태양광과 풍력은 재생 에너지를 전력망에 공급하지만, 수요와 공급의 불균형은 재생 에너지의 활용을 극대화하는 데 큰 제약이 된다. 정오에는 태양 에너지를 많이 확보할 수 있지만 그 시간대에는 수요가 충분히 높지 않기 때문에 소비자는 와트당 더 많은 비용을 지불하게 된다.
유틸리티 규모, 주거, 상업 및 산업용 시나리오를 위한 에너지 저장 시스템(ESS) 애플리케이션은 낮에 태양열, 풍력 등 재생 에너지원에서 에너지를 수집하고 수요 또는 전력망 전기 가격이 높을 때 저장된 에너지를 공급한다. ESS는 피크 시간대에 사용할 에너지를 저장함으로써 전력망을 안정화하고 에너지 비용을 절감한다.
가장 널리 사용되는 ESS 유형 중 하나인 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)과 관련된 설계 과제에는 안전한 사용, 배터리 전압, 온도 및 전류의 정확한 모니터링, 셀과 팩 간의 강력한 밸런싱 기능 등이 있습니다. 이 기고문에서 각 과제에 대해 좀 더 자세히 알아볼 예정이다.
과제 1: 안전
첫 번째 과제는 일반적으로 10년이 넘는 BESS의 전체 수명 기간 동안 배터리 안전성을 유지하는 것이다. BESS 애플리케이션은 리튬 이온 배터리, 특히 리튬 인산철(LiFePO4) 배터리를 사용하는 경우가 많다.
리튬 이온 배터리는 전압, 온도 및 전류가 최대 한계를 초과하면 연기, 화재 또는 폭발이 발생하기 쉬우므로 배터리의 전압, 온도 및 전류 데이터 모니터링과 보호가 매우 중요하다. 배터리 관리 시스템은 위의 모든 배터리 정보를 수집하고 매개변수가 지정된 범위를 초과하는 경우 충전 및 방전으로부터 배터리를 보호한다. 따라서 배터리 결함 및 배터리 관리 시스템 오류의 가능성을 고려하고 분석해야 한다.
그림 1은 BESS 아키텍처를 보여준다. TI의 에너지 저장 시스템을 위한 스택형 배터리 관리 장치 레퍼런스 설계에서는 BQ79616을 사용하여 중복 데이터 측정 문제를 감지하는 스택형 배터리 관리 장치(BMU)를 설명하고, 에너지 저장 시스템을 위한 배터리 제어 장치 레퍼런스 설계에서는 시스템 안전을 보장하는 스위치가 있는 배터리 제어 장치(BCU)를 보여준다.
그림 1: BESS 아키텍처
과제 2: 정확한 배터리 모니터링
정확한 배터리 데이터는 안전을 보장하고 에너지를 극대화한다. LiFePO4 충전 및 방전 곡선의 넓고 평평한 영역을 고려할 때, 작은 셀 전압 측정 오류는 큰 남은 용량 오류를 야기할 수 있으므로 정확한 배터리 전압 및 팩 전류 측정은 정확한 충전 상태 예측을 위해 중요하다. 정확한 충전 상태 정보는 과충전 및 과방전으로 인한 사용 가능한 최대 배터리 에너지가 손상되는 실수인 셀 밸런싱을 방지하는 데 핵심적인 역할을 한다.
또 다른 중요한 측정값은 온도다. 대부분의 배터리 화재 및 폭발 사고는 배터리 열 폭주로 인해 발생한다.
그림 2는 BQ79616 배터리 모니터를 사용하여 -20°C~65°C에서 ±3mV 셀 전압 오류를 달성하는 TI의 스택형 배터리 관리 장치 레퍼런스 설계를 보여줍니다. 주거용 시스템의 경우, 다른 대안은 -40°C~85°C에서 ±5mV 셀 전압 오류를 달성할 수 있는 BQ76972 배터리 모니터를 사용할 수 있다. 멀티플렉서 스위치는 온도 측정 채널을 확장하여 각 배터리 셀과 전원 버스 커넥터 온도를 모니터링할 수 있다. 스택형 배터리 레퍼런스 설계는 멀티플렉서 스위치의 진단 검사를 위해 추가 온도 채널을 예약한다.
그림 2: 스택형 배터리 관리 장치 레퍼런스 설계
정확하고 신뢰할 수 있는 전류 측정 솔루션은 ESS 충전 상태 모니터링에도 필요하다. BQ79731-Q1 전압 및 전류 센서는 듀얼 24비트 전류 감지 아날로그-디지털 컨버터와 중복 채널을 통합하여 시스템 안전과 전류 데이터의 정확성을 보장한다.
