KR20140084910A - 배터리의 충방전 제어 장치 및 방법 - Google Patents

배터리의 충방전 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

배터리의 충방전 제어를 위해 별도의 테스트 전압이나 테스트 전류의 인가 없이 배터리의 임피던스를 산출할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 충방전 제어방법은, 배터리의 충전 또는 방전 동작 수행 중 상기 배터리에서 출력되는 배터리 전류 및 배터리 전압을 단위시간 마다 측정하는 단계; 미리 정해진 배터리 내부 임피던스 산출주기가 도래하면, 상기 측정된 배터리 전류 및 배터리 전압으로부터 복수개의 타겟 주파수에서의 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기를 산출하는 단계; 각 타겟 주파수에서의 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기를 이용하여 상기 각 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스의 위상과 크기를 산출하는 단계; 및 상기 각 주파수에서의 배터리 내부 임피던스의 위상과 크기를 이용하여 상기 배터리 내부 임피던스를 구성하는 파라미터 값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리의 충방전 제어 장치 및 방법{Apparatus and Method for Controlling Charging/Discharging of Battery}
본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 구체적으로 배터리의 충방전 제어에 관한 것이다.
산업의 발달과 더불어 전력수요가 점차 증대되고 있으며 주야간, 계절간, 일별간 전력 사용량의 격차가 점차 심화되고 있다.
최근에 이러한 이유로 계통의 잉여 전력을 활용하여 피크부하를 삭감하기 위한 많은 기술들이 빠르게 개발되고 있는데, 이러한 기술들 중에서 대표적인 것이 계통의 잉여 전력을 배터리에 저장하거나 계통의 부족 전력을 배터리에서 공급해주는 배터리 에너지 저장 시스템(Battery Energy Storage System)이다.
배터리 에너지 저장 시스템은 야간의 잉여 전력이나 풍력, 태양광 등의 신재생 에너지에서 발전된 잉여 전력을 배터리에 저장하였다가, 피크 부하 또는 계통 사고시 배터리에 저장된 전력을 계통에 공급한다. 이를 통해 신재생 에너지원에 의해 불안정하게 변동되는 계통 전력을 안정화 시키고 최대부하 삭감과 부하 평준화를 달성할 수 있게 된다.
특히, 최근 다양한 신재생 에너지원의 출현으로 인해 부각되고 있는 지능형 전력망(Smart Grid)뿐만 아니라 전기 자동차에도 이러한 배터리 에너지 저장 시스템이 이용될 수 있다.
이러한 배터리 에너지 저장 시스템에 이용되는 배터리는, 배터리의 충전 또는 방전시 도 1에 도시된 바와 같이, 내부 임피던스에 의한 전압강하(Voltage Drop)현상이 발생하게 된다.
이로 인해 배터리 충전시 배터리의 실제 개방회로전압(OCV: Open Circuit Voltage)보다 큰 전압이 배터리 양단에서 측정되며, 충전 제어기는 배터리 내부 임피던스에 의한 전압강하 성분을 포함한 전압을 배터리의 충전전압으로 인식하게 된다는 문제점이 있다.
예를 들면, 과전압 레벨이 800V로 설정된 상태에서 배터리를 충전하는 경우, 충전 제어기는 배터리 양단 전압이 800V가 되면 배터리의 충전을 정지시키지만, 배터리 내부 임피던스에 의한 전압강하 성분으로 인해 배터리의 실제 개방회로전압은 전압강하 성분을 제외한 값에서 설정된다.
따라서, 배터리 내부 임피던스에 의한 전압강하 성분을 산출하여 이를 보상하기 위해, 배터리 내부 임피던스를 산출하는 것이 선행되어야 한다. 배터리의 내부 임피던스를 산출하는 기술이 대한민국 공개특허 제10-2011-0105947호에 개시되어 있다.
