KR20150040124A - 배터리 뱅크 내 배터리의 온라인 수명 모니터링 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

배터리 뱅크에서 수명이 다한 배터리를 효율적으로 식별하는 배터리 뱅크 내의 수명 모니터링 방법이 제시되는데, 일단 초기에는 배터리 뱅크가 수명이 다하였음을 나타내는 기준값이 온도임계치를 결정하고, DC/DC 컨버터로 배터리 뱅크 유닛을 소정의 전류값으로 방전하면서 배터리의 온도를 측정하여 정상동작기준값을 결정한 후 배터리 뱅크가 시스템에 전원을 공급하는 정상동작 중에 DC/DC 컨버터로 배터리를 방전하면서 개별 배터리의 온도를 측정하여 그 값이 정상동작기준값을 대비 온도임계치를 넘어서면 수명이 다한 것으로 판단한다.

Description

배터리 뱅크 내 배터리의 온라인 수명 모니터링 방법 및 장치{Method and Apparatus for on-line monitoring the life of batteries included in a battery bank}

본 발명은 배터리 뱅크 유닛의 수명을 온라인으로 모니터링하고 수명이 다한 배터리 뱅크 유닛에서 개별 배터리의 수명을 다시금 체크하여 배터리 뱅크를 효율적으로 사용하기 위한 방법과 장치에 관한 발명이다.

배터리 뱅크 유닛은 배터리 뱅크라는 규모가 큰 배터리 단위 집합체의 일부를 말한다. 하나의 배터리가 배터리 뱅크 유닛을 이룰 수도 있지만, 보통은 직병렬로 연결된 배터리 다수가 하나의 배터리 뱅크 유닛을 이룬다. 이러한 배터리 뱅크 유닛 다수가 모여 큰 규모의 배터리 뱅크를 이루게 된다.

배터리 뱅크 유닛의 집합체인 대규모의 배터리 뱅크는 IDC(인터넷 데이터 센터)나 UPS(무정전 전원장치) 등 산업전기 분야 여러 곳에서 쓰이게 된다.

배터리 제작 업체의 경우 동일 제작 롯(lot)-예를 들어 일정한 기간과 장소 - 에서 생산된 배터리를 유닛으로서 배터리 뱅크를 이루어 사용하도록 권장하지, 서로 다른 롯에서 생산된 배터리를 함께 배터리 뱅크의 일부로 구성시켜 사용하는 것을 금하고 있다. 즉, 같은 조건에서 배터리를 제작한다 하더라도 몇 달 시간 차이가 생기면 일찍 생산된 것은 후에 생산된 것에 비해 이미 수명이 짧을 수 밖에 없으므로 배터리 뱅크 전체의 수명이 일찍 생산된 배터리에 의해 결정될 수 밖에 없게 된다.

결국 배터리 뱅크의 개별 유닛의 수명이 제대로 모니터링되지 않으면 가장 취약한 배터리 뱅크 유닛의 수명 연한에 따라 배터리 뱅크 대부분의 충전지가 충분히 사용할 수 있음에도 불구하고 전체 배터리 뱅크를 폐기 및 교체할 수 밖에 없는 것이 산업계의 현실이다.

따라서, 배터리 뱅크 유닛이 개별적으로 착탈 가능하고 이들 배터리 뱅크 유닛의 수명이 제대로 모니터링될 수 있다면 배터리 뱅크를 효율적으로 사용하며 배터리 뱅크로 인한 비용도 감소시킬 수 있을 것이다. 또한, 수명에 이상이 있는 배터리 뱅크 유닛을 식별하면서 동시에 배터리 뱅크 유닛 내에서 어떤 개별 배터리가 이상이 있는지를 최종적으로 판별해 낼 수 있다면 더욱 배터리 활용 면에서 효과적일 것이다.

현재 산업계에서는 개별적으로 배터리 뱅크 유닛을 시스템에서 분리하여 독립적으로 사용가능 여부를 판단하는 정도로 수명진단을 수행하고 있다. 예를 들어 분리한 배터리 뱅크 유닛의 저항을 측정하여 원래 최초 사용개시 시점의 저항값의 150% 이내이면 경고 상태로 파악하고, 측정된 저항이 최초 사용개시 시점 저항값의 200% 이상이면 이상이 있는 배터리 뱅크 유닛을 판단하여 이를 폐기한다.

이러한 방식은 사용자로 하여금 매번 시스템에서 배터리 뱅크 유닛을 분리해야 하는 번거러움을 초래할 뿐만 아니라 시스템 동작도 정지시켜야 하는 불편함 역시 피할 수 없다. 따라서, 시스템 운전을 정지하지 않고 배터리 뱅크 유닛을 시스템으로부터 분리하지 않으면서 시스템 동작과 함께 실시간으로 온라인 상으로 개별 배터리 뱅크 유닛의 수명 정보를 모니터링 하고 배터리 뱅크 유닛 내에서 최종적으로 어떤 개별 배터리가 이상이 있는지를 판별해 내는 것이 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 대용량의 전원을 공급하는 배터리 뱅크의 수명을 효율적으로 모니터링하기 위해 배터리 뱅크 내 배터리의 수명을 개별적으로 모니터링하는 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 대용량의 전원을 공급하는 배터리 뱅크의 수명을 효율적으로 관리하기 위하여 배터리 뱅크 내 배터리 수명을 모니터링 하여 배터리 뱅크 유지에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링 장치를 제공하는데 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 배터리 수명 모니터링 방법으로서 배터리가 수명이 다하였음을 나타내는 기준값인 온도임계치를 결정하고, DC/DC 컨버터로 배터리 뱅크 유닛을 소정의 전류값으로 방전하면서 상기 배터리 뱅크 유닛에 포함된 배터리 각각의 온도를 측정하여 정상동작기준값을 결정하는 단계; N(N은 1이상의 자연수)개의 배터리 뱅크 유닛 중 하나의 배터리 뱅크 유닛을 선택하여 DC/DC 컨버터를 통해 충전 후 소정 전류값으로 방전시키면서 상기 선택된 배터리 뱅크 유닛 내의 배터리 각각의 온도를 측정하는 단계를 포함하되, 나머지 N-1개의 배터리 뱅크 유닛 중 적어도 일부는 시스템에 전원을 공급하는 정상동작을 수행하고, 및 상기 측정된 온도와 상기 정상동작기준값과의 차이가 상기 온도임계치를 넘어선 배터리를 식별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내의 배터리 수명 모니터링 방법이 제공된다.

