KR101384866B1 - 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전류적산방법과 개로전압 측정방법에 파워에 따른 용량 변화를 더해 연축전지 고유 특성에 맞는 배터리 잔존용량을 산출할 수 있는 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법은, 에너지 저장 시스템을 온하는 단계(S10); 상기 에너지 저장 시스템의 연축전지 잔존 용량(SOC)과 전지 단자(PACK)의 개로전압(OCV : Open Circuit Voltage)의 초기값을 설정하는 단계(S30); 상기 연축전지의 전압과 전류 및 온도를 측정하는 단계(S50); 상기 연축전지에 대한 충전 모드와 방전 모드를 선택(S70)하는 것에 따라 상기 연축전지의 파워(전압*전류)를 다시 계산하고(S90)(S130), 상기 측정된 파워에 맞는 연축전지 용량 중 충전모드 또는 방전모드에서의 연축전지 용량을 다시 계산(설정)하는 단계(S110)(S150); 상기 충전모드인 경우와 방전모드인 경우 각각에 대하여 설정된 상기 연축전지의 용량에 맞는 개로전압(OVC)을 다시 계산하는 단계(S170); 및 상기 충전모드(S210)인 경우와, 방전모드(S230)인 경우 설정된 상기 연축전지의 용량에 맞는 개로전압(OVC)을 다시 계산한 단계(S170)에서의 보정값을 적용하여 전류적산(S270)(S290)하는 것을 특징으로 한다.

Description

파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법{A revision method Power of SOC(State of Charge) for a lead-acid battery}

본 발명은 연축전지 잔존용량 산출에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전류적산방법과 개로전압 측정방법에 파워에 따른 용량 변화를 더해 연축전지 고유 특성에 맞는 배터리 잔존용량을 산출할 수 있는 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법에 관한 것이다.

에너지 저장 장치(ESS : Energy Storage System)는 에너지를 배터리처럼 저장해서 언제든 꺼내 쓸 수 있는 저장장치를 의미하는 것으로, 지금까지의 전기에너지는 생산과 저장의 차이가 있어 전기에너지를 사용하는데 있어 생산이 함께 움직여줘야 하는데 ESS는 에너지를 효과적으로 저장해 사용하는 것으로 에너지 생산에 대한 여유를 가질 수 있게 해준다.

그래서 ESS가 활성화되면 비교적 에너지 소비량이 적은 새벽에 생산되는 에너지를 저장하여 에너지 공급이 몰릴 때 효과적으로 사용할 수 있고 에너지 생산 가동률을 높일 수 있다.

그리고 미미하게 모이는 신재생에너지를 축적하여 에너지를 나눠 쓸 수 있기 때문에 지금의 전력난을 많이 해소시킬 수 있는 중요한 에너지 시스템으로 인식되고 있다.

제주도에서 펼쳐지는 ESS 실증 사업은 한 개의 변전소와 맞먹는 규모의 8메가 와트급으로 진행되고 있어 전력난을 해소해 줄 수 있는 것으로 기대가 되고 있다.

근래 국가적 차원에서 에너지 확보를 위한 신재생 에너지 보급 확대 정책으로 풍력, 태양광 등의 에너지 생산 설비가 급속히 증가하는 추세이다.

이러한, 신재생 에너지는 화석에너지의 고갈문제와 환경문제에 대한 핵심 해결방안이라는 점에서 선진국을 비롯하여 각 국가에서 연구가 활발히 진행 중이다.특히 신재생 에너지 중 태양 에너지를 이용하여 전력을 발전시키는 태양광 발전 시스템은 공해가 없고, 설치 및 유지보수가 용이하다는 장점 등으로 인해 최근 각광을 받고 있다.

그 중에서 대한민국 등록특허 10-1084214호(계통 연계형 전력 저장 시스템 및 전력 저장 시스템 제어 방법)에서는 공간 및 소비전력을 개선하면서 용량을 확장할 수 있는 전력저장 시스템에 대하여 게시하고 있다.