하지만, 대한민국 공개특허 제10-2011-0105947호를 비롯한 종래기술의 경우 배터리의 내부 임피던스를 산출하기 위해 별도의 테스트 전압이나 테스트 전류를 배터리에 인가하여야 하기 때문에, 별도의 테스트 전압이나 테스트 전류의 인가로 인한 전력소모가 발생하거나, 테스트 전압이나 테스트 전류를 배터리에 인가하기 위한 별도의 장비가 요구되기 때문에 배터리 내부 임피던스 산출을 위한 비용이 증가하게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배터리의 충방전 제어를 위해 별도의 테스트 전압이나 테스트 전류의 인가 없이 배터리의 임피던스를 산출할 수 있는 배터리 충반전 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 배터리의 내부 임피던스에 의한 전압강하 성분을 이용하여 배터리의 충방전시 요구되는 보상 값을 결정할 수 있는 배터리 충방전 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 충방전 제어 방법은, 배터리의 충전 또는 방전 동작 수행 중 상기 배터리에서 출력되는 배터리 전류 및 배터리 전압을 단위시간 마다 측정하는 단계; 미리 정해진 배터리 내부 임피던스 산출주기가 도래하면, 상기 측정된 배터리 전류 및 배터리 전압으로부터 복수개의 타겟 주파수에서의 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기를 산출하는 단계; 각 타겟 주파수에서의 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기를 이용하여 상기 각 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스의 위상과 크기를 산출하는 단계; 및 상기 각 주파수에서의 배터리 내부 임피던스의 위상과 크기를 이용하여 상기 배터리 내부 임피던스를 구성하는 파라미터 값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 충방전 제어장치는, 배터리를 제1 저항, 제2 저항, 및 커패시터로 구성된 등가회로로 모델링하는 모델링부; 상기 배터리의 충전 또는 방전 동작 수행 중 상기 배터리에서 측정되는 배터리 전류의 위상 및 크기와 배터리 전압의 위상 및 크기를 이용하여 복수개의 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 산출하는 연산부; 및 상기 각 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 이용하여 상기 배터리내부 임피던스를 구성하는 상기 제1 저항, 제2 저항, 및 커패시터의 값을 산출하는 임피던스 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 별도의 테스트 전압이나 테스트 전류를 배터리에 인가하지 않고서도 배터리의 충방전 동작 중 배터리로부터 출력되는 전류 및 전압을 이용하여 배터리 내부 임피던스를 산출할 수 있기 때문에 배터리 내부 임피던스 산출 시 발생되는 전력소모를 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 테스트 전압이나 테스트 전류를 배터리에 인가하기 위한 별도의 장비가 요구되지 않기 때문에 배터리 임피던스 산출에 소요되는 비용을 최소화시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 배터리 내부 임피던스를 이용하여 배터리 내부 임피던스에 의한 전압강하 성분을 산출할 수 있고, 배터리 충방전 제어시 이러한 전압강하 성분을 보상할 수 있어 배터리 충방전 제어를 최적화시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 배터리 내부 임피던스에 의한 전압강하현상을 보여주는 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 제어 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 3은 일반적인 배터리 등가모델을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 등가모델의 회로도.
도 5는 배터리의 충방전 동작시 배터리에서 측정되는 배터리 전압 및 배터리 전류의 파형을 예시적으로 보여주는 도면.
도 6은 복수개의 타겟 주파수에서 산출된 배터리의 내부 임피던스의 크기 및 위상을 보여주는 테이블.
도 7은 복수개의 타겟 주파수에서 산출된 배터리 내부 임피던스를 이용하여 배터리 내부 임피던스의 파라미터를 산출하기 위한 원의 방정식을 보여주는 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 제어 방법을 보여주는 플로우차트.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기 산출 방법을 보여주는 플로우차트.
본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
배터리 충방전 제어 장치
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 제어 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다. 일 실시예에 있어서, 이러한 배터리 충방전 제어 장치(200)는 배터리 에너지 저장 시스템(BESS: Battery Energy Storage System)으로 구현되어, 충전동작을 통해 계통의 전력을 배터리에 저장하고, 방전동작을 통해 배터리에 저장되어 있는 전력을 계통으로 제공할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 제어 장치(200)는 모델링부(210), 측정부(220), 연산부(230), 및 임피던스 산출부(240)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 제어 장치(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 전압강하성분 산출부(250) 및 보상값 결정부(260)를 더 포함할 수 있다.
모델링부(210)는 배터리의 등가회로를 모델링하는 것으로서, 일 실시예에 있어서 모델링부(210)는 도 3에 도시된 바와 같은 배터리의 일반적인 등가회로를 도 4에 도시된 바와 같은 등가회로로 모델링한다.
도 3에 도시된 일반적인 배터리 등가회로는 등가회로를 구성하는 파라미터로써 내부저항(310), 부동화 성분(320), 전하전송 성분(330), 및 왈버그 임피던스(340)를 포함한다.
여기서, 내부저항(310, RΩ)은 전해질, 전극, 단자대의 저항성분과 같이 배터리의 전극과 내부를 연결하는 전체 저항을 나타내는 것으로서 배터리 내부 임피던스를 복소평면에서 표현하는 경우 실수축과 그래프가 교차하는 지점에 해당한다.
부동화 성분(320)은 서로 병렬연결된 Rm 및 Q(Constant Phase Element, CPE)로 구성되는 것으로서, 음극 표면에 생성되는 부동화(Passivation) 성분을 나타낸다.
전하전송 성분(330)은 서로 병렬 연결된 Rct(Charge Transfer Resistance, 전하전송저항) 및 Cdl(Double Layer Capacitance, 전기이중충 커패시턴스)로 구성되는 것으로서, 배터리의 전극(양극과 음극)과 전해질 사이의 계면에서의 전자 이동 반응을 나타낸다.
ZW(Warburg 임피던스)는 확산(Diffusion)으로 인해 전하전송이 방해되는 정도를 나타낸다.
일반적으로 배터리에 큰 영향을 미치는 영역은 저주파 영역인 확산(Diffusion)영역이므로, 모델링부(210)는 도 3에 도시된 배터리 등가회로를 배터리의 내부저항(310), 부동화 성분(320), 및 전하전송 성분(330)을 합산한 제1 저항과 왈버그 임피던스(ZW)로 단순화시켜 모델링할 수 있다. 이때, 모델링부(210)는 왈버그 임피던스(ZW)를 하나의 저항과 하나의 커패시터로 단순화 시켜 최종적으로 배터리를 도 4에 도시된 바와 같은 등가회로로 모델링한다.
모델링부(210)에 의해 모델링된 배터리 등가회로는 도 4에 도시된 바와 같이 배터리의 개방회로전압(OCV: Open Circuit Voltage, 410)에 직렬로 연결된 제1 저항(Ri, 420)과, 서로 병렬로 연결된 제2 저항(Rd, 430)과 커패시터(Cd, 440)를 포함하며, 부하가 연결되지 않은 상태로 구성된다.
