KR20170000276A - 스마트 그리드를 이용한 기지국 에너지 관리 방법 및 장치 - Google Patents

스마트 그리드를 이용한 기지국 에너지 관리 방법 및 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20170000276A
KR20170000276A KR1020150089309A KR20150089309A KR20170000276A KR 20170000276 A KR20170000276 A KR 20170000276A KR 1020150089309 A KR1020150089309 A KR 1020150089309A KR 20150089309 A KR20150089309 A KR 20150089309A KR 20170000276 A KR20170000276 A KR 20170000276A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
battery
charge
time
charging
discharging
Prior art date
Application number
KR1020150089309A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102381582B1 (ko
Inventor
오경록
원충연
허석균
신민호
김도윤
김종현
김한석
전재호
최정아
Original Assignee
삼성전자주식회사
성균관대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사, 성균관대학교산학협력단 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020150089309A priority Critical patent/KR102381582B1/ko
Publication of KR20170000276A publication Critical patent/KR20170000276A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102381582B1 publication Critical patent/KR102381582B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H02J7/042—
    • H02J7/0073—
    • H02J7/0091—
    • H02J7/047—
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
    • H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 기지국의 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 시스템은 배터리를 충전 또는 방전하는 충전부 및 전기료 순서대로 하루의 시간대를 정렬하고, 상기 정렬된 시간대 중에서 상기 전기료가 가장 싼 하나 이상의 시간대를 충전 시간으로 선택하고, 상기 정렬된 시간대 중에서 상기 전기료가 가장 비싼 하나 이상의 시간대를 방전 시간으로 선택하고, 상기 선택된 충전 시간에 상기 충전부에서 상기 배터리를 충전하도록 제어하고, 상기 선택된 방전 시간에 상기 충전부에서 상기 배터리를 방전하도록 제어하는 제어부를 포함하여, 기지국 운용 비용을 절감할 수 있다.

Description

스마트 그리드를 이용한 기지국 에너지 관리 방법 및 장치{Energy Management Method and Device for Base Station using Smart Grid}
본 발명은 스마트 그리드를 이용한 기지국 에너지 관리 방법 및 장치로서, 보다 구체적으로는 이동통신 기지국에서 백업 용도로 사용하는 배터리를 스마트 그리드의 에너지 저장 용도로 활용하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
스마트 그리드 시스템은 전력 계통망을 디지털화해 에너지 효율을 최적화하기 위한 전력 유통 시스템으로서, 전기료가 비싼 시간에 배터리를 전력원(power source)으로 사용하고 전기료가 싼 시간에 상기 배터리를 충전하는 기능을 포함한다.
스마트 그리드 기능의 사용예로는, 건물 내 에너지 저장 시스템을 이용하여 수요반응(DR, Demand Response)에 따라 전기료가 싼 시간에 미리 에너지를 저장했다가, 전기료가 비싼 시간에 저장된 에너지를 활용하는 제어 시스템을 예로 들 수 있다.
아래 문헌들은 스마트 그리드 기능을 이용하여 전기료를 절감하는 제어 기술에 대한 내용을 포함한다.
KR, 10-2013-0092430, 전력 컨트롤 장치 및 전력 컨트롤 방법, 구보타 에이이치로 (소니)
KR, 10-2013-0094925, 에너지관리시스템의 에너지 제어 방법, 이정인 (한국전자통신연구원)
상기 문헌들은 배터리 사용 시 전기료만을 고려한 충전(charging)/방전(discharging)이나, 또는 신재생 에너지를 사용할 수 있는 분산 전원 환경에서 어떤 에너지원을 사용할 것인지에 대한 내용을 포함하고 있다.
기지국이 포함하는 에너지 저장 시스템은 기지국 전원을 사용할 수 없는 특수한 상황에서의 백업용으로만 사용되며 스마트 그리드 기능은 고려하지 않고 있다. 본 발명은 기지국 운영 환경(기지국 소모 전력 패턴)을 고려하여 스마트 그리드 기능을 적용하는 방법을 제시한다.
