KR102615670B1 - 쿨롱 카운팅 기반 성능 저하 예측 기능을 포함한 해수 배터리 관리 시스템 및 이의 해수 배터리 관리 방법 - Google Patents

쿨롱 카운팅 기반 성능 저하 예측 기능을 포함한 해수 배터리 관리 시스템 및 이의 해수 배터리 관리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 해수 배터리를 충전시키는 충전 전류를 감지하는 배터리 충전 제어 회로, 상기 해수 배터리가 방전될 때, 방전 전류를 감지하는 배터리 방전 제어 회로, UPS 장치를 충전시키는 UPS 충전 제어 회로 및 상기 UPS 장치의 방전을 제어하는 UPS 방전 제어 회로를 포함하며, 상기 UPS 방전 제어 회로는, 쿨롱 카운팅(Coulomb counting)을 기반으로 상기 해수 배터리의 SOC(State of charge)를 관리하는 쿨롱 카운팅 기반 성능 저하 예측 기능을 포함한 해수 배터리 관리 시스템 및 이의 해수 배터리 관리 방법이 개시된다.

Description

쿨롱 카운팅 기반 성능 저하 예측 기능을 포함한 해수 배터리 관리 시스템 및 이의 해수 배터리 관리 방법 {SEAWATER BATTERY MANAGEMENT SYSTEM INCLUDING COULOMB COUNTING-BASED PERFORMANCE DEGRADATION PREDICTION FUNCTION AND SEAWATER BATTERY MANAGEMENT METHOD THEREOF}
본 발명은 쿨롱 카운팅 기반 성능 저하 예측 기능을 포함한 해수 배터리 관리 시스템 및 이의 해수 배터리 관리 방법에 관한 것이다.
배터리를 사용하고 있는 시스템에서 배터리의 잔존 용량에 대한 정보는 매우 중요하며, 따라서 정확한 SOC(State of Charge)의 추정이 필요하다. 배터리는 노화됨에 따라 전체 사용 가능 용량이 줄어들고 성능이 떨어지는데 이러한 노화의 영향을 고려하지 않는 배터리의 SOC 추정 방법은 추정의 정확도가 떨어지는 단점이 있다.
기존의 경우, Open Circuit Voltage (OCV)를 통해 배터리의 상태를 파악하는 방법을 이용하고 있으나, 배터리가 사용 중일 경우 상태 파악이 힘들며, SOC와 OCV가 비례하지 않을 경우 해당 방법을 적용 할 수 없다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는, 쿨롱 카운팅(Coulomb counting)을 기반으로 해수 배터리의 SOC(State of charge)를 관리하는 것을 포함한다.
본 명세서에 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따른 해수 배터리(Seawater Battery, SWB)와 UPS 장치를 관리하기 위한 해수 배터리 관리 시스템은, 상기 해수 배터리를 충전시키는 충전 전류를 감지하는 배터리 충전 제어 회로, 상기 해수 배터리가 방전될 때, 방전 전류를 감지하는 배터리 방전 제어 회로, 상기 UPS 장치를 충전시키는 UPS 충전 제어 회로 및 상기 UPS 장치의 방전을 제어하는 UPS 방전 제어 회로를 포함하며, 상기 UPS 방전 제어 회로는, 쿨롱 카운팅(Coulomb counting)을 기반으로 상기 해수 배터리의 SOC(State of charge)를 관리한다.
여기서, 상기 UPS 방전 제어 회로는, 상기 배터리 충전 제어 회로에서 감지한 상기 충전 전류와 상기 배터리 방전 제어 회로에서 감지한 상기 방전 전류를 입력 받아, 충전 또는 방전되는 시간 변수를 이용하여 누적 충전량을 산출할 수 있다.
여기서, 상기 UPS 방전 제어 회로는, 상기 누적 충전량에 기 설정된 저항값을 곱하여 상기 해수 배터리의 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값을 도출할 수 있다.
여기서, 상기 UPS 방전 제어 회로는, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 더 입력 받고, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 이용하여 계산된 전압 데이터 변화량과 상기 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값에 기초하여 상기 해수 배터리의 성능 저하(Degradation) 값을 계산할 수 있다.
여기서, 상기 UPS 방전 제어 회로는, 상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제1 설정값 이내인 경우 안정한 상태로 판단할 수 있다.