도 4에서, 개방회로전압(VOCV)에 직렬로 연결되어 있는 제1 저항(420)은 도 3에 도시된 등가회로의 내부저항(310), 부동화 성분(320), 및 전하전송 성분(330)의 합을 의미한다. 또한, 서로 병렬연결되어 있는 제2 저항(430)과 커패시터(440)는 왈버그 임피던스(ZW)를 단순화시켜 표현한 것으로서 제2 저항(430)은 배터리 내부에서 물질의 확산으로 인해 전하전이가 방해되는 정도를 나타내는 확산저항(Diffusion Resistance)을 나타내고, 커패시터(440)는 제2 저항(430)과 동일하게 배터리 내부에서 물질의 확산으로 인해 전하전이가 방해되는 정도를 나타내는 확산 커패시터(Diffusion Capacitance)를 나타낸다.
따라서, 모델링부(210)에 의해 모델링된 배터리의 등가회로는 제1 저항(420), 제2 저항(430), 및 커패시터(440)를 파라미터로 포함한다.
다시 도 2를 참조하면, 측정부(220)는, 배터리가 BESS와 같은 배터리 충방전 제어 장치(200)에 실제 연결되어 방전을 통해 계통에 전력을 제공하거나 충전을 통해 계통으로부터 제공되는 전력을 저장하는 동작 수행 중에, 배터리로부터 출력되는 전류(이하, '배터리 전류'라 함)나 전압(이하, '배터리 전압'이라 함)을 측정하여 메모리(미도시)에 저장한다.
일 실시예에 있어서, 측정부(220)는 미리 정해진 단위시간(예컨대 1초) 마다 배터리 전류 및 배터리 전압을 측정하고, 측정된 배터리 전류 및 배터리 전압을 메모리에 저장할 수 있다. 이러한 실시예에 따르는 경우, 측정부(220)에 의해 측정된 배터리 전류의 파형 및 배터리 전압의 파형의 예가 도 5에 도시되어 있다.
다시 도 2를 참조하면, 연산부(230)는 미리 정해진 배터리 내부 임피던스 산출주기(예컨대, 200초)마다, 측정부(220)에 의해 측정된 배터리 전류 및 배터리 전압으로부터 배터리 전류의 위상 및 크기와 배터리 전압의 위상 및 크기를 산출한다. 또한, 연산부(230)는 배터리 전류의 위상 및 크기와 배터리 전압의 위상 및 크기를 이용하여 복수개의 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 산출한다. 이때, 배터리 내부 임피던스 값은 배터리 내부 임피던스의 위상과 크기일 수 있다.
이를 위해, 연산부(230)는 도 2에 도시된 바와 같이 제1 추출부(232), 제2 추출부(234), 및 산출부(236)를 포함한다.
먼저, 제1 추출부(232)는, 측정부(210)에 의해 측정된 배터리 전류로부터 복수개의 타겟 주파수에서의 배터리 전류의 크기 및 위상을 추출한다. 일 실시예에 있어서, 복수개의 타겟 주파수는 0.01Hz ~ 0.1Hz 내에서 선택된 2개 이상의 주파수를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 추출부(232)는 0.1Hz, 0.025Hz, 0.015Hz, 0.01Hz를 타겟 주파수로 설정하고, 0.1Hz, 0.025Hz, 0.015Hz, 0.01Hz에서의 배터리 전류의 위상과 크기를 추출할 수 있다.
이를 위해, 제1 추출부(232)는 기준신호 생성부(238)로부터 각 타겟 주파수를 갖는 사인파 형상의 제1 기준신호 및 제1 기준신호와 90도의 위상차이가 나는 사인파 형상의 제2 기준신호를 입력 받는다. 이후, 입력된 제1 기준신호와 배터리 전류의 곱에 대한 제1 DC성분을 산출하고, 제2 기준신호와 배터리 전류의 곱에 대한 제2 DC성분을 산출하며, 제1 DC성분과 제2 DC 성분을 이용하여 각 타겟 주파수에서 배터리 전류의 크기와 위상을 추출한다.
이하, 제1 추출부(232)가 특정 타겟 주파수에서 배터리 전류의 크기와 위상을 구하는 방법을 예를 들어 설명한다.
먼저, 배터리 전류가 아래의 수학식 1과 같이 정의되는 것으로 가정한다.
Figure pat00001
수학식 1에서, f0는 특정 타겟 주파수를 의미하고, n(t)는 노이즈 성분 및 고조파 왜곡성분을 나타낸다. 수학식 1에서, 배터리 전류의 크기를 나타내는 A와 위상을 나타내는 θ는 특정 타겟 주파수 f0에 따라 변화된다.
이러한 경우, 기준신호 생성부(238)에 의해 생성된 특정 타겟 주파수에서의 제1 기준신호 및 제2 기준신호는 아래의 수학식 2 및 3과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
수학식1에 정의된 배터리 전류와 수학식 2에 정의된 제1 기준신호를 곱하면 삼각함수의 합성공식으로부터 수학식 4와 같은 결과가 도출되고, 수학식 4에서 DC성분을 추출하여 근사화하면 수학식 5와 같은 제1 DC성분이 도출된다. 또한, 수학식 1에 정의된 배터리 전류와 수학식 3에 정의된 제2 기준신호를 곱하면 삼각함수의 합성공식으로부터 수학식 6과 같은 결과가 도출되고, 수학식 6에서 DC성분을 추출하여 근사화하면 수학식 7과 같은 제2 DC성분이 도출된다.