또한 최근에는 충방전이 가능한 이차전지를 이용하여 와이어리스 모바일 기기의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있다.

또한, 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 대기오염의 주요 원인의 하나인 가솔린 차량, 디젤 차량 등 화석연료를 사용하는 차량을 대체할 수 있는 전기자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV) 등에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.

그 중, 하이브리드 자동차는 동력원으로서 충방전이 가능한 이차전지를 기반으로 하는 중대형 전지팩과 가솔린, 경유 등을 연소시키는 엔진을 함께 사용하여, 주행 조건 등에 따라 전지팩의 작동과 엔진의 작동을 조율(제어)하는 구조로 이루어져 있다. 즉, 작동의 효율성을 향상시키면서 연료의 사용을 최소화하기 위해, 차량의 운행 조건에 따라 엔진과 전지시스템의 작동 상태가 변하게 된다.

이러한 전력저장시스템의 저장장치는 배터리팩을 하나만 사용하는 것이 아니라 여러 개를 연결해서 사용하기 때문에, 여러 개의 배터리팩을 원활하게 운영할 수 있도록 각 배터리팩의 전압, 전류, 온도 등의 상태 정보를 모니터링하고 제어하기 위한 배터리관리시스템(Battery Management System;이하 BMS라 칭함)를 구비하고 있다.

그러나 종래의 기술에서는 대부분의 경우 소비전력을 개선하면서 용량을 확장하는데 초점을 맞추고 있을 뿐이다.

한편, 잔존용량(殘存容量, State of Charge)은 하이브리드 차량이나 배터리식 전기자동차, 또는 배터리식 전기자동차에 쓰이는 축전지의 연료량을 표시할 수 있는 척도이다. 잔존용량이 100%일 때 축전지가 가득찬 상태를, 0%일 때 축전지가 모두 소모된 상태를 나타낸다.

이러한 배터리 잔존용량 산출방법중 하나는 전류적분 방법으로 사용 전류와 시간의 관계에서 사용된 용량을 구하여 배터리 잔존용량(SOC : State of Charge)값을 산출하는 방법이고 다른 하나는 전압 측정방법으로 전지 단자의 개로전압(OCV : Open Circuit Voltage)을 측정하여 미리 측정된 OCV에 대한 배터리 잔존용량 값을 테이블화하여 배터리 잔존용량(SOC : State of Charge)값을 산출하는 방법이 있으며 마지막으로 저항측정법으로 배터리의 내부저항(IR-drop : Internal Resistance - drop)에 따른 SOC값 즉, 배터리 잔존용량(SOC : State of Charge)값을 산출하는 방법이 있다.

일반적으로 에너지 저장 시스템(ESS : Energy Storage System)에 사용되는 배터리의 잔존용량 산출방법은 몇 가지 방법으로 분류되고 있다.

배터리 잔존용량 산출방법중 하나는 전류적분 방법으로 사용 전류와 시간의 관계에서 사용된 용량을 구하여 배터리 잔존용량(SOC : State of Charge)값을 산출하는 방법이고 또 하나는 전압 측정방법으로 전지 단자의 개로전압(OCV : Open Circuit Voltage)을 측정하여 미리 측정된 OCV에 대한 배터리 잔존용량 값을 테이블화하여 배터리 잔존용량(SOC : State of Charge)값을 산출하는 방법이 있으며 마지막으로 저항측정법으로 배터리의 내부저항(IR-drop : Internal Resistance - drop)에 따른 SOC값 즉, 배터리 잔존용량(SOC : State of Charge)값을 산출하는 방법이 있다. 그러나 배터리 잔존용량 산출방법인 전류적산방법, 전지 개로전압 측정방법, 전지 내부저항 측정방법 등은 C-rate에 따라 용량이 변화하는 연축전지의 배터리 잔존용량 산출방법으로 사용 시 심각한 오차가 생길 수가 있다.

즉 기존의 SOC 산출 방법은 C-Rate에 따라 용량이 변화하는 연축전지에는 잘 맞지 않는 단점이 있다.