여기서, 상기 UPS 방전 제어 회로는, 상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제2 설정값을 초과하는 경우 고장 상태로 인식하고 전원을 상기 UPS 장치로 대체하는 제어 신호를 생성할 수 있다.
여기서, 상기 UPS 방전 제어 회로는, 상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제1 설정값을 초과하고, 제2 설정값 이하인 경우, 이상 상태로 판단할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 해수 배터리(Seawater Battery, SWB)와 UPS 장치를 관리하기 위한 해수 배터리 관리 시스템에서 수행되는 해수 배터리 관리 방법은, 충전 전류와 방전 전류를 입력 받아, 충전 또는 방전되는 시간 변수를 이용하여 누적 충전량을 산출하는 단계, 상기 누적 충전량에 기 설정된 저항값을 곱하여 상기 해수 배터리의 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값을 도출하는 단계, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 더 입력 받고, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 이용하여 계산된 전압 데이터 변화량과 상기 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값에 기초하여 상기 해수 배터리의 성능 저하(Degradation) 값을 계산하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제1 설정값 이내인 경우 안정한 상태로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제2 설정값을 초과하는 경우 고장 상태로 인식하고 전원을 상기 UPS 장치로 대체하는 제어 신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제1 설정값을 초과하고, 제2 설정값 이하인 경우, 이상 상태로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 충전 전류와 방전 전류를 입력 받아, 충전 또는 방전되는 시간 변수를 이용하여 누적 충전량을 산출하는 단계, 상기 누적 충전량에 기 설정된 저항값을 곱하여 해수 배터리의 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값을 도출하는 단계, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 더 입력 받고, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 이용하여 계산된 전압 데이터 변화량과 상기 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값에 기초하여 상기 해수 배터리의 성능 저하(Degradation) 값을 계산하는 단계를 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체를 제공할 수 있다.
또한, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 충전 전류와 방전 전류를 입력 받아, 충전 또는 방전되는 시간 변수를 이용하여 누적 충전량을 산출하는 단계, 상기 누적 충전량에 기 설정된 저항값을 곱하여 해수 배터리의 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값을 도출하는 단계, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 더 입력 받고, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 이용하여 계산된 전압 데이터 변화량과 상기 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값에 기초하여 상기 해수 배터리의 성능 저하(Degradation) 값을 계산하는 단계를 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 프로그램을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 쿨롱 카운팅(Coulomb counting)을 기반으로 해수 배터리의 SOC(State of charge)를 관리하고, 해수 배터리의 전압 변화량을 감지하여 성능 저하 정도(Degradation degree)를 계산함으로써 해수전지의 수명을 예측할 수 있다.
만일, 해수 배터리가 더 이상 사용이 어려울 경우, 이를 감지하고 사용자에게 알림 기능을 제공할 수 있다.
또한, 배터리의 교체 전까지 UPS(Uninterruptible Power Supply) 장치로의 전원교체를 통하여 시스템을 유지할 수 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 방법을 보다 상세히 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템의 블록 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템의 시간에 따른 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템을 이용한 해수 배터리 전압 및 CCSOC 측정결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 기존 게이트 드라이버와 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버 간의 시뮬레이션 된 동적 전류를 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 관련된 쿨롱 카운팅 기반 성능 저하 예측 기능을 포함한 해수 배터리 관리 시스템 및 이의 해수 배터리 관리 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예는 쿨롱 카운팅 기반 성능 저하 예측 기능을 포함한 해수 배터리 관리 시스템 및 이의 해수 배터리 관리 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템(10)은 배터리 충전 제어 회로(100), 배터리 방전 제어 회로(200), UPS 충전 제어 회로(300) 및 UPS 방전 제어 회로(400)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템(10)은 전원 공급 방치(20)와 연결되며, 해수 배터리(Seawater Battery, SWB)(30)와 UPS 장치(40)를 관리하기 위한 시스템으로, 쿨롱 카운팅(Coulomb counting)을 기반으로 해수 배터리의 SOC(State of charge)를 관리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템(10)의 배터리 충전 제어 회로(100), 배터리 방전 제어 회로(200), UPS 충전 제어 회로(300) 및 UPS 방전 제어 회로(400)는 블록으로 구성될 수 있다.