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
수학식 5에서 x는 제1 DC성분을 나타내고, 수학식 7에서 y는 제2 DC성분을 나타낸다.
이후, 아래의 수학식 8을 이용하여 제1 추출부(232)는 제1 DC성분과 제2 DC성분으로부터 특정 타겟 주파수에서 배터리 전류의 크기를 추출하고, 아래의 수학식 9를 이용하여 제1 DC성분과 제2 DC 성분으로부터 특정 타겟 주파수에서 배터리 전류의 위상을 추출한다.
Figure pat00008
Figure pat00009
수학식 8에서 I는 특정 타겟 주파수에서 배터리 전류의 크기를 나타내고, 수학식 9에서 θi는 특정 타겟 주파수에서 배터리 전류의 위상을 나타낸다.
또한, 제2 추출부(234)는, 측정부(210)에 의해 측정된 배터리 전압으로부터 복수개의 타겟 주파수에서의 배터리 전압의 크기 및 위상을 추출한다. 일 실시예에 있어서, 복수개의 타겟 주파수는 0.01Hz ~ 0.1Hz 내에서 선택된 2개 이상의 주파수를 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 추출부(234)는 0.1Hz, 0.025Hz, 0.015Hz, 0.01Hz를 타겟 주파수로 설정하고, 0.1Hz, 0.025Hz, 0.015Hz, 0.01Hz에서의 배터리 전류의 위상과 크기를 추출할 수 있다.
이를 위해, 제2 추출부(234)는 기준신호 생성부(238)로부터 각 타겟 주파수를 갖는 사인파 형상의 제1 기준신호 및 제1 기준신호와 90도의 위상차이가 나는 사인파 형상의 제2 기준신호를 입력 받는다. 이후, 입력된 제1 기준신호와 배터리 전압의 곱에 대한 제1 DC성분을 산출하고, 제2 기준신호와 배터리 전압의 곱에 대한 제2 DC성분을 산출하며, 제1 DC성분과 제2 DC 성분을 이용하여 각 타겟 주파수에서 배터리 전압의 크기와 위상을 추출한다.
각 타겟 주파수에서 배터리 전압의 크기와 위상을 추출하는 방법은 상술한 수학식 1 내지 수학식 9에서 신호의 크기를 나타내는 A가 B로 변경되고 신호의 위상을 나타내는 θA가 θB로 변경되는 것을 제외하고는 모두 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 변경된 수학식 1 내지 수학식 9를 이용하여 배터리 전압으로부터 특정 타겟 주파수에서 배터리 전압의 크기 및 위상을 추출하면 아래의 수학식 10 및 11과 같다.
Figure pat00010
Figure pat00011
수학식 10에서 V는 특정 타겟 주파수에서 배터리 전압의 크기를 나타내고, 수학식 11에서 θV는 특정 타겟 주파수에서 배터리 전압의 위상을 나타낸다.
상술한 실시예에 있어서는 제1 및 제2 산출부(232, 234)가 배터리 전압 및 배터리 전류에 제1 및 제2 기준신호를 곱하여 산출되는 DC값을 이용하여 각 타겟 주파수에서의 배터리 전류의 위상 및 크기와 배터리 전압의 위상 및 크기를 산출하는 것으로 설명하였다. 하지만, 변형된 실시예에 있어서 제1 및 제2 산출부(232, 234)는 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT)를 이용하여 배터리 전류의 위상 및 크기와 배터리 전압의 위상 및 크기를 산출할 수도 있을 것이다.
다음으로, 산출부(236)는 아래의 수학식 12에 기재된 바와 같이, 제2 추출부(234)에 의해 산출된 각 타겟 주파수에서 배터리 전압을 제1 추출부(232)에 의해 산출된 각 타겟 주파수에서 배터리 전류로 제산함으로써 배터리 내부 임피던스 값을 산출할 수 있다.
Figure pat00012
수학식 12에서, Z는 각 타겟 주파수에서 배터리 내부 임피던스 크기를 나타내고, θZ는 각 타겟 주파수에서 배터리 내부 임피던스 위상을 나타낸다.
구체적으로, 산출부(236)는, 아래의 수학식 13에 기재된 바와 같이, 제2 추출부(234)에 의해 산출된 각 타겟 주파수에서의 배터리 전압의 크기를 제1 추출부(232)에 의해 산출된 각 타겟 주파수에서의 배터리 전류의 크기로 제산함으로써 각 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 크기를 산출할 수 있다.
Figure pat00013
또한, 산출부(236)는 아래의 수학식 14에 기재된 바와 같이, 제2 추출부(234)에 의해 산출된 각 타겟 주파수에서의 배터리 전압의 위상에서 제1 추출부(232)에 의해 산출된 각 타겟 주파수에서의 배터리 전류의 위상을 감산함으로써 각 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스의 위상을 산출할 수 있다.
Figure pat00014
이와 같이, 본 발명은 배터리의 실제 구동 중 배터리에서 출력되는 배터리 전류 및 배터리 전압으로부터, 각 타겟 주파수에서의 배터리 전압과 배터리 전류의 위상 및 크기를 산출하고, 이를 이용하여 각 타겟 주파수에서 배터리의 임피던스 위상 및 크기를 산출할 수 있다.
