KR102400450B1 - 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 이상 상태 사전 감지 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리의 다양한 온도 데이터를 이용하여 배터리의 이상에 관련된 전조 현상을 감지하고, 이를 사용자에게 경고하거나 시스템 가동을 정지함으로써 시스템 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 다수의 배터리 셀 각각의 온도를 감지하여 상기 다수의 배터리 셀 각각에 대한 배터리 온도 데이터를 제공하는 온도 센싱부; 상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀간 온도 편차(Ta)를 계산하는 온도 편차 계산부; 상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 변화(Tb)를 계산하는 온도 변화 계산부; 상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 편차의 변화(Tc)를 계산하는 온도 편차 변화 계산부를 포함하는 온도 계산부; 및 상기 온도 편차(Ta), 상기 온도 변화(Tb) 또는 상기 온도 편차의 변화(Tc)를 기준값과 비교하여 시스템 조치 신호를 출력하는 조치 신호 출력부를 포함하는, 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템을 개시한다.

Description

배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템{Abnormal condition detection system using battery temperature data}
본 발명의 실시예는 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)는 신재생 에너지 시장인 태양광, 풍력 등에서 생산된 에너지를 저장 장치(예를 들면, 배터리)에 저장했다가 필요한 시간대에 전기를 공급하여 전력 사용 효율을 향상시키는 장치를 의미한다.
이러한 에너지 저장 장치는 크게 배터리, PCS(Power Conversion System, AC-DC 변환 기능 및 배전 기능을 수행함) 및 EMS(Energy Monitoring System, 전체 ESS 시스템을 운영하고 관장함) 등을 포함한다. 여기서, 배터리는 BMS(Battery Management System)에 의해 전압, 온도 등이 모니터링 및 관리되고, 또한 BMS는 PCS 및/또는 EMS와 필요한 정보를 주고 받는다.
한편, 배터리는 최근 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등과 같은 이차 전지를 포함하는데, 이러한 이차 전지는 주요 재료가 공기 중에서 불안정한 리튬이기 때문에, 배터리의 열화, 발화 또는 폭발 방지와 같은 안전성의 확보가 무엇보다 중요하다.
그러나, 종래의 ESS는 배터리의 전압이나 온도 등이 기준 범위를 벗어났을 경우, 비로소 BMS, PCS 및/또는 EMS가 동작하여 배터리의 충전/방전을 정지시키고, 시스템 경고를 수행하거나 시스템의 가동을 정지시킴으로써, ESS의 안전성이 낮을 뿐만 아니라 ESS에 화재까지 발생하는 문제가 있었다. 즉, 배터리의 이상으로 전압이나 온도 등이 기준 범위를 벗어나기 전 전조(前兆) 현상을 사전에 감지하여 시스템에 경고를 주거나 시스템의 가동을 정지한다면 ESS의 안전성이 더욱 향상될 수 있는데, 아직까지 이러한 배터리의 이상 시 전조 현상을 사전에 감지하여 향후 발생될 문제를 미리 차단하는 기술이 개발되지 않았다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 배터리의 다양한 온도 데이터를 이용하여 배터리의 이상에 관련된 전조 현상을 감지하고, 이를 사용자에게 경고하거나 시스템 가동을 정지함으로써 시스템 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템은 다수의 배터리 셀 각각의 전압을 감지하여 상기 다수의 배터리 셀 각각에 대한 배터리 온도 데이터를 제공하는 온도 센싱부; 상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀간 온도 편차(Ta)를 계산하는 온도 편차 계산부; 상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 변화(Tb)를 계산하는 온도 변화 계산부; 상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 편차의 변화(Tc)를 계산하는 온도 편차 변화 계산부를 포함하는 온도 계산부; 및 상기 온도 편차(Ta), 상기 온도 변화(Tb) 또는 상기 온도 편차의 변화(Tc)를 기준값과 비교하여 시스템 조치 신호를 출력하는 조치 신호 출력부를 포함할 수 있다.
상기 조치 신호 출력부의 시스템 조치 신호는 배터리 가동 상세 데이터를 분석하여 실제 이상 발생 여부를 판단하도록 하는 시스템 경고 신호, 점검된 이상 부위에 대한 조치를 취하도록 하는 시스템 위험 신호 또는 시스템을 셧다운시키도록 하는 시스템 셧다운 신호일 수 있다.
