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KR20150025598A - 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치 - Google Patents

고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치 Download PDF

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KR20150025598A
KR20150025598A KR20130103339A KR20130103339A KR20150025598A KR 20150025598 A KR20150025598 A KR 20150025598A KR 20130103339 A KR20130103339 A KR 20130103339A KR 20130103339 A KR20130103339 A KR 20130103339A KR 20150025598 A KR20150025598 A KR 20150025598A
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KR
South Korea
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power
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battery
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frequency link
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KR20130103339A
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김효성
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공주대학교 산학협력단
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Abstract

복수의 배터리 셀에 대한 셀 평형회로를 별도로 구비하지 않고서도 셀 불평형의 문제를 해소함으로써 배터리의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 소형화 및 경량화가 가능한 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치가 개시된다. 상기 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는, 상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하는 복수의 배터리 팩; 상기 복수의 배터리 팩 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하고, 계통으로부터 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩으로 제공하는 양방향 PWM 인버터; 및 상기 복수의 배터리 팩에 각각 연결된 제1 입출력단 및 상기 양방향 PWM 인버터 측에 연결된 제2 입출력단을 갖는 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 포함하며, 상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터는, 상기 제1 입출력단과 상기 제2 입출력단을 상호 절연하는 고주파 트랜스포머를 포함한다.

Description

고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치{AN ENERGY STORAGE SYSTEM USING HIGH FREQUENCY LINK TYPE DC-DC CONVERTER}
본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 배터리 셀에 대한 셀 평형회로를 별도로 구비하지 않고서도 셀 불평형의 문제를 해소함으로써 배터리의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 소형화 및 경량화가 가능한 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
일반적으로, PWM(Pulse Width Modulation) 인버터를 이용한 에너지 저장 장치(Energy Storage System: ESS)는, 계통의 전원이 공급되는 동안에는 배터리에 전기에너지를 저장하고, 계통의 전원이 공급되지 못하는 상황이 발생하였을 때 인버터를 통하여 부하에 안정된 전원을 공급하는 장치이다.
도 1은 통상적인 에너지 저장 장치를 도시한다. 도 1에 도시된 에너지 저장 장치는 배터리(11)와 양방향 PWM 인버터(12) 및 상용 주파수 대역(예를 들어, 60 Hz)의 변압기(21)를 포함하여 구성될 수 있다. 배터리(11)는 상호 직렬 연결된 다수의 배터리 셀을 포함하는 구조를 가질 수 있으며, 양방향 PWM 인버터(12)로부터 직류 전력을 제공받아 저장할 수 있다.
양방향 PWM 인버터(Bidirectional PWM Inverter)(12)는 교류측과 직류측 간의 양쪽 방향의 전력 흐름을 통하여 배터리의 충전과 방전이 가능하도록 하는 전력변환기(PCS; Power Conditioning System)로서, 배터리(12)로부터 제공받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통측으로 제공하거나 계통의 교류 전력을 직류로 변환하여 배터리(11)로 제공함으로써 배터리(11)를 충전되게 할 수 있다.
상용 주파수 대역의 변압기(21)는 양방향 PWM 인버터(12)와 계통 사이에 마련되어 배터리(11)와 계통을 절연할 수 있다.
이러한 통상적인 양방향 PWM 인버터를 이용한 에너지 저장 장치는 선행기술문헌인 한국공개특허 제10-2011-0054041호에 상세하게 개시된다.
일반적으로, 에너지 저장 장치는 크게 두 가지 모드로 운전되고 있다.
두 가지 운전 모드 중 하나는 전압 제어 운전으로서, 계통으로부터 전원이 제공되지 않을 때, 부하에 안정된 전원을 공급하기 위한 모드이다. 전압 제어 운전 모드에서는, 독립운전을 위하여 계통과의 연결을 차단하고 전력 변환기(PCS)인 양방향 PWM 인버터(12)를 사용하여 배터리(11)에 저장된 직류 전력을 교류로 변환하여 부하 측에 공급한다. 전압 제어 운전 모드에서는 부하 측에 안정된 교류 전압을 제공하기 위해, 배터리의 직류 전력을 교류로 변환하여 부하로 제공하는 양방향 PWM 인버터(12)의 부하 측 교류 전압과 사전 설정된 기준 전압을 비교하여 일정한 크기의 교류 전압이 부하에 제공될 수 있도록 PWM 인버터를 제어한다.
