WO2024210316A1 - 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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이근욱
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    • Y04S10/00—Systems supporting electrical power generation, transmission or distribution
    • Y04S10/14—Energy storage units

Definitions

  • Embodiments disclosed in this document relate to energy storage systems.
  • An energy storage system is a system that connects renewable energy, batteries that store electricity, and existing grid power. Recently, as smart grids and renewable energy are being expanded and the efficiency and stability of power systems are being emphasized, the demand for energy storage systems is increasing for power supply and demand control, and power quality improvement. Depending on the purpose of use, energy storage systems have different outputs and capacities. In order to configure a large-capacity energy storage system, multiple battery systems can be connected to each other.
  • DC-coupled energy storage systems are changing from AC-coupled to DC-coupled energy storage systems.
  • the battery system and the grid have different voltage levels, and the voltage types are also different: the battery system has DC voltage, and the grid has AC voltage. Accordingly, a DC-DC converter and a DC-AC inverter, which are power conversion devices, are essential between the battery system and the grid.
  • the DC-DC converter is installed in each battery cell or battery module and functions as the DC-DC converter of the entire system, and a structure that can have various advantages such as cell balancing and blocking of defective cells is being developed. Through this, the power consumption of the DC-DC converter in the energy storage system can be reduced, but the power consumption generated by the DC-AC inverter is still a problem that needs to be overcome.
  • Embodiments disclosed in this document can provide an energy storage system capable of generating an AC voltage using a DC-DC converter in a battery cell, a battery module, or a battery pack unit.
  • An energy storage system may include a plurality of battery units, a plurality of DC-DC converters each connected to a respective one of the plurality of battery units and converting an input voltage from the connected battery unit into an output voltage, and a control unit controlling the plurality of DC-DC converters such that a sum of the output voltages of the plurality of DC-DC converters becomes an AC voltage.
  • each of the plurality of DC-DC converters is connected to the positive and negative electrodes of each of the plurality of battery units, and the combined voltage can be applied to a grid system connected to the energy storage system.
  • the plurality of DC-DC converters are configured to perform a bypass function so that the magnitude of the output voltage becomes 0 V, and the control unit can control the plurality of DC-DC converters so that the sum voltage becomes an AC voltage by using the bypass function.
  • control unit can control the plurality of DC-DC converters to perform the bypass function according to a specified cycle.
  • the plurality of DC-DC converters are configured to perform a rising control function for causing the output voltage to become a voltage that rises based on a specified slope and a falling control function for causing the output voltage to become a voltage that falls based on a specified slope, and the control unit can control the plurality of DC-DC converters using the rising control function and the falling control function so that the summed voltage becomes an AC voltage.
  • control unit can control the plurality of DC-DC converters such that the sum voltage has a magnitude, phase, and/or frequency corresponding to a required AC voltage of the grid system.
  • control unit can control the plurality of DC-DC converters based on the states of the plurality of battery units.
  • An energy storage system further includes at least one BMS (Battery Management System) for managing states of the plurality of battery units, and the control unit can obtain state data of the plurality of battery units from the at least one BMS and determine the states of the plurality of battery units based on the state data.
  • BMS Battery Management System
  • the state data may be data related to at least one of voltage, current, temperature, SOC (State of Charge), or SOH (State of Health) of the plurality of battery units.
  • each of the plurality of battery units may be a battery cell, a battery module, a battery pack, or a battery rack.
  • the DC-AC inverter can be omitted from the energy storage system, thereby obtaining advantages in terms of power efficiency, power density, and temperature compared to existing energy storage systems.
  • Figure 1 is a block diagram showing a conventional energy storage system and grid system.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an energy storage system and a grid system according to one embodiment.
  • FIG. 3 is a drawing for explaining the connection structure of a battery unit and a DC-DC converter in an energy storage system according to one embodiment.
  • FIGS. 4A to 4C are diagrams illustrating examples of multiple DC-DC converters sequentially performing designated functions within an energy storage system according to one embodiment.
  • FIG. 5 is a drawing for explaining the connection structure of a battery unit, a DC-DC converter, and a switch in an energy storage system according to one embodiment.
  • phrases “A or B”, “at least one of A and B”, “at least one of A or B”, “A, B, or C”, “at least one of A, B, and C”, and “at least one of A, B, or C” can each include any one of the items listed together in that phrase, or all possible combinations thereof.
  • the terms “first”, “second”, “first”, “second”, “A”, “B”, “(a)”, or “(b)” may be used merely to distinguish one component from another, and do not limit the components in any other respect (e.g., importance or order), unless specifically stated otherwise.
  • a component e.g., a first component
  • a component e.g., a first component
  • each component e.g., a module or a program of the above-described components may include a single or multiple entities, and some of the multiple entities may be separated and arranged in other components.
  • one or more of the components or operations of the above-described components may be omitted, or one or more other components or operations may be added.
  • the multiple components e.g., a module or a program
  • the integrated component may perform one or more functions of each of the multiple components identically or similarly to those performed by the corresponding component of the multiple components before the integration.
  • the operations performed by the module, program or other components may be executed sequentially, in parallel, repeatedly, or heuristically, or one or more of the operations may be executed in a different order, omitted, or one or more other operations may be added.
  • Figure 1 is a block diagram showing a conventional energy storage system and grid system.
  • a conventional energy storage system (110) is connected to a grid system (120) and includes a battery unit (111), a DC-DC converter (112), and a DC-AC inverter (113).
  • the smallest unit of a battery that plays a role in storing power in an energy storage system (ESS) is typically a battery cell.
  • a series/parallel combination of battery cells forms a battery module, and a plurality of battery modules can form a battery pack or a battery rack.
  • the battery unit (111) illustrated in FIG. 1 may be a battery pack or a battery rack.
  • a conventional energy storage system (110) transmits power to a grid system (120) (when discharging) or receives power from a grid system (120) (when charging).
  • the grid system (120) requires AC power
  • the power transmitted between the energy storage system (110) and the grid system (120) is AC power.
  • the conventional energy storage system (110) converted the DC output power of the battery unit (111) into AC power through the DC-DC converter (112) and the DC-AC inverter (113) and transmitted it to the grid system (120).
  • the conventional energy storage system (110) converted the AC power transmitted from the grid system (120) into DC power through the DC-AC inverter (113) and the DC-DC converter (112) and transmitted it to the battery unit (111).
  • the conventional energy storage system (110) required a DC-AC inverter (113) for the above-described power transmission and reception.
  • a DC-AC inverter (113) for the above-described power transmission and reception.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an energy storage system and a grid system according to one embodiment.
  • the energy storage system (200) may be connected to a grid system (260).
  • the energy storage system (200) and the grid system (260) may transmit and receive AC power.
  • the energy storage system (200) may transmit AC power to the grid system (260).
  • the energy storage system (200) may receive AC power from the grid system (260).
  • the energy storage system (200) may include a plurality of battery units (210, 220, 230, 240), a plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242), and a control unit (250).
  • the energy storage system (200) illustrated in FIG. 2 may further include at least one component (e.g., a Battery System Controller (BSC), an Energy Management System (EMS), or a Power Management System (PMS)) other than the components illustrated in FIG. 2.
