KR101839128B1 - 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리시스템 및 방법이 개시된다. 태양광 발전을 수행하여 전력을 생성하는 태양광 셀(solar cell); 상기 태양광 셀에 의해 생성된 전력을 저장하는 다수의 배터리 유닛(battery unit)로 구성되는 배터리 유닛 랙(battery unit rack); 상기 배터리 유닛 랙을 구성하는 배터리 유닛의 충/방전을 제어하고 관리하는 BMS(battery management system) 모듈; 상기 배터리 유닛 랙을 구성하는 배터리 유닛의 배터리 효율(battery efficiency)을 산출하고, 산출된 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛의 성능을 평가하고 고장을 진단하여 교체 시점을 판단하는 배터리 유닛 성능 평가 모듈을 구성한다. 상술한 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리시스템 및 방법에 의하면, 배터리 유닛의 온도를 실시간 측정하여 배터리 유닛의 배터리 효율(battery efficiency)을 모니터링하고, 배터리 유닛의 온도에 따라 배터리 효율을 최적으로 유지하도록 하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 축전기 관리시스템(battery management system, BMS) 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리시스템 및 방법에 관한 것이다.
태양광 발전은 점점 더 저변이 확대되어 가고 있다. 태양광 발전의 중요 이슈는 발전 효율과 발전 전력의 저장 효율에 있다고 봐도 과언이 아니다. 발전 효율은 상당한 진척이 있지만, 발전 전력의 저장 효율은 다양한 개선 과제가 남아 있는 실정이다.
우선, 태양광 발전 전력을 다양한 환경 조건에서 충분한 충전 효율과 방전 효율을 가져야 한다. 2차 배터리는 특히 주변의 온도에 따라서 충방전 효율이 상당히 민감하게 반응한다. 다양한 환경 기후와 날씨 조건에서도 충분한 효율을 가지고 일정한 정격 출력을 할 수 있어야 한다. 그러나, 기존의 배터리 관리 방식에서는 이러한 기후, 날씨의 변화, 특히 온도 조건에 대한 배터리 효율을 고려하지 않고 있으며, 이에 대한 실질적인 관리와 보완이 이루어지지 않고 있다.
그리고 2차 배터리는 사용 기한이 오래 지남에 따라 배터리 내부의 고체 전해질 분열 간기(Solid Electrolyte Interphase, SEI) 층이 증가하여 저장 용량이 줄어들게 되며, 배터리 노후화를 야기한다. 배터리가 노후화되면 저장 용량에 문제가 생겨 배터리를 교체해야 한다. 그러나, 일반 가정이나 기업체에 설치되는 소규모의 태양광 발전 시설에서는 이러한 배터리 교체와 관리가 체계적으로 이루어지기 어렵고, 정확한 교체 시점을 파악할 수도 없는 실정이다.
본 발명의 목적은 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리방법을 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 목적에 따른 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리시스템은, 태양광 발전을 수행하여 전력을 생성하는 태양광 셀(solar cell); 상기 태양광 셀에 의해 생성된 전력을 저장하는 다수의 배터리 유닛(battery unit)로 구성되는 배터리 유닛 랙(battery unit rack); 상기 배터리 유닛 랙을 구성하는 배터리 유닛의 충/방전을 제어하고 관리하는 BMS(battery management system) 모듈; 상기 배터리 유닛 랙을 구성하는 배터리 유닛의 배터리 효율(battery efficiency)을 산출하고, 산출된 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛의 성능을 평가하고 고장을 진단하여 교체 시점을 판단하는 배터리 유닛 성능 평가 모듈을 포함하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 배터리 유닛 성능 평가 모듈은, 상기 배터리 유닛 랙을 구성하는 각 배터리 유닛의 교체 시점을 입력받는 배터리 유닛 교체 시점 입력부; 상기 배터리 유닛 교체 시점 입력부에서 입력받은 각 배터리 유닛의 교체 시점을 기준으로 각 배터리 유닛의 사용 기간을 카운트(count)하여 모니터링하는 배터리 유닛 사용 기간 모니터링부; 각 배터리 유닛의 온도를 실시간 측정하는 온도 측정부; 상기 태양광 셀에 의해 생성되는 전력을 실시간 측정하는 태양광 전력 측정부; 상기 온도 측정부에 의해 측정된 각 배터리 유닛의 온도 및 상기 태양광 전력 측정부에 의해 실시간 측정된 전력에 기반하여 상기 배터리 유닛을 구성하는 소정의 배터리 유닛의 성능 평가 시점을 자동 선택하는 배터리 유닛 성능 평가 시점 선택부; 상기 배터리 유닛 성능 평가 시점 선택부에 의해 선택된 성능 평가 시점을 기준으로 상기 BMS 모듈에 미리 구비된 스위치 회로(switch circuit)를 제어하여 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛을 