다른 하나의 운전 모드는 전류 제어 운전으로서, 계통의 전원이 정상적으로 공급되는 상황에서 계통의 전력을 공급받아 배터리(11)를 충전한다든지, 역으로 계통에 전류를 주입하여 전력을 판매하는 경우에 적용되는 모드이다. 전류 제어 운전 모드에서는, 배터리(11)의 충전을 위하여 배터리(11)로 안정된 직류 전류를 제공하기 위해, 양방향성 PWM 인버터(12)의 배터리측 전류와 사전 설정된 기준 직류전류를 비교하여 일정한 크기의 직류 전류가 배터리로 제공될 수 있도록 양방향 PWM 인버터(12)를 제어한다.
일반적인 에너지 저장 장치는 계통과 배터리(11)의 절연을 위해 상용 주파수 대역에서 동작하는 변압기(21)를 채용한다. 상용 주파수 대역과 같은 저주파수에서 동작하는 변압기(21)는 배터리와 계통 사이의 전기적 절연이 우수한 반면에 무게나 부피가 상당히 크고, 소형화에 불리한 문제점이 있다.
한편, 에너지 저장 장치에 적용되는 충전용 배터리(11)는 에너지 저장 장치의 중요한 부분중의 하나이며 전력 변환기(PCS)인 양방향 PWM 인버터의 직류측 전압을 관장한다.
일반적으로, 에너지 저장 장치에 적용되는 충전용 배터리는 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 상호 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 통상 배터리 팩(Battery Pack)이라 지칭한다.
배터리 팩으로 구현된 배터리(11) 내에서 직렬로 연결된 배터리 셀들은 시간이 경과하면서 내부저항, 충방전 용량 등의 편차가 발생하게 되어 문제를 일으킨다. 예를 들어, 충전시 충전용량이 감소한 일부 셀이 조기에 과충전 상태에 이르러 과열되면 전체 배터리 팩이 화재 및 폭발의 위험한 상황에 빠지게 된다. 또한, 일부 셀 들의 내부저항이 증가하게 되면 충전시 충분히 충전되지 않았음에도 불구하고 배터리(11) 전체의 전압이 높이 상승함으로써 충전이 중단되어 전체 배터리의 충전부족 현상이 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 통상적으로 다수의 배터리 셀로 구현된 배터리에는 셀 평형회로(Cell balancing circuit)가 적용된다. 셀 평형회로는 복수의 배터리 셀 각각 전압을 검출하여 상호 비교하고 전체 배터리 셀의 전압을 상호 동일하게 유지하도록 제어하는 회로이다. 셀 평형회로에 적용되는 셀 평형 기법은 수동형(Passive) 방식과 능동형(Active) 방식이 있다. 수동형 방식의 셀 평형 방법은 과충전된 셀의 전하를 저항을 통하여 소비시킴으로써 셀간의 평형을 맞추어주는 방식이고, 능동형 방식의 셀 평형 방법은 부족 충전된 셀에 더 많은 전류를 공급하여 셀 간의 평형을 맞추어 주는 방식이다.