배터리 충전 제어 회로(100)는 전원 공급 장치(20)와 연결되어 해수 배터리(30)를 충전하는 경로 회로이다. 배터리 충전 제어 회로(100)는 상기 해수 배터리(30)를 충전시키는 충전 전류(Qcharge+)를 감지한다.
배터리 충전 제어 회로(100)에서 Over charge protection(OCP)는 과충전을 방지하기 위한 스위치 회로이다.
Charge sensor는 충전 전류를 감지하여 Coulomb counting에 이용한다.
본 발명의 일 실시예에서, 전원 공급 장치(20)는 태양 배터리(PV cell)로 사용될 수 있다.
배터리 방전 제어 회로(200)는 해수 배터리(30)와 연결되는 방전 경로 회로이다. 배터리 방전 제어 회로(200)는 상기 해수 배터리(30)가 방전될 때, 방전 전류(Qcharge-)를 감지한다.
배터리 방전 제어 회로(200)에서 Discharge sensor는 방전 전류를 감지하여 Coulomb counting에 이용한다.
DC-DC converter는 해수 배터리의 전압을 일정한 전압으로 conversion 하여 일정한 전압으로 load에 전압을 공급한다.
UCP는 과방전을 방지하기 위한 스위치 회로이다.
UPS 충전 제어 회로(300)는 전원 공급 장치(20)와 연결되어 UPS 장치(40)를 충전하는 경로 회로이다.
UPS 충전 제어 회로(300)에서 OCP는 과충전을 방지하기 위한 스위치 회로이다.
Charger는 전원공급 장치로부터 UPS로의 충전을 제어한다.
UPS 방전 제어 회로(400)는 MCU(410)를 포함하며, UPS 장치(40)와 연결되는 방전 경로 회로이다.
UPS 방전 제어 회로(400)에서 DC-DC converter는 UPS로부터 MCU에 전원을 공급할 때 일정한 전압으로 전압을 공급하기 위한 회로이다.
추가 보조 스위치는 해수 배터리 또는 UPS 장치로부터 에너지를 사용할 수 있도록 한다.
UPS 방전 제어 회로(400)의 MCU(410)는 VPV, VUPS, VSWB, Qcharge+ 및 Qcharge-를 포함한 데이터 유형을 수신한다. 이 데이터를 바탕으로 MCU(410)는 Load, UPS 모드 및 SWB 관리 시스템 알고리즘을 제어한다. MCU(410)는 해수 배터리의 SOC를 Coulomb counting(CC)를 통해 관리하고 Coulomb counting based State of Charge (CCSOC)에 기반하여 해수 배터리의 전압 변화량을 감지하여 성능 저하 예측과 오류를 감지한다.
여기서, 전압은 MCU에서 Analog to Digital Converter(ADC)를 이용하여 20ms 주기로 측정이 되고 변화량은 1분동안 (50개의 data) 평균값을 내어 이전 1분데이터들의 평균값과 비교한다. 변화량은 충전과 방전 사이의 전환이 이루어질 때까지 계속해서 측정된다.
구체적으로, UPS 방전 제어 회로(400)의 MCU(410)는, 상기 배터리 충전 제어 회로(100)에서 감지한 상기 충전 전류와 상기 배터리 방전 제어 회로(200)에서 감지한 상기 방전 전류를 입력 받아, 충전 또는 방전되는 시간 변수를 이용하여 누적 충전량을 산출하고, 상기 누적 충전량에 기 설정된 저항값을 곱하여 상기 해수 배터리의 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값을 도출한다.
이후, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 더 입력 받아, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 이용하여 계산된 전압 데이터 변화량과 상기 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값에 기초하여 상기 해수 배터리의 성능 저하(Degradation) 값을 계산하고, 성능 저하 값에 따라 해수 배터리의 상태를 판단하게 된다.
만일, 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제1 설정값 이내인 경우 안정한 상태로 판단하고, 상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제2 설정값을 초과하는 경우 고장 상태로 인식하고 전원을 상기 UPS 장치로 대체하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 또한, 상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제1 설정값을 초과하고, 제2 설정값 이하인 경우, 이상 상태로 판단할 수 있다.
