KR102436468B1

KR102436468B1 - 배터리 전원 설비 진단 hmi 시스템

Info

Publication number: KR102436468B1
Application number: KR1020220052451A
Authority: KR
Inventors: 정준호; 소윤섭; 송보미; 김시은; 김기연
Original assignee: 주식회사 에스엠전자
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2022-08-29

Abstract

본 발명은 배터리 셀의 +/- 단자에 결합 부착되는 PCB(Printed Circuit Board)) 보드 형태로 구현되며, 근거리 무선 통신 기능을 가지는 BMS을 제안함으로써, 이를 통해 배터리 셀에 BMS의 설치 및 교체가 간단하게 이루어질 수 있게 해주고, 배터리 시스템에 구비되는 복수개의 배터리 셀 각각 상태를 보다 상세하고 효율적으로 모니터링할 수 있도록 해준다. 또한 BMS에서 복수개의 배터리 셀 각각의 내부저항을 추가적으로 측정 및 모니터링할 수 있도록 함으로써, 내부저항 측정이 실시간으로 이루어질 수 있고, RTU가 BMS에서 측정한 배터리 셀의 내부저항을 이용하여 배터리의 노화를 판단하기 쉬워진다.

Description

배터리 전원 설비 진단 HMI 시스템{Battery Powered Equipment Diagnostic Human-Machine Interface System}

본 발명은 배터리 전원 설비 진단 HMI 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 2차 전지는 전기 자동차, 에너지 저장 시스템 및 무정전 전원 공급 장치와 같은 고용량을 필요로 하는 환경에서는 단위 2차 전지 셀(Cell)을 복수개 접합함으로써 하나의 배터리 모듈로 사용할 수 있으며, 경우에 따라 배터리 모듈을 복수개 접합하여 사용할 수 있다.

복수개의 배터리 모듈을 함께 사용하는 경우, 과전류 및 과전압 등과 같은 이상 동작으로 인해 배터리 모듈이 과열되고, 이로 인해 배터리 모듈이 부풀어서 파손되는 등의 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제점을 보완하기 위해 다수 개의 접합되어 사용되는 경우 항상 각 개별 모듈의 전압, 전류 및 온도 등의 여러 상태 정보를 측정 및 모니터링하고 단위 셀의 과충전 또는 과방전되는 것을 방지하는 기술이 필요하다.

종래의 배터리 안전 관리 시스템은, 이러한 문제를 해결하기 위하여 각 배터리마다 전류, 전압 및 온도와 같은 상태 정보를 획득하고, 획득한 상태 정보를 배터리 안전 관리 시스템 외부에 위치하는 RTU(Remote Terminal Unit)에 송신하며, RTU에서는 수신한 배터리의 상태 정보를 기반으로 배터리의 이상 유무를 진단하였다.

다만, 종래에는 하나의 배터리 상태 모니터링 시스템을 통해 복수개의 배터리 상태를 통합 센싱해야 하는 한계가 있었다.

또한 배터리 각각에 한 개의 배터리 상태 모니터링 시스템을 배치하는 경우도 있으나, 이러한 경우 배터리 상태 모니터링 시스템과 RTU이 유선 통신함에 따라 신호라인 배선이 매우 복잡해지고 이의 유지 보수에도 많은 비용이 드는 부가적인 문제가 있었다.

한편, 배터리는 충전과 방전이 반복되고, 일정하지 않은 전압이 인가되는 경우 아크(arc)가 발생할 가능성이 매우 높다. 또한 지락이나 배터리 용량 초과, 타 물건과의 접촉 등에 의해 비정상적으로 전류가 흐르게 되면, 전력 제어 설비 내부의 부스바, 케이블, 전선간의 접촉부, 단자 접촉부에서 아크가 반복적으로 발생할 수 있다. 아크 발생은 화재나 폭발 등으로 이어질 수 있다. 따라서 배터리 안전 관리 시스템은, 아크 발생시 이를 신속하고 정확하게 감지하여 화재나 폭발을 예방하는 것이 중요하다.

종래 배터리 안전 관리 시스템에 설치되는 아크 검출 장치는 전류 센서(Current Transformer)의 고주파 특성에 의한 아크 검출 방식을 사용하였다. 즉, 소스와 부하를 연결하는 전원 라인에 연결된 전류 센서부터 전류변화량에 따른 전압 신호를 인가받아 아크 발생시 나타나는 고주파 특성만을 필터링하여 증폭과 FFT(Fast Fourier Transform) 분석을 통해 아크를 검출하였다. 이때 정확한 아크 검출을 위해서 DWT(Discrete Wavelet Transform) 분석을 실시한다. 그 이유는 DWT 분석을 거치지 않으면 인버터 작동과 같이 아크가 아닌 경우를 아크로 오인할 수 있기 때문이다. 그러나 DWT 분석을 하기 위해서는 고사양의 배터리 안전 관리 시스템이 필요하며, 이러한 고사양의 시스템을 구축하기 위해 소프트웨어적, 하드웨어적으로 많은 비용이 들어간다.

