KR101575186B1 - 축전지 제어 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

축전지 제어 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

다수의 축전지 셀을 포함하는 축전지 셀 그룹 또는 상기 축전지 셀 각각을 충전하기 위한 전원을 공급하는 충전부; 상기 축전지 셀 그룹의 전압 또는 전류 중 적어도 하나, 또는 상기 축전지 셀 각각의 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 검출하는 검출부; 상기 검출부로부터 검출된 정보를 이용하여 축전지 특성 파라미터를 추출하여, 상기 축전지 셀 그룹 또는 상기 축전지 셀 각각의 이상 여부를 진단하는 진단부; 및 상기 충전부, 상기 검출부 및 상기 진단부를 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 충전부는, 상기 진단부에 의해 다수의 축전지 셀 중 적어도 하나의 축전지 셀이 이상 축전지 셀로 진단된 경우, 이상으로 판단된 축전지 셀에 펄스 전류를 공급하는 것에 의해 해당 축전지 셀을 충전하는 이상 모드 충전기;를 포함하고,상기 축전지 특성 파라미터는, 상기 축전지 셀 그룹 또는 상기 축전지 셀 각각의 충전시의 충전 전압이 두 번째로 일정 기울기 이상으로 충전을 시작하는 제 2 충전 변곡점으로부터 만충전 전압에 이르는 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지 제어 시스템이 개시된다.

Description

축전지 제어 시스템 및 그 제어 방법{BATTERY CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREFOR}
본 발명은 축전지 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이상 축전지 셀을 충전하여 활성화 가능한 축전지 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
방전한 축전지 셀을 방치하거나, 축전지 셀을 만충전 상태에서 전혀 방전시키지 않은 경우에도 축전지 셀 내부에서는 화학 반응이 일어나고 시간의 경과와 함께 축전지 셀의 용량이 자기 방전에 의해 저하한다. 따라서, 장기간에 걸쳐서 방치된 축전지 셀은 자기 방전에 의해 과방전 상태가 되며, 황산화(sulfation) 물질이 형성되어, 내부 임피던스가 증가하게 되어 축전지 셀의 기능을 상실하게 된다.
일반적으로 사용되는 전력 시스템에는 축전지 셀 상태에 대한 별도의 진단이나 대책을 마련할 수 없고, 수명에 직접적이고 많은 영향을 주는 화학적 열화에 대한 별도의 대책이 세워져 있지 않아 축전지 셀의 수명이 매우 짧아지는 단점이 있다.
아울러 일반적인 축전지 셀의 관리 방법은, 축전지 셀이 시스템에 장착되어 운용되는 상태에서의 축전지 셀 진단이 아니라, 수명 말기로 판정된 축전지 셀을 일단 시스템의 운전을 정지하여 시스템에서 축전지 셀을 분리한 후 이를 수거한 후, 단전지 상태로 외부에서 전원을 인가하여 평가하는 방식이 대부분이다. 따라서, 일단은 시스템 내에서 분리된 상태이므로 축전지 셀 활용에는 많은 제약이 따르게 된다.
또한, 축전지 셀의 상태를 확인하는 과정 없이 축전지 셀을 사용하는 경우에는 축전지 셀 본래의 사용 목적인 비상 상황에서 축전지 셀이 문제가 생겨 사용 목적에 부합되게 사용할 수 없는 경우가 많이 있거나, 전동 자전거와 같은 구동 시스템인 경우에는 사용하는 도중에 축전지 셀이 수명을 다해 전동 자전거와 같은 구동 장치가 멈추어서는 경우도 자주 발생하게 된다.