  • BSC Battery System Controller
  • EMS Energy Management System
  • PMS Power Management System
  • a battery that performs the role of storing power can be implemented in a form in which a plurality of battery modules in which a plurality of battery cells are connected in series/parallel form a battery pack or a battery rack, and a plurality of battery packs or a plurality of battery racks form a battery bank.
  • Each of the plurality of battery units (210, 220, 230, 240) illustrated in FIG. 2 may be a battery cell, a battery module, a battery pack, or a battery rack.
  • multiple battery units may be connected in series or in parallel with each other.
  • a battery management system (211, 221, 231, or 241) may be installed in each of a plurality of battery units (210, 220, 230, or 240).
  • the BMS (211, 221, 231, or 241) may manage the status of the battery unit (210, 220, 230, or 240) it manages.
  • the BMS (211, 221, 231, or 241) may monitor voltage, current, and/or temperature of the battery unit (210, 220, 230, or 240), and calculate SOC and/or SOH based on the monitoring results.
  • the BMS (211, 221, 231, or 241) may perform a role of controlling charging and discharging based on the status of the battery unit (210, 220, 230, or 240).
  • the BMS may transmit status data related to at least one of voltage, current, temperature, SOC, or SOH of the battery unit (210, 220, 230, or 240) to the control unit (250).
  • each of the plurality of DC-DC converters may be connected to each of the plurality of battery units (210, 220, 230, 240).
  • the first DC-DC converter (212) may be connected to the first battery unit (210)
  • the second DC-DC converter (222) may be connected to the second battery unit (220)
  • the third DC-DC converter (232) may be connected to the third battery unit (230)
  • the Nth DC-DC converter (242) may be connected to the Nth battery unit (240) (wherein N is a natural number greater than or equal to 4).
  • a plurality of DC-DC converters may be directly or indirectly connected to a grid system (260). At this time, a sum voltage of the output voltages of the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) may be applied to the grid system (260) through the connection.
  • a predetermined filter may be connected between the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) and the grid system (260).
  • the predetermined filter may be implemented as an AC transformer that converts a sum voltage of the output voltages of the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) to a required voltage of the grid system (260).
  • a given filter may function to convert the sum voltage so that the intermediate voltage value of the AC voltage, which is the sum voltage, becomes 0 V.
  • a plurality of DC-DC converters can convert an input voltage into an output voltage of a specified size.
  • the DC-DC converter (212, 222, 232, or 242) can be implemented as various types of converters such as a full-bridge converter, a half-bridge converter, a flyback converter, etc.
  • the DC-DC converter (212, 222, 232, or 242) can include a separate control unit, an input switching set, a primary coil, a secondary coil, an output switching set, and a capacitor.
  • the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) may be bidirectional converters. For example, when conversion is performed from the plurality of battery units (210, 220, 230, 240) toward the grid system (260), inputs of the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) may be connected to the plurality of battery units (210, 220, 230, 240), and outputs of the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) may be connected to the grid system (260).
  • the inputs of the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) may be connected to the grid system (260), and the outputs of the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) may be connected to the plurality of battery units (210, 220, 230, 240).
  • a plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) can be configured to perform specific functions.
  • a specific function may include a bypass function that causes the magnitude of the output voltage to be 0 V.
  • the DC-DC converter (212, 222, 232, or 242) may perform the bypass function to block power output from the connected battery unit (210, 220, 230, or 240).
  • the specific function may include a rising control function that causes the output voltage to be a voltage that rises based on a specified slope and/or a falling control function that causes the output voltage to be a voltage that falls based on a specified slope.
  • control unit (250) may include a central processing unit, an application processor, a graphics processing unit, a neural processing unit (NPU), an image signal processor, a sensor hub processor, or a communication processor.
  • control unit may include a central processing unit, an application processor, a graphics processing unit, a neural processing unit (NPU), an image signal processor, a sensor hub processor, or a communication processor.
  • control unit (250) may execute software to control at least one other component of the energy storage system (200) connected to the control unit (250) (e.g., BMS (211, 221, 231, or 241), DC-DC converter (212, 222, 232, or 242)) and perform various data processing or calculations.
  • BMS 211, 221, 231, or 241
  • DC-DC converter 212, 222, 232, or 242
  • control unit (250) can control the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) such that the sum of the output voltages of the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) becomes an AC voltage.
  • control unit (250) can control the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) such that the sum of the output voltages of the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) has a magnitude, a phase, and/or a frequency corresponding to a required AC voltage of the grid system (260).
  • control unit (250) can control a plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) to make the sum voltage an AC voltage by using the bypass function.
  • the control unit (250) can control the number of DC-DC converters (212, 222, 232, or 242) that output voltage through the bypass function.
  • control unit (250) can control the output voltage size of the DC-DC converters (212, 222, 232, or 242) that output voltage.
  • control unit (250) can control a plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) to perform a bypass function for a specified period of time.
  • the control unit (250) can control the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) to perform the bypass function according to a specified period.
  • the specified period may be set to the same period for all of the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) or may be set to a different period for each of them.
  • the specified period may be set based on a magnitude, a phase, and/or a frequency corresponding to a required AC voltage of the grid system (260). For example, the specified period may be set to a period faster than a period of the required AC voltage of the grid system (260) so that the sum voltage becomes the required AC voltage.
  • control unit (250) may control the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) to sequentially perform the bypass function in a specified order.
  • control unit (250) can control the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) so that the sum voltage becomes an AC voltage (specifically, a required AC voltage of the grid system (260)) by controlling the magnitude of the DC output voltage of the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242).
  • the control unit (250) can control the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) to output the combined voltage as an AC voltage by using the rising control function and the falling control function.
  • the control unit (250) can control the DC-DC converters (212, 222, 232, or 242) to output a voltage that rises or falls based on a specified slope.
  • the specified slope can be set based on a magnitude, a phase, and/or a frequency corresponding to a required AC voltage of the grid system (260).
  • the control unit (250) can deliver a smoother form of AC voltage to the grid system (260) by using the rising control function and the falling control function.
  • control unit (250) can control the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) so that the sum voltage becomes an AC voltage by utilizing all of the bypass function, the rising control function, and the falling control function.
  • control unit (250) can control at least some of the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) to perform the bypass function, and control the remainder to perform the rising control function and/or the falling control function.
  • control unit (250) can control the plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) based on the status of the plurality of battery units (210, 220, 230, 240).
  • the control unit (250) can obtain status data of the plurality of battery units (210, 220, 230, 240) from at least one BMS (211, 221, 231, and/or 241).
  • the control unit (250) can determine the status of the plurality of battery units (210, 220, 230, 240) based on the obtained status data. For example, the control unit (250) can determine the status of the plurality of battery units (210, 220, 230, 240) as an abnormal state or a normal state.
  • control unit (250) can control a plurality of DC-DC converters (212, 222, 232, 242) based on the determined state.
  • control unit (250) can control a DC-DC converter (212, 222, 232, or 242) connected to a battery unit (212, 222, 232, or 242) determined to be in an abnormal state to perform a bypass function.
