KR101922478B1 - 배터리 진단 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 배터리의 방전 및 충전을 수행하는 전력 변환부, 및 전력 변환부를 제어하여 배터리를 방전 및 충전시키고, 배터리의 방전 및 충전 시 측정되는 배터리의 전압 및 전류를 토대로 배터리의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하여 배터리의 출력 열화를 진단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리의 출력 열화 및 용량 열화를 진단하기 위한 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 에너지 저장 시스템(ESS : Energy Storage System)(또는 에너지 저장 장치)은 배터리에 전기에너지를 충전한 후 필요 시 부하로 에너지를 공급하는 장치를 말한다. 이러한 에너지 저장 장치는 충방전을 통하여 전력피크의 평활화, 불연속적인 출력특성을 갖는 풍력 및 태양광의 출력특성 안정화, 및 전력계통의 주파수를 조정하는 것을 주요 목적으로 활용되고 있다.
에너지 저장 시스템에서 전기에너지를 충전하기 위한 배터리는 충전 및 방전을 반복함에 따라 지속적으로 노화되어 점차적으로 용량이 저하되고 저항이 증가하게 된다. 즉 배터리는 영구적으로 사용할 수 없으므로, 노화에 따른 문제가 발생하기 전에 이를 보수하거나 교체해 주어야 한다.
에너지 저장 시스템에 사용되는 배터리의 성능 열화에는 노화로 인해 용량이 저하되는 용량 열화(Capacity Fade)와, 배터리의 출력 특성이 저하되어 그 충방전시 요구되는 정격 출력을 만족시키지 않는 출력 열화(Power Fade)가 포함될 수 있다. 이러한 용량 열화 및 출력 열화는 그 열화 메커니즘에 차이가 있으며, 에너지 저장 시스템의 적용 분야에 따라서도 중요도에 차이가 있을 수 있다. 특히 전력계통의 주파수를 조정하기 위한 주파수 조정용 에너지 저장 시스템의 경우, 짧은 시간에 즉각적인 충전 및 방전을 수행해야 하므로 에너지 저장 시스템의 출력 성능이 더 중요하며, 이에 따라 주기적으로 배터리의 출력 특성을 평가할 필요가 있다.
종래에는 에너지 저장 시스템에 대한 성능 열화 진단은 도 1에 도시된 것과 같이 주로 용량 열화를 평가하는데 국한되었으며, 충방전시 배터리의 출력 특성을 측정하여 출력 열화를 진단하는 출력 특성 평가는 에너지 저장 시스템의 운영 과정에 적용되지 않았기 때문에, 용량 열화 및 출력 열화를 종합적으로 평가하여 에너지 저장 시스템의 운영 효율성을 향상시키기 위한 시스템이 요구된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0144658호(2016.12.19 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 배터리의 출력 열화 및 용량 열화를 포함하는 시스템의 열화도를 종합적으로 판단하고 배터리의 이상 여부를 사전에 예측하여 배터리의 운영, 유지 및 보수를 용이하게 하는 배터리 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치는, 배터리의 방전 및 충전을 수행하는 전력 변환부, 및 상기 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 방전 및 충전시키고, 상기 배터리의 방전 및 충전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류를 토대로 상기 배터리의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 전력 변환부를 제어하여, 제1 설정 크기를 갖는 방전 전류를 상기 배터리로부터 인출시켜 상기 배터리를 방전시키고, 제2 설정 크기를 갖는 충전 전류를 상기 배터리로 공급하여 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 방전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 방전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 방전 전류에 근거하여 방전 내부 저항값을 산출하고, 상기 산출된 방전 내부 저항값에 기초하여 상기 최대 방전 출력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 충전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 충전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 충전 전류에 근거하여 충전 내부 저항값을 산출하고, 상기 산출된 충전 내부 저항값에 기초하여 상기 최대 충전 출력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC(State Of Charge)를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 상기 최대 방전 출력 및 상기 최대 충전 출력을 상기 복수의 설정 SOC별로 산출하고, 상기 SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 이용하여 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 상기 배터리를 운영하기 위한 가용 SOC 범위를 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 배터리의 온도에 따른 온도별 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 미리 설정된 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 완전 충전 상태의 배터리가 완전 방전 상태까지 방전되는 동안 측정되는 방전 전류에 근거하여 상기 배터리의 방전 용량을 판단하고, 상기 방전 용량의 변화량을 통해 상기 배터리의 용량 열화를 더 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 방법은, 제어부가, 배터리의 방전 및 충전을 수행하는 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 방전 및 충전시키고, 상기 배터리의 방전 및 충전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류를 토대로 상기 배터리의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 단계, 및 상기 제어부가, 상기 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력를 이용하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 산출하는 단계는, 상기 제어부가, 상기 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 