공개특허 10-2013-0039684 (2013.04.22) : 축전지 수명 진단 기능을 구비한 충전 시스템
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하는 데 목적이 있는 발명으로서, 축전지 셀을 시스템 내에서 별도로 분리할 필요 없이 축전지 셀에 의한 전력 시스템의 동작 중에 나타나는 축전지 셀 내부의 상태를 점검하여 축전지 셀의 상태를 진단할 수 있는 축전지 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 축전지 셀이 이상으로 진단된 경우 간단하게 축전지 셀을 활성화 충전할 수 있을 뿐만 아니라, 활성화 충전의 횟수도 제한하여 충전 시스템이 사용되는 전력 시스템의 오동작을 방지할 수 있는 축전지 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것에도 그 목적이 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 축전지 제어 시스템은, 다수의 축전지 셀을 포함하는 축전지 셀 그룹 또는 상기 축전지 셀 각각을 충전하기 위한 전원을 공급하는 충전부; 상기 축전지 셀 그룹의 전압 또는 전류 중 적어도 하나, 또는 상기 축전지 셀 각각의 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 검출하는 검출부; 상기 검출부로부터 검출된 정보를 이용하여 축전지 특성 파라미터를 추출하여, 상기 축전지 셀 그룹 또는 상기 축전지 셀 각각의 이상 여부를 진단하는 진단부; 및 상기 충전부, 상기 검출부 및 상기 진단부를 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 충전부는, 상기 진단부에 의해 다수의 축전지 셀 중 적어도 하나의 축전지 셀이 이상 축전지 셀로 진단된 경우, 이상으로 판단된 축전지 셀에 펄스 전류를 공급하는 것에 의해 해당 축전지 셀을 충전하는 이상 모드 충전기;를 포함하고, 상기 축전지 특성 파라미터는, 상기 축전지 셀 그룹 또는 상기 축전지 셀 각각의 충전시의 충전 전압이 두 번째로 일정 기울기 이상으로 충전을 시작하는 제 2 충전 변곡점으로부터 만충전 전압에 이르는 시간을 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 진단부는, 상기 축전지 셀 그룹의 이상 여부를 진단하는 셀 그룹 진단기; 및 상기 축전지 셀 각각의 이상 여부를 진단하는 개별 셀 진단기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 셀 그룹 진단기에 의해 상기 축전지 셀 그룹이 이상인 것으로 진단된 경우에, 상기 개별 셀 진단기에 의해 상기 축전지 셀 각각의 이상 여부를 진단하도록 상기 진단부의 동작을 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제어부는, 상기 개별 셀 진단기에 의해 상기 다수의 축전지 셀 중 적어도 하나의 축전지 셀이 이상 축전지 셀로 진단된 경우, 해당 축전지 셀이 정상 동작할 때까지 상기 이상 모드 충전기에 의해 반복적으로 충전하되, 반복적 충전 횟수는 제 1 일정수 이하가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제어부는, 상기 이상 모드 충전기에 의해 해당 축전지 셀이 반복적으로 충전된 횟수가 제 1 일정수이고, 해당 축전지 셀이 이상인 경우, 해당 축전지 셀을 불량 축전지로 판단하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 개별 셀 진단기는, 현재 단계의 해당 축전지 셀의 충전 또는 방전 과정에서 획득된 축전지 특성 파라미터와 미리 저장된 해당 축전지 셀의 축전지 특성 파라미터를 비교하는 것에 의해 해당 축전지 셀의 이상 여부를 진단하되, 해당 축전지 셀의 축전지 특성 파라미터는 해당 축전지 셀의 충전 또는 방전 시의 전압, 전류, 충전 시간 또는 방전 시간 중 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다. 아울러, 상기 셀 그룹 진단기는, 현재 단계의 해당 축전지 셀 그룹의 충전 또는 방전 과정에서 획득된 축전지 특성 파라미터와 미리 저장된 축전지 셀 그룹의 축전지 특성 파라미터를 비교하는 것에 의해 축전지 셀 그룹의 이상 여부를 진단하되, 해당 축전지 셀 그룹의 축전지 특성 파라미터는 해당 축전지 셀 그룹의 충전 또는 방전 시의 전압, 전류, 충전 시간 또는 방전 시간 중 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 축전지 제어 방법은, 다수의 축전지 셀을 포함하는 축전지 셀 그룹의 이상 여부를 진단하는 셀 그룹 진단 단계; 상기 셀 그룹 진단 단계에서 상기 축전지 셀 그룹이 이상인 것으로 진단된 경우에, 상기 다수의 축전지 셀 각각의 이상 여부를 진단하는 개별 셀 진단 단계; 및 상기 개별 셀 진단 단계에서 적어도 하나의 축전지 셀이 이상 축전지 셀로 진단된 경우, 이상으로 판단된 축전지 셀에 펄스 전류를 공급하는 것에 의해 해당 축전지 셀을 충전하는 이상 모드 충전 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 축전지 제어 방법은, 이상으로 판단된 축전지 셀이 정상 동작할 때까지 반복적으로 상기 이상 모드 충전 단계를 실시하되, 상기 이상 모드 충전 단계에 의해 해당 축전지 셀이 반복적으로 충전된 횟수가 제 1 일정수이고, 해당 축전지 셀이 이상인 경우, 해당 축전지 셀을 불량 축전지로 판단하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
아울러 상기 개별 셀 진단 단계는, 현재의 해당 축전지 셀의 충전 또는 방전 과정에서 획득된 축전지 특성 파라미터와 미리 저장된 해당 축전지 셀의 축전지 특성 파라미터를 비교하는 것에 의해 해당 축전지 셀의 이상 여부를 진단하되, 해당 축전지 셀의 축전지 특성 파라미터는 해당 축전지 셀의 충전 또는 방전 시의 전압, 전류, 충전 시간 또는 방전 시간 중 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 셀 그룹 진단 단계는, 현재의 해당 축전지 셀 그룹의 충전 또는 방전 과정에서 획득된 축전지 특성 파라미터와 미리 저장된 축전지 셀 그룹의 축전지 특성 파라미터를 비교하는 것에 의해 축전지 셀 그룹의 이상 여부를 진단하되, 해당 축전지 셀 그룹의 축전지 특성 파라미터는 해당 축전지 셀 그룹의 충전 또는 방전 시의 전압, 전류, 충전 시간 또는 방전 시간 중 적어도 하나를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 축전지 제어 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 축전지 셀을 시스템 내에서 별도로 분리할 필요 없이 축전지 셀에 의한 전력 시스템의 동작 중에 나타나는 축전지 셀 내부의 상태를 점검하여 축전지 셀의 상태를 진단할 수 있다.