한편, 배터리는 사용하면서 비가역적인 노화가 진행되고 이로 인해 배터리의 성능이 감소한다. 배터리 내부저항은 배터리가 노화될수록 증가하므로 배터리의 노화를 판단하기 위해 배터리의 내부저항을 이용할 수 있다. 그런데 종래 배터리 안전 관리 시스템은 배터리 내부저항을 측정하기 위해, 작업자가 내부저항 측정기로 다수개의 각 배터리 셀의 내부저항을 하나씩 일일이 측정해야 하므로, 실제로 배터리 셀의 내부저항을 이용하여 배터리의 노화를 판단하기 어렵다.

한국공개특허(10-2019-0012718)

본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 배터리 전원 설비 진단 HMI 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 배터리 전원 설비 진단 HMI 시스템은,

배터리 셀 각각의 출력 단자에 결합 부착되는 PCB(Printed Circuit Board) 보드 형태로 구현되어, 배터리 셀의 전력(전압, 전류), 배터리 셀 +/- 단자 온도, SOC(State of charge), SOH(State Of Health), 내부저항을 측정하여 근거리 무선 통신방식으로 출력하는 복수개의 BMS(Battery Management System);

상기 복수개의 BMS 각각이 획득 및 전송하는 측정 데이터를 채널별 수신 및 저장함과 동시에, 채널별 측정 데이터로부터 배터리 셀 출력, 배터리 셀 전압, 충방전 전류, 충방전율, 충전 에너지, 최소 및 최대 온도, 최소 및 최대 전압, 시스템 전체 전압, 배터리 셀 내부저항 평균, 배터리 셀의 보정 내부저항, 최대 온도 배터리 셀 온도/위치, 통신 상태와 같은 부가 정보를 추가 추출한 후 채널별 측정 데이터와 함께 사용자 안내하는 RTU(Remote Terminal Unit);

상기 복수개의 BMS가 상기 RTU에 접속 및 통신할 수 있도록 하는 사설 네트워크를 형성 및 운영하는 공유기; 및

상기 공유기와 상기 RTU 사이에 연결된 DC 선로에 설치되어, 배터리 시스템의 DC 선로에 발생하는 아크를 검출하는 아크 검출기를 포함하며,

상기 RTU는 사용자가 기 등록된 웹 페이지에 접속하거나 모니터링 프로그램을 실행하여 상기 채널별 측정 데이터, 부가 정보, 계측 정보를 검색 및 열람할 수 있도록 하는 HMI(human-machine interface) 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 RTU가 BMS에서 측정한 내부저항을 보정 과정을 거쳐 보정 내부저항을 산출하는데, 배터리 셀의 보정 내부저항은 복수개의 배터리 셀의 내부저항의 평균적인 상태를 반영하게 되므로, 배터리 셀 각각의 내부저항의 편차를 줄인 상태로, 배터리 노화를 판단하게 된다. 따라서 단순히 각 배터리 셀의 개별적인 내부저항 상태에 기초로 하지 않고 배터리 셀 전체 내부저항과의 관계에서 각 배터리 셀의 내부저항의 변화를 파악할 수 있게 된다. 따라서 배터리 노화 판단의 정확도가 높아져, 부정확한 진단으로 인해 낭비되는 배터리 셀 교체 비용을 줄일 수 있다.

본 발명은 RTU가 HMI(human-machine interface) 수단을 구비하여 사용자가 기 등록된 웹 페이지에 접속하거나 모니터링 프로그램을 실행하여 상기 채널별 측정 데이터, 부가 정보, 계측 정보를 검색 및 열람할 수 있도록 함으로써, 사용자가 배터리 상태를 보다 상세하고 효율적으로 모니터링하고 관리할 수 있도록 해준다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 전원 설비 진단 HMI 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS가 부착된 배터리 셀을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS가 부착된 배터리 셀을 실제로 찍은 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BMS의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 밸런싱부의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부저항 측정기의 구동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 RTU에 제공되는 모니터링 화면의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 검출기의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
도 9는 아크가 발생하였을 때, 메인센서로부터 획득된 전압 신호(L1)와 보조센서로부터 획득된 전압 신호(L2)를 나타내는 오실로스코프의 실제 화면을 나타낸 사진이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 전원 설비 진단 HMI 시스템을 자세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 전원 설비 진단 HMI(human-machine interface) 시스템은, BMS(Battery Management System)(110), 공유기(120), RTU((Remote Terminal Unit)(130), 아크 검출기(140)로 구성된다.