방전시키고, 상기 배터리의 방전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류를 토대로 상기 배터리의 최대 방전 출력을 산출하는 단계, 및 상기 제어부가, 상기 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 충전시키고, 상기 배터리의 충전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류릍 토대로 상기 배터리의 최대 충전 출력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 최대 방전 출력을 산출하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 전력 변환부를 제어하여, 제1 설정 크기를 갖는 방전 전류를 상기 배터리로부터 인출시켜 상기 배터리를 방전시키고, 방전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 방전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 방전 전류에 근거하여 방전 내부 저항값을 산출하며, 상기 산출된 방전 내부 저항값에 기초하여 상기 최대 방전 출력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 최대 충전 출력을 산출하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 전력 변환부를 제어하여, 제2 설정 크기를 갖는 충전 전류를 상기 배터리로 공급하여 상기 배터리를 충전시키고, 충전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 충전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 충전 전류에 근거하여 충전 내부 저항값을 산출하며, 상기 산출된 충전 내부 저항값에 기초하여 상기 최대 충전 출력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 산출하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC(State Of Charge)를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 상기 최대 방전 출력 및 상기 최대 충전 출력을 상기 복수의 설정 SOC별로 산출하고, 상기 진단하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 이용하여 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 제어부가, 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 상기 배터리를 운영하기 위한 가용 SOC 범위를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 진단하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 미리 설정된 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 제어부가, 완전 충전 상태의 배터리가 완전 방전 상태까지 방전되는 동안 측정되는 방전 전류에 근거하여 상기 배터리의 방전 용량을 판단하고, 상기 방전 용량의 변화량을 통해 상기 배터리의 용량 열화를 진단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 배터리 관리 시스템에서 계산된 열화도(SOH: State Of Health)에 의존하지 않고 시스템 레벨에서 출력 열화도를 직접 측정하는 방식을 통해 시스템 전체에 대한 안정성 및 성능 열화를 보다 정확하게 진단할 수 있고, 그 진단 결과를 이용하여 배터리의 출력을 예측함으로써 에너지 저장 시스템의 운용 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 배터리의 출력 특성을 배터리의 SOC별로 각각 진단하고, 요구 출력이 정상적으로 발현될 수 있는 SOC 범위에서 에너지 저장 시스템을 운영함으로써 에너지 저장 시스템의 장수명 운전을 가능하도록 할 수 있다.
도 1은 종래의 배터리의 용량 열화를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치를 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 배터리의 온도별 출력 열화를 진단한 결과를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법에서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 과정을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법에서 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치를 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 배터리의 온도별 출력 열화를 진단한 결과를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법에서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 과정을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법에서 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 진단 장치 및 방법의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하에서는 본 실시예의 이해를 돕기 위해 에너지 저장 시스템에 구비되는 배터리의 성능을 진단하는 실시예로 설명하지만, 본 실시예는 에너지 저장 시스템 이외에도, 저장된 전기에너지를 부하로 공급하기 위해 충전 및 방전이 수행되는 모든 종류의 배터리의 성능 열화를 진단하는 구성에 적용될 수 있다. 또한 본 실시예의 배터리는 단전지, 단전지가 직렬 또는 병렬로 연결된 모듈, 모듈이 직렬 또는 병렬로 연결된 랙(Rack), 및 랙이 직렬 또는 병렬로 연결된 시스템 레벨의 배터리를 모두 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치를 설명하기 위한 블록구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 배터리의 SOC별 출력 열화도를 진단한 결과를 나타낸 예시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 배터리의 온도별 출력 열화도를 진단한 결과를 나타낸 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리(10), 배터리 관리부(20), 전력 변환부(30), 측정부(40) 및 제어부(50)를 포함할 수 있다.
