KR102614065B1 - 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치 - Google Patents

에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 스토리지 시스템에 구성된 배터리의 C-rate별 Cycle 테스트 결과에 대응되는 값을 저장하고, 선택 신호에 따른 C-rate에 대응하는 저장 값을 선택하여 출력하는 데이터 저장부, 및 상기 에너지 스토리지 시스템으로부터 운영중인 배터리의 C-rate 정보, 운영중인 배터리의 C-rate 별 운영 시간 및 운영되는 배터리의 충전 전력 및 방전 전력을 제공 받고, 상기 C-rate 정보에 기초하여 상기 선택 신호를 생성하며, 상기 C-rate 정보, 상기 C-rate 별 운영 시간, 상기 배터리의 충전 전력, 상기 배터리의 방전 전력 및 상기 데이터 저장부에서 제공하는 저장된 값을 기초로 배터리 수명을 추산하는 SOH 산출부를 포함한다.

Description

에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치{Battery SOH Estimation Device For Energy Storage System}
본 발명은 에너지 스토리지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치에 관한 것이다.
일반적으로 에너지 스토리지 시스템(ESS, Energy Storage System)은 발전소에서 과잉 생산된 전력 또는 불규칙하게 생산되는 신재생 에너지를 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족하거나 필요할 때 전력을 송전해 주는 저장 장치로서, 전기 전력계통에 전기를 저장해 두는 시스템을 의미한다.
이러한 ESS는 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 이용되고 있으며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신재생 에너지를 이용한 발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하 평준화(Load Leveling), 비상 전원등의 기능으로 사용되고 있다.
ESS는 저장 방식에 따라 물리적 에너지 저장과 화학적 에너지 저장으로 구분된다. 물리적 에너지 저장은 양수 발전, 압축 공기 저장, 플라이 휠등을 이용한 방식이고, 화학적 에너지 저장은 리튬 이온 배터리, 납축전지, Nas 전지등을 이용한 방식이 있다.
ESS의 화학적 에너지 저장 방식으로 이용되는 배터리는 한정된 수명이 존재하며, 배터리의 사용에 의해 내부 저항이 증가하여 출력이 감소하고, 사용 가능한 용량 또한 감소한다.
이러한 배터리의 성능 저하가 발생하게 될 경우 ESS의 에너지 효율이나 성능에 있어서 저하를 가져올 수 있어, 배터리의 SOH(Stage Of Health) 측정이 중요하게 여겨진다.
본 발명은 에너지 스토리지 시스템의 배터리 운영중에도 배터리 수명을 추산할 수 있는 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치는 에너지 스토리지 시스템에 구성된 배터리의 C-rate별 Cycle 테스트 결과에 대응되는 값을 저장하고, 선택 신호에 따른 C-rate에 대응하는 저장 값을 선택하여 출력하는 데이터 저장부, 및 상기 에너지 스토리지 시스템으로부터 운영중인 배터리의 C-rate 정보, 운영중인 배터리의 C-rate 별 운영 시간 및 운영되는 배터리의 충전 전력 및 방전 전력을 제공 받고, 상기 C-rate 정보에 기초하여 상기 선택 신호를 생성하며, 상기 C-rate 정보, 상기 C-rate 별 운영 시간, 상기 배터리의 충전 전력, 상기 배터리의 방전 전력 및 상기 데이터 저장부에서 제공하는 저장된 값을 기초로 배터리 수명을 추산하는 SOH 산출부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치는 운영중인 배터리의 수명을 추산할 수 있어, 배터리 수명에 따라 효율적인 에너지 스토리지 시스템의 정기 점검 시점을 결정할 수 있다
본 발명의 실시예에 따른 배터리 수명 추산 장치의 배터리 수명 추산 결과를 경제성 판단지표로 활용함으로써, 경제적인 이득을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치에 대한 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 에너지 스토리지 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 데이터 저장부의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 SOH 산출부의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 배터리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 배터리의 특정 C-rate에서의 적정 Cycle 수를 추산 방법을 설명하기 위한 도면이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치에 대한 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 에너지 스토리지 시스템(100), 데이터 저장부(200) 및 SOH 산출부(300)를 포함할 수 있다.
에너지 스토리지 시스템(100)은 생산된 전력을 화학적 에너지로 변환하는 장치일 수 있다. 예를 들어, 에너지 스토리지 시스템(100)는 생산된 전력을 배터리에 저장하고, 배터리에 저장된 전력을 필요시에 방출할 수 있다.