에너지 저장 장치와 같이 용량이 상대적으로 큰 배터리를 사용하는 경우 능동형 방식을 채용하는 것이 바람직하지만 전력변환기의 부피와 중량이 증가하고 가격이 상승한다는 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2011-0054041호
본 발명은, 복수의 배터리 셀에 대한 셀 평형회로를 별도로 구비하지 않고서도 셀 불평형의 문제를 해소함으로써 배터리의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 소형화 및 경량화가 가능한 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하는 복수의 배터리 팩;
상기 복수의 배터리 팩 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하고, 계통으로부터 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩으로 제공하는 양방향 PWM 인버터; 및
상기 복수의 배터리 팩에 각각 연결된 제1 입출력단 및 상기 양방향 PWM 인버터 측에 연결된 제2 입출력단을 갖는 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 포함하며,
상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터는, 상기 제1 입출력단과 상기 제2 입출력단을 상호 절연하는 고주파 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 셀의 개수는, 상호 직렬 연결된 배터리 셀 간의 셀 불평형 현상을 발생시키지 않는 개수로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 양방향 PWM 인버터 각각은, 상기 제1 입출력단에 연결되어 상기 배터리 팩으로부터 전달된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 상기 고주파 트랜스포머로부터 제공된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩에 제공하도록 풀 브릿지 스위칭 회로로 구현된 제1 양방향 직류-교류 변환부; 및 상기 제2 입출력단에 연결되어 상기 양방향 PWM 인버터로부터 전달된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 상기 고주파 트랜스포머로부터 제공된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 양방향 PWM 인버터로 제공하도록 풀 브릿지 스위칭 회로로 구현된 제2 양방향 직류-교류 변환부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 배터리 팩 각각과 그에 연결된 상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터 각각은 복수의 모듈을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터 제2 입출력단은 상호 직렬 연결되고, 상기 직렬 연결된 회로 구조가 상기 양방향 PWM 인버터의 직류 측 입출력단에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터 제2 입출력단은 상호 병렬 연결되고, 상기 병렬 연결된 회로 구조가 상기 양방향 PWM 인버터의 직류 측 입출력단에 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 우수한 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 종래의 단일 전력 변환 구조를 사용하는 경우 하나의 배터리 팩 내에서 상호 직렬 연결된 다수의 배터리 셀 중 한 개가 고장날 확률은 복수의 에너지 저장 모듈로 분할한 것에 비해 매우 높다. 즉, 직렬 연결된 배터리 셀의 개수가 증가할수록 고장의 확률이 높아진다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는 하나의 배터리 팩에 상호 직렬 연결되는 배터리의 수를 종래에 비해 감소시켜 배터리 고장의 확률을 현저하게 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는 배터리 셀의 고장을 감시하기가 용이하다. 예를 들어 60개의 직렬 연결된 배터리 팩을 통합적으로 감시하는 것 보다는 2~3개의 소규모로 직렬 연결된 배터리 팩을 감시하는 것이 훨씬 용이하고 정확할 수 있다.
셋째로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는 보수유지가 간편하고 비용이 적게 든다. 종래의 에너지 저장 장치에서는 하나의 배터리 셀이 고장날 경우 배터리 팩 전체를 교체하여야 하지만, 본 발명의 일 실시형태는 고장이 발생한 배터리 셀을 갖는 배터리 팩 또는 에너지 저장 모듈만 교체하면 되기 때문에 배터리 교체비용이 적게 들고, 교체과정이 간단하여 보수유지 비용이 적게 발생한다. 더욱이 표준화된 에너지 저장 모듈을 사용하게 되면, 운전 중에도 고장난 에너지 저장 모듈 핫스와프(hot-swap) 방식으로 간단히 교체할 수 있다.
넷째로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는 셀 평형 회로가 따로 필요 없으므로, 전체 시스템의 에너지효율이 높아지고, 제품의 무게, 크기 및 제조원가가 감소한다.
마지막으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는 고장감내(FRT: Fault ride Through) 운전이 가능하다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀 중 하나의 배터리 셀이 고장 나는 경우, 해당 배터리 셀을 사용하는 에너지 저장 모듈을 정지시키고 교류 측을 바이패스 시킴으로써 고장 중에도 연속적인 운전이 가능하다. 고장난 에너지 저장 모듈은 시간적 여유를 확보하고 추후에 교체 가능하다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는 비상상황에서의 대처능력이 향상시킬 수 있다.
넷째로, 셀-밸런싱회로가 따로 필요없으므로, 전체 시스템의 에너지효율이 높아지고, 제품의 무게, 크기 및 제조원가가 감소한다.
마지막으로, 제안된 방식의 고주파링크형 DC-DC 컨버터를 사용한 에너지저장시스템용 모듈러 충방전장치 구조는 고장감내(FRT; Fault ride Through) 운전이 가능하다. 예를 들어 60개의 배터리셀 중 한셀이 고장 나는 경우, 해당 셀을 사용하는 충방전모듈을 정지시키고 출력측을 바이패스시킴으로써 고장 중에도 연속적인 운전이 가능하다. 고장난 충방전모듈은 시간적 여유를 확보하고 추후에 교체하면 된다. 따라서 비상상황에서의 대처능력이 우수해 진다.