바람직하게는 배터리 뱅크 유닛의 수명 특성값에 대한 수명 임계치를 결정하고, a) 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 하나의 배터리 뱅크 유닛을 선택하여 DC/DC 컨버터를 통해 충전 후 방전시키킬 때에 상기 선택된 배터리 뱅크 유닛의 초기 수명 특성값을 결정하는 단계; 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 각각의 초기 수명 특성값이 결정될 때까지 a)단계를 반복하고, 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛을 상기 DC/DC 컨버터를 통해 방전시키면서 수명 특성값이 상기 수명 임계치에 도달한 배터리 뱅크 유닛을 식별하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 초기 수명 특성값은 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 각각이 일정 전류 출력을 유지하며 방전되는데 있어서 소정 전압에 다다르는 시간 혹은 완전 방전까지 소요되는 시간으로 결정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 수명 임계치는 상기 초기 수명 특성값보다 작은 소정의 시간값으로 결정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 초기 수명 특성값은 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 각각이 일정 전류 출력을 유지하며 방전되는데 있어서 완전 방전되는 시점 또는 소정 전압에 이르는 시점까지 방전된 총 에너지량으로 결정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 수명 임계치는 상기 초기 수명 특성값보다 작은 소정의 총 에너지량으로 결정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 배터리 뱅크 유닛을 식별하는 단계는 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 하나의 배터리 뱅크 유닛을 구별하여 상기 DC/DC 컨버터를 통해 완전 충전 후 완전 방전시키면서 상기 구별된 배터리 뱅크 유닛이 상기 수명 임계치를 만족하는지 여부를 판단하여 식별하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 배터리 각각의 정상동작기준값은 상기 배터리에 상기 DC/DC 컨버터를 통해 소정의 전류를 흘리면서 상기 배터리 온도가 포화점에 이른 온도와 주변온도와의 차이값으로 결정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 식별된 배터리를 디스플레이하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 또 다른 과제를 해결하기 위한 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링 장치로서, N(N은 1 이상의 자연수)개의 배터리 뱅크 유닛을 포함하되 하나의 배터리 뱅크 유닛은 복수의 배터리를 포함하고, 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛에 각각 연결되면서 상기 연결된 배터리 뱅크 유닛을 각각 충전 또는 방전시키는 N개의 DC/DC 컨버터; 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 어느 하나의 배터리 뱅크 유닛이 선택되어 상기 배터리 뱅크 유닛에 연결된 DC/DC 컨버터가 상기 배터리 뱅크 유닛을 충전 후 소정의 전류값으로 방전할 때에 상기 배터리 뱅크 유닛이 포함하는 배터리 각각의 온도를 측정하여 상기 배터리 각각의 정상동작기준값 및 상기 배터리 각각이 수명이 다하였음을 판단하는 기준값인 온도임계치를 결정하는 배터리 관리 장치를 포함하되, 상기 배터리 관리 장치는 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 적어도 일부가 시스템에 전원을 공급하는 동안 다시 하나의 배터리 뱅크 유닛을 선택하여 상기 배터리 뱅크 유닛에 연결된 DC/DC 컨버터를 통해 상기 선택된 배터리 뱅크 유닛을 충전 후 소정의 전류값으로 방전하는 동안 상기 배터리 뱅크 유닛에 포함된 배터리 각각의 온도를 측정하여 상기 측정된 온도가 배터리 각각의 정상동작기준값 대비 온도임계치를 넘어서는 배터리를 식별하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 순차적으로 하나씩 선택하여 완전 충전 후 완전 방전시키면서 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛의 초기 수명 특성값을 결정하는 마스터 컨트롤러를 더 포함하되, 상기 마스터 컨트롤러는 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛의 수명 특성값에 대한 수명 임계치를 결정하고 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 상기 수명 특성값이 상기 수명 임계치에 도달한 배터리 뱅크 유닛을 식별하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 초기 수명 특성값은 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 각각이 소정의 전류값을 유지하며 방전되는데 있어서 소정 전압에 다다르는 시간으로 결정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 수명 임계치는 상기 초기 수명 특성값보다 작은 소정의 시간값인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 초기 수명 특성값은 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 각각이 소정의 전류값을 유지하며 방전되는데 있어서 완전 방전되는 시점 또는 소정 전압에 이르는 시점까지 방전된 총 에너지량을 합산하여 결정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 수명 임계치는 상기 초기 수명 특성값보다 작은 소정의 값인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 마스터 컨트롤러가 상기 수명 임계치에 도달한 배터리 뱅크 유닛을 식별하는 것은 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 하나의 배터리 뱅크 유닛을 구별하여 완전 충전 후 상기 구별된 배터리 뱅크 유닛을 상기 배터리 뱅크 유닛에 연결된 DC/DC 컨버터를 통해 완전 방전시키면서 상기 구별된 배터리 뱅크 유닛의 수명 특성값이 상기 수명 임계치를 만족하는지 여부를 판단하여 상기 배터리 뱅크 유닛을 식별하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 정상동작기준값은 상기 배터리 온도가 포화점에 이른 온도와 주변온도와의 차이값으로 결정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 식별된 배터리를 디스플레이하는 디스플레이 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링 장치는, N(N은 1 이상)개의 배터리 뱅크 유닛을 포함하되 하나의 배터리 뱅크 유닛은 복수의 배터리를 포함하고, 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 각각에 연결되는 스위치; 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛을 충전 또는 방전시키는 DC/DC 컨버터; 상기 DC/DC 컨버터가 방전하기 위해 선택된 배터리 뱅크 유닛과 상기 DC/DC 컨버터를 상기 스위치를 통해 연결하도록 하는 절환기; 및 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛을 구성하는 개별 배터리 각각의 정상동작기준값 및 상기 개별 배터리가 수명이 다하였음을 나타내는 온도임계치를 결정하고, 상기 개별 배터리 온도를 측정하여 상기 측정된 온도가 상기 각각의 정상동작기준값 대비 상기 온도임계치를 넘어서는 배터리를 식별하는 배터리 관리 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일측면에 따르면 복수의 배터리 뱅크 유닛으로 구성된 배터리 뱅크로 시스템에 안정적인 전원을 공급하면서 일부의 배터리 뱅크 유닛을 따로 제어하여 DC/DC 컨버터로 충전 및 방전 동작을 수행함으로써 개별적인 배터리 뱅크 유닛의 수명을 온라인으로 모니터링 할 수 있다. 또한, 수명이 다한 배터리 뱅크 유닛 내에서도 개별 배터리의 온도를 모니터링하여 이상이 있는 특정 배터리를 식별하여 교체 대상인 배터리를 식별하여 배터리 뱅크 전체 수명을 효율적으로 관리할 수 있다.

도 1은 배터리 뱅크 유닛을 포함하는 배터리 뱅크의 전기적 연결을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 효율적인 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링을 위한 전체 시스템도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 효율적인 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링을 위한 전체 시스템도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따라 개별 배터리 수명 모니터링을 위한 배터리의 정상동작기준값과 비정상온도임계치를 나타내는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따라 초기 수명 특성값과 수명 임계치에 대한 관계를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 승강압형 DC/DC 컨버터 회로의 일례이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 효율적인 배터리 수명 모니터링을 위한 방법을 보여주는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따라 효율적인 배터리 및 배터리 뱅크 유닛 수명 모니터링을 위한 방법을 보여주는 순서도이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함된다.

배터리 뱅크 유닛은 일단 본 발명의 일실시예를 기술하기 위한 편의 상 배터리 뱅크의 일부로서 착탈가능한 일단위 유닛을 일컫는 것으로 한다. 배터리 뱅크 유닛은 하나의 배터리일 수도 있고 다수의 배터리가 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 연결된 집합체일 수 있으나 통상적으로는 다수의 개별 배터리가 연결된 일단위 유닛을 지칭한다. 하나의 배터리 뱅크의 구성요소가 되는 각각의 배터리 뱅크 유닛은 에너지 용량이 비슷하고 출력전압도 상당한 정도로 서로 동일한 것이 바람직하다.

도 1을 참조하여 기존의 배터리 뱅크 유닛의 수명을 모니터링하는 방법은 다음과 같다.

배터리 뱅크(100)는 다수의 배터리 뱅크 유닛(101, 109)을 포함하고 있다. 배터리 뱅크(100)는 보통 전체 용량을 늘리기 위해서 다수의 배터리 뱅크 유닛을 병렬로 연결한다. 배터리 뱅크의 전압은 배터리 뱅크 유닛의 전압과 동일한 것이 일반적이다. 하지만 복수의 배터리 뱅크 유닛이 직렬로 연결되어 배터리 뱅크의 출력 전압이 승압될 수 있음은 당연하다.

배터리 뱅크 유닛 하나가 예를 들어 100V의 전압을 출력하고자 하는데 연결될 수 있는 개별 배터리(1011)의 전압이 5V이면 개별 배터리는 직렬로 20개가 연결되어야 하고, 충분한 시간동안 배터리 뱅크가 전원을 지속적으로 공급하기 위해서는 직렬로 20개가 연결된 단위인 배터리 뱅크 유닛이 병렬로 다수가 연결되어야 한다.