상기 시스템 경고 신호 및 상기 시스템 위험 신호를 출력하기 위해 설정된 기준값에 비해 상기 시스템 셧다운 신호를 출력하기 위해 설정된 기준값이 더 높을 수 있다.
상기 온도 계산부는 상기 배터리 셀의 충전 시 정전압 충전 구간 진입 시기를 중심으로 SOC ± 10% 구간에서 동작할 수 있다.
상기 온도 계산부는 상기 배터리 셀의 방전 시 잔량 SOC 5% 내지 30% 구간에서 동작할 수 있다.
상기 다수의 배터리 셀은 직렬로 연결된 배터리 셀 또는 병렬로 연결된 배터리 셀을 포함할 수 있다.
상기 온도 계산부는 상기 온도 변화에 대한 온도 편차의 변화의 비율(Tb/Tc)과 함께 배터리 셀의 온도를 함께 고려하여 이상 발생 여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예는 배터리의 다양한 온도 데이터를 이용하여 배터리의 이상에 관련된 전조 현상을 감지하고, 이를 사용자에게 경고하거나 시스템 가동을 정지함으로써 시스템 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템을 제공한다.
도 1은 일반적인 ESS 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템에 이용된 배터리의 구성 예를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템 중 온도 계산부 및 조치 신호 출력부의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템의 동작 설명을 위한 배터리 전압의 변화 및 이상 상황 판단 위치를 도시한 그래프이다.
도 6a 및 6b는 랙을 구성하는 다수의 모듈 트레이 중 하나에서 뱅크의 사이클에 따른 온도 변화를 도시한 도표 및 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 모듈 트레이에서 문제가 있는 뱅크와 정상인 뱅크의 사이클에 따른 온도 변화를 발췌하여 도시한 도표 및 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 모듈 트레이에서 문제가 있는 뱅크와 정상인 뱅크에서 사이클에 따른 배터리 셀의 온도 변화 Tb와 온도 편차 변화 Tc를 도시한 도표 및 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
도 1은 일반적인 ESS 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 ESS 시스템은 신재생 에너지원으로부터 에너지를 받아 저장하며, 이를 위해 BMS를 갖는 배터리, PCS 및 EMS를 포함할 수 있다. BMS는 배터리의 상태를 제어하는 장치로서 배터리의 전압, 온도, 충전/방전 상태를 모니터링하고 모듈 내 단위 배터리 셀간의 충방전 정도가 동일해지도록 조절하는 셀 밸런싱, 배터리의 안전을 위한 과충전 방지, 과방전 방지 등의 보호 기능을 수행하고, 또한 보호회로를 통해 과전류 및 단락 시 메인 스위치를 차단하며, PCS 및 EMS와 통신하는 역할도 한다. 일부 예들에서, 배터리는 리튬이온전지, 리튬인산철전지, 리튬 폴리머전지 또는 리튬 금속전지를 포함할 수 있다. PCS는 신재생 에너지원이나 계통으로부터 전기 에너지를 받아 배터리를 충전하거나 또는 계통으로 배터리에 저장된 에너지를 방출하기 위해 전기의 특성(교류/직류, 전압, 주파수 등)을 변환할 수 있다. EMS(또는 PMS)는 배터리 및 PCS의 상태를 모니터링/제어하고, 컨트롤 센터 등에서 ESS를 통합 모니터링하고 제어하기 위한 운영 시스템을 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템에 이용된 배터리의 구성 예를 도시한 개략도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템에서 언급되는 배터리(10)는 다수의 배터리 셀이 병렬로 연결된 구성을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 배터리 셀 S11, S12, S13, S14가 병렬로 연결되어 제1뱅크(S1)를 구성하고, 배터리 셀 S21, S22, S23, S24가 병렬로 연결되어 제2뱅크(S2)를 구성하며, 배터리 셀 S31, S32, S33, S34가 병렬로 연결되어 제3뱅크(S3)를 구성하고, 배터리 셀 S41, S42, S43, S44가 병렬로 연결되어 제4뱅크(S4)를 구성할 수 있다. 여기서, 제1뱅크(S1) 내지 제4뱅크(S4)는 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템에서 언급되는 배터리(10)는 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 구성을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 제1배터리 셀(S1), 제2배터리 셀(S2), 제3배터리 셀(S3) 및 제4배터리 셀(S4)이 직렬로 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100)의 구성을 도시한 블럭도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100) 중 온도 계산부(120) 및 조치 신호 출력부(130)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템(100)은 온도 센싱부(110), 온도 계산부(120) 및 조치 신호 출력부(130)를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템(100)은 SOC 추정부(140), 시간 추정부(150) 및/또는 기준값 저장부(160)를 더 포함할 수 있다.