데이터 저장부(200)는 배터리 수명 추산에 이용되는 정보들이 저장될 수 있다. 예를 들어, 데이터 저장부(200)는 에너지 스토리지 시스템(100)이 포함하는 배터리의 Cycle 테스트 결과에 대응되는 값들을 갖는 Cycle 정보를 저장할 수 있다. 데이터 저장부(200)는 에너지 스토리지 시스템(100)이 포함하는 배터리의 총 용량 대비 기본 단위 배터리의 용량에 대한 정보 즉, 스케일 계수 정보를 저장할 수 있다. 이때, Cycle 테스트 결과는 배터리 제조사에서 배터리의 완전 충전 및 완전 방전을 반복하며 배터리의 수명을 테스트한 결과로서, 배터리가 완전 충전 및 완전 방전을 몇 번할 수 있냐를 수치화한 것이다. 예를 들어, 배터리를 완전 방전 상태에서 정격 용량으로 완전 충전 후 완전 방전하였을 경우, 1500번의 완전 충전과 완전 방전을 수행할 수 있으면 1 C-rate(충방전율)에 대한 수명 감소는 1/1500으로 수치화되어 Cycle 테스트 결과로서 나타내어진다. 또한 정격 용량의 50%로 충전과 방전을 수행할 경우(0.5 C-rate) 배터리가 2000번의 충전과 방전을 수행할 수 있으면 0.5 C-rate에 대한 수명 감소는 1/2000으로 수치화되어 Cycle 테스트 결과로서 나타내어진다. 데이터 저장부(200)는 스케일 계수 정보를 저장할 수 있다. 스케일 계수 정보는 에너지 스토리지 시스템(100)의 총 용량 대비 단위 셀 배터리의 용량 즉, 에너지 스토리지 시스템(100)에 구비된 단위 셀 배터리의 개수에 대응되는 값의 정보일 수 있다. 예를 들어, 에너지 스토리지 시스템(100)은 복수의 랙(Rack)으로 구성될 수 있고, 랙은 복수의 모듈(Module)로 구성될 수 있으며, 모듈은 복수의 단위 셀 배터리(Cell)로 구성될 수 있다. 복수의 단위 셀 배터리를 구비하는 모듈은 하나의 단위 셀 배터리보다 충방전 효율이 낮을 수 있다. 복수의 모듈을 구비하는 랙은 하나의 모듈보다 충방전 효율이 낮을 수 있다. 복수의 랙을 구비하는 에너지 스토리지 시스템(100)은 하나의 랙보다 충방전 효율이 낮을 수 있다. 즉, 단위 셀 베터리(Cell), 모듈(Module), 랙(Rack), 에너지 스토리지 시스템(100) 순으로 충방전 용량이 증가(스케일 업)하지만, 충방전 효율은 낮아질 수 있다. 스케일 계수 정보는 단위 셀 베터리, 모듈, 랙, 에너지 스토리지 시스템(100) 순으로 충방전 용량이 증가하지만 충방전 효율이 낮아지는 것을 수치화한 것일 수 있다. 스케일 계수 정보는 에너지 스토리지 시스템(100)에 몇 개의 단위 셀 배터리가 구비되어 있는지 또는 몇 개의 모듈이 구비되어 있는지, 또는 몇 개의 랙이 구비되어 있는지를 수치화한 것일 수 있다. 이하에서는 에너지 스토리지 시스템(100)이 구비하는 단위 셀 배터리의 개수에 반비례하는 값을 갖는 스케일 계수 정보를 예로 하여 설명한다.
SOH 산출부(300)는 에너지 스토리지 시스템(100)의 배터리 운영 정보 및 데이터 저장부(200)에 저장된 정보에 기초하여 배터리 수명(SOH)을 추산할 수 있다. 예를 들어, SOH 산출부(300)는 에너지 스토리지 시스템(100)으로부터 배터리 운영 정보 즉, 배터리가 운영되는 C-rate 정보, 운영중인 배터리가 충전될 때 제공받은 전력, 운영중인 배터리가 방전할 때 제공하는 전력 및 C-rate 정보 별 배터리 운영 시간을 제공 받을 수 있다. 또한 SOH 산출부(300)는 에너지 스토리지 시스템(100)으로부터 제공 받은 C-rate 정보에 따른 배터리의 Cycle 정보를 데이터 저장부(200)로부터 제공 받을 수 있다. SOH 산출부(300)는 데이터 저장부(200)로부터 스케일 계수 정보를 제공 받을 수 있다.
