KR102453434B1 - 폐배터리의 재사용을 위한 충방전 성능 시험 시스템 - Google Patents

폐배터리의 재사용을 위한 충방전 성능 시험 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 전기자동차용 폐배터리의 충방전 검사를 에너지 순환 사용 방식으로 수행하여 검사비용을 절감하기 위한 폐배터리 재사용을 위한 충방전 성능 시험 방법 및 시스템을 개시한다. 개시된 시험 시스템은 시험대상 폐배터리와 연결되어 시험대상 폐배터리의 성능을 측정하기 위한 폐배터리 자동 검사기와, 시험대상 폐배터리의 방전 시험시 폐배터리의 방전 에너지를 내부에 저장하고 있다가 충전 시험시 폐배터리의 충전 에너지를 제공하는 순환용 에너지 저장장치와, 시험대상 폐배터리의 충전 시험시 제어신호에 따라 상기 순환용 에너지 저장장치의 에너지나 상용 교류전원의 에너지로 시험대상 폐배터리를 충전시키기 위한 고효율 충전부와, 시험대상 폐배터리의 방전 시험시 제어신호에 따라 폐배터리를 방전시키면서 상기 순환용 에너지 저장장치를 충전시키기 위한 고효율 방전부와, 상기 폐배터리 자동 검사기와 연동되어 설정된 시험모드에 따라 상기 고효율 충전부와 상기 고효율 방전부를 제어하여 충방전 시험을 가능하게 하는 에너지 순환 제어부를 포함한다.

Description

폐배터리의 재사용을 위한 충방전 성능 시험 시스템{Charging/discharging performance test system for reuse of waste batteries}
본 발명은 폐배터리의 재활용을 위한 배터리 검사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기자동차용 폐배터리의 충방전 검사를 에너지 순환 사용 방식으로 수행하여 검사비용을 절감하기 위한 폐배터리 재사용을 위한 충방전 성능 시험 시스템에 관한 것이다.
최근 전기자동차(이하 '전기차'라 함)는 온실 가스나 미세먼지 등 배출가스를 획기적으로 저감할 수 있는 유용한 대책으로 인식되고 있어 전기차 시장은 정부의 보급정책을 바탕으로 급속히 성장하는 중이다. 정부의 발표에 따르면 2021년 전기차 누적 보급 23만 대에 이르고 있고, 「미래자동차 산업 발전전략(-2030년 국가 로드맵-)」에 따르면 2030년까지 전기차의 판매 비중을 33.3%로 확대할 계획이다. 따라서 전기차 배터리의 보증 수명이 7년 내지 10년임을 감안하면, 향후 전기차에서 발생되는 폐배터리의 규모 역시 크게 증가하여 배터리 재활용 시장이 크게 성장할 것으로 예상된다.
통상 전기차용 배터리는 초기 용량 대비 70% 이하로 감소하면 충·방전 시간, 주행거리 등의 문제로 교체가 필요하나 에너지저장장치(ESS: Energy Storage System)나 무정전전원장치(UPS: Uninterruptible Power System) 등에 사용되는 배터리는 잔존 용량 50% 수준까지 사용할 수 있으므로 전기차의 폐배터리를 ESS용으로 재사용(Re-Use)하는 방안이 적극 검토되고 있다. 한편, 에너지저장장치(ESS)로 사용 후 폐기된 폐배터리는 재사용이 불가하므로, Recycling을 통해 양.음극 활물질로 사용된 재료들(리튬, 니켈, 코발트, 망간 등)을 회수하여 자원의 낭비와 환경 오염 등을 방지할 필요가 있다.
대한민국 특허청 등록특허공보에 등록번호 제10-2043714호로 공고된 "전기차 폐배터리를 이용한 ESS 시스템"은 기 설정된 기준 이하의 충방전 성능을 갖는 전기차 폐배터리를 오프라인 마켓의 카트에 장착시키고, 마트 이용 고객에 의한 카트의 바퀴 회동에 의해 생산된 전력을 폐배터리에 충전하거나 카트에 구비된 스마트 디바이스 충전지로 공급함으로써, 에너지 저장 시스템과 연계하여 전기차 폐배터리를 재사용하는 것이다.
또한 등록번호 제10-2244042호로 공고된 "폐배터리 기반의 독립형 가정용 에너지 저장 시스템"은 폐배터리의 BMS를 슬레이브 BMS로 인식 및 등록하고, 슬레이브 BMS를 통해 폐배터리의 배터리 상태를 모니터링하는 마스터 BMS와, 폐배터리의 배터리 상태에 따라 배터리 충전 순서를 조정하고, 배터리 충전시에는 배터리 충전 순서에 따라 폐배터리를 하나씩 순차 충전시키고, 배터리 방전시에는 폐배터리 모두를 일괄 방전시키는 배터리 제어부와, 신재생 에너지 시스템의 발전 전력과 폐배터리의 충전 전력을 기반으로 부하 전력을 생성 및 제공하는 인버터와, 신재생 에너지 시스템의 발전 전력과 부하의 소비 전력을 모니터링 및 분석하여 인버터를 제어함과 동시에 배터리 제어부의 동작 모드를 결정 및 조정하는 에너지 관리부로 구성된다.