도 1은 통상적인 에너지 저장 장치의 회로도이다.
도 2는 일반적인 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 에너지 저장 장치의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 고주파 링크형 에너지 저장 장치의 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치에 대해 상세하게 설명하기 앞서, 일반적인 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치에 대해 먼저 설명하기로 한다.
도 2는 일반적인 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 일반적인 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는, 배터리(11)와, 양방향 PWM 인버터(12) 및 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13)를 포함하여 구성될 수 있다. 이에 더하여, 일반적인 고주파 링크형 직류- 직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는 양방향 PWM 인버터(12)와 계통 사이에 연결된 LC 필터(14)를 더 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 통상의 에너지 저장 장치와 비교할 때, 일반적인 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는, 통상의 에너지 저장 장치의 양방향 PWM 인버터(12)와 계통 사이에 마련된 저주파 트랜스포머(도 1의 21)가 제거되고 배터리(11)와 양방향 PWM 인버터(12) 사이에 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13)가 더 추가된 형태로 구현될 수 있다.
배경 기술에서 설명한 바와 같이, 배터리(11)는 직류 전력을 제공받아 충전되거나 직류 전력을 방전하여 계통이나 부하로 에너지를 제공한다. 또한, 양방향 PWM 인버터(12)는 교류측과 직류측 간의 양쪽 방향의 전력 흐름을 통하여 배터리의 충전과 방전이 가능하도록 하는 전력변환기가 된다.즉, 양방향 PWM 인버터(12)는 배터리(11)부터 직류 전력을 제공받아 교류 전력으로 변환하여 계통 또는 부하로 제공하고, 계통으로부터 교류 전력을 제공받아 배터리(11)로 제공함으로써 배터리(11)의 충전이 가능하게 한다.
고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13)는 풀 브릿지 스위칭되는 복수의 스위칭 소자로 구성된 두 개의 양방향 직류-교류 변환부(131, 132)와 하나의 고주파 변압기(133)를 포함하여 구성될 수 있다. 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13)는 일단에 연결된 양방향 직류-교류 변환부(131 또는 132)에서 입력되는 직류 전압을 변환하여 고주파수의 교류 전압을 생성하고, 고주파 변압기(133)로 전압 레벨을 변경한 후 타단에 연결된 양방향 직류-교류 변환부(132 또는 131)에서 고주파 변압기(133)에 레벨이 변경된 교류의 전압을 직류로 변환하여 출력한다. 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13)에 포함된 고주파 변압기(133)는 에너지 저장 장치의 직류측과 교류측을 절연할 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 고주파링크형 직류-직류 컨버터(13)의 구조는 두 개의 양방향 직류-교류 변환부(131, 132)와 그 사이에 연결된 하나의 고주파 변압기(133)로 이루어진 대칭 구조를 가지므로 양방향의 전력변환이 가능하다. 즉, 배터리(11)의 충전 시에는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13)의 양방향 PWM 인버터(12) 측 단자가 입력단이 되고 배터리(11) 측 단자가 출력단이 될 수 있으며, 배터리(11)의 방전 시에는 배터리(11) 측 단자가 입력단이 되고 양방향 PWM 인버터(12) 측 단자가 출력단이 될 수 있다. 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 시스템은 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13) 내 고주파 변압기(133)를 사용하여 절연을 하기 때문에, 상용 주파수대의 전력용 변압기를 사용하는 일반적인 에너지 저장 시스템에 비하여 부피와 중량을 감소시켜 경량화 및 소형화가 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 에너지 저장 장치의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 에너지 저장 장치는, 복수의 배터리 팩(11-1 내지 11-n)(n은 1 보다 큰 양의 정수)과, 복수의 배터리 팩(11-1 내지 11-n) 각각에 연결된 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n) 및 상기 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n)와 전기적으로 연결된 양방향 PWM 인버터부(12)를 포함하여 구성될 수 있다.
