KR20120134415A

KR20120134415A - Ｅｓｓ의 배터리 수명 예측 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20120134415A
Application number: KR1020110053293A
Authority: KR
Inventors: 임재환
Original assignee: 에스케이이노베이션 주식회사
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2012-12-12
Also published as: JP2014522491A; WO2012165842A3; US20140088898A1; EP2715383A4; CN103547936A; WO2012165842A2; EP2715383A2

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 ESS의 배터리 수명 예측 시스템은, ESS(Energy Storage System, 에너지 저장 장치)의 가장 기본이 되는 배터리 셀의 셀 전압을 입력받아 배터리 팩의 팩 전압을 계산하는 팩 전압 계산 프로세서; 상기 팩 전압 계산 프로세서로부터 상기 팩 전압을 입력받고 SOH(State Of Health, 배터리 잔존 수명)을 판단하기 위한 전제 조건을 설정하여 상기 전제 조건에 맞는 상기 SOH를 판단하는 SOH 판단 프로세서; 상기 SOH를 판단 시, 상기 전제 조건을 만족하게 되면 이 때의 팩 전압을 확인하고 상기 확인된 현재 팩 전압과 초기 팩 전압 간의 전압 차를 이용하여 상기 SOH를 산출하는 SOH 계산 프로세서; 및 상기 SOH 계산 프로세서로부터 입력받은 상기 SOH에 초기 정격 용량을 곱하여 SOC(State of Charge, 배터리 충전 잔량) 보정 용량을 산출하는 SOC 보정 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＥＳＳ의 배터리 수명 예측 시스템 및 그 방법{METHOD FOR ESTIMATING STATE OF HEALTH}

본 발명은 ESS의 배터리 수명 예측 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 ESS의 배터리 수명 예측과 이를 통한 배터리 용량 보정에 관한 것이다.

배터리가 IT 기기의 전원에서 태양광이나 풍력 발전을 통해 발생하는 전기를 저장했다가 필요할 때 사용하는 ESS로 진화하고 있다. 이제 배터리는 단순히 휴대기기 전원뿐 아니라 신재생 에너지에서 생산되는 전력을 전력 계통에 안정적으로 연결해 주기 위한 설비나 에너지 저장용으로 더욱 주목을 받고 있다. 또한, 새로운 에너지원으로 각광받고 있는 2차 전지 시장에서 ESS 분야에 대한 관심이 필요하다는 분석이 나왔다.

ESS는 발전소에서 공급받는 전력을 저장했다가 전력이 필요한 시점에 필요한 곳으로 전송하는 장치이다. ESS는 전력을 저장해 필요한 장소와 시간에 사용할 수 있도록 지원하는 저장 장치로 친환경적인 특성으로 인해 최근 각광을 받고 있다.

최근 부각되고 있는 풍력이나 태양광 등의 신재생 에너지가 전력 생산 안정성 면에서 뒤떨어진다는 점을 고려할 때, 향후 신재생 에너지는 ESS와 결합하여 안정성을 높이는 방향으로 보급될 전망이다.

ESS는 LIB나 납 축전지를 사용한 대용량 전력 저장 장치로서, 과잉 생산된 전력을 저장해 두었다가 전력 부족이 우려될 때 방전하여 전력 수급을 안정화하는 역할을 하는 장치이다. ESS란 전력 수요가 적을 때 잉여 전력을 저장하고 전력 수요가 많은 피크 시간대나 전기료가 비싼 시간대에 저장된 전력을 사용함으로써 전력의 활용 효율을 높이는 장치다.

ESS를 활용할 경우 신규 발전 시설 투자비를 절감할 수 있고, 신재생 에너지와의 연계를 통한 에너지 생산 및 이용 효율 극대화가 기대된다. 이러한 현황에서 ESS의 배터리 수명 예측에 대한 기술 개발이 요구된다. 본 발명은 ESS의 배터리 수명 예측과 이를 통한 배터리 용량 보정에 관한 것이다.