또한, 본 발명의 축전지 제어 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 축전지 셀이 이상으로 진단된 경우, 간단하게 축전지 셀을 활성화 충전할 수 있을 뿐만 아니라, 활성화 충전의 횟수도 제한하여 충전 시스템이 사용되는 전력 시스템의 오동작을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 축전지 제어 시스템의 구성도.
도 2는 정상 모드 충전기 및 이상 모드 충전기에 의해 축전지 셀 그룹에 인가되는 충전 전압 그래프의 예시도.
도 3a는 이상 축전지 셀과 정상 축전지 셀의 충방전 그래프의 예시도.
도 3b는 이상 모드 충전기에 의한 활성화 충전의 예시도.
도 4a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 축전지 특성 파라미터의 추출 설명도.
도 4b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 축전지 특성 파라미터의 추출 설명도.
도 4c는 본 발명의 제 3 실시예 및 제 4 실시예에 따른 축전지 특성 파라미터의 추출 설명도.
도 4d는 이상 축전지 셀의 충전 곡선의 예시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 축전지 제어 방법의 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일실시예에 따른 축전지 제어 시스템 및 그 제어 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 하기의 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리 범위에 속하는 것으로 해석된다.
먼저, 도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 축전지 제어 시스템(100)의 구성도를 나타낸다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 축전지 제어 시스템(100)은 충전부(10), 검출부(20), 진단부(30) 및 제어부(40)를 포함한다.
충전부(10)는 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 포함하는 축전지 셀 그룹(BG) 또는 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 각각을 충전하기 위한 전원을 공급하는 역할을 한다. 충전부(10)가 축전지 셀 그룹(BG)에 공급하는 전원은 계통으로부터 공급된 전력을 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)에 충전하기 위한 전력으로 변환하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 즉, 충전부(10)는 일종의 교류-직류 변환기 등의 전력 변환기에 의해 구현될 수 있다. 또한, 충전부(10)가 충전하는 축전지 셀 그룹(BG)은, 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 직렬로 연결되어 구성되는 것이 바람직하다. 아울러, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 각각은 직렬로 연결된 내부 저항을 포함하여 모델링 된다.
충전부(10)는, 정상 모드 충전기(11) 및 이상 모드 충전기(12)를 포함한다.
정상 모드 충전기(11)는, 진단부(30)에 의해 축전지 셀 그룹(BG)에 포함된 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 모두가 정상 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)로 진단된 경우, 축전지 셀 그룹(BG)에 미리 설정된 연속적인 전류를 공급하는 것에 의해 축전지 셀 그룹(BG)을 충전하는 역할을 한다. 이상 모드 충전기(12)는, 진단부(30)에 의해 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 중 적어도 하나의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 이상 축전지 셀로 진단된 경우, 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)에 펄스 전류를 공급하는 것에 의해 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 충전하는 역할을 한다. 이상 모드 충전기(12)에 의한 충전에 의해 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 화학적 열화를 억제하여, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 활성화하는 것에 의해, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 정상적인 동작이 가능한 정상 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)로 재생하여 사용할 수 있도록 한다. 이러한 이상 모드 충전기(12)는, 펄스 전원 생성기에 의해 구현될 수 있다.
본 발명의 축전지 제어 시스템(100)에 따르면, 정상 모드 충전기(11)에 의해 충전 중, 진단부(30)에 의해 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 중 적어도 하나의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 이상 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)로 진단된 경우에는 이상 모드 충전기(12)로 충전 모드를 절환하여 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을충전을 실시한다. 마찬가지로, 이상 모드 충전기(12)에 의해 충전 중, 진단부(30)에 의해 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 정상 셀로 진단되어, 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 모두가 정상으로 셀로 된 경우에는 정상 모드 충전기(11)로 충전 모드를 절환하여 충전을 실시한다.
도 2는 정상 모드 충전기(11) 및 이상 모드 충전기(12)에 의해 축전지 셀 그룹(BG)에 인가되는 충전 전압 그래프의 예시도이다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 정상 모드 충전기(11)에 의한 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 충전은 정전류 모드에서 일정 구간 충전 후, 정전압 모드에서 일정 구간 충전하는 것에 의해 이루어진다. 또한, 이상 모드 충전기(12)에 의한 셀(B1, B2, B3, B4)의 충전은 펄스 전압 및 펄스 전류에 의해 충전하는 것에 의해 이루어질 수 있다.
다음으로, 검출부(20)는 축전지 셀 그룹(BG)의 전류/전압 및/또는 축전지 셀 그룹(BG)에 포함된 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 각각의 전압/ 전류를 검출하는 역할을 한다.