[BMS(110)]

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, BMS(110)는 복수개가 배터리 시스템에 구비되는 복수개의 배터리 셀 각각에 결합 부착된다.

BMS(110) 각각은 배터리 셀의 전력(전압, 전류), 배터리 셀 +/- 단자 온도, 배터리 셀 노화 상태(SOC; State of charge, SOH; State Of Health), 내부저항을 측정 및 통보하고, 또한 셀 밸런싱 동작을 수행하도록 한다.

특히, 본 발명의 BMS(110)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 배터리 셀의 +/- 단자에 결합 부착되는 PCB(Printed Circuit Board)) 보드 형태로 구현되도록 함으로써, BMS로 인한 시스템 부피 증가가 최소화될 수 있도록 한다. 또한 무선 통신 방식으로 측정 데이터를 전송할 수 있도록 함으로써, 복잡한 신호라인 배선 추가도 전혀 필요 없도록 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 BMS(110)는 전력 센서(111), 제1 및 제2 온도 센서(112, 113), 배터리 셀 노화 상태 측정부(114), 셀 밸런싱부(115), 내부저항 측정기(116) 및 BMS 제어부(117) 등을 포함한다.

그리고 본 발명의 BMS(110)는 상기 구성 요소를 실장하며 배터리 셀의 +/- 단자에 결합 부착되는 PCB 보드 형태로 구현되도록 함으로써, BMS(110)에 의해 시스템 부피가 증가되는 것이 최소화될 수 있도록 한다.

이때, PCB 보드의 신호 단자와 배터리 셀의 +/- 단자에 접하도록 하되, 배터리 셀의 +/- 단자간 거리보다 PCB 보드내 신호 단자간 거리가 약 0.5mm 만큼 더 크게 제작하도록 한다. 이는 PCB 보드가 배터리에 결합 부착되는 경우, PCB 보드가 조금 휘어지면서 PCB 보드내 신호 단자가 배터리 셀의 +/- 단자쪽으로 밀리는 인장력이 발생하고, 이로 인해 PCB 보드내 신호 단자와 배터리 셀의 +/- 단자간 쪼임 상태가 보다 오래 동안 보다 안정적으로 유지될 수 있도록 하기 위함이다.

<전력 센서(111), 제1 및 제2 온도 센서(112, 113), 배터리 셀 노화 상태 측정부(114)>

전력 센서(111)는 전력 센서 및 전류 센서를 통해 자신이 결합 부착된 배터리 셀의 전압 및 전류를 측정 및 통보한다.

제1 및 제2 온도 센서(112, 113)는 자신이 결합 부착된 배터리 셀의 + 단자와 - 단자에 인접되도록 PCB 보드 상에 배치되며, 이들을 통해 배터리 셀의 + 단자와 - 단자의 온도를 각각 측정 및 통보한다.

배터리 셀 노화 상태 측정부(114)는 SOC 및 SOH 측정 알고리즘을 구비하고, 이를 통해 배터리 셀의 SOC 및 SOH를 측정 및 통보하도록 한다.

<셀 밸런싱부(115)>

셀 밸런싱부(115)는 RTU(130)의 제어하에 평균 전압 보다 높은 전압값을 출력하는 배터리 셀의 출력 전압을 강제 강하시켜, 모든 배터리 셀의 출력이 일정 값을 가질 수 있도록 한다.

도 5(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 셀 밸런싱부(115)는 배터리 셀의 + 단자와 - 단자에 사이에 직렬 연결된 캐패시터(C), 배터리 셀의 + 단자와 캐패시터 일측 사이에 삽입된 제1 트랜지스터(TR1), 배터리 셀의 - 단자와 캐패시터 타측 사이에 삽입된 제2 트랜지스터(TR2), 캐패시터(C)에 병렬 연결된 저항(R)을 포함하여 구성된다.

이러한 경우, 본 발명의 RTU(130)는 배터리 셀 각각의 출력 전압을 모두 수집 및 분석하여 배터리 셀 평균 전압(또는 배터리 셀 최소 전압)을 계산하고, 이를 기준으로 배터리 셀 각각의 전압 초과분을 산출하도록 한다.

그리고 RTU(130)가 PWM 기반으로 제어 신호를 생성 및 제공함으로써, 셀 밸린싱에 의한 발열을 최소화하면서, 배터리 셀 각각의 전압 초과분에 기반하여 제어 신호의 듀티 폭을 조정하고, 이에 따라 배터리 셀 전압 초과분에 비례하여 BMS(110) 각각의 셀 밸런싱 수행 구간을 증가시킬 수 있도록 한다. 그 결과, 배터리 셀 전압 초과분이 셀 밸런싱부(115)를 통해 보다 안전하게 모두 방전되어, 배터리 셀 모두의 최종 출력은 동일 전압값을 가질 수 있도록 한다.