온도 센싱부(110)는 다수의 배터리 셀 각각의 전압을 감지하고, 다수의 배터리 셀 각각에 대한 배터리 온도 데이터를 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다. 일례로, 도 2a를 다시 참조하면, 온도 센싱부(110)는 제1뱅크(S1) 내지 제2뱅크(S4)의 온도를 각각 센싱하고, 이를 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다. 다른 예로, 도 2b를 다시 참조하면, 온도 센싱부(110)는 제1배터리 셀(S1) 내지 제4배터리 셀(S4)의 온도를 각각 센싱하고, 이를 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다.
온도 계산부(120)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 온도 편차 계산부(121), 온도 변화 계산부(122) 및 온도 편차 변화 계산부(123)를 포함할 수 있다.
온도 편차 계산부(121)는 온도 센싱부(110)로부터 제공받은 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀간 온도 편차(Ta)를 계산하고 이를 조치 신호 출력부(130)에 제공할 수 있다. 온도 변화 계산부(122)는 온도 센싱부(110) 및/또는 온도 편차 계산부(121)로부터 제공받은 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 변화(Tb)를 계산하고 이를 조치 신호 출력부(130)에 제공할 수 있다. 온도 편차 변화 계산부(123)는 온도 센싱부(110), 온도 편차 계산부(121) 및/또는 온도 변화 계산부(122)로부터 제공받은 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 편차 변화(Tc)를 계산하고 이를 조치 신호 출력부(130)에 제공할 수 있다.
조치 신호 출력부(130)는 온도 계산부(120)로부터 제공받은 온도 편차(Ta), 온도 변화(Tb) 및/또는 상기 온도 편차 변화(Tc)가 미리 설정된 기준값을 벗어날 경우 시스템 조치 신호를 출력할 수 있다.
일부 예들에서, 조치 신호 출력부(130)로부터 출력되는 시스템 조치 신호는 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 시스템 경고 신호는 배터리 가동 상세 데이터를 분석하여 실제 이상 발생 여부를 판단하도록 하는 신호를 포함할 수 있으며, 이는 EMS에 제공될 수 있다. 이에 따라, EMS는 시스템 화면을 통하여 이러한 상태를 관리자에게 시각적 또는 청각적으로 알릴 수 있다.
일부 예들에서, 시스템 위험 신호는 점검된 이상 부위에 대한 조치를 취하도록 하는 신호를 포함할 수 있으며, 이는 EMS에 제공될 수 있다. 이에 따라, EMS는 시스템 화면을 통하여 이러한 상태를 관리자에게 시각적 또는 청각적으로 알릴 수 있다.
일부 예들에서, 시스템 셧다운 신호는 원인을 불문하고 ESS 시스템을 셧다운시켜 사용을 중지하도록 하는 신호를 포함할 수 있다. 이러한 시스템 셧다운 신호는 BMS, PCS 및/또는 EMS에 제공될 수 있으며, 이에 따라 BMS, PCS 및/또는 EMS가 메인 스위치를 턴오프하여 배터리 셀의 충방전이 완전히 중지되도록 할 수 있다. 물론, EMS 시스템 화면을 통해 관리자에게 시각적 또는 청각적으로 시스템 셧다운 정보가 제공될 수 있다.
SOC 추정부(140)는 배터리 셀의 전압 정보를 기초로 하여 배터리 셀의 잔존 용량을 추정하고, 이를 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다. 일부 예들에서, SOC 추정부(140)는 배터리 셀의 전압 정보를 이용하지 않고 다른 알고리즘(예를 들면, 칼만 필터, 스크린, OCV)을 통해 추정한 SOC를 온도 계산부(120)에 제공할 수도 있다.