SOH 산출부(300)는 에너지 스토리지 시스템(100)으로부터 제공 받는 배터리 운영 정보 및 데이터 저장부(200)로부터 제공 받는 정보를 기설정된 프로그램 또는 알고리즘에 따라 연산하여 배터리 수명(SOH)을 추산할 수 있다.
도 2는 도 1의 에너지 스토리지 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 에너지 스토리지 시스템(100)은 배터리(101), 배터리 매니지먼트 시스템(이하 BMS, Battery Management System, 102), 파워 컨디션닝 시스템(이하 PCS, Power Conditioning System, 103), 및 에너지 매니지먼트 시스템(이하 EMS, Energy Management System, 104)을 포함할 수 있다.
배터리(101)는 전기 에너지를 저장하는 장치일 수 있다. 예를 들어, 배터리(101)는 복수의 랙을 구비할 수 있다. 하나의 랙은 복수의 모듈을 구비할 수 있고, 하나의 모듈은 복수의 단위 셀 배터리를 구비할 수 있다. 단위 셀 배터리는 에너지 스토리지 시스템(100)에서 전기 에너지를 저장하는 최소 단위일 수 있다.
BMS(102)는 배터리(101)를 제어할 수 있다. 예를 들어, BMS(102)는 EMS(104)의 제어에 의해 배터리(101)의 충전 및 방전을 수행하고, 배터리(101)의 효율을 관리할 수 있다.
PCS(103)는 배터리(101)에 전기 에너지를 충전시키고, 배터리(101)에 저장된 전기 에너지를 방출하기 위하여, 외부로부터 입력되는 전기 에너지를 변환하여 배터리(101)에 제공하고, 배터리(101)에 저장된 전기 에너지를 변환하여 외부로 제공할 수 있다. 예를 들어, 배터리(101)는 직류 형태의 전기 에너지를 입력 받아 저장하고, 저장된 직류 형태의 전기 에너지를 방전하도록 구성될 수 있다. 한편, 외부로부터 에너지 스토리지 시스템(100)에 입출력되는 전기 에너지는 교류 형태일 수 있다. 그러므로, PCS(103)는 외부로부터 입력되는 교류 형태의 전기 에너지를 직류 형태의 전기 에너지로 변환하여 배터리(101)에 제공하고, 배터리(101)로부터 방출되는 직류 형태의 전기 에너지를 교류 형태의 전기 에너지로 변환하여 외부로 출력하도록 구성될 수 있다.
EMS(104)는 에너지 스토리지 시스템(100)의 데이터를 분석하여, 에너지 스토리지 시스템(100)의 효율을 높이도록 구성될 수 있다. 예를 들어, EMS(104)는 BMS(102) 및 PCS(103)를 제어하여 에너지 스토리지 시스템(100)의 충방전 용량과 시간등을 제어함으로써, 에너지 스토리지 시스템(100)의 효율을 높이도록 에너지 스토리지 시스템(100)을 전체적으로 관리하는 시스템일 수 있다. 그러므로, EMS(104)는 에너지 스토리지 시스템(100)이 운영되는데 이용되는 모든 데이터를 포함할 수 있다. 본 발명은 에너지 스토리지 시스템(100)의 EMS(104)로부터 운영중인 배터리의 충전량, 방전량, 충전시간 및 방전 시간을 제공 받는 SOH 산출부(300)를 개시하고 있지만, SOH 산출부(300)는 BMS(102) 또는 PCS(103)로부터도 배터리(101)의 충전량, 방전량, 충전시간 및 방전시간을 제공 받을 수 있다.
도 3은 도 1의 데이터 저장부의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 데이터 저장부(200)는 입력부(201), 변환부(202) 및 메모리(203)를 포함할 수 있다.
입력부(201)는 에너지 스토리지 시스템(100)을 이용하는 사용자 또는 관리자가 배터리 수명 추산에 이용되는 정보들을 입력 데이터(D_in)로 변환부(202)에 제공될 수 있도록 하는 구성으로서, 입력 인터페이스로 구성될 수 있다. 이때, 사용자 또는 관리자가 입력하는 배터리 수명 추산에 이용되는 정보들은 배터리 제조사가 배터리를 테스트한 결과일 수 있다. 테스트 결과는 Cycle 테스트 결과 및 배터리의 정격용량을 포함할 수 있다.