  • control unit (250) may determine that the battery unit (210, 220, 230, or 240) is in an abnormal state if the output voltage, SOC, or SOH of the battery unit (210, 220, 230, or 240) is below a specified level. As another example, the control unit (250) may determine that the battery unit (210, 220, 230, or 240) is in an abnormal state if the temperature of the battery unit (210, 220, 230, or 240) is above a specified temperature.
  • FIG. 3 is a drawing for explaining the connection structure of a battery unit and a DC-DC converter in an energy storage system according to one embodiment.
  • Each of the energy storage system (300) and the grid system (360) illustrated in FIG. 3 may have the same configuration as each of the energy storage system (200) and the grid system (260) illustrated in FIG. 2.
  • each of the plurality of DC-DC converters (312, 322, 332, 342) may be connected to the positive and negative poles of each of the plurality of battery units (310, 320, 330, 340). That is, each of the plurality of DC-DC converters (312, 322, 332, 342) may be connected so as to convert the output voltage of each of the plurality of battery units (310, 320, 330, 340). Accordingly, the control unit of the energy storage system (300) (e.g., the control unit (250) of FIG. 2) may individually control the output voltage of each of the plurality of battery units (310, 320, 330, 340).
  • connection units of each of the plurality of battery units (310, 320, 330, 340) and each of the plurality of DC-DC converters (312, 322, 332, 342) may be connected in series with each other.
  • the positive output terminal of the first DC-DC converter (312) and the negative output terminal of the Nth DC-DC converter (342) may be connected to each other through a storage element (C1) that performs an energy storage role.
  • the positive output terminal of the first DC-DC converter (312) may be connected to the positive input terminal of the grid system (360), and the negative output terminal of the Nth DC-DC converter (342) may be connected to the negative input terminal of the grid system (360).
  • the sum of the output voltages of multiple DC-DC converters (312, 322, 332, 342) can be stored in the storage element (C1) or applied to the grid system (360).
  • FIGS. 4A to 4C are diagrams illustrating examples of multiple DC-DC converters sequentially performing specific functions within an energy storage system according to one embodiment.
  • the specific functions may include a bypass function, a rising control function, and/or a falling control function.
  • Each of the energy storage system (400) and the grid system (460) illustrated in FIGS. 4a to 4c may have the same configuration as each of the energy storage system (200) and the grid system (260) illustrated in FIG. 2.
  • the first DC-DC converter (412) may perform a specific function, and the remaining DC-DC converters (422, 432, 442) may not perform the specific function.
  • the specific function is a bypass function
  • the sum voltage applied to the grid system (460) may be the sum voltage of the voltages output from the remaining battery units (420, 430, 440) except for the first battery unit (410), converted by the remaining DC-DC converters (422, 432, 442).
  • the first DC-DC converter (412) and the third DC-DC converter (432) may perform a specific function, and the remaining DC-DC converters (422, 442) may not perform the specific function.
  • the specific function is a bypass function
  • the sum voltage applied to the grid system (460) may be the sum voltage of the voltages output from the remaining battery units (420, 440) except for the first battery unit (410) and the third battery unit (430), which are converted by the remaining DC-DC converters (422, 442).
  • the first DC-DC converter (412), the third DC-DC converter (432), and the Nth DC-DC converter (442) may perform a specific function, and the remaining DC-DC converters (422) may not perform the specific function.
  • the specific function is a bypass function
  • the sum voltage applied to the grid system (460) may be a voltage converted by the remaining DC-DC converters (422) from the voltage output from the remaining battery units (420) except for the first battery unit (410), the third battery unit (430), and the Nth battery unit (440).
  • the energy storage system (400) can control whether the plurality of DC-DC converters (400) perform a specific function so that the sum of the output voltages of the plurality of DC-DC converters (400) becomes an AC voltage.
  • a control unit e.g., control unit (250) of FIG. 2 within the energy storage system (400) can control whether the plurality of DC-DC converters (400) perform a specific function.
  • the energy storage system (400) can control a plurality of DC-DC converters (412, 422, 432, 442) to sequentially perform a specific function in a specified order.
  • the energy storage system (400) can control the first DC-DC converter (412), the third DC-DC converter (432), and the Nth DC-DC converter (442) to perform a specific function in that order (i.e., in the order of FIGS. 4a, 4b, and 4c).
  • This may be a control for generating a portion in which the voltage value decreases in an AC voltage waveform, which is a summation voltage.
  • the specified order is not limited thereto, and may be set in various ways so that the summation voltage becomes a required AC voltage.
  • FIG. 5 is a drawing for explaining the connection structure of a battery unit, a DC-DC converter, and a switch in an energy storage system according to one embodiment.
  • Each of the energy storage system (500) and the grid system (590) illustrated in FIG. 5 may have the same configuration as each of the energy storage system (200) and the grid system (260) illustrated in FIG. 2.
  • an energy storage system may include a plurality of battery units (510, 520, 530, 540, 550, 560, 570, 580), a plurality of DC-DC converters (512, 522, 532, 542, 552, 562, 572, 582), a switch (SW), and a storage element (C2).
  • Each of the plurality of DC-DC converters (512, 522, 532, 542, 552, 562, 572, 582) can be connected to the positive and negative poles of each of the plurality of battery units (510, 520, 530, 540, 550, 560, 570, 580). That is, each of the plurality of DC-DC converters (512, 522, 532, 542, 552, 562, 572, 582) can be connected to convert the output voltage of each of the plurality of battery units (510, 520, 530, 540, 550, 560, 570, 580).
  • the control unit of the energy storage system (500) e.g., the control unit (250) of FIG. 2 can individually control the output voltage of each of the plurality of battery units (510, 520, 530, 540, 550, 560, 570, 580).
  • connection units of each of the first battery unit (510), the second battery unit (520), the third battery unit (530), the Nth battery unit (540) and the first DC-DC converter (512), the second DC-DC converter (522), the third DC-DC converter (532), the Nth DC-DC converter (542) may be connected in series with each other.
  • the connection units of each of the N+1th battery unit (550), the 2N-2th battery unit (560), the 2N-1th battery unit (270), the 2Nth battery unit (580) and the N+1th DC-DC converter (552), the 2N-2nd DC-DC converter (562), the 2N-1th DC-DC converter (572), the 2Nth DC-DC converter (582) may also be connected in series with each other.
  • the negative output terminal of the Nth DC-DC converter (542) and the positive output terminal of the N+1th DC-DC converter can be connected to each other.
  • one end of a storage element (C2) performing an energy storage role may be connected to a switch (SW), and the other end may be connected to a negative output terminal of an Nth DC-DC converter (542) and a positive output terminal of an N+1th DC-DC converter.
  • the switch (SW) may be configured to connect one end of the storage element (C2) to a positive output terminal of a first DC-DC converter (512) or a negative output terminal of a second Nth DC-DC converter (582) based on a predetermined cycle.
  • a first summed voltage of the output voltages of the first DC-DC converter (512), the second DC-DC converter (522), the third DC-DC converter (532), ..., and the Nth DC-DC converter (542) can be stored in the storage element (C1) or applied to the grid system (590).
  • a second summed voltage of the output voltages of the N+1th DC-DC converter (552), ..., the 2N-2th DC-DC converter (562), the 2N-1th DC-DC converter (572), and the 2Nth DC-DC converter (582) can be stored in the storage element (C1) or applied to the grid system (590).