배터리 뱅크 유닛(101)의 수명이 다해서 교체를 위해 배터리 뱅크 유닛을 착탈하기 위해서는 보통 시스템에 전원을 공급하는 배터리 뱅크(100) 전체의 전기적 연결을 끊고 배터리 뱅크 유닛(101)을 배터리 뱅크로부터 분리한다. 다음으로 배터리 뱅크 유닛을 충전 후 자체 방전시켜 얼마 시간 동안 소정의 방전 레벨을 유지하는지를 체크한다. 그 다음 체크 결과에 따라 배터리 뱅크 유닛(101)의 수명이 어느 정도 남아있는지를 예측하고 다시 배터리 뱅크(100)에 재장착한다. 그런데, 이러한 방식으로는 실시간으로 배터리 뱅크 유닛의 수명이 어느 정도 남아 있는지 체크할 수 없고 그 결과 전체 배터리 뱅크(100)를 언제까지 사용할 수 있을지를 효율적으로 예측하기는 더더욱 어렵다. 더군다나 배터리 뱅크 유닛(101)은 다수의 개별 배터리를 포함하므로, 하나의 배터리 뱅크 유닛 내에서 어떤 개별 배터리가 수명이 다하였는지는 더더욱 파악하기 쉽지 않다.

이와 같이 배터리 뱅크를 구성하는 개별 배터리 뱅크 유닛 및 배터리 뱅크 유닛에 포함된 개별 배터리의 수명을 시스템 운영 도중 실시간으로 모니터링 할 수 없으므로 사용자는 단순히 경험적으로 수명 연한이 짧은 배터리 뱅크 유닛 혹은 배터리에 맞춰 전체 배터리 뱅크를 교체하는 경우가 비일비재하다. 배터리 뱅크에 아직도 충분히 사용 가능한 배터리 및 배터리 뱅크 유닛이 다수 있을 수 있음에도 불구하고 이러한 방식은 비용적으로 비효율적이다.

최근 배터리로 많이 사용되고 있는 리튬 이온 혹은 리튬 폴리머 배터리는 과충전, 과전류 통류 시 폭발 위험이 보고되고 있는데, 이러한 위험은 다수의 배터리를 포함하는 배터리 뱅크 유닛에 대하여 개별 배터리에 대한 수명 모니터링 및 제어가 필요한 이유를 설명해준다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 효율적인 배터리 뱅크 내의 배터리 수명 모니터링을 위한 전체 시스템도이다.

기본적으로 본 발명의 일실시예에 따르면, 배터리 뱅크가 시스템에 설치되었을 때, 별도의 배터리 뱅크 유닛의 착탈없이 개별 배터리마다 개별 배터리를 관리하는 배터리 관리 장치를 통해 배터리의 정상동작기준값 데이터를 저장한 후 비정상 동작이라고 판단될 수 있는 온도로 상승하는 경우 수명이 다한 것으로 판단하여 이를 구별해 내는 배터리 수명 모니터링 방법을 제시한다. 또한, 개별 배터리 뿐 만 아니라 배터리 뱅크 유닛마다 최대 에너지 저장능력을 검출하여 이를 데이터로 저장하고, 시간의 흐름에 따라 각 배터리 뱅크 유닛의 에너지 저장 감소 정도를 온라인으로 측정하여 사용자에게 향후 잉여 수명정도의 정보를 전달함으로써 효율적인 대용량 배터리의 운용방법도 제시한다.

도 2를 참조하면 PC(240)를 통해 사용자는 전체 시스템에 명령과 상태 모니터링이 가능하다. PC(240)를 통해 사용자의 명령(command)이 입력되면 마스터 컨트롤러(210)는 전체 시스템 동작을 제어한다. 특별히 마스터 컨트롤러(210)는 통신을 통해 하나의 배터리 뱅크 유닛(101, 103, 109)에 연결된 각각의 DC/DC 컨버터(221, 223, 229)의 전력변환 스위칭을 제어한다. 즉, 마스터 컨트롤러(210)는 DC/DC 컨버터(221, 223, 229) 에 전압 지령과 전류 지령 등의 게이트 명령 신호를 발생시킬 수 있다. 이 때 통신은 다중 멀티 드롭이 가능한 RS-485와 같은 통신 프로토콜이 적합할 것이다. RS-485외에도 멀티 드롭이 가능한 어떤 방식의 통신 프로토콜도 사용될 수 있다.

배터리 뱅크(100)는 다수의 배터리 뱅크 유닛(101, 103, 109)으로 이루어진다. 일단 설명의 편의 상 도 2의 배터리 뱅크(100)에 포함된 배터리 뱅크 유닛의 수를 11개라고 하자.

일실시예로써, 하나의 배터리 뱅크 유닛의 양단 전압이 200V라고 하면 배터리 뱅크(100)는 배터리 뱅크 유닛 각각을 병렬로 연결하였다고 가정할 때 역시나 200V 출력이 가능하다. 그런데, 본 발명의 일실시예 상 적어도 하나의 배터리 뱅크 유닛은 DC/DC 컨버터 동작에 의해 수명 모니터링 상태에 있다고 가정하기 때문에 실제로 배터리 뱅크의 출력에 기여하는 배터리 뱅크 유닛은 최대 10개가 되고 하나의 배터리 뱅크 유닛은 DC/DC 컨버터에 의해 분리 제어되어 수명 모니터링이 수행된다. 이러한 방식에 의하여 본 발명의 일실시예에 따른 시스템은 배터리 수명 모니터링을 위해 시스템을 정지할 필요없이 정상적으로 배터리 뱅크가 시스템에 전원을 공급하는 상태에서 온라인 상으로 DC/DC 컨버터를 통해 개별 배터리의 수명 모니터링이 가능하다.

배터리를 구입한 최초 시점에서 일단 마스터 컨트롤러(210)는 배터리 뱅크(100)의 배터리 뱅크 유닛 중 어느 하나 - 설명의 편의 상 101 배터리 뱅크 유닛 - 를 선택하였다고 가정하자. 마스터 컨트롤러(210)는 DC/DC 컨버터를 통해 배터리 뱅크 유닛(101)의 개별 배터리를 완전 충전 후 방전시킨다. 이 때 배터리 관리 장치(111, 121, 191)는 주변 온도 대비 배터리가 온도가 상승할 때 포화점에 오를 때까지 기다려 배터리 각각의 포화점 온도를 측정하여 정상동작기준값으로 저장한다. 이 때 개별 배터리의 정상동작기준값은 절대적인 온도를 사용할 수도 있지만, 주변온도 대비 상승폭 온도로 저장하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 환경이 바뀌어 주변온도가 변해도 정상동작기준값을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 예를 들어 배터리 뱅크 유닛(101)의 배터리 1011은 주변온도 28도 대비 30도 상승폭으로 정상동작기준값 값을 가질 수 있는데 이 때, 배터리 관리 장치(111)는 온도 센서를 통해 이러한 정상동작기준값 값을 측정한다. 또 배터리 1012는 주변온도 28도 대비 32도 상승폭으로 정상동작기준값 값을 가질 수 있는데, 이 때 배터리 관리 장치(121)는 마찬가지로 온도 센서를 통해 배터리 1012의 정상동작기준값 값을 측정한다. 배터리마다 정상동작기준값 값이 조금씩 차이가 날 수 있는데, 이는 배터리마다의 ESR(Equivalent Series Resistance)의 차이 때문이다. 즉, 같은 조건에서 정상동작기준값이 조금 큰 값을 가지는 배터리는 다른 배터리보다 ESR이 조금 더 크다는 것을 간접적으로 알 수 있다.