변환부(202)는 입력부(201)로부터 입력되는 정보들(D_in)의 값을 에너지 스토리지 시스템(100)의 배터리 수명 추산에 필요한 값으로 변환하여 변환 데이터(D_c)로 메모리(203)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 변환부(202)는 배터리의 Cycle 테스트 결과가 입력부(201)로부터 입력되면 기설정된 비율에 따라 Cycle 테스트 결과 값을 변환하고, 변환된 값을 변환 데이터(D_c)로 메모리(201)에 제공할 수 있다. 다음의 표1을 참조하여, 더욱 상세히 설명한다.
변환부(202)는 표 1과 같이, 입력부(201)을 통해 입력되는 배터리의 Cycle 테스트 결과 값을 변환시켜 메모리(203)에 제공할 수 있다. 이때, 변환부(202)가 메모리(203)에 제공하는 것은 C-rate 별 Cycle 테스트 변환 값일 수 있다. 또한 변환부(202)는 스케일 계수 정보의 값을 변환하여 메모리(203)에 제공할 수 있다.
메모리(203)는 변환부(202)에서 제공하는 C-rate 별 Cycle 테스트 변환 값 및 스케일 계수 정보를 저장할 수 있다. 메모리(203)는 저장된 C-rate 별 Cycle 테스트 변환 값 및 스케일 계수 정보를 선택 데이터(D_s)로 SOH 산출부(300)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 메모리(203)는 SOH 산출부(300)로부터 제공되는 선택 신호(S_s)에 따른 C-rate의 Cycle 테스트 변환 값을 SOH 산출부(300)에 선택적으로 출력할 수 있다. 더욱 상세히 설명하면, 메모리(203)는 C-rate 값의 대응하는 주소에 Cycle 테스트 변환 값을 저장할 수 있다. 메모리(203)는 SOH 산출부(300)로부터 제공되는 선택 신호(S_s)에 대응되는 주소에 저장된 Cycle 테스트 변환 값을 선택 데이터(D_s)로 SOH 산출부(300)에 제공할 수 있다. 만약, SOH 산출부(300)로부터 0.33 C-rate를 선택하는 선택 신호(S_s)가 메모리(203)에 입력되면, 메모리(203)는 저장된 Cycle 테스트 변환 값(1/3200)을 SOH 산출부(300)에 제공할 수 있다. 또한, SOH 산출부(300)로부터 1 C-rate를 선택하는 선택 신호(S_s)가 메모리(203)에 입력되면, 메모리(203)는 저장된 Cycle 테스트 변환 값(1/1700)을 SOH 산출부(300)에 제공할 수 있다.
도 4는 도 1의 SOH 산출부의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, SOH 산출부(300)는 데이터 선택부(301) 및 연산부(302)를 포함할 수 있다.
데이터 선택부(301)는 에너지 스토리지 시스템(100)의 EMS(104)로부터 제공되는 배터리 운영 정보(Op_inf)에 따라 선택 신호(S_s)를 생성하고, 생성된 선택 신호(S_s)를 메모리(203)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 데이터 선택부(301)는 배터리 운영 정보(Op_inf)에 포함된 C-rate 정보에 대응되는 선택 신호(S_s)를 생성할 수 있다. 만약, 데이터 선택부(301)는 배터리가 0.33 C-rate로 운영중이라는 정보를 포함하는 배터리 운영 정보(Op_inf)를 입력 받으면, 데이터 선택부(301)는 C-rate 별 Cycle 테스트 변환 값을 저장하는 메모리(203)가 0.33 C-rate에 해당하는 값이 저장된 주소를 선택하여 저장된 값을 출력할 수 있는 선택 신호(S_s)를 생성할 수 있다.
연산부(302)는 에너지 스토리지 시스템(100)의 EMS(104)로부터 제공되는 배터리 운영 정보(Op_inf) 및 데이터 저장부(200)의 메모리(203)로부터 제공되는 선택 데이터(D_s)를 기초로 하여 배터리 수명(SOH)을 산출할 수 있다. 예를 들어, 연산부(302)는 배터리 운영 정보(Op_inf) 및 선택 데이터(D_s)를 기설정된 프로그램 또는 알고리즘에 따른 연산식에 입력하여 배터리 수명(SOH)을 산출할 수 있다.