배터리(10)는 양극판과 음극판이 구비되어 화학 작용에 의해 충방전이 가능한 2차 전지를 의미하며, 리튬 전지(Li Battery), 나트륨-황 전지(NaS Battery), 레독스 플로우 배터리(Redox Flow Battery), 니켈-카드뮴 전지(Ni-Cd Battery), 또는 슈퍼 커패시터로 구성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 배터리는 전술한 것과 같이 단전지, 모듈, 랙 및 시스템 레벨의 배터리를 모두 포함할 수 있다.
배터리 관리부(20)는 배터리(10)와 연결되며, 배터리(10)의 전압, 전류, 온도 및 충전 상태(SOC: State Of Charge) 등을 포함하는 배터리 상태 정보를 획득하여 후술할 제어부(50)로 전달할 수 있다. 배터리 관리부(20)는 에너지 저장 시스템에 구비되어 배터리(10)의 상태를 감시하는 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)으로 구현될 수 있다.
전력 변환부(30)는 발전원으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리(10)에 저장하거나, 배터리(10)로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전력 계통으로 공급함으로써, 전력 변환을 통해 전력 계통과 배터리(10) 간의 호환성을 제공하는 역할을 수행할 수 있다. 본 실시예에서 전력 변환부(30)는 제어부(50)에 의해 제어되어 배터리(10)에 대한 방전 및 충전을 수행할 수 있으며, 이에 따라 후술할 것과 같이 미리 설정된 펄스 패턴의 전류를 배터리(10)로부터 인출하거나 배터리(10)로 공급함으로써 배터리(10)를 방전 또는 충전시킬 수 있다. 한편, 전력 변환부(30)는 에너지 저장 시스템에 구비되는 전력 변환 장치(PCS: Power Conditioning System)로 구현될 수 있다.
측정부(40)는 전력 변환부(30)에 의해 배터리(10)가 방전 및 충전되는 경우, 방전 및 충전 시의 전압과 전류를 측정하여 제어부(50)로 전달할 수 있다. 측정부(40)에 의해 측정된 배터리(10)의 전압과 전류는 후술할 것과 같이 배터리(10)의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는데 사용될 수 있다.
제어부(50)는 전력 변환부(30)를 제어하여 배터리(10)를 방전 및 충전시키고, 배터리(10)의 방전 및 충전 시 측정부(40)에 의해 측정되는 배터리(10)의 전압 및 전류를 토대로 배터리(10)의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하여 배터리(10)의 출력 열화를 진단할 수 있다.
이하에서는 배터리(10)의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하여 배터리(10)의 출력 열화를 진단하는 과정을 제어부(50) 및 전력 변환부(30)의 동작을 중심으로 구체적으로 설명한다.
제어부(50)는 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하기 위해, 먼저 전력 변환부(30)를 제어하여 배터리(10)를 방전 및 충전시킬 수 있다. 이때, 제어부(50)는 전력 변환부(30)를 제어하여, 제1 설정 크기를 갖는 방전 전류를 배터리(10)로부터 인출시켜 배터리(10)를 방전시키고, 제2 설정 크기를 갖는 충전 전류를 배터리(10)로 공급하여 배터리(10)를 충전시킬 수 있다.