배터리 수명이 다하면 이 ESR이 증가하게 되는데, ESR의 증가는 배터리 충전/방전 시 배터리 온도가 비정상적으로 상승하는 결과를 초래한다. 따라서, DC/DC 컨버터(221)를 통해 배터리 뱅크 유닛(101)을 동작시켜 개별 배터리(1011, 1012, 1019)를 소정의 전류값으로 방전시켜 포화되는 온도를 배터리 관리 장치(111, 121, 191)가 모니터링한다. 만일 측정되는 온도가 배터리 초기에 측정하여 둔 정상동작기준값 대비 배터리가 수명이 다한 것으로 판단되는 소정의 온도임계치를 벗어나게 되면 배터리 수명이 다한 것으로 판단할 수 있다. 앞선 예에서 배터리 1011은 주변온도 28도 대비 30도 정상동작기준값 값을 가지는데, 만일 온도임계치는 150%가 설정되어 정상동작기준값 30도 대비 측정되는 배터리 온도가 50도라면 30도의 150%인 45도를 넘어서 해당 배터리 수명이 다한 것으로 판단된다. 배터리 관리 장치(111)는 따라서 배터리 1011의 수명이 다한 것을 마스터 컨트롤러(210)에 알려주고 마스터 컨트롤러(210)는 개별 배터리 식별번호 - 예를 들면 10번 배터리 뱅크 유닛의 1번 배터리 - 를 디스플레이하여 사용자로 하여금 정확한 교체 대상 배터리를 알려준다.

정상동작기준값을 절대온도가 아닌 주변온도(Ambient Temperature) 대비 상대온도값을 취하는 이유는 앞서 언급한 바와 같이 배터리 뱅크의 수명 모니터링을 하는 동안 배터리 뱅크 주변온도가 언제든지 변할 수 있기 때문이다. 따라서, 정상동작기준값은 주변온도 대비 차이값인 상대온도 값으로 정하는 것이 바람직하다. 또한 위 예에서 온도임계치를 150%로 설정하였는데, 온도임계치는 더 높은 값 - 예를 들어 200% - 으로 설정하여 수명 임계치에 이른 것으로 판단할 수 있다. 온도임계치는 백분율 뿐만 아니라 상대온도 값으로 설정할 수도 있다. 위 예에서 온도임계치를 예를 들어 30으로 설정하여 정상동작기준값값과 비교할 수 있다. 즉, 배터리 동작 중 측정한 온도와 정상동작기준값을 비교한 결과 그 차이값이 30이 넘는 시간이 소정의 시간동안 계속되면 해당 배터리는 수명이 다한 것으로 판단할 수 있다. 물론 온도임계치는 여러 실험과 경험 상 적정값을 사용자가 선택하는 것이 바람직하다.

이러한 주변 온도 대비 개별 배터리의 온도 차이를 통해 수명을 모니터링하기 위한 그래프가 도 4a 내지 도 4c에 도시되어 있다.

도 4a에서는 최초 배터리 사용 시 주변온도(Tamb, 410) 대비 소정시간 동안 DC/DC 컨버터를 통해 배터리를 충전 후 소정의 전류로 방전하여 배터리 온도(Tbat, 420)가 포화점(421)에 다다를 때까지 동작시키면서 정상동작기준값을 결정하는 것을 도시한다. 배터리 온도(420)가 포화점(421)에 다다르면 주변온도(410) 대비 온도차(△Tnorm, 430)를 결정한다. 본 발명의 일실시예에 의하면 이 온도차이가 해당 배터리의 정상동작기준값으로 결정된다.

도 4b에서는 본 발명의 일실시예에 따라 배터리 사용이 반복되는 경우에 있어서 시스템을 운전하면서 DC/DC 컨버터를 통해 배터리를 충전 후 소정 전류로 방전하면서 배터리 온도(Tbat)를 측정하고 이를 통해 개별 배터리의 수명 모니터링을 하는 경우의 그래프를 도시한다.

배터리의 온도는 배터리의 잦은 사용으로 인해 내부 ESR 증가로 인해 포화점에 이르는 온도(△T1)가 상승하게 된다. 현재 포화점에 이르는 온도(△T1)는 정상동작기준값(△Tnorm) 대비 온도임계치(△Tt)에 다다르지 않았다. 따라서 아직은 배터리 수명이 다하지 않은 것으로 판단할 수 있다.

도 4c에서는 본 발명의 일실시예에 따라 배터리 사용이 반복되는 경우에 있어서 시스템을 운전하면서 DC/DC 컨버터를 통해 배터리를 충전 후 소정 전류로 방전하면서 배터리 온도(Tbat)를 측정하고 이를 통해 개별 배터리의 수명 모니터링을 하는 또 다른 경우의 그래프를 도시한다. 배터리는 방전 뿐 아니라 충전 시에도 당연히 전류 흐름에 의해 내부 열이 발생하므로 소정의 전류로 방전하는 방식에 의해 온도를 측정할 수도 있지만 충전 시에도 동일한 온도 측정을 통한 수명 모니터링이 가능하다.

앞선 실시예에서와 마찬가지로 DC/DC 컨버터로 소정의 전류로 충전 또는 방전할 때 배터리 온도(Tbat)를 측정하여 수명이 다하였는지 여부를 판단한다. 온도 측정을 위해 온도센서가 사용될 것이다. 방전(혹은 충전 시) 배터리 온도(Tbat)는 일정 시간이 경과하면 주변온도 대비 포화점에 다다르게 되는데 이 때 온도(△T2)와 정상동작기준값(△Tnorm) 차이를 비교한 결과 도 4c에서는 이 차이값이 온도임계치(△Tt)를 초과하였다. 따라서 이 배터리는 수명이 다하였다고 판단하게 된다.

위 설명에서는 개별 배터리의 온도를 측정하여 배터리의 수명을 판단하는 방법을 제시하였는데, 개별 배터리의 수명을 판단하기에 앞서 개별 배터리가 속한 배터리 뱅크 유닛의 수명을 일차적으로 판단하고 그 다음 개별 배터리의 수명을 판단하는 방법을 아래에서 설명하도록 한다.

도 2로 돌아가면 일단 마스터 컨트롤러(210)는 배터리 뱅크(100)의 배터리 뱅크 유닛 중 하나- 설명의 편의 상 101 배터리 뱅크 유닛-를 선택하였다고 가정하자. 마스터 컨트롤러(210)는 DC/DC 컨버터(221)를 통해 배터리 뱅크 유닛(101)을 완전 충전 후 방전시키면서 선택된 배터리 뱅크 유닛(101)의 초기 수명 특성값을 결정한다.

초기 수명 특성값은 배터리 뱅크 유닛(101)이 일정 전류를 유지하며 방전되는데 있어서 소정 전압에 다다르는 시간으로 결정할 수 있다. 예를 들면 DC/DC 컨버터(221)를 통해 50A 전류를 유지하면서 방전할 때, 예를 들어 배터리 뱅크 유닛의 기본 출력 전압 200V이 강하하여 190V(5% 감압)로 떨어질 때까지 걸리는 시간으로 초기 수명 특성값을 설정할 수 있다.

초기 수명 특성값을 정하는 다른 일실시예로는 총 방전 에너지량을 택하는 것이다. 즉, 배터리 뱅크 유닛을 완전 충전 후 완전 방전될 때까지 시간을 측정하는 것이다. DC/DC 컨버터를 통해서 배터리 뱅크 유닛으로부터 일정값의 전류를 출력시키도록 하여 최종적으로 완전 방전될 때까지의 시간을 측정하여 이를 초기 수명 특성값으로 한다.

완전 방전은 여기서 배터리 뱅크 유닛에서 전하가 완전히 빠져나오는 것을 의미할 수도 있고, 아니면 배터리 뱅크 유닛의 출력 전압이 사용자가 정한 소정 레벨로 강하하는 것을 의미할 수도 있다. 완전 방전 시의 전압을 보통 방전종지 전압이라 한다.

마스터 컨트롤러(210)는 모든 배터리 뱅크 유닛을 순차적으로 완전 충전 및 완전 방전하는 등의 방법으로 초기 수명 특성값을 측정하여 이를 마스터 컨트롤러 내지는 시스템 내부의 메모리(도시되지 않음)에 저장하여 놓는다. 하나의 배터리 뱅크 유닛의 초기 수명 특성값을 측정할 때 다른 나머지 배터리 뱅크 유닛은 시스템에 전원을 공급하는 정상동작을 하도록 하여 시스템을 멈추지 않고 온라인으로 수명을 모니터링 할 수 있도록 한다. 따라서, 이러한 목적 상 본 발명의 일실시예 따른 배터리 뱅크 유닛은 시스템이 요구하는 배터리 뱅크 유닛 숫자보다 적어도 한 개 이상을 더 구비하여 놓는다.