연산부(302)는 한번도 사용되지 않은 배터리(101)의 배터리 수명(SOH)을 특정 값으로 하여, 사용중인 배터리 수명(SOH)이 특정 값보다 작은 값을 갖도록 연산하는 구성으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 연산부(302)는 한번도 사용되지 않은 배터리 수명을 자연수 1로 하여, 사용중인 배터리 수명(SOH)이 1보다 작은 값을 갖도록 하는 구성으로 구현될 수 있다.
연산부(302)는 배터리 운영 정보(Op_in) 및 선택 데이터(D_s)를 기설정된 프로그램 또는 알고리즘에 따른 연산식에 입력하여 연산된 결과 값을 생성하고, 1에서 연산된 결과 값을 감산하여, 감산 결과를 배터리 수명(SOH)으로 출력할 수 있다.
연산부(302)는 다음과 같은 연산식을 계산할 수 있도록 구성될 수 있다.
A: 운영중인 배터리의 C-rate에 대한 Cycle 테스트 변환 값
B: C-rate 별 배터리의 운영 시간
C: C-rate로 운영된 시간별 배터리의 충전 전력 또는 방전 전력
D: 배터리의 정격용량
F: 스케일 계수 정보
(연산식) SOH = 1 - {C-rate 구간별 (A*B*C/D*F)의 합}
A, F는 메모리(203)로부터 제공되는 선택 데이터(D_s)의 값일 수 있다. B, C는 EMS(104)로부터 제공되는 배터리 운영 정보(Op_inf)일 수 있다. D는 기설정된 프로그램 또는 알고리즘에 고정된 값이거나, 메모리(203)에 저장된 값일 수 있다.
도 6을 참조로 하여, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 6에 도시된 바와 같이, 에너지 스토리지 시스템(100)이 운영되었다고 가정한다. 배터리(101)의 정격용량은 3830kWh로, 스케일 계수 정보는 0.2로 가정한다. 도 6의 A 구간은 배터리(101)가 0.5 C-rate로 1시간동안 운영된 구간이다. 도 6의 B 구간은 배터리(101)가 1 C-rate로 3시간 동안 운영된 구간이다. 도 6의 C 구간은 배터리(101)가 0.33 C-rate로 1시간 운영된 구간이다. 이때, A구간에서 배터리(101)은 1시간동안 500kW의 전력(Power)으로 충전되었다. B구간에서 배터리(101)는 3시간동안 1000kW의 전력으로 충전되었다. C 구간에서 배터리(101)는 330kW의 전력으로 충전되었다.
A 구간은 배터리(101)가 0.5 C-rate로 운영된 구간으로서, 연산식에 (A*B*C/D*F)의 값은 0.000011868이다. 이때, 연산식에 표시된 A,B,C,D,F의 값은 A= 1/2200, B=1, C= 500k, D=3830k, F=0.2이다. 연산식의 A는 표1에 도시된 바와 같이, 배터리(101)가 0.5 C-rate로 운영되었을 경우에 해당하는 Cycle 테스트 결과의 변환 값(1/2200)으로 메모리(203)에 저장된 값이며, 연산식의 B는 0.5 C-rate로 운영된 배터리 운영 시간이고, 연산식의 C는 배터리 운영 정보(Op_inf)에 포함된 배터리 충전 전력이고, D는 메모리(203)에 저장된 배터리(101)의 정격 용량이며, F는 메모리(203)에 저장된 스케일 계수 정보 값이다.
B 구간은 배터리(101)가 1 C-rate로 운영된 구간으로서, 연산식에 (A*B*C/D*F)의 값은 0.000092152이다. 이때, 연산식에 표시된 A,B,C,D,F의 값은 A= 1/1700, B=3, C= 1000k, D=3830k, F=0.2이다. 연산식의 A는 표1에 도시된 바와 같이, 배터리(101)가 1 C-rate로 운영되었을 경우에 해당하는 Cycle 테스트 결과의 변환 값(1/1700)으로 메모리(203)에 저장된 값이며, 연산식의 B는 1 C-rate로 운영된 배터리 운영 시간이고, 연산식의 C는 배터리 운영 정보(Op_inf)에 포함된 배터리 충전 전력이고, D는 메모리(203)에 저장된 배터리(101)의 정격 용량이며, F는 메모리(203)에 저장된 스케일 계수 정보 값이다.