본 발명은 또한 배터리 수명에 관련된 배터리 특성들을 고려한 충/방전 제어방법을 제시한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 기지국의 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 방법은, 전기료 순서대로 하루의 시간대를 정렬하는 단계, 상기 정렬된 시간대 중에서 상기 전기료가 가장 싼 하나 이상의 시간대를 충전 시간으로 선택하는 단계, 상기 정렬된 시간대 중에서 상기 전기료가 가장 비싼 하나 이상의 시간대를 방전 시간으로 선택하는 단계, 및 상기 선택된 충전 시간에 상기 배터리를 충전하고, 상기 선택된 방전 시간에 상기 배터리를 방전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 기지국의 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 시스템은, 배터리를 충전 또는 방전하는 충전부, 및 전기료 순서대로 하루의 시간대를 정렬하고, 상기 정렬된 시간대 중에서 상기 전기료가 가장 싼 하나 이상의 시간대를 충전 시간으로 선택하고, 상기 정렬된 시간대 중에서 상기 전기료가 가장 비싼 하나 이상의 시간대를 방전 시간으로 선택하고, 상기 선택된 충전 시간에 상기 충전부에서 상기 배터리를 충전하도록 제어하고, 상기 선택된 방전 시간에 상기 충전부에서 상기 배터리를 방전하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
기지국의 운용 비용을 절감하며, 기지국 배터리의 수명을 연장시킬 수 있다. 사용자의 요구에 따라 3가지의 서로 다른 운영 방식을 제공하여 최적의 기지국 에너지 저장 시스템 운영이 가능하다.
도 1은 기지국의 에너지 관리 시스템을 도시한 것이다.
도 2a, 2b, 2c, 2d는 전기료 우선 모드에 따라 시스템을 제어하는 방법을 나타낸다.
도 3a, 3b, 3c, 3d는 배터리 수명 우선 모드에 따라 시스템을 제어하는 방법을 나타낸다.
도 4a, 4b, 4c, 4d는 총 비용 최적화 모드에 따라 시스템을 제어하는 방법을 나타낸다.
도 5는 충전 시간 및 방전 시간을 선정하는 절차를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 알고리즘을 적용한 경우의 배터리 수명, 년간 전기료 및 총 비용을 각각 비교한 그래프이다.
도 7은 하루 중 시간대 별로 소모 전력, 전기료, 온도 및 충전/방전 여부를 표시한 그래프이다.
도 8은 기지국의 배터리에 대한 스마트 그리드 기능의 수행 절차를 도시한다.
본 명세서 및 청구범위에 있어서 "포함하는"은 다른 요소들 또는 동작들을 배제한다는 의미가 아니다. 본 명세서 및 청구범위에 있어서 단수 명사는 달리 특별히 언급되지 않는다면 복수 명사를 포함할 수 있다. 예컨대 "배터리"는 하나의 배터리를 가리킬 수도 있고 2 이상의 배터리를 포함할 수도 있다. 또한 "시간대"는 하나의 시간대를 가리킬 수도 있고 2 이상의 시간대를 포함할 수도 있다. 본 명세서 및 청구범위에 있어서 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서 및 청구범위에 있어서 "제1, 제2, 제3"는 유사한 요소들을 구별하기 위해 사용되었으며, 반드시 순차적 또는 연대순으로 기술하기 위해 사용된 것은 아니다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 간략화되거나 생략된다. 여기서 본 발명의 특징이 상술한 예시들로 한정되는 것은 아니며, 이하에서 설명하는 각 구성들의 형태 변경이나, 추가적인 기능들까지도 포함할 수 있다. 도면들에서, 일부 요소들의 크기는 예시를 위해 확대될 수 있으며, 크기에 비례하여 도시한 것이 아니다.
본 발명은 기지국 운영 환경에 특화시켜서 기지국의 에너지 저장 장치를 스마트 그리도 용도로 제어하는 방법을 제시한다. 또한 에너지 저장 장치로 사용되는 배터리(예를 들어 리튬 배터리)의 수명 연장을 위한 제어 방법을 제시한다.