  • the first summed voltage and the second summed voltage stored in the storage element (C1) or applied to the grid system (590) may have opposite directions.
  • the first summed voltage may have a positive value and the second summed voltage may have a negative value.
  • the energy storage system (500) may control the intermediate voltage value of the AC voltage applied to the grid system (590) to be 0 V without a separate filter.
  • a predetermined period in which the connection of the switch (SW) is changed may be set to 1/2 of the required AC voltage period of the grid system (590).

Landscapes

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Abstract

본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은, 복수의 배터리 유닛들, 각각이 상기 복수의 배터리 유닛들 각각과 연결되어, 연결된 배터리 유닛으로부터의 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 복수의 DC-DC 컨버터들, 및 상기 복수의 DC-DC 컨버터들의 출력 전압들의 합산 전압이 AC 전압이 되도록 상기 복수의 DC-DC 컨버터들을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

에너지 저장 시스템
관련출원과의 상호인용
본 발명은 2023.04.06.에 출원된 한국 특허 출원 제 10-2023-0045550호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용을 본 명세서의 일부로서 포함한다.
기술분야
본 문서에 개시된 실시 예들은, 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)은 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템이다. 최근 지능형 전력망(smart grid)과 신재생 에너지의 보급이 확대되고 전력 계통의 효율화와 안정성이 강조됨에 따라, 전력 공급 및 수요조절, 및 전력 품질 향상을 위해 에너지 저장 시스템에 대한 수요가 점점 증가하고 있다. 사용 목적에 따라 에너지 저장 시스템은 출력과 용량이 달라진다. 대용량 에너지 저장 시스템을 구성하기 위하여, 복수의 배터리 시스템들이 서로 연결될 수 있다.
이러한 에너지 저장 시스템은 AC-coupled에서 DC-coupled 에너지 저장 시스템으로 변화 중이다. DC-coupled ESS 시스템에서 배터리 시스템과 그리드(Grid; 계통)는 전압 레벨이 다르고, 전압 형태도 배터리 시스템은 DC 전압, 그리드는 AC 전압으로 서로 다르다. 이에 따라, 배터리 시스템과 그리드 사이에는 전력 변환 장치인 DC-DC 컨버터 및 DC-AC 인버터가 필수로 요구된다.
이들 중 DC-DC 컨버터는 배터리 셀 또는 배터리 모듈마다 장착되어 전체 시스템의 DC-DC 컨버터의 기능을 하고 있으며, 셀 밸런싱이나 불량 셀 차단 등 다양한 장점을 가질 수 있는 구조가 개발되고 있다. 이를 통해 에너지 저장 시스템 내에서 DC-DC 컨버터의 전력 소모는 저감할 수 있으나, DC-AC 인버터에서 발생하는 전력 소모는 여전히 극복해야 할 문제이다.
본 문서에 개시된 실시 예들은, 배터리 셀, 배터리 모듈, 또는 배터리 팩 단의 DC-DC 컨버터를 이용하여 AC 전압을 생성할 수 있는 에너지 저장 시스템을 제공할 수 있다.
본 문서에 개시된 실시 예들의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은, 복수의 배터리 유닛들, 각각이 상기 복수의 배터리 유닛들 각각과 연결되어, 연결된 배터리 유닛으로부터의 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 복수의 DC-DC 컨버터들, 및 상기 복수의 DC-DC 컨버터들의 출력 전압들의 합산 전압이 AC 전압이 되도록 상기 복수의 DC-DC 컨버터들을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템에 있어서, 상기 복수의 DC-DC 컨버터들은 각각이 상기 복수의 배터리 유닛들 각각의 양극 및 음극과 연결되고, 상기 합산 전압이 상기 에너지 저장 시스템과 연결되는 그리드 시스템에 인가될 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템에 있어서, 상기 복수의 DC-DC 컨버터들은, 상기 출력 전압의 크기가 0V가 되도록 하는 바이패스(bypass) 기능을 수행 가능하도록 구성되고, 상기 제어부는, 상기 바이패스 기능을 이용하여 상기 합산 전압이 AC 전압이 되도록 상기 복수의 DC-DC 컨버터들을 제어할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 지정된 주기에 따라 상기 바이패스 기능을 수행하도록 상기 복수의 DC-DC 컨버터들을 제어할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템에 있어서, 상기 복수의 DC-DC 컨버터들은, 상기 출력 전압이 지정된 기울기에 기초하여 상승하는 전압이 되도록 하는 상승 제어 기능 및 상기 출력 전압이 지정된 기울기에 기초하여 하강하는 전압이 되도록 하는 하강 제어 기능을 수행 가능하도록 구성되고, 상기 제어부는, 상기 상승 제어 기능 및 상기 하강 제어 기능을 이용하여 상기 합산 전압이 AC 전압이 되도록 상기 복수의 DC-DC 컨버터들을 제어할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 합산 전압이 상기 그리드 시스템의 필요 AC 전압에 대응되는 크기, 위상, 및/또는 주파수를 갖도록 상기 복수의 DC-DC 컨버터들을 제어할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 유닛들의 상태에 기초하여 상기 복수의 DC-DC 컨버터들을 제어할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템은, 상기 복수의 배터리 유닛들의 상태를 관리하는 적어도 하나의 BMS(Battery Management System)를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 BMS로부터 상기 복수의 배터리 유닛들의 상태 데이터를 획득하고, 상기 상태 데이터에 기초하여 상기 복수의 배터리 유닛들의 상기 상태를 결정할 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템에 있어서, 상기 상태 데이터는 상기 복수의 배터리 유닛들의 전압, 전류, 온도, SOC(State of Charge), 또는 SOH(State of Health) 중 적어도 하나와 관련된 데이터일 수 있다.
본 문서에 개시된 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템에 있어서, 상기 복수의 배터리 유닛들 각각은 배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩, 또는 배터리 랙일 수 있다.
본 문서에 개시된 실시 예들에 따르면, DC-DC 컨버터 만으로도 그리드 시스템이 필요로 하는 AC 전압 생성이 가능하기 때문에 에너지 저장 시스템에서 DC-AC 인버터를 생략할 수 있으며, 이를 통해 기존의 에너지 저장 시스템 대비 전력 효율, 전력 밀도, 및 온도 측면에서 장점을 가질 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 종래의 에너지 저장 시스템 및 그리드 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템 및 그리드 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템 내의 배터리 유닛과 DC-DC 컨버터의 연결 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템 내의 복수의 DC-DC 컨버터들이 지정된 기능을 순차적으로 수행하는 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템 내의 배터리 유닛, DC-DC 컨버터, 스위치의 연결 구조를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 문서의 다양한 실시 예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시 예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째", "둘째", "A", "B", "(a)" 또는 "(b)"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다.
본 문서에서, 어떤(예: 제 1) 구성요소가 다른(예: 제 2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 언급되거나 "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제 3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있으며, 복수의 개체 중 일부는 다른 구성요소에 분리 배치될 수도 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
도 1은 종래의 에너지 저장 시스템 및 그리드 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 에너지 저장 시스템(110)은 그리드 시스템(120)과 연결되고, 배터리 유닛(111), DC-DC 컨버터(112), 및 DC-AC 인버터(113)를 포함하였다.