과제 3: 셀과 팩의 밸런스 기능
배터리 팩은 부하 변화로 인해 다른 속도로 전류를 소비할 수 있다. 이러한 변화는 팩의 잔여 에너지 간에 불균형을 초래하고 전체 ESS의 최대 사용 가능 에너지를 낮춘다. 새 배터리 셀과 서로 다른 열 냉각 조건 간의 불일치로 인해 한 팩 내에서도 서로 다른 셀 간에 불균형이 발생할 수 있다. 패시브 밸런스 토폴로지는 배터리 에너지를 저항에 소모하여 팩 레벨 밸런싱에는 권장하지 않습니다. 너무 많은 전력을 소비하고 팩을 가열하기 때문이다.
배터리 팩의 불균형은 제품 수명이 길어질수록 악화된다. ESS는 10년 이상 사용할 수 있다는 점을 기억해야 한다. 일부 팩은 10년이 지나면 다른 팩보다 더 빨리 노후화되어 사용자가 노후화된 팩을 교체해야 할 수도 있다. 강력한 팩 레벨 밸런싱 회로가 없으면 작업자는 새 팩을 충전하거나 방전하여 ESS에 남아 있는 팩의 에너지와 거의 동일한 수준으로 만들어야 한다. 하지만 이마저도 어렵고 비용이 많이 들고 노동력이 많이 소요되기 때문에 위험하다.
배터리 셀 불균형은 셀 용량에도 영향을 받는다. 배터리 제조업체들은 전체 ESS의 킬로와트시당 에너지 비용을 최적화하기 위해 280Ah에서 314Ah, 심지어 560Ah에 이르는 대용량 배터리 셀을 개발하고 있다. 더 큰 용량의 셀을 사용하는 팩은 팩 내부의 모든 셀에서 동일한 에너지를 지속적으로 공급할 수 있으려면 더 큰 유효 밸런싱 전류가 필요한다.
팩의 밸런스를 맞추는 방법에는 여러 가지가 있다. 그림 3은 에너지 저장 시스템을 위한 양방향 CLLLC 공진 컨버터 레퍼런스 설계를 통해 고전압 버스에서 팩을 충전 및 방전하는 한 가지 방법을 보여준다. 절연 DC/DC 컨버터는 충전 및 방전 전류를 제어하여 남은 용량 또는 팩 전압에 맞게 팩의 밸런스를 맞출 수 있다. 충전 및 방전 전류가 모두 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 흐르기 때문에 전체 효율이 낮고 양방향 DC/DC 컨버터의 정격 전력량이 크다.
그림 3: 배터리 팩에서 고전압 버스로의 양방향 절연 DC/DC 컨버터
그림 4는 효율성을 유지하기 위해 고전압 버스가 아닌 저전압 버스를 사용하여 여러 팩 간의 에너지 균형을 맞추는 또 다른 옵션을 보여준다. 절연 DC/DC 컨버터는 팩과 저전압 버스 사이에 위치하며 팩에 밸런싱이 필요한 경우에만 작동한다. 서로 다른 팩 간에 에너지가 흐르기 때문에 절연 DC/DC 컨버터의 정격 전력은 작으므로 안정화를 위해 저전압 버스에서 여분의 에너지를 끌어오거나 저전압 버스로 밀어내지 않도록 해야 한다.
그림 4: 팩에서 저전압 버스로의 양방향 절연 DC/DC 컨버터
마무리
안전하고 신뢰할 수 있는 배터리 관리 시스템은 리튬이온 및 LiFePO4 배터리 안전에 대한 우려를 없애고, 단일 장치 오류 상황에서도 잘 설계된 보호 기능을 통해 ESS 수명을 연장합니다. 정확한 데이터 센싱과 팩 및 셀 수준의 밸런싱을 통해 동일한 용량으로 충전 및 방전이 가능하고 태양광 및 기타 재생 에너지원의 에너지 활용도를 극대화하여 최종 사용자가 안전하고 안정적이며 저렴한 재생 에너지를 얻을 수 있도록 지원합니다.
기타 리소스
- 애플리케이션 개요, "에너지 저장 시스템 전반에서 정확한 배터리 관리 설계 확장" 읽기
- 비디오, “정확도가 높은 배터리 에너지 저장 시스템 설계” 시청하기
- 배터리 에너지 저장 시스템용 제품 및 레퍼런스 설계 살펴보기
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