KR102418517B1

KR102418517B1 - Soc-soh기반 선박 배터리 제어 관리 시스템

Info

Publication number: KR102418517B1
Application number: KR1020210024800A
Authority: KR
Inventors: 오진석
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2021-02-24
Filing date: 2021-02-24
Publication date: 2022-07-07

Abstract

본 발명은 SOC-SOH기반 선박 배터리 제어 관리 시스템에 관한 것으로서, 선박 내 복수 개의 발전기를 구동제어시키는 PMS(Power management System); 선박 내 배터리 정보 및 발전기의 부하율을 바탕으로 배터리 상태를 결정하는 LCS(Load Control System); 상기 PMS와 LCS 및 선박의 부하를 연계 관리 제어시키는 EMS(Energy management System)로 구성되는 선박 배터리 제어 관리 시스템에서, 상기 배터리와 LCS 사이에 전체 배터리 셀의 SOC와 SOH 정보를 갱신 측정하고 저장되는 PBBMS(Power base battery management system) 회로를 더 포함하여 구성되며, 상기 PMS는 선박 내 복수 개의 발전기를 상기 PBBMS회로의 제어신호를 조건으로 단위 발전기 별 순차 구동시키면서, 각 단위 발전기의 부하율을 상기 EMS를 통해 LCS로 전달시키고, 상기 PBBMS 회로는 상기 LCS에서 상기 단위 발전기의 부하율을 전달받아 단위 발전기의 부하율에 따라 배터리를 충, 방전시켜 부하율 80~85%로 귀환시키거나, 다른 단위 발전기의 구동 제어명령을 출력시킴으로써, 선박의 단위 발전기들이 부하율 80~85% 인 정상 상태에 안정 진입을 조건으로 순차 구동되게하여 최소 가동으로 선박의 이산화탄소 배출을 절감시키는 것을 특징으로 한다.

Description

SOC-SOH기반 선박 배터리 제어 관리 시스템{SOC-SOH based ship battery control management system}

본 발명은 SOC-SOH기반 선박 배터리 제어 관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박 내 복수 개의 발전기를 구동제어시키는 PMS(Power management System)와 연동하며, 전체 배터리 셀의 SOC와 SOH 정보를 갱신 측정하고 저장되는 PBBMS(Power base battery management system) 회로를 더 포함하여 구성되어, 선박의 단위 발전기들이 부하율 80~85% 인 정상 상태에 안정 진입을 조건으로 순차 구동되게 선박의 이산화탄소 배출을 절감시키는 기술에 관한 것이다.

종래의 선박은 대부분 디젤엔진을 주 추진장비로 탑재하여 주기관(Main Engine)으로서 선박을 운항하였고, 이는 전기기기가 아닌 내연기관이므로 기계설비로 분류되어 선박의 전력시스템에서 배제되어왔다.

그러나 차세대 선박으로 각광받는 전기추진선박은 추진용 전동기를 주 추진장비로 탑재하는 방식이기 때문에 내연기관 기반의 주기관(Main Engine)이 탑재되지 않는다. 또한, 전기추진선박에 탑재되는 추진용 전동기를 구동하기 위한 전력은 기존의 선박에서 관리하던 발전전력과 소요전력에 비하여 굉장히 크다. 이러한 전기추진선박은 기계식추진과 달리 전력을 통하여 추진하므로 발전체계의 안정성이 매우 중요하다. 안정성을 확보하기 위하여 종래의 발전체계는 대용량 발전기를 사용하였으나, 그 결과 저부하 운전으로 인하여 에너지 효율이 저하되고, 경제성이 낮아지는 문제점이 있었다. 따라서, 차세대 선박의 안전 항해와 직결되는 문제로서 추진용 전동기, 발전기 및 관련 발전설비, 중부하를 포함한 기관실 기타 전력부하 등을 통합하여 제어 및 관리해야 할 필요성이 커졌다.

이러한 선박의 전력관리제어시스템에 대한 기술로서, '전력관리제어시스템을 구비하는 전기추진선박(등록번호 : 10-1117306)'에서는 전력관리 제어반이 추진 전동기의 회전수를 제어하고 축전지의 충전과 방전 및 배전을 제어함으로써, 축전지, 발전기 및 태양전지 모듈과 같은 전기 에너지원을 통해 추진 전동기를 구동할 수 있도록 단일화된 장비에서 배전 및 스위칭 기능을 제공하여 최적의 효율로 추진이 가능할 뿐만 아니라, 다양한 조건별로 충전과 방전 제어를 수행하도록 제어하는 전력관리제어시스템을 개시하고 있다.

그러나 추진 전동기를 최적의 효율로 구동할 수 있도록 하는 전기 에너지원의 제어시스템으로서, 추진 부하를 제외한 상용 부하, 불규칙 부하, 화물 기기 관련 부하, 갑판 부하 등 선박 내 탑재되는 다양한 부하들의 전력을 통합적으로 관리하기에는 한계가 있으므로 이에 대한 새로운 기술 개발이 절실히 요구되고 있는 시점이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 선출원특허 10-2020-0025489 선박용 통합전력제어관리시스템이 제시된 바 있다.