앞선 조사의 결과, 선행 특허 1(한국등록특허 1007401130000)는 복수의 전지 셀이 하나의 팩으로 형성된 배터리를 관리하는 배터리 관리 시스템에서 이용되는 수명 판정 방법에 있어서 a) 배터리의 제1 팩 전압, 제1 팩 전류를 측정하는 단계; b) 제1 기간 후에 배터리의 제2 팩 전압, 제2 팩 전류를 측정하는 단계; c) 제1 팩 전압, 제1 팩 전류, 제2 팩 전압 및 제2 팩 전류에 기초하여 팩 내부 저항을 산출하고, 산출된 팩 내부 저항를 이용하여 배터리의 최대 출력을 산출하는 단계; d) 산출된 최대 출력이 제1 기준 최대 출력보다 작으면 제1 신호를 출력하는 단계; 및 e) 최대 출력이 제1 기준 최대 출력보다는 크고, 제1 기준 최대 출력보다는 큰 제2 기준 최대 출력보다 작으면 제2 신호를 출력하는 단계를 포함하는 배터리의 수명 판정 방법에 관한 것으로 여기서 제1 신호는 배터리가 열화되어 결함이 있음을 알리는 신호이고 제2 신호는 배터리가 열화되고 있음을 알리는 경고 신호인 것을 특징으로 한다.

또한, 선행 특허 2(한국등록특허 1008891790000)는 배터리 및 인버터에 연결되어 배터리 정보 및 인버터 정보를 수신하는 정보 수신부; 배터리의 각 셀 전압을 조절하는 셀 제어 모듈; 인버터의 전압 및 주파수를 조절하는 전압 주파수 제어 모듈; 및 배터리 정보로부터 특정 셀의 전압이 다른 셀의 전압과 동일하지 않은 것으로 판단되면 셀 제어 모듈을 제어하여 특정 셀을 일정 시간 동안 강제 방전시키거나 바이패스 시키고, 인버터 정보에 따라 전압 주파수 제어 모듈을 제어하여 인버터의 출력 전압 및 주파수를 조절하며, 배터리 정보를 이용하여 배터리의 소모 용량을 누적한 누적 용량이 배터리의 정격 용량보다 크거나 같으면 현재 충방전 횟수를 증가시켜 배터리의 수명을 연산하는 주 제어부를 포함하는 배터리 수명 추정을 위한 인버터 회로의 제어 장치에 관한 것으로 주 제어부는 1차의 전압 값과 2차의 전압 값의 차가 0보다 큰 경우, 1차의 전압 값과 2차의 전압 값의 차를 소모 전류로 나누어 내부 임피던스를 연산하고, 연산된 내부 임피던스에 따라 배터리의 수명을 보정하는 것을 특징으로 한다.

