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WO2024162549A1 - Ess 충방전 제어 시스템 및 이를 이용한 충방전 제어 방법 - Google Patents

Ess 충방전 제어 시스템 및 이를 이용한 충방전 제어 방법 Download PDF

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Publication number
WO2024162549A1
WO2024162549A1 PCT/KR2023/012851 KR2023012851W WO2024162549A1 WO 2024162549 A1 WO2024162549 A1 WO 2024162549A1 KR 2023012851 W KR2023012851 W KR 2023012851W WO 2024162549 A1 WO2024162549 A1 WO 2024162549A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
power
battery
ess
section
charging
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/012851
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이동영
박상현
Original Assignee
스탠다드에너지(주)
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
Application filed by 스탠다드에너지(주) filed Critical 스탠다드에너지(주)
Publication of WO2024162549A1 publication Critical patent/WO2024162549A1/ko

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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12—Electric charging stations

Definitions

  • the following description relates to a charge/discharge control system for an ESS (Energy Storage System) and an ESS charge/discharge control method using the same. Specifically, it relates to a method and system for efficiently controlling ESS charge/discharge by giving priority to a power section based on the power conversion efficiency of a power conversion device (PCS).
  • ESS Electronicgy Storage System
  • PCS power conversion device
  • EV chargers are being installed in various spaces.
  • the use of EV chargers increases the electricity usage of the grid and can affect other electricity usage within the space.
  • electricity usage surges there is a problem that the use of EV chargers is restricted.
  • a power system including an ESS is proposed to stably charge the various electric-powered mobile devices described above in a space where a charger is installed, and to support this.
  • one aspect of the present invention proposes a method for efficiently controlling ESS charging and discharging by giving priority to a power section based on the power conversion efficiency of a power conversion device (PCS), and a system therefor.
  • PCS power conversion device
  • a charge/discharge control system for an ESS characterized by including: an ESS having a battery; a power grid and a power conversion device (PCS) connected to the ESS and converting a form of power between the power grid and the ESS; and a controller for controlling charging/discharging of the battery with power within the first power section when a first power section based on power conversion efficiency of the power conversion device and a second power section based on charge/discharge efficiency of the battery are different.
  • PCS power conversion device
  • a method for controlling battery charging and discharging of an ESS including comparing a first power section based on a power conversion efficiency of a power conversion device (PCS) that converts a power form between a power grid and the ESS and a second power section based on a charge and discharge efficiency of the battery; and performing charging and discharging of the battery with power within the first power section when the first power section and the second power section are different.
  • PCS power conversion device
  • power loss in a power conversion device can be minimized by preferentially considering a power section based on the power conversion efficiency of the power conversion device (PCS).
  • a battery that does not pose a safety problem can be used, thereby simultaneously pursuing the safety and power efficiency of the ESS.
  • Figures 1 and 2 are drawings for explaining the power conversion efficiency of a power conversion device.
  • Figure 3 is a drawing to explain power loss when LIB is applied to ESS.
  • FIG. 4 is a drawing for explaining the concept of an ESS charge/discharge control system according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a drawing for explaining a battery type applied to ESS according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a drawing for explaining the structure of a VIB ESS according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a drawing for explaining a charging/discharging control method using a VIB ESS according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a drawing for explaining the concept of a power section that takes battery safety into consideration in charge/discharge control using a VIB ESS according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a method for determining charge/discharge power according to the relationship between a first power section and a second power section according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a drawing for explaining a mechanism by which charging of an ESS is performed according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a drawing for explaining a mechanism by which discharging of an ESS is performed according to one embodiment of the present invention.
  • ESS refers to a device that can store energy in various energy storage means and then supply the stored power back to the grid when needed.
  • ESS that uses batteries as energy storage means is specifically referred to as BESS (Battery Energy Storage System), but in the following description, unless otherwise specified, ESS is assumed to be BESS.
  • ESS consists of a battery, a battery management system (BMS), a power conversion system (PCS), and an energy management system (EMS).
  • BMS battery management system
  • PCS power conversion system
  • EMS energy management system
  • a battery has one or more cells, and multiple cells can form a module, and multiple modules can form a rack.
  • An ESS configured in this way can be connected to a power grid, an electric grid, a power grid, etc., to receive power.
  • the state of the battery can be expressed representatively based on the state-of-charge (SoC), and the charge/discharge speed of the battery can be explained based on the charge/discharge rate (C-Rate).
  • SoC state-of-charge
  • C-Rate charge/discharge rate
  • the charge rate of the battery and/or the discharge rate of the battery can be controlled by the charge/discharge rate (C-Rate).
  • the charge/discharge rate (C-Rate) refers to the measurement of the current used to charge and/or discharge the battery. For example, if a particular battery discharges at 1C-Rate or 1C, it means that a battery with a capacity of 10Ah (i.e., the amount of electricity when 10A (ampere) current flows for 1 hour) can discharge 10A (ampere) for 1 hour from a fully charged state.
  • SoC state of charge
  • Figures 1 and 2 are drawings for explaining the power conversion efficiency of a power conversion device.
  • the power conversion device may include a converter that converts alternating current (AC) power into direct current (DC) power (hereinafter, 'AC/DC converter') and an inverter that converts direct current (DC) power into alternating current (AC) power (hereinafter, 'DC/AC inverter').
  • a converter that converts alternating current (AC) power into direct current (DC) power
  • 'DC/AC inverter' an inverter that converts direct current (DC) power into alternating current (AC) power
  • Fig. 1 is a diagram showing the PWM (Pulse Width Modulation) method in an AC/DC converter as voltage over time.
  • reference numeral 110 indicates a case where low power is output
  • reference numeral 120 indicates a case where medium power is output
  • reference numeral 130 indicates a case where high power is output.
  • Figure 2 is a diagram to explain the concept of resistance value and resulting power loss according to switching speed.
  • drawing symbol 210 represents noise occurring at turn-off
  • drawing symbol 220 conceptually represents switching loss at turn-off.
  • the case where the switching speed is high (Case 1) and the case where the switching speed is low (Case 2) are distinguished according to the switching speed, and it can be confirmed that in the case where the switching speed is high (Case 1), the power loss is small due to the small resistance value, whereas in the case where the switching speed is low (Case 2), the power loss is large due to the large resistance value.
  • the inverter output current (A) can be expressed as follows.
  • Inverter output current (A) AC output (W) / AC voltage (V)
  • Inverter input current (A) Inverter output current (A) * AC voltage (V) / (System voltage (V) * Conversion efficiency)
  • the battery is DC 12V and the load capacity is 220V 440W, it can be expressed as follows.
  • a power section of a power conversion device determined based on at least one of a power amount based on the efficiency of the converter as described above and a voltage level based on the efficiency of the inverter as described above is referred to as a first power section.
  • the LIB which is currently the most popular, has a problem in that it is difficult to charge and discharge within the first power section range of the power conversion device described above.
  • Figure 3 is a drawing to explain power loss when LIB is applied to ESS.
  • the power conversion device (320) can receive AC power from the power grid (310), convert it into DC power, and provide it to the LIB ESS (330-1), and conversely, convert the DC power of the LIB ESS (330-1) into AC power and provide it to the power grid (310).
  • the first power range which is an optimal power range considering the efficiency of the power conversion device (320), is determined to be 50 kW to 100 kW.
