KR102571525B1 - 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법 - Google Patents

에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법은, 복수의 랙(Rack)을 포함하여 구성된 배터리; 상기 배터리의 전체 단위에 대한 전압값 및 전류값을 측정하는 측정부; 상기 배터리의 온도 및 충전 상태를 관리하는 배터리 관리부; 및 상기 측정부로부터 입력받은 상기 배터리의 전체 단위에 대한 전압값 및 전류값과, 상기 배터리 관리부로부터 입력받은 상기 배터리의 온도 및 충전 상태에 기초하여 상기 배터리의 전체 열화도를 추정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DIAGNOSING THE CONDITION OF THE ENERGY STORAGE DEVICE}
본 발명은 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리 전체에 대한 열화도를 추정할 수 있도록 하는 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 배터리에 계통이나 다른 에너지원을 이용하여 에너지를 저장하기 위해서는 충전기가 필요하다. 충전기는 배터리에서 요구되는 에너지를 충전하기 위하여 사용되는데, 상기 배터리를 충전하기 위해서는 배터리 팩의 전압, 전류 감지가 필요하며, 상기 감지한 전압 및 전류 정보를 이용하여 배터리를 충전하게 된다.
배터리의 특성상 안정성 측면에서 배터리를 관리하는 별도의 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)이 필요하다. 일반적으로, 배터리는 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩에 의해 구성되며, 이는 낮은 셀 전압을 시스템에 적용하기 위한 것이다.
상기 배터리는, 배터리 셀 자체 보호를 목적으로 낮은 배터리 셀 전압을 시스템에 적용하기 위하여 팩을 구성하게 되는데, 이때 배터리를 팩으로 구성할 경우, 별도의 보호가 필요로 하게 되며, 이를 위한 배터리 팩의 전압과 전류 감지가 요구된다.
한편, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)는 계통에서 생성된 전력을 배터리에 저장하거나, 배터리에 저장된 전력을 계통 또는 부하에 공급하는 기능을 수행한다. 즉, 에너지 저장 시스템용 전력 변환 장치(Power Converter System, PCS)는 계통에서 요구되는 전력을 공급하게 되는데, 상기 전력 공급에 대한 동작은 상기 전력 변환 장치 자체에서 제어할 수도 있고, 별도의 배터리 관리 시스템이나 전력 관리 시스템과 같은 상위 제어를 이용하여 제어할 수도 있다.
한편, 이러한 배터리의 특성상 지속적으로 사용하는 경우, 열화라는 용량이 감소되는 현상은 피할 수 없다. 이때, 열화는 배터리 내부 저항이 증가하는 현상이다. 따라서, 배터리의 열화도를 측정하는 것은 매우 중요하다.
그러나, 종래에는 배터리의 열화 측정을 배터리 랙(Rack) 단위별로 BMS에서 계산하였으나, 전체 시스템에 대한 열화는 측정할 수 없기 때문에 신뢰성이 높지 않은 문제가 있었다.
또한, 배터리의 열화도를 운전 중 측정하여 운전조건 또는 운전전략에 반영할 필요성이 있었다.