수명 임계치는 해당 배터리 뱅크 유닛의 사양에 맞추어 미리 설정하여 놓는다. 예를 들어 초기 수명 특성값이 총 방전 에너지량으로서 출력 전류 50A일 때 완전 방전까지의 시간이라고 하면 수명 임계치는 초기 수명 특성값보다도 작은 값일 것이고 사용자가 선택하는 "해당 배터리 뱅크 유닛이 정상적인 동작을 수행하는 것으로 인식되는 시간"을 수명 임계치로 선택할 수 있다. 초기 수명 특성값과 수명 임계치의 설명을 위해 도 5를 참조하도록 한다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따라 초기 수명 특성값과 수명 임계치에 대한 관계를 도시한 그래프이다.

먼저 도 5a는 방전시간 대비 배터리 뱅크 유닛을 1회 충전 시 에너지 사용 가능량을 나타내는 그래프이다. 도 5a에서 Y축은 배터리 뱅크 유닛 1회 충전 시 에너지 사용 가능량(Er)을 나타낸다. X 축은 배터리 뱅크 유닛의 방전 시간이다.

501 의 경우 배터리 뱅크 유닛의 초기 상태로서 배터리 뱅크 유닛은 최대 수명을 가진 상태이고 방전까지는 T3까지 가장 긴 시간이 유지된다. 물론 이 때 방전되는 에너지는 시간당 동일해야 한다.

배터리 뱅크 유닛의 사용이 많아질수록 수명은 점점 줄어들기 시작하여 1회 충전 시 에너지 사용 가능량 Er은 최초 최대 수명(Emax)값에서 점점 수명 종료(Eend) 값으로 옮겨가고, 배터리 뱅크 유닛의 수명은 다해가면서 그래프는 501 --> 503으로 점차 옮겨간다. 방전 시간은 T3 --> T1으로 점점 짧아진다.

그래프에서 운전 시 배터리 뱅크 유닛에서 공급할 수 있는 에너지량은 원래 배터리 뱅크 유닛으로부터의 출력전압과 출력전류 및 지속시간의 곱이지만, 만일 출력전류가 일정하다면 상수로서 출력전압과 시간의 곱으로만 계산하여도 상관없다. 배터리 뱅크 유닛이 완충되면 아직 방전이 이루어지지 않은 t=0 시점에서 잔존 에너지는 최대 충전 에너지 상태(Eend ≤ Er ≤Emax)에 있다. 일정한 전류로 DC/DC 컨버터에 의해 방전이 이루어지게 되면 1회 충전 에너지 사용 가능량은 점점 줄어들게 되고 배터리 뱅크 유닛의 최초 완전 충전 후 완전 방전까지는 t=T(T1 ≤ T ≤ T3)의 시간이 걸리고 따라서 이 때 초기 수명 특성값은 T3이 된다. 설명의 편의를 위해 해당 배터리 뱅크 유닛에는 수명 특성값이 있어서, 이 수명 특성값은 이제 T3이다.

수명 특성값을 시간값이 아닌 에너지값으로 취하고자 한다면 Er, T와 원점이 이루는 삼각형의 면적(총 방전 에너지량)을 수명 특성값으로 정할 수 있다.

배터리 뱅크 유닛의 사용빈도가 높아지면 1회 충전 시 에너지 사용 가능량이 줄어들게 되고 초기 수명 특성값을 측정할 때와 동일한 조건으로 방전할 때 완전 방전되는 시점은 T3에 비해 점점 T2, T1로 작아지게 된다. 즉, 시간이 지나면 수명 특성값은 T3 -> T2 -> T1이 된다. 사용자는 특정 배터리 뱅크 유닛의 수명 특성값이 T1 이하가 되면 배터리 뱅크 유닛으로서의 수명이 한계에 달하였다고 보고 T1를 수명 임계치로 정할 수 있다. 또는 Eend, T1 및 원점이 이루는 삼각형의 면적을 수명 임계치로 정할 수 있다. 수명 특성값인 삼각형의 면적이 Eend, T1 및 원점이 이루는 삼각형 면적에 다다르게 되면 마스터 컨트롤러(210)는 배터리 뱅크 유닛의 수명이 다한 것으로 판단하게 된다.

또 다른 실시예로 초기 수명 특성값이 정해지면 수명 임계치는 이 초기 수명 특성값의 일정 비율로 정할 수 있다. 즉, 배터리 뱅크 유닛 사용 경험에 따라 초기 수명 특성값 대비 수명 특성값이 예로써 70%에 이르게 되면 배터리 뱅크 유닛의 수명이 다한 것으로 보고 수명 임계치를 결정할 수도 있다. 위의 일정 비율은 배터리 종류나 시스템 운전 조건에 따라 다르게 설정할 수도 있을 것이다.

도 5b는 시간이 경과함에 따른 배터리 뱅크 유닛의 최대 보존 에너지량을 나타내는 그래프이다. 도 5b를 참조하면 Y축은 배터리 에너지량이고 X축은 배터리 사용시간이다. 배터리 뱅크 유닛을 사용하면서 시간이 지나면 그래프는 점점 X축의 수명종료 시점으로 옮겨가게 된다. 배터리 사용시간이 점점 누적되어 값이 커지면 배터리 에너지량 - 즉, 에너지를 배터리 뱅크 유닛에 보존할 수 있는 양-은 점점 줄어들게 된다. 시간이 지나 어느 시점에서 하나의 배터리 뱅크 유닛이 수명종료 시점에 다다르면 보존할 수 있는 에너지량은 최소 에너지량이 되고 그 배터리 뱅크 유닛은 더 이상 사용하기에 부적합한 배터리 뱅크 유닛이 되므로 교체하여야 한다. 물론 앞선 실시예를 통해서 개별 배터리의 온도를 측정하는 배터리 관리 장치에 의해 그 중에서도 어느 배터리의 수명이 다했는지를 정확히 파악하여 배터리 뱅크 유닛의 다수의 배터리 중 어느 배터리가 수명이 다하였는지를 정확히 판단할 수 있어서 배터리 뱅크 유닛 전체가 아닌 수명이 다한 일부의 배터리만 교체할 수 있다.

도 5c는 배터리 뱅크 유닛이 방전 종지전압에 이르기까지의 시간 동안 충전전압의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 5c에서 Y축은 배터리 뱅크 유닛의 충전전압 값이고, X축은 방전시간이다. 방전이 진행될 수록 배터리 뱅크 유닛의 출력 전압은 기울어진 S 자 형을 보여준다. 즉, 일정 시간까지 충전전압에서 전압강하 값이 크지 않다가 일정 방전 시간이 넘어서면 급격하게 방전 종지전압에 다다르게 된다.

다시 도 2로 돌아가서 좀더 상세히 설명하도록 한다. 마스터 컨트롤러(210)는 배터리 뱅크 유닛(101, 103, 109) 전체에 대해 순차적으로 초기 수명 특성값을 측정하는 것을 완료하였으면, 주기적으로 배터리 뱅크 유닛(101, 103, 109)에 대하여 완전 충전 및 완전 방전을 수행하면서 특정 배터리 뱅크 유닛 대비 수명 특성값이 초기 수명 특성값으로부터 점점 작아져 이 값이 수명 임계치에 도달하는지를 모니터링하게 된다. 초기 수명 특성값을 측정할 때나 특정 배터리 뱅크 유닛이 수명 임계치에 도달하는지를 측정할 때나 모두 특정 배터리 뱅크 유닛은 나머지 배터리 뱅크 유닛들이 시스템에 전원을 공급하는 정상 동작을 하는 동안 이들 정상 동작을 하는 배터리 뱅크 유닛들로부터 분리되어 제어된다. 즉, 나머지 배터리 뱅크 유닛이 전원을 공급하는 정상 동작을 하고 해당 배터리 뱅크 유닛은 DC/DC 컨버터(221, 223, 229)중 어느 하나를 통해 전원(260)과 정류회로(270)를 통해 완전 충전된다.