  • FIG. 3 illustrates that the power exchange between the power grid (310) and the power conversion device (320) is limited to 14 kW to 35 KW due to the constraints of the LIB, and the charging and discharging between the power conversion device (320) and the LIB ESS (330-1) is limited to 20 to 50 A.
  • the power loss by the power conversion device (320) increases, which may result in power waste in the entire system.
  • FIG. 4 is a drawing for explaining the concept of an ESS charge/discharge control system according to one embodiment of the present invention.
  • the ESS charge/discharge control system may include: an ESS (330) having a battery; a power grid (310) and a power conversion device (320) connected to the ESS (330) to convert a power form between the power grid (310) and the ESS (330); and a controller (not shown) that controls charging/discharging of the battery of the ESS (330) with power within the first power section when a first power section based on power conversion efficiency of the power conversion device (320) and a second power section based on charge/discharge efficiency of the battery are different.
  • the battery applied to the ESS (330) is a battery that does not have safety issues when charging and discharging with a current corresponding to the first power section as shown in FIG. 3.
  • a battery according to a preferred embodiment of the present invention is preferably a battery in which power loss is minimized below a predetermined standard even when charging and discharging is performed outside a range outside a second power section that takes into account the charging and discharging efficiency of the battery, which will be described in detail later.
  • the battery used in the ESS need not be interpreted as being limited to a specific type. However, as described above, it is desirable that the battery applied to the ESS (330) has no safety issues when charging and discharging with a current corresponding to the first power section as shown in FIG. 3, and further, that the battery be a battery in which power loss is minimized below a predetermined standard even when charging and discharging is performed outside a range that preferably takes into account the charging and discharging efficiency of the battery, and for this purpose, an ESS based on a vanadium ion battery (VIB) proposed by the applicant of the present invention is described.
  • VIB vanadium ion battery
  • FIG. 5 is a drawing for explaining a battery type applied to ESS according to one embodiment of the present invention.
  • Fig. 5 (A) illustrates an example of a system in which a LIB ESS (210) is applied, in which LIBs, which are currently receiving the most attention among these various ESS batteries, are applied.
  • LIBs are attracting attention because they have high energy density and power density, are about three times lighter than conventional lead-acid batteries, and can reduce space consumption by 50-80% due to their high power density. In addition, they can discharge 1-2% of the charge per month and maintain a long service life, and can be used for about 10 years and have 5,000 battery cycles depending on conditions.
  • the VIB developed by the present applicant refers to a secondary battery that electrochemically stores/releases energy using vanadium ions as an active material.
  • existing vanadium-based batteries store/release electrical energy by forcibly circulating/transporting/storing active materials (e.g., vanadium ions, H+ cations, water, sulfuric acid, etc.) participating in an electrochemical reaction by an externally powered pump
  • active materials e.g., vanadium ions, H+ cations, water, sulfuric acid, etc.
  • the VIB uses the internal electric field, osmotic pressure, concentration difference, etc. of the active materials to change and move ions, and the active materials store/release energy through an electrochemical reaction within the cell and/or module.
  • Fig. 5 (B) illustrates a configuration in which a VIB ESS (140) using such VIB is applied according to one embodiment of the present invention.
  • the system of the present invention can be preferably applied to various auxiliary facilities while ensuring safety, so it can be said to be a very effective power supply system.
  • VIB ESS 140
  • the utilization of VIB ESS enables safe and efficient energy supply, it can be utilized as a very effective, safe, and environmentally friendly energy supply means for energy conservation, energy environment, and realization of carbon neutrality.
  • the high-speed charge/discharge performance of the VIB as described above can be utilized to more efficiently utilize the amount of power measured by multiple power meters (211, 212, 220). For example, when the measured value of the power meter (212) measuring the amount of power flowing into the charger decreases rapidly, this can be supported by high-speed discharge, and when the measured value of the power meter (220) measuring at the load end other than the ESS is below a predetermined standard, the VIB ESS (140) can be charged at high speed.
  • VIB has an upper voltage limit but no lower voltage limit, so it has the advantage of being able to use a relatively wide voltage range (window). That is, no special problem occurs even when it becomes 0 V or a fully discharged state, so it can operate more flexibly depending on the measurement situations of multiple power meters.
  • actual (theoretical) SoC is a concept to distinguish it from the SoC provided by the manufacturer, and manufacturers generally provide the safety-free range of the actual SoC range as 0% - 100% for safety reasons.
  • actual (theoretical) SoC refers to the SoC that calculates 100% for a full charge of the battery and 0% for a full discharge.
  • LIB VIB Fire hazard height doesn't exist Charge/discharge rate 0.2-0.5 C 0.5 - 5 C (Max 10 C) Voltage range There are upper and lower voltage limits Upper voltage limit exists, lower voltage limit is X Actual SoC operation less than 20% Impossible possible Features when repeating cycles Irreversible reaction with phase change reversible reaction
  • FIG. 6 is a drawing for explaining the structure of a VIB ESS according to one embodiment of the present invention.
  • the VIB ESS also includes components such as a battery, BMS, PCS, and EMS.
  • the battery can be configured from the smallest cell unit to a module in which 10-20 cells are grouped, multiple modules can configure a pack, and multiple packs can configure a system level.
  • the BMS can also have a hierarchical structure of a cell BMS (not shown), a module BMS (31; level 1), a pack BMS (32; level 2), and a system BMS (33; level 3).
  • each level means an operation level that includes other control configurations than the above-described BMS.
  • level 2 may specify control with the level 1 control stage of the above-described pack BMS (32) and control operations for the switch gear (34)
  • level 3 may specify control operations between the above-described system BMS (33) and PMS (35).
  • the final level 4 may specify control operations between multiple PMSs (35) and EMSs (36).
  • the switch gear (34) can control the battery and power line (contactor, precharge, fuse), and the linear IC (37) can perform switch (38) turn-on by receiving a command from the pack BMS (32).
  • the switch turn-on may mean balancing by resistance, and the resistance here may be a pattern resistor in which copper wires are formed in a pattern on the board.
  • the type of battery applied to the ESS is exemplarily described as VIB (FIG. 5(B) and FIG. 6) in contrast to LIB (FIG. 5(A)), but the type of battery applied to the ESS need not be limited to VIB.
  • the ESS in this specification may utilize a VRB (Vanadium Redox Battery), a PSB (polysulfide bromide battery), a ZBB (zinc-bromine battery), etc.
  • FIG. 7 is a drawing for explaining a charging/discharging control method using a VIB ESS according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the ESS charge/discharge control system includes a power conversion device (320) that converts the form of power between the power grid (310) and the ESS (330-2) in the same manner as in FIGS. 3 and 4, and the first power section based on the power conversion efficiency of the power conversion device (320) is assumed to be 50 kW to 100 kW in the same manner as in the example of FIG. 3.
  • the ESS is a VIB ESS (330-2), and VIB corresponds to the most efficient charge/discharge section at a charge/discharge rate of 0.2 C to 1 C under the condition that 1C is 100 A, and when the current voltage is 700 V, the second power section considering the charge/discharge efficiency of the battery is 14 kW to 70 kW.
  • Fig. 7 illustrates that the VIB ESS (330-2) is charged and discharged at 72 to 100 A in response to the conversion power range (50 to 70 kW) of the power conversion device (320) determined as above.