본 발명의 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1493785호(등록일 : 2015.02.10.등록)인 "실시간 전력계통 상황에 기반한 에너지저장장치의 운영 시스템 및 방법"이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 배터리 전체 단위의 열화도 추정으로 배터리의 상태를 진단할 수 있도록 하는 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치는, 복수의 랙(Rack)을 포함하여 구성된 배터리; 상기 배터리의 전체 단위에 대한 전압값 및 전류값을 측정하는 측정부; 상기 배터리의 온도 및 충전 상태를 관리하는 배터리 관리부; 및 상기 측정부로부터 입력받은 상기 배터리의 전체 단위에 대한 전압값 및 전류값과, 상기 배터리 관리부로부터 입력받은 상기 배터리의 온도 및 충전 상태에 기초하여 상기 배터리의 전체 열화도를 추정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 배터리와 제어부를 연계하여 상기 배터리의 충전 및 방전을 수행하는 전력변환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 측정부는, 상기 전력변환부를 통해 상기 배터리의 충전 및 방전이 수행될 경우, 상기 배터리의 전체에 대한 전압값 및 전류값을 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는, 상기 측정부로부터 입력받은 상기 배터리의 전체 단위에 대한 전압값 및 전류값과, 상기 배터리 관리부로부터 입력받은 상기 배터리의 온도 및 충전 상태에 기초하여 상기 배터리의 전체 단위에 대한 내부저항값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는, 상기 배터리의 전체에 대한 초기 내부저항값을 기준으로 설정하여, 이를 상기 제어부에 의해 산출된 내부저항값과의 비교를 통해 상기 배터리의 전체 열화도를 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는, 상기 배터리 관리부로부터 입력받은 상기 배터리의 온도 및 충전 상태별로 나누어, 상기 배터리의 전체 열화도를 추정하기 위한 상기 배터리의 전체에 대한 내부저항값 기준을 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는, 상기 추정한 열화도의 신뢰성 판단을 통해 최종 열화도 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어부는, 상기 배터리의 전체 열화도에 기초하여 상기 배터리의 전체 용량 및 출력값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 방법은, 제어부가 배터리 관리부로부터 배터리의 온도 및 충전 상태를 입력받는 단계; 상기 제어부가 측정부로부터 상기 배터리의 전체에 대한 전압값 및 전류값을 입력받는 단계; 및 상기 제어부가 상기 측정부로부터 입력받은 상기 배터리의 전체에 대한 전압값 및 전류값과, 상기 배터리 관리부로부터 입력받은 상기 배터리의 온도 및 충전 상태에 기초하여 상기 배터리의 전체 열화도를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 전력변환부가 상기 배터리와 제어부를 연계하여 상기 배터리의 충전 및 방전을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 배터리의 전체에 대한 전압값 및 전류값을 입력받는 단계에서, 상기 측정부는 상기 전력변환부를 통해 상기 배터리의 충전 및 방전이 수행될 경우, 상기 배터리의 전체에 대한 전압값 및 전류값을 측정하여 상기 제어부로 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 배터리의 전체 열화도를 추정하는 단계는, 상기 제어부가 상기 측정부로부터 입력받은 상기 배터리의 전체 단위에 대한 전압값 및 전류값과, 상기 배터리 관리부로부터 입력받은 상기 배터리의 온도 및 충전 상태에 기초하여 상기 배터리의 전체 단위에 대한 내부저항값을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 배터리의 전체 열화도를 추정하는 단계는, 상기 제어부가 상기 배터리의 전체에 대한 초기 내부저항값을 기준으로 설정하여, 이를 상기 제어부가 산출한 내부저항값과 비교하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 비교 결과를 통해 상기 배터리의 전체 열화도를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 비교하는 단계에서, 상기 제어부가 상기 배터리 관리부로부터 입력받은 상기 배터리의 온도 및 충전 상태별로 나누어, 상기 배터리의 전체 열화도를 추정하기 위한 상기 배터리의 전체에 대한 내부저항값 기준을 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 제어부가 상기 추정한 열화도의 신뢰성 판단을 통해 최종 열화도 값을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 제어부가 상기 배터리의 전체 열화도에 기초하여 상기 배터리의 전체 용량 및 출력값을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법은, 배터리 전체 단위의 열화도 추정을 함으로써, 에너지 저장 장치 전체에 대한 안정성 및 성능을 진단하고 판단할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법은, 배터리 전체의 열화도를 실시간 모니터링 함으로써, 배터리의 용량 예측 및 출력 예측을 할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법은, 배터리 전체의 이상 여부를 미리 예측하고 관리함으로써, 사용자의 만족도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치를 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 방법을 보다 자세히 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치의 열화도 신뢰성 판단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치의 시스템 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법을 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치를 나타낸 블록구성도로서, 이를 참조하여 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치는, 배터리 관리부(100), 배터리(200), 측정부(300), 전력변환부(400) 및 제어부(500)를 포함한다.
배터리 관리부(100)는 BMS(Battery management system)로, 상기 배터리(200)의 온도 및 충전 상태를 관리한다. 또한, 배터리 관리부(100)는 배터리(200)의 온도 및 충전 상태 이외에도 배터리 정보를 파악하고 관리할 수 있다.
한편, 배터리 관리부(100)는 상기 배터리(200)의 전체에 대하여 랙 단위별로 관리할 수 있으며, 각각의 랙 단위별로 열화도가 추정될 수 있도록 한다.
