KR101742737B1 - 나트륨 이차 전지의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

나트륨 이차 전지의 제어 방법은, 완전 충전 후 방전이 시작되며 기준 SOC(잔존 용량)에 따른 제한 사용범위가 설정되는 제1 단계와, 완전 충전 후 사용 누적 시간과 누적 방전 전류량으로부터 SOC 신뢰도가 계산되는 제2 단계와, 계산된 SOC 신뢰도에 따라 제한 사용범위가 보정되는 제3 단계와, 보정된 제한 사용범위 내에서 자유로운 충방전이 이루어지는 제4 단계를 포함한다.

Description

나트륨 이차 전지의 제어 방법 {METHOD FOR CONTROLLING SODIUM BASED SECONDARY BATTERY}

본 발명은 나트륨 이차 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나트륨 이차 전지의 충방전을 제어하는 방법에 관한 것이다.

나트륨 이차 전지는 설정된 운전 가능 범위 내에서 충전과 방전을 반복하며 사용된다. 운전 가능 범위를 벗어나면 과방전 또는 과충전을 유발하므로 전지 성능의 저하로 이어진다. 따라서 나트륨 이차 전지에서는 잔존 용량(또는 충전량)(State Of Charge, SOC)을 정확하게 파악하는 것이 중요하다.

나트륨 이차 전지는 개방 전압(Open Circuit Voltage, OCV)이 일정한 특성으로 인해 잔존 용량을 계산할 때 전류 적산법이 주로 사용된다. 전류 적산법은 충전 전류량 또는 방전 전류량을 누적하여 전력량을 계산하는 방법으로서, 방전 시에는 정격 용량으로부터 방전 전류량을 누적 감산하여 잔존 용량을 산출하고, 충전 시에는 잔존 용량으로부터 충전 전류량을 누적 가산한다.

그런데 전류 적산법에서는 측정 주기와 측정 센서의 정확도에 따라 정도의 차이가 있을 뿐 시간의 경과에 따라서 오차가 지속적으로 누적된다. 따라서 대부분의 나트륨 이차 전지는 한번 완전 충전이 되면 최대 사용 시간이 제한되며, 최대 사용 시간 내에 완전 충전이 되지 않으면 방전이 차단되는 등의 기능을 부가하고 있다. 그러나 이러한 기능은 사용자의 불편을 초래한다.

본 발명은 완전 충전과 다음번 완전 충전 사이의 제한된 사용 시간을 제거하여 자유로운 충방전을 가능하게 하는 나트륨 이차 전지의 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차 전지의 제어 방법은, 완전 충전 후 방전이 시작되며 기준 SOC(잔존 용량)에 따른 제한 사용범위가 설정되는 제1 단계와, 완전 충전 후 사용 누적 시간과 누적 방전 전류량으로부터 SOC 신뢰도가 계산되는 제2 단계와, 계산된 SOC 신뢰도에 따라 제한 사용범위가 보정되는 제3 단계와, 보정된 제한 사용범위 내에서 자유로운 충방전이 이루어지는 제4 단계를 포함한다.

제1 단계에서, 기준 SOC에 따른 제한 사용범위는 SOC 10% 내지 90%로 설정될 수 있다.

제2 단계에서, SOC 신뢰도는 사용 누적 시간과 누적 방전 전류량의 곱셈으로 계산될 수 있다. 제2 단계에서, SOC 신뢰도는 최대값이 제한될 수 있다. 나트륨 이차 전지가 셧 다운되거나 사용 시간이 연속성을 가지지 않는 경우, 제2 단계에서 SOC 신뢰도는 최대값으로 설정될 수 있다.

제3 단계에서, 보정된 제한 사용범위는 기준 SOC에 따른 제한 사용범위로부터 SOC 신뢰도만큼 축소된 범위를 가질 수 있다. 제3 단계 이후 잔존 용량이 보정된 제한 사용범위에 도달하면 방전이 종료되고 완전 충전이 이루어지며, 완전 충전 시마다 SOC 신뢰도는 0%로 초기화될 수 있다.

본 실시예의 나트륨 이차 전지는 완전 충전과 다음번 완전 충전 사이에 제한된 사용 시간이 없으며, 보정된 제한 사용범위 내에서 자유로운 충방전을 행할 수 있으므로 사용자의 불편을 해소할 수 있다. 또한, 기준 SOC에 따른 제한 사용범위보다 좁은 범위의 보정된 제한 사용범위를 적용함으로써 SOC 오차 누적에 따른 과충전 또는 과방전을 예방할 수 있다.

도 1은 일반적인 나트륨 이차 전지의 개략 측면도이다.
도 2는 일반적인 나트륨 이차 전지의 개략 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차 전지의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1과 도 2는 각각 일반적인 나트륨 이차 전지의 개략 측면도와 개략 평면도이다.