  • the charge/discharge power is preferably determined as the minimum power within the first power section, and conversely, if the first power section is smaller than the second power section, it is preferably determined as the maximum power within the first power section, which will be described later with reference to FIG. 9.
  • FIG. 8 is a drawing for explaining the concept of a power section that takes battery safety into consideration in charge/discharge control using a VIB ESS according to another embodiment of the present invention.
  • the power exchanged with the power conversion device (320) for charging and discharging is determined to be 100 to 200 kW by giving priority to the first power section, even though the second power section is still 14 kW to 70 kW, and accordingly, an example is shown in which the VIB ESS (330-2) is charged and discharged with a current in the section of 143 to 285 A.
  • the second power section is set in consideration of the charge/discharge efficiency section of 0.2 C - 1 C of the VIB, but a section above and/or below 0.2 C - 1 C in the charge/discharge of the VIB can also be used without any safety issues. Therefore, that is, when the power section considering the safety of the battery in this embodiment is referred to as the third power section, it is preferable that the third power section includes the first power section, and it is advantageous that it includes at least a section overlapping with the second power section.
  • the power section used for charging and discharging the VIB ESS (330-2) is indicated as 100 to 200 kW.
  • the charging and discharging of the VIB ESS (330-2) is performed with the minimum power (100 kW) of the first power section, and this will be described in detail with reference to FIG. 9.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a method for determining charge/discharge power according to the relationship between a first power section and a second power section according to one embodiment of the present invention.
  • the battery charge/discharge control method of the ESS can first perform a comparison between the first power section (1 st PR) and the second power section (2 nd PR) (S710). If the first power section (1 st PR) and the second power section (2 nd PR) are different, the battery is charged/discharged using the power within the first power section (1 st PR).
  • the battery charge/discharge power can be set as the power within the overlapping section as in the example of Fig. 7 (S740).
  • Charging and discharging of the ESS battery can be performed through a current corresponding to the battery charging and discharging power set in this manner (S750).
  • FIG. 10 is a drawing for explaining a mechanism by which charging of an ESS is performed according to one embodiment of the present invention.
  • the maximum available power of the grid can be acquired and stored (S4010).
  • the contracted power amount can be acquired and stored as the power level provided from the grid (S4020). Considering the relationship of the acquired power amounts in this way, the controller can check the available power amount (power amount in use) (S4030).
  • the voltage of the battery can be checked thereafter (S4040).
  • the battery voltage checked in this way can be used to calculate the optimal charging power of the battery by utilizing the relationship of battery voltage * optimal charging current (S4050), which can correspond to the second power section concept described above.
  • the controller can set the charging power based on the maximum value of the efficiency range of the power conversion device (S4074). Conversely, if the efficiency range of the power conversion device is larger than the battery power, the controller can set the charging power based on the minimum value of the efficiency range of the power conversion device (S4072).
  • the battery charging power can be set to the power calculated based on the overlapping section (S4080).
  • the efficiency of the input-to-output of VIB is the best between 0.2 C and 1 C, and the second power section can be set based on this.
  • the above-described meaning does not mean that VIB has poor efficiency below 0.2 C or above 1 C, and VIB has the characteristic of being able to operate stably regardless of the output of the power conversion device.
  • this embodiment proposes to control the charging power amount by giving priority to the power conversion efficiency of the power conversion device.
  • FIG. 11 is a drawing for explaining a mechanism by which discharging of an ESS is performed according to one embodiment of the present invention.
  • the procedure of obtaining/storing the maximum grid available power amount (S5010), obtaining/storing the contracted power amount (S5020), and checking the available power amount (S5030) as shown in Fig. 11 can be performed in the same manner as the charging mechanism of Fig. 10.
  • the battery can be set to discharge at a voltage corresponding to the first power section (voltage corresponding to power within the maximum efficiency section of the power conversion device) (S5041), and battery discharge can be performed based on this (S5043).
  • the ESS charge/discharge control system and the ESS charge/discharge control method using the same according to the embodiments of the present invention as described above can be utilized in various ways at charging stations for electric-powered mobile devices and at sites where power supply/demand imbalance occurs.

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Abstract

본 문서는 ESS(Energy Storage System) 충방전 제어 시스템 및 이를 이용한 ESS 충방전 제어 방법에 대한 것이다. 이를 위해, 충방전 제어 시스템은, 배터리를 구비하는 ESS; 전력 그리드(grid) 및 상기 ESS와 연결되어, 상기 전력 그리드와 상기 ESS 사이의 전력 형태를 변환하는 전력 변환 장치(PCS); 및 상기 전력 변환 장치의 전력 변환 효율에 기반한 제 1 전력 구간과 상기 배터리의 충방전 효율에 기반한 제 2 전력 구간이 상이한 경우, 상기 제 1 전력 구간 내의 전력으로 상기 배터리에 대한 충방전을 수행하도록 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ESS 충방전 제어 시스템 및 이를 이용한 충방전 제어 방법
이하의 설명은 ESS(Energy Storage System)의 충방전 제어 시스템 및 이를 이용한 ESS 충방전 제어 방법에 대한 것으로서, 구체적으로 전력 변환 장치(PCS)의 전력 변환 효율에 기반한 전력 구간을 우선적으로 고려하여 ESS 충방전을 효율적으로 제어하는 방법 및 시스템에 대한 것이다.
최근 전기차(EV)의 이용이 확대되면서 전기차 충전기가 다양한 공간에 배치된다. 그런데 전기차 충전기의 사용은 그리드의 전기 사용량을 증가시키며 해당 공간 내의 다른 전기 사용량에 영향을 줄 수 있다. 특히 전기 사용량이 폭증하는 경우, 전기차 충전기의 사용이 제한되는 문제가 있다.
아울러, 배터리 충전이 필요한 이동장치로는 현재의 전기차뿐만 아니라, UAV (Uncrewed Aerial Vehicle), 퍼스널 모빌리티 등 다양한 전기구동 이동장치가 제안되고 있다.
이에, 충전기가 배치된 공간에서 상술한 다양한 전기구동 이동장치를 안정적으로 충전을 수행하고, 이를 지원하기 위해 ESS를 포함하는 전력 시스템이 제안되고 있다.
다만, 현재 가장 대중적으로 사용되는 리듐 이온 배터리(LIB)의 경우, ESS에 적용 시 배터리 안전성을 고려한 제한된 충전율이 적용되어, ESS를 포함하는 전력 시스템에 최적의 충방전 효율을 도출할 수 없는 문제를 가진다.