에너지 저장 시스템(ESS)에서 전력을 저장하는 역할을 수행하는 배터리의 최소 단위는 통상적으로 배터리 셀이다. 배터리 셀들의 직/병렬 조합이 배터리 모듈을 이루고, 다수의 배터리 모듈들이 배터리 팩 또는 배터리 랙을 구성할 수 있다. 도 1에 도시된 배터리 유닛(111)은 배터리 팩 또는 배터리 랙일 수 있다.
종래의 에너지 저장 시스템(110)은 그리드 시스템(120)으로 전력을 전달하거나(방전 시) 그리드 시스템(120)으로부터 전력을 전달받았다(충전 시). 여기서, 그리드 시스템(120)은 AC 전력을 필요로 하기 때문에, 에너지 저장 시스템(110)과 그리드 시스템(120) 간에 전달되는 전력은 AC 전력이다.
보다 구체적으로, 방전의 경우, 종래의 에너지 저장 시스템(110)은 배터리 유닛(111)의 DC 출력 전력을 DC-DC 컨버터(112) 및 DC-AC 인버터(113)를 통해 AC 전력으로 변환하여 그리드 시스템(120)으로 전달하였다. 충전의 경우, 종래의 에너지 저장 시스템(110)은 그리드 시스템(120)으로부터 전달된 AC 전력을 DC-AC 인버터(113) 및 DC-DC 컨버터(112)를 통해 DC 전력으로 변환하여 배터리 유닛(111)으로 전달하였다.
즉, 종래의 에너지 저장 시스템(110)은 상기와 같은 전력 송수신을 위해 DC-AC 인버터(113)가 필수적으로 요구되었다. 그러나, 이러한 구조로 인해, 전력이 DC-AC 인버터(113)를 지나가는 동안 전력 소모가 발생하여 전력 효율이 감소되거나, DC-AC 인버터(113)의 변환 기능에 의한 발열로 인해 전체 시스템의 온도가 과도하게 증가하는 문제가 있었다.
도 2는 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템 및 그리드 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 에너지 저장 시스템(200)은 그리드 시스템(260)과 연결될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 에너지 저장 시스템(200)과 그리드 시스템(260)은 AC 전력을 송수신할 수 있다. 예를 들어, 방전 시, 에너지 저장 시스템(200)은 그리드 시스템(260)으로 AC 전력을 전달할 수 있다. 다른 예로, 충전 시, 에너지 저장 시스템(200)은 그리드 시스템(260)으로부터 AC 전력을 전달받을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 에너지 저장 시스템(200)은 복수의 배터리 유닛들(210, 220, 230, 240), 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242), 및 제어부(250)를 포함할 수 있다. 실시 예에 따라, 도 2에 도시된 에너지 저장 시스템(200)은 도 2에서 도시된 구성 요소들 이외의 적어도 하나의 구성 요소(예: BSC(Battery System Controller), EMS(Energy Management System), 또는 PMS(Power Management System))를 더 포함할 수 있다.
에너지 저장 시스템(200)에서 전력을 저장하는 역할을 수행하는 배터리는, 통상적으로 복수의 배터리 셀들이 직/병렬로 연결된 복수의 배터리 모듈들이 배터리 팩 또는 배터리 랙을 구성하고, 복수의 배터리 팩들 또는 복수의 배터리 랙들이 배터리 뱅크를 구성하는 형태로 구현될 수 있다. 도 2에 도시된 복수의 배터리 유닛들(210, 220, 230, 240) 각각은 배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩, 또는 배터리 랙일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수의 배터리 유닛들(210, 220, 230, 240)은 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수의 배터리 유닛들(210, 220, 230, 240) 각각에는 BMS(Battery Management System)(211, 221, 231, 또는 241)가 설치될 수 있다. BMS(211, 221, 231, 또는 241)는 자신이 관장하는 배터리 유닛(210, 220, 230, 또는 240)의 상태를 관리할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, BMS(211, 221, 231, 또는 241)는 배터리 유닛(210, 220, 230, 또는 240)의 전압, 전류, 및/또는 온도를 모니터링하고, 모니터링 결과에 기초하여 SOC 및/또는 SOH를 산출할 수 있다. 또한, BMS(211, 221, 231, 또는 241)는 배터리 유닛(210, 220, 230, 또는 240)의 상태에 기초하여 충방전을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, BMS(211, 221, 231, 또는 241)는 배터리 유닛(210, 220, 230, 또는 240)의 전압, 전류, 온도, SOC, 또는 SOH 중 적어도 하나와 관련된 상태 데이터를 제어부(250)로 전달할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242) 각각은 복수의 배터리 유닛들(210, 220, 230, 240) 각각과 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 DC-DC 컨버터(212)는 제1 배터리 유닛(210)과 연결되고, 제2 DC-DC 컨버터(222)는 제2 배터리 유닛(220)과 연결되고, 제3 DC-DC 컨버터(232)는 제3 배터리 유닛(230)과 연결되며, 제N DC-DC 컨버터(242)는 제N 배터리 유닛(240)과 연결될 수 있다(단, N은 4 이상의 자연수).