시간 추정부(150)는 ESS 시스템의 사용 시간을 추정하고, 이를 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다. 일부 예들에서, 시간 추정부(150)는 ESS 시스템의 사용 날짜 및/또는 충방전 사이클 횟수를 추정하여 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다.
기준값 저장부(160)는 온도 편차(Ta)에 대한 기준값, 온도 변화(Tb)에 대한 기준값 및/또는 온도 편차 변화(Tc)에 대한 다양한 기준값을 미리 저장하고 있으며, 이를 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 배터리의 다양한 온도 데이터를 이용하여 배터리의 이상에 관련된 전조 현상을 감지하고, 이를 관리자나 사용자에게 경고하거나 시스템 가동을 정지함으로써 시스템 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100)을 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100)의 동작 설명을 위한 배터리 온도의 변화 및 이상 상황 판단 위치를 도시한 그래프이다. 도 5에서 X축은 경과 시간을 의미하고, Y축은 전압과 온도를 각각 의미할 수 있다. 또한, X축의 경과 시간은 정전류(CC) 충전, 정전압(CV) 충전, 휴지 및 방전으로 구분될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 배터리 전압은 CC 충전 구간에서 시간 경과에 따라 점차 증가하고, CV 충전 구간 및 휴지 구간에서 시간 경과에도 불구하고 일정한 값을 유지할 수 있으며, 방전 구간에서 시간 경과에 따라 점차 감소할 수 있다.
또한, 도 5에서와 같이, 배터리 온도는 CC 충전 구간에서 시간 경과에 따라 점차 증가하고, CV 충전 구간 및 휴지 구간에서 시간 경과에 따라 점차 감소하며, 방전 구간에서 시간 경과에 따라 점차 증가할 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템(100)은 감지된 배터리 온도를 이용하여 지속적으로 온도 계산을 하는 것이 아니라, 일례로, 시간 경과에 따라 대략 2 영역에서 전압 계산을 수행할 수 있다.
일부 예들에서, 온도의 차이가 가장 크게 나타나거나 온도가 가장 높아지는 지점에서 온도 계산부(120)가 동작할 수 있다. 일부 예에서, 온도 계산부(120)는 배터리 셀의 충전 시 정전압 충전 구간 진입 시기를 중심으로 SOC ± 10% 구간에서 동작할 수 있다. 다른 예들에서, 온도 계산부(120)는 배터리 셀의 방전 시 잔량 SOC 5% 내지 30% 구간에서 동작할 수 있고, 또는 충전 종류 시점에서 동작하는 것도 가능하다. 여기서, 온도 계산부(120)는 SOC 잔량을 SOC 추정부(140)로부터 획득할 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
한편, 상술한 바와 같이, 본원 발명은 온도 편차(Ta)에 대한 기준값, 온도 변화(Tb)에 대한 기준값 및/또는 온도 편차 변화(Tc)에 대한 다양한 기준값을 미리 설정할 수 있으며, 이에 대하여 각각 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다.
일부 예들에서, 온도 편차(Ta)에 대한 기준값 및 이에 대한 출력 신호는 다음과 같이 설정될 수 있다. 이러한 예는 본 발명의 이해를 위한 예시일 뿐이며, 하기할 수치 범위로 본 발명이 한정되지 않는다.
도 5에 도시된 설정된 충전 구간에서, 온도 편차 계산부(121)에 의한 온도 편차(Ta)가 기준값으로 설정된 대략 5℃ 내지 대략 20℃인 경우, 그리고 도 5에 도시된 설정된 방전 구간에서, 온도 편차 계산부(121)에 의한 온도 편차(Ta)가 기준값으로 설정된 대략 5℃ 내지 대략 20℃인 경우, 조치 신호 출력부(130)는 시스템 경고 신호 및/또는 시스템 위험 신호를 출력할 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 설정된 충전 구간에서, 온도 편차 계산부(121)에 의한 온도 편차(Ta)가 기준값으로 설정된 대략 10℃ 내지 20℃인 경우, 그리고 도 5에 도시된 설정된 방전 구간에서 온도 편차(Ta)가 기준값으로 설정된 10℃ 내지 20℃인 경우 조치 신호 출력부(130)는 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다.