구체적으로, 제어부(50)는 도 3에 도시된 것과 같이 전력 변환부(30)를 제어하여, 제1 설정 크기(예: 배터리(10) 용량의 5배 전류(5C Rate))를 갖는 방전 전류를 설정 시간(예: 10초) 동안 배터리(10)로부터 인출시켜 배터리(10)를 방전시킬 수 있다. 이때, 제어부(50)는 방전 개시 시의 배터리(10)의 전압, 방전 완료 시의 배터리(10)의 전압, 및 방전 전류에 근거하여 방전 내부 저항값을 산출할 수 있다. 즉, 배터리(10)가 방전될 때의 전압 강하량은 배터리(10)로부터 인출되는 방전 전류의 크기 및 방전 내부 저항값 간의 곱에 의존하므로, 방전 내부 저항값은 하기 수학식 1에 따라 산출될 수 있다.
여기서 Rdis는 방전 내부 저항값, OCVdis는 방전 개시 시의 배터리(10)의 전압(방전 개시 시의 개방 회로 전압을 의미한다.), Vdis는 방전 완료 시의 배터리(10)의 전압, Idis는 방전 전류의 크기(즉, 제1 설정 크기)를 의미한다.
방전 내부 저항값이 산출된 경우, 제어부(50)는 산출된 방전 내부 저항값에 기초하여 하기 수학식 2에 따라 최대 방전 출력을 산출할 수 있다.
여기서 Discharge Power는 최대 방전 출력, VMIN은 최소 방전 전압을 의미한다.
수학식 2에 따라 최대 방전 출력이 산출된 경우, 제어부(50)는 최대 충전 출력을 산출하기에 앞서, 배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)에 도달하기 위한 소정의 휴지 시간 동안 전력 변환부(30)에 대한 제어를 중지한다. 휴지 시간은 배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압에 도달하여 안정 상태로 진입하기 위해 요구되는 시간으로서, 배터리(10)가 안정 상태가 아닌 경우 배터리(10)의 전압 및 전류를 토대로 산출되는 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력에는 오차가 존재하게 되므로, 제어부(50)는 배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압에 도달할 때까지 대기한다. 이러한 휴지 시간은 최대 방전 출력을 산출하기 전에도 적용된다.
배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압에 도달한 경우, 제어부(50)는 도 3에 도시된 것과 같이 전력 변환부(30)를 제어하여, 제2 설정 크기(예: 배터리(10) 용량의 3.75배 전류(3.75C Rate))를 갖는 충전 전류를 설정 시간(예: 10초) 동안 배터리(10)로 공급하여 배터리(10)를 충전시킬 수 있다. 이때, 제어부(50)는 충전 개시 시의 배터리(10)의 전압, 충전 완료 시의 배터리(10)의 전압, 및 충전 전류에 근거하여 충전 내부 저항값을 산출할 수 있다. 즉, 배터리(10)가 충전될 때의 전압 상승량은 배터리(10)로 공급되는 충전 전류의 크기 및 충전 내부 저항값 간의 곱에 의존하므로, 충전 내부 저항값은 하기 수학식 3에 따라 산출될 수 있다.
여기서 Rchg는 충전 내부 저항값, OCVchg는 충전 개시 시의 배터리(10)의 전압(충전 개시 시의 개방 회로 전압을 의미한다.), Vchg는 충전 완료 시의 배터리(10)의 전압, Ichg는 충전 전류의 크기(즉, 제2 설정 크기)를 의미한다.
충전 내부 저항값이 산출된 경우, 제어부(50)는 산출된 충전 내부 저항값에 기초하여 하기 수학식 4에 따라 최대 충전 출력을 산출할 수 있다.
여기서 Charge Power는 최대 충전 출력, VMAX은 최대 충전 전압을 의미한다.
한편, 전술한 제1 및 제2 설정 크기와 설정 시간은 배터리(10)의 사양 및 설계자의 의도에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
최대 방전 출력 및 최대 충전 출력이 산출된 경우, 제어부(50)는 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 미리 설정된 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교하여 배터리(10)의 출력 열화를 진단할 수 있다.