일 실시 예에 따르면, 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)은 그리드 시스템(260)과 직접적으로 또는 간접적으로 연결될 수 있다. 이때, 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)의 출력 전압들의 합산 전압이 상기 연결을 통해 그리드 시스템(260)에 인가될 수 있다. 실시 예에 따라, 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)과 그리드 시스템(260) 사이에 소정의 필터가 연결될 수 있다. 이 경우, 소정의 필터는 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)의 출력 전압들의 합산 전압을 그리드 시스템(260)의 필요 전압에 맞게 변환하는 역할을 수행하는 AC 변압기로 구현될 수 있다. 예를 들어, 소정의 필터는 상기 합산 전압인 AC 전압의 중간 전압 값이 0V가 되도록 상기 합산 전압을 변환하는 역할을 수행할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)은 입력 전압을 지정된 크기의 출력 전압으로 변환할 수 있다. 예를 들어, DC-DC 컨버터(212, 222, 232, 또는 242)는 풀-브릿지(full-bridge) 컨버터, 하프-브릿지(half-bridge) 컨버터, 플라이백 컨버터 등 다양한 종류의 컨버터로 구현될 수 있다. DC-DC 컨버터(212, 222, 232, 또는 242)는 별도의 제어부, 입력 스위칭 셋, 1차측 코일, 2차측 코일, 출력 스위칭 셋, 및 커패시터를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)은 양방향 컨버터일 수 있다. 예를 들어, 복수의 배터리 유닛들(210, 220, 230, 240)로부터 그리드 시스템(260) 방향으로 변환이 수행될 때, 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)의 입력은 복수의 배터리 유닛들(210, 220, 230, 240)과 연결되고, 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)의 출력은 그리드 시스템(260)과 연결될 수 있다. 다른 예로, 그리드 시스템(260)으로부터 복수의 배터리 유닛들(210, 220, 230, 240) 방향으로 변환이 수행될 때, 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)의 입력은 그리드 시스템(260)과 연결되고, 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)의 출력은 복수의 배터리 유닛들(210, 220, 230, 240)과 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)은 특정 기능을 수행 가능하도록 구성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 특정 기능은 출력 전압의 크기가 0V가 되도록 하는 바이패스(bypass) 기능을 포함할 수 있다. DC-DC 컨버터(212, 222, 232, 또는 242)는 바이패스 기능을 수행함으로써, 연결된 배터리 유닛(210, 220, 230, 또는 240)으로부터 출력되는 전력을 차단할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 특정 기능은 출력 전압이 지정된 기울기에 기초하여 상승하는 전압이 되도록 하는 상승 제어 기능 및/또는 출력 전압이 지정된 기울기에 기초하여 하강하는 전압이 되도록 하는 하강 제어 기능을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(250)는 중앙 처리 장치, 어플리케이션 프로세서, 그래픽 처리 장치, 신경망 처리 장치(NPU, neural processing unit), 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 또는 커뮤니케이션 프로세서를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(250)는 소프트웨어를 실행하여 제어부(250)에 연결된 에너지 저장 시스템(200)의 적어도 하나의 다른 구성 요소(예: BMS(211, 221, 231, 또는 241), DC-DC 컨버터(212, 222, 232, 또는 242))를 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(250)는 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)의 출력 전압들의 합산 전압이 AC 전압이 되도록 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)을 제어할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제어부(250)는 상기 합산 전압이 그리드 시스템(260)의 필요 AC 전압에 대응되는 크기, 위상, 및/또는 주파수를 갖도록 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)을 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(250)는 바이패스 기능을 이용하여 상기 합산 전압이 AC 전압이 되도록 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)을 제어할 수 있다. 제어부(250)는 바이패스 기능을 통해 전압이 출력되는 DC-DC 컨버터(212, 222, 232, 또는 242)의 숫자를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(250)는 전압이 출력되는 DC-DC 컨버터(212, 222, 232, 또는 242)의 출력 전압 크기를 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(250)는 지정된 시간 동안 바이패스 기능을 수행하도록 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)을 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(250)는 지정된 주기에 따라 바이패스 기능을 수행하도록 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)을 제어할 수 있다. 여기서, 지정된 주기는 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242) 전체에 대해 동일한 주기로 설정되거나, 각각에 대해 상이한 주기로 설정될 수 있다. 또한, 지정된 주기는 그리드 시스템(260)의 필요 AC 전압에 대응되는 크기, 위상, 및/또는 주파수에 기초하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 합산 전압이 필요 AC 전압이 되도록, 지정된 주기는 그리드 시스템(260)의 필요 AC 전압의 주기보다 빠른 주기로 설정될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(250)는 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)이 지정된 순서에 따라 순차적으로 바이패스 기능을 수행하도록 제어할 수도 있다.
이와 같이, 제어부(250)는 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)의 DC 출력 전압의 크기를 제어함으로써 상기 합산 전압이 AC 전압(구체적으로, 그리드 시스템(260)의 필요 AC 전압)이 되도록 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)을 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(250)는 상승 제어 기능 및 하강 제어 기능을 이용하여 상기 합산 전압이 AC 전압이 되도록 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(250)는 지정된 기울기에 기초하여 상승하거나 하강하는 전압을 출력하도록 DC-DC 컨버터(212, 222, 232, 또는 242)를 제어할 수 있다. 여기서, 지정된 기울기는 그리드 시스템(260)의 필요 AC 전압에 대응되는 크기, 위상, 및/또는 주파수에 기초하여 설정될 수 있다. 제어부(250)는 상승 제어 기능 및 하강 제어 기능을 통해 보다 부드러운 형태의 AC 전압을 그리드 시스템(260)에 전달할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(250)는 바이패스 기능, 상승 제어 기능, 및 하강 제어 기능을 모두 이용하여 상기 합산 전압이 AC 전압이 되도록 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(250)는 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242) 중 적어도 일부가 바이패스 기능을 수행하도록 제어하고, 나머지는 상승 제어 기능 및/또는 하강 제어 기능을 수행하도록 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(250)는 복수의 배터리 유닛들(210, 220, 230, 240)의 상태에 기초하여 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)을 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(250)는 적어도 하나의 BMS(211, 221, 231, 및/또는 241)로부터 복수의 배터리 유닛들(210, 220, 230, 240)의 상태 데이터를 획득할 수 있다. 제어부(250)는 획득된 상태 데이터에 기초하여 복수의 배터리 유닛들(210, 220, 230, 240)의 상태를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(250)는 복수의 배터리 유닛들(210, 220, 230, 240)의 상태를 이상 상태 또는 정상 상태로 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부(250)는 결정된 상태에 기초하여 복수의 DC-DC 컨버터들(212, 222, 232, 242)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(250)는 이상 상태로 결정된 배터리 유닛(212, 222, 232, 또는 242)과 연결된 DC-DC 컨버터(212, 222, 232, 또는 242)가 바이패스 기능을 수행하도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(250)는 배터리 유닛(210, 220, 230, 또는 240)의 출력 전압, SOC, 또는 SOH가 지정된 수준 이하인 경우, 해당 배터리 유닛(210, 220, 230, 또는 240)을 이상 상태로 결정할 수 있다. 다른 예로, 제어부(250)는 배터리 유닛(210, 220, 230, 또는 240)의 온도가 지정된 온도 이상인 경우, 해당 배터리 유닛(210, 220, 230, 또는 240)을 이상 상태로 결정할 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템 내의 배터리 유닛과 DC-DC 컨버터의 연결 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서 도시된 에너지 저장 시스템(300) 및 그리드 시스템(360) 각각은 도 2에서 도시된 에너지 저장 시스템(200) 및 그리드 시스템(260) 각각과 동일한 구성일 수 있다.
도 3을 참조하면, 복수의 DC-DC 컨버터들(312, 322, 332, 342) 각각은 복수의 배터리 유닛들(310, 320, 330, 340) 각각의 양극 및 음극과 연결될 수 있다. 즉, 복수의 DC-DC 컨버터들(312, 322, 332, 342) 각각이 복수의 배터리 유닛들(310, 320, 330, 340) 각각의 출력 전압을 변환할 수 있도록 연결될 수 있다. 이에 따라, 에너지 저장 시스템(300)의 제어부(예: 도 2의 제어부(250))는 복수의 배터리 유닛들(310, 320, 330, 340) 각각의 출력 전압을 개별적으로 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수의 배터리 유닛들(310, 320, 330, 340) 각각과 복수의 DC-DC 컨버터들(312, 322, 332, 342) 각각의 연결 단위들은 서로 직렬로 연결될 수 있다. 해당 실시 예에서, 제1 DC-DC 컨버터(312)의 양극 출력 단자와 제N DC-DC 컨버터(342)의 음극 출력 단자는 에너지 저장 역할을 수행하는 축전 소자(C1)를 통해 서로 연결될 수 있다. 또한, 제1 DC-DC 컨버터(312)의 양극 출력 단자는 그리드 시스템(360)의 양극 입력 단자와 연결되고, 제N DC-DC 컨버터(342)의 음극 출력 단자는 그리드 시스템(360)의 음극 입력 단자와 연결될 수 있다. 이러한 연결 구조에 따라, 복수의 DC-DC 컨버터들(312, 322, 332, 342)의 출력 전압들의 합산 전압이 축전 소자(C1)에 저장되거나 그리드 시스템(360)에 인가될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템 내의 복수의 DC-DC 컨버터들이 특정 기능을 순차적으로 수행하는 예시를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 특정 기능은 바이패스 기능, 상승 제어 기능, 및/또는 하강 제어 기능을 포함할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c에서 도시된 에너지 저장 시스템(400) 및 그리드 시스템(460) 각각은 도 2에서 도시된 에너지 저장 시스템(200) 및 그리드 시스템(260) 각각과 동일한 구성일 수 있다.