한편 해양 및 지구 환경 오염이 심화됨에 따라 각 항구 입출입시 선박의 이산화탄소 배출량이 제한되어, 선박의 입출항시 발전기 구동 갯수를 최적 제어하여 이산화탄소 배출량을 극도로 절감하는 기술의 필요성이 절실해지고 있다.

[0001] 대한민국 등록특허 10-1117306 전력관리제어시스템을 구비하는 전기추진선박 [0002] 대한민국 선출원특허 10-2020-0025489 선박용 통합전력제어관리시스템

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 대한민국 선출원특허 10-2020-0025489 선박용 통합전력제어관리시스템을 더욱 개선하여, 선박의 입출항시 발전기 구동 갯수를 최적 제어하여 이산화탄소 배출량이 극도로 절감되게 하는 SOC-SOH기반 선박 배터리 제어 관리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 선박 내 복수 개의 발전기를 구동제어시키는 PMS(Power management System); 선박 내 배터리 정보 및 발전기의 부하율을 바탕으로 배터리 상태를 결정하는 LCS(Load Control System); 상기 PMS와 LCS 및 선박의 부하를 연계 관리 제어시키는 EMS(Energy management System)로 구성되는 선박 배터리 제어 관리 시스템에서, 상기 배터리와 LCS 사이에 전체 배터리 셀의 SOC와 SOH 정보를 갱신 측정하고 저장되는 PBBMS(Power base battery management system) 회로를 더 포함하여 구성되며, 상기 PMS는 선박 내 복수 개의 발전기를 상기 PBBMS회로의 제어신호를 조건으로 단위 발전기 별 순차 구동시키면서, 각 단위 발전기의 부하율을 상기 EMS를 통해 LCS로 전달시키고, 상기 PBBMS 회로는 상기 LCS에서 상기 단위 발전기의 부하율을 전달받아 단위 발전기의 부하율이

a) 80~85% 일 경우 정상 상태로 판단하여 발전기 현 상태 및 배터리 스탠바이 상태를 유지시키며,

b) 85% 이상 과부하 상태이면 배터리 SOC와 SOH 정보와 대조하여 방전 가능한 배터리를 선정하고 85% 이상 초과분 부하율만큼 배터리를 방전시켜 상기 단위 발전기의 부하율을 정상 상태로 귀환시키며,

c) 80% 이하 부족부하 상태이면

c-1) 75~80%일 경우 배터리 SOC와 SOH 정보와 대조하여 스탠바이 또는 충전 배터리 선정하고, 선정된 배터리를 충전시켜 상기 단위 발전기의 부하율을 정상 상태로 귀환시키고

c-2) 75%이하일 경우 배터리 SOC와 SOH 정보와 대조하여 스탠바이 또는 충전 배터리를 선정하고, 선정된 배터리를 충전시켜 상기 단위 발전기의 부하율을 정상 상태로 귀환시킴으로써,

상기 PMS가 각 단위 발전기를 부하율 80~85% 일 경우 정상 상태로 진입시키면서 순차 구동시켜 선박의 이산화탄소 배출을 절감시키는 것을 특징으로 하는 SOC-SOH기반 선박 배터리 제어 관리 시스템을 기술적 요지로 한다.