즉, 주파수 조정용 에너지 저장 시스템에서 주파수를 조정하기 위해 충방전시 정격으로 요구되는 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력을 미리 설정해 두고, 전술한 과정을 통해 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교함으로써 배터리(10)의 출력 열화를 진단할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 제어부(50)는 배터리(10)의 SOC를 복수의 설정 SOC(SOC의 크기 순에 따라 제1 내지 제n 설정 SOC(n은 1 이상의 자연수)로 미리 설정되어 있을 수 있다.)로 순차적으로 조정하면서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 복수의 설정 SOC별로 산출하고, SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 이용하여 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단할 수 있다.
구체적으로, 주파수 조정용 에너지 저장 시스템과 같이 출력 특성이 중요한 에너지 저장 시스템에서는 충방전시 요구되는 출력을 확보하기 위한 SOC 범위가 지정되어 있다. 즉, 배터리(10)의 현재 SOC에 따라 배터리(10)의 출력 특성, 충방전시 요구되는 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력이 다르므로, 제어부(50)는 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 배터리(10)의 복수의 설정 SOC별로 산출하고, SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 각 SOC별로 요구되는 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교함으로써 SOC별 출력 열화를 진단할 수 있다.
제어부(50)는 배터리(10)의 SOC를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 '휴지 시간 동안 대기 - 최대 방전 출력 산출 - 휴지 시간 동안 대기 - 최대 충전 출력 산출 - 출력 열화 진단'으로 구성되는 1 사이클을 각 설정 SOC마다 수행함으로써 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단할 수 있으며, 도 4는 복수의 설정 SOC가 10%, 20%, ..., 90%로 설정된 예시를 도시하고 있으나, 설정 SOC는 배터리(10)의 사양 및 설계자의 의도에 따라 다양하게 설계되어 설정될 수 있다.
상기와 같이 배터리(10)의 SOC를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단한 경우, 제어부(50)는 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 배터리(10)를 운영하기 위한 가용 SOC 범위를 결정할 수 있다.
즉, 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 배터리(10)에 대하여 요구되는 출력이 정상적으로 발현될 수 있는 가용 SOC 범위를 결정하고, 결정된 가용 SOC 범위에서 배터리(10)를 운영하여 배터리(10)의 출력 열화의 영향을 최소화시킴으로써 보다 안정적인 배터리(10) 운영을 가능하도록 할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 배터리(10)의 온도에 따른 온도별 출력 열화를 진단할 수도 있다. 즉, 배터리(10)의 온도에 따라 배터리(10)의 출력 특성이 달라지기 때문에, 배터리(10)의 출력 열화를 진단하는 과정에서 배터리(10)의 현재 온도를 배터리 관리부(20)로부터 입력받아 출력 열화도를 배터리(10)의 온도와 링크시켜 관리할 수 있다. 전술한 방식을 통해 요구 출력이 정상적으로 발현될 수 있는 배터리(10) 온도를 설정하여 배터리(10)를 운영함으로써 에너지 저장 시스템의 장수명 운전을 가능하도록 할 수 있다. 도 5는 배터리(10)의 온도가 10℃ 및 60℃ 각각의 경우 배터리(10)의 출력 열화를 진단한 결과를 나타낸 예시도이다.
한편, 제어부(50)는 전술한 것과 같이 출력 열화뿐만 아니라 용량 열화를 더 진단할 수도 있다. 즉, 제어부(50)는 완전 충전 상태의 배터리(10)가 완전 방전 상태까지 방전되는 동안 측정되는 방전 전류에 근거하여 배터리(10)의 방전 용량을 판단하고, 방전 용량의 변화량을 통해 배터리(10)의 용량 열화를 더 진단할 수도 있다. 이를 통해, 배터리(10)의 출력 열화 및 용량 열화를 포함하는 시스템의 열화도를 종합적으로 판단하고 배터리(10)의 이상 여부를 사전에 예측하여 배터리(10)의 운영, 유지 및 보수를 용이하게 할 수 있다. 출력 열화를 진단하는 구성 및 용량 열화를 진단하는 구성은 순차적으로 수행될 수 있으며, 그 시계열적 선후는 특정 순서에 한정되지 않는다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법에서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 과정을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법에서 배터리의 SOC를 복수의 설정 SOC로 각각 변경해가며 배터리의 출력 열화를 진단하는 과정을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 설명하면, 먼저 제어부(50)는, 배터리(10)의 방전 및 충전을 수행하는 전력 변환부(30)를 제어하여 배터리(10)를 방전 및 충전시키고, 배터리(10)의 방전 및 충전 시 측정되는 배터리(10)의 전압 및 전류를 토대로 배터리(10)의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출한다(S10).