C 구간은 배터리(101)가 0.33 C-rate로 운영된 구간으로서, 연산식에 (A*B*C/D*F)의 값은 0.000026926이다. 이때, 연산식에 표시된 A,B,C,D,F의 값은 A= 1/3200, B=1, C= 330k, D=3830k, F=0.2이다. 연산식의 A는 표1에 도시된 바와 같이, 배터리(101)가 0.33 C-rate로 운영되었을 경우에 해당하는 Cycle 테스트 결과의 변환 값(1/3200)으로 메모리(203)에 저장된 값이며, 연산식의 B는 0.33 C-rate로 운영된 배터리 운영 시간이고, 연산식의 C는 배터리 운영 정보(Op_inf)에 포함된 배터리 충전 전력이고, D는 메모리(203)에 저장된 배터리(101)의 정격 용량이며, F는 메모리(203)에 저장된 스케일 계수 정보 값이다.
SOH는 1- {C-rate 구간별 (A*B*C/D*F)의 합}이므로, 1 - {0.000011868(A구간) + 0.000092152(B구간) + 0.000026926(C구간)} = 0.999890595의 값을 갖는 SOH가 산출된다. 따라서 A구간부터 C구간까지 사용되고 남은 배터리(101)의 수명은 99.989%이다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치는 배터리의 운영 정보 중 C-rate 정보 및 배터리 충방전 전력에 대한 값을 EMS(104)로부터 실시간으로 제공 받을 수 있기 때문에, 운영중인 배터리 수명에 대한 정보를 실시간으로 산출할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치는 배터리 제조사에서 배터리를 테스트한 배터리의 Cycle 테스트 결과에 대응하는 값을 C-rate 별로 메모리(203)에 저장하고, 메모리(203)에 저장된 C-rate 별 배터리 Cycle 테스트 결과에 대응하는 값들 중 운영중인 배터리의 C-rate 정보에 해당하는 Cycle 테스트 결과에 대응하는 값을 선택적으로 배터리 수명 추산에 적용함으로써, 실시간으로 배터리 수명을 추산할 수 있다.
도 5는 배터리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하여, 본 발명에서 배터리 제조사에서 제공하는 C-rate 별 배터리 Cycle 테스트 결과를 변환하고, 변환한 값을 배터리 수명 추산에 이용하는 이유를 설명하고자 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 배터리 제조사에서는 배터리를 테스트하여 배터리 테스트 결과를 테스트 성적서에 기재한다. 테스트 성적서에 기재되는 배터리의 Cycle 테스트 결과는 배터리를 완전 충전 및 완전 방전시키는 동작을 반복 수행하여 배터리가 완전 충전과 완전 방전을 몇 번 수행할 수 있는지를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 배터리 제조사에서는 배터리를 완전 충전(Vmax) 및 완전 방전(Vmin)하는 동작을 반복적으로 수행하고, 배터리가 몇 번의 완전 충전(Vmax)과 완전 방전(Vmin)을 수행할 수 있는지를 테스트 성적서에 기재한다. 하지만 배터리를 사용하여 에너지 스토리지 시스템(100)을 구축할 경우 배터리가 사용자 이용 구간((Vmax, usable) ~ (Vmin, usable))에서만 운영되도록, 배터리는 제어된다. 따라서, 배터리 제조사에서 제공하는 배터리 테스트 성적서에 개시된 배터리의 Cycle 테스트 결과 값보다 더 많은 회수로 배터리를 운영할 수 있게 된다.
따라서, 표1에 개시된 바와 같이, 테스트 성적서에 배터리가 1 C-rate로 1500번의 완전 충방전을 수행할 수 있다고 기재되어 있어도, 실제적으로 배터리를 운영할 경우 사용자 이용 구간에서만 배터리를 운영하기 때문에 1 C-rate로 1500번보다 많은 1700번의 충방전 동작을 수행할 수 있다. 따라서, 도 3에 개시된 변환부(202)는 사용자 또는 관리자가 테스트 성적서에 개시된 C-rate 별 배터리 Cycle 테스트 결과를 입력부(201)을 통해 입력할 경우 기설정된 비율에 따라 입력되는 C-rate 별 배터리 Cycle 테스트 결과를 변환하여 메모리(203)에 저장하게 된다. 표1에서는 변환 값이라 표시된 값들은 에너지 스토리지 시스템(100)에 적용되는 값들이므로, 도 6에서는 System이라 표시하였다.