예컨대, 상술한 바와 같이, 복수개의 타겟 주파수가 0.1Hz, 0.025Hz, 0.015Hz, 0.01Hz인 경우, 산출부(236)는 각 타겟 주파수 별로 도 6에 도시된 바와 같은 배터리 내부 임피던스의 위상 및 크기를 산출할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연산부(230)는 기준신호 생성부(238)를 더 포함할 수 있다. 기준신호 생성부(238)는 각 타겟 주파수에서의 배터리 전압의 크기 및 위상과 각 타겟 주파수에서의 배터리 전류의 크기 및 위상을 산출하기 위해 요구되는 제1 및 제2 기준신호를 생성하여 상술한 제1 추출부(232) 및 제2 추출부(234)로 제공한다.
이러한 기준신호 생성부(238)는 연산부(230)에 포함될 수도 있지만, 연산부(230)와는 별개의 구성요소로 구현될 수도 있을 것이다.
한편, 제1 추출부 (232) 및 제2 추출부(234)가 고속 퓨리에 변환을 통해 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기를 산출하는 실시예에 있어서는 제1 및 제2 기준신호가 요구되지 않기 때문에 기준신호 생성부(238)는 생략가능 할 것이다.
다음으로, 임피던스 산출부(240)는 연산부(230)에 의해 산출된 각 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 이용하여 배터리 내부 임피던스 등가모델을 구성하는 파라미터의 값을 산출한다. 구체적으로, 임피던스 산출부(240)는 연산부(230)에 의해 산출된 각 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 이용하여 도 3에 도시된 제1 저항(310)의 값, 제2 저항(320)의 값, 및 커패시터(330)의 값을 산출한다.
일 실시예에 있어서, 배터리 내부 임피던스는 반원 형상의 스펙트럼을 갖기 때문에, 임피던스 산출부(240)는 이러한 반원 형상의 스펙트럼에 따라 x축이 실수축이고 y축이 허수축인 원의 방정식에 복수개의 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 대입하여 배터리 내부 임피던스를 구성하는 파라미터의 값들을 산출할 수 있다.
이를 위해, 임피던스 산출부(240)는 도 7에 도시된 바와 같이, 배터리 내부 임피던스를 x축이 실수축이고 y축이 허수축이고, 실수축과 교차하는 원의 한 점이 제1 저항(Ri) 값이고 다른 한 점이 제1 저항(Ri)과 제2 저항(Rd) 값의 합으로 정의되는 원의 방식으로 모델링한다. 따라서, 임피던스 산출부(240)는 도 7에 도시된 원의 방정식에 복수개의 타겟 주파수 중 2개 이상의 타겟 주파에서의 배터리 내부 임피던스 값을 대입하여 배터리 내부 임피던스를 구성하는 각 파라미터의 값들을 산출할 수 있다.
이하에서는 제1 타겟 주파수에서 획득된 배터리 내부 임피던스의 값이 (ReZ1, ImZ1)이고, 제2 타겟 주파수에서 획득된 배터리 내부 임피던스의 값이 (ReZ2, ImZ2)일 경우, 배터리 내부 임피던스를 구성하는 파라미터들의 값을 산출하는 방법을 예를 들어 설명한다.
먼저, 도 7에 도시된 원의 방정식은 그 중점이(x1, 0)이고, 반경이 r이므로, 아래의 수학식 15와 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00015
수학식 15에 정의된 원의 방정식에 제1 타겟 주파수에서 획득된 배터리 내부 임피던스 값을 대입하면 아래의 수학식 16과 같이 정리되고, 수학식 15에 정의된 원의 방정식에 제2 타겟 주파수에서 획득된 배터리 내부 임피던스 값을 대입하면 아래의 수학식 17과 같이 정리된다.
Figure pat00016
Figure pat00017
수학식 16에서 수학식 17을 감산함으로써 아래의 수학식 18과 같은 x1의 값을 획득할 수 있다.
Figure pat00018
한편, 도 7에 도시된 원의 방정식으로부터 제1 저항인 Ri와 제2 저항인 Rd는 아래의 수학식 19 및 20과 같이 정의되므로, 최종적으로 수학식 18에서 산출된 x1을 수학식 19에 대입함으로써 배터리 내부 임피던스를 구성하는 파라미터인 제1 저항(Ri)의 값이 산출되고, 수학식 20에 r값을 대입함으로써 제2 저항(Rd)의 값이 산출된다.
Figure pat00019
Figure pat00020
또한, 도 4에 도시된 등가회로로부터 배터리 내부 임피던스는 아래의 수학식 21과 같이 정의되므로, 수학식 19에서 획득된 제1 저항(Ri)의 값, 수학식 20에서 획득된 제2 저항(Rd)의 값, 제1 또는 제2 타겟 주파수의 값, 및 제1 또는 제2 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 수학식 21에 각각 대입함으로써 배터리 내부 임피던스를 구성하는 파라미터인 커패시터(Cd)의 값이 산출된다.
Figure pat00021
이와 같이, 임피던스 산출부(240)는 배터리 내부 임피던스를 구성하는 각 파라미터인 제1 저항의 값, 제2 저항의 값, 및 커패시터의 값을 산출함으로써 배터리 내부 임피던스를 최종적으로 결정할 수 있게 된다.