도 7을 참조하면, 배터리(10)의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 S10 단계는 최대 방전 출력을 산출하는 S11 단계, 배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압에 도달하기 위한 소정의 휴지 시간 동안 대기하는 S13 단계, 및 최대 충전 출력을 산출하는 S15 단계의 순차적 구성으로 이루어진다.
우선, S11 단계에 대하여 구체적으로 설명하면, 제어부(50)는 전력 변환부(30)를 제어하여 배터리(10)를 방전시키고, 배터리(10)의 방전 시 측정되는 배터리(10)의 전압 및 전류를 토대로 배터리(10)의 최대 방전 출력을 산출한다(S11).
보다 구체적으로, 제어부(50)는 전력 변환부(30)를 제어하여, 제1 설정 크기를 갖는 방전 전류를 배터리(10)로부터 인출시켜 배터리(10)를 방전시키고, 방전 개시 시의 배터리(10)의 전압, 방전 완료 시의 배터리(10)의 전압, 및 방전 전류에 근거하여 방전 내부 저항값을 산출하며, 산출된 방전 내부 저항값에 기초하여 최대 방전 출력을 산출한다. 이에 대한 설명은 상기 수학식 1 및 2를 통해 전술한 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.
S11 단계 이후, 제어부(50)는 배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)에 도달하기 위한 소정의 휴지 시간 동안 전력 변환부(30)에 대한 제어를 중지한다(S13).
배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압에 도달한 경우, 제어부(50)는 전력 변환부(30)를 제어하여 배터리(10)를 충전시키고, 배터리(10)의 충전 시 측정되는 배터리(10)의 전압 및 전류릍 토대로 배터리(10)의 최대 충전 출력을 산출한다(S15).
보다 구체적으로, 제어부(50)는 전력 변환부(30)를 제어하여, 제2 설정 크기를 갖는 충전 전류를 배터리(10)로 공급하여 배터리(10)를 충전시키고, 충전 개시 시의 배터리(10)의 전압, 충전 완료 시의 배터리(10)의 전압, 및 충전 전류에 근거하여 충전 내부 저항값을 산출하며, 산출된 충전 내부 저항값에 기초하여 최대 충전 출력을 산출한다. 이에 대한 설명은 상기 수학식 3 및 4를 통해 전술한 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 최대 방전 출력을 산출하는 S11 단계 및 최대 충전 출력을 산출하는 S15 단계가 수행되는 시계열적 순서는 상기한 순서에 한정되지 않으며, 최대 충전 출력을 산출한 후, 소정의 휴지 시간 동안 대기하고 최대 방전 출력을 산출하는 시계열적 구성으로 구현될 수도 있다.
S10 단계를 통해 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력이 산출된 경우, 제어부(50)는 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력를 이용하여 배터리(10)의 출력 열화를 진단한다(S20). 이때, 제어부(50)는 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 미리 설정된 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교하여 배터리(10)의 출력 열화를 진단할 수 있다.
한편, 제어부(50)가 배터리(10)의 SOC를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단할 수도 있음은 전술한 것과 같으며, 이를 위해 본 실시예에 따른 배터리 진단 방법에서 S10 단계 및 S20 단계는 배터리(10)의 SOC가 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정되면서 수행될 수도 있다.