이와 같이 전기차의 폐배터리를 재사용(Re-use)하기 위해서는 전기차의 사용 후 배터리(폐배터리)의 성능을 검사하기 위한 충방전 검사가 필수적이다. 통상 전기차용 폐배터리의 충방전 시험에서는 1회 시험에 대략 20Kw ~ 40Kw 까지 많은 전력량을 사용하게 되는데, 폐배터리 충방전 시험은 기본적으로 3회 이상 실시하므로 충방전 시험시 전체 전력량은 대략 60Kw ~ 120Kw까지 소모된다.
전기차의 사용 후 배터리(폐배터리)를 저장장치(ESS)용 등으로 재사용(Reuse)하기 위해서는 폐배터리의 성능을 검사하기 위한 충방전 검사가 필수적인데, 종래의 충방전 검사에서는 많은 전력량이 그대로 소모되어 검사비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 폐배터리의 충전 시험시에는 순환용 에너지 저장장치로부터 시험대상 배터리를 충전하고, 방전 시험시에는 시험대상 배터리로부터 순환용 에너지 저장장치로 충전하는 에너지 순환 방식을 사용함으로써 상용 교류전원의 소모량을 현저하게 줄일 수 있는 폐배터리 재사용을 위한 충방전 성능 시험 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 검사 데이터들을 모아 학습 데이터와 테스트 데이터를 생성한 후 머신러닝 알고리즘에 따라 검사 모델을 학습시켜 인공지능을 이용한 폐배터리 충방전 성능 시험 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예는 폐배터리 재사용을 위한 충방전 성능 시험 시스템을 개시한다.
개시된 시험 시스템은 시험대상 폐배터리와 연결되어 시험대상 폐배터리의 성능을 측정하기 위한 폐배터리 자동 검사기와, 시험대상 폐배터리의 방전 시험시 폐배터리의 방전 에너지를 내부에 저장하고 있다가 충전 시험시 폐배터리의 충전 에너지를 제공하는 순환용 에너지 저장장치와, 시험대상 폐배터리의 충전 시험시 제어신호에 따라 상기 순환용 에너지 저장장치의 에너지나 상용 교류전원의 에너지로 시험대상 폐배터리를 충전시키기 위한 고효율 충전부와, 시험대상 폐배터리의 방전 시험시 제어신호에 따라 폐배터리를 방전시키면서 상기 순환용 에너지 저장장치를 충전시키기 위한 고효율 방전부와, 상기 폐배터리 자동 검사기와 연동되어 설정된 시험모드에 따라 상기 고효율 충전부와 상기 고효율 방전부를 제어하여 충방전 시험을 가능하게 하는 에너지 순환 제어부를 포함한다.
상기 순환용 에너지 저장장치는 서로 병렬 연결되는 배터리와, 슈퍼 커패시터 에레이로 이루어지고, 상기 고효율 충전부는 상기 순환용 에너지 저장장치에 저장된 에너지로 상기 시험대상 폐배터리를 충전시키기 위한 충전 제어회로와, 상용 교류전원으로 상기 시험대상 폐배터리를 충전시키기 위한 충전 제어회로로 이루어진다.
본 발명의 다른 실시예는 폐배터리 재사용을 위한 충방전 성능 시험 방법을 개시한다.
개시된 충방전 시험 방법은 충방전 시험기가 시험대상 폐배터리의 초기 상태를 측정한 후 초기 방전시키는 단계와, 충방전 시험기가 순환용 에너지 저장장치의 상태를 측정한 후, 시험대상 폐배터리의 초기방전시 고효율 방전부를 통해 순환용 에너지 저장장치를 충전시키는 단계와, 시험대상 폐배터리의 초기방전이 완료된 후 충방전 시험기가 고효율 충전부를 통해 순환용 에너지 저장장치에 저장된 에너지로 시험대상 폐배터리를 충전시키는 단계와, 시험대상 폐배터리가 완전히 충전되면, 충전을 종료하고 휴지기를 거치면서 충전 성능을 검사하는 단계와, 충전 성능 검사가 완료되면, 충방전 시험기가 고효율 방전부를 통해 시험대상 폐배터리를 방전시키면서 순환용 에너지 저장장치를 충전시키는 단계와, 시험대상 폐배터리가 완전히 방전되면, 방전을 종료하고 대기하면서 방전 성능을 검사하는 단계와, 상기 충전검사와 상기 방전검사가 소정 횟수 반복되어 충방전검사가 완료되면, 검사결과를 출력하는 단계를 포함한다.
상기 충방전 성능 시험방법은 충전중 순환용 에너지 저장장치에 저장된 에너지가 고갈되면 상용 교류전원으로 시험대상 폐배터리를 계속 충전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 인공지능을 이용한 폐배터리 성능 시험 시스템을 개시한다.