또한 본 발명은 상기 EMS는 상기 PBBMS 회로에서 배터리 구동 정보를 전달받아 85% 이상 과부하 상태에서 연계 부하율 단계별 감소 조절 판단 또는 다른 단위 발전기 구동을 결정하는 판단을 하고, 75~80%의 부족 부하일 경우 연계 부하율 단계별 증가 조절 판단을 하여 상기 단위 발전기의 부하율을 정상 상태로 귀환시키는 것을 특징으로 하는 SOC-SOH기반 선박 배터리 제어 관리 시스템으로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 PBBMS 회로에 연결되는 배터리는 복수 개의 배터리셀들로 이루어진 단위 배터리모듈들의 집합으로 구성되고, 상기 단위 배터리모듈에는 각 배터리셀의 SOC 정보를 갱신 저장하는 EEPROM이 포함된 배터리 제어회로부가 형성되어, 상기 PBBMS 회로에서 각 배터리셀의 SOC 정보를 상기 EEPROM에서 즉시 획득하여 각 단위 발전기 부하상태에서 충, 방전 배터리셀을 결정할 수 있는 것을 특징으로 하는 SOC-SOH기반 선박 배터리 제어 관리 시스템으로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단위 배터리모듈에는 배터리 예비셀을 더 포함하여 구성되고, 상기 배터리 제어회로부에는 전체 배터리 셀의 전압을 확인하는 배터리셀 전압 확인 모듈; 전체 배터리 셀을 선택적으로 연결시키는 배터리 릴레이 모듈; 상기 배터리 릴레이 모듈을 작동시키는 배터리 논리게이트 모듈;을 더 포함하여 구성되어, 상기 배터리 셀 전압 확인 모듈로 전체 배터리 셀의 전압을 확인하여 배터리 불량셀을 판단하고, 상기 배터리 릴레이 모듈을 작동시켜 상기 배터리 예비셀과 배터리 불량셀을 교체시키는 것을 특징으로 하는 SOC-SOH기반 선박 배터리 제어 관리 시스템으로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 배터리 제어회로부에는 각 배터리 셀의 전압을 감지하여, 특정 배터리 셀의 전압이 높으면 해당 배터리 셀의 전압을 낮추는 패시브 밸런싱 기능 또는 특정 배터리 셀의 전압이 높으면 해당 배터리 셀의 전압으로 다른 배터리 셀을 충전시키는 액티브 밸런싱 기능이 수행되는 셀 밸런스 모듈; 온도에 따른 배터리 사용 방지 및 조절 기능을 수행하는 온도에 따른 배터리 사용 방지 및 조절 모듈; 배터리의 과충전 및 과방전 방지 모듈; 배터리 출력단에 이상 전류가 흐르는 경우 배터리 출력선로를 차단시키는 과전류 보호모듈; 배터리 충전 전압 또는 충전 전류를 일정하게 유지하는 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 충전 모듈; 상기 PBBMS 회로와 연동하여 배터리 상태를 전송하는 배터리상태 전송모듈;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SOC-SOH기반 선박 배터리 제어 관리 시스템으로 되는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 의하여, 대한민국 선출원특허 10-2020-0025489 선박용 통합전력제어관리시스템을 더욱 개선하여, 선박의 입출항시 발전기 구동 갯수를 최적 제어하여 이산화탄소 배출량이 극도로 절감되게 하는 SOC-SOH기반 선박 배터리 제어 관리 시스템이 제공되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 전체 구조도
도 2는 SFOC(Specific Fuel Oil Consumption) 곡선 연계한 본 발명의 작동 설명도
도 3은 본 발명의 배터리 구조도
도 4는 본 발명의 배터리 제어회로부 구조도
도 5는 본 발명의 PBBMS 회로 알고리즘 순서도
도 6은 본 발명의 EEPROM에 SOC 저장 알고리즘 순서도
도 7은 본 발명의 릴레이 제어회로도
도 8은 도 7의 릴레이 제어 논리테이블

이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 컴퓨터 전문용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 공지의 용어들이지만, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하 도 1을 참고하여 살펴보면, 본 발명은 선박 내 복수 개의 발전기를 구동제어시키는 PMS(10)(Power management System); 선박 내 배터리 정보 및 발전기의 부하율을 바탕으로 배터리 상태를 결정하는 LCS(30)(Load Control System); 상기 PMS(10)와 LCS(30) 및 선박의 부하를 연계 관리 제어시키는 EMS(20)(Energy management System)로 구성되는 선박 배터리 제어 관리 시스템을 배경 기술로 한다.

상기 PMS(10)(Power management System)은 선박 내 설치된 복수 개의 발전기를 구동제어시키는 시스템 제어부로서 널리 공지되어 있으며, 자동 부하 분배를 구현하고 발전기의 효율성을 최적화하여 선박의 보조 엔진을 동기화시킨다.

상기 EMS(20)(Energy Management System)는 선박 내 시설, 설비, 공정에서 사용되는 에너지 공급 및 사용 현황을 관리하고 지원해 주며, 전력 계통 설비에 대해 감시 또는 제어를 하는 동시에 개별 부하의 에너지를 관리하는 시스템이다.

상기 LCS(30)(Load Control System)는 선박 내 배터리 정보 및 발전기의 부하율을 바탕으로 배터리 상태를 결정하는 시스템이다.

상기 LCS(30)(Load Control System)에 의해 제어되는 배터리는 선박 내 운전되는 연료전지, 재생에너지 전지, 발전기에 의한 충방전 전지가 모두 포함되지만 본 발명에서는 상기 발전기에 의한 충방전 전지만을 대상으로 설명하기로 한다.

선박은 운항 조건에 따라 다양한 부하 특성을 가지므로, 발전원이 담당해야 하는 전력도 그에 맞춰 변환된다.

본 발명은 이와 같은 선박의 운항 조건 중 입, 출항시 CO₂ 를 최소 배출하기 위하여 발전기 가동갯수를 최소화시키기 위한 것으로서, 배터리(50)와 LCS(30) 사이에 전체 배터리셀(500-1, 500-2...500-m)의 SOC(State of charge)와 SOH(State of Health, 잔존수명) 정보를 갱신 측정하고 저장되는 PBBMS(Power base battery management system) 회로를 더 포함하여 구성되며, 상기 PMS는 선박 내 복수 개의 발전기를 상기 PBBMS 회로(40)의 제어신호를 조건으로 단위 발전기 별 순차 구동시키는 특징이 더 포함된다.