성능 저하 정도는 시스템의 전원을 담당하는 DC-DC Converter의 동작범위가 1.8V-5.5V인 것을 고려하여 margin을 두고 설정하여 2.1V-4.5V 사이로 고려하였다. 따라서 해수 배터리의 전압 변화량이 2.4V를 넘을 때를 성능저하 정도(degradation degree) 100%로 설정하게 된다.
여기서, 설정값은 기 설정된 성능 저하 정도에서 성능 저하 값이 위치하는 정도의 백분율을 나타낸 것으로, 제1 설정값은 성능 저하 정도가 40%인 위치인 것이 바람직하고, 제2 설정값은 80%인 것이 바람직하다. 만일, 성능 저하 값이 40% 이내인 경우, 기 설정된 성능 저하 정도에서 40% 이내로 성능이 저하된 것으로, 안정한 상태로 판단할 수 있고, 80%를 초과하는 경우 고장 상태로 인식하게 된다.
즉, 해수 배터리의 사용이 어려울 경우는 1cycle 당 충전량 및 방전량이 매 cycle마다 동일하다고 가정했을 때, degradation 정도가 80%를 넘을 때와 어떠한 사유로 해수 배터리의 전압이 너무 낮을 경우 (2.0 V) 아래일 경우이며, 예를 들어, Degradation.th0(성능 저하 상태 40%)일 때, 2.4V(전압 최대 변화량) * 0.4 = 0.96V와 Degradation.th0(성능 저하 상태 80%)일 때, 2.4V(전압 최대 변화량) * 0.8 = 1.92V일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템(10)은 전압과 SOC가 비례하지 않는 해수 배터리를 Coulomb counting을 기반으로 하여 SOC를 관리 할 수 있으며, 이에 따라, 과충전과 과방전의 위험으로부터 해수 배터리를 보호할 수 있다.
또한, 해수 배터리가 더 이상 사용이 어려울 경우, 이를 감지하고 사용자에게 알림 기능을 제공할 수 있다. 또한 배터리의 교체 전까지 Uninterruptible Power Supply (UPS)로의 전원교체를 통하여 시스템을 유지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 방법은 해수 배터리(Seawater Battery, SWB)와 UPS 장치를 관리하기 위한 해수 배터리 관리 시스템에서 수행되며, 단계 S100에서 충전 전류와 방전 전류를 입력 받아, 충전 또는 방전되는 시간 변수를 이용하여 누적 충전량을 산출한다.
단계 S120에서, 상기 누적 충전량에 기 설정된 저항값을 곱하여 상기 해수 배터리의 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값을 도출한다.
단계 S130에서, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 더 입력 받고, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 이용하여 계산된 전압 데이터 변화량과 상기 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값에 기초하여 상기 해수 배터리의 성능 저하(Degradation) 값을 계산한다.
S130 이후의 단계에서, 상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제1 설정값 이내인 경우 안정한 상태로 판단할 수 있다.
만일, 상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제2 설정값을 초과하는 경우에는 고장 상태로 인식하고 전원을 상기 UPS 장치로 대체하는 제어 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제1 설정값을 초과하고, 제2 설정값 이하인 경우, 이상 상태로 판단할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 방법을 보다 상세히 나타낸 흐름도이다.
도 3은 CCSOC 모니터링 기반 배터리 성능 저하 예측 및 오류 감지의 작동 흐름도이다.
단계 S210에서 MCU의 Flash에 저장 되어있던 예전데이터가 현재의 해수 배터리의 CCSOC로 업데이트 된다. (MCU는 시스템이 꺼질 때마다 마지막 해수 배터리의 CCSOC를 Flash에 저장한다. 만약 예전 데이터를 불러오지 않을 경우 매번 CCSOC는 0부터 시작한다.)
단계 S220에서 CCSOC가 CCSOC.min를 초과하는 지 비교하고, 아니오(No)인 경우 단계 S221에서 해수 배터리의 CCSOC, 즉 충전량이 충분하지 않을 때 Under charge protection (UCP)를 통해 더 이상의 방전을 막는다.
만일 예(YES)인 경우, 단계 S230에서 CCSOC가 CCSOC.max 미만인 지를 비교하고, 아니오(No)인 경우 단계 S231에서 해수 배터리의 CCSOC, 즉 충전량이 최대충전량을 넘었을 경우, 해수 배터리가 더 이상 충전하지 않도록 Over charge protection (OCP)를 통해 충전을 멈춘다.