이후, 임피던스 산출부(240)는 산출된 각 파라미터들의 값을 메모리에 저장하고, 매 산출시기마다 새로운 파라미터 값들이 산출되면 메모리에 저장되어 있는 파라미터 값들을 새롭게 산출된 파라미터 값들로 업데이트 한다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 충방전 제어 장치(200)는, 전압강하 성분 산출부(250) 및 보상값 결정부(260)를 더 포함할 수 있다.
전압강하 성분 산출부(250)는, 배터리 내부 임피던스에 의한 전압강하 성분을 산출한다. 구체적으로, 전압강하 성분 산출부(250)는, 임피던스 산출부(240)에 의해 산출된 제1 저항(Ri), 제2 저항(Rd), 및 커패시터(Cd)로 구성되는 배터리 내부 임피던스에 배터리 전류를 승산함으로써 배터리 내부 임피던스에 의한 전압강하 성분을 산출한다.
보상값 결정부(260)는, 배터리의 충방전시 전압강하 성분 산출부(250)에 의해 산출된 전압강하 성분을 배터리의 충방전을 위한 보상값으로 결정하고, 결정된 보상값을 배터리의 충방전 제어기(미도시)로 제공한다.
본 발명에서 배터리 충방전시 전압강하 성분을 보상하는 이유는, 배터리의 충방전시 충방전 제어기에 의해 배터리의 양단에서 측정되는 전압은 배터리 내부 임피던스에 의한 전압강하 성분이 포함되어 있기 때문에 실제 배터리의 충전량은 타겟 충전량에 비해 수 내지 수십% 차이가 발생하기 때문이다.
배터리 충방전 제어 방법
이하 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 배터리 충방전 제어 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 제어 방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 배터리를 BESS와 같은 배터리 충방전 제어 장치에 연결시키고(S800), 배터리의 충전 또는 방전 동작 수행 중 배터리에서 출력되는 배터리 전류 및 배터리 전압을 단위시간 마다 측정한다(S810). 일 실시예에 있어서, 배터리에서 출력되는 배터리 전류 및 배터리 전압은 1초마다 측정할 수 있다.
이후, 미리 정해진 배터리 내부 임피던스 산출주기가 도래하였는지 여부를 판단한다(S820). 일 실시예에 있어서, 배터리 내부 임피던스 산출주기는 200초로 결정될 수 있다. 즉, 200초마다 한번씩 배터리 내부 임피던스를 산출하는 것이다.
S820의 판단결과, 미리 정해진 배터리 내부 임피던스 산출주기가 도래하였으면, S810에서 측정된 배터리 전류 및 배터리 전압으로부터 복수개의 타겟 주파수에서의 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기를 추출한다(S830).
일 실시예에 있어서, 복수개의 타겟 주파수는 0.01Hz ~ 0.1Hz 내에서 선택된 2개 이상의 주파수를 포함할 수 있다. 예컨대, 타겟 주파수는 0.1Hz, 0.025Hz, 0.015Hz, 0.01Hz 중 어느 하나일 수 있다. 이러한 예에 따르는 경우 배터리 전압 및 배터리 전류로부터 0.1Hz, 0.025Hz, 0.015Hz, 0.01Hz에서의 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기를 추출할 수 있다.
이하, 도 9를 참조하여 배터리 전류 및 배터리 전압으로부터 각 타겟 주파수에서의 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기를 산출하는 방법을 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기를 산출하는 방법으로 보여주는 플로우차트이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1 기준신호 및 배터리 전류의 곱으로부터 추출되는 DC성분을 근사화하여 제1 DC 성분을 획득하고 제2 기준신호 및 배터리 전류의 곱으로부터 추출되는 DC 성분을 근사화하여 제2 DC 성분을 획득한다(S910).
이때, 제1 및 제2 기준신호는 상술한 수학식 2 및 3에 기재된 것과 같고, 제1 DC 성분 및 제2 DC 성분은 상술한 수학식 5 및 7에 기재된 것과 같다.
이후, 상술한 수학식 8 및 9에 기재된 바와 같이 제1 DC 성분과 제2 DC 성분을 이용하여 각 타겟 주파수에서 배터리 전류의 위상과 크기를 산출한다(S920).
또한, 상술한 제1 기준신호 및 배터리 전압의 곱으로부터 추출되는 DC성분을 근사화하여 제3 DC 성분을 획득하고 제2 기준신호 및 배터리 전압의 곱으로부터 추출되는 DC 성분을 근사화하여 제4 DC 성분을 획득한다(S930).
이후, 제3 DC 성분과 제4 DC 성분을 이용하여 각 타겟 주파수에서 배터리 전압의 위상과 크기를 산출한다(S940).
도 9에서는 각 타겟 주파수에서의 배터리 전류의 위상과 크기를 산출한 이후에 배터리 전압의 위상과 크기를 산출하는 것으로 도시하였지만, 이는 하나의 예일 뿐 변형된 실시예에 있어서는 각 타겟 주파수에서 배터리 전압의 위상과 크기를 산출한 이후에 배터리 전류의 위상과 크기를 산출할 수 있다. 또 다른 예로, 각 타겟 주파수에서의 배터리 전류의 위상과 크기, 배터리 전압의 위상과 크기를 동시에 산출할 수도 있을 것이다.