배터리(200)는 에너지 저장 장치로서, 제어부(500)에 의해 동작되며, 전력변환부(400)를 통해 충전 및 방전된다. 또한, 본 실시예에서 배터리(200)는 대용량 에너지 저장 장치로서, 복수의 랙(Rack)을 포함하여 구성되어, 배터리(200)의 랙 단위별로 동작될 수 있다.
측정부(300)는 배터리(200)의 충전 및 방전 중에 취득되는 배터리(200)의 전체에 대한 전압값 및 전류값을 측정한다. 자세하게는, 전력변환부(400)를 통해 충전 및 방전을 수행할 경우, 측정부(300)에서는 배터리(200) 전체에 대한 전압값과, 충전 및 방전시 전압변동값, 즉 전류변화량에 대한 전압변화량을 측정할 수 있다.
전력변환부(400)는 PCS(Power Converter System)로, 교류를 직류로 또는 직류를 교류로 변환하는 장치이다. 전력 계통의 이상유무에 따라 전력 공급을 중단시킬 수 있는 계전 기능을 포함할 수도 있다.
또한, 전력변화부(400)는 배터리(200)와 제어부(500)를 연계하여 상기 배터리(200)의 충전 및 방전을 수행할 수 있다.
자세하게는, 전력변환부(400)는 배터리(200)로부터 저장된 직류전류를 교류로 변환하여 전력계통에 전력을 공급하거나 직접 교류부하에 전력을 공급할 수 있다. 또한, 전력계통으로부터의 교류전력을 직류로 변환하여 배터리(200)에 저장할 수도 있다.
제어부(500)는 측정부(300)로부터 입력받은 배터리(200)의 전체에 대한 전압값 및 전류값과, 배터리 관리부(100)로부터 입력받은 상기 배터리(200)의 온도 및 충전 상태에 기초하여 상기 배터리(200)의 전체 열화도를 추정한다.
이때, 제어부(500)는 측정부(300)로부터 입력받은 배터리(200)의 전체에 대한 전압값 및 전류값에 기초하여 옴 법칙에 의해 배터리(200)의 내부저항을 산출할 수 있다.
즉, 제어부(500)는 배터리(200)의 전체에 대한 초기 내부저항값을 기준으로 설정하여, 이와 상기 제어부(500)에 의해 산출된 내부저항값과의 비교를 통해 상기 배터리(200)의 전체 열화도를 추정할 수 있다.
이때, 제어부(500)는 배터리 관리부(100)로부터 입력받은 상기 배터리(200)의 온도 및 충전 상태(State Of Charge, SOC)별로 나누어, 상기 배터리(200)의 전체 열화도를 추정하기 위한 상기 배터리(200)의 전체에 대한 내부저항값 기준을 설정할 수 있다. 즉, 초기 상태인 배터리(200) 전체의 내부저항값을 온도별, 충전 상태별 기준값으로 설정하고, 이를 기준값 대비 온도 및 충전 상태를 고려하여 측정된 내부저항값과 비교함으로써, 현재 열화도를 추정할 수 있다.
여기서, 배터리(200)의 내부저항값은 배터리(200) 온도 및 충전 상태에 따라 변동할 수 있다. 따라서, 배터리 관리부(100)를 통해 온도 및 충전 상태 정보를 입력받아, 상기 배터리 관리부(100) 및 측정부(300)의 정보에 기초하여 열화도를 추정할 수 있다.
한편, 배터리(200)의 열화도를 추정함에 있어서, 상기 열화도는 배터리(200)의 열화상태에 따른 특정된 값으로 산출될 수 있는데, 상기 열화도를 산출하는 방법에는 별도의 산출 로직을 통하여 열화도를 산출하는 방법이나, 내부저항의 기준값과 측정된 내부저항 간의 관계에 대응하는 열화도 값을 규정한 테이블을 이용하여 산출할 수도 있다. 또한, 열화도를 추정함에 있어서, 실시간으로 계속 배터리(200)로부터 열화도를 추정할 수도 있고, 일정한 주기를 두고 추정할 수도 있다.
