 제 1 단자는 소스 단자이고, 제 2 단자는 드레인 단자일 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 인버터(50)는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하거나, 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 변환하는 양방향 인버팅 동작을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 인버터(30)는 기존의 일반적인 양방향 인버팅 동작을 수행할 뿐 아니라, 상기 제 1권선(l1)을 이용하여 배터리 측으로 전달되는 충방전 전류를 발생시키기 위해 상기 2차측의 연결을 끊는 제 5스위치(35)가 추가로 구성됨을 특징으로 한다.
즉, 도 2에 도시된 실시예의 경우 상기 제 5스위치(35)는 상기 비접촉 변압기(38) 2차측을 구성하는 제 2권선(l2)의 제 1단자와 상기 다이오드(D)의 애노드 전극을 연결하도록 구성된다.
따라서, 상기 제 5스위치(37)가 턴 오프되면 상기 비접촉 변압기(38)의 2차측 연결이 끊어지게 되고, 이에 상기 비접촉 변압기(38)의 1차측에 구비된 제 1권선(L1)에서 전류가 부하(2) 또는 계통(1)이 아닌 배터리(60) 측으로의 전달될 수 있게 된다.
단, 이 경우 상기 계통 연계기(40)에 구비된 스위치들(41, 42)이 모두 턴 오프되어 상기 인버터(50)에 의해 변환된 전압이 상기 부하(2) 또는 계통(1)으로 전달되지 않도록 추가로 제어됨이 바람직하다.
이 때, 상기 인버터(30)의 제 1 내지 5스위치(31, 32, 33, 34, 37) 및 계통 연계기(40)에 구비된 스위치들에 대한 턴 온/오프의 제어는 앞서 도 1에 도시된 제어기(80)에 의해 수행된다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 배터리 온도 제어 시스템의 동작을 설명하는 도면이다.
단, 도 2 및 3을 통해 설명하는 배터리 온도 제어 시스템의 동작은, 상기 전력 저장 시스템(100)의 동작 중 배터리(60)의 저온 상태가 일정기간 유지됨이 제어기(80)에 의해 감지된 경우에 대응되는 동작이다.
즉, 제어기(80)는 배터리(60)와 연결된 BMS를 통해 주기적으로 배터리의 정보를 수신하므로, 배터리(60)가 소정 기간 저온 상태가 유지되는 것을 감지할 수 있다.
상기 제어기(80)에 의해 배터리(60)의 저온 상태가 감지되면, 이후 상기 제어기(80)는 상기 배터리(60)의 온도를 상승시키기 위해 도 2에 도시된 배터리 온도 제어 시스템(200)의 동작을 제어하며, 이 경우 상기 전력 저장 시스템(100)의 기본적인 동작은 상기 배터리(60)가 정상 온도를 회복할 때까지 보류된다.
상기 배터리 온도를 제어하는 기간 동안 상기 제어기(80)는 계통(1) 및 부하(2)와의 연결을 끊고 전력 저장 시스템(100)의 인버터(30)에 구비된 상기 비접촉 변압기(38)의 제 1권선(l1)을 이용하여 상기 배터리(60) 측에 충방전 전류를 발생시킴을 통해 배터리의 온도를 상승시키는 동작을 수행하게 되며, 이하 도 3a 내지 도 3c를 통해 이를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
먼저 도 1 및 도 3a를 참조하면, 제어기(80)가 배터리(60)에 구비된 BMS를 통해 배터리(60)의 저온 상태를 감지하면, 상기 제어기(80)는 인버터의 제 5스위치(35) 및 계통 연계기(40)의 스위치들(41, 42)을 턴 오프하여, 상기 전력 저장 시스템(100)과 상기 부하(3) 및 계통(1)과의 연계를 차단한다.
또한, 컨버터(50)에 포함된 제 3스위치(54) 및 DC 링크부에 구비된 캐패시터(C1)의 제 1단자와 연결된 제 1스위치(52)를 턴 온하여 상기 배터리(60)가 컨버터(50)의 인덕터(51)를 경유하지 않고 상기 인버터(30)와 직접 연결될 수 있도록 전류 패스가 형성된다.
이후 상기 인버터(30)에 구비된 풀 브릿지 구조로 구현되는 4개의 스위치들을 2개씩 교변 동작하여 상기 배터리의 충 방전 동작을 반복 수행하도록 한다.
즉, 도 3b를 참조하면, 이는 상기 제어기(80)가 상기 인버터(30)에 포함된 스위치들 중 제 1 및 제 4스위치(31, 34)를 턴 온하고, 제 2 및 제 3스위치(32, 33)를 턴 오프한 것을 나타낸다.
이 경우 도시된 바와 같이 상기 배터리(60)는 상기 배터리(60)의 제 1단자(+)에서부터 컨버터(50)의 제 3스위치(54) 및 제 1스위치(52)와, DC 링크부(20)에 구비된 캐패시터(C1)의 제 1단자와, 인버터(30)의 제 1스위치(31)와, 인버터(30)의 제 1권선(l1) 및 인버터(30)의 제 4스위치(34)를 거쳐 배터리(60)의 제 2단자(-)까지의 방전 패스가 형성된다.
즉, 상기 도 3b에 의할 경우 상기 배터리(60)에는 상기 방전 패스를 통해 방전 전류가 흐르게 된다.
또한, 도 3c를 참조하면, 이는 상기 제어기(80)가 상기 인버터(30)에 포함된 스위치들 중 제 2 및 제 3스위치(32, 33)를 턴 온하고, 제 1 및 제 4스위치(31, 34)를 턴 오프한 것을 나타낸다.