본 발명은 이를 위해 3가지 다른 방식의 충/방전 제어 방식을 제안한다. 각각의 충/방전 제어 방식의 목적은 기지국의 전기료 비용을 최소로 하거나, 배터리 수명을 최대로 하거나, 또는 배터리 수명에 따른 비용과 전기료 모두를 고려한 비용을 최소화하는 것이다.
본 발명은 기지국의 정상적인 동작에 제약을 주지 않도록 배터리의 충/방전 제어를 하며, 추가적으로 저온에서의 배터리의 열화, 파손을 방지하기 위해 자체적으로 배터리 온도를 상승시키는 제어 기법을 활용하여 최한시(전기료가 저렴한 시간)에 미리 배터리 온도를 상승시키는 것을 제안한다. 이러한 방법들을 통해 기지국의 총 소유비용(TCO,Total Cost of Ownership)을 줄일 수 있다.
도 1은 기지국의 에너지 관리 시스템을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 기지국의 에너지 관리 시스템(100)은 충전부(110), 배터리부(120), 센싱부(130), 부하(load, 140) 및 제어부(150)의 구성을 포함할 수 있다.
충전부(110)는 AC/DC 정류기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 충전부(110)는 상용전원(예를 들어 220V AC)(160)을 공급받아 배터리부(120)를 충전하거나 부하(140)에 전력을 공급할 수 있다. 충전부(110)는 충방전부로 호칭될 수 있다.
배터리부(120)는 온도에 의한 영향이 큰 리튬 배터리를 포함할 수 있다. 리튬 배터리는 리튬 이온(Li-ion), 리튬 폴리머(Li-po) 또는 리튬 인산철(Li-Fe4) 배터리를 포함할 수 있다. 배터리부가 리튬 배터리만 포함하는 것은 아니며, 납(Pb) 배터리 등의 다른 배터리도 포함할 수 있다. 배터리부(120)는 전기요금 피크시간에 기지국에는 에너지를 공급하고 전기 요금이 저렴한 심야시간에는 에너지를 저장할 수 있다.
센싱부(130)는 BMS(Battery Management System)으로 호칭될 수 있다. 센싱부(130)는 배터리 SOC(State of charge), 충/방전 전류, 배터리 셀 및 외부 온도 등을 센싱하고, 센싱 결과를 다른 부에 전달할 수 있다.
부하(140)는 기지국(base station)을 포함할 수 있다. 상기 기지국은 단말과의 이동 통신을 수행하기 위해 필요한 장치들을 포함한다. 상기 기지국은 RNS(Radio Network Subsystem), BTS(Base Transceiver Station), wireless access point, nodeB 또는 eNodeB(evolved NodeB) 등으로 호칭될 수 있다.
제어부(150)는 LSM(LTE system manager)를 포함할 수 있다. 제어부(150)는 센싱부(130)로부터 수신한 정보와 시간대 별 전기요금에 기초하여 충전부(110)의 출력 전류를 제어할 수 있다.
도 1에서 기지국의 에너지 관리 시스템(100)이 충전부(110), 배터리부(120), 센싱부(130), 부하(load, 140) 및 제어부(150)가 별도의 블록으로 구성되고, 각 블록이 상이한 기능을 수행하는 것으로 기술하였지만 이는 기술상의 편의를 위한 것일 뿐, 반드시 이와 같이 각 기능이 구분되어지는 것은 아니다.
제어부(150)는 전기료를 고려하는 충/방전 시기 제어부, 온도/DOD(Depth of Discharge)/C-rate(rate of charge or discharge)를 고려하는 충/방전 제어부, Idle 상태 제어부를 포함할 수 있다. 제어부(150)는 부하(140) 내부에 위치할 수도 있으며 별도의 외부 컨트롤러(서버)에 해당할 수도 있다. 제어부(150)는, 사용자의 선택에 따라, 전기료 우선 모드, 배터리 수명 우선 모드 및 총 비용 최적화 모드로 구분하여 충전부(110)의 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 이동통신 기지국의 에너지 저장 시스템 및 이를 관리하는 제어 시스템은, 상용 전원의 공급이 불가능한 상황에서 보조 전원(백업용)으로 동작하도록 설정되어 있다. 상기 세가지 모드는 기지국 시스템을 스마트 그리드 용도로 활용하기 위한 충전 및 방전 제어 방식으로 활용될 수 있다.