만일 예(YES)인 경우, 단계 S240에서 Coulomb counting을 진행하여 CCSOC를 파악한다.
이후, 단계 S250에서 Vswb가 Vreset.th 미만인 지를 비교하고, 예(Yes)인 경우 단계 S251에서 해수 배터리 전압이, 일정 전압(2.0 V) 보다 밑일 경우 해수 배터리의 잔여 충전양을 0으로 돌려 오차를 제거한다.
만일 아니오(No)인 경우, 단계 S260에서 전압 변화량과 충방전량을 계산하여 성능 저하 정도를 파악한다.
이후, 단계 S270에서 Degrade.ave가 Degradation.Th0 미만인 지를 비교하고, 예(Yes)인 경우 단계 S271에서 충전과 방전 사이의 전환이 있을 경우 Degrade.ave로 1 cycle의 평균값을 나타내고 위 조건에 만족할 경우 안정한 상태로 판단한다. 본 발명의 일 실시예에서 Degradation.Th0은 Degradation.max값의 40%이다.
만일 아니오(No)인 경우, 단계 S280에서 Degrade.ave가 Degradation.Th1 미만인 지를 비교하고, 아니오(No)인 경우 단계 S281에서 Degrade.ave이 Degradation.Th1 보다 클경우 Degradation.max값의 80% 이상이기 때문에 고장 상태로 인식하고 단계 S291에서 배터리 관리 시스템의 전원을 UPS로 대체하여 시스템을 유지하고 해수 배터리의 교체를 사용자에게 알린다.
만일 예(Yes)인 경우, 단계 S282에서 Degrade.ave이 Degradation.Th1 보다 작을 경우이며, Degradation.max값의 80% 이하이기 때문에 abnormal 상태로 인식하고 단계 S292에서 배터리의 상태가 abnormal 상태라는 것을 사용자에게 알린다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템의 블록 다이어그램을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에서 전원 공급 장치는 태양 배터리(PV cell)로 사용되고, Load는 LED로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템은 CCSOC 기반 모니터링을 사용하여 과충전 및 과방전의 위험으로부터 해수 배터리(SWB)를 보호한다. 이를 통해 시스템은 SWB 성능 저하를 예측하고 결함 감지 기능을 제공할 수 있다.
쿨롱 카운팅 회로는 해수 배터리(SWB)의 입력 단자와 출력 단자와 두 개의 동일한 전류 센서 회로에 연결된다. 전류 센서 회로는 SWB에 충전 된 전류와 SWB에서 방전 된 전류를 지속적으로 감지한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 UPS 방전 제어 회로(400)의 MCU(410)는, 상기 배터리 충전 제어 회로(100)에서 감지한 상기 충전 전류와 상기 배터리 방전 제어 회로(200)에서 감지한 상기 방전 전류를 입력 받아, 충전 또는 방전되는 시간 변수를 이용하여 누적 충전량을 산출하고, 상기 누적 충전량에 기 설정된 저항값을 곱하여 상기 해수 배터리의 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값을 도출한다.
먼저, 하기 수학식 1을 통해 누적 충전량을 계산할 수 있다.
수학식 1은 SWB의 충전 전류와 방전 전류을 누적하여 계산된 누적 충전량을 나타낸다. 여기서, Icharge 및 Idischarge는 각각 전류 센서가 감지하는 전류 값을 나타낸다. tcharge 및 tdischarge는 각각 SWB가 충전 또는 방전되는 시간 변수를 의미한다. T는 충전 또는 방전 동작이 수행 된 시간이다.
지속적으로 감지된 전류는 전류 센서 내부의 작은 저항(Rsense)을 통해 전압 정보로 변환되고 MCU는 주기적으로 전압 정보를 샘플링 한다.
이후, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 더 입력 받아, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 이용하여 계산된 전압 데이터 변화량과 상기 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값에 기초하여 상기 해수 배터리의 성능 저하(Degradation) 값을 계산하고, 성능 저하 값에 따라 해수 배터리의 상태를 판단하게 된다.
수학식 2는 각각의 경우 누적 된 충전 데이터에 Rsense 값을 곱한 값이다.