하지만, 본 발명의 경우 배터리 전압 거동과 배터리 용량 사이의 상관 관계를 나타내는 즉 배터리 전압 거동 별로 배터리 용량을 정의한 룩업 테이블로부터 해당 배터리 전압 거동에 대응하는 배터리 용량을 매핑하여 추정하는 배터리 전압 거동을 이용한 배터리 용량 퇴화 추정에 관한 것이고 이것의 개발이 선행 특허 1(한국등록특허 1007401130000) 및 선행 특허 2(한국등록특허 1008891790000)로부터 용이하게 도출할 수 없다는 점에서 상이하다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, LIB나 납 축전지를 사용한 대용량 전력 저장 장치로서, 과잉 생산된 전력을 저장해 두었다가 전력 부족이 우려될 때 방전하여 전력 수급을 안정화하는 역할을 하는 ESS용 전지 수명 예측 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 ESS의 배터리 수명 예측 시스템은, ESS(Energy Storage System, 에너지 저장 장치)의 가장 기본이 되는 배터리 셀의 셀 전압을 입력받아 배터리 팩의 팩 전압을 계산하는 팩 전압 계산 프로세서; 상기 팩 전압 계산 프로세서로부터 상기 팩 전압을 입력받고 SOH(State Of Health, 배터리 잔존 수명)을 판단하기 위한 전제 조건을 설정하여 상기 전제 조건에 맞는 상기 SOH를 판단하는 SOH 판단 프로세서; 상기 SOH를 판단 시, 상기 전제 조건을 만족하게 되면 이 때의 팩 전압을 확인하고 상기 확인된 현재 팩 전압과 초기 팩 전압 간의 전압 차를 이용하여 상기 SOH를 산출하는 SOH 계산 프로세서; 및 상기 SOH 계산 프로세서로부터 입력받은 상기 SOH에 초기 정격 용량을 곱하여 SOC(State of Charge, 배터리 충전 잔량) 보정 용량을 산출하는 SOC 보정 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 ESS의 배터리 수명 예측 시스템에서 상기 전제 조건은, 상기 ESS의 배터리 온도가 23도 내지 27도이고 상기 ESS에 흐르는 전류가 0.5C-Rate 이상이며 상기 ESS의 제어기로부터 계산된 상기 SOC가 49% 내지 51%인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 ESS의 배터리 수명 예측 시스템에서 상기 SOH 계산 프로세서는 상기 전압 차 및 상기 SOH가 서로 대응하여 기록된 룩업 테이블을 유지하고 상기 SOH를 판단 시, 상기 전제 조건을 만족하는 경우 상기 전압 차에 대응하는 상기 SOH를 상기 룩업 테이블로부터 독출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 ESS의 배터리 수명 예측 시스템에서 상기 SOC 보정 프로세서는 상기 SOC 보정 용량을 정격 용량 영역에 대입하여 SOC를 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 ESS의 배터리 수명 예측 방법은 배터리 팩의 팩 전압을 입력받는 팩 전압 입력 단계; 상기 SOH를 판단하기 위한 전제 조건을 설정하여 상기 전제 조건에 맞는 상기 SOH를 판단하는 SOH 판단 단계; 상기 SOH를 판단 시, 상기 전제 조건을 만족하게 되면 이 때의 팩 전압을 확인하고 상기 확인된 현재 팩 전압과 초기 팩 전압 간의 전압 차를 산출하는 전압 차 산출 단계; 상기 전압 차에 대응하는 상기 SOH를 기저장된 룩업 테이블로부터 도출하여 상기 SOH를 산출하는 SOH 산출 단계; 상기 SOH에 초기 정격 용량을 곱하여 SOC 보정 용량을 산출하는 SOC 보정 용량 산출 단계; 상기 SOC 보정 용량을 정격 용량 영역에 대입하여 SOC를 보정하는 SOC 보정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 ESS의 배터리 수명 예측 시스템 및 그 방법에 따르면, 정확한 배터리 잔여 수명을 예측해 ESS의 전력 관리 설계를 보다 효율적으로 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 배터리의 충방전 특성 곡선을 도시한 도면.
도 2는 ESS의 배터리 수명 예측 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 3은 룩업 테이블을 도시한 도면.
도 4는 ESS의 배터리 수명 예측 방법의 흐름을 도시한 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

배터리가 IT 기기의 전원에서 태양광이나 풍력 발전을 통해 발생하는 전기를 저장했다가 필요할 때 사용하는 ESS로 진화하고 있다. ESS는 고 용량의 ESS용 전지를 사용한다. 이에, ESS에 있어서 전지 수명을 예측하는 것은 매우 중요한 기술이다. 본 발명은 이러한 ESS용 전지 수명 예측에 대한 것이다.

도 1은 배터리의 충방전 특성 곡선을 도시한 도면이다.

충방전 특성 곡선은 도 1에 도시된 바와 같이 비선형으로 나타나는 것이 일반적이다. 배터리의 사용량에 따라 배터리 내부 저항이 증가하기 때문에 배터리 전압이 충전 시에는 초기 전압보다 상승하고 방전 시에는 하강한다. 본 발명은 이러한 배터리 용량의 감소량을 예측하고 이를 배터리 충전량을 보정하는 데 사용한다.

ESS의 전류 패턴은 자동차 특히 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차에서 사용되는 전류 패턴과는 달리 일정한 양으로 충전 또는 방전을 지속하는 것이 일반적이다. 물론 용도에 따라서 충전 또는 방전의 유지 패턴을 빠르게 하여 배전단의 주파수 조정 등에 사용하기도 하지만 본 발명은 전류 패턴이 일정한 양으로 충전 또는 방전을 지속할 때를 기준으로 한 것이다.