개시된 시험 시스템은 시험대상 폐배터리와 연결되어 시험대상 폐배터리의 성능을 인공지능(AI) 방식으로 측정하기 위한 AI 폐배터리 성능 검사기와, 시험대상 폐배터리의 방전 시험시 폐배터리의 방전 에너지를 내부에 저장하고 있다가 충전 시험시 폐배터리의 충전 에너지를 제공하는 순환용 에너지 저장장치와, 시험대상 폐배터리의 충전 시험시 제어신호에 따라 상기 순환용 에너지 저장장치의 에너지나 상용 교류전원의 에너지로 시험대상 폐배터리를 충전시키기 위한 고효율 충전부와, 시험대상 폐배터리의 방전 시험시 제어신호에 따라 폐배터리를 방전시키면서 상기 순환용 에너지 저장장치를 충전시키기 위한 고효율 방전부와, 상기 AI 폐배터리 성능 검사기와 연동되어 설정된 시험모드에 따라 상기 고효율 충전부와 상기 고효율 방전부를 제어하여 충방전 시험을 가능하게 하는 에너지 순환 제어부를 포함하고, 상기 AI 폐배터리 성능 검사기는 시험대상 폐배터리의 성능을 모니터링하고 측정값을 가져오기 위한 모니터링부와, 시험대상 폐배터리와 CAN 방식으로 통신하기 위한 CAN 통신부와, 상기 CAN 통신부를 통해 시험대상 폐배터리와 통신하면서 상기 모니터링부를 통해 측정 데이터를 입력받아 검사 데이터를 형성한 후 검사데이터 저장부에 저장하고, 기계학습을 통해 인공지능 검사모델이 완성되면 인공지능 검사 모델에 따라 폐배터리 검사를 실행하기 위한 폐배터리 검사 실행부와, 검사 데이터를 저장하기 위한 검사 데이터 저장부와, 상기 검사 데이터 저장부의 검사 데이터를 전처리하여 학습 데이터를 생성하기 위한 학습 데이터 생성부와, 상기 검사 데이터 저장부의 검사 데이터를 전처리하여 테스트 데이터를 생성하기 위한 테스트 데이터 생성부와, 생성된 학습 데이터로 소정의 머신러닝 알고리즘에 따라 인공지능망을 학습시켜 인공지능 검사 모델을 형성하는 모델 학습부와, 상기 모델 학습부에서 형성된 검사 모델을 상기 테스트 데이터로 검증하여 형성된 검사 모델을 평가하기 위한 모델 평가부와, 상기 폐배터리 검사 실행부로부터 검사 결과 데이터가 입력되면 검증을 통과한 인공지능 검사 모델에 따라 처리하여 검사결과를 출력하는 인공지능 검사 모델부로 구성된다.
본 발명의 실시예에 따르면 전기차용 폐배터리의 재활용을 위한 충방전 시험시 에너지 회수가 가능한 고효율 스위칭(Switching) 방식으로 방전 에너지를 회수하여 재사용함으로써 전력절감에 따라 시험비용을 절감할 수 있고, 방전시 열 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 시험대상 폐배터리를 셀 단위나 소정 수의 셀들이 모인 블록이나 모듈 단위로 구분하여 각각 시험할 수 있고, 인공지능(AI)을 이용하여 보다 효율적으로 시험할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐배터리 재사용을 위한 충방전 성능 시험 시스템의 전체 구성을 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폐배터리 재사용을 위한 충방전 시험 절차를 도시한 순서도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 방전 회로를 도시한 개략도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 저장된 에너지에 의한 고효율 충전 회로를 도시한 개략도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 상용 전원에 의한 고효율 충전 회로를 도시한 개략도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인공지능을 이용한 폐배터리 충방전 성능 시험 시스템을 도시한 개략도이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐배터리 재사용을 위한 충방전 성능 시험시스템의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 충방전 성능 시험 시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 폐배터리 자동 검사기(110), 순환용 에너지 저장장치(120), 에너지 순환 제어부(130), 고효율 방전부(140), 고효율 충전부(150)로 구성되어 전기차 등에서 사용한 폐배터리(10)의 성능을 자동으로 시험할 수 있도록 되어 있다.
도 1을 참조하면, 폐배터리 자동 검사기(110)는 전체 시험 절차를 제어하는 검사제어부(112)와, 시험대상 폐배터리(10)와 CAN방식으로 통신하기 위한 CAN통신부(114), 시험대상 폐배터리의 측정값을 읽어오기 위한 모니터링부(116)로 구성되어 시험대상 폐배터리(10)의 성능을 측정한다. 즉, 본 발명의 실시예에서 폐배터리 자동 검사기(110)는 시험대상 폐배터리(10)를 충전 및 방전케 하면서 소요되는 시간, 온도, 전압을 측정할 수 있고, 시험대상 폐배터리(10)의 임피던스(예: 내부 저항, ACIR(alternative current internal resistance), DCIR(direct current internal resistance) 등)를 측정할 수 있다.
또한 도면으로 도시하지 않았으나 폐배터리 자동 검사기(110)는 시험조건을 설정하고 각종 데이터를 입력하기 위한 조작패널과, 동작 상태를 표시하기 위한 디스플레이를 구비하여 배터리의 특성을 측정한 결과 파라미터를 표시하거나 나이퀴스트 다이어그램이나 임피던스 스펙트럼와 같은 특성 그래프를 표시하거나 특정 주파수에서 임피던스가 허용 범위 내에 속하는지 여부, 배터리 상태인 SoC(State of Charge) 또는 SoH(State of Health)의 평가결과 등을 표시할 수 있다.