여기서, Rsense는 쿨롱 계수 정확도를 고려하여 설계자가 설정한 저항값이다. Icharge[n] 및 Idischarge[n]은 MCU의 아날로그-디지털 변환기 (ADC)에 의해 샘플링되는 개별 데이터를 나타낸다. [n]은 ADC를 통한 샘플링 수이다.
MCU는 SWB의 충전량을 계산한다. 결과적으로 MCU는 Q'battery 및 Rsense를 기반으로 최종 CCSOC 값을 도출한다.
수학식 3은 쿨롱 카운팅 알고리즘을 통한 CCSOC 종속 데이터를 나타낸 것이다. 수학식 4는 SWB의 실제 CCSOC를 Rsense로 나눈 값이다.
이후, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템은 CCSOC 및 SWB (VSWB)의 추가 전압 데이터를 이용하여 SWB 열화 예측 및 고장 감지를 수행한다.
VSWB 변화는 동일한 총 전하량으로 주기적으로 충전 또는 방전 할 때 노화 정도에 따라 달라지게 된다. SWB의 손상은 CCSOC의 동일한 변경으로 VSWB 변경을 증가시킨다. 따라서 쿨롱 카운팅 중에 VSWB 변화를 모니터링함으로써 MCU는 CCSOC로 나눈 VSWB 변화를 기반으로 성능 저하를 추정한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템은 성능 저하를 계산하여 SWB가 정상 상태인지, 성능 비정상 상태인지, 오류 상태인지 확인한다.
수학식 5는 충전 및 방전의 유효량에 대해 계산된 성능 저하(Degradation) 값이다.
여기서, ΔQ.effective-charge.SWB, ΔQ.effective-discharge.SWB는 각각 유효 충전량 및 방전량을 나타낸다. ΔVSWB는 VSWB 변화량을 의미한다.
MCU는 주기적으로 평균을 내어 Degradation을 계산한다.
수학식 6은 상기 수학식 5의 충전 혹은 방전 1사이클의 평균값을 나타낸다. N은 샘플링 된 Degradtion의 수 이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템의 시간에 따른 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템은 CCSOC 및 SWB (VSWB)의 추가 전압 데이터를 이용하여 SWB 열화 예측 및 고장 감지를 수행한다.
VSWB 변화는 동일한 총 전하량으로 주기적으로 충전 또는 방전 할 때 노화 정도에 따라 달라지게 된다. SWB의 손상은 CCSOC의 동일한 변경으로 VSWB 변경을 증가시킨다. 따라서 쿨롱 카운팅 중에 VSWB 변화를 모니터링함으로써 MCU는 CCSOC로 나눈 VSWB 변화를 기반으로 성능 저하를 추정한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템은 성능 저하를 계산하여 SWB가 정상 상태인지, 성능 비정상 상태인지, 오류 상태인지 확인한다.
도 5에 나타난 바와 같이, 제안된 성능 저하 예측 알고리즘은 CCSOC 모니터링을 이용하여 SOC의 관리와 더불어 진행된다.
여기서, 제1 설정값은 Degradation.TH0이고, 제2 설정값은 Degradation.TH1일 수 있다.
Degrade.ave가 Degradation.TH0보다 작은 경우 시스템은 SWB를 정상 상태로 결정한다. SWB는 Degrade.ave가 Degradation.TH0보다 크고 Degradation.TH1보다 작을 때는Abnormal state로 간주하고 마지막으로 Degrade.ave가 Degradation.TH1보다 크면 해수 배터리를 Fault stage로 간주된다.
이 경우 UPS는 SWB 대신 시스템의 전원을 대체 할 수 있도록 한다. 그리고 사용자에게 SWB를 교체해야 한다고 알려준다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 배터리 관리 시스템을 이용한 해수 배터리 전압 및 CCSOC 측정결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 제안된 해수 배터리 관리 시스템을 이용하여 CCSOC estimation 및 해수 배터리의 전압(VSWB)의 측정 결과를 나타내고 있다. 도 6의 (a)는 주기적으로 동등한 충전 및 방전 조건에서 측정 된 VSWB 및 SOC를 보여준다.
SWB의 CCSOC가 10 %에서 100 %에 도달 할 때까지 30mA 정전류로 충전이 진행 되었다. SWB가 완전히 충전되면 방전이 시작되며, 도 6의 (a) 실시예에서 SWB의 총 용량은 100mAh이다.