상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명의 일 측면에서는, 전력 변환 장치(PCS)의 전력 변환 효율에 기반한 전력 구간을 우선적으로 고려하여 ESS 충방전을 효율적으로 제어하는 방법 및 이를 위한 시스템을 제안하고자 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 전력 변환 장치의 전력 구간을 우선 고려하여 충방전을 수행하기 위해, 적합한 배터리의 요건에 대해 살펴보고, 이를 이용한 충방전 제어 시스템을 제안한다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에서는, 배터리를 구비하는 ESS; 전력 그리드(grid) 및 상기 ESS와 연결되어, 상기 전력 그리드와 상기 ESS 사이의 전력 형태를 변환하는 전력 변환 장치(PCS); 및 상기 전력 변환 장치의 전력 변환 효율에 기반한 제 1 전력 구간과 상기 배터리의 충방전 효율에 기반한 제 2 전력 구간이 상이한 경우, 상기 제 1 전력 구간 내의 전력으로 상기 배터리에 대한 충방전을 수행하도록 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS 충방전 제어 시스템을 제안한다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에서는, ESS의 배터리 충방전을 제어하는 방법에 있어서, 전력 그리드(grid)와 상기 ESS 사이의 전력 형태를 변환하는 전력 변환 장치(PCS)의 전력 변환 효율에 기반한 제 1 전력 구간과 상기 배터리의 충방전 효율에 기반한 제 2 전력 구간을 비교하고; 상기 제 1 전력 구간과 상기 제 2 전력 구간이 상이한 경우, 상기 제 1 전력 구간 내의 전력으로 상기 배터리에 대한 충방전을 수행하는 것을 포함하는, ESS 충방전 제어 방법을 제안한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 전력 변환 장치(PCS)의 전력 변환 효율에 기반한 전력 구간을 우선적으로 고려하여 전력 변환 장치에서의 전력 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 전력 변환 장치의 전력 구간을 우선 고려하여 충방전을 수행하더라도 배터리의 안전에 문제가 없는 배터리를 사용하여, ESS의 안전성과 전력 효율을 동시에 추구할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 전력 변환 장치의 전력 변환 효율에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 ESS에 LIB가 적용되는 경우의 전력 손실에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 충방전 제어 시스템의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 ESS에 적용되는 배터리 타입에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 VIB ESS의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 VIB ESS를 활용한 충방전 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 VIB ESS를 활용한 충방전 제어에서 배터리 안전을 고려한 전력 구간의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제 1 전력 구간과 제 2 전력 구간의 관계에 따라 충방전 전력을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 ESS의 충전이 수행되는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 ESS의 방전이 수행되는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
일반적으로, ESS는 다양한 에너지 저장 수단에 에너지를 저장한 후, 필요시 그리드에 다시 저장된 전력을 공급할 수 있는 장치를 의미한다. 이러한 ESS 중 배터리를 에너지 저장 수단으로 활용하는 ESS를 특히 BESS (Battery Energy Storage System)으로 지칭하나, 이하의 설명에서 다른 특별한 언급이 없는 한 ESS는 BESS인 것을 가정한다.
일반적으로, ESS는 배터리, 배터리 관리 시스템(BMS), 전력 변환 시스템(Power Conversion System: PCS), 에너지 관리 시스템(EMS) 등으로 구성되어 있다. 배터리는 하나 이상의 셀(cell)이 있으며, 복수 개의 셀들은 하나의 모들(module)을 이루며, 복수 개의 모듈들은 하나의 랙(rack)을 형성할 수 있다. 이렇게 구성된 ESS는 전력망, 전기망, 전력 그리드(grid) 등과 연결되어 전력을 공급받을 수 있다.
이하의 설명에 있어서, 배터리의 상태는 대표적으로 충전 상태(state-of-charge: SoC)를 기준으로 표현할 수 있으며, 배터리의 충/방전 속도는 충/방전율(C-Rate)를 기준으로 설명할 수 있다.
먼저, 배터리의 충전율 및/또는 배터리의 방전율은 충/방전율(C-Rate)에 의해 제어될 수 있다. 충/방전율(C-Rate)은 배터리의 충전 및/또는 방전에 사용되는 전류의 측정을 의미한다. 일예로, 특정 배터리가 1C-Rate 또는 1C로 방전한다는 의미는, 10Ah (즉, 10A(암페어) 전류가 1시간 동안 흘렀을 때의 전기량)의 용량을 가진 배터리가 완전히 충전된 상태에서 1시간 동안 10A(암페어)를 방전할 수 있다는 것을 의미한다.
특정한 C-Rate로 충전되는 배터리를 측정해보면 해당 충전 상태(SoC)를 확인할 수 있다. ESS를 이용하여 전기차를 충전할 때에 ESS 내부 배터리의 SoC, 전기차 내부 배터리의 SoC 등을 확인하여 충전에 대한 각종 제어를 수행할 수 있다.
이러한 설명을 바탕으로 이하에서는 도면을 참조하여 구체적으로 실시예들에 대해 설명한다.
도 1 및 도 2는 전력 변환 장치의 전력 변환 효율에 대해 설명하기 위한 도면이다.
전력 변환 장치는 교류(AC) 전력을 직류(DC) 전력으로 변환하는 컨버터(이하 'AC/DC 컨버터') 및 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하는 인버터(이하 'DC/AC 인버터')를 포함할 수 있다.
구체적으로, AC/DC 컨버터를 이용하여 AC 전압을 가변하여 DC 출력을 만들기 위해서는 스위칭 제어가 필요하며, 도 1은 AC/DC 컨버터에서 PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 시간에 따른 전압으로 나타낸 도면이다. 도 1에서 도면부호 110은 저전력을 출력하는 경우, 도면부호 120은 중간전력을 출력하는 경우, 도면부호 130은 고전력을 출력하는 경우를 나타내고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 스위칭 속도에 따라 출력되는 전력을 제어하는 것이 가능하며, 저전력 출력 시에는 스위칭 속도가 낮고, 고전력 출력 시에는 스위칭 속도가 높은 것을 확인할 수 있다.
도 2는 스위칭 속도에 따른 저항값과 이에 따른 전력 손실의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로 도면부호 210은 턴-오프 시 발생하는 노이즈를 나타내며, 도면부호 220은 턴-오프 시 스위칭 손실을 개념화하여 나타낸다.
특히, 도면부호 220에서는 스위칭 속도에 따라 스위칭 속도가 높은 경우(Case 1)와 스위칭 속도가 낮은 경우(Case 2)를 구분하여 나타내고 있으며, 스위칭 속도가 높은 경우(Case 1) 작은 저항값으로 인하여 전력 손실이 작은 반면, 스위칭 속도가 낮은 경우(Case 2) 큰 저항 값으로 인하여 전력 손실이 큰 것을 확인할 수 있다.
정리하면, AC/DC 컨버터의 경우 출력 전력이 높을수록 효율이 우수한 것을 알 수 있다.
한편, DC/AC 인버터를 통해 DC 전압을 AC 전압으로 변경할 때, 동일하게 스위칭을 수행하지만 계통 전압은 고정되어 있으므로 필요한 전력(W)으로 출력을 결정할 수 있다.
즉, 전압이 높을수록 전류가 낮아지는 형태로, 전압이 높을수록 효율이 상승하게 된다.
예를 들어, 전환 효율이 90%의 DC/AC 인버터를 사용하는 경우, 인버터 출력 전류(A)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 1>
인버터 출력전류(A) = 교류출력(W)/교류전압(V)
인버터 입력전류(A) = 인버터 출력전류(A) * 교류전압(V) / (시스템전압(V)*변환 효율)
예를 들어, 배터리는 DC 12V, 부하용량은 220V 440W인 경우 아래와 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 2>
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상술한 검토를 통해 DC/AC 인버터의 경우, 배터리 전압이 높을수록 전력 변환 장치에 입력되는 전류가 낮아져 효율이 상승하는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 전력 변환 장치의 효율 제어를 위해 일정 수준 이상의 배터리 전압이 요구되는 것을 알 수 있다.
이하의 설명에 있어서, 상술한 바와 같은 컨버터의 효율에 기반한 전력량 및 상술한 바와 같은 인버터의 효율에 기반한 전압 수준 중 하나 이상에 기반하여 결정되는 전력 변환 장치의 전력 구간을 제 1 전력 구간으로 지칭하기로 한다.