즉, S10 단계에서 제어부(50)는 배터리(10)의 SOC를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 복수의 설정 SOC별로 산출할 수 있고, 이에 따라 S20 단계에서 제어부(50)는 SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 이용하여 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단할 수 있다.
상기의 실시예는 도 8에 도시된 흐름도에 따라 구현될 수 있으며, 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 제어부(50)는 배터리(10)의 SOC를 제1 설정 SOC로 조정한다(S100).
배터리(10)의 SOC가 제1 설정 SOC로 조정된 상태에서 제어부(50)는 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하고(S200), 배터리(10)의 출력 열화를 진단한다(S300).
이어서, 제어부(50)는 현재 배터리(10)의 SOC가 제n 설정 SOC가 아닌 경우(S400), 배터리(10)의 SOC를 차기 설정 SOC로 조정한 후(즉, 배터리(10)의 SOC를 미리 설정된 SOC 증가분(예: 10%)만큼 상향 조정한 후)(S500), S200 단계 내지 S400 단계를 반복한다. 상기 과정은 배터리(10)의 SOC가 제1 설정 SOC로부터 제n 설정 SOC까지 순차적으로 조정되면서 n번 반복 수행되며, 이를 통해 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단할 수 있다.
이어서, 제어부(50)는 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 배터리(10)를 운영하기 위한 가용 SOC 범위를 결정한다(S600). 즉, 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 배터리(10)에 대해 요구되는 출력이 정상적으로 발현될 수 있는 가용 SOC 범위를 결정하고, 결정된 가용 SOC 범위에서 배터리(10)를 운영하여 배터리(10)의 출력 열화의 영향을 최소화시킴으로써 보다 안정적인 배터리(10)에 대한 운영을 가능하도록 할 수 있다.
다시 도 6을 참조하여 설명한다.
본 실시예에서 제어부(50)는 출력 열화뿐만 아니라 용량 열화도 진단할 수 있음은 전술한 것과 같으며, 이에 따라 본 실시예는 제어부(50)가 완전 충전 상태의 배터리(10)가 완전 방전 상태까지 방전되는 동안 측정되는 방전 전류에 근거하여 배터리(10)의 방전 용량을 판단하고, 방전 용량의 변화량을 통해 배터리(10)의 용량 열화를 진단하는 단계(S30)를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 배터리(10)의 출력 열화 및 용량 열화를 포함하는 시스템의 열화도를 종합적으로 판단하고 배터리(10)의 이상 여부를 사전에 예측하여 배터리(10)의 운영, 유지 및 보수를 용이하게 할 수 있다. 한편, 출력 열화를 진단하는 S10 - S20 단계와, 용량 열화를 진단하는 S30 단계는 순차적으로 수행될 수 있으며, 그 시계열적 선후는 특정 순서에 한정되지 않는다.
이와 같이 본 실시예는 배터리 관리 시스템에서 계산된 열화도(SOH: State Of Health)에 의존하지 않고 시스템 레벨에서 출력 열화도를 독립적으로 측정하는 방식을 통해 시스템 전체에 대한 안정성 및 성능 열화를 보다 정확하게 진단할 수 있고, 그 진단 결과를 이용하여 배터리의 출력을 예측함으로써 에너지 저장 시스템의 운용 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예는 배터리의 출력 특성을 배터리의 SOC별로 각각 진단하고, 요구 출력이 정상적으로 발현될 수 있는 SOC 범위에서 에너지 저장 시스템을 운영함으로써 에너지 저장 시스템의 장수명 운전을 가능하도록 할 수 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10: 배터리
20: 배터리 관리부
30: 전력 변환부
40: 측정부
50: 제어부
20: 배터리 관리부
30: 전력 변환부
40: 측정부
50: 제어부
Claims (17)
- 배터리의 방전 및 충전을 수행하는 전력 변환부; 및
상기 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 방전 및 충전시키고, 상기 배터리의 방전 및 충전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류를 토대로 상기 배터리의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 제어부로서, 상기 출력 열화는 상기 배터리의 출력 특성이 저하되어 충방전시 요구되는 정격 출력을 만족시키지 않는 것인, 제어부;
를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 전력 변환부를 제어하여, 제1 설정 크기를 갖는 방전 전류를 상기 배터리로부터 인출시켜 상기 배터리를 방전시키고, 제2 설정 크기를 갖는 충전 전류를 상기 배터리로 공급하여 상기 배터리를 충전시키고,
상기 제어부는, 방전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 방전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 방전 전류에 근거하여 방전 내부 저항값을 산출하고, 상기 산출된 방전 내부 저항값 및 상기 배터리의 최소 방전 전압에 기초하여 상기 최대 방전 출력을 산출하고,