이에 RTU(130)가 셀 밸런싱을 위해 듀티 폭이 조정된 제어 신호를 생성 및 출력하면, 도 5(b)와 같이 셀 밸런싱부(115) 각각은 제어 신호에 따라 제1 및 제2 트랜지스터(TR1,2)를 일시 작동 시키고, 작동 된 제1 및 제2 트랜지스터(TR1,2)는 배터리 셀 전압 초과분이 캐패시터(C)에 인가되어 충전되도록 한다.

그리고 도 5(c)와 같이 제1 및 제2 트랜지스터(TR1,2)의 비작동 구간이 되면, 제1 및 제2 트랜지스터(TR1,2)는 배터리 셀과의 연결을 차단하고, 캐패시터(C)에 충전된 배터리 셀 전압 초과분이 저항(R)을 통해 모두 방전되도록 한다.

이와 같이 본 발명은 트랜지스터를 통해 배터리 셀 전압 초과분을 캐패시터에 충전하는 액티브 방식과, 저항을 통해 전압 초과분을 모두 방전시키는 패시브 방식이 결합된 새로운 셀 밸런싱 방식을 제안하도록 한다.

특히, 본 발명에서 제안한 셀 밸런싱 방식은 저항이 배터리 셀 전압 초과분을 방전시키는 동안에는 저항과 배터리 셀 신호라인과의 연결이 차단되도록 함으로써, 저항에 의해 누설 전류가 발생하고 절연 저항이 증가되는 현상의 발생을 사전 차단하도록 한다. 즉, 셀 밸런싱 회로의 부하 저항에 의해 누설 전류 및 절연 고장 오 검출 가능성을 사전 차단하도록 한다.

<내부저항 측정기(116)>

내부저항 측정기(116)는 배터리 셀의 내부저항을 측정 및 통보하도록 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 내부저항 측정기(116)는 셀 밸런싱부(115)에 의한 부하 저항을 R로 설정하고, 배터리 셀 출력 전압을 Voc로 설정한다.

그리고 셀 밸런싱에 따른 전압강하가 미세하게 발생하는데, 이때의 전압 강하량을 Vload라고 설정한다.

[수학식 1]

Rbat(MΩ)= (Voc-Vload) * R / Vload

상기 수학식 1에 따라, 배터리 셀 출력 전압에서 전압 강하량을 뺀 후 부하 저항 R을 곱하고, 이 값을 전압 강하량 Vload으로 나누어 배터리 셀의 내부저항 Rbat를 산출한다.

여기서, R은 셀 밸런싱부에 의한 부하저항, Voc는 배터리 셀 출력 전압, Vload는 셀 밸런싱에 의한 전압 강하량이다.

<BMS 제어부(117)>

BMS 제어부(117)는 와이파이 등과 같은 근거리 무선 통신을 지원하는 무선 통신 모듈을 구비하고, 상기 구성 요소들을 통해 획득된 데이터를 수집하여 근거리 무선 통신 방식으로 출력하거나, 근거리 무선 통신 방식으로 전송되는 제어 신호를 수신하여 관련 구성 요소에 전달하는 동작을 수행한다.

즉, 근거리 무선 통신을 이용하여 신호 송수신하도록 함으로써, 외부 장치와의 신호 송수신을 위한 신호 배선이 추가될 필요가 없도록 한다.

더하여, LED 인디케이터를 구비하고, 이를 통해 BMS의 동작 상태를 시각적으로 안내할 수 있도록 한다. 예를 들어, BMS의 정상 구동 상태, 수신 에러 상태, 셀 밸런싱 수행 상태, 고장 상태 등을 LED 발광 색을 통해 안내해줌으로써, 사용자가 BMS의 외관 체크를 통해 BMS의 동작 상태를 즉각적으로 파악할 수도 있도록 한다.

이와 같이, 본 발명의 BMS는 시스템 부피 증가와 신호라인 추가 없이 배터리 셀의 전력(전압, 전류), 배터리 셀 +/- 단자 온도, 배터리 셀 노화 상태를 측정할 수 있도록 한다.

특히, 본 발명의 BMS는 내부저항이라는 새로운 정보를 추가적으로 획득 및 제공함으로써, 이를 통해 배터리 셀 노화 정도를 저항 값 기반으로 파악할 수 있도록 해준다.

[공유기(120)]

공유기(120)는 무선 통신망 연결(access)을 위한 거점(point) 역할을 하며, BMS(110) 각각에 가상 IP 주소 혹은 사설 IP 주소를 자동 할당한 후, 이를 기반으로 복수개의 BMS(110)가 하나의 RTU(130)에 접속 및 통신할 수 있도록 하는 사설 네트워크를 형성 및 운영하도록 한다.