도 2는 ESS의 배터리 수명 예측 시스템의 구성을 도시한 도면이다.

ESS의 배터리 수명 예측과 이를 통한 배터리 용량 보정은 팩 전압 계산 프로세서(220), SOH 판단 프로세서(240), SOH 계산 프로세서(260), SOC 보정 프로세서(280)에 의한 프로세스를 통해 구현된다.

팩 전압 계산 프로세서(220)는 ESS의 가장 기본이 되는 배터리 셀의 셀 전압을 입력받아 배터리 팩의 팩 전압을 계산한다. 셀 전압은 ESS의 환경에 따라 몇 개 혹은 수십 개가 될 수도 있다. ESS 내에 팩 전압을 측정할 수 있는 팩 전압 장치가 구비되는 경우 팩 전압 계산 프로세서(220) 대신에 바로 팩 전압 장치를 사용할 수도 있다.

SOH 판단 프로세서(240)는 도 2에 도시된 바와 같이 팩 전압 계산 프로세서(220)로부터 팩 전압을 입력받는다.

SOH 판단 프로세서(240)는 ESS의 배터리 온도, ESS에 흐르는 전류, ESS의 제어기로부터 계산된 SOC를 가지고 SOH를 판단한다. 앞에서 말한 ESS의 배터리 온도라 함은 ESS 내 배터리의 온도가 가장 안정적인 상태에서 SOH를 판단하고자 한 것으로 예를 들어 23도 내지 27도로 구현될 수 있다. 앞에서 말한 ESS에 흐르는 전류는 ESS에 부착된 전류 센서를 통해 획득된 것으로 미세한 전류랑으로 팩 전압의 거동 판단이 불가하므로 0.5C-Rate 이상이어야 한다. 또한, 앞에서 말한 ESS의 제어기로부터 계산된 SOC는 SOH를 판단하기 위한 가장 안정적인 조건으로 49% 내지 51%일 수 있다.

SOH 판단 프로세서(240)는 상술한 바와 같이 SOH을 판단하기 위한 전제 조건을 설정하여 전제 조건에 맞는 SOH을 판단한다.

SOH 계산 프로세서(260)는 SOH 판단 프로세서(240)에서 설정한 전제 조건을 만족하게 되면 이 때의 팩 전압을 확인하고 확인된 현재 팩 전압과 초기 팩 전압 간의 전압 차를 산출한다. 여기서, 초기 팩 전압이라 함은 SOC 4% 내지 6%에 의해 실험값으로 구해진 것이다.

SOH 계산 프로세서(260)는 산출된 전압 차를 이용하여 SOH를 산출한다. 도 3은 룩업 테이블을 도시한 도면이다. SOH 계산 프로세서(260)는 도 3에 도시된 바와 같이 전압 차 및 SOH가 서로 대응하여 기록된 룩업 테이블을 유지한다. 룩업 테이블은 전압 차에 의한 SOH를 정의한 것으로 실험에 의해 계산된 값을 보여준다.

SOH 계산 프로세서(260)는 SOH를 판단 시, 전제 조건을 만족하는 경우 전압 차에 대응하는 SOH를 룩업 테이블로부터 도출함으로써 SOH를 산출할 수 있다. 산출된 SOH는 제어기에 통신에 의해 전달될 수 있고 SOC 보정 프로세서(280)는 이를 가지고 SOC의 보정을 실시할 수 있다.

SOC 보정 프로세서(280)는 SOH 계산 프로세서(260)로부터 입력받은 SOH에 초기 정격 용량을 곱하여 SOC 보정 용량을 산출한다. SOH는 0과 1사이의 값을 가진다. SOC 보정 프로세서(280)는 SOC 보정 용량을 정격 용량 영역에 대입하여 SOC를 보정할 수 있다. 보정된 SOC는 제어기에 통신에 의해 전달될 수 있다.