소정 기준에 따라 완전 방전 및 완전 충전시키는 배터리 유닛 충방전 제어부; 상기 배터리 유닛 충방전 제어부에서 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛의 완전 방전 전력량을 측정하는 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부; 상기 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부이 완전 방전 전력량을 측정함에 따른 배터리 유닛 사용 사이클을 카운트하여 모니터링하는 배터리 유닛 사용 사이클 모니터링부; 상기 배터리 유닛 충방전 제어부에서 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛의 완전 충전 전력량을 측정하는 배터리 유닛 완전 충전 전력량 측정부; 상기 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부에서 측정된 완전 방전 전력량, 상기 배터리 유닛 사용 사이클 모니터링부(146c)에 의해 모니터링되는 배터리 유닛 사용 사이클 및 상기 배터리 유닛 완전 충전 전력량 측정부에서 측정된 완전 충전 전력량을 이용하여 해당 배터리 유닛의 배터리 효율(battery efficiency)을 산출하는 배터리 효율 산출부를 포함하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 배터리 유닛 성능 평가 모듈은, 상기 배터리 효율 산출부에서 산출된 배터리 유닛의 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛의 고장을 진단하고, 고장 여부를 디스플레이를 통해 출력하도록 제어하는 배터리 유닛 고장 진단부를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 배터리 유닛 성능 평가 모듈은, 상기 배터리 효율 산출부에서 산출된 배터리 유닛의 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛의 교체 시점을 미리 예측하고, 예측된 교체 시점을 디스플레이를 통해 출력하도록 제어하는 배터리 유닛 교체 시점 판단부를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
그리고 각 배터리 유닛의 온도를 측정하고, 상기 배터리 유닛의 배터리 효율을 소정 임계값 이상으로 유지하기 위해 상기 측정된 각 배터리 유닛의 온도가 미리 정해진 소정 범위 내에서 유지될 수 있도록 히트업(heat-up) 또는 쿨다운(cool-down)시키는 배터리 운용 온도 제어 모듈을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 목적에 따른 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리방법은, 태양광 셀(solar cell)이 태양광 발전을 수행하여 전력을 생성하는 단계; 상기 배터리 유닛 랙을 구성하는 배터리 유닛의 충/방전을 제어하고 관리하는 BMS(battery management system) 모듈의 제어에 따라 배터리 유닛 랙(battery unit rack)을 구성하는 다수의 배터리 유닛에 상기 태양광 셀에 의해 생성된 전력을 저장하는 단계; 배터리 유닛 성능 평가 모듈이 상기 배터리 유닛 랙을 구성하는 배터리 유닛의 배터리 효율(battery efficiency)을 산출하는 단계; 상기 배터리 유닛 성능 평가 모듈이 상기 측정된 배터리 효율에 의해 각 배터리 유닛의 성능을 평가하는 단계; 상기 배터리 유닛 성능 평가 모듈이 상기 평가된 각 배터리 유닛의 성능에 의해 고장을 진단하여 출력하는 단계; 상기 배터리 유닛 성능 평가 모듈이 상기 평가된 각 배터리 유닛의 성능에 의해 각 배터리 유닛의 교체 시점을 판단하여 출력하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 배터리 유닛 성능 평가 모듈이 상기 측정된 배터리 효율에 의해 각 배터리 유닛의 성능을 평가하는 단계는, 배터리 유닛 교체 시점 입력부가 상기 배터리 유닛 랙을 구성하는 각 배터리 유닛의 교체 시점을 입력받는 단계; 배터리 유닛 사용 기간 모니터링부가 상기 배터리 유닛 교체 시점 입력부에서 입력받은 각 배터리 유닛의 교체 시점을 기준으로 각 배터리 유닛의 사용 기간을 카운트(count)하여 모니터링하는 단계; 온도 측정부가 각 배터리 유닛의 온도를 실시간 측정하는 단계; 태양광 전력 측정부가 상기 태양광 셀에 의해 생성되는 전력을 실시간 측정하는 단계; 배터리 유닛 성능 평가 시점 선택부가 상기 온도 측정부에 의해 측정된 각 배터리 유닛의 온도 및 상기 태양광 전력 측정부에 의해 실시간 측정된 전력에 기반하여 상기 배터리 유닛을 구성하는 소정의 배터리 유닛의 성능 평가 시점을 자동 선택하는 단계; 배터리 유닛 충방전 제어부가 상기 배터리 유닛 성능 평가 시점 선택부에 의해 선택된 성능 평가 시점을 기준으로 상기 BMS 모듈에 미리 구비된 스위치 회로(switch circuit)를 제어하여 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛을 소정 기준에 따라 완전 방전 