일반적으로 배터리는 발전기보다 속응성이 우수하지만 배터리를 안정적으로 사용하기 위해서는 방전 및 충전 과정을 배터리 특성에 맞게 제어 관리해야 한다,

한편, 도 2의 발전기의 에너지 효율을 살펴보면, SFOC(Specific Fuel Oil Consumption) 곡선에서 보여지는 바와 같이 발전기 부하율 80~85%에서 가장 높은 효율을 가지고 있음을 알 수 있다.

본 발명은 이와 같은 발전기 에너지 효율과 배터리 속응성을 이용하여 발전기 부하율을 항상 80~85%으로 유지시키려고 평형제어하는 것을 목적으로 한다.

이를 위하여 본 발명의 상기 PMS(10)는 복수 개 발전기를 PBBMS 회로(40)의 제어신호를 조건으로 발전기 부하율이 80~85%에 도달되는 것을 조건으로 하나씩 순차 구동시키면서, 각 단위 발전기의 부하율을 상기 EMS(20)를 통해 LCS(30)로 전달시킨다.

각 단위 발전기의 부하율은 상기 EMS(20)를 통해 LCS(30)로 전달되고, 상기 PBBMS 회로(40)는 상기 LCS(30)에서 상기 단위 발전기의 부하율을 전달받아 단위 발전기의 부하율이

b) 85% 이상 과부하 상태이면 배터리 SOC(State of charge)와 SOH(State of Health, 잔존수명) 정보와 대조하여 방전 가능한 배터리를 선정하고 85% 이상 초과분 부하율만큼 배터리를 방전시켜 상기 단위 발전기의 부하율을 정상 상태로 귀환시키며,

c) 80% 이하 부족부하 상태이면

c-2) 75%이하일 경우 배터리 SOC와 SOH 정보와 대조하여 스탠바이 또는 충전 배터리를 선정하고, 선정된 배터리를 충전시켜 상기 단위 발전기의 부하율을 정상 상태로 귀환시킨다.

상기 c-1과 c-2의 상태에서 차이점은 선택되는 배터리에 있다.

이는 각 충전 입력상태에 따라 최적 배터리 SOC와 SOH가 다르므로 충전 입력에 EK라 배터리를 가변시키기 때문이다.

이하 상기 a)의 발전기 부하율 80~85%을 정상 상태로 정의하여 설명하기로 한다.

도 1과 도 5를 참고하여 살펴보면, 상기 PBBMS 회로(40)에서는 구동되는 단위 발전기의 부하율을 전달받아 배터리(50)의 구동 상태를 결정하는데, 이러한 배터리(50)의 구동상태 결정은 단위 발전기의 부하율을 상기 정상 상태로 유지시키는 것을 우선으로 하며, 발전기 부하율이 정상상태일 때는 발전기 현 상태 및 배터리 스탠바이 상태를 유지시킨다.

상기 PBBMS 회로(40)는 발전기의 정상상태로 유지시키기 위하여 상기 b)의 과부하 상태에서는 우선적으로 배터리를 능동적으로 방전시켜 상기 a)의 정상상태로 귀환시킨다.

상기 b)의 상태에서 과부하가 일정 정도를 초과하면 발전기 부하율이 100%가 되기 전에 PMS(10)로 다음 단위 발전기가 가동시키도록 제어신호를 전달하여 현재 구동되는 단위 발전기가 보호될 수 있게 한다.

또한, 상기 LCS(30)는 발전기의 정상상태로 유지시키기 위하여 상기 c)의 부족부하 상태에서는 우선적으로 배터리(50)를 능동적으로 충전시켜 상기 a)의 정상상태로 귀환시킨다.

따라서, 도 1에서 상기 a)의 정상상태 주변에서는 상기 배터리(50)가 충방전되면서 흔들리게 되는데, EMS(20)는 선박내 부하를 작동 제어하여 충방전 진동의 폭이 줄어들게 하여 부하 구동 제어에 의한 정상상태 복원이 이루어지게 한다.

본 발명의 일실시예에서는 이를 위하여 상기 EMS(20)는 상기 PBBMS 회로(40)에서 배터리 구동 정보를 전달받아 85% 이상 과부하 상태에서 연계 부하율 단계별 감소 조절 판단 또는 다른 단위 발전기 구동을 결정하는 판단을 하고, 75~80%의 부족 부하일 경우 연계 부하율 단계별 증가 조절 판단을 하여 상기 단위 발전기의 부하율을 정상 상태로 귀환시킨다.

한편, 본 발명의 상기 배터리 충방전 기동은 PBBMS 회로(40)에서 측정하고 저장된 배터리의 SOC와 SOH를 기반으로 작동 여부가 선택되어 진행된다.

배터리(50)를 나타내는 지표에는 SOH 및 SOC가 있는데, SOH는 이상적인 상태와 현재 배터리의 상태를 비교하여 나타낸 성능지수를 의미한다.

SOH가 100%일 경우 현재 배터리(50)의 상태가 초기 배터리의 규격 및 사양을 정확히 만족하고 있다는 의미이다.