그리고 폐배터리 자동 검사장치(110)에 의한 전기차용 폐배터리 충방전 성능 시험은 시험조건 설정을 통해 팩 전체에 대한 성능 시험은 물론 각 셀 단위나 블럭 단위 혹은 모듈 단위로 구분되어 각각 이루어질 수도 있다.
순환용 에너지 저장장치(120)는 배터리팩과 슈퍼 커패시터(CAP) 어레이로 구성되어 폐배터리(10)의 방전시험시 폐배터리의 방전 에너지를 내부에 축적하여 저장하고 있다가 폐배터리(10)의 충전시험시 폐배터리의 충전 에너지를 제공하기 위한 것이다. 순환용 에너지 저장장치(120)에 사용되는 배터리팩은 검사결과 성능이 양호한 폐배터리팩을 사용할 수도 있다.
에너지 순환 제어부(130)는 폐배터리 자동 검사기(110)와 연결되어 있고, 폐배터리 자동 검사기(110)의 시험 명령에 따라 고효율 방전부(140)와 고효율 충전부(150)를 제어하여 폐배터리(10)의 방전 에너지로 순환용 에너지 저장장치(120)를 충전시키고 순환용 에너지 저장장치(120)에 저장된 에너지로 시험 대상 폐배터리(10)를 충전시켜 에너지를 순환시키기 위한 것이다. 이를 위해 에너지 순환 제어부(130)는 고효율 방전부(140)나 고효율 충전부(150)의 스위칭 소자를 제어하기 위한 PWM 펄스 제어신호나 릴레이를 스위칭시키기 위한 제어신호를 제공할 수 있다.
고효율 방전부(140)는 폐배터리(10)의 방전 시험시 제어신호에 따라 폐배터리(10)를 방전시키면서 방전 에너지로 순환용 에너지 저장장치(120)를 충전시키기 위한 것이고, 고효율 충전부(150)는 폐배터리(10)의 충전 시험시 제어신호에 따라 순환용 에너지 저장장치(120)의 저장 에너지로 폐배터리(10)를 충전시키기 위한 것이다. 이때 고효율 충전부(150)는 순환용 에너지 저장장치(120)의 에너지로 시험대상 폐배터리(10)를 충분히 충전시키지 못할 경우 상용 교류전원(AC)을 이용하여 시험대상 폐배터리(10)를 완전히 충전시킬 수 있도록 되어 있다.
시험대상 폐배터리(10)는 주로 전기차에서 사용된 배터리로서, 배터리 셀들이 조립된 대용량의 배터리팩(14)과, 폐배터리 자동 검사기(110)와 CAN 버스와 모니터링 신호선으로 연결되어 배터리팩(14)의 상태를 모니터링하기 위한 배터리관리시스템(BMS; 12)을 구비하고 있다. 통상적으로 전기차에 사용되는 배터리팩은 5 내지 7개의 셀들이 모여 블록을 이루고 있고, 이러한 블록들이 모여 모듈을 형성하고 있다. 따라서 폐배터리 자동 검사장치(110)에 의한 전기차용 폐배터리 충방전 성능 시험은 팩 전체는 물론 각 셀 단위나 블럭 단위 혹은 모듈 단위로 구분되어 각각 이루어질 수도 있다.
본 발명의 실시예에서 전기차는 순수 전기 자동차(electric vehicle, EV), 하이브리드 전기 자동차(hybrid electric vehicle, HEV), 플러그인 하이브리드 전기 자동차(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 등을 포함한다. 배터리팩(14)은 복수의 배터리 모듈(module)들을 포함할 수 있으며, 복수의 배터리 모듈들 각각은 복수의 배터리 셀(cell)들을 포함할 수 있다. 배터리 관리 시스템(BMS; battery management system, 12)는 배터리 팩에 대한 전압, 전류, 온도 등을 모니터링할 수 있고, 모니터링 결과에 기초하여 배터리 팩을 관리할 수 있다. 예컨대, 배터리 관리 시스템(12)은 셀 밸런싱 회로, 셀 전압 감시 회로 및 프로세서를 포함하여 폐배터리 자동 검사 장치(110)와 CAN 방식으로 통신할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폐배터리 재사용을 위한 충방전 시험 절차를 도시한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 시험대상 폐배터리(10)를 시험 시스템과 연결한 후 초기 상태를 체크하고 초기 방전을 수행하여 충방전 시험을 준비한다(S101~S103). 폐배터리의 초기 방전시 방전 에너지를 순환용 에너지 저장장치(120)에 저장할 수도 있다.