[RTU(130)]

RTU(130)는 복수개의 BMS(110) 각각이 획득 및 전송하는 측정 데이터를 채널별로 수신 및 저장함과 동시에, 채널별 측정 데이터로부터 배터리 셀 출력, 배터리 셀 전압, 충방전 전류, 충방전율, 충전 에너지, 최소 및 최대 온도, 최소 및 최대 전압, 시스템 전체 전압, 배터리 셀 내부저항 평균, 배터리 셀의 보정 내부저항, 최대 온도 배터리 셀 온도/위치, 통신 상태 등과 같은 부가 정보를 추가 추출하도록 한다.

RTU(130)가 배터리 셀 각각의 보정 내부저항을 추출하는 과정을 설명한다.

배터리 셀이 출고될 때 배터리 셀 각각이 가지는 고유 내부저항을 (Rnew)n라고 정의한다. 여기서, n은 배터리 셀의 순번이다.

따라서, (Rnew)1은 첫 번째 배터리 셀의 고유 내부저항, (Rnew)2는 두 번째 배터리 셀의 고유 내부저항, (Rnew)n은 n번째 배터리 셀의 고유 내부저항이 된다. 배터리 셀 각각의 고유 내부저항은 배터리 셀 제조사가 제공한다.

[수학식 2]

An = (Rbat)n / (Rnew)n

상기 수학식 2에 따라, 복수개의 BMS(110) 각각이 측정하여 전송한 내부저항 (Rbat)n을 배터리 셀 각각의 고유 내부저항 (Rnew)n으로 나누어 배터리 셀 각각의 내부저항 보정상수 An를 산출한다.

여기서, (Rbat)n은 n번째 배터리 셀의 산출 내부저항, (Rnew)n은 n번째 배터리 셀의 고유 내부저항, n은 배터리 셀의 순번 (n=1,2,3...n)이다.

[수학식 3]

Aav = (A1+A2+A3+.....+An) / N

상기 수학식 3에 따라, 내부저항 보정상수들의 합을 배터리 셀의 전체 개수 N으로 나누어 내부저항 보정상수 평균 Aav을 산출한다.

여기서, N은 배터리 셀의 전체 개수다.

[수학식 4]

(Radj)n = Aav * (Rbat)n

상기 수학식 4에 따라, 내부저항 보정상수 평균 Aav을 각 배터리 셀의 내부저항 (Rbat)n에 곱하여 각 배터리 셀의 보정 내부저항 (Radj)n을 산출한다.

이와 같이, RTU(130)는 각 배터리 셀의 보정 내부저항을 산출하여, 배터리 셀의 노화 정도를 더 정확하게 파악하는 기준으로 활용한다.

여기서, 배터리 셀의 보정 내부저항은 복수개의 배터리 셀의 내부저항의 평균적인 상태를 반영하게 되므로, 배터리 셀 각각의 내부저항의 편차를 줄인 상태로, 배터리 노화를 판단하게 된다. 따라서 단순히 각 배터리 셀의 개별적인 내부저항 상태에 기초로 하지 않고 배터리 셀 전체 내부저항과의 관계에서 각 배터리 셀의 내부저항의 변화를 파악할 수 있게 된다. 따라서 배터리 노화 판단의 정확도가 높아져, 부정확한 진단으로 인해 낭비되는 배터리 셀 교체 비용을 줄일 수 있다.

RTU(130)는 누설 감시 센서, 절연 저항 계측기를 통해 배터리 시스템의 절연 저항, 누설 전류량을 계측할 수 있다.

RTU(130)는 키보드, 모니터, 소프트웨어 등으로 구성된 HMI(human-machine interface) 수단(131)을 구비하고, 이를 통해 사용자가 기 등록된 웹 페이지에 접속하거나 모니터링 프로그램을 실행하여 상기 채널별 측정 데이터, 부가 정보, 계측 정보를 검색 및 열람할 수 있도록 한다. HMI 수단(131)은 프린터와 연결되어 사용자가 배터리 상태에 대한 리포트를 요청하는 경우 배터리 진단 결과 내용을 출력할 수 있다.

한편, RTU(130)는 모니터 단말과 연결될 수 있다. 모니터 단말은 노트북, 데스크 탑, 스마트 폰, 태블릿 PC 등으로 구현되어, 이를 통해 사용자가 상기의 웹 페이지에 접속하거나 모니터링 프로그램을 실행하여 RTU(130)에 획득 및 업로드된 채널별 측정 데이터, 부가 정보, 계측 정보를 검색 및 열람할 수 있도록 한다. RTU(130)는 배터리 셀 각각의 보정 내부저항이 설정된 범위를 벗어나는 경우 모니터 단말을 통해 사용자에게 경고할 수 있다.