다시 말하면 일반적인 배터리(50)의 제조 당시 SOH는 100%이고, 사용 기간 및 횟수가 증가할 수록 SOH는 감소한다.

SOH의 감소에 따라서 사용 가능한 배터리(50)의 총 용량은 감소하게 된다.

SOH를 확인하는 방법으로는 총 방전 전류를 적산하여 계산하는 방법이 있다.

이 방법은 배터리 셀에서 현재까지 사용된 전류가 설계전류에 대비하여 몇 번의 방전으로 실행되었는가를 계산하여 사용한다.

방전 횟수를 Cycle이라고 하며, 100Cycle은 총 설계 용량에 대비하여 100배의 전류를 저장하고 방전했다는 의미이다.

또한, Cycle 별로 스테이지를 구분하여 SOH 감소량을 차등하여 적용하여 배터리 SOH를 계산한다.

수학식 1은 배터리 Cycle을 나타내는 식이며, 수학식 2는 Cycle에 따른 SOH 변화량을 나타낸다.

Cycle : 배터리의 방전 사이클

T : 현재까지 흘려온 시간

C_discharge : 순간적인 배터리의 벙전 전류

C_design : 설계 배터리 용량

SOH_bat : 배터리의 SOH

Cycle_sn : 스테이지 n에 해당하는 사이클

D_sn : 스테이지 n에서의 SOH 감소량

SOC는 배터리의 용량 대비 충전된 전력을 의미한다.

배터리의 용량은 SOH가 적용된 용량을 의미하며, 충전된 전력을 측정하여 게산할 수 있다.

충전된 전력은 현재의 배터리 전력에서 사용된 전류를 가감하여 SOC를 계산하는 방법을 의미한다.

또 다른 방법으로는 배터리의 전압을 측정하여 배터리의 SOC를 측정하는 방법이 있다.

이는 배터리가 충전 및 방전을 하지 않느 상황에서 사용 가능하다.

아래의 수학식 3은 배터리 SOC를 측정하는 방법 중 사용된 전류를 가감하여 사용하는 방식이다.

SOC_present : 현재 SOC

SOC_before :이전 측정 SOC

α: 이전 측정 단위 시간

C_charge : 순간적인 배터리의 충전 전류[A]

C_discharge : 순간적인 배터리의 방전 전류[A]

배터리(50)의 전압에 따른 배터리의 SOC를 측정하는 방법에는 사용된 배터리 전압에 따른 SOC 관련 그래프를 통하여 확인할 수도 있다.

따라서, 본 발명의 일실시예에서 상기 PBBMS 회로(40)는 첫 기동시 배터리(50)의 전압을 측정하여 배터리(50)의 SOC를 확인하고, 배터리(50)의 사용에 따라서 배터리의 충, 방전 전류 적상에 따른 SOC 측정 방법을 사용할 수 있다.

이때, 상기 PBBMS 회로(40)에서 사용되는 관련 알고리즘은 도 6의 순서도를 통해 확인할 수 있다.

본 발명의 PBBMS 회로(40)에 연결되는 배터리(50)는 도 3에서 보여지는 바와 같이 복수 개의 배터리셀(500-1, 500-2...500-m)들로 이루어진 단위 배터리모듈(500)들의 집합으로 구성되고, 상기 단위 배터리모듈(500)에는 각 배터리셀(500-1, 500-2...500-m)의 SOC 정보를 갱신 저장하는 EEPROM(520)이 포함된 배터리 제어회로부(510)가 형성된다.

이에 의하면, 배터리(50)의 SOC가 바뀔 경우에는 EEPROM(520)(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)에 SOC를 저장하며, 도 6의 알고리즘이 실행된다.

도 6에서 첫 기동시에는 EEPROM(520)에 저장된 데이터가 없으므로, 첫 기동시 초기화 버튼을 사용하여 배터리의 SOC 불러오기 기능을 사용하지 않는다.

따라서, 본 발명에 의하면 상기 PBBMS 회로(40)에서 각 배터리셀(500-1, 500-2...500-m)의 SOC 정보를 상기 EEPROM에서 즉시 획득하여 각 단위 발전기 부하상태에서 충, 방전 배터리셀을 결정할 수 있게 된다.

본 발명의 단위 배터리모듈에는 도 7에서 보여지는 바와 같이 배터리 예비셀(500-S)을 더 포함하여 구성되는 특징이 있다.

또한, 상기 배터리 제어회로부(510)에는 전체 배터리 셀의 전압을 확인하는 배터리셀 전압 확인 모듈(531), 전체 배터리 셀을 선택적으로 연결시키는 배터리 릴레이 모듈(532), 상기 배터리 릴레이 모듈을 작동시키는 배터리 논리게이트 모듈(533)을 더 포함하여 구성되어, 상기 배터리 셀 전압 확인 모듈(531)로 전체 배터리 셀의 전압을 확인하여 배터리 불량셀을 판단하고, 상기 배터리 릴레이 모듈(532)을 작동시켜 상기 배터리 예비셀(500-S)과 배터리 불량셀을 교체시킨다.