복수의 배터리 팩(11-1 내지 11-n) 각각은 전기 에너지를 저장하기 위한 요소로서, 사전 설정된 개수의 상호 직렬 연결된 배터리 셀을 포함할 수 있다. 복수의 배터리 팩(11-1 내지 11-n) 각각은 양방향 PWM 인버터(12)로부터 변환된 직류 전력을 고주파 링크형 직류-직류 변환기(13-1 내지 13-n) 각각을 통해 제공받아 충전되거나, 방전됨으로써 고주파 링크형 직류-직류 변환기(13-1 내지 13-n) 각각을 통해 양방향 PWM 인버터(12)로 직류 전력을 제공하여 계통(14) 또는 부하(15)로 전력을 제공하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서 배터리는, 셀 평형 회로(Cell Balancing Circuit)가 요구되는 상호 직렬 연결된 다수의 배터리 셀을 포함하는 단일 배터리 팩의 형태가 아니라, 복수의 배터리 팩(11-1 내지 11-n)으로 분리된 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩(11-1 내지 11-n)은 단일 배터리 셀 또는 복수의 배터리 셀을 포함하되, 복수의 배터리 셀을 포함하는 경우 배터리 셀의 개수는, 셀 평형 회로를 이용하여 통상의 셀 평형 기법을 적용할 필요가 없이 셀 불평형의 문제가 발생하지 않는 적은 개수(예를 들어, 2 내지 3 개)의 배터리 셀을 포함하도록 구현될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는, 매우 적은 개수의 배터리 셀을 포함하는 다수의 배터리 팩(11-1 내지 11-n)으로 전체 배터리부를 구현함으로써, 셀 불평형의 문제가 거의 발생하지 않으며, 하나의 배터리 팩(11-1 내지 11-n) 내의 2 내지 3 개의 배터리 셀 중에 한 개의 셀에 문제가 발생하더라도 직류링크측 전압을 실시간으로 감시함으로써 사고가 악화되는 것을 간단히 예방할 수 있다. 또한, 각 배터리 팩(11-1 내지 11-n)은 독립적으로 동작하므로, 배터리에 고장이 발생하는 경우 문제가 되는 배터리 팩만 운전 중에 교체함으로써 전체 배터리를 교환할 필요가 없어서 보수 유지가 간단하고 보수 유지에 따른 비용을 절감할 수 있다.
복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n) 각각은, 도 2를 통해 이미 설명한 바와 같이, 양방향으로 직류-직류 변환이 가능한 컨버터로서 배터리 팩(11-1 내지 11-n)에 연결되는 입출력단과 양방향 PWM 인버터(12) 측에 연결되는 입출력단을 가질 수 있다. 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n) 각각의 양 입출력단에는 풀 브릿지 스위칭 되는 스위칭 소자를 포함한 양방향 직류-교류 변환부(131-1 내지 131-n 및 132-1 내지 132-n)가 각각 연결된다. 설명의 편의를 위하여 배터리 팩(11-1 내지 11-n)에 연결된 양방향 직류-교류 변환부(131-1 내지 131-n)를 제1 양방향 직류-교류 변환부라고 하고, 양방향 PWM 인버터(12) 측의 입출력단에 연결된 양방향 직류-교류 변환부(132-1 내지 132-n)를 제2 양방향 직류-교류 변환부라 한다. 제1 양방향 직류-교류 변환부(131-1 내지 131-n) 및 제2 양방향 직류-교류 변환부(132-1 내지 132-n)는 고주파 트랜스포머(133-1 내지 133-n)를 통해 상호 전자기적으로 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 하나의 배터리 팩(11-1 내지 11-n)과 그에 연결된 하나의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n)는 하나의 에너지 저장 모듈을 형성할 수 있다. 즉, 셀 불평형의 문제가 발생하지 않는 개수의 배터리 셀을 포함하는 하나의 배터리 팩(11-1 내지 11-n)과 그에 연결된 하나의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n)가 실제 구현된 에너지 저장 장치에서 모듈의 형태로 구비될 수 있다. 이러한 에너지 저장 모듈로 구현된 형태에서, 각 에너지 저장 모듈의 입출력단은 그 내부의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n)의 양방향 PWM 인버터측 입출력단이 될 수 있다. 이와 같이, 에너지 저장 모듈의 형태로 구현되는 경우, 에너지 저장 모듈이 독립적으로 동작하므로, 배터리에 문제가 발생하는 경우 문제가 되는 에너지 저장 모듈만 운전 중에 교체함으로써 전체 배터리를 교환할 필요가 없게 되므로 보수유지가 간단하고 비용이 절감될 뿐만 아니라 에너지 저장 시스템의 동작을 계속 유지시킨 상태에서 보수가 가능하게 된다.