진단부(30)는 검출부(20)로부터 검출된 정보를 바탕으로, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 축전지 특성 파라미터를 추출하는 역할을 한다. 또한, 진단부(30)는 미리 저장된 축전지 셀 그룹(BG) 및/또는 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 각각의 기준 축전지 특성 파라미터와 해당 충방전시의 축전지 셀 그룹(BG) 및/또는 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 각각의 축전지 특성 파라미터를 비교하는 것에 의해, 축전지 셀 그룹(BG) 및/또는 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 각각의 이상 여부를 진단하는 역할을 한다. 축전지 특성 파라미터는, 축전지 셀 그룹(BG) 및/또는 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 각각의 충전 또는 방전시의 축전지 셀 그룹(BG) 및/또는 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 각각의 전압, 전류 및/또는 충방전 시간에 기반하여 추출될 수 있다.
구체적으로, 진단부(30)는, 현재 단계의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 충전 또는 방전 과정에서 획득된 축전지 특성 파라미터를 미리 저장된 기준 축전지 특성 파라미터와 비교하여, 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 이상 여부를 진단하는 역할을 한다. 미리 저장된 기준 축전지 특성 파라미터는 현재 단계의 이전 단계 또는 초기의 축전지 특성 파라미터를 의미한다. 초기의 축전지 파라미터는, 제조사 등에 의해 제공된 정격 축전지 특성 파라미터이거나, 최초 단계의 충전 또는 방전시에 추출된 축전지 특성 파라미터를 의미한다.
본 발명의 축전지 특성 파라미터는, 축전지 셀 그룹(BG)의 충전시에는 충전 시간과 관련될 수 있다. 예를 들면, 축전지 셀 그룹(BG)의 전압이 미리 정해진 제 1 일정 전압값에 도달한 시간 또는 만충전 전압에 도달하는 시간 등을 축전지 특성 파라미터로 이용할 수 있다.
본 발명의 진단부(30)는, 축전지 셀 그룹(BG)의 이상 여부를 진단하는 셀 그룹 진단기(31) 및 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 각각의 이상 여부를 진단하는 개별 셀 진단기(32)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
셀 그룹 진단기(31)는, 현재 단계의 해당 축전지 셀 그룹(BG)의 충전 또는 방전 과정에서 획득된 축전지 특성 파라미터와 미리 저장된 축전지 셀 그룹(BG)의 축전지 특성 파라미터를 비교하는 것에 의해 축전지 셀 그룹(BG)의 이상 여부를 진단하는 것을 특징으로 한다. 또한, 개별 셀 진단기(32)는, 현재 단계의 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 충전 또는 방전 과정에서 획득된 축전지 특성 파라미터와 미리 저장된 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 축전지 특성 파라미터를 비교하는 것에 의해 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 이상 여부를 진단하는 것이 바람직하다. 미리 저장된 축전지 셀 그룹(BG)의 축전지 특성 파라미터는 현재 단계의 이전 단계의 충전 또는 방전 과정에서 추출된 축전지 특성 파라미터 또는 초기의 축전지 셀 그룹(BG)의 축전지 특성 파라미터를 의미한다. 또한, 미리 저장된 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 축전지 특성 파라미터는 현재 단계의 이전 단계의 충전 또는 방전 과정에서 추출된 축전지 특성 파라미터 또는 초기의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 축전지 특성 파라미터를 의미한다.
여기서, 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 축전지 특성 파라미터는 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 충전 또는 방전 시의 전압, 전류, 충전 시간 또는 방전 시간 중 적어도 하나를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 해당 축전지 셀 그룹(BG)의 축전지 특성 파라미터는 해당 축전지 셀 그룹(BG)의 충전 또는 방전 시의 전압, 전류, 충전 시간 또는 방전 시간 중 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
제어부(40)는 충전부(10), 검출부(20) 및 진단부(30)의 동작을 제어하는 역할을 한다.
구체적으로 제어부(40)는, 셀 그룹 진단기(31)에 의해 축전지 셀 그룹(BG)이 이상인 것으로 진단된 경우에, 개별 셀 진단기(32)에 의해 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 각각의 이상 여부를 진단하도록 제어하여, 축전지 셀 그룹(BG)에서 이상 축전지 셀을 판단할 수 있도록 한다. 아울러, 제어부(40)는, 개별 셀 진단기(32)에 의해 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 중 적어도 하나의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 이상 축전지 셀로 진단된 경우, 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 정상 동작할 때까지 이상 모드 충전기(12)에 의해 반복적인 충전을 하도록 진단부(30)를 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 제어부(40)는, 이상 모드 충전기(12)에 의해 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 반복적으로 충전된 횟수가 제 1 일정수이고 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 이상인 경우(즉, 제 1 일정수의 이상 모드 충전 횟수에도 불구하고 여전히 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 이상인 경우), 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 불량 축전지로 판단하고, 본 발명의 축전지 제어 시스템(100)이 제어하는 축전지에 의해 동작하는 전력 시스템의 동작을 정지하게 된다. 즉, 제어부(40)에 의해 이상 모드 충전기(12)에 의한 반복적인 충전 횟수는 제 1 일정수 이하가 되도록 제어된다. 개별 셀 진단기(32)에 의해 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 중 적어도 하나의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 이상 축전지 셀로 진단된 경우, 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 정상 동작하게 되면, 이상 모드 충전기(12)에 의한 충전 횟수는, 리셋(RESET)이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 축전지 제어 시스템(100)은, 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 포함하는 축전지 셀 그룹(BG)을 구비하는 전력 시스템의 동작 운전 중에 이상 축전지 셀이 발견될 경우, 이상 축전지 셀을 활성화하여 정상 축전지 셀로 동작하도록 하되, 이러한 활성화 횟수를 제한하여, 전력 시스템의 동작 안정성을 도모하는 것을 특징으로 한다.