도 2a, 2b, 2c, 2d는 전기료 우선 모드에 따라 시스템을 제어하는 방법을 나타낸다.
전기료 우선 모드에서는 전기료를 최소화하는 것을 고려하여 배터리의 충전 및 방전을 제어한다. 기지국의 경우, 실시간 전기료와 기지국 소모전력을 곱하여 기지국의 총 전기료를 계산한 후, 배터리 용량이 허용하는 범위 내에서 전기료가 비싼 시간에 배터리를 방전하고 전기료가 싼 시간에 배터리를 충전하는 방식이 사용될 수 있다.
도 2a을 참조하면, 우선 배터리의 C-rate가 최대값으로 선정되고(203), 배터리의 DOD가 최대값(예를 들어 100%)으로 선정된다(206). 상기 선정된 DOD에 대응되는 배터리의 예상수명이 미리 정해진 기간(예를 들어 최소한의 배터리 사용 기간인 5년)보다 작은지 여부가 판단된다(209). 상기 선정된 DOD에 대응되는 배터리의 예상 수명이 상기 미리 정해진 기간보다 작지 않은 경우, DOD를 일정값(예를 들어 1%)만큼 감소시키고(212), 감소된 DOD에 대응되는 배터리의 예상 수명이 상기 미리 정해진 기간보다 작은지 다시 판단한다. DOD에 대응되는 배터리의 예상 수명이 상기 미리 정해진 기간보다 작은 경우, C-rate에 따라 가능한 하루 동안의 충/방전 횟수(예를 들어 하루에 3회)를 선정하고(215), 전기료가 최소가 되도록 배터리의 충/방전 시간(예를 들어 01:00~02:00, 02:00~03:00 및 06:00~07:00)을 선정한다(218).
상기 선정된 배터리 충/방전 시간 외의 시간에는 배터리의 수명연장을 위하여 Idle State의 제어 방식이 적용된다(221). 도 2b에 도시한 바와 같이, Idle state에서는 우선 배터리의 온도가 특정 온도(예를 들어 15도) 미만인지 체크된다(224). 배터리의 온도가 상기 특정 온도 미만일 경우 배터리의 SOC가 특정 값(예를 들어 90%)을 초과하는지 체크된다(227). 배터리의 SOC가 90%초과일 경우 배터리가 방전된다(230). 배터리의 SOC가 특정 값 이하일 경우 배터리 온도가 특정 온도를 초과하는지 판단된다(233). 배터리의 온도가 특정 온도 이하일 경우에는 방전이 수행되고, 배터리의 온도가 특정 온도를 초과할 때는 충전이 수행된다. 224 단계에서 배터리의 온도가 상기 특정 온도 이상인 경우에도 배터리의 SOC에 따라 충전 또는 방전이 수행될 수 있다.
도 2c에 충전 시간으로 선정된 시간의 동작들이 도시되었다. 우선 배터리의 C-rate가 최대값으로 선정되고, 선정된 C-rate에 따라 전압/전류가 계산되어 정류기에 지령(command)된다. 배터리 SOC가 100%인 배터리 완충 상태에서는 배터리 Idle State를 적용(전류 지령값이 0A)하여 배터리의 과충전을 방지한다(236).
도 2d에 방전 시간으로 선정된 시간의 동작들이 도시되었다. 0A의 값을 갖는 전류 지령값이 정류기에 전달된다. 정해진 SOC의 범위(예를 들어 100%-DOD와 같거나 작은 값)에서만 방전이 수행된다(배터리 전류(I_BAT) 및 부하 전류(I_LOAD)를 0A로 지령). 정해진 SOC의 범위가 아닌 경우 Idle State의 제어 방식이 적용될 수 있다.