도 3에 도시된 실시형태에서, 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n)의 양방향 PWM 인버터(12) 측 입출력단은 상호 직렬 연결된 회로구조를 형성하며, 이러한 직렬 연결된 회로구조가 양방향 PWM 인버터(12)의 직류측 입출력단에 연결된다. 이러한 회로 연결 구조를 통해, 배터리 방전 동작시 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n) 각각에서 출력되는 전압이 합산되어 양방향 PWM 인버터(12)로 제공되고, 배터리 충전 동작시 양방향 PWM 인버터(12)에서 출력되는 전압이 배분되어 각각의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n)로 제공될 수 있다.
예를 들어, 배터리 셀의 개수가 60개로 구성되는 단일 배터리 팩과 그에 연결된 하나의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 갖는 에너지 저장 장치를 대신하여, 도 3에 도시된 것과 같이, 20개(n=20)의 배터리 팩(11-1 내지 11-n)과 각각의 배터리 팩(11-1 내지 11-n)에 각각 연결된 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n)로 나누어 에너지 저장 장치를 구현하면, 배터리 팩(11-1 내지 11-n) 각각에 할당되는 직렬 연결된 배터리 셀의 개수는 3개가 된다. 하나의 배터리 팩(11-1 내지 11-n)에 할당된 전압이 1/20로 낮아지면 각 에너지 저장 모듈(10)에서 출력되는 교류측 전압의 크기도 1/20의 비율로 낮아진다. 그러나, 도 3에 도시된 실시형태와 같이, 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n)의 양방향 PWM 인버터 측 입출력단을 상호 직렬 연결하면 직렬 배터리 셀을 60개 사용하는 배터리 팩과 동일한 전압을 확보할 수 있다. 다시 말해, 전력 변환의 관점에서는 20 개의 배터리 팩과 20 개의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터로 분할하고 고주파 링크형 직류-직류 컨버터의 양방향 PWM 인버터측 입출력단을 직렬 연결하면 부피나 중량 및 가격적인 면에서 하나의 배터리 팩과 하나의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터로 에너지 저장 장치를 구현하는 것과 큰 차이가 없게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 고주파 링크형 에너지 저장 장치의 회로도이다.
도 4에 도시된 실시형태는 도 3에 도시된 실시형태와 달리, 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n)의 양방향 PWM 인버터(12) 측 입출력단이 상호 병렬 연결된 회로구조를 형성한다. 이러한 병렬 연결된 회로 구조는 방향 PWM 인버터(12)의 전류용량이 큰 경우, 복수의 배터리 팩(11-1 내지 11-n) 각각과 그에 연결된 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n) 각각으로 구성된 에너지 저장 모듈으로 전류를 분배하여 제공할 수 있어, 높은 전류의 공급이 가능해진다. 이 경우, 각 에너지 저장 모듈에 포함된 고주파 링크형 직류-직류 컨버터(13-1 내지 13-n)의 입출력 간의 전압레벨은 고주파변압기의 권선비로 조정할 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 양방향 PWM 인버터를 사용한 에너지 저장 장치는 배터리의 관리 측면에 있어서 매우 우수한 장점을 갖는다.
첫째로, 종래의 단일 전력 변환 구조를 사용하는 경우 하나의 배터리 팩 내에서 상호 직렬 연결된 다수의 배터리 셀 중 한 개가 고장날 확률은 복수의 에너지 저장 모듈로 분할한 것에 비해 매우 높다. 즉, 직렬 연결된 배터리 셀의 개수가 증가할수록 고장의 확률이 높아진다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는 하나의 배터리 팩에 상호 직렬 연결되는 배터리의 수를 종래에 비해 감소시켜 배터리 고장의 확률을 현저하게 감소시킬 수 있다.