전체 배터리 셀의 전압을 확인하는 배터리셀 전압 확인 모듈은 각 배터리 셀의 전압을 비교기 회로를 통하여 확인할 수 있게 하는 모듈이다.

전체 배터리 셀을 선택적으로 연결시키는 배터리 릴레이 모듈(532)의 일실시예는 도 7에서 도시된 바와 같이 배터리 출력측 제어 릴레이(541), 배터리 직렬 제어릴레이(542), 배터리 접지 릴레이(543)로 구분되며, 도 8의 논리 게이트를 따라 구동시킬 수 있다.

배터리는 같은 셀이라고 하더라도 특성이 다르게 나타난다.

내부 저항 및 기타 특성에 의하여 배터리에 같은 전압을 인가하더라도 충, 방전율은 다르게 나타날 수 있다, 또한, 배터리를 사용함에 있어서 배터리의 수명이 달라진다.

그러한 상황이 발생되어 단위 배터리모듈(500)을 구성하는 배터리셀(500-1, 500-2...500-m) 중 하나가 고장난 경우, 전체 배터리에 영향을 미치게 된다.

이와 같은 경우에는 단위 배터리모듈(500)을 교환해야 하므로 경제적이지 못하다.

특히, 항로 표지 혹은 전기 추진선박 등에 사용되는 단위 배터리 모듈은 대용량이므로 유지 및 보수 비용을 증가시키는데 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 배터리 모듈에 미리 예비셀(500-S)을 넣어두고, 상기 배터리 제어회로부(510)에서 상기 예비셀(500-S)을 필요시 사용하는 릴레이 제어회로를 제공한다.

이에 대하여, 도 7의 실시예를 살펴보면, 먼저 도 7의 (a)와 같이 배터리의 예비셀(500-S)을 넣어두고 사용하지 않도록 릴레이를 제어한다.

예비 셀을 사용하지 않는 도 7의 (a) 상태를 초기 상태라고 하고, 초기 상태에서는 릴레이의 제어가 일어나지 않도록 한다.

릴레이의 제어가 일어나지 않을 경우에는 릴레이에 따른 전력 소비가 없으므로 경제적으로 사용할 수 있다.

이 상태에서 도 7의 (b)와 같이 배터리 셀 중 불량이 발생되면 배터리의 릴레이를 제어하여 배터리의 예비셀(500-S)을 사용한다.

즉, 도 7에 의하면 배터리셀이 고장나는 경우 도 8의 논리게이트의 구동에 의해서 고장셀(500-2)은 접지선로를 통해 회피되고 예비셀(500-S)이 직렬연결됨을 알 수 있다.

한편, 상기 배터리 제어회로부(510)에는 각 배터리 셀의 전압을 감지하여, 특정 배터리 셀의 전압이 높으면 해당 배터리 셀의 전압을 낮추는 패시브 밸런싱 기능 또는 특정 배터리 셀의 전압이 높으면 해당 배터리 셀의 전압으로 다른 배터리 셀을 충전시키는 액티브 밸런싱 기능이 수행되는 셀 밸런스 모듈; 배터리의 과충전 및 과방전 방지 모듈; 배터리 출력단에 이상 전류가 흐르는 경우 배터리 출력선로를 차단시키는 과전류 보호모듈; 배터리 충전 전압 또는 충전 전류를 일정하게 유지하는 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 충전 모듈; 상기 LCS와 연동하여 배터리 상태를 전송하는 배터리상태 전송모듈;을 포함하여 구성된다.

첫번째, 셀 밸런스 모듈은 Cell Balancing기능을 수행하며 Cell Balancing은 Passive Balancing과 Active Balancing을 포함한다.

Passive Balancing은 배터리의 전압을 셀 단위로 측정하여 셀의 전압이 타 셀보다 높아지면, 스위치를 통하여 셀의 전력을 저항에 사용하여 전압을 낮춘다.

이 방법은 배터리의 전력을 소비하여 전력을 소비하므로 출전된 전력에 비하여 낮은 전력을 사용한다. 하지만, 회로가 간단하다는 장점이 있으므로 저비용으로 구축이 가능하다.

Active Balancing은 배터리 셀 간의 충전 상태가 일정치 않으면, 충전 상태가 높은 배터리로부터 전력을 공급받아 콘덴서 및 코일에 저장하여 낮은 충전 상태의 배터리에 충전한다. 배터리 셀의 전력을 열에너지로 방출하지 않고, 타 배터리에 충전한다는 점에서 배터리의 효율이 증가한다. 하지만 회로의 제작이 복잡하고 관리가 어렵다는 단점이 있다.

두번째, 배터리의 과충전 및 과방전 방지 모듈은 과충전 및 과방전 방지기능을 수행한다.