및 완전 충전시키는 단계; 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부가 상기 배터리 유닛 충방전 제어부에서 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛의 완전 방전 전력량을 측정하는 단계; 배터리 유닛 사용 사이클 모니터링부는 상기 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부가 완전 방전 전력량을 측정함에 따른 배터리 유닛 사용 사이클을 카운트하여 모니터링하는 단계; 배터리 유닛 완전 충전 전력량 측정부가 상기 배터리 유닛 충방전 제어부에서 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛의 완전 충전 전력량을 측정하는 단계; 배터리 효율 산출부가 상기 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부에서 측정된 완전 방전 전력량, 상기 배터리 유닛 사용 사이클 모니터링부(146c)에 의해 모니터링되는 배터리 유닛 사용 사이클 및 상기 배터리 유닛 완전 충전 전력량 측정부에서 측정된 완전 충전 전력량을 이용하여 해당 배터리 유닛의 배터리 효율을 산출하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 배터리 유닛 성능 평가 모듈이 상기 평가된 각 배터리 유닛의 성능에 의해 고장을 진단하여 출력하는 단계는, 배터리 유닛 고장 진단부가 상기 배터리 효율 산출부에서 산출된 배터리 유닛의 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛의 고장을 진단하고, 고장 여부를 디스플레이를 통해 출력하도록 제어하는 것으로 구성될 수 있다.
그리고 상기 배터리 유닛 성능 평가 모듈이 상기 평가된 각 배터리 유닛의 성능에 의해 각 배터리 유닛의 교체 시점을 판단하여 출력하는 단계는, 배터리 유닛 교체 시점 판단부가 상기 배터리 효율 산출부에서 산출된 배터리 유닛의 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛의 교체 시점을 미리 예측하고, 예측된 교체 시점을 디스플레이를 통해 출력하도록 제어하는 것으로 구성될 수 있다.
그리고 배터리 운용 온도 제어 모듈이 각 배터리 유닛의 온도를 측정하고, 상기 배터리 유닛의 배터리 효율을 소정 임계값 이상으로 유지하기 위해 상기 측정된 각 배터리 유닛의 온도가 미리 정해진 소정 범위 내에서 유지될 수 있도록 히트업(heat-up) 또는 쿨다운(cool-down)시키는 단계를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상술한 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리시스템 및 방법에 의하면, 배터리 유닛의 온도를 실시간 측정하여 배터리 유닛의 배터리 효율(battery efficiency)을 모니터링하고, 배터리 유닛의 온도에 따라 배터리 효율을 최적으로 유지하도록 하는 효과가 있다.
또한, 배터리 유닛의 DOD(depth of discharge)와 사용 사이클(cycle)을 모니터링하여 배터리 유닛의 수명과 교체 시기를 가늠하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 유닛 성능 평가 모듈의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전에서 배터리 유닛의 성능 평가 단계에 대한 세부 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 유닛 성능 평가 모듈의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전에서 배터리 유닛의 성능 평가 단계에 대한 세부 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리시스템의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리시스템(100)은 태양광 셀(solar cell)(110), 배터리 유닛 랙(battery unit rack)(120), BMS(battery management system) 모듈(130), 배터리 유닛 성능 평가 모듈(140), 배터리 운용 온도 제어 모듈(150)을 포함하도록 구성될 수 있다.
태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리시스템(100)은 주기적으로 온도에 따른 배터리 효율을 자동 평가하고, 최적의 배터리 효율을 유지할 때 태양광 전력을 사용하도록 구성된다. 아울러, 배터리 유닛(21)의 온도를 최적화 범위 내로 유지시켜 배터리 효율을 유지시키도록 구성된다.
이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
태양광 셀(solar cell)(110)은 태양광 발전을 수행하여 태양광 전력을 생성하도록 구성될 수 있다. 태양광 전력은 DC 전력으로 생성될 수 있다.
배터리 유닛 랙(120)은 태양광 셀(110)에 의해 생성된 전력을 저장하는 다수의 배터리 유닛(battery unit)(121)로 구성될 수 있다.