둘째로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는 배터리 셀의 고장을 감시하기가 용이하다. 예를 들어 60개의 직렬 연결된 배터리 팩을 통합적으로 감시하는 것 보다는 2~3개의 소규모로 직렬 연결된 배터리 팩을 감시하는 것이 훨씬 용이하고 정확할 수 있다.
셋째로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는 보수유지가 간편하고 비용이 적게 든다. 종래의 에너지 저장 장치에서는 하나의 배터리 셀이 고장날 경우 배터리 팩 전체를 교체하여야 하지만, 본 발명의 일 실시형태는 고장이 발생한 배터리 셀을 갖는 배터리 팩 또는 에너지 저장 모듈만 교체하면 되기 때문에 배터리 교체비용이 적게 들고, 교체과정이 간단하여 보수유지 비용이 적게 발생한다. 더욱이 표준화된 에너지 저장 모듈을 사용하게 되면, 운전 중에도 고장난 에너지 저장 모듈 핫스와프(hot-swap) 방식으로 간단히 교체할 수 있다.
넷째로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는 셀 평형 회로가 따로 필요 없으므로, 전체 시스템의 에너지효율이 높아지고, 제품의 무게, 크기 및 제조원가가 감소한다.
마지막으로, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치는 고장감내(FRT: Fault ride Through) 운전이 가능하다. 예를 들어, 복수의 배터리 셀 중 하나의 배터리 셀이 고장 나는 경우, 해당 배터리 셀을 사용하는 에너지 저장 모듈을 정지시키고 교류 측을 바이패스 시킴으로써 고장 중에도 연속적인 운전이 가능하다. 고장난 에너지 저장 모듈은 시간적 여유를 확보하고 추후에 교체 가능하다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는 비상상황에서의 대처능력이 향상시킬 수 있다.
넷째로, 셀-밸런싱회로가 따로 필요없으므로, 전체 시스템의 에너지효율이 높아지고, 제품의 무게, 크기 및 제조원가가 감소한다.
마지막으로, 제안된 방식의 고주파링크형 DC-DC 컨버터를 사용한 에너지저장시스템용 모듈러 충방전장치 구조는 고장감내(FRT; Fault ride Through) 운전이 가능하다. 예를 들어 60개의 배터리셀 중 한셀이 고장 나는 경우, 해당 셀을 사용하는 충방전모듈을 정지시키고 출력측을 바이패스시킴으로써 고장 중에도 연속적인 운전이 가능하다. 고장난 충방전모듈은 시간적 여유를 확보하고 추후에 교체하면 된다. 따라서 비상상황에서의 대처능력이 우수해 진다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
11, 11-1 내지 11-n: 배터리 또는 배터리 팩
12: 양방향 PWM 인버터
13, 13-1 내지 13-n: 고주파 링크형 직류-직류 컨버터
131, 131-1 내지 131-n, 132, 132-1 내지 132-n: 양방향 직류-교류 변환부
14: LC 필터

Claims (14)

  1. 상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하는 복수의 배터리 팩;
    상기 복수의 배터리 팩 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하고, 계통으로부터 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩으로 제공하는 양방향 PWM 인버터; 및
    상기 복수의 배터리 팩에 각각 연결된 제1 입출력단 및 상기 양방향 PWM 인버터 측에 연결된 제2 입출력단을 갖는 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 포함하며,
    상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터는, 상기 제1 입출력단과 상기 제2 입출력단을 상호 절연하는 고주파 트랜스포머를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 개수는, 상호 직렬 연결된 배터리 셀 간의 셀 불평형 현상을 발생시키지 않는 개수인 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 양방향 PWM 인버터 각각은,
    상기 제1 입출력단에 연결되어 상기 배터리 팩으로부터 전달된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 상기 고주파 트랜스포머로부터 제공된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩에 제공하도록 풀 브릿지 스위칭 회로로 구현된 제1 양방향 직류-교류 변환부; 및
    상기 제2 입출력단에 연결되어 상기 양방향 PWM 인버터로부터 전달된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 상기 고주파 트랜스포머로부터 제공된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 양방향 PWM 인버터로 제공하도록 풀 브릿지 스위칭 회로로 구현된 제2 양방향 직류-교류 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 팩 각각과 그에 연결된 상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터 각각은 복수의 모듈을 형성하는 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    제1항에 있어서,
