ESS (Energy Storage System)는 전력저장 장치입니다. 태양광 발전의 단점은 원하는 전력을 마음대로 생산하기 어렵다는 것입니다. 태양이 없는 밤에는 발전이 불가능하기 때문에 낮에 생산한 전력을 ESS에 저장한 다음 필요한 시간에 사용하는 것입니다. 또한 사용시간대에도 필요한 범위로 전력을 조절하는 역할도 합니다.
ESS 기술 구성의 개요는 다음과 같습니다.
EMS(Energy Management System)는 에너지관리 시스템이고, PCS(Power Conversion System)는 전력 변환을 제어하는 부분으로, 생산된 전력을 배터리에 직류로 충전하고, 사용할 때는 교류로 방전할 수 있도록 전기적 특성을 변환해 주는 장치입니다. BMS(Battery Management System)라는 배터리 모니터링과 배터리 제어 시스템도 필수적 구성요소입니다. 여기에 PMS(Power Management System)라는 ESS의 전체적인 운영을 담당하는 부분도 있습니다. 전력 생산 및 저장 현황을 모니터링하고 발전소 시스템을 제어하는 역할입니다.
ESS 구성 파트 및 개요
ESS 안전장치 BMS (Battery Management System) – 배터리 안전관리 시스템
1. BMS의 기본개념
전기차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 에너지저장장치(ESS), 전동카트 등에 사용되는 대용량 배터리는 아래 사진과 같이 수많은 작은 배터리 셀(cell)을 집적하여 만듭니다.
단일 셀의 작은 배터리용 안전장치 PCM과 다른 안전관리시스템이 필요합니다. 다음과 같은 BMS라는 시스템이 사용됩니다. 기본적으로 배터리를 전기차 등 운영시스템에 적합하게 효율적으로 제어하고 관리하는 배터리 운영 시스템입니다.
2. BMS의 관리 목표 및 주요 기능
(1) 배터리 전체의 전압, 전류, 각 베터리 셀의 전압, 저항, 온도, 절연, 임피던스, 진동, 충돌 등과 같은 배터리 변수의 측정 및 검출
(2) 검출된 변수에 따라 과충전, 과방전 및 대극 방지기능 작용
(3) 센서 결함, 네트워크 결함, 배터리 결함, 과전압(과충전), 저전압(과방전), 과전류, 초고온, 초저온, 선 연결 단락, 연소가스 과다집중, 보온 결함, 불균일성, 급격한 온도 상승 등의 결함 진단
(4) 열 계통 제어, 과전압 안전제어에 의해 검출된 결함이 네트워크를 통해 차량 제어장치 및 충전기에 전달되면, 고온, 저온, 과충전, 과방전, 과전류, 누전 등 방지기능 작동
(5) 예를 들어 기준 값을 초과하면 배터리 전원공급을 차단하는 등 전체 배터리에 손상이 가지 않도록 적절하게 조치
(6) 충전상태(SOC: state of charge), 방전 깊이(DOD: depth of discharge), 건전성(SOH: state of health), 기능적 작동상태(SOF: state of function)와 같은 배터리 상태를 산출 및 예측함
(7) 각 셀의 정보를 받아들여 충전 평형방법, 소멸성 평형방법, 또는 비소멸성 평형방법 등을 선택하여 각 셀들의 충전상태를 일정하게 유지함
(8) 전체 배터리 특성과 충전기 전력 수준에 맞추어 BMS는 충전기를 제어하여 배터리 충전
(9) 배터리 팩 안의 온도 분포와 충전 또는 방전에 필요한 요구조건에 따라 적절한 온도 조절
(10) 측정한 변수를 저장하여 데이터베이스 구축하고 SOC, SOH, 충전 및 방전 암페어-시간 누적 값, 결함 코드, 균일성 등 중요한 데이터를 저장함
배터리 기본적 안전장치 PCM (Protection Circuit Module) – 보호회로장치
빈발하는 배터리 사고에서 가장 기본적 방어주장은 배터리 자체에 안전장치를 장착했다는 주장입니다. 기본 안전장치로 배터리보호회로 PCM이 내장되어 있다는 것입니다. 그 PCM이 무엇인지 간략하게 설명합니다.
1. 배터리 과충전 및 과방전의 위험성
배터리의 과충전(過充電) 또는 과방전(過放電)을 방지하는 장치입니다. 셀(Cell)의 기준 충전전압이 4.5V를 넘을 경우 전해질이 분해되어 가스가 발생할 수 있습니다. 안전밸브에 압력을 가해져 셀 간의 압력을 높아지고, 심하면 셀이 터져 전해질 누출로 연결되어 폭발까지 발생하는 원인이 됩니다.
또한, 배터리가 과방전할 경우 음극이 파손되어 배터리의 성능을 저하됩니다. 과충전 뿐만 아니라 과방전도 바람직하지 않습니다.
2. 배터리 안전회로 PCM(Protection Circuit Module)의 개요
3. PCM(Protection Circuit Module)의 주된 기능
(1) 과충전 방지기능: 과충전에 의한 전지 발열·파열 등을 막기 위해, 과충전 검출 전압 이상시 충전을 정지한기능
(2) 과방전 방지기능: 과방전에 의한 전지 열화를 막기 위해 과방전 검출 전압 이하로 방전을 정지
(3) 과전류 보호기능: 기기 고장등으로 이상 전류가 흐를 경우 방전을 정지
(4) 단락 보호기능(Short Protection/Detection Condition - 외부회로 단락): 전지 팩이 외부 쇼트 등에 의해 수십 A 이상 대전류가 흘렀을 경우 화재가 일어날 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해 전로를 차단하는 기능
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