완전 방전 역시 배터리 뱅크 유닛으로부터 DC/DC 컨버터(221, 223, 229)중 어느 하나를 통해 이루어진다. 예로써, 배터리 뱅크 유닛 모두의 초기 수명 특성값이 저장된 상태이고 이제 각 배터리 뱅크 유닛들이 수명 임계치에 도달하였는지를 측정하고자 한다. 배터리 뱅크 유닛들은 시스템에 전원을 공급하는 정상동작을 수행하고 103 배터리 뱅크 유닛의 수명 임계치 도달여부를 측정하고자 한다. 103 배터리 뱅크 유닛은 전기적으로 DC/DC 컨버터(223)에 의해 방전된다. 방전 경로는 SW(250)가 닫히고 인버터(280)와 부하(290)를 통해 방전되는 경로이다. 이는 일실시예일 뿐이며, 예를 들어 스마트 그리드 응용으로 전력계통에서 다른 전원 소스에 전원을 공급하는 방식으로 방전이 이루어질 수도 있다. 다만, 조건은 초기 수명 특성값을 측정할 때와 같이 일정한 전류값으로 방전하는 동일 조건 유지가 필요하다.

만일 103 배터리 뱅크 유닛의 수명 특성값이 초기 수명 특성값에 비해 수명 임계치에 도달하지 않았다고 판단되면 103 배터리 뱅크 유닛을 스위치를 통해 다른 배터리 뱅크 유닛에 연결시켜서 시스템 전원 공급에 기여하도록 하고 동시에 105 배터리 뱅크 유닛을 스위치 절환을 통해 시스템에 전원을 공급하는 상태에서 분리한다. 이제, DC/DC 컨버터(225)를 통해 배터리 뱅크 유닛 105는 방전 동작을 수행한다. 측정 결과 105 배터리 뱅크 유닛의 수명 특성값이 수명 임계치 이하의 값을 나타내는 것으로 측정되었다. 이제 수명이 다한 105 배터리 뱅크 유닛은 마스터 컨트롤러(210)에 의해 식별되어 디스플레이에(230)에 표시되고 사용자가 이를 인지한다. 배터리 뱅크(100)에서 105 배터리 뱅크 유닛은 수명이 거의 다한 것으로 파악되므로 사용자는 필요에 따라 105 배터리 뱅크 유닛 만을 다른 배터리 뱅크 유닛으로 교체할 수 있다.

디스플레이(230)는 사용자 인터페이스 편의에 맞추어 터치 디스플레이를 채용할 수도 있다.

위 실시예에서는 총 11개의 배터리 뱅크 유닛을 준비하여 10개는 시스템에 전원을 공급하는 정상 동작을 하는데 사용하고 1개의 배터리 뱅크 유닛은 순차적으로 돌아가면서 수명 특성값을 측정하는데 사용하는 일례를 기술하였다. 사용자의 선택에 따라서는 예를 들어 정상 동작을 위한 배터리 뱅크 유닛의 숫자보다 충분히 많은 숫자의 배터리 뱅크 유닛을 전기적으로 언제든지 절환하여 연결될 수 있도록 준비하는 것도 좋은 방법이다.

예를 들어 총 10개의 배터리 뱅크 유닛이 필요한 시스템에서 배터리 뱅크 유닛 15개를 준비해 놓는다. 15개의 배터리 뱅크 유닛 전체의 초기 수명 특성값은 앞선 설명에서와 같이 구하여 시스템의 메모리에 저장하여 놓는다. 다만, 이 중 4개의 배터리 뱅크 유닛은 사용하지 않고 언제든지 대체할 수 있도록 준비만 해 놓는다. 만일 1개의 배터리 뱅크 유닛의 수명이 다한 것으로 판단되었을 때, 마스터 컨트롤러는 스위치 절환을 통해 수명이 다한 배터리 뱅크 유닛은 전기적으로 더 이상 연결하지 않고 쓰지 않고 준비해 두었던 나머지 4개의 배터리 뱅크 유닛 중 하나를 이제 배터리 뱅크의 일 구성요소 배터리 뱅크 유닛으로 자동 편입시킨다. 운전 중 또 다른 배터리 뱅크 유닛의 수명이 다한 것으로 판단되면 사용자는 이제 남아있는 3개의 여유분 대체 배터리 뱅크 유닛 중 하나를 배터리 뱅크의 일 구성요소 배터리 뱅크 유닛으로 편입시킨다. 물론 대체 배터리 뱅크 유닛 중 하나를 배터리 뱅크의 일 구성요소 배터리 뱅크 유닛으로 편입시킬 때 자동으로 할 수도 있지만 사용자의 이벤트에 의해 편입시킬 수도 있다. 즉, 사용자가 디스플레이를 통해 수명이 다한 배터리 뱅크 유닛을 확인하고, "대체 수행" 신호를 인가하면 마스터 컨트롤러(210)는 대체 가능한 배터리 뱅크 유닛을 배터리 뱅크의 일 구성요소로 편입시킨다.

또한 도 2에서 사용된 배터리 뱅크 유닛은 서로 간 이종(異種)이어도 상관없다. 어차피 수명 특성값을 통해 수명을 실시간으로 모니터링 하기 때문에 출력 전압 및 전류 조건이 다른 배터리 뱅크 유닛과 거의 동일하다고 한다면 이종 배터리를 채용한 배터리 뱅크 유닛이어도 아무 문제가 없다. 화학적으로 다른 종류의 배터리로 이루어진 배터리 뱅크 유닛을 사용해도 문제가 없는 이유는 배터리 뱅크 유닛의 충전/방전에 직접적으로 관여하는 DC/DC 컨버터가 독자적으로 전압 및 전류를 제어할 수 있기 때문이다.

산업계에서는 대용량 납축전지 배터리 뱅크를 사용하다가 이를 리튬-이온 혹은 리튬-폴리머 배터리 뱅크로 혼용하여 사용하고 싶어도 수명이 현격히 다른 문제 등으로 인해 혼용이 금기시되어 왔다. 그러나, 본 발명의 일실시예에 따른 수명 모니터링 방법을 채용하면 화학적 성질이 서로 다른 이종 배터리를 혼용하여 배터리 뱅크를 만들어 사용하여도 상관없다. 다만, 배터리 뱅크 유닛 내에서는 되도록 동종 배터리를 사용하는 것이 권장된다. 납 축전지 뱅크에서 리튬-이온, 리튬-폴리머 배터리로 교체하면 부피가 1/4로 줄어들 수 있으므로 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 뱅크 유닛의 수명 모니터링 방식을 채용하면 배터리 뱅크 사용 호환성이 증가하고 공간 활용성도 증대시킬 수 있으며 무엇보다도 배터리 뱅크 유닛의 부분 교체가 가능하여 전체 시스템에 소용되는 비용도 줄일 수 있다.

도 2에서 사용된 DC/DC 컨버터(221, 223, 229)는 승강압형(Buck-Boost) DC/DC 컨버터를 사용한다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 승압형 DC/DC 컨버터 회로의 일례이다. 본 발명에서 채용된 DC/DC 컨버터는 정확한 전류제어를 통해서 배터리 뱅크 유닛의 정확한 방전을 제어한다.

입력 측 전압 Vi(620)은 도 2에서 SW(250)에 의해 연결되는 전원(260)과 충전부(270)에 대응된다고 할 수 있다. 상세한 DC/DC 컨버터의 동작은 본 발명이 속하는 전력전자 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 기술이므로 생략하기로 한다. 또한 앞에서 밝힌 바와 같이 도 6에 따른 DC/DC 컨버터는 가장 단순한 단상 DC/DC 컨버터의 일례이며 시스템에 따라 다양한 Buck-Boost DC/DC 컨버터를 채용할 수 있음은 물론이다.