한편, 현재 가장 대중적으로 사용되는 LIB의 경우, 상술한 전력 변환 장치의 제 1 전력 구간 범위 내로 충방전이 어려운 문제점을 가진다.
도 3은 ESS에 LIB가 적용되는 경우의 전력 손실에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 예에서 전력 변환 장치(320)는 전력 그리드(310)로부터 교류 전력을 입력 받아 직류 전력으로 변환하여 LIB ESS (330-1)애 제공할 수 있으며, 반대로 LIB ESS (330-1)의 직류 전력을 교류로 변환하여 전력 그리드(310)에 제공할 수도 있다.
도 3의 예에서 전력 변환 장치(320)의 효율을 고려한 최적 전력 구간인 제 1 전력 구간은 50 kW ~ 100 kW로 결정되는 것을 가정한다.
다만, LIB의 경우 배터리의 화재 위험 등으로 인하여 0.2 C - 0.5 C의 충전율로 충방전이 제한되며, 이때 1 C는 100 A에 대응한다. 현재 ESS의 전압이 700 V인 경우, 위 충전율의 제한은 충방전 속도를 14 kW - 35 kW로 제한하게 되며, 도 3은 이러한 LIB의 제약 조건에 의해 전력 그리드(310)와 전력 변환 장치(320) 사이의 전력 교환이 14 kW - 35 Kw로 제한되고, 전력 변환 장치(320)와 LIB ESS (330-1) 사이의 충방전이 20 ~ 50 A로 제한되는 것을 도시하고 있다.
상술한 바와 같이 ESS의 충방전이 전력 변환 장치(320)의 전력 변환 효율에 기반한 제 1 전력 구간(50kW - 100 kW)를 벗어나 수행하게 되는 경우, 전력 변환 장치(320)에 의한 전력 손실이 증가하게 되며, 이에 따라 전체 시스템의 전력 낭비가 발생할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 충방전 제어 시스템의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 ESS 충방전 제어 시스템은, 배터리를 구비하는 ESS(330); 전력 그리드(310) 및 상기 ESS(330)와 연결되어, 전력 그리드(310)와 ESS(330) 사이의 전력 형태를 변환하는 전력 변환 장치(320); 및 전력 변환 장치(320)의 전력 변환 효율에 기반한 제 1 전력 구간과 배터리의 충방전 효율에 기반한 제 2 전력 구간이 상이한 경우, 상기 제 1 전력 구간 내의 전력으로 ESS(330)의 배터리에 대한 충방전을 수행하도록 제어하는 제어기(미도시)를 포함할 수 있다.
즉, ESS(330)의 배터리 충방전 시, 배터리의 충방전 효율보다 전력 변환 장치(320)의 전력 변환 효율에 우선순위를 두고 충방전을 제어하는 것을 제안하며, 이를 위해 바람직하게 ESS(330)에 적용되는 배터리는 도 3과 같이 제 1 전력 구간에 대응하는 전류로 충방전을 수행할 때 안전상의 문제가 없는 배터리인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 배터리는, 배터리의 충방전 효율을 고려한 제 2 전력 구간을 벗어난 범위에서 충방전이 이루어지더라도 전력 손실이 소정 기준 이하로 최소화되는 배터리인 것이 바람직하며, 이에 대해서는 구체적으로 후술하기로 한다.
ESS의 배터리 타입
상술한 실시예들에 대한 설명에서 ESS에 사용하는 배터리는 특정 타입으로 한정하여 해석할 필요는 없다. 다만, 상술한 바와 같이 ESS(330)에 적용되는 배터리가 도 3과 같이 제 1 전력 구간에 대응하는 전류로 충방전을 수행할 때 안전상의 문제가 없고, 또한 바람직하게 배터리의 충방전 효율을 고려한 제 2 전력 구간을 벗어난 범위에서 충방전이 이루어지더라도 전력 손실이 소정 기준 이하로 최소화되는 배터리인 것이 바람직하며, 이를 위해 본 출원인에 의해 제안된 바나듐 이온 배터리(VIB) 기반의 ESS에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 ESS에 적용되는 배터리 타입에 대해 설명하기 위한 도면이다.
상술한 바와 같이 ESS에 적용 가능한 배터리로는 다양한 형태가 존재하며, 예를 들어, 납산화물(lead-acid) 배터리, 납탄소(lead carbon) 배터리, NAS (Sodium Sulfur) 배터리, 리듐이온배터리(LIB), 흐름전지 등이 활용될 수 있다. 도 5의 (A)는 이러한 다양한 ESS용 배터리 중 현재 가장 대중적으로 주목받고 있는 LIB가 적용된 LIB ESS(210)가 적용된 시스템을 예시적으로 도시하고 있다.
LIB는 높은 에너지밀도와 출력밀도를 가지며, 기존의 납축전지보다 약 3배 더 가벼우며, 높은 전력밀도로 공간 차지 비율을 50~80% 감소가 가능한 점에서 주목받고 있다. 그리고, 한달에 충전량의 1~2% 방전하고 긴 사용수명의 유지가 가능하며, 10년 정도 사용 가능한 장점과 조건에 따라 5,000회의 배터리 사이클 가진다고 볼 수 있다.
다만, LIB의 경우, ESS로 운영 시 0.2~0.5C를 기본 조건으로 충방전을 수행하며, 높은 C-rate로 구동시에 열발생으로 인하여 연속 구동이 힘들며, 화재발생 위험성이 높은 단점을 가진다.
또한, 알카리성(alkaline) 및 납(lead) 배터리의 경우, 열발생으로 인한 배터리 용량저하(성능감소)를 피하기 위해 0.05C(= 20시간 방전)로 구동되는 것이 일반적이다.
이에 반해, 본 출원인에 의해 개발된 VIB는 바나듐 이온을 활물질로 하여 전기 화학적으로 에너지를 저장/방출하는 이차 전지를 말한다. 기존 바나듐 계열 배터리는 전기화학 반응에 참여하는 활물질(예를 들어, 바나듐 이온, H+ 양이온, 물, 황산 등)이 외부 동력으로 동작하는 펌프 등에 의하여 강제로 순환/이송/저장되며 전기에너지를 저장/방출하는 반면, VIB는 셀 및/또는 모듈 내의 활물질이 내부의 전기장, 삼투압, 농도차 등을 이용한 이온 변화 및 이동을 이루며, 해당 활물질은 해당 셀 및/또는 모듈 내에서 전기화학 반응을 통해 에너지를 저장/방출하는 역할을 수행한다.
특히, VIB의 경우, 0.5 ~ 5C(MAX 10C)로 충방전이 가능하다. 또한, 수용성 전해액을 사용하여 구동되기 때문에 화재 위험으로부터 자유로우며, 넓은 SoC의 활용이 가능한 장점을 가진다.
따라서, 도 5의 (B)에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 이러한 VIB를 이용한 VIB ESS(140)가 적용된 구성을 도시하고 있다.
예컨대, LIB의 경우, 고출력 시 발열 및 배터리 수명에 영향이 있으나 VIB의 경우 안정적인 고출력이 가능하다. 또한, LIB의 경우 1C 충전 1C 방전 등의 제한이 있으나 VIB는 고출력으로 입출력 유동 제어가 가능하며, 예를 들어 그리드(110)의 정전 발생 시, VIB ESS(140)는 그리드(110)와 충전기 모두 고출력으로 보조가 가능하므로 VIB ESS(140)의 활용은 매우 효율적인 ESS 충방전 관리를 수행할 수 있는 장점을 가진다.