배터리를 과충전 할 경우에는 배터리의 전압이 높아져 배터리가 폭발할 수 있는 위험이 있다. 배터리를 과충전하지 않기 위해서는 배터리의 전압이 정격 전압보다 높아질 경우, 배터리 충전 전압을 차단하거나 배터리의 셀의 전력을 인위적으로 소비하는 방법이 있다. 따라서 본 발명에서 사용한 PBBMS의 배터리의 과충전을 방지하기 위하여 배터리의 전압이 높을 경우 충전 전압을 차단하는 기능을 갖추고 있다. 또한, 배터리 셀 밸런싱에서 사용된 Passive Balancing을 사용하여 셀의 전압을 정격 전압보다 높은 경우에 셀의 전력을 소비시킬 수 있다.

배터리를 과방전 할 경우에는 배터리의 기능이 낮아질 뿐만 아니라, 안정성에도 위해된다. 리튬이온전지의 과방전이 된 경우에는 내부 극판에 Dendlite의 형성이 촉진되고, 음극판을 향해서 성장한다. Dendlite는 추후 분리막을 손상시키고, 배터리가 충전될 경우에 배터리가 팽창하면서 적극 극판이 단락될 수 있다. 따라서 배터리의 과방전을 보호한다. 배터리의 과방전을 방지하기 위해서 배터리의 전압이 설정 전압보다 낮아진 경우에 배터리의 출력을 진행하지 않도록 한다.

세번째, 온도에 따른 배터리 사용 방지 및 조절 모듈은 온도에 따른 배터리 사용 방지 및 조절 기능을 포함한다.

배터리는 사용 온도에 따라 배터리의 수명 및 효울에 영향이 있다. 배터리는 낮은 온도에서 사용할수록 배터리의 수명이 길어진다. 따라서 배터리 팩의 온도를 확인하여 온도를 낮춰줄 수 있는 장치를 사용하거나 배터리의 사용을 중지할 수 있다. 이는 설정된 값을 기준으로하여 배터리의 온도를 조절할 수 있다.

네번째, 과전류 보호모듈은 과전류 보호 기능을 수행한다.

배터리의 출력단이 단락되어 이상 전류가 흐를 경우, 배터리의 출력을 멈추고 방전을 방지한다. 배터리의 출력단의 전류 측정 센서를 통하여 일정한 수치 이상의 전류가 흐를 경우 배터리를 차단한다. 따라서 본 발명의 일실시예에서 PBBMS는 배터리의 출력 전류 측정부와 차단부를 형성시키는 것이 바람직하다.

다섯번째, CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 충전 모듈은 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage)충전 기능을 수행한다.

배터리의 충전을 최적화하기 위해서 CC충전과 CV충전을 해야한다. CC충전은 충전 전류를 일정하게 유지하여 충전하는 것이고, CV충전은 전압을 일정하게 유지하여 충전을 의미한다. CC충전은 전압이 공칭 전압보다 낮을 때 진행하며, 설정된 전류를 일정하게 유지하기 위하여 전압을 조정하여 충전한다. CV충전은 전압이 공칭 전압과 같을 때 진행하고, 공칭 전압과 같은 전압으로 충전한다. 또한 충전 전류가 충전 종지 전류가 될 시, 충전을 멈춘다.

여섯번째, 배터리상태 전송모듈은 배터리 상태 전송 기능을 수행한다.

배터리의 관리 및 제어를 담당하는 PBBMS는 LCS와 연동되어 배터리의 상태에 대해 전송한다. 배터리의 상태는 충전 상태(State of Charge, SOC), 건강 상태(State Of Health, SOH), 배터리 방전 사이클(Cycle), 배터리 충ㆍ방전 전류, 배터리의 상태(Charge, Discharge, Stand By)등을 전송한다. 상기 상태는 배터리를 나타내는 특징이며, LCS에서는 이를 통하여 배터리의 상태를 결정 짓는다. 또한 LCS에서의 명령을 PBBMS에서 수신하여 배터리를 제어한다.

이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 도면은 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예로서 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.

따라서 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 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

10 : PMS(Power management System)
20 : EMS(Energy management System)
30 : LCS(Load Control System)
40 : PBBMS(Power base battery management system) 회로
50 : 배터리
500 : 단위 배터리모듈
500-1, 500-2...500-m : 배터리셀
500-S : 예비셀
510 : 배터리 제어회로부
520 : EEPROM
531 : 배터리셀 전압 확인 모듈
532 : 배터리 릴레이 모듈
533 : 배터리 논리게이트 모듈
541 : 배터리 출력측 제어 릴레이
542 : 배터리 직렬 제어릴레이
543 : 배터리 접지 릴레이