도 4a를 참조하면, 복수의 DC-DC 컨버터들(412, 422, 432, 442) 중 제1 DC-DC 컨버터(412)는 특정 기능을 수행하고, 나머지 DC-DC 컨버터들(422, 432, 442)은 특정 기능을 수행하지 않을 수 있다. 이때, 특정 기능이 바이패스 기능인 경우, 그리드 시스템(460)에 인가되는 합산 전압은 제1 배터리 유닛(410)을 제외한 나머지 배터리 유닛들(420, 430, 440)로부터 출력된 전압들을 나머지 DC-DC 컨버터들(422, 432, 442)이 변환한 전압들의 합산 전압일 수 있다.
도 4b를 참조하면, 복수의 DC-DC 컨버터들(412, 422, 432, 442) 중 제1 DC-DC 컨버터(412) 및 제3 DC-DC 컨버터(432)는 특정 기능을 수행하고, 나머지 DC-DC 컨버터들(422, 442)은 특정 기능을 수행하지 않을 수 있다. 이때, 특정 기능이 바이패스 기능인 경우, 그리드 시스템(460)에 인가되는 합산 전압은 제1 배터리 유닛(410)과 제3 배터리 유닛(430)을 제외한 나머지 배터리 유닛들(420, 440)로부터 출력된 전압들을 나머지 DC-DC 컨버터들(422, 442)이 변환한 전압들의 합산 전압일 수 있다.
도 4c를 참조하면, 복수의 DC-DC 컨버터들(412, 422, 432, 442) 중 제1 DC-DC 컨버터(412), 제3 DC-DC 컨버터(432), 및 제N DC-DC 컨버터(442)는 특정 기능을 수행하고, 나머지 DC-DC 컨버터(422)는 특정 기능을 수행하지 않을 수 있다. 이때, 특정 기능이 바이패스 기능인 경우, 그리드 시스템(460)에 인가되는 합산 전압은 제1 배터리 유닛(410), 제3 배터리 유닛(430), 및 제N 배터리 유닛(440)을 제외한 나머지 배터리 유닛(420)으로부터 출력된 전압을 나머지 DC-DC 컨버터(422)가 변환한 전압일 수 있다.
이와 같이, 에너지 저장 시스템(400)은 복수의 DC-DC 컨버터들(400)의 출력 전압들의 합산 전압이 AC 전압이 되도록 복수의 DC-DC 컨버터들(400)의 특정 기능 수행 여부를 제어할 수 있다. 보다 구체적으로는, 에너지 저장 시스템(400) 내의 제어부(예: 도 2의 제어부(250))가 복수의 DC-DC 컨버터들(400)의 특정 기능 수행 여부를 제어할 수 있다.
일 실시 예에서, 에너지 저장 시스템(400)은 복수의 DC-DC 컨버터들(412, 422, 432, 442))이 지정된 순서에 따라 순차적으로 특정 기능을 수행하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 시스템(400)은 제1 DC-DC 컨버터(412), 제3 DC-DC 컨버터(432), 제N DC-DC 컨버터(442) 순으로(즉, 도 4a, 도 4b, 도 4c 순으로) 특정 기능을 수행하도록 제어할 수 있다. 이는, 합산 전압인 AC 전압 파형에서 전압 값이 하강하는 부분을 생성하기 위한 제어일 수 있다. 다만, 상기 지정된 순서는 이에 제한되는 것은 아니고, 합산 전압을 필요 AC 전압이 되도록 다양하게 설정될 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 에너지 저장 시스템 내의 배터리 유닛, DC-DC 컨버터, 스위치의 연결 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5에서 도시된 에너지 저장 시스템(500) 및 그리드 시스템(590) 각각은 도 2에서 도시된 에너지 저장 시스템(200) 및 그리드 시스템(260) 각각과 동일한 구성일 수 있다.
도 5를 참조하면, 에너지 저장 시스템(500)은 복수의 배터리 유닛들(510, 520, 530, 540, 550, 560, 570, 580), 복수의 DC-DC 컨버터들(512, 522, 532, 542, 552, 562, 572, 582), 스위치(SW), 및 축전 소자(C2)를 포함할 수 있다.
복수의 DC-DC 컨버터들(512, 522, 532, 542, 552, 562, 572, 582) 각각은 복수의 배터리 유닛들(510, 520, 530, 540, 550, 560, 570, 580) 각각의 양극 및 음극과 연결될 수 있다. 즉, 복수의 DC-DC 컨버터들(512, 522, 532, 542, 552, 562, 572, 582) 각각이 복수의 배터리 유닛들(510, 520, 530, 540, 550, 560, 570, 580) 각각의 출력 전압을 변환할 수 있도록 연결될 수 있다. 이러한 연결 구조에 따라, 에너지 저장 시스템(500)의 제어부(예: 도 2의 제어부(250))는 복수의 배터리 유닛들(510, 520, 530, 540, 550, 560, 570, 580) 각각의 출력 전압을 개별적으로 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 배터리 유닛(510), 제2 배터리 유닛(520), 제3 배터리 유닛(530), 제N 배터리 유닛(540) 각각과 제1 DC-DC 컨버터(512), 제2 DC-DC 컨버터(522), 제3 DC-DC 컨버터(532), 제N DC-DC 컨버터(542) 각각의 연결 단위들은 서로 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 제N+1 배터리 유닛(550), 제2N-2 배터리 유닛(560), 제2N-1 배터리 유닛(270), 제2N 배터리 유닛(580) 각각과 제N+1 DC-DC 컨버터(552), 제2N-2 DC-DC 컨버터(562), 제2N-1 DC-DC 컨버터(572), 제2N DC-DC 컨버터(582) 각각의 연결 단위들도 서로 직렬로 연결될 수 있다. 여기서, 제N DC-DC 컨버터(542)의 음극 출력 단자와 제N+1 DC-DC 컨버터의 양극 출력 단자는 서로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 에너지 저장 역할을 수행하는 축전 소자(C2)의 일단은 스위치(SW)와 연결되고, 타단은 제N DC-DC 컨버터(542)의 음극 출력 단자 및 제N+1 DC-DC 컨버터의 양극 출력 단자와 연결될 수 있다. 스위치(SW)는 소정의 주기에 기초하여 축전 소자(C2)의 일단을 제1 DC-DC 컨버터(512)의 양극 출력 단자 또는 제2N DC-DC 컨버터(582)의 음극 출력 단자에 연결하도록 구성될 수 있다.