이어 충방전 시험 시스템(100)의 시험조건을 설정한다(S104). 본 발명의 실시예에 따른 충방전 시험 시스템(100)은 충방전 모드를 CC, CV, CP, CR, CC/CV 등으로 설정할 수 있다. CC(Constant Current)는 정전류 모드로서 전류를 설정치로 유지하면서 충방전 시험하기 위한 것이고, CV(Constant Voltage)는 정전압 모드로서 전압을 설정치로 유지하면서 충방전 시험하기 위한 것이다. CP(Constant Power)는 정전력 모드로서 전압, 전류를 조정하여 정전력으로 충방전 시험하기 위한 것이고, CR(Constant Resistance)은 정저항 모드로서 설정된 전압 범위 내에서 충전시에는 피측정체가 정저항이 되게 하고, 방전시에는 충방전기가 정저항 특성을 갖게 시험한다. CC/CV모드는 충전 시 전압 설정 값까지는 CC 모드로 동작한 후, 설정 전압 이후 부터 CV 모드로 동작하는 것이다. 한편, 충방전시험 타입은 Charge, Dischage, Rest, Ocv, Impedance, Pattern, Cycle, Loop 등으로 설정할 수 있다. Charge는 충전 모드이고, Discharge는 방전 모드이며, Reset은 개방상태에서 자가 방전 모드이다. 또한 Ocv(Open circuit voltage)는 개방상태 전압측정이고, Impedance는 임피던스 측정, Pattern은 사용자 입력패턴 수행, Cycle은 반복시험 시작부를 설정하는 것이고, Loop는 전체 Cycle 반복 횟수 및 완료 후 이동할 Step을 지정하는 것이다.
통상 배터리 진단은 배터리의 예상수명(SoH: state of health) 측정 방법과, 내부저항측정 방법, 전류 측정 방법 및 전압 측정 방법 등이 있다. 내부저항 측정을 이용한 배터리 진단 방법은 저항값을 이용하여 SOH를 산출함으로써 정확한 SOH를 획득하는 장점이 있으나 내부저항 측정에 비용이 들고 내부저항 측정은 온도에 영향을 받는 단점을 가질 수 있다. 전류 측정을 이용한 배터리 진단 방법은 배터리 진단을 위한 로직 구현이 간단한 장점이 있으나 배터리 진단의 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 전압 측정을 이용한 배터리 진단 방법은 배터리 진단을 위한 로직 구현이 간단한 장점이 있으나 배터리 진단의 정확성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 다양한 측정방법을 복합적으로 사용하여 측정한다.
이와 같이 시험조건을 설정한 후 충전이 시작되면, 고효율 충전부(150)가 동작되어 순환용 에너지 저장 장치(120)에 저장된 에너지로 시험대상 폐배터리(10)를 충전시킨다(S105,S106).
충전이 완료되면 소정의 휴지기를 거쳐 충전 상태의 각종 특성을 측정한다(S107~S109). 이때, 측정값으로는 DCIR, ACIR, HPPC, EDLC, EDLC DCR, 단위시간 x 평균충전전류(Ah)로 정의되는 충전량(SoC) 등이 있다. 충전된 배터리의 출력을 측정하기 위해서는 양극과 음극을 갖춘 full-cel의 형태로 측정해야 하며, 하이브리드 자동차의 평가에 주로 활용되는 HPPC(hybrid pulse power characterization)법을 이용하여 특정의 충전된 상태에서의 가용출력(power capability)을 측정하는 방법과 일정 출력을 유지하면서 이에 대한 전압의 변화를 측정하는 방법 등을 사용할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 배터리 상태 정보는 배터리의 환경 온도, SOC 정보, 충방전 상태 정보, 교류 내부 저항(ACIR) 정보, 직류 내부 저항(DCIR) 정보, 개방 전압(OCV) 정보 및 임피던스 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서, HPPC 측정법은 10초의 시간동안 pulse 방전 전류(통상적으로 최대 허용 전류의 75%)를 인가하고 40초 동안 전류를 인가하지 않다가 10초 동안 충전 방향으로 방전 전류의 75%에 해당하는 전류를 인가하는 방법으로서, 방전 및 충전 동안의 전압 변화로부터 저항을 계산하는 방법이다. 이러한 HPPC 측정법을 방전상태(depth of discharge, DOD) 혹은 SOC(state of charge)를 변화시켜가면서 수행하여 각각의 DOD 에 따른 저항을 측정하고, 이러한 저항값을 이용하여 허용 방전 출력(discharge pulse power capability) 및 허용 충전 출력(regen pulse power capability)를 측정하여 시험대상 폐배터리(10)가 허용 가능한 출력의 변화를 측정할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 충전상태 측정이 완료된 후에 방전 시험이 개시되면 방전을 시작함과 아울러 고효율 방전부(140)를 동작시켜 폐배터리(10)의 방전 에너지로 순환 에너지 저장장치(120)를 충전시키고, 폐배터리(10)의 방전이 완료되면 폐배터리의 방전상태를 측정한다(S110~S113). 방전상태 측정값으로서 방전량은 단위시간 x 평균방전전류로 정의될 수 있다.
이어 시험 종료 여부를 확인한 후 시험이 종료되지 않았으면 상기 충전시작 단계(S106)로 돌아가 충전과 방전시험을 반복한다(S114). 통상 충방전 시험은 3회로 설정하는 것이 바람직하다.
3회의 충방전 시험이 완료되면, 시험결과 데이터를 출력하여 시험대상 폐배터리(10)의 상태를 판단한 후 재사용 가능한 것으로 판단되면 ESS 등으로 재사용할 수 있게 한다(S115).
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 에너지 회수가 가능한 고효율 스위칭(Switching) 방식으로 방전 에너지를 회수하여 재사용함으로써 전력절감에 따라 시험비용을 절감할 수 있고, 방전시 열 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 방전 회로를 도시한 개략도이다.