도 9에서는 배터리 전압 및 배터리 전류에 제1 및 제2 기준신호를 곱하여 산출되는 DC값을 이용하여 각 타겟 주파수에서의 배터리 전류의 위상 및 크기와 배터리 전압의 위상 및 크기를 산출하는 것으로 설명하였다. 하지만, 변형된 실시예에 있어서 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT)를 이용하여 배터리 전류의 위상 및 크기와 배터리 전압의 위상 및 크기를 산출할 수도 있을 것이다.
다시 도 8을 참조하면, S830에서 산출된 각 타겟 주파수에서의 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기를 이용하여 각 타겟 주파수에서의 배터리 임피던스 값을 산출한다(S840).
구체적으로, 상술한 수학식 12에 기재된 바와 같이, 각 타겟 주파수에서 배터리 전압 크기를 각 타겟 주파수에서 배터리 전류 크기로 제산함으로써 배터리 내부 임피던스 크기를 산출하고, 상술한 수학식 13에 기재된 바와 같이 각 타겟 주파수에서 배터리 전압의 위상에서 각 타겟 주파수에서 배터리 전류의 위상을 감산함으로써 각 타겟 주파수에서 배터리의 임피던스 위상을 산출한다.
이후, 각 타겟 주파수에서 산출된 배터리 내부 임피던스의 위상과 크기를 이용하여 배터리 내부 임피던스를 구성하는 파라미터 값을 산출한다(S850). 일 실시예에 있어서, 배터리 내부 임피던스를 구성하는 파라미터는 도 4에 도시된 바와 같이 배터리의 내부저항, 부동화(Passivation) 성분, 및 전하전송(Charge Transfer)성분을 합산한 제1 저항(420)과, 확산(Diffusion)현상에 의한 제2 저항(430), 및 확산현상에 의한 커패시터(440)를 포함한다.
이러한 실시예에 따르는 경우, 배터리 내부 임피던스는 반원 형상의 스펙트럼특성을 갖기 때문에, 도 7에 도시된 바와 같이 x축이 실수축이고 y축이 허수축인 원의 방정식에 상기 각 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스의 실수값과 허수값을 대입함으로써 배터리 내부 임피던스를 구성하는 각 파라미터 값을 산출할 수 있다.
구체적으로, 도 7에 도시된 원의 방정식으로부터 제1 저항(420)인 Ri와 제2 저항(430)인 Rd는 상술한 수학식 19 및 20과 같이 정의되므로, 최종적으로 수학식 18에서 산출된 x1을 수학식 19에 대입함으로써 배터리 내부 임피던스를 구성하는 파라미터인 제1 저항(420)의 값이 산출되고, 수학식 20에 r값을 대입함으로써 제2 저항(430)의 값이 산출된다.
또한, 도 4에 도시된 등가회로로부터 배터리 내부 임피던스는 상술한 수학식 21과 같이 정의되므로, 수학식 19에서 획득된 제1 저항(420)의 값, 수학식 20에서 획득된 제2 저항(430)의 값, 타겟 주파수 중 어느 하나의 값, 및 해당 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 상술한 수학식 21에 각각 대입함으로써 배터리 내부 임피던스를 구성하는 파라미터인 커패시터(440)의 값이 산출된다.
이후, 산출된 각 파라미터의 값을 메모리에 저장한다(S850).
한편, 도 8에서는 도시하지 않았지만, 산출된 각 파라미터들의 값을 이용하여 배터리 내부 임피던스에 의한 전압강하 성분을 산출하는 과정과 산출된 전압강하 성분을 배터리의 충방전 보상값으로 결정하여 배터리의 충방전을 제어하는 과정을 더 포함할 수도 있다.
상술한 배터리 충방전 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 이용하여 수행될 수 있는 프로그램 형태로도 구현될 수 있는데, 이때 배터리 충방전 제어 방법을 수행하기 위한 프로그램은 하드 디스크, CD-ROM, DVD, 롬(ROM), 램, 또는 플래시 메모리와 같은 컴퓨터로 판독할 수 있는 기록 매체에 저장된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200: 배터리 충방전 제어 장치 210: 모델링부
220: 측정부 230: 연산부
232: 제1 추출부 234: 제2 추출부
236: 산출부 238: 기준신호 생성부
240: 임피던스 산출부 250: 전압강하 성분 산출부
260: 보상값 결정부 310: 내부저항
320: 부동화 성분 330: 전하전송 성분
340: 왈버그 임피던스 410: 개방회로전압
420: 제1 저항 420: 제2 저항
430: 커패시터

Claims (13)

  1. 배터리의 충전 또는 방전 동작 수행 중 상기 배터리에서 출력되는 배터리 전류 및 배터리 전압을 단위시간 마다 측정하는 단계;
    미리 정해진 배터리 내부 임피던스 산출주기가 도래하면, 상기 측정된 배터리 전류 및 배터리 전압으로부터 복수개의 타겟 주파수에서의 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기를 산출하는 단계;
    각 타겟 주파수에서의 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기를 이용하여 상기 각 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스의 위상과 크기를 산출하는 단계; 및
    상기 각 주파수에서의 배터리 내부 임피던스의 위상과 크기를 이용하여 상기 배터리 내부 임피던스를 구성하는 파라미터 값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 전류 및 배터리 전압의 위상과 크기를 산출하는 단계에서,
    상기 각 타겟 주파수에서 배터리 전류의 위상과 크기는, 상기 각 타겟 주파수를 갖는 사인파 형상의 제1 기준신호와 상기 배터리 전류의 곱에서 추출된 DC 성분으로부터 획득되는 제1 DC성분과, 상기 제1 기준신호와 90도의 위상차를 갖는 제2 기준신호와 상기 배터리 전류의 곱에서 추출된 DC 성분으로부터 획득되는 제2 DC 성분을 이용하여 산출하고,