이러한 연결 구조에 따라, 스위치(SW)가 제1 DC-DC 컨버터(512)의 양극 출력 단자에 연결된 동안은, 제1 DC-DC 컨버터(512), 제2 DC-DC 컨버터(522), 제3 DC-DC 컨버터(532), …, 및 제N DC-DC 컨버터(542)의 출력 전압들의 제1 합산 전압이 축전 소자(C1)에 저장되거나 그리드 시스템(590)에 인가될 수 있다. 또한, 스위치(SW)가 제2N DC-DC 컨버터(582)의 음극 출력 단자에 연결된 동안은, 제N+1 DC-DC 컨버터(552), …, 제2N-2 DC-DC 컨버터(562), 제2N-1 DC-DC 컨버터(572), 및 제2N DC-DC 컨버터(582)의 출력 전압들의 제2 합산 전압이 축전 소자(C1)에 저장되거나 그리드 시스템(590)에 인가될 수 있다.
여기서, 축전 소자(C1)에 저장되거나 그리드 시스템(590)에 인가되는 제1 합산 전압과 제2 합산 전압은 서로 반대의 방향을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 합산 전압이 양의 값을 가지고, 제2 합산 전압이 음의 값을 가질 수 있다. 이에 따라, 에너지 저장 시스템(500)은 별도의 필터 없이도 그리드 시스템(590)에 인가되는 AC 전압의 중간 전압 값을 0V가 되도록 제어할 수 있다. 이를 위해, 스위치(SW)의 연결이 바뀌는 소정의 주기는 그리드 시스템(590)의 필요 AC 전압 주기의 1/2로 설정될 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소를 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 문서에 개시된 실시 예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 문서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 유닛들;
    각각이 상기 복수의 배터리 유닛들 각각과 연결되어, 연결된 배터리 유닛으로부터의 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 복수의 DC-DC 컨버터들; 및
    상기 복수의 DC-DC 컨버터들의 출력 전압들의 합산 전압이 AC 전압이 되도록 상기 복수의 DC-DC 컨버터들을 제어하는 제어부를 포함하는, 에너지 저장 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 DC-DC 컨버터들은 각각이 상기 복수의 배터리 유닛들 각각의 양극 및 음극과 연결되고,
    상기 합산 전압이 상기 에너지 저장 시스템과 연결되는 그리드 시스템에 인가되는, 에너지 저장 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 DC-DC 컨버터들은, 상기 출력 전압의 크기가 0V가 되도록 하는 바이패스(bypass) 기능을 수행 가능하도록 구성되고,
    상기 제어부는, 상기 바이패스 기능을 이용하여 상기 합산 전압이 AC 전압이 되도록 상기 복수의 DC-DC 컨버터들을 제어하는, 에너지 저장 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는, 지정된 주기에 따라 상기 바이패스 기능을 수행하도록 상기 복수의 DC-DC 컨버터들을 제어하는, 에너지 저장 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 DC-DC 컨버터들은, 상기 출력 전압이 지정된 기울기에 기초하여 상승하는 전압이 되도록 하는 상승 제어 기능 및 상기 출력 전압이 지정된 기울기에 기초하여 하강하는 전압이 되도록 하는 하강 제어 기능을 수행 가능하도록 구성되고,
    상기 제어부는, 상기 상승 제어 기능 및 상기 하강 제어 기능을 이용하여 상기 합산 전압이 AC 전압이 되도록 상기 복수의 DC-DC 컨버터들을 제어하는, 에너지 저장 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 합산 전압이 상기 그리드 시스템의 필요 AC 전압에 대응되는 크기, 위상, 및/또는 주파수를 갖도록 상기 복수의 DC-DC 컨버터들을 제어하는, 에너지 저장 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 유닛들의 상태에 기초하여 상기 복수의 DC-DC 컨버터들을 제어하는, 에너지 저장 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 복수의 배터리 유닛들의 상태를 관리하는 적어도 하나의 BMS(Battery Management System)를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 적어도 하나의 BMS로부터 상기 복수의 배터리 유닛들의 상태 데이터를 획득하고,
    상기 상태 데이터에 기초하여 상기 복수의 배터리 유닛들의 상기 상태를 결정하는, 에너지 저장 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 상태 데이터는 상기 복수의 배터리 유닛들의 전압, 전류, 온도, SOC(State of Charge), 또는 SOH(State of Health) 중 적어도 하나와 관련된 데이터인, 에너지 저장 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 배터리 유닛들 각각은 배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 팩, 또는 배터리 랙인, 에너지 저장 시스템.
  11. 복수의 배터리 유닛들;
    각각의 입력 단자가 상기 복수의 배터리 유닛들 각각의 양극 및 음극과 전기적으로 연결되어, 연결된 배터리 유닛으로부터의 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 복수의 DC-DC 컨버터들을 포함하고,
    상기 복수의 배터리 유닛들 각각과 상기 복수의 DC-DC 컨버터들 각각의 연결 단위들은 서로 직렬로 연결되고,
    상기 복수의 DC-DC 컨버터들의 출력 전압들의 합산 전압 중 적어도 일부가 그리드 시스템에 인가되도록, 상기 복수의 DC-DC 컨버터들과 상기 그리드 시스템이 전기적으로 연결되는, 에너지 저장 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수의 DC-DC 컨버터들 중 제1 DC-DC 컨버터의 양극 출력 단자는 상기 그리드 시스템의 양극 입력 단자에 전기적으로 연결되고,
    상기 복수의 DC-DC 컨버터들 중 제2 DC-DC 컨버터의 음극 출력 단자는 상기 그리드 시스템의 음극 입력 단자에 전기적으로 연결되고,
    상기 복수의 DC-DC 컨버터들 중 상기 제1 DC-DC 컨버터 및 상기 제2 DC-DC 컨버터를 제외한 나머지 DC-DC 컨버터들의 양극 출력 단자는 인접 DC-DC 컨버터의 음극 출력 단자와 전기적으로 연결되는, 에너지 저장 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 DC-DC 컨버터의 상기 양극 출력 단자 및 상기 제2 DC-DC 컨버터의 상기 음극 출력 단자와 전기적으로 연결되는 축전 소자를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템.
  14. 청구항 11에 있어서,
    2N(단, N은 자연수)개의 상기 복수의 DC-DC 컨버터들 중 제1 DC-DC 컨버터의 양극 출력 단자 또는 상기 복수의 DC-DC 컨버터들 중 제2N DC-DC 컨버터의 음극 출력 단자를 상기 그리드 시스템의 양극 입력 단자에 선택적으로 연결하도록 설정되는 스위치를 더 포함하고,
    상기 복수의 DC-DC 컨버터들 중 상기 제1 DC-DC 컨버터 및 상기 제2N DC-DC 컨버터를 제외한 나머지 DC-DC 컨버터들의 양극 출력 단자는 인접 DC-DC 컨버터의 음극 출력 단자와 전기적으로 연결되고,
    상기 복수의 DC-DC 컨버터들 중 제N DC-DC 컨버터의 음극 출력 단자는 상기 복수의 DC-DC 컨버터들 중 제N+1 DC-DC 컨버터의 양극 출력 단자 및 상기 그리드 시스템의 음극 입력 단자에 전기적으로 연결되는, 에너지 저장 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 스위치가 상기 그리드 시스템에 전기적으로 연결되는 상기 스위치의 제1 단 및 상기 제N DC-DC 컨버터의 음극 출력 단자와 전기적으로 연결되는 축전 소자를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템.
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