또한, 제어부(500)는 배터리(200)의 전체 열화도에 기초하여 상기 배터리(200)의 전체 용량 및 출력값을 산출할 수 있다. 이때, 배터리(200)의 전체 열화도에 따른 상기 배터리(200)의 전체 용량 및 출력값에 대한 룩업테이블을 메모리(미도시)에 미리 저장하여, 제어부(500)가 배터리(200)의 전체 열화도에 따른 상기 배터리(200)의 전체 용량 및 출력값을 산출할 수 있다. 또한, 배터리(200)의 전체 열화도와 상기 배터리(200)의 전체 용량 및 출력값의 상관관계에 대한 로직이 별도로 설정되어 있을 수도 있으며, 이에 대하여 한정하지는 않는다.
이를 통해, 배터리(200)의 전체 열화도에 기초하여 상기 배터리(200)의 전체 용량 및 출력값을 산출함으로써, 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 운영 및 진단을 함에 있어 중요한 정보로 활용할 수 있다.
또한, 제어부(500)는 신뢰성판단부(미도시)를 포함하여, 측정된 열화도에 대한 신뢰성을 판단할 수 있다. 신뢰성 판단에 대하여는 후술하는 내용을 통해 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 방법을 보다 자세히 설명하기 위한 흐름도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치의 열화도 신뢰성 판단 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치의 시스템 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 이를 참조하여 에너지 저장 장치의 상태 진단 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 방법은, 먼저 제어부(500)가 배터리(200)의 정보 및 배터리(200) 전체 전류값 및 전압값을 입력받는다(S1).
이때, 배터리(200)의 정보는 배터리(200)의 온도 및 충전 상태를 포함한다. 또한, 제어부(500)는 측정부(300)로부터 배터리(200)의 충전 및 방전 중에 취득되는 배터리(200)의 전체에 대한 전압값 및 전류값을 입력받을 수 있다.
다음으로, 제어부(500)는 배터리(200) 전체에 대한 내부저항값을 산출한다(S2). 이때, 제어부(500)는 측정부(300)로부터 입력받은 배터리(200) 전체에 대한 전압값 및 전류값에 기초하여 옴 법칙에 의해 배터리(200)의 전체에 대한 내부저항값을 산출할 수 있다.
그 다음, 제어부(500)는 배터리(200)의 전체 열화도를 추정하고, 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치에 대하여 진단한다(S3). 이때, 제어부(500)는 S2 단계에서 산출한 내부저항값은 배터리(200) 온도 및 충전 상태에 따라 변동하기 때문에, 배터리 관리부(100)를 통해 온도 및 충전 상태 정보를 입력받아 열화도를 추정할 수 있다.
또한, 제어부(500)는 상기 배터리(200)의 전체에 대한 내부저항값과, 배터리 관리부(100)로부터 입력받은 상기 배터리(200)의 온도 및 충전 상태에 기초하여 상기 배터리(200)의 전체 열화도를 추정할 수 있다. 상기 열화도를 추정하는 방법에는 별도의 산출 로직을 통하여 열화도를 산출하는 방법이나, 내부저항의 기준값과 측정된 내부저항 간의 관계에 대응하는 열화도 값을 규정한 테이블을 이용하여 산출할 수도 있다. 또한, 열화도를 추정함에 있어서, 실시간으로 계속 배터리(200)로부터 열화도를 추정할 수도 있고, 일정한 주기를 두고 추정할 수도 있다.
즉, 제어부(500)는 배터리(200)의 전체에 대한 초기 내부저항값을 기준으로 설정하여, 이와 제어부(500)에 의해 산출된 내부저항값과의 비교를 통해 상기 배터리(200)의 전체 열화도를 추정할 수 있다.
이때, 제어부(500)는 배터리 관리부(100)로부터 입력받은 상기 배터리(200)의 전체에 대한 온도 및 충전 상태(State Of Charge, SOC)별로 나누어, 상기 배터리(200)의 전체 열화도를 추정하기 위한 상기 배터리(200)의 전체에 대한 내부저항값 기준을 설정할 수 있다. 즉, 초기 상태인 배터리(200)의 전체에 대한 내부저항값을 온도별, 충전 상태별 기준값으로 설정하고, 이를 기준값 대비 온도 및 충전 상태를 고려하여 측정된 내부저항값과 비교함으로써, 현재 열화도를 추정할 수 있다.