다시 말하면 기본적으로 전지의 특성상 C-Rate에 따라 용량이 조금씩 변화하지만 연축전지는 C-Rate에 변하는 용량의 변화 폭이 상당히 크다.

예를 들어 기존SOC 계산은 배터리의 용량이 300Ah(고정 : 변화하지 않는 배터리 용량)로 가정할 때 전류적산만을 이용한 SOC 계산을 한 경우 15A로 빠지는 배터리의 실제 용량은 348.2Ah이다.

이러할 때 기존의 SOC 측정 방법을 사용하면 129%의 용량변화 즉 29%의 차이가 생기므로 실제 SOC 의 오차는 더욱 커진다. 이러한 용량 변화 폭 때문에 기존의 전류적산법을 이용한 SOC 산출방법은 연축전지의 SOC 산출과 잘 맞지 않는다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 전류적산방법과 개로전압측정방법에 파워에 따른 용량 변화를 더해 연축전지 고유 특성에 맞는 배터리 잔존용량을 산출할 수 있는 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법은,
에너지 저장 시스템을 온하는 단계(S10). 상기 에너지 저장 시스템의 연축전지 잔존 용량(SOC)과 전지 단자(PACK)의 개로전압(OCV : Open Circuit Voltage)의 초기값을 설정하는 단계(S30); 상기 연축전지의 전압과 전류 및 온도를 측정하는 단계(S50); 상기 연축전지에 대한 충전 모드와 방전 모드를 선택(S70)하는 것에 따라 상기 연축전지의 파워(전압*전류)를 다시 계산하고(S90)(S130), 상기 측정된 파워에 맞는 연축전지 용량 중 충전모드 또는 방전모드에서의 연축전지 용량을 다시 계산(설정)하는 단계(S110)(S150); 상기 충전모드인 경우와 방전모드인 경우 각각에 대하여 설정된 상기 연축전지의 용량에 맞는 개로전압(OVC)을 다시 계산하는 단계(S170); 상기 충전모드(S210)인 경우와, 방전모드(S230)인 경우 설정된 상기 연축전지의 용량에 맞는 개로전압(OVC)을 다시 계산한 단계(S170)에서의 보정값을 적용하여 전류적산(S270)(S290)하는 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법에 있어서,
상기 연축전지의 기본 잔존 용량 측정은 개로전압(OCV)의 기 설정된 테이블(Table) 값으로 추정한다.

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본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 연축전지의 산출된 배터리 잔존용량 오차 값을 보정하여 연축전지의 충,방전 상태를 정확히 추정할 수 있으며 장시간 운행 중 누적 오차로 생긴 배터리 잔존용량의 틀어짐을 방지할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

둘째, 연축전지의 충방전 상태를 정확히 추정함으로써 연축전지의 용량에 따른 오차를 최소화하여 정확한 사용이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법을 설명하기 위한 플로우차트,
도 2는 본 발명에 따른 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법에 따른 연축전지 잔존용량(SOC)과 종래 전류적산법에 의한 잔존용량을 비교하기 위한 그래프이다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다. 또한 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

도 1은 본 발명에 따른 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.

본 발명에 따른 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법은 도 1에 나타낸 바와 같이, 우선 에너지 저장 시스템(ESS)의 배터리 잔존용량(SOC)을 산출하기 위하여 에너지 저장 시스템을 온한다(S10).

그 다음 배터리 잔존 용량(SOC)과 전지 단자(PACK)의 개로전압(OCV : Open Circuit Voltage)의 초기값을 설정한다(S30). 이때, 배터리 즉 연축전지의 기본 잔존 용량 측정은 개로전압(OCV)의 기 설정된 테이블(Table) 값으로 추정할 수 있다.

그 다음 연축전지의 전압과 전류 및 온도를 측정한다(S50).

이어서, 충전모드와 방전 모드를 선택한다(S70).

우선 선택한 모드가 충전 모드인 경우 연축전지의 파워(전압*전류)를 다시 계산한다(S90).