여기서, 도 2a 및 도 2b를 다시 참조하면, 온도 편차(Ta)는 배터리 셀(S1,S2, S3, S4)의 최대 전압과 최소 전압의 차이를 의미할 수 있다.
일부 예들에서, 온도 변화(Tb) 및 온도 편차 변화(Tc)에 대한 기준값 및 이에 대한 출력 신호는 다음과 같이 설정될 수 있다. 이러한 예는 본 발명의 이해를 위한 예시일 뿐이며, 하기할 수치 범위로 본 발명이 한정되지 않는다.
도 5에 도시된 설정된 충전 구간에서, 온도 계산부(120)는 일정 시간 경과(혹은 일정 사이클 경과) 이후, 각 뱅크의 개별 전지의 온도 편차 변화(Tc)가 해당 시점 온도 변화(Tb)의 기준값으로 설정된 대략 30% 내지 100%인 경우, 조치 신호 출력부(130)는 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 설정된 방전 구간에서, 온도 계산부(120)는 일정 시간 경과(혹은 일정 사이클 경과) 이후, 각 뱅크의 개별 전지의 온도 편차 변화(Tc)가 해당 시점 온도 변화(Tb)의 기준값으로 설정된 대략 30% 내지 100%인 경우, 조치 신호 출력부(130)는 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다.
여기서, 온도 계산부(120)는 일정 시간을 시간 추정부(150)로부터 획득할 수 있으며, 사용 일수가 대략 7 내지 180일 사이로 설정되거나, 사이클 수가 대략 20 내지 200 사이클로 설정될 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
또한, 여기서 각 뱅크의 개별 전지란 도 2a에서 병렬 연결된 S11 내지 S14로 이루어진 S1, S21 내지 S24로 이루어진 S2, S31 내지 S34로 이루어진 S3, S41 내지 S44로 이루어진 S4를 포함할 수 있으며, 온도 편차 변화(Tc)는 각 전지 S1 내지 S4의 일정 기간 경과(혹은 일정 사이클 경과) 후의 온도 변화를 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템에서 실제 시험 데이터를 이용한 온도 데이터를 이용하여 배터리의 이상에 관련된 전조 현상을 감지하는 동작을 설명하도록 한다.
도 6a 및 6b는 랙을 구성하는 다수의 모듈 트레이 중 하나에서 뱅크의 사이클에 따른 온도 변화를 도시한 도표 및 그래프이다.
먼저, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 랙을 구성하는 다수의 모듈 트레이 중 선택된 하나의 모듈 트레이에는 12개의 뱅크가 포함되어 있다. 또한, 본 도표 및 그래프는 15 내지 84 사이클에 대한 데이터를 예시로 도시하고 있다.
또한, 도표 및 그래프에서 보듯이 35 사이클부터 각 뱅크간 편차가 커지기 시작하는 것을 알 수 있고, 75 사이클 이상에서는 각 뱅크간의 온도 편차가 10℃ 이상으로 크게 벌어지는 것을 확인할 수 있다.
이러한 언급한 온도 편차는 도시된 7번과 9번의 뱅크에서의 온도 상승에 기인하고 있다. 구체적으로 7번 뱅크는 45 사이클부터 온도 상승이 시작되어 75 사이클의 이후에는 다른 뱅크에 대비하여 현저하게 온도가 높아지는 것을 알 수 있다. 또한, 9번 뱅크의 경우 15사이클일 때부터 다른 뱅크에 비해 온도가 높으며 그 상태가 계속 지속되는 것을 확인할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 모듈 트레이에서 문제가 있는 뱅크와 정상인 뱅크의 사이클에 따른 온도 변화를 발췌하여 도시한 도표 및 그래프이다.
도 7a 및 7b를 참조하면, 7번 뱅크의 경우 55사이클부터 온도 상승이 급격해지고 있으며, 9번 뱅크는 정상인 10번 뱅크에 비해 초기보다 온도가 높고 85사이클까지 그 상태가 유지되는 것을 확인할 수 있다.
반면, 비교예로서 함께 도시된 정상인 10번 뱅크는 편차의 최소값을 유지하고 있는 것을 알 수 있다.