도 3a는 이상 축전지 셀과 정상 축전지 셀의 충방전 그래프의 예시도이다. 도 3a로부터 알 수 있는 바와 같이, 이상 축전지 셀과 정상 축전지 셀은 서로 다른 충방전 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 도 3b는 이상 모드 충전기(12)에 의한 활성화 충전의 예시도이다. 도 3b로부터 알 수 있는 바와 같이 이상 축전지 셀을 이상 모드 충전기(12)에 의해 충전하는 것에 의해 정상 동작하도록 활성화할 수 있음을 알 수 있다.
도 4a 는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 축전지 특성 파라미터의 추출 설명도이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 축전지 특성 파라미터는, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 만충전 전압(Vc) 상태로부터 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 방전 완료시의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 전압인 방전 종지 전압(Vd)까지 방전하는 데 걸리는 시간(t1)을 이용한다. 일정한 방전 전류로 만충전 전압(Vc) 상태의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 방전하면, 더 이상 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 전압이 낮아지지 않는 전압 지점에 도달하게 되는 데, 이를 방전 종지 전압(Vd)이라고 한다.
이때 진단부(30)는, 현재 단계의 만충전 전압(Vc) 상태로부터 방전 종지 전압(Vd)까지 방전하는 데 걸리는 시간(t1(n))과 초기 만충전 전압(Vc) 상태로부터 방전 종지 전압(Vd)까지 방전하는 데 걸리는 시간(t1(1))을 비교하여 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 이상 여부를 진단할 수 있다. 또는 진단부(30)는, 현재 단계의 만충전 전압(Vc) 상태로부터 방전 종지 전압(Vd)까지 방전하는 데 걸리는 시간(t1(n))과 이전 단계의 만충전 전압(Vc) 상태로부터 방전 종지 전압(Vd)까지 방전하는 데 걸리는 시간(t1(n-1))을 비교하여 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 이상 여부를 진단할 수도 있다.
진단부(30)에 의한 비교 결과, 현재 단계의 만충전 전압(Vc) 상태로부터 방전 종지 전압(Vd)까지 방전하는 데 걸리는 시간(t1(n))이 이전 단계 또는 초기의 만충전 전압(Vc) 상태로부터 방전 종지 전압(Vd)까지 방전하는 데 걸리는 시간((t1(n-1), t1(1))에 비해 일정 비율 이하로 낮아지는 경우, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 이상 축전지 셀로 진단하게 된다. 예를 들면, 현재 단계의 만충전 전압(Vc) 상태로부터 방전 종지 전압(Vd)까지 방전하는 데 걸리는 시간(t1(n))이 초기의 만충전 전압(Vc) 상태로부터 방전 종지 전압(Vd)까지 방전하는 데 걸리는 시간(t1(1))에 비해 70% 이하로 낮아지는 경우, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 이상 축전지 셀로 진단할 수 있다. 또한, 현재 단계의 만충전 전압(Vc) 상태로부터 방전 종지 전압(Vd)까지 방전하는 데 걸리는 시간(t1(n))이 이전 단계의 만충전 전압(Vc) 상태로부터 방전 종지 전압(Vd)까지 방전하는 데 걸리는 시간(t1(n-1))에 비해 90% 이하로 낮아지는 경우, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 이상 축전지 셀로 진단할 수 있다.
도 4b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 축전지 특성 파라미터의 추출 설명도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 축전지 특성 파라미터는, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 충전시의 시간에 따른 축전지 셀 전압의 그래프에서 축전지 셀 전압이 일정 레벨 이상의 기울기를 가지고 방전을 시작하는 방전 변곡점(td)으로부터 미리 정해진 제 1 전압값(V1) 만큼 방전하는 데 걸리는 시간(t2)을 포함한다. 일반적으로, 일정한 방전 전류로 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 방전하면 일정 범위 이내의 전압을 유지하다가, 방전 변곡점(td)에서 일정 기울기 이상으로 방전을 하게 된다. 제 1 전압값(V1)은 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 초기값 등을 이용하여 정하여져, 저장될 수 있다.
이때 진단부(30)는, 현재 단계의 방전 변곡점(td)으로부터 미리 정해진 제 1 전압값(V1) 만큼 방전하는 데 걸리는 시간(t2(n))과 초기 방전 변곡점(td)으로부터 미리 정해진 제 1 전압값(V1) 만큼 방전하는 데 걸리는 시간(t2(1))을 비교하여 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 이상 여부를 진단할 수 있다. 또는 진단부(30)는, 현재 단계의 방전 변곡점(td)으로부터 미리 정해진 제 1 전압값(V1) 만큼 방전하는 데 걸리는 시간(t2(n))과 이전 단계의 방전 변곡점(td)으로부터 미리 정해진 제 1 전압값(V1) 만큼 방전하는 데 걸리는 시간(t2(n-1))을 비교하여 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 이상 여부를 진단할 수도 있다.