    상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터 제2 입출력단은 상호 직렬 연결되고, 상기 직렬 연결된 회로 구조가 상기 양방향 PWM 인버터의 직류 측 입출력단에 연결된 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터 제2 입출력단은 상호 병렬 연결되고, 상기 병렬 연결된 회로 구조가 상기 양방향 PWM 인버터의 직류 측 입출력단에 연결된 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  7. 상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하는 복수의 배터리 팩;
    상기 복수의 배터리 팩 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하고, 계통으로부터 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩으로 제공하는 양방향 PWM 인버터; 및
    상기 복수의 배터리 팩에 각각 연결된 제1 입출력단 및 상기 양방향 PWM 인버터 측에 연결된 제2 입출력단을 갖는 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 포함하며,
    상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터는, 상기 제1 입출력단과 상기 제2 입출력단을 상호 절연하는 고주파 트랜스포머를 포함하고,
    상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터 제2 입출력단은 상호 직렬 연결되고, 상기 직렬 연결된 회로 구조가 상기 양방향 PWM 인버터의 직류 측 입출력단에 연결된 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 개수는, 상호 직렬 연결된 배터리 셀 간의 셀 불평형 현상을 발생시키지 않는 개수인 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 복수의 양방향 PWM 인버터 각각은,
    상기 제1 입출력단에 연결되어 상기 배터리 팩으로부터 전달된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 상기 고주파 트랜스포머로부터 제공된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩에 제공하도록 풀 브릿지 스위칭 회로로 구현된 제1 양방향 직류-교류 변환부; 및
    상기 제2 입출력단에 연결되어 상기 양방향 PWM 인버터로부터 전달된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 상기 고주파 트랜스포머로부터 제공된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 양방향 PWM 인버터로 제공하도록 풀 브릿지 스위칭 회로로 구현된 제2 양방향 직류-교류 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 팩 각각과 그에 연결된 상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터 각각은 복수의 모듈을 형성하는 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  11. 상호 직렬 연결된 사전 설정된 개수의 배터리 셀을 각각 포함하는 복수의 배터리 팩;
    상기 복수의 배터리 팩 직류 전력을 입력 받아 교류 전력으로 변환하고, 계통으로부터 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩으로 제공하는 양방향 PWM 인버터; 및
    상기 복수의 배터리 팩에 각각 연결된 제1 입출력단 및 상기 양방향 PWM 인버터 측에 연결된 제2 입출력단을 갖는 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 포함하며,
    상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터는, 상기 제1 입출력단과 상기 제2 입출력단을 상호 절연하는 고주파 트랜스포머를 포함하고,
    상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터 제2 입출력단은 상호 병렬 연결되고, 상기 병렬 연결된 회로 구조가 상기 양방향 PWM 인버터의 직류 측 입출력단에 연결된 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 셀의 개수는, 상호 직렬 연결된 배터리 셀 간의 셀 불평형 현상을 발생시키지 않는 개수인 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  13. 제7항에 있어서, 상기 복수의 양방향 PWM 인버터 각각은,
    상기 제1 입출력단에 연결되어 상기 배터리 팩으로부터 전달된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 상기 고주파 트랜스포머로부터 제공된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리 팩에 제공하도록 풀 브릿지 스위칭 회로로 구현된 제1 양방향 직류-교류 변환부; 및
    상기 제2 입출력단에 연결되어 상기 양방향 PWM 인버터로부터 전달된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하고 상기 고주파 트랜스포머로부터 제공된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 양방향 PWM 인버터로 제공하도록 풀 브릿지 스위칭 회로로 구현된 제2 양방향 직류-교류 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 팩 각각과 그에 연결된 상기 복수의 고주파 링크형 직류-직류 컨버터 각각은 복수의 모듈을 형성하는 것을 특징으로 하는 고주파 링크형 직류-직류 컨버터를 이용한 에너지 저장 장치.
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