특히, VIB의 경우 과부하로 인한 화재위험이 없으므로, 이러한 VIB를 본 실시예의 ESS에 적용하는 경우 다양한 부대설비에서 본 발명의 시스템이 안전을 담보하면서 바람직하게 적용될 수 있다는 점에서 매우 효과적인 전력공급 시스템이라고 할 수 있을 것이다. 또한, VIB ESS(140)의 활용인 안전하고 효율적인 에너지 공급이 가능하기 때문에, 에너지 절약이나 에너지 환경, 탄소중립의 실현 등에서 매우 효과적이고 안전하면서도 친환 경적인 에너지 공급수단으로 활용될 수 있다.
추가적으로, 도 5의 (B)에 도시된 바와 같이 VIB ESS(140)를 활용하는 경우, 상술한 바와 같이 VIB의 고속 충방전 성능을 활용하여 복수의 전력량계(211, 212, 220)를 통해 계측되는 전력량을 보다 효율적으로 활용할 수 있다. 예를 들어, 충전기로 유입되는 전력량을 계측하는 전력 계측기(212)의 측정값이 급격하게 감소하였을 때 이를 고속 방전으로 지원할 수 있으며, ESS외 부하단에서 계측하는 전력 계측기(220)의 측정값이 소정 기준 이하인 경우, VIB ESS(140)를 고속으로 충전할 수 있다.
한편, LIB의 경우, 상한 전압과 하한 전압이 존재하여 상대적으로 좁은 전압 범위(윈도우)를 사용한다. 구체적으로, LIB는 0 V 또는 가혹방전상태(상기 하한전압보다 낮은 상태)가 되면 덴드라이트(Dendlite)하는 물질이 생성되어 분리막 손상에 의한 단락(쇼트)이 발생하여 열폭주(Thermal Runaway) 발생할 수 있다.
이에 반해, VIB의 경우, 상한 전압은 존재하나, 하한 전압이 존재하지 않아 상대적으로 넓은 전압 범위(윈도우)를 사용 가능한 장점을 가진다. 즉, 0 V 또는 완방 상태가 되어도 특별한 문제가 발생하지 않아, 복수의 전력량계의 계측 상황에 따라 보다 유연하게 동작할 수 있다.
또한, LIB의 경우, 충방전 사이클 반복 시, 상 변화로 인한 비가역적 반응(표면석출현상, Solid Electrolyte Interphase, 크랙킹현상)이 존재하여, 일정 사이클 작동 시 용량 차이가 발생하는 문제를 가지나, VIB의 경우 가역 반응을 이용하여 처음 용량과 일정 사이클 작동 후 용량에 차이가 없는 장점을 가진다.
한편, 상술한 바와 같은 상한 전압/하한 전압과 연결하여 LIB의 경우, 실제(이론상) SoC 20% 이하에서 사용하는 것이 불가능하나, VIB의 경우 하한 전압이 존재하지 않아 실제(이론상) SoC 20% 이하에서 사용이 가능하다.
여기서, 실제(이론상) SoC라는 용어는 제조사에서 제공하는 SoC와 구분하기 위한 개념으로써, 제조사는 일반적으로 안전상의 이유로 실제 SoC 범위 중 안전상 문제 없는 범위를 0% - 100%로 표기하여 제공한다. 이에 반해, 실제(이론상) SoC는 배티러의 완전 충전을 100%, 완전 방전을 0%로 산정하는 SoC를 의미한다.
이러한 LIB와 VIB의 주요 특징은 아래 [표 1]과 같이 요약할 수 있다.
LIB VIB
화재 위험성 높음 없음
충방전율 0.2-0.5 C 0.5 - 5 C(Max 10 C)
전압범위 상한전압, 하한전압 존재 상한전압 존재, 하한전압은 X
실제 SoC 20% 미만 동작 불가 가능
사이클 반복 시 특징 상 변화로 비가역 반응 가역적 반응
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 VIB ESS의 구조를 설명하기 위한 도면이다.도 6에 도시된 바와 같이 VIB ESS 역시 배터리, BMS, PCS, EMS 등의 구성을 포함하고 있다.
구체적으로 배터리는 가장 작은 셀 단위에서부터, 10-20개의 셀이 그룹화된 모듈을 구성하고, 복수의 모듈은 팩을 구성하며, 복수의 팩은 시스템 레벨을 구성할 수 있으며, 이러한 구조에 대응하여 BMS 역시 셀 BMS(미도시), 모듈 BMS(31; 레벨 1), 팩 BMS(32; 레벨 2), 시스템 BMS(33; 레벨 3)의 계층 구조를 가질 수 있다.
여기서, 각 레벨은 상술한 BMS뿐만 다른 제어 구성을 포함하는 동작 레벨을 의미한다. 예를 들어, 레벨 2에서는 상술한 팩 BMS(32)의 레벨 1 제어단과의 제어, 그리고 스위치 기어(34)에 대한 제어 동작을 규정하고, 레밸 3에서는 상술한 시스템 BMS(33)와 PMS(35) 사이의 제어 동작을 규정할 수 있다. 또한, 최종적인 레벨 4는 복수의 PMS(35)와 EMS(36) 사이의 제어 동작을 규정할 수 있다.
여기서, 스위치 기어(34)는 배터리와 전력선(컨텍터, 프리차지, 퓨즈)을 제어할 수 있으며, Linear IC(37)는 팩 BMS(32)로부터 명령을 받아 스위치(38) 턴온을 수행할 수 있다. 이때, 스위치 턴온 = 저항에 의한 밸런싱 수행을 의미할 수 있으며, 여기서 저항은 보드에 구리선이 패턴으로 형성된 패턴저항일 수 있다.
도 5 및 도 6에서 설명한 실시예에서는 ESS에 적용되는 배터리의 타입을 LIB (도 5의 (A))와 대비하여, VIB (도 5의 (B) 및 도 6)로서 예시적으로 설명하였으나, ESS에 적용되는 배터리의 타입은 VIB로 제한될 필요는 없다. 예를 들어, 본 명세서에서 ESS는 VRB(Vanadium Redox Battery), PSB(polysulfide bromide battery), ZBB(zinc-bromine battery) 등을 활용할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 VIB ESS를 활용한 충방전 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에 도시된 실시예에서 ESS 충방전 제어 시스템은 도 3 및 도 4와 동일하게 전력 그리드(310)와 ESS (330-2) 사이의 전력 형태를 변환하는 전력 변환 장치(320)를 포함하며, 전력 변환 장치(320)의 전력 변환 효율에 기반한 제 1 전력 구간은 도 3의 예와 동일하게 50 kW - 100 kW인 경우를 가정하였다.
다만, 도 7에 도시된 예에서 ESS는 VIB ESS (330-2)인 것을 가정하며, VIB는 1C가 100 A인 조건에서, 0.2 C - 1 C의 충방전율이 가장 효율적인 충방전 구간에 해당하며, 현재 전압이 700 V인 경우, 배터리의 충반전 효율을 고려한 제 2 전력 구간은 14kW ~ 70 kW임을 도시하고 있다.