도 6의 (b)는 SWB를 충전을 방전 보다 많게 하여 측정 된 VSWB 및 SOC를 나타낸 것이다. 충전은 3 시간 동안 6.5mA 전류로 진행되었고 방전은 3 시간 동안 4.5mA 전류로 진행되었다. 도 6과 같이 충, 방전 후 충분한 휴식 시간이 보장되지 않을 경우 VSWB는 일정 수준으로 복귀하지 못한다.
또한 도 6에서 보여지듯이 SOC에 무관하게 전압은 일정 수준으로 복귀한다. 이처럼 VSWB는 SOC를 관리 하기에는 좋은 지표가 될 수 없지만 충, 방전 시 VSWB의 기울기는 SWB 성능 저하의 주요 지표가 될 수 있다. 성능 저하 정도는 실제 충전량에 비해 VSWB가 얼마나 변화했는지를 통해 평가 할 수 있다.
도 7은 기존 게이트 드라이버와 본 발명의 일 실시예에 따른 게이트 드라이버 간의 시뮬레이션 된 동적 전류를 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 CCSOC 추정 기반 성능 저하 예측 및 장애 감지 측정 결과를 보여준다. 성능 저항의 극적인 프로파일을 얻기 위해 정상작동 범위 밖의 충 방전 전류로 조건에서 실험을 수행하였다.
SWB의 초기 상태는 도 7에서 사용된 정상 상태와 동일하고 도 7의 (a)에서는SWB의 전압 프로파일과 성능 저하 정도가 표시된다. 해수 배터리 20ms마다 MCU에 의해 주기적으로 모니터링 된다. 성능저하의 수치는 재조정 된 수치이다.
수학식 7에서 Degradation은 Degrade.ave.charge를 Degradation_Max로 나누고 이를 변환한 백분율 값이다. 수학식 7은 성능 저하의 최대 값을 나타낸다.
V_Range.Max는 회로와 SWB의 작동 할 수 있는 최대 허용 범위이고 Q_battery.Max는 SWB의 최대 용량을 나타낸다.
340 시간(T_1)정도에서 stable state였던 SWB는 abnormal state로 변하게 된다. Degradation 지표는 Degradation_TH,0을 넘었기 때문에 SWB의 상태를 abnormal state로 인식한다. 그리고 640 시간(T_2)를 정도에선 degradation이 Degradation_(TH,1)을 넘었고 이때는 SWB의 상태를 Fault state로 인식한다. Fault state에서는 SWB이 정상작동 하기 어렵다는 것을 의미한다. 도 7의 (b)는 부은 SWB의 사진을 나타내고 있다. 성능 저하가 악화되면 SWB가 부풀어 오르고 이때 SWB는 동일한 양의 충방전을 진행할 때 더 높은 충전 전압과 더 낮은 방전 전압을 필요로 하여 배터리 효율이 낮아진다.
또한, 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 충전 전류와 방전 전류를 입력 받아, 충전 또는 방전되는 시간 변수를 이용하여 누적 충전량을 산출하는 단계, 상기 누적 충전량에 기 설정된 저항값을 곱하여 해수 배터리의 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값을 도출하는 단계, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 더 입력 받고, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 이용하여 계산된 전압 데이터 변화량과 상기 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값에 기초하여 상기 해수 배터리의 성능 저하(Degradation) 값을 계산하는 단계를 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체를 제공할 수 있다.
또한, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 충전 전류와 방전 전류를 입력 받아, 충전 또는 방전되는 시간 변수를 이용하여 누적 충전량을 산출하는 단계, 상기 누적 충전량에 기 설정된 저항값을 곱하여 해수 배터리의 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값을 도출하는 단계, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 더 입력 받고, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 이용하여 계산된 전압 데이터 변화량과 상기 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값에 기초하여 상기 해수 배터리의 성능 저하(Degradation) 값을 계산하는 단계를 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 프로그램을 제공할 수 있다.