도 4는 ESS의 배터리 수명 예측 방법의 흐름을 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이 ESS의 배터리 수명 예측 방법은 배터리 팩의 팩 전압을 입력받는 팩 전압 입력 단계(미도시), SOH를 판단하기 위한 전제 조건을 설정하여 전제 조건에 맞는 SOH를 판단하는 SOH 판단 단계(S420), SOH를 판단 시, 전제 조건을 만족하게 되면 이 때의 팩 전압을 확인하고 확인된 현재 팩 전압과 초기 팩 전압 간의 전압 차를 산출하는 전압 차 산출 단계(S440), 전압 차에 대응하는 SOH를 기저장된 룩업 테이블로부터 도출하여 SOH를 산출하는 SOH 산출 단계(S460), SOH에 초기 정격 용량을 곱하여 SOC 보정 용량을 산출하는 SOC 보정 용량 산출 단계(S480), SOC 보정 용량을 정격 용량 영역에 대입하여 SOC를 보정하는 SOC 보정 단계(미도시)로 구성될 수 있다. 이에 대한 설명은 상술한 ESS의 배터리 수명 예측 시스템의 프로세스와 동일하므로 생략한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

220: 팩 전압 계산 프로세서
240: SOH 판단 프로세서
260: SOH 계산 프로세서
280: SOC 보정 프로세서

Claims

ESS(Energy Storage System, 에너지 저장 장치)의 가장 기본이 되는 배터리 셀의 셀 전압을 입력받아 배터리 팩의 팩 전압을 계산하는 팩 전압 계산 프로세서;
상기 팩 전압 계산 프로세서로부터 상기 팩 전압을 입력받고 SOH(State Of Health, 배터리 잔존 수명)을 판단하기 위한 전제 조건을 설정하여 상기 전제 조건에 맞는 상기 SOH를 판단하는 SOH 판단 프로세서;
상기 SOH를 판단 시, 상기 전제 조건을 만족하게 되면 이 때의 팩 전압을 확인하고 상기 확인된 현재 팩 전압과 초기 팩 전압 간의 전압 차를 이용하여 상기 SOH를 산출하는 SOH 계산 프로세서; 및
상기 SOH 계산 프로세서로부터 입력받은 상기 SOH에 초기 정격 용량을 곱하여 SOC(State of Charge, 배터리 충전 잔량) 보정 용량을 산출하는 SOC 보정 프로세서
를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS의 배터리 수명 예측 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전제 조건은,
상기 ESS의 배터리 온도가 23도 내지 27도이고 상기 ESS에 흐르는 전류가 0.5C-Rate 이상이며 상기 ESS의 제어기로부터 계산된 상기 SOC가 49% 내지 51%인 것을 특징으로 하는 ESS의 배터리 수명 예측 시스템.
제1항에 있어서,
상기 SOH 계산 프로세서는 상기 전압 차 및 상기 SOH가 서로 대응하여 기록된 룩업 테이블을 유지하고 상기 SOH를 판단 시, 상기 전제 조건을 만족하는 경우 상기 전압 차에 대응하는 상기 SOH를 상기 룩업 테이블로부터 도출하는 것을 특징으로 하는 ESS의 배터리 수명 예측 시스템.
제1항에 있어서,
상기 SOC 보정 프로세서는 상기 SOC 보정 용량을 정격 용량 영역에 대입하여 SOC를 산출하는 것을 특징으로 하는 ESS의 배터리 수명 예측 시스템.
배터리 팩의 팩 전압을 입력받는 팩 전압 입력 단계;
상기 SOH를 판단하기 위한 전제 조건을 설정하여 상기 전제 조건에 맞는 상기 SOH를 판단하는 SOH 판단 단계;
상기 SOH를 판단 시, 상기 전제 조건을 만족하게 되면 이 때의 팩 전압을 확인하고 상기 확인된 현재 팩 전압과 초기 팩 전압 간의 전압 차를 산출하는 전압 차 산출 단계;
상기 전압 차에 대응하는 상기 SOH를 기저장된 룩업 테이블로부터 도출하여 상기 SOH를 산출하는 SOH 산출 단계;
상기 SOH에 초기 정격 용량을 곱하여 SOC 보정 용량을 산출하는 SOC 보정 용량 산출 단계;
상기 SOC 보정 용량을 정격 용량 영역에 대입하여 SOC를 보정하는 SOC 보정 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS의 배터리 수명 예측 방법.