한편, RTU(130)는 채널별 측정 데이터, 부가 정보, 계측 정보를 사용자에게 안내하는 모니터링 화면을 제공한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 모니터링 화면을 좌우측 두 개의 화면으로 분할한다.

그리고 복수개의 배터리 셀 각각에 대응되며, 관련 배터리 셀의 주요 측정 데이터를 우선 안내하는 복수개의 배터리 셀 아이콘을 생성한 후, 이들을 우측 제1 분할 화면을 통해 표시하도록 한다.

이때, 측정 데이터는 BMS가 측정 및 제공하는 배터리 셀의 전력(전압, 전류), 배터리 셀 +/- 단자 온도, 배터리 셀 노화 상태(SOC; State of charge, SOH; State Of Health), 내부저항, 셀 밸런싱 수행 여부일 수 있으며, 사용자에 의해 측정 데이터 중 적어도 하나를 주요 측정 데이터로 선택 및 표시할 수 있도록 한다.

그리고 복수개의 BMS(110) 각각이 획득 및 전송하는 측정 데이터를 수집 및 분석하여, 배터리 셀 출력, 배터리 셀 전압, 충방전 전류, 충방전율, 충전 에너지, 최소 및 최대 온도, 최소 및 최대 전압, 시스템 전체 전압, 배터리 셀 내부저항 평균, 최대 온도 배터리 셀 온도/위치, 통신 상태 등과 같은 부가 정보를 추가 추출하고, 이를 좌측 제2 분할 화면을 통해 표시하도록 한다.

배터리 셀의 내부저항으로부터 산출된 배터리 셀의 보정 내부저항은, 복수개의 배터리 셀 각각에 대응하여 제1 분할 화면을 통해 표시되거나, 그래프 형태로 제2 분할 화면을 통해 표시될 수 있다.

또한 필요시에는 누설 감시 센서, 절연 저항 계측기 등을 통해 추가 측정된 DC 선로의 절연 저항, 누설 전류량 등도 제2 분할 화면을 통해 함께 표시할 수 있도록 한다.

또한 아크 검출기(140)에서 판단된 DC 선로에서의 아크 발생 여부도 제2 분할 화면을 통해 함께 표시할 수 있도록 한다.

이뿐만 아니라, 온도, 출력, 통신 상태 등에 기반하여 배터리 이상 상태를 감지하고, 배터리 이상이 확인된 배터리의 아이콘 표시 색상을 달리 해줌으로써, 아이콘을 통해 특정 배터리에 이상 상태가 발생했음을 확인할 수도 있다.

더하여 이상 원인에 따라 아이콘 표시 색상을 다양화함으로써, 아이콘 표시 색상만으로도 어떤 배터리에 어떤 문제가 발생하였는지까지도 안내할 수도 있도록 한다.

이와 같이, 본 발명은 하나의 모니터링 화면을 통해 배터리 셀 각각의 상태를 개별 표시함과 동시에 시스템 단위의 모니터링 정보도 함께 획득 및 제공함으로써, 보다 다양한 정보를 보다 효율적으로 사용자에 제공할 수 있도록 한다.

또한 아이콘을 기반으로 배터리 셀 각각의 주요 측정 데이터만을 우선 안내하되, 사용자가 복수개의 아이콘 중 어느 하나를 선택하는 경우에는 관련 배터리 셀의 측정 데이터 모두를 안내하는 페이지를 추가적으로 구성 및 제공할 수도 있도록 한다. 즉, 본 발명은 아이콘을 이용하여 요약 정보와 상세 정보를 다단 제공함으로써, 정보 제공의 시인성을 높이면서 정보 제공 수준 또한 극대화할 수 있도록 해준다.

[아크 검출기(140)]

아크 검출기(140)는 공유기(120)와 RTU(130) 사이에 연결된 DC 선로에 설치되며, 배터리 시스템의 DC 선로에 발생하는 아크를 검출한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 아크 검출기(140)는 메인센서(141), 보조센서(142), 아크 판독부(143)를 포함한다.

<메인센서(141), 보조센서(142)>

메인센서(141)와 보조센서(142)는 나란히 배치되며, 일정 간격 떨어진다.

메인센서(141)와 보조센서(142) 각각은 DC 선로가 통과하는 센서 몸체(141a, 142a)와, 센서 몸체(141a, 142a) 전체에 일정 권선수로 감기는 한 가닥의 센서 라인(141b, 142b)으로 구성된다.