도 3a, 3b, 3c, 3d는 배터리 수명 우선 모드에 따라 시스템을 제어하는 방법을 나타낸다.
배터리 수명 우선 모드에서는 배터리 예상 수명을 최대화하는 것을 고려하여 배터리의 충전/방전을 제어한다. 예를 들어 배터리의 온도, DOD 및 C-rate을 고려할 수 있다.
- 온도에 따른 충/방전 제어
배터리 수명을 고려하여 특정 온도(예를 들어 섭씨 온도 10도) 이하에서는 충전을 하지 않도록 제어할 수 있다. 또한 배터리 자체 온도를 올릴 수 있는 충/방전 방식(예를 들어 쉘로우 충/방전)을 사용할 수 있다. 쉘로우 충/방전이란 배터리의 충전과 방전을 짧은 주기로 반복하여 배터리의 자체 온도를 상승시키면서도 배터리의 DOD는 매우 작게 사용하여, 외부 에너지를 사용하는 히터의 사용률을 낮추고 배터리의 성능에는 영향을 주지 않는 충/방전 기법이다. 쉘로우 충/방전을 이용하여 최한시에 배터리의 온도를 미리 올려놓도록 제어할 수 있다.
- DOD 조정
사용자가 사용하고자 하는 수명을 정하면, 해당 조건을 만족시키는 최대의 DOD로 배터리를 사용하도록 제어할 수 있다. DOD가 낮을 수록 배터리 수명은 길어지고 DOD가 높을 수록 수명이 줄어든다.
- C-rate 조정
배터리 수명을 만족하는 범위 내에서 최소의 C-rate로 배터리 충전을 제어할 수 있다. C-rate에 기초하여 하루 충/방전 횟수가 선정되며, 선정된 C-rate로는 정해진 시간 동안에 충전 용량을 만족시키지 못할 경우에 C-rate을 상승시킬 수 있다.
도 3a을 참조하면, 우선 사용자가 원하는 배터리의 수명기간(예를 들어 20년)이 입력되고(303), 배터리의 C-rate 초기값이 최소값(예를 들어 0.1)으로 선정되고(306), 상기 입력된 수명기간에 대응하는 DOD가 선정된다(309). 이후, 상기 선정된 DOD에 대응되는 배터리의 예상수명이 303 단계에서 입력된 수명 기간보다 작은지 여부가 판단된다(312). 상기 선정된 DOD에 대응되는 배터리의 예상 수명이 303 단계에서 선정된 수명 기간보다 작지 않은 경우 DOD를 일정값(예를 들어 1%)만큼 감소시키고(315), 감소된 DOD에 대응되는 배터리의 예상 수명이 303 단계에서 선정된 수명 기간보다 작은지 다시 판단된다. DOD에 대응되는 배터리의 예상 수명이 303 단계에서 선정된 수명 기간보다 작은 경우, 하루 한번 충/방전하는 조건하에서 배터리의 수명이 최적이 되도록 배터리의 충/방전 시간이 선정된다(318).
상기 선정된 배터리 충/방전 시간 외의 시간에는 배터리의 수명연장을 위하여 Idle State의 제어 방식이 적용된다(321). 도 3b에 도시한 바와 같이, Idle state에서는 우선 배터리의 온도가 제1 특정 온도(예를 들어 15도) 미만인지 체크된다(324). 배터리의 온도가 제1 특정 온도 미만일 경우 배터리의 SOC가 특정 값(예를 들어 90%)을 초과하는지 체크된다(327). 배터리의 SOC가 90%초과일 경우 배터리가 방전된다(330). 배터리의 SOC가 특정 값 이하일 경우 배터리 온도가 제2 특정 온도(예를 들어 10도)를 초과하는지 판단된다(333). 배터리의 온도가 제2 특정 온도 이하일 경우에는 방전이 수행되고, 배터리의 온도가 제2 특정 온도를 초과할 때는 충전이 수행된다. 324 단계에서 배터리의 온도가 제1 특정 온도 이상인 경우에도 배터리의 SOC에 따라 충전 또는 방전이 수행될 수 있다.