이어서, 측정된 파워에 맞는 연축전지 용량 중 충전모드에서의 연축전지 용량을 다시 계산(설정)한다(S110).

한편, 충방전 모드를 선택하는 단계(S70)에서, 선택한 모드가 방전 모드인 경우에도 연축전지의 파워(전압*전류)를 다시 계산한다(S130).

이 경우에도 측정된 파워에 맞는 연축전지 용량 중 방전모드에서의 연축전지 용량을 다시 계산(설정)한다(S150).

이어서 충전모드인 경우와 방전모드인 경우 각각에 대하여 설정된 연축전지의 용량에 맞는 개로전압(OVC)을 다시 계산한다(S170). 이때, 본 발명에 따른 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법에 있어서는 설정된 연축전지의 용량을 가지고 C-Rate(방전율)에 따라 파워(Power) 용량에 전류적산을 함으로써 변화(방전)하는 연축전지의 용량에 맞는 잔존용량(SOC)을 산출해 낼 수 있다.

그 다음 충전모드, 방전모드 및 노멀모드 중 하나가 선택된다(S190).

이때, 충전모드(S210)인 경우와, 방전모드(S230)인 경우 설정된 연축전지의 용량에 맞는 개로전압(OVC)을 다시 계산한 단계(S170)에서의 보정값을 적용하여 전류적산(S270)(S290)에 따라 연축전지 잔존용량 산출하고 시스템을 오프한다(S310).

이와 같은 방법에 의해 연축전지의 잔존용량을 재산출하는 경우 도 2에서와 같이 기존SOC 계산은 배터파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법의 용량이 300Ah(고정 : 변화하지 않는 배터리 용량)로 가정할 때 전류적산만을 이용한 SOC 계산을 한 경우 15A로 빠지는 배터리의 실제 용량은 348.2Ah이다. 이러할 때 기존의 SOC 측정 방법을 사용하면 129%의 용량변화 즉 29%의 차이가 생기므로 실제 SOC 의 오차는 더욱 커진다. 이러한 용량 변화 폭 때문에 기존의 전류적산법을 이용한 SOC 산출방법으로는 연축전지와 잘 맞지 않았던 것을 보정할 수 있는 것이다.

이상과 같은 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (3)

1. 에너지 저장 시스템을 온하는 단계(S10). 상기 에너지 저장 시스템의 연축전지 잔존 용량(SOC)과 전지 단자(PACK)의 개로전압(OCV : Open Circuit Voltage)의 초기값을 설정하는 단계(S30); 상기 연축전지의 전압과 전류 및 온도를 측정하는 단계(S50); 상기 연축전지에 대한 충전 모드와 방전 모드를 선택(S70)하는 것에 따라 상기 연축전지의 파워(전압*전류)를 다시 계산하고(S90)(S130), 상기 측정된 파워에 맞는 연축전지 용량 중 충전모드 또는 방전모드에서의 연축전지 용량을 다시 계산(설정)하는 단계(S110)(S150); 상기 충전모드인 경우와 방전모드인 경우 각각에 대하여 설정된 상기 연축전지의 용량에 맞는 개로전압(OVC)을 다시 계산하는 단계(S170); 상기 충전모드(S210)인 경우와, 방전모드(S230)인 경우 설정된 상기 연축전지의 용량에 맞는 개로전압(OVC)을 다시 계산한 단계(S170)에서의 보정값을 적용하여 전류적산(S270)(S290)하는 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법에 있어서,
   상기 연축전지의 기본 잔존 용량 측정은 개로전압(OCV)의 기 설정된 테이블(Table) 값으로 추정하는 것을 특징으로 하는 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 연축전지 잔존용량 산출 방법에 있어서는 설정된 상기 연축전지의 용량을 가지고 C-Rate(방전율)에 따라 파워(Power) 용량에 전류적산을 함으로써 변화(방전)하는 연축전지의 용량에 맞는 잔존용량(SOC)을 산출하는 것을 특징으로 하는 파워 재계산을 이용한 연축전지 잔존용량 산출 방법.

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