진단부(30)에 의한 비교 결과, 현재 단계의 방전 변곡점(td)으로부터 미리 정해진 제 1 전압값(V1) 만큼 방전하는 데 걸리는 시간(t2(n))이 이전 단계 또는 초기 방전 변곡점(td)으로부터 미리 정해진 제 1 전압값(V1) 만큼 방전하는 데 걸리는 시간(t2(n-1), t2(1))에 비해 일정 비율 이하로 낮아지는 경우, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 이상 축전지 셀로 진단하게 된다. 예를 들면, 현재 단계의 방전 변곡점(td)으로부터 미리 정해진 제 1 전압값(V1) 만큼 방전하는 데 걸리는 시간(t2(n))이 초기 방전 변곡점(td)으로부터 미리 정해진 제 1 전압값(V1) 만큼 방전하는 데 걸리는 시간(t2(1))에 비해 70% 이하로 낮아지는 경우, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 이상 축전지 셀로 진단할 수 있다. 또한, 현재 단계의 방전 변곡점(td)으로부터 미리 정해진 제 1 전압값(V1) 만큼 방전하는 데 걸리는 시간(t2(n))이 이전 단계의 방전 변곡점(td)으로부터 미리 정해진 제 1 전압값(V1) 만큼 방전하는 데 걸리는 시간(t2(n-1))에 비해 90% 이하로 낮아지는 경우, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 이상 축전지 셀로 진단할 수 있다.
도 4c는 본 발명의 제 3 실시예 및 제 4 실시예에 따른 축전지 특성 파라미터의 추출 설명도이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 축전지 특성 파라미터는, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 충전 완료시의 축전지 셀 전압인 만충전 전압(Vc)과 관련된다. 즉, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 축전지 특성 파라미터는, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 방전이 완료된 방전 종지 전압(Vd) 상태로부터 만충전 전압(Vc)까지 충전하는 데 걸리는 시간(t3)인 것을 특징으로 한다.
이때 진단부(30)는, 현재 단계의 방전 종지 전압(Vd) 상태로부터 만충전 전압(Vc)까지 충전하는 데 걸리는 시간(t3(n))과 초기 방전 종지 전압(Vd) 상태로부터 만충전 전압(Vc)까지 충전하는 데 걸리는 시간(t3(1))을 비교하여 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 이상 여부를 진단할 수 있다. 또는 진단부(30)는, 현재 단계의 방전 종지 전압(Vd) 상태로부터 만충전 전압(Vc)까지 충전하는 데 걸리는 시간(t3(n))과 이전 단계의 방전 종지 전압(Vd) 상태로부터 만충전 전압(Vc)까지 충전하는 데 걸리는 시간(t3(n-1))을 비교하여 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 이상 여부를 진단할 수도 있다.
진단부(30)에 의한 비교 결과, 현재 단계의 방전 종지 전압(Vd) 상태로부터 만충전 전압(Vc)까지 충전하는 데 걸리는 시간(t3(n))이 이전 단계 또는 초기 방전 종지 전압(Vd) 상태로부터 만충전 전압(Vc)까지 충전하는 데 걸리는 시간(t3(n-1), t3(1))에 비해 일정 비율 이하로 낮아지는 경우, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 이상 축전지 셀로 진단하게 된다. 예를 들면, 현재 단계의 방전 종지 전압(Vd) 상태로부터 만충전 전압(Vc)까지 충전하는 데 걸리는 시간(t3(n))이 초기 방전 종지 전압(Vd) 상태로부터 만충전 전압(Vc)까지 충전하는 데 걸리는 시간(t3(1))에 비해 70% 이하로 낮아지는 경우, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 이상 축전지 셀로 진단할 수 있다. 또한, 현재 단계의 방전 종지 전압(Vd) 상태로부터 만충전 전압(Vc)까지 충전하는 데 걸리는 시간(t3(n))이 이전 단계의 방전 종지 전압(Vd) 상태로부터 만충전 전압(Vc)까지 충전하는 데 걸리는 시간(t3(n-1))에 비해 90% 이하로 낮아지는 경우, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 이상 축전지 셀로 진단할 수 있다.
도 4c의 정상 축전지 셀의 경우, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 초기 급속 충전이 되었다가, 제 1 충전 변곡점(tc1)에서 완만하게 충전되게 된다. 그 이후, 제 2 충전 변곡점(tc2)에서 다시 급속 충전되어, 만충전 전압(Vc)에 도달하게 된다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 축전지 특성 파라미터는, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 충전시의 충전 전압이 두 번째로 일정 기울기 이상으로 충전을 시작하는 제 2 충전 변곡점(tc2)으로부터 만충전 전압(Vc)에 이르는 시간(t4)인 것을 특징으로 한다.
도 4d는 이상 축전지 셀의 충전 곡선의 예시도이다.