도 3을 참조하면, 순환용 에너지 저장장치(120)는 서로 병렬 연결되는 배터리(122)와 슈퍼 CAP 에레이(124)로 이루어지고, 시험대상 폐배터리(10)의 방전 에너지는 고효율 방전부(140)를 통해 순환용 에너지 저장장치(120)의 배터리(122)와 슈퍼 커패시터(124)를 충전시킬 수 있도록 되어 있다.
본 발명의 실시예에서 고효율 방전부(140)는 도 3에 도시된 바와 같이 순환용 에너지 저장장치의 배터리(122)를 충전하기 위한 방전 제어회로(142)와, 순환용 에너지 저장장치의 슈퍼 커패시터(124)를 충전하기 위한 방전 제어회로(144)로 구분되어 별도로 구성되어 있다. 즉, 순환용 에너지 저장장치의 배터리(122)는 1C 이상 충전이 되어야 하므로 본 발명의 실시예에서는 방전 제어 회로를 별도로 구성하여 방전 전류를 제어하도록 되어 있다. 이와 같이 순환용 에너지 저장장치에 슈퍼 커패시터(124)와 배터리(122)를 연동하는 방법은 방전시 대용량 전류 제어를 사용할 수 있으며, 이에 따른 전압 변동률 및 전류 변동율이 작아서 충방전 시험용으로 사용하기에 매우 이상적인 구조라 할 수 있다.
배터리(122)를 충전하기 위한 고효율 방전 제어회로(142)는 에너지 순환 제어부(130)의 제어신호에 따라 온/오프되는 제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3) 사이에 연결되어 배터리 충전 경로(P1)를 제공하는 인덕터(L1)와 커패시터(C2) 및 저항(R1)으로 구성되고, 슈퍼 커패시터(124)를 충전하기 위한 고효율 방전 제어회로(144)는 에너지 순환 제어부(130)의 제어신호에 따라 온/오프되는 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4) 및 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4) 사이에 연결되어 슈퍼 커패시터 충전 경로(P2)를 제공하는 인덕터(L2)와 저항(R2)으로 구성된다.
한편, 본 발명의 실시예에서 시험대상 폐배터리(10)의 방전 전압은 최대 전압과 최저 전압의 차가 200V 이상 편차가 있으므로 부스터 방식의 인버터 회로로 구현되는 것이 바람직하고, 순환용 에너지 저장장치(120)에 충전되는 전압은 약 500 ~ 600V 정도로 되어 있으며, 시험대상 폐배터리(10)의 R,L성분의 임피던스를 낮추기 위해 슈퍼 CAP 에레이에서 부하량에 따른 임피던스 조정이 가능하도록 되어 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 저장된 에너지에 의한 고효율 충전 회로를 도시한 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 순환용 에너지 저장장치(120)에서 시험대상 폐배터리(10)를 충전하는 고효율 충전회로(150)는 부스터 전원제어 방식으로서 에너지 순환 제어부(130)에서 PWM 펄스파 제어신호가 제5 스위칭 소자(Q5)와 제6 스위칭소자(Q6)로 입력되면 순환용 에너지 저장장치(120)의 DC 출력 전압이 부스트 업되고, 에너지 순환 제어부(130)의 선택에 따라 한쌍의 릴레이(LS1A/2A)의 A접점이 연결되어 순환용 에너지 저장장치(120)에서 시험대상 배터리(10)를 충전하고, B접점 일때는 도 5에 도시된 바와 같이 상용 교류 전원회로(R,S,T)로 충전한다. 이때 순환용 에너지 저장 장치(120)의 전압이 시험대상 폐배터리(10)의 전압보다 높게 설정되어 있어 충전 전압, 전류 등을 쉽게 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 상용 교류전원에 의한 고효율 충전 회로를 도시한 개략도이다.
도 5를 참조하면, 상용 교류전원을 이용한 충전 회로는 기본적으로 3상의 AC 전원(R,S,T)을 입력필터부(153)를 통해 입력받아 DC로 변환하는 컨버터부(154)와, 컨버터부(154)의 DC전원을 에너지 순환 제어부(130)의 PWM 펄스 제어신호에 따라 스위칭 소자(Q7~Q10)를 스위칭시켜 고주파수의 교류로 변환하는 인버터부(155)와, 고주파수의 교류전원을 다시 고전압의 직류로 변환하는 고전압 정류부(156)와, 고전압의 직류전원으로 시험대상 폐배터리(10)를 충전시키는 릴레이부(157)로 구성된다.
본 발명의 실시예에서 컨버터부(154)는 풀브릿지 방식으로 구현되어 있고, 폐배터리 자동 검사기(110)와 연동되어 에너지 순환 제어부(130)가 정전압 모드나 정전류 모드 또는 두가지 모드를 동시에 운영이 가능토록 되어 있으며, 릴레이(LS1B,LS2B)가 B접점 일때는 상용 교류 전원회로로 충전하는 방식으로 구현되어 있다. 본 발명의 실시예에서 상용 교류전원 컨버터의 효율은 85% 이상의 고효율 성능을 가지고 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인공지능을 이용한 폐배터리 충방전 성능 시험 시스템을 도시한 개략도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 인공지능을 이용한 폐배터리 충방전 성능 시험 시스템(200)은 도 6에 도시된 바와 같이, AI 폐배터리 성능 검사장치(210)와, 순환용 에너지 저장 장치(220), 에너지 순환 제어부(230), 고효율 방전부(240), 고효율 충전부(250)로 구성되어 시험대상 폐배터리(10)의 충방전 성능을 시험할 수 있다.