도 3은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 효율적인 배터리 수명 모니터링을 위한 전체 시스템도이다.

도 2에서는 각각의 배터리 뱅크 유닛(101, 103, 109)마다 각각 DC/DC 컨버터(221, 223, 229)가 연결되어 있었다. 따라서, 배터리 뱅크 유닛이 11개이면 11개의 DC/DC 컨버터가 필요하였다. 도 3에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 한 대의 DC/DC 컨버터(220)를 사용하는 시스템으로 대체한다. 다만, 초기 수명 특성값을 측정하거나 수명 특성값이 수명 임계치에 도달하였는지를 측정하기 위해서 하나의 배터리 뱅크 유닛을 완전 충방전하는 동작을 수행하기 위해서는 마스터 컨트롤러(211)가 스위치 절환을 통해 해당 배터리 뱅크 유닛과 DC/DC 컨버터(220)를 연결시킨다. 예를 들어 109 배터리 뱅크 유닛의 수명 특성값이 수명 임계치에 도달하였는지를 판단하기 위해 마스터 컨트롤러(211)는 DC/DC 컨버터(220)를 배터리 뱅크 유닛과 연결시키기 위해 SW9를 닫고(close) 나머지 SW1, SW3은 개방(open)한다. 나머지 동작은 앞선 도 2에서의 동작과 동일하다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 효율적인 배터리 수명 모니터링을 위한 방법을 보여주는 순서도이다.

일단 DC/DC 컨버터로 배터리 뱅크 유닛 내의 배터리를 소정의 전류값으로 충전 후 방전하면서 상기 배터리 뱅크 유닛에 포함된 배터리 각각의 온도를 측정하여 배터리 온도가 포화점에 이른 경우 주변온도와의 차이값으로 결정되는 배터리별 정상동작기준값을 결정한다(S710).

더불어 배터리가 수명이 다하였는지를 판정하기 위하여 상기 정상동작기준값 대비 차이값 내지는 소정비율로 결정되는 온도임계치를 결정한다(S720).

시스템에 포함된 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 하나의 배터리 뱅크 유닛을 선택하여 해당 배터리 뱅크 유닛에 연결된 DC/DC 컨버터를 통해 충전 후 일정 전류값으로 방전시키면서 배터리 뱅크 유닛 내의 배터리 각각의 온도를 배터리 관리 장치를 통해 측정한다(S730). 이 때 나머지 N-1개의 배터리 뱅크 유닛 중 적어도 일부는 시스템에 전원을 공급하는 정상동작을 수행한다.

다음으로, 상기 측정된 온도와 주변온도와의 차이값이 상기 정상동작기준값 대비 상기 온도임계치를 넘어선 경우 배터리 관리 장치는 해당 배터리를 수명이 다한 것으로 식별한다(S740).

식별된 배터리는 디스플레이 장치를 통해 교체 대상으로서 디스플레이된다(S750).

도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 효율적인 배터리 뱅크 유닛 및 배터리 수명 모니터링을 위한 방법을 보여주는 순서도이다.

마스터 컨트롤러는 배터리 뱅크 유닛의 수명 임계치를 결정하고 배터리 관리 장치는 개별 배터리의 정상동작기준값 및 배터리 수명이 다했음을 판단하기 위한 온도임계치를 결정한다(S801). 앞서 이미 설명된 바 있지만, 수명 임계치는 일정 전류로 배터리 뱅크 유닛을 완전충전 후 완전 방전할 때까지의 소정의 시간 내지는 완전 충전 후 완전 방전까지의 소정의 에너지량으로 정할 수 있다. 또는 배터리 뱅크 유닛 각각이 일정 전류 출력을 유지하며 방전되는데 있어서 소정 전압에 다다르는 시간으로 정할 수도 있다.

정상동작기준값은 DC/DC 컨버터로 배터리를 방전하면서 온도가 포화점이 될 때 주변온도 대비 온도차이값으로 결정될 수 있다. 온도임계치는 배터리 수명을 판단할 수 있도록 상기 정상동작기준값 기준 차이값 내지는 정상동작기준값 대비 소정의 비율로 결정된다.

다음으로 복수의 배터리 뱅크 유닛 중 하나의 배터리 뱅크 유닛을 선택하여 DC/DC 컨버터를 통해 완전 충전 후 완전 방전시키면서 선택된 배터리 뱅크 유닛의 초기 수명 특성값을 결정한다(S803). 초기 수명 특성값은 수명 임계치와 동종이 되도록 한다. 즉, 배터리 뱅크 유닛을 완전히 충전한 후 완전 방전할 때까지의 시간 내지는 완전 충전 후 완전 방전까지의 에너지량으로 정한다.

그 다음으로 선택된 배터리 뱅크 유닛을 제외한 나머지 배터리 뱅크 유닛들 중 적어도 일부의 배터리 뱅크 유닛은 상기 선택된 뱅크 유닛의 초기 수명 특성이 결정되는 동안 시스템에 전원을 공급하는 정상 동작을 수행한다(S805).

위 S803 단계와 S805 단계는 모든 배터리 뱅크 유닛 각각의 초기 수명 특성값이 결정될 때까지 반복한다(S807).

이제 복수의 배터리 뱅크 유닛들을 순차적으로 DC/DC 컨버터로 완전 충전 후 완전 방전한다(S809). 이러한 DC/DC 컨버터의 충방전 동작을 통해 해당 배터리 뱅크 유닛의 수명 특성값이 수명 임계치에 도달하는지 여부를 판별하여 수명이 다한 배터리 뱅크 유닛을 식별한다(S811). 만일 수명 특성값이 수명 임계치보다 크면 앞선 S809 단계를 반복하면서 다음 배터리 뱅크 유닛의 수명 특성값을 측정한다.

만일 해당 배터리 뱅크 유닛의 수명 특성값이 수명 임계치보다 작거나 같다면 마스터 컨트롤러는 해당 배터리 뱅크 유닛의 수명이 다한 것으로 판별하게 되고 DC/DC 컨버터가 충전 후 방전될 때 배터리 관리 장치는 배터리의 온도를 지속적으로 측정하게 된다(S813).

배터리 온도 측정 결과 주변온도 대비 측정온도와 정상동작기준값과의 차이가 온도임계치보다 크면 배터리는 수명이 다한 것으로 판정된다(S815). 물론 배터리 온도 측정 결과 주변온도 대비 측정온도가 정상동작기준값 대비 몇 % 인지가 온도임계치와 비교될 수 있다. 이는 온도임계치를 절대적인 온도차이로 설정한 것인가 아니면 정상동작기준값 대비 %로 설정한 것이지에 따라 달라질 것이다.

이제 S811 단계와 S815 단계에서 수명이 다한 것으로 식별된 배터리 뱅크 유닛과 배터리를 각각 디스플레이한다(S817).

마지막으로 사용자의 선택에 따라 수명이 다한 배터리를 교체한다(S819).

시스템은 예비로 마련되어 있는 배터리 뱅크 유닛을 위의 수명이 다한 것으로 식별된 배터리 뱅크 유닛을 자동으로 대체하도록 한다. 배터리 뱅크 유닛의 자동 대체는 사용자가 디스플레이에 수명이 다한 것으로 식별된 배터리 뱅크 유닛을 인지한 후 사용자의 이벤트-대체 실행 명령-에 의해 동작할 수도 있다. S615 동작은 필수적인 것이 아니며 사용자나 작업 필요성에 따라 선택적으로 수행할 수 있다.