도 4d로부터 알 수 있는 바와 같이 이상 축전지, 즉 비정상적인 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 경우, 제 1 충전 변곡점(tc1)까지의 충전도 정상 축전지에 비해 완만해지고, 제 1 충전 변곡점(tc1)으로부터 제 2 충전 변곡점(tc2)까지의 충전 시간은 짧아진다. 또한, 제 2 충전 변곡점(tc2)으로부터 만충전 전압(Vc)까지의 도달 시간(t4)도 정상 축전지에 비해 짧아지게 된다.
이때 진단부(30)는, 현재 단계의 제 2 충전 변곡점(tc2)으로부터 만충전 전압(Vc)에 이르는 시간(t4(n))과 초기 제 2 충전 변곡점(tc2)으로부터 만충전 전압(Vc)에 이르는 시간(t4(1))을 비교하여 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 이상 여부를 진단할 수 있다. 또는 진단부(30)는, 현재 단계의 제 2 충전 변곡점(tc2)으로부터 만충전 전압(Vc)까지 충전하는 데 걸리는 시간(t4(n))과 이전 단계의 제 2 충전 변곡(tc2)점으로부터 만충전 전압(Vc)까지 충전하는데 걸리는 시간(t4(n-1))을 비교하여 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 이상 여부를 진단할 수도 있다.
진단부(30)에 의한 비교 결과, 현재 단계의 제 2 충전 변곡점(tc2)으로부터 만충전 전압(Vc)에 이르는 시간(t4(n))이 이전 단계 또는 초기 만충전 전압(Vc)에의 제 2 충전 변곡점(tc2)으로부터 만충전 전압(Vc)에 이르는 시간(t4(n-1), t4(1))에 비해 일정 비율 이상으로 높아지는 경우, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 이상 축전지 셀로 진단하게 된다. 예를 들면, 현재 단계의 제 2 충전 변곡점(tc2)으로부터 만충전 전압(Vc)에 이르는 시간(t4(n))이 초기 제 2 충전 변곡점으로부터 만충전 전압(Vc)에 이르는 시간(t4(1))에 비해 30% 이상으로 높아지는 경우, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 이상 축전지 셀로 진단할 수 있다. 예를 들면, 현재 단계의 제 2 충전 변곡점(tc2)으로부터 만충전 전압(Vc)에 이르는 시간(t4(n))이 이전 단계의 제 2 충전 변곡점(tc2)으로부터 만충전 전압(Vc)에 이르는 시간(t4(n-1))에 비해 10% 이상으로 높아지는 경우, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 이상 축전지 셀로 진단할 수 있다.
상술한, 도 4a 내지 도 4d와 같은 축전지 특성 파라미터 추출 방법은, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 각각에 대해서뿐만 아니라, 축전지 셀 그룹(BG)에 대해서도 동일하게 적용되어 축전지 셀 그룹(BG)의 축전지 특성 파라미터가 추출될 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 축전지 제어 시스템(100)을 이용한 축전지 제어 방법의 흐름도이다.
도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 축전지 제어 방법은, 다수의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 포함하는 축전지 셀 그룹(BG)을 구비하는 전력 시스템을 운전하고(S10), 축전지 셀 그룹(BG)을 운전한다(S20).
다음으로, 본 발명의 축전지 제어 방법은, 축전지 셀 그룹(BG)의 이상 여부를 진단하는 셀 그룹 진단 단계를 실시한다(S30). S30 단계는 현재의 해당 축전지 셀 그룹(BG)의 충전 또는 방전 과정에서 획득된 축전지 특성 파라미터와 미리 저장된 축전지 셀 그룹(BG)의 축전지 특성 파라미터를 비교하는 것에 의해 축전지 셀 그룹(BG)의 이상 여부를 진단하는 것이 바람직하다.
아울러, S30 단계에서 축전지 셀 그룹(BG)이 이상인 것으로 진단된 경우에, 축전지 셀(B1, B2, B3, B4) 각각의 이상 여부를 진단하는 개별 셀 진단 단계를 실시한다(S40). S40 단계는, 현재의 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 충전 또는 방전 과정에서 획득된 축전지 특성 파라미터와 미리 저장된 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 축전지 특성 파라미터를 비교하여 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 이상 여부를 진단하는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 축전지 제어 방법은, S30 단계에서, 축전지 셀 그룹(BG)이 정상 축전지 그룹으로 진단된 경우, 축전지 셀 그룹(BG)에 미리 설정된 연속적인 전류를 공급하는 것에 의해 축전지 셀 그룹(BG)을 충전하는 정상 모드 충전을 한다.
다만, S40 단계에서 적어도 하나의 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 이상 축전지 셀로 진단된 경우, 이상으로 판단된 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)에 펄스 전류를 공급하는 것에 의해 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 충전하는 이상 모드 충전 단계를 실시한다(S50). 또한, 본 발명의 축전지 제어 방법은, S50 단계의 실시 후, 이상으로 판단된 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)의 이상 여부를 다시 진단하고(S60), S50 단계에 의해 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 반복적으로 충전된 횟수가 미리 정해진 제 1 일정수 미만인 지를 판단한다(S70). 본 발명의 축전지 제어 방법은, S70 단계에서, 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 S50 단계에 의해 반복적으로 충전된 횟수가 제 1 일정수 미만인 경우, 이상으로 판단된 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 정상 동작할 때까지 반복적으로 S50 단계를 실시하는 것을 특징으로 한다. S70 단계에 의해 결국 S50 단계의 실시는 제 1 일정수로 제한되게 된다.