BMS 모듈(130)은 배터리 유닛 랙(120)을 구성하는 배터리 유닛(121)의 충/방전을 제어하고 관리하도록 구성될 수 있다. BMS 모듈(130)은 각 배터리 유닛(121)의 태양광 셀(110)의 태양광 전력 발전량과 배터리 유닛(121)의 배터리 저장량에 따라 충/방전을 적절하게 제어하도록 구성될 수 있다. 또한, 상용 전력의 요금이 싸고 사용량이 적은 심야 시간대인지에 따라서도 충/방전을 제어하도록 구성될 수 있다.
배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)은 배터리 유닛 랙(120)을 구성하는 각 배터리 유닛(121)의 배터리 효율(battery efficiency)을 산출하고, 산출된 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛(121)의 성능을 평가하도록 구성될 수 있다.
여기서, 배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)은 배터리 유닛(121)의 온도를 고려하여 배터리 효율과 성능을 평가하도록 구성될 수 있다. 배터리 유닛(121)은 대체적으로 섭씨 15도 내지 30도에서 충방전 효율이 높게 나타난다.
지나치게 높은 고온에서는 충방전 효율이 너무 높게 나타나 과충전이나 과방전이 발생하게 되며, 지나치게 낮은 저온에서는 전자의 이동이 비활성화되어 충방전 효율이 너무 낮게 나타난다. 저온에서 방치된 배터리 유닛(121)의 경우 상온에서 적어도 4시간이 경과해야 정상적인 배터리 효율을 되찾을 수 있다.
이러한 경우, 지속적으로 공급되는 태양광 전력을 제대로 저장하지 못해 손실이 발생할 수 있으며, 방전이 제대로 이루어지지 않아 일정한 정격 출력 전력을 유지할 수 없는 문제가 발생할 수 있다.
특히, 일교차가 지역이나 산악 지역 그리고 매우 기온이 높거나 낮은 기후의 지역에서는 이러한 온도에 따른 배터리 효율이 극심한 변화를 나타낼 수밖에 없다.
한편, 배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)은 주기적으로 각 배터리 유닛(121)을 순차적으로 평가하도록 구성될 수 있다.
다른 한편, 배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)은 위 배터리 효율의 산출과 성능을 이용하여 배터리 유닛(121)의 고장을 진단하고 교체 시점을 판단하도록 구성될 수 있다. 온도 변화가 심하거나 온도가 높거나 낮은 지역에서는 배터리의 교체 시점 또한 매우 빨라지게 될 수 있다. 이러한 기후와 온도에 따라 변화무쌍하게 달라지는 배터리 유닛(121)의 교체 시점을 제대로 진단하여 사용자에게 알려줄 수 있다.
배터리 운용 온도 제어 모듈(150)은 각 배터리 유닛(121)의 온도를 측정하도록 구성될 수 있다. 그리고 위 측정된 각 배터리 유닛(121)의 온도가 미리 정해진 소정 범위 내에서 유지될 수 있도록 해당 배터리 유닛(121)을 히트업(heat-up) 또는 쿨다운(cool-down)시키도록 구성될 수 있다.
배터리 유닛(121)은 온도에 민감하여 일정한 온도 범위에서 최적의 배터리 효율을 나타내기 때문에 배터리 유닛(121)의 배터리 효율을 소정 임계값 이상으로 유지하기 위해서 배터리 유닛(121)의 온도를 제어한다. 여기서, 일정한 온도 범위는 섭씨 15도 내지 30도의 범위로 배터리 운용 온도 제어 모듈(150)에 미리 설정될 수 있다.
배터리 유닛(121)이 극히 낮은 저온에서 방치된 경우 상온에서 오랜 시간이 경과해서 배터리 효율이 정상으로 돌아오는데, 배터리 운용 온도 제어 모듈(150)은 히트업에 의해 배터리 효율의 정상 복귀를 앞당길 수 있게 된다. 또한, 지속적인 히트업과 쿨다운에 의해 정상적인 배터리 효율을 나타내는 온도 범위 내에서 배터리 유닛(121)의 온도를 유지시킴으로써, 배터리 효율을 일정하게 유지시켜줄 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 유닛 성능 평가 모듈의 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)은 배터리 유닛 교체 시점 입력부(141), 배터리 유닛 사용 기간 모니터링부(142), 온도 측정부(143), 태양광 전력 측정부(144), 배터리 유닛 성능 평가 시점 선택부(145), 배터리 유닛 충방전 제어부(146a), 배터리 유닛 완전 방전 전력량(depth of discharge, DOD) 측정부(146b), 배터리 유닛 사용 사이클 모니터링부(146c), 배터리 유닛 완전 충전 전력량 측정부(146d), 배터리 효율 산출부(147), 배터리 유닛 고장 진단부(148), 배터리 유닛 교체 시점 판단부(149)를 포함하도록 구성될 수 있다.