센서 몸체(141a, 142a)는 페라이트 재질로 만들어진다. 센서 몸체(141a, 142a)는 중심이 뚫려 있는 링 형상을 가지며, 센서 몸체(141a, 142a)의 중심으로 DC 선로가 통과한다. 본 실시예에서 센서 라인(141b, 142b)은 구리선으로 형성된다.

아크 발생시 DC 선로에 흐르는 전류 변화로 인한 센서 몸체(141a, 142a) 주위에 자기장이 변화한다. 자기장이 변화하면 센서 라인(141b, 142b)에 유도 전류가 흐른다. 권선수와 임피던스에 따라 유도 전류의 크기는 달라진다.

보조센서(142)의 센서 라인(142b) 권선수는 메인센서(141)의 센서 라인(141b) 권선수보다 크다. 또한 임피던스가 다르다. 본 실시예에서 메인센서(141)는 권선수 100 N, 임피던스 100 μH이고, 보조센서(142)는 권선수 1220 N, 임피던스 19.46 mH이다. 각 권선수의 오차 범위는 ±5%이다.

권선수가 클수록, 유도 전류를 전압 신호로 바꾸었을 때, 전압 응답성(전압 분해능)이 좋아진다. 특히, 아크가 발생하여 DC 선로가 탈 때, 메인센서(141)의 전류 신호로부터 얻은 전압 신호는 포화되어 전압 응답성이 현저히 떨어지지만, 보조센서(142)의 전류 신호로부터 얻은 전압 신호는 아직 포화되지 않아 전압 응답성이 좋다.

<아크 판독부(143)>

아크 판독부(143)는 메인센서(141)로부터 유도 전류 신호를 받고, 보조센서(142)로부터 유도 전류 신호를 받는다. 아크 판독부(143)는 전류 신호와 전류 신호가 설정된 범위에 있는지 판단하여, DC 선로에 아크가 발생하였는지 여부를 판독한다. 아크 판독부(143)는 판독된 아크 발생 여부를 RTU(130)로 전달한다.

메인센서(141)와 보조센서(142)로부터 각각 받은 유도 전류 신호는 아크 판독부(143)에서 각각 전압 신호로 변환되어 증폭된다. 이로 인해, 아크 판독부(143)는 메인센서(141)로부터 1차 전압 신호를 얻고, 보조센서(142)로부터 2차 전압 신호를 각각 얻을 수 있다.

아크 판독부(143)는 2개의 전압 신호(1차 전압 신호, 2차 전압 신호)를 비교, 분석하여 아크 발생 여부, 아크 발생 시점과 종료 시점, 아크 진행 동안 변화 추이 등을 판독할 수 있다.

일 예로, 도 9를 참조하면, 메인센서(141)로부터 획득된 전압 신호(L1)를 보면 아크 발생 여부를 의심할 수 있지만, 이것만으로는 이러한 전압 변화가 아크 발생에 의한 것인지 또는 인버터 작동 등과 같이 아크 이외의 다른 요인에 의한 것이지 구분하기 어렵다. 이로 인해, 종래에는 아크 발생 여부를 정확히 판독하기 위해서는 어쩔 수 없이 DWT 분석을 거쳤다.

그러나 본 발명은, 전압 응답성이 좋은 보조센서(142)로부터 획득된 전압 신호(L2)를 전압 신호(L1)와 함께 관찰하여, 아크 발생을 정확히 판독할 수 있으므로, DWT 분석이 필요 없다.

이로 인해, 본 발명은 DWT 분석과 같은 복잡한 연산 과정 없이도, 2개의 전압 신호를 비교하여 아크 발생 여부를 정확히 검출할 수 있다. 따라서 DWT 분석이 생략되어 시스템을 소프트웨어적, 하드웨어적으로 단순하게 구성할 수 있어, 시스템 구축 비용을 절감할 수 있다.

110: BMS 120: 공유기
130: RTU 131: HMI 수단
140: 아크 검출기 141: 메인센서
142: 보조센서 143: 아크 판독부

Claims

배터리 셀 각각의 출력 단자에 결합 부착되는 PCB(Printed Circuit Board) 보드 형태로 구현되어, 배터리 셀의 전력(전압, 전류), 배터리 셀 +/- 단자 온도, SOC(State of charge), SOH(State Of Health), 내부저항을 측정하여 근거리 무선 통신방식으로 출력하는 복수개의 BMS(Battery Management System);
상기 복수개의 BMS 각각이 획득 및 전송하는 측정 데이터를 채널별 수신 및 저장함과 동시에, 채널별 측정 데이터로부터 배터리 셀 출력, 배터리 셀 전압, 충방전 전류, 충방전율, 충전 에너지, 최소 및 최대 온도, 최소 및 최대 전압, 시스템 전체 전압, 배터리 셀 내부저항 평균, 배터리 셀의 보정 내부저항, 최대 온도 배터리 셀 온도/위치, 통신 상태와 같은 부가 정보를 추가 추출한 후 채널별 측정 데이터와 함께 사용자 안내하는 RTU(Remote Terminal Unit);
상기 복수개의 BMS가 상기 RTU에 접속 및 통신할 수 있도록 하는 사설 네트워크를 형성 및 운영하는 공유기; 및
상기 공유기와 상기 RTU 사이에 연결된 DC 선로에 설치되어, 배터리 시스템의 DC 선로에 발생하는 아크를 검출하는 아크 검출기를 포함하며, 상기 RTU는 사용자가 기 등록된 웹 페이지에 접속하거나 모니터링 프로그램을 실행하여 상기 채널별 측정 데이터, 부가 정보, 계측 정보를 검색 및 열람할 수 있도록 하는 HMI(human-machine interface) 수단을 구비하며,