도 6을 참조하면, 순환용 에너지 저장 장치(220)와 에너지 순환 제어부(230), 고효율 방전부(240), 고효율 충전부(250)는 앞서 설명한 실시예의 대응 구성요소와 동일하므로 더 이상의 설명은 생략하기로 하고, 이하에서는 앞에 설명한 실시예와 차이가 있는 AI 폐배터리 성능 검사장치(210)를 중심으로 설명하기로 한다.
AI 폐배터리 성능 검사장치(210)는 도 6에 도시된 바와 같이, 모니터링부(211), CAN 통신부(212), 폐배터리 검사 실행부(213), 검사데이터 저장부(214), 학습 데이터 생성부(215), 테스트 데이터 생성부(216), 모델 학습부(217), 모델 평가부(218), 인공지능 검사모델부(219)로 구성된다.
모니터링부(211)는 시험대상 폐배터리(10)의 성능을 모니터링하고 측정값을 가져오기 위한 것이고, CAN 통신부(212)는 시험대상 폐배터리(10)와 CAN 방식으로 통신하기 위한 것이다. 이러한 모니터링부(211)와 CAN 통신부(212)는 앞서 설명한 실시예와 동일하다.
폐배터리 검사 실행부(213)는 CAN 통신부(212)를 통해 시험대상 폐배터리(10)와 통신하면서 모니터링부(211)를 통해 측정 데이터를 입력받아 검사 데이터를 형성한 후 검사데이터 저장부(214)에 저장하고, 인공지능 검사모델이 완성되면 인공지능 검사 모델에 따라 폐배터리 검사를 실행하기 위한 것이다.
검사데이터 저장부(214)는 폐배터리 검사 실행부(213)의 성능 검사를 통해 수집된 검사 데이터를 저장하기 위한 일종의 데이터베이스이고, 학습 데이터 생성부(215)는 검사데이터 저장부(214)의 검사 데이터를 전처리하여 학습 데이터를 생성하기 위한 것이며, 테스트 데이터 생성부(216)는 검사데이터 저장부(214)의 검사 데이터를 전처리하여 테스트 데이터를 생성하기 위한 것이다.
모델 학습부(217)는 생성된 학습 데이터로 합성곱신경망(CNN:Convolution Neural Network)이나 순환신경망(RNN:Recurrent Neural Network)과 같은 머신러닝 알고리즘에 따라 인공지능망을 학습시켜 인공지능 검사 모델을 형성하고, 모델 평가부(218)는 모델 학습부(217)에서 형성된 검사 모델을 테스트 데이터로 검증하여 형성된 검사 모델을 평가하기 위한 것이며, 인공지능 검사 모델부(219)는 폐배터리 검사 실행부(213)로부터 측정 결과 데이터가 입력되면 검증을 통과한 인공지능 검사 모델에 따라 처리하여 인공지능방식의 폐배터리 성능 검사결과를 출력하는 것이다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100: 충방전 성능 시험 시스템 110: 폐배터리 자동 검사기
112: 검사 제어부 114: CAN 통신부
116: 모니터링부 120: 순환용 에너지 저장장치
122: 배터리부 124: 슈퍼 커패시터부
130: 에너지 순환 제어부 140: 고효율 방전부
150: 고효율 충전부 10: 시험대상 폐배터리
12: BMS 14: 배터리 팩

Claims (7)

  1. 시험대상 폐배터리와 연결되어 시험대상 폐배터리의 성능을 측정하기 위한 폐배터리 자동 검사기;
    서로 병렬 연결되는 배터리와, 슈퍼 커패시터 에레이로 이루어져 시험대상 폐배터리의 방전 시험시 폐배터리의 방전 에너지를 내부에 저장하고 있다가 충전 시험시 폐배터리의 충전 에너지를 제공하는 순환용 에너지 저장장치;
    시험대상 폐배터리의 충전 시험시 제어신호에 따라 상기 순환용 에너지 저장장치의 에너지나 상용 교류전원의 에너지로 시험대상 폐배터리를 충전시키기 위한 고효율 충전부;
    시험대상 폐배터리의 방전 시험시 제어신호에 따라 폐배터리를 방전시키면서 상기 순환용 에너지 저장장치를 충전시키기 위한 고효율 방전부; 및
    상기 폐배터리 자동 검사기와 연동되어 설정된 시험모드에 따라 상기 고효율 충전부와 상기 고효율 방전부를 제어하여 충방전 시험을 가능하게 하는 에너지 순환 제어부를 포함하고,
    상기 고효율 방전부는 시험대상 폐배터리의 방전시 순환용 에너지 저장장치의 배터리를 충전하기 위한 방전 제어회로와, 순환용 에너지 저장장치의 슈퍼 커패시터를 충전하기 위한 방전 제어회로로 별도로 구성되고,
    상기 순환용 에너지 저장장치의 배터리를 충전하기 위한 방전 제어회로는 상기 에너지 순환 제어부의 제어신호에 따라 온/오프되는 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제3 스위칭 소자(Q3)와,
    상기 제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3) 사이에 연결되어 배터리 충전 경로(P1)를 제공하는 인덕터(L1)와 커패시터(C2) 및 저항(R1)으로 구성되며,