Claims

선박 내 복수 개의 발전기를 구동제어시키는 PMS(Power management System); 선박 내 배터리 정보 및 발전기의 부하율을 바탕으로 배터리 상태를 결정하는 LCS(Load Control System); 상기 PMS와 LCS 및 선박의 부하를 연계 관리 제어시키는 EMS(Energy management System)로 구성되는 선박 배터리 제어 관리 시스템에서,
상기 배터리와 LCS 사이에
전체 배터리 셀의 SOC(State of charge)와 SOH(State of Health, 잔존수명) 정보를 갱신 측정하고 저장되는 PBBMS(Power base battery management system) 회로를 더 포함하여 구성되며,
상기 PMS는 선박 내 복수 개의 발전기를 상기 PBBMS회로의 제어신호를 조건으로 단위 발전기 별 순차 구동시키면서, 각 단위 발전기의 부하율을 상기 EMS를 통해 LCS로 전달시키고,
상기 PBBMS 회로는 상기 LCS에서 상기 단위 발전기의 부하율을 전달받아 단위 발전기의 부하율이
a) 80~85% 일 경우 정상 상태로 판단하여 발전기 현 상태 및 배터리 스탠바이 상태를 유지시키며,
b) 85% 이상 과부하 상태이면 다른 단위 발전기의 구동 또는 배터리 방전을 판단하고, 배터리 방전 판단의 경우 배터리 SOC와 SOH 정보와 대조하여 방전 가능한 배터리를 선정하고 85% 이상 초과분 부하율만큼 배터리를 방전시켜 상기 단위 발전기의 부하율을 정상 상태로 귀환시키며,
c) 80% 이하 부족부하 상태이면
c-1) 75~80%일 경우 배터리 SOC와 SOH 정보와 대조하여 스탠바이 또는 충전 배터리 선정하고, 선정된 배터리를 충전시켜 상기 단위 발전기의 부하율을 정상 상태로 귀환시키고
c-2) 75%이하일 경우 배터리 SOC와 SOH 정보와 대조하여 스탠바이 또는 충전 배터리를 선정하고, 선정된 배터리를 충전시켜 상기 단위 발전기의 부하율을 정상 상태로 귀환시킴으로써,
선박의 단위 발전기들이 부하율 80~85% 인 정상 상태에 안정 진입을 조건으로 순차 구동되게하여 최소 가동으로 선박의 이산화탄소 배출을 절감시키며,
상기 PBBMS 회로에 연결되는 배터리는
복수 개의 배터리셀들로 이루어진 단위 배터리모듈들의 집합으로 구성되고,
상기 단위 배터리모듈에는 각 배터리셀의 SOC 정보를 갱신 저장하는 EEPROM이 포함된 배터리 제어회로부가 형성되어,
상기 PBBMS 회로에서 각 배터리셀의 SOC 정보를 상기 EEPROM에서 즉시 획득하여 각 단위 발전기 부하상태에서 충, 방전 배터리셀을 결정할 수 있고,
상기 단위 배터리모듈에는
배터리 예비셀을 더 포함하여 구성되고,
상기 배터리 제어회로부에는
전체 배터리 셀의 전압을 확인하는 배터리셀 전압 확인 모듈;
전체 배터리 셀을 선택적으로 연결시키는 배터리 릴레이 모듈;
상기 배터리 릴레이 모듈을 작동시키는 배터리 논리게이트 모듈;
을 더 포함하여 구성되어,
상기 배터리 셀 전압 확인 모듈로 전체 배터리 셀의 전압을 확인하여 배터리 불량셀을 판단하고, 상기 배터리 릴레이 모듈을 작동시켜 상기 배터리 예비셀과 배터리 불량셀을 교체시키는 것을 특징으로 하는 SOC-SOH기반 선박 배터리 제어 관리 시스템.
제1항에 있어서 상기 EMS는
상기 PBBMS 회로에서 배터리 구동 정보를 전달받아
85% 이상 과부하 상태에서 연계 부하율 단계별 감소 조절 판단 또는 다른 단위 발전기 구동을 결정하는 판단을 하고,
75~80%의 부족 부하일 경우 연계 부하율 단계별 증가 조절 판단을 하여
상기 단위 발전기의 부하율을 정상 상태로 귀환시키는 것을 특징으로 하는 SOC-SOH기반 선박 배터리 제어 관리 시스템.
제1항에 있어서 상기 배터리 제어회로부에는
각 배터리 셀의 전압을 감지하여, 특정 배터리 셀의 전압이 높으면 해당 배터리 셀의 전압을 낮추는 패시브 밸런싱 기능 또는 특정 배터리 셀의 전압이 높으면 해당 배터리 셀의 전압으로 다른 배터리 셀을 충전시키는 액티브 밸런싱 기능이 수행되는 셀 밸런스 모듈;
배터리의 과충전 및 과방전 방지 모듈;
배터리 출력단에 이상 전류가 흐르는 경우 배터리 출력선로를 차단시키는 과전류 보호모듈;
온도에 따른 배터리 사용 방지 및 조절 기능을 수행하는 온도에 따른 배터리 사용 방지 및 조절 모듈;
배터리 충전 전압 또는 충전 전류를 일정하게 유지하는 CC-CV(Constant Current-Constant Voltage) 충전 모듈;
상기 PBBMS 회로와 연동하여 배터리 상태를 전송하는 배터리상태 전송모듈;을
포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SOC-SOH기반 선박 배터리 제어 관리 시스템.
삭제
삭제