한편, 제어부(500)는 상기에서 추정된 배터리(200)의 전체 열화도와 배터리 관리부(100)에서 측정된 배터리(200)의 열화도에 기초하여 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치를 진단할 수 있다. 이를 통해 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치의 이상유무를 판단할 수 있으며, 이상유무에 따라 배터리(200)의 전체 열화도와 배터리 관리부(100)에서 측정된 배터리(200)의 열화도를 선택적으로 이용할 수 있다. 보다 자세한 설명은 후술하도록 한다.
다음으로, 제어부(500)는 배터리(200)의 전체 열화도에 기초하여 상기 배터리(200)의 전체 용량 및 출력값을 산출한다(S4).
이를 통해, 배터리(200)의 전체 열화도에 기초하여 상기 배터리(200)의 전체 용량 및 출력값을 산출함으로써, 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 운영 및 진단을 함에 있어 중요한 정보로 활용할 수 있다.
한편, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 방법을 보다 자세히 설명하도록 한다.
먼저, 제어부(500)가 배터리 관리부(100)로부터 배터리 정보를 입력받는다(S10). 이때, 배터리(200)의 정보는 배터리 관리부(100)로부터 입력받는 모든 정보를 포함하며, 특히 배터리(200)의 온도 및 충전 상태를 포함한다.
다음으로, 제어부(500)는 측정부(300)로부터 배터리(200)의 전체에 대한 전류값 및 전압값을 입력받는다(S20). 이때, 측정부(300)는 전력변환부(400)를 통해 충전 및 방전을 수행할 경우, 배터리(200) 전체에 대한 전압값과, 충전 및 방전시 전압변동값, 즉 전류변화량에 대한 전압변화량을 측정할 수 있다.
그 다음, 제어부(500)는 S20 단계에서 입력받은 입력 전류값이 설정값 이하인지 확인한다(S30). 이때, 설정값은 저전류값으로 소정의 값을 설정하고, 전력변환부(400)에서 충전 및 방전을 수행할 때의 기준 측정 전류값이 저전류값 이하인지 확인할 수 있다.
한편, S30 단계에서 제어부(500)가 입력 전류값이 설정값을 초과한다고 판단한 경우에는, 입력 전류값이 설정값 이하가 될 때까지 S30 단계를 반복하여 수행할 수 있다.
S30 단계에서 제어부(500)가 입력 전류값이 설정값 이하라고 판단한 경우, 제어부(500)는 저전류 구간 지속시간을 카운팅하여 설정시간 이상 유지하는지 확인한다(S40).
그 다음, 제어부(500)가 S40 단계에서 입력 전류값이 저전류 구간에서 설정시간 이상 지속되고 있다고 판단한 경우, 배터리(200)의 전체 상태를 안정상태로 파악한다(S50). 이때, 제어부(500)가 배터리(200)의 전체 상태를 안정상태로 파악하면, 전력변환부(400)는 정격 출력 펄스 동작을 수행하는데, 충전 및 방전 각 1회씩 동작시킬 수 있다.
한편, 입력 전류값이 일정 시간 이상 저전류 상태인지 파악하는 것은, 배터리(200)의 안정상태를 파악하기 위한 것으로, 배터리(200)가 저전류 상태로 일정시간이 경과하여야 배터리(200)가 안정상태로 진입하게 된다. 이때, 배터리(200)가 안정상태가 아닐 때 측정부(300)에서 배터리(200)의 전체에 대한 전압값 및 전류값을 측정하게 되면, 측정값에 대한 오차가 커 내부저항값, 즉 열화도에 대한 추정이 정확하지 않을 수 있다.
즉, 배터리(200)의 전체 상태가 안정상태일 때, 전력변환부(400)를 통해 충전 및 방전이 수행될 경우, 측정부(300)에서는 배터리(200)의 전체에 대한 전압값 및 전류값을 측정하여 제어부(500)에 전송할 수 있다.
다음으로, 제어부(500)는 배터리(200)의 전체 안정상태일 때의 전류값 및 전압값에 기초하여 내부저항값을 산출한다(S60).