또한, 본 발명의 축전지 제어 방법은, S70 단계에서, 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 반복적으로 충전된 횟수가 제 1 일정수이고 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)이 이상인 경우, 해당 축전지 셀(B1, B2, B3, B4)을 불량 축전지로 판단하는 단계(S80) 및 해당 전력 시스템을 정지하는 단계(S90)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 축전지 제어 시스템(100) 및 그 제어 방법에 따르면, 축전지 셀을 시스템 내에서 별도로 분리할 필요 없이 축전지 셀에 의한 전력 시스템의 동작 중에 나타나는 축전지 셀 내부의 상태를 점검하여 축전지 셀의 상태를 진단할 수 있다. 또한, 본 발명의 축전지 제어 시스템(100) 및 그 제어 방법에 따르면, 축전지 셀이 이상으로 진단된 경우, 활성화 충전할 수 있을 뿐만 아니라, 활성화 충전의 횟수도 제한하여 충전 제어 시스템(100)이 사용되는 전력 시스템의 오동작을 방지할 수 있다.
100 : 축전지 제어 시스템
10 : 충전부 20 : 검출부
30 : 진단부 40 : 제어부
11 : 정상 모드 충전기 12 : 이상 모드 충전기
31 : 셀 그룹 진단기 32 : 개별 셀 진단기
BG : 축전지 셀 그룹
B1, B2, B3, B4 : 축전지 셀

Claims (13)

  1. 다수의 축전지 셀을 포함하는 축전지 셀 그룹 또는 상기 축전지 셀 각각을 충전하기 위한 전원을 공급하는 충전부;
    상기 축전지 셀 그룹의 전압 또는 전류 중 적어도 하나, 또는 상기 축전지 셀 각각의 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 검출하는 검출부;
    상기 검출부로부터 검출된 정보를 이용하여 축전지 특성 파라미터를 추출하여, 상기 축전지 셀 그룹 또는 상기 축전지 셀 각각의 이상 여부를 진단하는 진단부; 및
    상기 충전부, 상기 검출부 및 상기 진단부를 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 충전부는,
    상기 진단부에 의해 다수의 축전지 셀 중 적어도 하나의 축전지 셀이 이상 축전지 셀로 진단된 경우, 이상으로 판단된 축전지 셀에 펄스 전류를 공급하는 것에 의해 해당 축전지 셀을 충전하는 이상 모드 충전기;를 포함하고,
    상기 축전지 특성 파라미터는,
    상기 축전지 셀 그룹 또는 상기 축전지 셀 각각의 충전시의 충전 전압이 두 번째로 일정 기울기 이상으로 충전을 시작하는 제 2 충전 변곡점으로부터 만충전 전압에 이르는 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 축전지 셀 그룹의 이상 여부를 진단하는 셀 그룹 진단기; 및
    상기 축전지 셀 각각의 이상 여부를 진단하는 개별 셀 진단기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 셀 그룹 진단기에 의해 상기 축전지 셀 그룹이 이상인 것으로 진단된 경우에, 상기 개별 셀 진단기에 의해 상기 축전지 셀 각각의 이상 여부를 진단하도록 상기 진단부의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 축전지 제어 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 개별 셀 진단기에 의해 상기 다수의 축전지 셀 중 적어도 하나의 축전지 셀이 이상 축전지 셀로 진단된 경우, 해당 축전지 셀이 정상 동작할 때까지 상기 이상 모드 충전기에 의해 반복적으로 충전하되, 반복적 충전 횟수는 제 1 일정수 이하가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 축전지 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 이상 모드 충전기에 의해 해당 축전지 셀이 반복적으로 충전된 횟수가 제 1 일정수이고, 해당 축전지 셀이 이상인 경우, 해당 축전지 셀을 불량 축전지로 판단하는 것을 특징으로 하는 축전지 제어 시스템.
  6. 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개별 셀 진단기는,
    현재 단계의 해당 축전지 셀의 충전 또는 방전 과정에서 획득된 축전지 특성 파라미터와 미리 저장된 해당 축전지 셀의 축전지 특성 파라미터를 비교하는 것에 의해 해당 축전지 셀의 이상 여부를 진단하는 것을 특징으로 하는 축전지 제어 시스템.
  7. 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀 그룹 진단기는,
    현재 단계의 해당 축전지 셀 그룹의 충전 또는 방전 과정에서 획득된 축전지 특성 파라미터와 미리 저장된 축전지 셀 그룹의 축전지 특성 파라미터를 비교하는 것에 의해 축전지 셀 그룹의 이상 여부를 진단하는 것을 특징으로 하는 축전지 제어 시스템.
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