이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며, 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

210; 마스터 컨트롤러 220, 221, 223, 229; DC/DC 컨버터
230; 디스플레이 101, 103, 109; 배터리 뱅크 유닛
240; PC 250; SW
260; 전원 270; 정류회로
280; 인버터 290; 부하

Claims (19)

1. 배터리가 수명이 다하였음을 나타내는 기준값인 온도임계치를 결정하고, DC/DC 컨버터로 배터리 뱅크 유닛을 소정의 전류값으로 방전하면서 상기 배터리 뱅크 유닛에 포함된 배터리 각각의 온도를 측정하여 정상동작기준값을 결정하는 단계;
   N(N은 1이상의 자연수)개의 배터리 뱅크 유닛 중 하나의 배터리 뱅크 유닛을 선택하여 DC/DC 컨버터를 통해 충전 후 소정 전류값으로 방전시키면서 상기 선택된 배터리 뱅크 유닛 내의 배터리 각각의 온도를 측정하는 단계를 포함하되, 나머지 N-1개의 배터리 뱅크 유닛 중 적어도 일부는 시스템에 전원을 공급하는 정상동작을 수행하고, 및
   상기 측정된 온도와 상기 정상동작기준값과의 차이가 상기 온도임계치를 넘어선 배터리를 식별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내의 배터리 수명 모니터링 방법.
2. 제1항에 있어서, 배터리 뱅크 유닛의 수명 특성값에 대한 수명 임계치를 결정하고,
   a) 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 하나의 배터리 뱅크 유닛을 선택하여 DC/DC 컨버터를 통해 충전 후 방전시키킬 때에 상기 선택된 배터리 뱅크 유닛의 초기 수명 특성값을 결정하는 단계;
   상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 각각의 초기 수명 특성값이 결정될 때까지 a)단계를 반복하고,
   상기 N개의 배터리 뱅크 유닛을 상기 DC/DC 컨버터를 통해 방전시키면서 수명 특성값이 상기 수명 임계치에 도달한 배터리 뱅크 유닛을 식별하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내의 배터리 수명 모니터링 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 초기 수명 특성값은 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 각각이 일정 전류 출력을 유지하며 방전되는데 있어서 소정 전압에 다다르는 시간 혹은 완전 방전까지 소요되는 시간으로 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내의 배터리 수명 모니터링 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 수명 임계치는 상기 초기 수명 특성값보다 작은 소정의 시간값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내의 배터리 수명 모니터링 방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 초기 수명 특성값은 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 각각이 일정 전류 출력을 유지하며 방전되는데 있어서 완전 방전되는 시점 또는 소정 전압에 이르는 시점까지 방전된 총 에너지량으로 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내의 배터리 수명 모니터링 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 수명 임계치는 상기 초기 수명 특성값보다 작은 소정의 총 에너지량으로 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내의 배터리 수명 모니터링 방법.
7. 제2항에 있어서, 상기 배터리 뱅크 유닛을 식별하는 단계는
   상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 하나의 배터리 뱅크 유닛을 구별하여 상기 DC/DC 컨버터를 통해 완전 충전 후 완전 방전시키면서 상기 구별된 배터리 뱅크 유닛이 상기 수명 임계치를 만족하는지 여부를 판단하여 식별하는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내의 배터리 수명 모니터링 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 배터리 각각의 정상동작기준값은 상기 배터리에 상기 DC/DC 컨버터를 통해 소정의 전류를 흘리면서 상기 배터리 온도가 포화점에 이른 온도와 주변온도와의 차이값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내의 배터리 수명 모니터링 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 식별된 배터리를 디스플레이하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내의 배터리 수명 모니터링 방법.
10. 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링 장치로서,
    N(N은 1 이상의 자연수)개의 배터리 뱅크 유닛을 포함하되 하나의 배터리 뱅크 유닛은 복수의 배터리를 포함하고,
    상기 N개의 배터리 뱅크 유닛에 각각 연결되면서 상기 연결된 배터리 뱅크 유닛을 각각 충전 또는 방전시키는 N개의 DC/DC 컨버터;
    상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 어느 하나의 배터리 뱅크 유닛이 선택되어 상기 배터리 뱅크 유닛에 연결된 DC/DC 컨버터가 상기 배터리 뱅크 유닛을 충전 후 소정의 전류값으로 방전할 때에 상기 배터리 뱅크 유닛이 포함하는 배터리 각각의 온도를 측정하여 상기 배터리 각각의 정상동작기준값 및 상기 배터리 각각이 수명이 다하였음을 판단하는 기준값인 온도임계치를 결정하는 배터리 관리 장치를 포함하되,
    상기 배터리 관리 장치는 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 적어도 일부가 시스템에 전원을 공급하는 동안 다시 하나의 배터리 뱅크 유닛을 선택하여 상기 배터리 뱅크 유닛에 연결된 DC/DC 컨버터를 통해 상기 선택된 배터리 뱅크 유닛을 충전 후 소정의 전류값으로 방전하는 동안 상기 배터리 뱅크 유닛에 포함된 배터리 각각의 온도를 측정하여 상기 측정된 온도가 배터리 각각의 정상동작기준값 대비 온도임계치를 넘어서는 배터리를 식별하는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 순차적으로 하나씩 선택하여 완전 충전 후 완전 방전시키면서 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛의 초기 수명 특성값을 결정하는 마스터 컨트롤러를 더 포함하되,
    상기 마스터 컨트롤러는 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛의 수명 특성값에 대한 수명 임계치를 결정하고 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 상기 수명 특성값이 상기 수명 임계치에 도달한 배터리 뱅크 유닛을 식별하는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 초기 수명 특성값은 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 각각이 소정의 전류값을 유지하며 방전되는데 있어서 소정 전압에 다다르는 시간으로 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 수명 임계치는 상기 초기 수명 특성값보다 작은 소정의 시간값인 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링 장치.
14. 제11항에 있어서, 상기 초기 수명 특성값은 상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 각각이 소정의 전류값을 유지하며 방전되는데 있어서 완전 방전되는 시점 또는 소정 전압에 이르는 시점까지 방전된 총 에너지량을 합산하여 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 수명 임계치는 상기 초기 수명 특성값보다 작은 소정의 값인 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링 장치.
16. 제11항에 있어서, 상기 마스터 컨트롤러가 상기 수명 임계치에 도달한 배터리 뱅크 유닛을 식별하는 것은
    상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 중 하나의 배터리 뱅크 유닛을 구별하여 완전 충전 후 상기 구별된 배터리 뱅크 유닛을 상기 배터리 뱅크 유닛에 연결된 DC/DC 컨버터를 통해 완전 방전시키면서 상기 구별된 배터리 뱅크 유닛의 수명 특성값이 상기 수명 임계치를 만족하는지 여부를 판단하여 상기 배터리 뱅크 유닛을 식별하는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링 장치.
17. 제10항에 있어서, 상기 정상동작기준값은 상기 배터리 온도가 포화점에 이른 온도와 주변온도와의 차이값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내의 배터리 수명 모니터링 장치.
18. 제10항에 있어서, 상기 식별된 배터리를 디스플레이하는 디스플레이 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내의 배터리 수명 모니터링 장치.
19. 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링 장치에 있어서,
    N(N은 1 이상)개의 배터리 뱅크 유닛을 포함하되 하나의 배터리 뱅크 유닛은 복수의 배터리를 포함하고,
    상기 N개의 배터리 뱅크 유닛 각각에 연결되는 스위치;
    상기 N개의 배터리 뱅크 유닛을 충전 또는 방전시키는 DC/DC 컨버터;
    상기 DC/DC 컨버터가 방전하기 위해 선택된 배터리 뱅크 유닛과 상기 DC/DC 컨버터를 상기 스위치를 통해 연결하도록 하는 절환기; 및
    상기 N개의 배터리 뱅크 유닛을 구성하는 개별 배터리 각각의 정상동작기준값 및 상기 개별 배터리가 수명이 다하였음을 나타내는 온도임계치를 결정하고, 상기 개별 배터리 온도를 측정하여 상기 측정된 온도가 상기 각각의 정상동작기준값 대비 상기 온도임계치를 넘어서는 배터리를 식별하는 배터리 관리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 뱅크 내 배터리의 수명 모니터링 장치.

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