    상기 순환용 에너지 저장장치의 슈퍼 커패시터를 충전하기 위한 고효율 방전 제어회로는 에너지 순환 제어부의 제어신호에 따라 온/오프되는 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4) 및 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4) 사이에 연결되어 슈퍼 커패시터 충전 경로(P2)를 제공하는 인덕터(L2)와 저항(R2)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐배터리의 재사용을 위한 충방전 성능 시험 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 고효율 충전부는
    상기 순환용 에너지 저장장치에 저장된 에너지로 상기 시험대상 폐배터리를 충전시키기 위한 충전 제어회로와, 상용 교류전원으로 상기 시험대상 폐배터리를 충전시키기 위한 충전 제어회로로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐배터리의 재사용을 위한 충방전 성능 시험 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 시험대상 폐배터리와 연결되어 시험대상 폐배터리의 성능을 인공지능(AI) 방식으로 측정하기 위한 AI 폐배터리 성능 검사기;
    서로 병렬 연결되는 배터리와, 슈퍼 커패시터 에레이로 이루어져 시험대상 폐배터리의 방전 시험시 폐배터리의 방전 에너지를 내부에 저장하고 있다가 충전 시험시 폐배터리의 충전 에너지를 제공하는 순환용 에너지 저장장치;
    시험대상 폐배터리의 충전 시험시 제어신호에 따라 상기 순환용 에너지 저장장치의 에너지나 상용 교류전원의 에너지로 시험대상 폐배터리를 충전시키기 위한 고효율 충전부;
    시험대상 폐배터리의 방전 시험시 제어신호에 따라 폐배터리를 방전시키면서 상기 순환용 에너지 저장장치를 충전시키기 위한 고효율 방전부; 및
    상기 AI 폐배터리 성능 검사기와 연동되어 설정된 시험모드에 따라 상기 고효율 충전부와 상기 고효율 방전부를 제어하여 충방전 시험을 가능하게 하는 에너지 순환 제어부를 포함하고,
    상기 고효율 방전부는 시험대상 폐배터리의 방전시 순환용 에너지 저장장치의 배터리를 충전하기 위한 방전 제어회로와, 순환용 에너지 저장장치의 슈퍼 커패시터를 충전하기 위한 방전 제어회로로 별도로 구성되며,
    상기 순환용 에너지 저장장치의 배터리를 충전하기 위한 방전 제어회로는 상기 에너지 순환 제어부의 제어신호에 따라 온/오프되는 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제3 스위칭 소자(Q3)와,
    상기 제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3) 사이에 연결되어 배터리 충전 경로(P1)를 제공하는 인덕터(L1)와 커패시터(C2) 및 저항(R1)으로 구성되며,
    상기 순환용 에너지 저장장치의 슈퍼 커패시터를 충전하기 위한 고효율 방전 제어회로는 에너지 순환 제어부의 제어신호에 따라 온/오프되는 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4) 및 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4) 사이에 연결되어 슈퍼 커패시터 충전 경로(P2)를 제공하는 인덕터(L2)와 저항(R2)으로 구성되고,
    상기 AI 폐배터리 성능 검사기는
    시험대상 폐배터리의 성능을 모니터링하고 측정값을 가져오기 위한 모니터링부와,
    시험대상 폐배터리와 CAN 방식으로 통신하기 위한 CAN 통신부와,
    상기 CAN 통신부를 통해 시험대상 폐배터리와 통신하면서 상기 모니터링부를 통해 측정 데이터를 입력받아 검사 데이터를 형성한 후 검사데이터 저장부에 저장하고, 기계학습을 통해 인공지능 검사모델이 완성되면 인공지능 검사 모델에 따라 폐배터리 검사를 실행하기 위한 폐배터리 검사 실행부와,
    검사 데이터를 저장하기 위한 검사 데이터 저장부와,
    상기 검사 데이터 저장부의 검사 데이터를 전처리하여 학습 데이터를 생성하기 위한 학습 데이터 생성부와,
    상기 검사 데이터 저장부의 검사 데이터를 전처리하여 테스트 데이터를 생성하기 위한 테스트 데이터 생성부와,
    생성된 학습 데이터로 소정의 머신러닝 알고리즘에 따라 인공지능망을 학습시켜 인공지능 검사 모델을 형성하는 모델 학습부와,
    상기 모델 학습부에서 형성된 검사 모델을 상기 테스트 데이터로 검증하여 형성된 검사 모델을 평가하기 위한 모델 평가부와,
    상기 폐배터리 검사 실행부로부터 측정 결과 데이터가 입력되면 검증을 통과한 인공지능 검사 모델에 따라 처리하여 폐배터리 성능 검사결과를 출력하는 인공지능 검사 모델부로 구성된 것을 특징으로 하는 폐배터리의 재사용을 위한 충방전 성능 시험 시스템.
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