    상기 각 타겟 주파수에서의 배터리 전압의 위상과 크기는, 상기 각 타겟 주파수를 갖는 사인파 형상의 제1 기준신호와 상기 배터리 전압의 곱에서 추출된 DC 성분으로부터 획득되는 제3 DC성분과, 상기 제2 기준신호와 상기 배터리 전압의 곱에서 추출된 DC 성분으로부터 획득되는 제4 DC 성분을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파라미터 값을 산출하는 단계에서,
    상기 배터리 내부 임피던스의 반원 형상 스펙트럼에 따라, x축이 실수축이고 y축이 허수축인 원의 방정식에 상기 각 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스의 실수값과 허수값을 대입하여 상기 파라미터 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 타겟 주파수는 0.1Hz ~ 0.01 Hz 내에서 선택된 2개 이상의 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 내부 임피던스를 구성하는 파라미터는, 상기 배터리의 내부저항, 부동화(Passivation) 성분, 및 전하전송(Charge Transfer)성분을 합산한 제1 저항과, 확산(Diffusion)현상에 의한 제2 저항 및 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  6. 배터리를 제1 저항, 제2 저항, 및 커패시터로 구성된 등가회로로 모델링하는 모델링부;
    상기 배터리의 충전 또는 방전 동작 수행 중 상기 배터리에서 측정되는 배터리 전류의 위상 및 크기와 배터리 전압의 위상 및 크기를 이용하여 복수개의 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 산출하는 연산부; 및
    상기 각 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스 값을 이용하여 상기 배터리내부 임피던스를 구성하는 상기 제1 저항, 제2 저항, 및 커패시터의 값을 산출하는 임피던스 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 임피던스 산출부는, 상기 배터리 내부 임피던스의 반원 형상 스펙트럼에 따라, x축이 실수축이고 y축이 허수축인 원의 방정식에 상기 각 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스의 실수값과 허수값을 대입하여 상기 제1 저항, 상기 제2 저항, 및 상기 커패시터의 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 복수개의 타겟 주파수는 0.01Hz ~ 0.1 Hz 내에서 선택된 2개 이상의 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 배터리의 충전 또는 방전 동작 수행 중 단위시간 마다 상기 배터리로부터 출력되는 배터리 전류 및 배터리 전압을 측정하는 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 배터리 전류로부터 상기 각 타겟 주파수에서 배터리 전류의 위상 및 크기를 추출하는 제1 추출부;
    상기 배터리 전압으로부터 상기 각 타겟 주파수에서 배터리 전압의 위상 및 크기를 추출하는 제2 추출부; 및
    상기 각 타겟 주파수에서의 상기 배터리 전류의 위상 및 크기와 상기 각 타겟 주파수에서의 배터리 전류의 위상 및 크기를 이용하여 상기 각 타겟 주파수 별로 상기 배터리 내부 임피던스 값을 산출하는 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 추출부는, 상기 각 타겟 주파수를 갖는 사인파 형상의 제1 기준신호와 상기 배터리 전류의 곱에서 추출된 DC 성분으로부터 획득되는 제1 DC성분과, 상기 제1 기준신호와 90도의 위상차를 갖는 제2 기준신호와 상기 배터리 전류의 곱에서 추출된 DC 성분으로부터 획득되는 제2 DC 성분을 이용하여 상기 각 타겟 주파수에서 배터리 전류의 위상 및 크기를 추출하고,
    상기 제2 추출부는, 상기 각 타겟 주파수를 갖는 사인파 형상의 제1 기준신호와 상기 배터리 전압의 곱에서 추출된 DC 성분으로부터 획득되는 제3 DC성분과, 상기 제2 기준신호와 상기 배터리 전압의 곱에서 추출된 DC 성분으로부터 획득되는 제4 DC 성분을 이용하여 상기 각 타겟 주파수에서 배터리 전압의 위상 및 크기를 추출하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 산출부는,
    상기 각 타겟 주파수에서 배터리 전압의 크기를 상기 각 타겟 주파수에서 배터리 전류의 크기로 제산하여 상기 각 타겟 주파수에서의 배터리 내부 임피던스의 크기를 산출하고,
    상기 각 타겟 주파수에서 배터리 전압의 위상에서 상기 각 타겟 주파수에서 배터리 전류의 위상을 감산함으로써 상기 각 타겟 주파수에서 배터리 내부 임피던스의 위상을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충방전 제어 장치.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 모델링부는, 상기 제2 저항과 상기 커패시터를 병렬연결하고, 상기 제1저항, 상기 병렬연결된 제2 저항과 커패시터를 개방회로전압에 직렬연결하여 상기 배터리 등가회로를 모델링하고,
    상기 제1 저항은 상기 배터리의 내부저항, 부동화(Passivation) 성분, 및 전하전송(Charge Transfer)성분을 합산한 저항이고, 상기 제2 저항은 확산(Diffusion)현상에 의한 저항이며, 상기 커패시터는 확산현상에 의한 커패시터인 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 장치.


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