도 1과 도 2를 참고하면, 나트륨 이차 전지(100)는 복수의 단위 전지(10)와, 상부 커버(21)와 하부 커버(22)로 구성되며 복수의 단위 전지(10)를 둘러싸는 단열 용기(20)와, 복수의 단위 전지(10)를 가열하여 단위 전지(10)의 활성화를 유도하는 히터(30)를 포함한다. 히터(30)는 복수의 단위 전지(10)와 하부 커버(22) 사이에 배치된다.

단열 용기(20)의 내측에서 복수의 단위 전지(10)는 단열재(40)로 둘러싸인다. 단열재(40)는 단위 전지(10)의 화학 반응에 의해 발생하는 열과 히터(30)의 열이 외부로 손실되는 것을 최소화하여 최적의 작동 온도를 유지시키는 기능을 한다. 복수의 단위 전지(10) 사이에는 절연재(50)가 삽입되어 단위 전지들(10) 사이의 통전을 방지한다.

복수의 단위 전지(10)는 내열성을 갖는 전선(60)으로 연결되어 블록 단위의 전지 모듈을 구성하고, 복수의 전지 모듈은 체결 블록(70)에 의해 일체로 연결된다. 나트륨 이차 전지(100)는 도시하지 않은 전지 관리 시스템(Battery Management System, BMS)과 전기적으로 연결된다.

전지 관리 시스템은 나트륨 이차 전지의 상태를 모니터링하여 최적의 조건에서 유지 및 사용할 수 있도록 자동 관리하고, 교체 시기를 예측하고 문제가 생긴 단위 전지를 발견하는 등 나트륨 이차 전지의 상태를 관리하는 시스템이다. 나트륨 이차 전지의 충방전 관리 또한 전지 관리 시스템에서 행하는 기능 중 하나이다.

구체적으로, 전지 관리 시스템은 나트륨 이차 전지의 전류와 전압 및 온도를 측정하여 나트륨 이차 전지를 자가 진단하는 기능과, 나트륨 이차 전지의 가용 시간을 확인하고 잔존 용량(State Of Charge, SOC)과 실시간 출력을 계산하는 기능과, 나트륨 이차 전지의 온도를 제어하고 외부와 통신하는 기능 등을 포함한다.

잔존 용량은 전류 적산법으로 계산된다. 전류 적산법은 충전 전류량 또는 방전 전류량을 누적하여 전력량을 계산하는 방법으로서, 방전 시에는 정격 용량으로부터 방전 전류량을 누적 감산하여 잔존 용량을 산출하고, 충전 시에는 잔존 용량으로부터 충전 전류량을 누적 가산한다.

이러한 전류 적산법에서는 시간의 경과에 따라 오차가 지속적으로 누적되므로, 종래의 나트륨 이차 전지는 한번 완전 충전이 되면 최대 사용 시간(가용 시간)이 제한된다.

즉, 종래의 전지 관리 시스템은 완전 충전 후 가용 시간을 제한하고, 나트륨 이차 전지의 방전 과정에서 가용 시간이 남았는지 여부를 확인하여 가용 시간이 지나면 방전을 종료시키고, 나트륨 이차 전지를 완전 충전시킨 후 가용 시간을 다시 회복하는 과정을 거치게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나트륨 이차 전지의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.

도 3을 참고하면, 나트륨 이차 전지의 제어 방법은 완전 충전 후 방전이 시작되며 기준 SOC에 따른 제한 사용범위가 설정되는 제1 단계(S10)와, 완전 충전 이후 운영 시간과 누적 방전 전류량으로부터 SOC 신뢰도를 계산하는 제2 단계(S20)와, 계산된 SOC 신뢰도에 따라 제한 사용범위를 보정하는 제3 단계(S30)와, 보정된 제한 사용범위 내에서 충방전을 자유롭게 실시하는 제4 단계(S40)를 포함한다.

제1 단계(S10)에서, 기준 SOC에 따른 제한 사용범위는 예를 들어 SOC 10% 내지 90%로 설정될 수 있다. 이는 나트륨 이차 전지의 잔존 용량이 10% 내지 90% 범위에서 나트륨 이차 전지의 사용이 제한되는 것을 의미한다.

제2 단계(S20)에서, SOC 신뢰도는 완전 충전 이후 운영 시간(사용 누적 시간)과, 누적 방전 전류량으로부터 계산된다. 예를 들어, SOC 신뢰도는 사용 누적 시간과 누적 방전 전류량의 곱셈으로 계산될 수 있으며, 사용 누적 시간이 길고 누적 방전 전류량이 클수록 큰 값을 가진다.

제3 단계(S30)에서, 제한 사용범위는 SOC 신뢰도에 따라 보정된다. 예를 들어, 제2 단계(S20)에서 계산된 SOC 신뢰도가 ±5%인 경우, 제한 사용범위는 SOC 10% 내지 90%에서 SOC 15% 내지 85%로 보정된다. 다른 한편으로, 제2 단계(S20)에서 계산된 SOC 신뢰도가 ±10%인 경우, 제한 사용범위는 SOC 10% 내지 90%에서 SOC 20% 내지 80%로 보정된다.