그 다음, 제어부(500)는 배터리(200)의 전체 열화도를 추정한다(S70). 이때, 제어부(500)는 산출한 배터리(200) 전체의 내부저항값과, 배터리 관리부(100)로부터 입력받은 상기 배터리(200)의 온도 및 충전 상태에 기초하여 상기 배터리(200)의 전체 열화도를 추정한다.
다음으로, 제어부(500)는 추정한 열화도가 신뢰성이 있는지 판단한다(S80). 제어부(500)가 S80 단계에서 신뢰성이 없다고 판단한 경우에는 종료하고, 신뢰성이 있다고 판단한 경우에는, 상기 추정한 열화도를 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치에 업데이트 한다(S90). 이때, 열화도의 신뢰성 판단은 후술하는 도 4를 참조하여 자세히 설명하도록 한다.
한편, 제어부(500)는 S90 단계에서 업데이트한 배터리(200)의 전체 열화도에 기초하여 상기 배터리(200)의 전체 용량 및 출력값을 산출한다(S100). 이때, 배터리(200)의 전체 열화도에 따른 상기 배터리(200)의 전체 용량 및 출력값에 대한 룩업테이블을 메모리(미도시)에 미리 저장하여, 제어부(500)가 배터리(200)의 전체 열화도에 따른 상기 배터리(200)의 전체 용량 및 출력값을 산출할 수 있다. 또한, 배터리(200)의 전체 열화도와 상기 배터리(200)의 전체 용량 및 출력값의 상관관계에 대한 로직이 별도로 설정되어 있을 수도 있으며, 이에 대하여 한정하지는 않는다.
이를 통해, 배터리(200)의 전체 열화도에 기초하여 상기 배터리(200)의 전체 용량 및 출력값을 산출함으로써, 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 운영 및 진단을 함에 있어 중요한 정보로 활용할 수 있다.
이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치의 열화도 신뢰성 판단 방법에 대하여 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제어부(500)가 신뢰성판단부(미도시)에 측정한 열화도(State Of Health, 'SOH')를 입력한다(S81).
다음으로, 신뢰성판단부는 설정개수 이상 열화도 값이 입력되었는지 확인한다(S82).
예컨대, 입력된 열화도 값의 개수가 6개 일 때 신뢰성 판단을 수행하는 것으로 설정할 수 있다. 즉, S82 단계에서 6개 이상의 열화도 값이 입력되지 않는 경우에는, 신뢰성판단부는 계속해서 열화도 값을 입력받는다.
S82 단계에서 최근 측정된 6개의 열화도 값이 입력된 경우, 신뢰성판단부는 상기 6개의 열화도 값의 분산값이 1 미만인지 판단한다(S83). 이때, 1은 임의의 설정값으로 이에 한정하지는 않는다. 한편, 급격하게 열화도가 증가할 수 있는 경우를 대비하여 측정값은 분산값에 상관없이 순차적으로 저장할 수 있다.
S83 단계에서 6개의 열화도 값의 분산값이 1 미만인 경우, 신뢰성판단부는 최종 열화도 값을 계산한다(S84). 즉, 최종열화도는 6개의 열화도의 합에서 상기 6개의 열화도 중 최소값(MIN)과 최대값(MAX)을 제외한 값의 평균으로 계산할 수 있다.
반면, S83 단계에서 6개의 열화도 값의 분산값이 1 이상인 경우에는 신뢰성 평가를 종료할 수 있다.
다음으로, 신뢰성판단부는 S84 단계의 계산 결과를 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치에 업데이트한다(S85).
이하에서는, 도 5를 참조하여, 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치의 진단 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(500)는 배터리 관리부(100)에서 측정한 배터리(200) 열화도 값과 배터리(200) 전체에 대한 열화도 값을 입력받는다(S91). 즉, 제어부(500)는 배터리 관리부(100)에서 랙 단위별로 측정한 배터리(200)의 열화도와, 전력변환부(400)를 통해 충전 및 방전이 수행된 경우, 측정한 배터리(200)의 전체 열화도를 입력받을 수 있다.