이러한 결과를 토대로 검토하면, 이상이 발생되는 뱅크는 초기부터 또는 사이클이 진행됨에 따라 다른 정상인 뱅크들과 온도 편차를 보임을 알 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 모듈 트레이에서 문제가 있는 뱅크와 정상인 뱅크에서 사이클에 따른 배터리 셀의 온도 변화 Tb와 온도 편차 변화 Tc를 도시한 도표 및 그래프이다. 여기서, 도 8a 및 도 8b는 온도 변화(Tb)와 온도 편차 변화(Tc)의 비교 점검 주기를 50 사이클로 설정하여 측정한 것이다.
도 8a를 참조할 때, 예를 들어, 배터리 셀간 온도 편차(Ta)를 7℃ 이하로 설명한 경우, 온도 편차(Ta)는 55 사이클부터 문제가 발생한 것으로 판단될 수 있다. 또한, 도 8b를 참조할 때, 온도 편차의 변화(Tc)에 대한 온도 변화(Tb)의 비율(Tb/Tc)을 100%로 설정한 경우, 7번 뱅크는 이미 65 사이클에서 문제가 발생하였다고 볼 수 있고, 사이클이 진행됨에 따라 비율이 점차 높아져 85 사이클에서는 500%에 달하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 7번 뱅크의 경우, 점차 경고 수준을 높일 필요가 있다.
또한, 9번 뱅크의 경우, 75 사이클에서 83%였던 비율이 80 사이클에서 233%로 급증하여 심각한 수준임을 알 수 있다. 또한, 9번 뱅크의 경우 앞의 도 7a 및 도 7b를 참조할 때 이미 높은 온도에 있기 때문에 이를 함께 고려하면 9번 뱅크는 경고의 수준이 높아야 함을 알 수 있다.
반면, 10번 뱅크의 경우 80 사이클에서 100%에 도달한 것을 알 수 있지만, 도 7a 및 도 7b를 고려할 때 낮은 온도 상태에 있음을 알 수 있고, 따라서 비율과 온도를 함께 고려하여 위험 수준을 결정하여야 함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 이상 상태 사전 감지 시스템
110; 온도 센싱부 120; 온도 계산부
121; 온도 편차 계산부 122; 온도 변화 계산부
123; 온도 편차 변화 계산부 130; 조치 신호 출력부
140; SOC 추정부 150; 시간 추정부
160; 기준값 저장부

Claims (7)

  1. 다수의 배터리 셀 각각의 온도를 감지하여 상기 다수의 배터리 셀 각각에 대한 배터리 온도 데이터를 제공하는 온도 센싱부;
    상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀간 온도 편차(Ta)를 계산하는 온도 편차 계산부; 상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 변화(Tb)를 계산하는 온도 변화 계산부; 상기 배터리 온도 데이터로부터 배터리 셀간의 온도 편차를 시간 경과에 따라 계산한 온도 편차의 변화(Tc)를 계산하는 온도 편차 변화 계산부를 포함하는 온도 계산부; 및
    상기 온도 편차(Ta), 상기 온도 변화(Tb) 및 상기 온도 편차의 변화(Tc)를 기준값과 비교하여 시스템 조치 신호를 출력하는 조치 신호 출력부를 포함하고,
    상기 온도 계산부는 상기 온도 변화에 대한 온도 편차의 변화의 비율(Tb/Tc)과 함께 배터리 셀의 온도를 함께 고려하여 이상 발생 여부를 판단하는, 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조치 신호 출력부의 시스템 조치 신호는 배터리 가동 상세 데이터를 분석하여 실제 이상 발생 여부를 판단하도록 하는 시스템 경고 신호, 점검된 이상 부위에 대한 조치를 취하도록 하는 시스템 위험 신호 또는 시스템을 셧다운시키도록 하는 시스템 셧다운 신호인, 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 시스템 경고 신호 및 상기 시스템 위험 신호를 출력하기 위해 설정된 기준값에 비해 상기 시스템 셧다운 신호를 출력하기 위해 설정된 기준값이 더 높은, 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 계산부는 상기 배터리 셀의 충전 시 정전압 충전 구간 진입 시기를 중심으로 SOC ± 10% 구간에서 동작하는, 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 계산부는 상기 배터리 셀의 방전 시 잔량 SOC 5% 내지 30% 구간에서 동작하는, 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀은 직렬로 연결된 배터리 셀 또는 병렬로 연결된 배터리 셀을 포함하는, 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템.
  7. 삭제
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