제4 단계(S40)에서, 나트륨 이차 전지는 제3 단계(S30)에서 보정된 제한 사용범위 내에서 자유로운 충방전이 이루어진다. 구체적으로, 제2 단계(S20)에서 계산된 SOC 신뢰도가 ±5%인 경우, SOC 15% 내지 85% 내에서 나트륨 이차 전지는 제한 없이 자유로운 충방전이 이루어진다.

즉, 나트륨 이차 전지는 잔존 용량이 15%보다 크고 85%보다 작을 때, 예를 들어 잔존 용량이 40%일 때 충전을 시작할 수 있다. 이때 나트륨 이차 전지의 충전은 잔존 용량이 보정된 제한 사용범위, 예를 들어 85%에 도달하면 종료되며, 다시 방전이 이루어진다.

한편, 제3 단계(S30) 이후 나트륨 이차 전지가 지속적인 방전을 행하여 잔존 용량이 보정된 제한 사용범위, 예를 들어 SOC 15%에 도달하면 방전이 종료되고 완전 충전이 이루어진다. 완전 충전이 되면 SOC 신뢰도는 0%로 초기화되어 새로 산정되며, 이로써 SOC 오차 누적을 제거할 수 있다.

제2 단계(S20)에서, SOC 신뢰도는 최대값이 제한될 수 있다. SOC 신뢰도가 지나치게 크면 나트륨 이차 전지의 가용 용량이 줄어들어 사용에 불편을 초래한다. 예를 들어, SOC 신뢰도는 ±15%로 최대값이 제한될 수 있고, 이 경우 제3 단계(S30)에서 제한 사용범위는 SOC 10% 내지 90%에서 SOC 25% 내지 75%로 보정된다.

한편, 나트륨 이차 전지를 포함한 전지 시스템이 예상치 못하게 셧 다운이 되거나 사용 시간이 연속성을 가지지 않는 경우, 예를 들어 전지 시스템의 최초 사용 시, 수리 후 사용 시, 또는 전지 시스템의 운용 조건이 변경된 경우 등과 같이 운영 상 연속적인 추적이 어려울 경우에는 안전성을 고려하여 SOC 신뢰도를 최대값으로 설정할 수 있다.

전술한 나트륨 이차 전지의 충방전 제어 과정에서 SOC 신뢰도 계산에 필요한 중요 인자들은 전지 관리 시스템의 비활성 메모리에 주기적으로 저장한다. 이로써 나트륨 이차 전지의 운용 이력을 관리할 수 있고, 고장 파악에 활용할 수 있으며, 연속적인 추적이 되고 있는지를 판단할 수 있다.

이와 같이 본 실시예의 나트륨 이차 전지는 완전 충전과 다음번 완전 충전 사이에 제한된 사용 시간이 없으며, 보정된 제한 사용범위 내에서 자유로운 충방전을 행할 수 있으므로 사용자의 불편을 해소할 수 있다.

또한, 본 실시예의 나트륨 이차 전지는 기준 SOC에 따른 제한 사용범위보다 좁은 범위의 보정된 제한 사용범위를 적용함으로써 SOC 오차 누적에 따른 과충전 또는 과방전을 예방할 수 있으며, 나트륨 이차 전지의 안전성을 높일 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 나트륨 이차 전지 10: 단위 전지
20: 단열 용기 30: 히터
40: 단열재 50: 절연재
60: 전선 70: 체결 블록

Claims (7)

1. 완전 충전 후 방전이 시작되며 기준 SOC(잔존 용량)에 따른 제한 사용범위가 설정되는 제1 단계;
   완전 충전 후 사용 누적 시간과 누적 방전 전류량의 곱셈으로부터 SOC 신뢰도가 계산되는 제2 단계;
   상기 계산된 SOC 신뢰도만큼 상기 기준 SOC에 따른 제한 사용범위가 축소 보정되는 제3 단계; 및
   상기 축소 보정된 제한 사용범위 내에서 자유로운 충방전이 이루어지는 제4 단계를 포함하는 나트륨 이차 전지의 제어 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 단계에서, 기준 SOC에 따른 제한 사용범위는 SOC 10% 내지 90%로 설정되는 나트륨 이차 전지의 제어 방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 단계에서, SOC 신뢰도는 최대값이 제한되는 나트륨 이차 전지의 제어 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 나트륨 이차 전지가 셧 다운되거나 사용 시간이 연속성을 가지지 않는 경우, 상기 제2 단계에서 SOC 신뢰도는 최대값으로 설정되는 나트륨 이차 전지의 제어 방법.
6. 삭제
7. 제1항, 제2항, 제4항, 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제3 단계 이후 잔존 용량이 보정된 제한 사용범위에 도달하면 방전이 종료되고 완전 충전이 이루어지며,
   완전 충전 시마다 SOC 신뢰도는 0%로 초기화되는 나트륨 이차 전지의 제어 방법.

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