다음으로, 제어부(500)는 배터리(200)의 전체 열화도와, 배터리 관리부(100)에서 측정한 배터리(200) 열화도의 차가 기준값 미만인지 판단한다(S92). 예컨대, 기준값은 5%로 설정되어 상기 두 열화도의 차가 5% 미만인지 판단할 수 있다. 즉, 열화도는 배터리(200) 용량의 열화 정도를 나타내는 것으로, 배터리(200) 추정 용량을 구한 뒤 초기용량으로 나누어 백분율을 취하는 것에 의해 연산될 수도 있다.
S92 단계에서 배터리(200)의 전체 열화도와, 배터리 관리부(100)에서 측정한 열화도 값의 차가 기준값 미만인 경우, 제어부(500)는 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치가 정상 상태라고 판단하여 상태 진단 장치에 정상임을 보고한다(S93).
S93 단계 이후, 제어부(500)는 배터리 관리부(100)에서 랙 단위별로 측정한 배터리(200) 각각에 대한 성능 및 용량을 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치에 업데이트 한다(S94). 이는, 제어부(500)가 배터리(200)의 전체 열화도와, 배터리 관리부(100)에서 측정한 열화도 값의 차가 기준값 미만으로, 그 차이가 미세하여 일치한다고 판단함으로써, 배터리 관리부(100)에서 측정한 배터리(200) 각각에 대한 열화도에 기초하여 배터리(200)의 성능 및 용량을 업데이트 하는 것이다.
반면, S92 단계에서, 배터리(200)의 전체 열화도와, 배터리 관리부(100)에서 측정한 열화도의 차가 기준값 이상인 경우, 제어부(500)는 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치가 이상 상태라고 판단하여 상태 진단 장치에 이상임을 보고한다(S95).
따라서, 제어부(500)는 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치의 이상에 따른 배터리(200) 및 주요 부품의 검사 알람을 출력한다(S96). 즉, 배터리(200)의 전체 열화도와, 배터리 관리부(100)에서 측정한 열화도의 차가 기준값 이상으로, 그 차이가 현격하다고 판단된 경우, 배터리(200)뿐만 아니라 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치의 주요 부품들에도 이상이 발생했다고 판단할 수 있다. 이는, 배터리(200) 전체 열화도 측정을 통하여, 각각의 배터리(200)의 열화뿐만 아니라 예컨대, 배터리(200)를 연결하는 커넥터 및 다른 부품들의 열화도 함께 측정되기 때문이다.
다음으로, 제어부(500)는 배터리(200) 전체 열화도에 따른 배터리(200) 전체의 성능 및 용량을 업데이트 한다(S97). 즉, 상기에서 설명한 바와 같이 배터리 관리부(100)에서 측정한 배터리(200) 열화도와, 배터리(200)의 전체 열화도가 차이가 큰 경우에는, 배터리(200)의 전체 열화도를 통해 배터리(200) 전체의 성능 및 용량을 업데이트 한다.
즉, 제어부(500)는 배터리 관리부(100)에서 측정된 열화도의 신뢰성이 낮을 경우에는 비교 대체 정보로 배터리(200)의 전체 열화도를 활용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법은, 배터리 전체 단위의 열화도 추정을 함으로써, 에너지 저장 장치 전체에 대한 안정성 및 성능을 진단하고 판단할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법은, 배터리 전체의 열화도를 실시간 모니터링 함으로써, 배터리의 용량 예측 및 출력 예측을 할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치 및 방법은, 배터리 전체의 이상 여부를 미리 예측하고 관리함으로써, 사용자의 만족도를 향상시킬 수 있다.