이러한 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(Floptical disk)와 같은 자기-광매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구 범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 해수 배터리(Seawater Battery, SWB)와 UPS 장치를 관리하기 위한 해수 배터리 관리 시스템에 있어서,
    상기 해수 배터리를 충전시키는 충전 전류를 감지하는 배터리 충전 제어 회로;
    상기 해수 배터리가 방전될 때, 방전 전류를 감지하는 배터리 방전 제어 회로;
    상기 UPS 장치를 충전시키는 UPS 충전 제어 회로; 및
    상기 UPS 장치의 방전을 제어하는 UPS 방전 제어 회로;를 포함하며,
    상기 UPS 방전 제어 회로는, 쿨롱 카운팅(Coulomb counting)을 기반으로 상기 해수 배터리의 SOC(State of charge)를 관리하며,
    상기 배터리 충전 제어 회로에서 감지한 상기 충전 전류와 상기 배터리 방전 제어 회로에서 감지한 상기 방전 전류를 입력 받아, 충전 또는 방전되는 시간 변수를 이용하여 누적 충전량을 산출하고,
    상기 누적 충전량에 기 설정된 저항값을 곱하여 상기 해수 배터리의 최종 CCSOC(Coulomb counting State of charge) 값을 도출하며,
    상기 해수 배터리의 전압 데이터를 더 입력 받고,
    상기 해수 배터리의 전압 데이터를 이용하여 계산된 전압 데이터 변화량과 상기 최종 CCSOC 값에 기초하여 상기 해수 배터리의 성능 저하(Degradation) 값을 계산하는 해수 배터리 관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 UPS 방전 제어 회로는,
    상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제1 설정값 이내인 경우 안정한 상태로 판단하는 해수 배터리 관리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 UPS 방전 제어 회로는,
    상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제2 설정값을 초과하는 경우 고장 상태로 인식하고 전원을 상기 UPS 장치로 대체하는 제어 신호를 생성하는 해수 배터리 관리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 UPS 방전 제어 회로는,
    상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제1 설정값을 초과하고, 제2 설정값 이하인 경우, 이상 상태로 판단하는 해수 배터리 관리 시스템.
  8. 해수 배터리와 UPS 장치를 관리하기 위한 해수 배터리 관리 시스템에서 수행되는 해수 배터리 관리 방법에 있어서,
    충전 전류와 방전 전류를 입력 받아, 충전 또는 방전되는 시간 변수를 이용하여 누적 충전량을 산출하는 단계;
    상기 누적 충전량에 기 설정된 저항값을 곱하여 상기 해수 배터리의 최종 CCSOC 값을 도출하는 단계;
    상기 해수 배터리의 전압 데이터를 더 입력 받고, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 이용하여 계산된 전압 데이터 변화량과 상기 최종 CCSOC 값에 기초하여 상기 해수 배터리의 성능 저하 값을 계산하는 단계를 포함하는 해수 배터리 관리 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제1 설정값 이내인 경우 안정한 상태로 판단하는 단계를 더 포함하는 해수 배터리 관리 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제2 설정값을 초과하는 경우 고장 상태로 인식하고 전원을 상기 UPS 장치로 대체하는 제어 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 해수 배터리 관리 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 성능 저하 값이 기 설정된 성능 저하 정도의 제1 설정값을 초과하고, 제2 설정값 이하인 경우, 이상 상태로 판단하는 단계를 더 포함하는 해수 배터리 관리 방법.
  12. 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면,
    충전 전류와 방전 전류를 입력 받아, 충전 또는 방전되는 시간 변수를 이용하여 누적 충전량을 산출하는 단계;
    상기 누적 충전량에 기 설정된 저항값을 곱하여 해수 배터리의 최종 CCSOC 값을 도출하는 단계;
    상기 해수 배터리의 전압 데이터를 더 입력 받고, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 이용하여 계산된 전압 데이터 변화량과 상기 최종 CCSOC 값에 기초하여 상기 해수 배터리의 성능 저하 값을 계산하는 단계를 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
  13. 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장되어 있는 컴퓨터 프로그램으로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면,
    충전 전류와 방전 전류를 입력 받아, 충전 또는 방전되는 시간 변수를 이용하여 누적 충전량을 산출하는 단계;
    상기 누적 충전량에 기 설정된 저항값을 곱하여 해수 배터리의 최종 CCSOC 값을 도출하는 단계;
    상기 해수 배터리의 전압 데이터를 더 입력 받고, 상기 해수 배터리의 전압 데이터를 이용하여 계산된 전압 데이터 변화량과 상기 최종 CCSOC 값에 기초하여 상기 해수 배터리의 성능 저하 값을 계산하는 단계를 포함하는 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 프로그램.
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