상기 제어부는, 충전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 충전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 충전 전류에 근거하여 충전 내부 저항값을 산출하고, 상기 산출된 충전 내부 저항값 및 상기 배터리의 최대 충전 전압에 기초하여 상기 최대 충전 출력을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC(State Of Charge)를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 상기 최대 방전 출력 및 상기 최대 충전 출력을 상기 복수의 설정 SOC별로 산출하고, 상기 SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 이용하여 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 상기 배터리를 운영하기 위한 가용 SOC 범위를 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 배터리의 온도에 따른 온도별 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 미리 설정된 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는, 완전 충전 상태의 배터리가 완전 방전 상태까지 방전되는 동안 측정되는 방전 전류에 근거하여 상기 배터리의 방전 용량을 판단하고, 상기 방전 용량의 변화량을 통해 상기 배터리의 용량 열화를 더 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
- 제어부가, 배터리의 방전 및 충전을 수행하는 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 방전시키고, 상기 배터리의 방전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류를 토대로 상기 배터리의 최대 방전 출력을 산출하는 단계;
상기 제어부가, 상기 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 충전시키고, 상기 배터리의 충전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류릍 토대로 상기 배터리의 최대 충전 출력을 산출하는 단계; 및
상기 제어부가, 상기 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력를 이용하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 단계로서, 상기 출력 열화는 상기 배터리의 출력 특성이 저하되어 충방전시 요구되는 정격 출력을 만족시키지 않는 것인, 단계;
를 포함하고,
상기 최대 방전 출력을 산출하는 단계에서, 상기 제어부는,
상기 전력 변환부를 제어하여, 제1 설정 크기를 갖는 방전 전류를 상기 배터리로부터 인출시켜 상기 배터리를 방전시키고, 방전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 방전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 방전 전류에 근거하여 방전 내부 저항값을 산출하며, 상기 산출된 방전 내부 저항값 및 상기 배터리의 최소 방전 전압에 기초하여 상기 최대 방전 출력을 산출하고,
상기 최대 충전 출력을 산출하는 단계에서, 상기 제어부는,
상기 전력 변환부를 제어하여, 제2 설정 크기를 갖는 충전 전류를 상기 배터리로 공급하여 상기 배터리를 충전시키고, 충전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 충전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 충전 전류에 근거하여 충전 내부 저항값을 산출하며, 상기 산출된 충전 내부 저항값 및 상기 배터리의 최대 충전 전압에 기초하여 상기 최대 충전 출력을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제10항에 있어서,
상기 산출하는 단계에서, 상기 제어부는,
상기 배터리의 SOC(State Of Charge)를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 상기 최대 방전 출력 및 상기 최대 충전 출력을 상기 복수의 설정 SOC별로 산출하고,
상기 진단하는 단계에서, 상기 제어부는,
상기 SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 이용하여 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 제어부가, 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 상기 배터리를 운영하기 위한 가용 SOC 범위를 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 진단하는 단계에서, 상기 제어부는,
상기 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 미리 설정된 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 제어부가, 완전 충전 상태의 배터리가 완전 방전 상태까지 방전되는 동안 측정되는 방전 전류에 근거하여 상기 배터리의 방전 용량을 판단하고, 상기 방전 용량의 변화량을 통해 상기 배터리의 용량 열화를 진단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
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| GRNT | Written decision to grant |