배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)은 각 배터리 유닛(121)을 순차적으로 성능 평가할 수 있으며, 주기적으로 성능 평가를 하여 교체 시점이나 고장 진단 여부 등을 평가하도록 구성될 수 있다.
배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)은 BMS 모듈(130)에 구비되는 스위치 회로(미도시)를 이용하여 성능 평가하고자 하는 배터리 유닛(121)에 연결하여 충/방전 등의 테스트를 수행하도록 구성될 수 있다.
배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)은 하나의 배터리 유닛(121)에 대해 30분 간격으로 3회를 평가하고 최저의 배터리 효율을 나타내는 평가값을 제외하고 나머지 2회의 평균으로 배터리 효율을 정하도록 구성될 수 있다.
배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)은 100 kWh 이하의 배터리 유닛(121)에 대해 이러한 배터리 효율 평가 프로세스를 적용하도록 구성될 수 있다. 100 kWh 를 초과하는 배터리 유닛(121)에 대해서도 적용할 수 있으나, 100 kWh를 초과하는 배터리 용량에 대해서는 PCS(power conditioning system)의 DC-AC 변환 효율도 같이 고려하여야 ESS(energy storage system)의 효율을 정확하게 평가할 수 있다.
이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
배터리 유닛 교체 시점 입력부(141)는 배터리 유닛 랙(120)을 구성하는 각 배터리 유닛(121)의 교체 시점을 입력받도록 구성될 수 있다. 여기서, 교체 시점은 정확히 설치 시점을 의미한다.
배터리 유닛 사용 기간 모니터링부(142)는 배터리 유닛 교체 시점 입력부(141)에서 입력받은 각 배터리 유닛(121)의 교체 시점을 기준으로 각 배터리 유닛(121)의 사용 기간을 카운트(count)하여 모니터링하도록 구성될 수 있다. 즉, 입력된 교체 시점으로부터 얼마나 사용하였는지를 나타내는 사용 기간을 실시간 카운트하여 저장하고 모니터링하도록 구성될 수 있다.
온도 측정부(143)는 각 배터리 유닛(121)의 온도를 실시간 측정하도록 구성될 수 있다.
태양광 전력 측정부(144)는 태양광 셀(110)에 의해 생성되는 전력을 실시간 측정하도록 구성될 수 있다. 태양광 셀(110)에 의해 생성되는 전력 즉, DC 전력량을 측정하도록 구성될 수 있다.
배터리 유닛 성능 평가 시점 선택부(145)는 온도 측정부(143)에 의해 측정된 각 배터리 유닛(121)의 온도 및 태양광 전력 측정부(144)에 의해 실시간 측정된 DC 전력량에 기반하여 배터리 유닛(121)을 구성하는 소정의 배터리 유닛(121)의 성능 평가 시점을 자동 선택하도록 구성될 수 있다. 가장 효율적인 성능 평가 시점은 섭씨 23도 내지 27도이며, 이러한 온도 구간에 있는 배터리 유닛(121)을 선택하여 평가할 수 있다. 이러한 경우 강제 냉각시키지 않고 운용 온도가 섭씨 23도 내지 27도인 것으로 한정하여 미리 설정할 수 있다.
배터리 유닛 충방전 제어부(146a)는 배터리 유닛 성능 평가 시점 선택부(145)에 의해 선택된 성능 평가 시점을 기준으로 BMS 모듈(120)에 미리 구비된 스위치 회로(switch circuit)를 제어하여 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛(121)을 소정 기준에 따라 완전 방전 및 완전 충전시키도록 구성될 수 있다.
배터리 유닛 충방전 제어부(146a)는 다음의 평가 프로세스에 따라 충방전을 수행할 수 있다. 배터리 유닛 충방전 제어부(146a)는 먼저 배터리 유닛(121)을 정격 전력으로 완전 방전시키고, 전체 시스템을 30분간 시스템 대기 상태로 방치할 수 있다. 이때, 방전 시간은 2시간(오차범위는 -1분 내지 +1분)으로 설정하며, 방전 전력량은 정격 전력량(오차범위는 -1kWh 내지 +1kWh)으로 유지할 수 있다. 그리고 완전 방전 중에는 계통 입력은 스위치 회로에 의해 완전 차단하도록 구성될 수 있다.
배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부(146b)는 배터리 유닛 충방전 제어부(146a)에서 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛(121)의 완전 방전 전력량을 측정하도록 구성될 수 있다. 여기서, 완전 방전 전력량은 방전 깊이(depth of discharge, DOD)를 의미한다. 방전 깊이(DOD)는 완전 방전시 방전되는 배터리 양을 의미하는 것으로서, 배터리 유닛의 수명이 줄어들수록 줄어들게 된다.