상기 BMS는,
배터리 셀의 출력 전압 및 전류를 측정 및 통보하는 전력 센서; 배터리 셀의 + 단자 온도와 - 단자 온도를 측정 및 통보하는 제1 및 제2 온도 센서; 배터리 셀의 SOC 및 SOH를 측정 및 통보하는 배터리 셀 노화 상태 측정부; 상기 RTU의 제어하에 셀 밸런싱 동작을 수행하는 셀 밸런싱부; 및 배터리 셀의 내부저항을 측정 및 통보하는 내부저항 측정기를 포함하며,
상기 셀 밸런싱부는,
배터리 셀의 + 단자와 - 단자에 사이에 직렬 연결된 캐패시터; 상기 캐패시터에 병렬 연결되는 저항; 배터리 셀의 + 단자와 캐패시터 일측 사이에 삽입되는 제1 트랜지스터; 및 배터리 셀의 - 단자와 캐패시터 타측 사이에 삽입되는 제2 트랜지스터를 포함하며,
상기 제1 및 제2 트랜지스터는 작동시에는 상기 배터리 셀의 출력을 상기 캐패시터에 충전하고, 비작동시에는 상기 캐패시터의 충전 전력이 상기 저항을 통해 방전되도록 하며, 상기 저항이 배터리 셀 전압 초과분을 방전시키는 동안에는 상기 저항과 상기 배터리 셀 신호라인과의 연결이 차단되도록 함으로써, 상기 저항에 의해 누설 전류가 발생하고 절연 저항이 증가되는 것을 차단하며,

상기 내부저항 측정기는,
[수학식 1] Rbat(MΩ)= (Voc-Vload) * R / Vload
여기서, R은 상기 셀 밸런싱부에 의한 부하저항, Voc는 배터리 셀 출력 전압, Vload는 셀 밸런싱에 의한 전압 강하량이고, 상기 수학식 1에 따라 내부저항(Rbat)을 산출하며,

상기 RTU는,
[수학식 2] An = (Rbat)n / (Rnew)n
여기서, (Rbat)n은 n번째 배터리 셀의 산출 내부저항, (Rnew)n은 n번째 배터리 셀의 고유 내부저항, n은 배터리 셀의 순번 (n=1,2,3...n)이고, 상기 수학식 2에 따라 배터리 셀 각각의 내부저항 보정상수(An)를 산출한 후,
[수학식 3] Aav = (A1+A2+A3+.....+An) / N
여기서, N은 배터리 셀의 전체 개수이고, 상기 수학식 3에 따라 내부저항 보정상수 평균(Aav)을 산출하고,
[수학식 4] (Radj)n = Aav * (Rbat)n
상기 수학식 4에 따라 배터리 셀 각각의 보정 내부저항((Radj)n)을 산출한 후, 배터리 셀 각각의 보정 내부저항((Radj)n)이 설정된 범위를 벗어나는 경우 HMI 수단을 통해 사용자에게 경고하며,
상기 배터리 셀의 보정 내부저항은 복수개의 상기 배터리 셀의 상기 내부저항의 평균적인 상태를 반영하게 되므로, 상기 배터리 셀 각각의 내부저항의 편차를 줄이며,

상기 아크 검출기는,
DC 선로가 통과하는 메인센서; DC 선로가 통과하며, 상기 메인센서와 나란히 배치되며 일정간격 떨어진 보조센서; 아크 발생시 자기장 변화로 인해 발생한 유도 전류 신호를 상기 메인센서; 및 상기 보조센서로부터 각각 받아 전압 신호로 변환하고, 변환된 2개의 전압 신호를 비교하여 DC 선로에 아크가 발생하였는지 여부를 판독하는 아크 판독부을 포함하며, 상기 보조센서의 센서 라인 권선수는 상기 메인센서 센서 라인 권선수보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리 전원 설비 진단 HMI 시스템.
삭제
삭제
삭제
삭제