이 경우 상기 도 3b의 방전 패스와 반대의 방향을 갖는 충전 패스가 형성되고, 이를 통해 상기 인버터(30)의 제 1권선(l1)에 저장된 무효전력이 상기 배터리로 전달되어 상기 배터리(60)가 충전될 수 있게 된다.
즉, 상기 도 3c에 의할 경우 상기 배터리(60)에는 상기 충전 패스를 통해 충전 전류가 흐르게 된다.
상기 충전 패스는 도 3c에 도시된 바와 같이 배터리(60)의 제 2단자(-)에서부터 DC 링크부(20)에 구비된 캐패시터(C1)의 제 2단자와, 인버터(30)의 제 2스위치(32) 및 제 1권선(l1)과, 인버터의 제 3스위치(33) 및 DC 링크부(20)에 구비된 캐패시터(C1)의 제1단자와, 컨버터(50)의 제 1스위치(52) 및 제 3스위치(54)를 거쳐 배터리(60)의 제 1단자(+)까지의 경로가 된다.
상기 제어기(80)는 도 3b 및 도 3c의 동작을 반복하여 수행함을 통해 배터리(60)에는 충전 및 방전전류가 반복하여 흐르게 되고, 이 전류로 인해 배터리(60)의 온도는 상승하게 된다.
이후 배터리(60)의 온도가 정상 온도 범위에 도달하면, 상기 제어기(80)는 본 발명의 실시예에 의한 배터리 온도 제어 시스템의 동작을 종료하고, 전력 저장 시스템(100)의 기본적인 동작을 수행한다.
즉, 상기 인버터(30)의 2차측에 구비된 제 5스위치(35)을 턴 온하여 인버터(30)가 기본적인 양방향 인버팅 동작을 수행하고, 계통 연계기(40)의 스위치들(41, 42)을 턴 온하여 상기 전력 저장 시스템(100)을 상기 부하(3) 및 계통(1)과 연결시킨다.
이와 마찬가지로 상기 컨버터(50)에 포함된 제 3스위치(54)를 턴 오프하여 컨버터(50)가 기본적인 양방향 컨버팅 동작만을 수행한다. 즉, 상기 배터리 온도 제어 시스템 동작 시 형성된 충방전 전류 패스가 차단된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정하여져야만 한다.
100: 전력 저장 시스템 20: DC 링크부
30: 인버터 50: 컨버터
60: 배터리 80: 제어기
200: 배터리 온도 제어 시스템

Claims (11)

  1. 전력 저장 시스템에 구비되는 배터리와;
    복수의 스위치 및 하나의 인덕터로 구성되어 상기 배터리의 전압을 승압 또는 감압하는 컨버터와;
    상기 컨버터의 출력 전압을 안정화시키는 캐패시터가 구비된 DC 링크부와;
    1차측의 제 1권선 및 2차측의 제 2권선이 공극을 유지하여 분리된 비접촉 변압기와, 상기 1차측에 구비된 제 1 내지 제 4스위치와, 상기 2차측에 구비된 제 5스위치 및 인덕터를 포함하여 구성되는 인버터가 포함됨을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 배터리의 제 1단자에 연결되는 인덕터와;
    상기 DC 링크부에 구비된 캐패시터의 제 1단자와 상기 인덕터의 제 2단자 사이에 연결되는 제 1스위치와;
    상기 인덕터의 제 2단자와 상기 배터리의 제 2단자 사이에 연결되는 제 2스위치가 포함됨을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 인덕터와 병렬로 연결된 제 3스위치가 더 포함됨을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 1차측에 구비된 제 1 내지 제 4스위치들은 풀 브릿지(Full Bridge) 구조로 구현됨을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 풀브릿지 구조의 스위치들은,
    상기 DC 링크부에 구비된 캐패시터의 제 1단자와 상기 비접촉 변압기의 1차측 제 1권선의 제 1단자 사이에 연결되는 제 1스위치와;
    상기 제 1권선의 제 1단자와 상기 배터리의 제 2단자 사이에 연결되는 제 2스위치와;
    상기 DC 링크부에 구비된 캐패시터의 제 1단자와 상기 제 1권선의 제 2단자 사이에 연결되는 제 3스위치와;
    상기 제 1권선의 제 2단자와 상기 배터리의 제 2단자 사이에 연결되는 제 4스위치로 구성됨을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 비접촉 변압기의 2차측에 구비된 제 5스위치 및 인덕터는 직렬로 연결됨을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 5스위치와 인덕터 사이에 다이오드가 추가로 더 구비됨을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 다이오드는 애노드 전극이 상기 제 5스위치의 제 2단자와 접속되도록 직렬로 연결됨을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 시스템.
  9. 전력 저장 시스템에 구비되는 배터리의 온도 제어 방법에 있어서,
    상기 배터리의 저온 상태가 일정기간 유지됨이 감지되는 단계와;
    상기 배터리의 저온 상태가 감지되면, 상기 전력 저장 시스템 내의 인버터에 구비된 비접촉 변압기의 2차측 연결이 차단되는 단계와;
    상기 비접촉 변압기의 1차측 제 1권선에서 생성된 전류가 상기 배터리 측으로 전달되는 충방전 전류 패스가 형성되는 단계와;
    상기 비접촉 변압기의 1차측에 구비된 복수개의 스위치들이 한 쌍씩 교변 동작하여 상기 충방전 전류 패스를 통해 상기 배터리의 충 방전 동작이 반복 수행되는 단계가 포함됨을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 비접촉 변압기의 2차측 연결이 차단될 때, 상기 전력 저장 시스템과 연계된 계통 및 부하의 연결이 차단되는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 배터리의 온도가 정상 온도 범위에 도달한 이후 상기 전력 저장 시스템이 상기 부하 및 계통과 연결되고 상기 형성된 충방전 전류 패스가 차단되는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 배터리 온도 제어 방법.
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