배터리 유닛 사용 사이클 모니터링부(146c)는 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부(146b)가 완전 방전 전력량을 측정함에 따른 배터리 유닛 사용 사이클(cycle)을 카운트하여 모니터링하도록 구성될 수 있다. 여기서, 배터리 유닛 사용 사이클은 배터리 유닛의 사용 횟수에 상응하는 것으로서 위에서 측정된 배터리 사용 횟수가 증가할수록 방전 깊이는 감소하게 된다. 유닛 완전 방전 전력량 측정을 통해 방전 깊이와 배터리 유닛 사용 사이클을 측정하고 이를 통해 배터리의 성능 평가를 하도록 구성될 수 있다.
배터리 유닛 완전 충전 전력량 측정부(146d)는 배터리 유닛 충방전 제어부(146a)에서 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛(121)의 완전 충전 전력량을 측정하도록 구성될 수 있다.
배터리 효율 산출부(147)는 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부(146b)에서 측정된 완전 방전 전력량 및 배터리 유닛 완전 충전 전력량 측정부(146d)에서 측정된 완전 충전 전력량을 이용하여 해당 배터리 유닛(121)의 배터리 효율(battery efficiency)을 산출하도록 구성될 수 있다.
배터리 효율 산출부(147)는 하기 수학식 1에 의해 배터리 효율을 산출할 수 있다.
배터리 유닛 고장 진단부(148)는 배터리 효율 산출부(147)에서 산출된 배터리 유닛(121)의 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛(121)의 고장을 진단하고, 고장 여부를 디스플레이를 통해 출력하도록 제어하는 것으로 구성될 수 있다.
배터리 유닛 교체 시점 판단부(149)는 배터리 효율 산출부(147)에서 산출된 배터리 유닛(121)의 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛(121)의 교체 시점을 미리 예측하고, 예측된 교체 시점을 디스플레이를 통해 출력하도록 제어하는 것으로 구성될 수 있다. 성능 평가 시점마다 배터리 효율이 어떠한 추이로 변화하는지를 분석하고 이를 통해 교체 시점을 대략적으로 예측하도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리방법의 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 태양광 셀(solar cell)(110)이 태양광 발전을 수행하여 전력을 생성한다(S110).
다음으로, 배터리 유닛 랙(120)을 구성하는 배터리 유닛(121)의 충/방전을 제어하고 관리하는 BMS(battery management system) 모듈(130)의 제어에 따라 배터리 유닛 랙(battery unit rack)(120)을 구성하는 다수의 배터리 유닛(121)에 태양광 셀(101)에 의해 생성된 전력을 저장한다(S120).
다음으로, 배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)이 배터리 유닛 랙(120)을 구성하는 배터리 유닛(121)의 배터리 효율(battery efficiency)을 산출한다(S130).
다음으로, 배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)이 측정된 배터리 효율에 의해 각 배터리 유닛(121)의 성능을 평가한다(S140).
다음으로, 배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)이 평가된 각 배터리 유닛(121)의 성능에 의해 고장을 진단하여 출력한다(S150).
다음으로, 배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)이 평가된 각 배터리 유닛(121)의 성능에 의해 각 배터리 유닛(121)의 교체 시점을 판단하여 출력한다(S160).
다음으로, 배터리 운용 온도 제어 모듈(150)이 각 배터리 유닛(121)의 온도를 측정하고, 배터리 유닛(121)의 배터리 효율을 소정 임계값 이상으로 유지하기 위해 측정된 각 배터리 유닛(121)의 온도가 미리 정해진 소정 범위 내에서 유지될 수 있도록 히트업(heat-up) 또는 쿨다운(cool-down)시킨다(S170).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전에서 배터리 유닛의 성능 평가 단계에 대한 세부 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 배터리 유닛 교체 시점 입력부(141)가 배터리 유닛 랙(120)을 구성하는 각 배터리 유닛(121)의 교체 시점을 입력받는다(S141).
다음으로, 배터리 유닛 사용 기간 모니터링부(142)가 배터리 유닛 교체 시점 입력부(141)에서 입력받은 각 배터리 유닛(121)의 교체 시점을 기준으로 각 배터리 유닛(121)의 사용 기간을 카운트(count)하여 모니터링한다(S142).
다음으로, 온도 측정부(143)가 각 배터리 유닛(121)의 온도를 실시간 측정한다(S143).
다음으로, 태양광 전력 측정부(144)가 태양광 셀(110)에 의해 생성되는 전력을 실시간 측정한다(S144).