이와 같이 제 1 전력 구간(50kW - 100 kW)과 제 2 전력 구간(14kW - 70 kW)이 상이한 경우, 상기 제 1 전력 구간 내의 전력(50 - 70 kW)으로 VIB ESS (330-2)의 배터리에 대한 충방전을 수행하도록 제어하는 것을 제안한다.
도 7은 위와 같이 결정된 전력 변환 장치(320)의 변환 전력 구간(50 - 70 kW)에 대응하여 VIB ESS(330-2)가 72 ~ 100 A로 충방전 되는 것을 도시하고 있다.
한편, 도 7의 예에서는 제 1 전력 구간(50kW - 100 kW)과 제 2 전력 구간(14kW - 70 kW)이 중첩되는 전력 구간이 있는 경우, 이와 같이 중첩된 전력 구간(50kW - 70 kW)에 대응하는 전력으로 ESS (330-2)가 충방전되는 예를 도시하고 있다.
이에 반해, 만일, 제 1 전력 구간이 제 2 전력 구간보다 큰 경우, 충방전 전력은 제 1 전력 구간 내 최소 전력으로 결정하고, 반대로 제 1 전력 구간이 제 2 전력 구간보다 작은 경우, 제 1 전력 구간 내 최대 전력으로 결정하는 것이 바람직하며, 이에 대해서는 도 9와 관련하여 후술한다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 VIB ESS를 활용한 충방전 제어에서 배터리 안전을 고려한 전력 구간의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 8에 도시된 실시예에서는 도 7과 달리 전력 변환 장치(320)의 사양이 높아져, 제 1 전력 구간이 100 kW - 200 kW로 높아진 상황을 가정하고 있다.
이러한 상황에서 충방전을 위해 전력 변환 장치(320)와 교환되는 전력은 제 2 전력 구간이 여전히 14 kW - 70 kW임에 불구하고, 제 1 전력 구간을 우선 고려하여 100 - 200 kW로 결정되고, 이에 따라 VIB ESS (330-2)가 143 - 285 A 구간의 전류로 충방전되는 예를 도시하고 있다.
이러한 실시예에서 제 2 전력 구간은 VIB의 충방전 효율 구간인 0.2 C - 1C를 고려하여 설정되는 것이나, VIB의 충방전에 있어서 0.2 C - 1C 범위 이상 및/또는 이하의 구간도 안전에 문제 없이 사용 가능하다. 따라서, 즉, 본 실시예에서 배터리의 안전을 고려한 전력 구간을 제 3 전력 구간으로 지칭할 때, 제 3 전력 구간은 제 1 전력 구간을 포함하는 것이 바람직하며, 적어도 제 2 전력 구간과 중첩되는 구간을 포함하는 것이 유리하다.
도 8의 실시예에서 상술한 바와 같이 배터리 안전을 고려한 제 3 전력 구간의 개념을 설명하기 위해 VIB ESS (330-2) 의 충방전에 이용되는 전력 구간을 100 - 200 kW로 표기하였으나, 상술한 바와 같이 제 1 전력 구간이 제 2 전력 구간보다 큰 구간인 경우, 바람직하게 제 1 전력 구간의 최소 전력(100 kW)으로 VIB ESS(330-2)의 충방전이 수행되는 것이 바람직하며, 이에 대해 도 9와 관련하여 구체적으로 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제 1 전력 구간과 제 2 전력 구간의 관계에 따라 충방전 전력을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 ESS의 배터리 충방전 제어 방법은, 먼저 제 1 전력 구간(1st PR)과 제 2 전력 구간(2nd PR)의 비교를 수행할 수 있다 (S710). 만일, 제 1 전력 구간(1st PR)과 제 2 전력 구간(2nd PR)이 상이한 경우, 제 1 전력 구간(1st PR) 내의 전력으로 배터리에 대한 충방전을 수행한다.
구체적으로, 도 9에서 제 1 전력 구간이 제 2 전력 구간보다 큰 경우, 제 1 전력 구간 내 최소 전력으로 배터리의 충방전을 수행할 수 있다(S730). 반대로, 제 1 전력 구간이 제 2 전력 구간보다 작은 경우, 제 1 전력 구간 내 최대 전력으로 배터리의 충방전을 수행할 수 있다(S720).
한편, 제 1 전력 구간과 제 2 전력 구간이 중첩 구간이 존재한다면, 도 7의 예에서와 같이 중첩 구간 내 전력으로 배터리 충방전 전력을 설정할 수 있다(S740).
이와 같이 설정된 배터리 충방전 전력에 대응하는 전류를 통해 ESS 배터리의 충방전이 수행될 수 있다(S750).
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 ESS의 충전이 수행되는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, ESS를 활용하여 안정적인 전력 저장/공급을 수행하기 위해 그리드의 사용 가능 최대 전력량을 획득하여 저장할 수 있다(S4010). 또한 그리드에서 제공되는 전력 수준으로서 계약 전력량을 획득하여 저장할 수 있다(S4020). 이와 같이 획득된 전력량의 관계를 고려하여 제어기는 사용 가능 전력량 (사용 중인 전력량)을 확인할 수 있다(S4030).
이를 기반으로, 이후 배터리의 전압을 확인할 수 있다(S4040). 이와 같이 확인한 배터리 전압은 배터리 전압 * 최적 중전 전류의 관계를 활용하여 배티러의 최적 충전 전력량을 산출할 수 있으며(S4050), 이는 상술한 제 2 전력 구간 개념에 대응할 수 있다.
이와 같이 산출된 최적 충전 전력량을 기반으로 그리드의 여유 전력 여부를 비교하여 확인할 수 있다(S4060). 만일, 그리드의 여유 전력이 없는 경우 다시 배터리 전압을 확인하는 단계로 복귀할 수 있으며, 반대로 그리드의 여유 전력이 있는 경우, 배터리 충전을 위해 후속 절차를 수행할 수 있다.
배터리 충전을 위한 후속 절차로서, 본 실시예에서는 배터리 충전 전력량이 전력 변환 장치의 최적 효율 구간과 부합하는지를 판단할 수 있다(S4070). 이는 상술한 실시예들에서 제 1 전력 구간과 제 2 전력 구간을 비교하는 것에 대응할 수 있다.
만일, 전력 변환 장치의 효율 구간이 배터리 전력량보다 작은 경우, 본 실시예에 따른 제어기는 전력 변환 장치의 효율 구간 중 최대치에 기반하여 충전 전력을 설정할 수 있다(S4074). 반대로, 전력 변환 장치의 효율 구간이 배터리 전력량보다 큰 경우, 제어기는 전력 변환 장치의 효율 구간 중 최소치에 기반하여 충전 전력을 설정할 수 있다(S4072).
이와 달리, 전력 변환 장치의 효율 구간이 배터리 전력량과 동일하거나, 중첩 구간을 가지는 경우, 중첩 구간에 기반하여 산출된 전력으로 배터리 충전 전력을 설정할 수 있다(S4080).
이와 같이 충전 전력이 설정되면, 이에 기반하여 ESS 내 배터리의 충전을 수행할 수 있다(S4090).