도 7은 배터리의 C-rate 추산 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 테스트 성적서에 개시되지 않은 C-rate로 배터리가 운영되면, 운영된 C-rate의 Cycle 값은 운영된 C-rate 값에 가장 가까운 테스트 성적서의 두 개 C-rate 값의 비례에 따라 결정될 수 있다.
도 7과 같이, 테스트 성적서에는 0.33 C-rate일 경우 2000 Cycle이고, 1 C-rate일 경우 1500 Cycle만이 개시되어 있지만, 실제 배터리는 0.8 C-rate로 운영되었다. 이 경우, Cycle의 변화량 대비 C-rate의 변화량을 계산하여 0.8 C-rate의 Cycle 값을 추산할 수 있다. 0.8 C-rate에서 가장 가까운 두 C-rate 변화량은 0.33에서 1이므로 0.67이고, Cycle 변화량은 2000에서 1500이므로 500이다. 이때, 0.33에서 0.8 C-rate 변화량에 따른 Cycle 변화량은 약 350이므로, 2000-350 = 1650이 0.8 C-rate에 대응하는 Cycle 값이 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치는 메모리(203)에 저장되지 않은 C-rate로 배터리(101)가 운영될 경우, 배터리(101)가 운영된 C-rate 값의 가장 가까운 두 개의 C-rate 값에 대응하는 값을 메모리(203)로부터 제공 받아, 연산부(302)에서 C-rate에 해당하는 배터리의 Cycle 값을 연산할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치는 테스트 성적서에 기재되지 않은 C-rate로 배터리가 운영되어도, 배터리 수명을 추산할 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
100: 에너지 스토리지 시스템 200: 데이터 저장부
300: SOH 산출부

Claims (7)

  1. 에너지 스토리지 시스템에 구성된 배터리의 C-rate별 Cycle 테스트 결과에 대응되는 값을 저장하고, 선택 신호에 따른 C-rate에 대응하는 저장 값을 선택하여 출력하는 데이터 저장부; 및
    상기 에너지 스토리지 시스템으로부터 운영중인 배터리의 C-rate 정보, 운영중인 배터리의 C-rate 별 운영 시간 및 운영되는 배터리의 충전 전력 및 방전 전력을 제공 받고, 상기 C-rate 정보에 기초하여 상기 선택 신호를 생성하며, 상기 C-rate 정보, 상기 C-rate 별 운영 시간, 상기 배터리의 충전 전력, 상기 배터리의 방전 전력 및 상기 데이터 저장부에서 제공하는 저장된 값을 기초로 배터리 수명을 추산하는 SOH 산출부를 포함하는 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 저장부는
    상기 에너지 스토리지 시스템에 구비된 배터리의 정격용량 및 스케일 계수 정보를 더 저장하는 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 SOH 산출부는
    상기 에너지 스토리지 시스템이 운영하는 배터리의 C-rate 정보에 따라 상기 선택 신호를 생성하는 데이터 선택부, 및
    상기 에너지 스토리지 시스템으로부터 제공되는 배터리 운영 정보 및 상기 데이터 저장부로부터 제공되는 저장 정보에 기초하여 기설정된 프로그램 및 알고리즘에 따라 배터리 수명을 추산하는 연산부를 포함하는 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 저장부는
    상기 에너지 스토리지 시스템을 이용하는 사용자 또는 관리자가 배터리 제조사의 배터리 테스트 결과 혹은 자체 실험을 통한 배터리 테스트 결과를 입력하도록 구성된 입력부,
    상기 입력부로부터 제공되는 값들을 기설정된 비율에 따라 변환하는 변환부, 및
    상기 변환부로부터 제공되는 변환된 값들을 저장하는 메모리를 포함하는 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 메모리는
    상기 선택 신호에 해당하는 주소에 저장된 값을 상기 SOH 산출부에 제공하는 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 연산부는
    특정 값에서 상기 배터리의 C-rate 구간별 연산 값의 합을 감산하여 상기 배터리 수명으로 출력하는 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 배터리의 C-rate 구간별 연산 값은
    상기 배터리의 운영 C-rate에 해당하는 Cycle 테스트 결과에 해당하는 값, 상기 배터리의 C-rate 별 운영 시간, 상기 배터리의 C-rate 별 충전 전력 및 방전 전력, 상기 배터리의 정격 용량 및 상기 스케일 계수 정보를 기설정된 연산식에 따라 연산한 결과인 에너지 스토리지 시스템의 배터리 수명 추산 장치.
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