다음으로, 배터리 유닛 성능 평가 시점 선택부(145)가 온도 측정부(143)에 의해 측정된 각 배터리 유닛(121)의 온도 및 태양광 전력 측정부(144)에 의해 실시간 측정된 전력에 기반하여 배터리 유닛(121)을 구성하는 소정의 배터리 유닛(121)의 성능 평가 시점을 자동 선택한다(S145).
다음으로, 배터리 유닛 충방전 제어부(146a)가 배터리 유닛 성능 평가 시점 선택부(145)에 의해 선택된 성능 평가 시점을 기준으로 BMS 모듈(130)에 미리 구비된 스위치 회로(switch circuit)를 제어하여 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛(121)을 소정 기준에 따라 완전 방전 및 완전 충전시킨다(S146).
다음으로, 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부(146b)가 배터리 유닛 충방전 제어부(146a)에서 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛(121)의 완전 방전 전력량을 측정한다(S147a).
다음으로, 배터리 유닛 사용 사이클 모니터링부(146c)는 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부(146b)가 완전 방전 전력량을 측정함에 따른 배터리 유닛 사용 사이클(cycle)을 카운트하여 모니터링한다(S147b).
다음으로, 배터리 유닛 완전 충전 전력량 측정부(146d)가 배터리 유닛 충방전 제어부(146a)에서 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛(121)의 완전 충전 전력량을 측정한다(S148).
다음으로, 배터리 효율 산출부(147)가 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부(146b)에서 측정된 완전 방전 전력량 및 배터리 유닛 완전 충전 전력량 측정부(146d)에서 측정된 완전 충전 전력량을 이용하여 해당 배터리 유닛(121)의 배터리 효율을 산출한다(S149).
다음으로, 배터리 유닛 고장 진단부(148)가 배터리 효율 산출부(147)에서 산출된 배터리 유닛(121)의 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛(121)의 고장을 진단하고, 고장 여부를 디스플레이를 통해 출력한다(S151).
다음으로, 배터리 유닛 교체 시점 판단부(149)가 배터리 효율 산출부(147)에서 산출된 배터리 유닛(121)의 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛(121)의 교체 시점을 미리 예측하고, 예측된 교체 시점을 디스플레이를 통해 출력한다(S161).
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 태양광 셀 120: 배터리 유닛 랙
121: 배터리 유닛 130: BMS 모듈
140: 배터리 유닛 성능 평가 모듈 141: 배터리 유닛 교체 시점 입력부
142: 배터리 유닛 사용 기간 모니터링부
143: 온도 측정부 144: 태양광 전력 측정부
145: 배터리 유닛 성능 평가 시점 선택부
146a: 배터리 유닛 충방전 제어부
146b: 배터리 유닛 완전 방전 전력량(DOD) 측정부
146c: 배터리 유닛 사용 사이클(cycle) 모니터링부
146d: 배터리 유닛 완전 충전 전력량 측정부
147: 배터리 효율 산출부 148: 배터리 유닛 고장 진단부
149: 배터리 유닛 교체 시점 판단부
150: 배터리 운용 온도 제어 모듈
121: 배터리 유닛 130: BMS 모듈
140: 배터리 유닛 성능 평가 모듈 141: 배터리 유닛 교체 시점 입력부
142: 배터리 유닛 사용 기간 모니터링부
143: 온도 측정부 144: 태양광 전력 측정부
145: 배터리 유닛 성능 평가 시점 선택부
146a: 배터리 유닛 충방전 제어부
146b: 배터리 유닛 완전 방전 전력량(DOD) 측정부
146c: 배터리 유닛 사용 사이클(cycle) 모니터링부
146d: 배터리 유닛 완전 충전 전력량 측정부
147: 배터리 효율 산출부 148: 배터리 유닛 고장 진단부
149: 배터리 유닛 교체 시점 판단부
150: 배터리 운용 온도 제어 모듈
Claims (10)
- 태양광 발전을 수행하여 전력을 생성하는 태양광 셀(solar cell)(110);
상기 태양광 셀(110)에 의해 생성된 전력을 저장하는 다수의 배터리 유닛(battery unit)(121)으로 구성되는 배터리 유닛 랙(battery unit rack)(120);
상기 배터리 유닛 랙(120)을 구성하는 배터리 유닛(121)의 충/방전을 제어하고 관리하는 BMS(battery management system) 모듈(130);
상기 배터리 유닛 랙(120)을 구성하는 배터리 유닛(121)의 배터리 효율(battery efficiency)을 산출하고, 산출된 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛(121)의 성능을 평가하고 고장을 진단하여 교체 시점을 판단하는 배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)을 포함하고,