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 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 배터리 관리부 200 : 배터리
300 : 측정부 400 : 전력변환부
500 : 제어부

Claims (16)

  1. 복수의 랙(Rack)을 포함하여 구성된 배터리;
    상기 배터리에 대한 전압값 및 전류값을 측정하는 측정부;
    상기 배터리의 온도 및 충전 상태를 관리하는 배터리 관리부; 및
    상기 측정부 및 상기 배터리 관리부와 연결되어 상기 측정부 및 상기 배터리 관리부로부터 출력되는 정보를 처리하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 측정부로부터 입력받은 상기 배터리에 대한 전압값 및 전류값에 기반하여 상기 배터리에 대한 내부저항값을 산출하고, 상기 배터리 관리부로부터 입력받은 상기 배터리의 온도 및 충전 상태에 기반하여 상기 배터리에 대한 기준 내부저항값을 설정하고, 상기 산출된 내부저항값과 상기 기준 내부저항값을 비교하여 상기 배터리의 열화도를 추정하고,
    상기 배터리에 대한 기준 내부저항값이 온도별 및 충전 상태별로 저장된 룩업테이블이 저장된 메모리;를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 메모리에 저장된 룩업 테이블을 참고하여 상기 배터리의 온도 및 충전 상태에 대응하는 기준 내부저항값을 산출하고, 상기 산출된 기준 내부저항값을 상기 배터리의 기준 내부저항값으로 설정하고,
    상기 메모리에는 상기 배터리의 열화도에 따른 상기 배터리의 용량 및 출력값에 대한 룩업테이블이 더 저장되고,
    상기 제어부는, 상기 메모리에 저장된 룩업테이블을 참고하여 상기 추정된 배터리의 열화도에 대응하는 상기 배터리의 용량 및 출력값을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리와 제어부를 연계하여 상기 배터리의 충전 및 방전을 수행하는 전력변환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 전력변환부를 통해 상기 배터리의 충전 및 방전이 수행될 경우, 상기 배터리에 대한 전압값 및 전류값을 측정하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    주기적으로 상기 배터리의 열화도를 추정하여 상기 메모리에 저장하고, 상기 메모리에 저장된 최근 N개의 열화도에 대한 분산값이 미리 설정된 기준 분산값 미만인지 여부를 판단하고, 상기 N개의 열화도에 대한 분산값이 상기 기준 분산값 미만인 경우 상기 N개의 열화도에 기반하여 상기 배터리에 대한 최종 열화도를 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 상태 진단 장치.
  8. 삭제
  9. 제어부가 배터리 관리부로부터 배터리의 온도 및 충전 상태를 입력받는 단계;
    상기 제어부가 측정부로부터 상기 배터리에 대한 전압값 및 전류값을 입력받는 단계;
    상기 제어부가 상기 측정부로부터 입력받은 상기 배터리에 대한 전압값 및 전류값에 기반하여 상기 배터리에 대한 내부저항값을 산출하는 단계;
    상기 제어부가 상기 배터리 관리부로부터 입력받은 상기 배터리의 온도 및 충전 상태에 기반하여 상기 배터리에 대한 기준 내부저항값을 설정하는 단계; 및
    상기 제어부가 상기 산출된 내부저항값과 상기 기준 내부저항값을 비교하여 상기 배터리의 열화도를 추정하는 단계;를 포함하고,
    상기 기준 내부저항값을 설정하는 단계에서,
    상기 제어부는 메모리에 저장된 상기 배터리에 대한 기준 내부저항값이 온도별 및 충전 상태별로 저장된 룩업테이블을 참고하여 상기 배터리의 온도 및 충전 상태에 대응하는 기준 내부저항값을 산출하고, 상기 산출된 기준 내부저항값을 상기 배터리의 기준 내부저항값으로 설정하고,
    상기 제어부가 상기 메모리에 저장된 상기 배터리의 열화도에 따른 상기 배터리의 용량 및 출력값에 대한 룩업테이블을 참고하여 상기 추정된 배터리의 열화도에 대응하는 상기 배터리의 용량 및 출력값을 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 상태 진단 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    전력변환부가 상기 배터리와 제어부를 연계하여 상기 배터리의 충전 및 방전을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 상태 진단 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 배터리에 대한 전압값 및 전류값을 입력받는 단계에서,
    상기 측정부는 상기 전력변환부를 통해 상기 배터리의 충전 및 방전이 수행될 경우, 상기 배터리에 대한 전압값 및 전류값을 측정하여 상기 제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 상태 진단 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 제어부는 주기적으로 상기 배터리의 열화도를 추정하여 상기 메모리에 저장하고,
    상기 제어부가 상기 메모리에 저장된 최근 N개의 열화도에 대한 분산값이 미리 설정된 기준 분산값 미만인지 여부를 판단하고, 상기 N개의 열화도에 대한 분산값이 상기 기준 분산값 미만인 경우 상기 N개의 열화도에 기반하여 상기 배터리에 대한 최종 열화도를 산출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 상태 진단 방법.
  16. 삭제
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