상술한 실시예에서 ESS의 배터리가 VIB인 경우, VIB의 입력 대비 출력의 효율은 0.2 C ~ 1 C 사이가 가장 우수하며, 이에 기반하여 제 2 전력 구간이 설정될 수 있다. 다만, 상술한 의미는 VIB가 0.2C 이하, 1C 이상에서 효율이 나쁘다는 의미가 아니며, 전력 변환 장치가 어떤 출력을 하더라도 VIB는 안정적이게 동작이 가능한 특징을 가진다.
또한, VIB는 전력 변환 장치의 전력 손실 보다 높은 효율을 가지고 있으므로, 본 실시예에서는 전력 변환 장치의 전력 변환 효율에 우선순위를 두어 충전 전력량을 제어하는 것을 제안한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 ESS의 방전이 수행되는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
ESS의 방전을 수행하기 위해 도 11에 도시된 바와 같이 그리드 사용 가능 최대 전력량을 획득/저장하고(S5010), 계약 전력량을 획득/저장하며(S5020), 사용 가능 전력량을 확인하는 절차(S5030)는 도 10의 충전 메커니즘과 동일하게 수행될 수 있다.
본 실시예에서는, 이와 같은 정보 확인에 기반하여 그리드 전력에 여유가 있다고 판단(S5040)되는 경우, 배터리를 충전하여 상술한 제 1 전력 구간 내의 전력에 대응하는 전압이 유지되도록 충전하는 것을 제안한다. 구체적으로, 그리드 전력에 여유가 있다고 판단(S5040)되는 경우, 배터리 전압을 추가적으로 확인하고(S5042), 확인된 전압이 도 4와 관련하여 상술한 바와 같은 제 1 전력 구간 내의 전력에 대응하는 효율 방전 전압보다 부족한 경우, 충전 로직을 제어(S5044)하여 배터리 충전을 수행할 수 있다.
이와 같은 충전을 통해, 이후 전력 그리드의 전력이 부족한 것으로 판단될 경우(S5040), 상기 제 1 전력 구간에 대응하는 전압(전력 변환 장치의 최대 효율 구간 내 전력 대응 전압)으로 배터리가 방전할 수 있도록 설정하고(S5041), 이에 기반하여 배터리 방전을 수행할 수 있다(S5043).
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시예들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 ESS 충방전 제어 시스템 및 이를 이용한 ESS 충방전 제어 방법은 전기구동 이동장치의 충전소, 전력 수급 불균형이 발생하는 현장에 다양하게 활용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 배터리를 구비하는 ESS(Energy Storage System);
    전력 그리드(grid) 및 상기 ESS와 연결되어, 상기 전력 그리드와 상기 ESS 사이의 전력 형태를 변환하는 전력 변환 장치(PCS); 및
    상기 전력 변환 장치의 전력 변환 효율에 기반한 제 1 전력 구간과 상기 배터리의 충방전 효율에 기반한 제 2 전력 구간이 상이한 경우, 상기 제 1 전력 구간 내의 전력으로 상기 배터리에 대한 충방전을 수행하도록 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS 충방전 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터 및 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터를 포함하며,
    상기 제 1 전력 구간은 상기 컨버터의 효율에 기반한 전력량 및 상기 인버터의 효율에 기반한 전압 수준 중 하나 이상에 기반하여 결정되는, ESS 충방전 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제 1 전력 구간이 상기 제 2 전력 구간보다 큰 경우, 상기 제 1 전력 구간 내 최소 전력으로 상기 배터리의 충방전을 수행하며,
    상기 제 1 전력 구간이 상기 제 2 전력 구간보다 작은 경우, 상기 제 1 전력 구간 내 최대 전력으로 상기 배터리의 충방전을 수행하는, ESS 충방전 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제 1 전력 구간과 상기 제 2 전력 구간이 중첩 구간을 포함하는 경우, 상기 중첩 구간 내 전력으로 상기 배터리의 충방전을 수행하는, ESS 충방전 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 전력 그리드의 전력이 여유가 있는 경우, 상기 배터리를 충전하여 상기 제 1 전력 구간 내의 전력에 대응하는 전압이 유지되도록 충전하며,
    상기 전력 그리드의 전력이 부족할 경우, 상기 제 1 전력 구간 내의 전력에 대응하는 전압으로 상기 배터리가 방전할 수 있도록 제어하는, ESS 충방전 제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리는,
    상기 배터리의 안전을 고려한 제 3 전력 구간이 상기 제 1 전력 구간과 중첩되는 구간을 포함하는 조건을 만족하는 배터리인, ESS 충방전 제어 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 전력 구간은 0.2 C 내지 1 C 범위에 대응하는 전류로 충방전 되는 전력 구간이며,
    상기 제 3 전력 구간은 0.2 C 이하의 범위 및 1 C 이상의 범위 중 하나 이상에 대응하는 전류로 충방전 되는 전력 구간을 포함하는, ESS 충방전 제어 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 배터리는 바나듐 이온 배터리(VIB)를 포함하는, ESS 충방전 제어 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 전력 변환 장치와 결합되어 구성되는, ESS 충방전 제어 시스템.
  10. ESS(Energy Storage System)의 배터리 충방전을 제어하는 방법에 있어서,
    전력 그리드(grid)와 상기 ESS 사이의 전력 형태를 변환하는 전력 변환 장치(PCS)의 전력 변환 효율에 기반한 제 1 전력 구간과 상기 배터리의 충방전 효율에 기반한 제 2 전력 구간을 비교하고;
    상기 제 1 전력 구간과 상기 제 2 전력 구간이 상이한 경우, 상기 제 1 전력 구간 내의 전력으로 상기 배터리에 대한 충방전을 수행하는 것을 포함하는, ESS 충방전 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 배터리에 대한 충방전을 수행하는 것은,
    상기 제 1 전력 구간이 상기 제 2 전력 구간보다 큰 경우, 상기 제 1 전력 구간 내 최소 전력으로 상기 배터리의 충방전을 수행하며;
    상기 제 1 전력 구간이 상기 제 2 전력 구간보다 작은 경우, 상기 제 1 전력 구간 내 최대 전력으로 상기 배터리의 충방전을 수행하는 것을 포함하는, ESS 충방전 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 배터리에 대한 충방전을 수행하는 것은,
    상기 제 1 전력 구간과 상기 제 2 전력 구간이 중첩 구간을 포함하는 경우, 상기 중첩 구간 내 전력으로 상기 배터리의 충방전을 수행하는 것을 포함하는, ESS 충방전 제어 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 전력 그리드의 전력이 여유가 있는 경우, 상기 배터리를 충전하여 상기 제 1 전력 구간 내 전력에 대응하는 전압이 유지되도록 충전하고;
    상기 전력 그리드의 전력이 부족할 경우, 상기 제 1 전력 구간 내 전력에 대응하는 전압으로 상기 배터리를 방전하는 것을 추가적으로 포함하는, ESS 충방전 제어 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 배터리는,
    상기 배터리의 안전을 고려한 제 3 전력 구간이 상기 제 1 전력 구간을 포함하는 조건을 만족하는 배터리인, ESS 충방전 제어 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 전력 구간은 0.2 C 내지 1 C 범위에 대응하는 전류로 충방전 되는 전력 구간이며,
    상기 제 3 전력 구간은 0.2 C 이하의 범위 및 1 C 이상의 범위 중 하나 이상에 대응하는 전류로 충방전 되는 전력 구간을 포함하는, ESS 충방전 제어 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 배터리는 바나듐 이온 배터리(VIB)를 포함하는, ESS 충방전 제어 방법.
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