각 배터리 유닛(121)의 온도를 측정하고, 상기 배터리 유닛(121)의 배터리 효율을 소정 임계값 이상으로 유지하기 위해 상기 측정된 각 배터리 유닛(121)의 온도가 미리 정해진 소정 범위 내에서 유지될 수 있도록 히트업(heat-up) 또는 쿨다운(cool-down)시키는 배터리 운용 온도 제어 모듈(150)을 더 포함하며,
상기 배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)은,
상기 배터리 유닛 랙(120)을 구성하는 각 배터리 유닛(121)의 교체 시점을 입력받는 배터리 유닛 교체 시점 입력부(141);
상기 배터리 유닛 교체 시점 입력부(141)에서 입력받은 각 배터리 유닛(121)의 교체 시점을 기준으로 각 배터리 유닛(121)의 사용 기간을 카운트(count)하여 모니터링하는 배터리 유닛 사용 기간 모니터링부(142);
각 배터리 유닛(121)의 온도를 실시간 측정하는 온도 측정부(143);
상기 태양광 셀(110)에 의해 생성되는 전력을 실시간 측정하는 태양광 전력 측정부(144);
상기 온도 측정부(143)에 의해 측정된 각 배터리 유닛(121)의 온도 및 상기 태양광 전력 측정부(144)에 의해 실시간 측정된 전력에 기반하여 상기 배터리 유닛(121)을 구성하는 소정의 배터리 유닛(121)의 성능 평가 시점을 자동 선택하는 배터리 유닛 성능 평가 시점 선택부(145);
상기 배터리 유닛 성능 평가 시점 선택부(145)에 의해 선택된 성능 평가 시점을 기준으로 상기 BMS 모듈(130)에 미리 구비된 스위치 회로(switch circuit)를 제어하여 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛(121)을 소정 기준에 따라 완전 방전 및 완전 충전시키는 배터리 유닛 충방전 제어부(146a);
상기 배터리 유닛 충방전 제어부(146a)에서 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛(121)의 완전 방전 전력량을 측정하는 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부(146b);
상기 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부(146b)가 완전 방전 전력량을 측정함에 따른 배터리 유닛 사용 사이클(cycle)을 카운트하여 모니터링하는 배터리 유닛 사용 사이클 모니터링부(146c);
상기 배터리 유닛 충방전 제어부(146a)에서 성능 평가를 하고자 하는 배터리 유닛(121)의 완전 충전 전력량을 측정하는 배터리 유닛 완전 충전 전력량 측정부(146d);
상기 배터리 유닛 완전 방전 전력량 측정부(146b)에서 측정된 완전 방전 전력량, 상기 배터리 유닛 사용 사이클 모니터링부(146c)에 의해 모니터링되는 배터리 유닛 사용 사이클 및 상기 배터리 유닛 완전 충전 전력량 측정부(146d)에서 측정된 완전 충전 전력량을 이용하여 해당 배터리 유닛(121)의 배터리 효율(battery efficiency)을 산출하는 배터리 효율 산출부(147)를 포함하고,
상기 배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)은,
상기 배터리 효율 산출부(147)에서 산출된 배터리 유닛(121)의 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛(121)의 고장을 진단하고, 고장 여부를 디스플레이를 통해 출력하도록 제어하는 배터리 유닛 고장 진단부(148)와,
상기 배터리 효율 산출부(147)에서 산출된 배터리 유닛(121)의 배터리 효율에 의해 해당 배터리 유닛(121)의 교체 시점을 미리 예측하고, 예측된 교체 시점을 디스플레이를 통해 출력하도록 제어하는 배터리 유닛 교체 시점 판단부(149)를 더 포함하도록 구성되며,
상기 배터리 운용 온도 제어 모듈(150)은 상기 배터리 유닛(121)이 온도에 민감하여 일정한 온도 범위에서 최적의 배터리 효율을 나타내기 때문에 배터리 유닛(121)의 배터리 효율을 소정 임계값 이상으로 유지하기 위해서 배터리 유닛(121)의 온도를 섭씨 15도 내지 30도의 범위로 제어하고,
상기 배터리 유닛 성능 평가 모듈(140)은 하나의 배터리 유닛(121)에 대해 30분 간격으로 3회를 평가하고 최저의 배터리 효율을 나타내는 평가값을 제외하고 나머지 2회의 평균으로 배터리 효율을 정하도록 구성되며,
상기 배터리 효율 산출부(147)는 수학식에 의해 배터리 효율을 산출하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전에서 안정적인 축전기 관리시스템.
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2017
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