도 3c에 충전 시간으로 선정된 시간의 동작들이 도시되었다. 우선 배터리 충전 시에는 온도 범위에 따라 충전 가능여부를 결정한다(336). 즉, 배터리 온도가 특정 온도 이하일 경우 충전을 수행하지 않는다. 배터리 온도가 특정 온도를 초과하는 것으로 판단되면 배터리 수명을 고려하여 최적의 C-rate가 선정되고, 선정된 C-rate에 따라 전압/전류를 계산하여 정류기에 지령(command)한다. 배터리 SOC가 100%인 배터리 완충 상태에서는 배터리 Idle State를 적용(전류 지령값이 0A)하여 배터리의 과충전을 방지한다(339).
도 3d에 방전 시간으로 선정된 시간의 동작들이 도시되었다. 정해진 SOC의 범위(예를 들어 100%-DOD와 같거나 작은 값)에서만 방전이 수행된다(배터리 전류(I_BAT) 및 부하 전류(I_LOAD)를 0A로 지령). 정해진 SOC의 범위가 아닌 경우 Idle State의 제어 방식이 적용될 수 있다.
도 4a, 4b, 4c, 4d는 총 비용 최적화 모드에 따라 시스템을 제어하는 방법을 나타낸다.
총 비용 최적화 모드에서는 기지국이 사용하는 전기료와 배터리 감가상각 비용을 모두 고려하여 비용을 최소화 하도록 배터리의 충전/방전을 제어한다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 우선 배터리의 C-rate 초기값이 최소값(예를 들어 0.1)으로 선정되고(403), 배터리의 예상 수명(예를 들어 10년)에 대응하는 DOD가 선정된다(406). 상기 선정된 DOD에 대응되는 배터리의 예상수명이 미리 정해진 기간(예를 들어 10년)보다 작은지 여부를 판단한다(409). 상기 선정된 DOD에 대응되는 배터리의 예상 수명이 상기 미리 정해진 기간보다 작지 않은 경우 DOD를 일정값(예를 들어 1%)만큼 감소시키고(412), 감소된 DOD에 대응되는 배터리의 예상 수명이 상기 미리 정해진 기간보다 작은지 다시 판단한다. DOD에 대응되는 배터리의 예상 수명이 403 단계에서 선정된 수명 기간보다 작은 경우, 하루 한번 충/방전하는 조건하에서 전기료와 배터리 열화 비용를 포함하는 총 비용이 최소값이 되는 배터리의 충/방전 시간이 선정된다(415).
상기 선정된 배터리 충/방전 시간 외의 시간에는 배터리의 수명연장을 위하여 Idle State의 제어 방식이 적용된다(418). 도 4b에 도시한 바와 같이, Idle state에서는 우선 배터리의 온도가 제1 특정 온도(예를 들어 15도) 미만인지 체크된다(421). 배터리의 온도가 제1 특정 온도 미만일 경우 배터리의 SOC가 특정 값(예를 들어 90%)을 초과하는지 체크된다(424). 배터리의 SOC가 90%초과일 경우 배터리가 방전된다(427). 배터리의 SOC가 특정 값 이하일 경우 배터리 온도가 제2 특정 온도(예를 들어 10도)를 초과하는지 판단된다(430). 배터리의 온도가 제2 특정 온도 이하일 경우에는 방전이 수행되고, 배터리의 온도가 제2 특정 온도를 초과할 때는 충전이 수행된다. 324 단계에서 배터리의 온도가 제1 특정 온도 이상인 경우에도 배터리의 SOC에 따라 충전 또는 방전이 수행될 수 있다.
도 4c에 충전 시간으로 선정된 시간의 동작들이 도시되었다. 우선 배터리 충전 시에는 온도 범위에 따라 충전 가능여부를 결정한다(433). 즉, 배터리 온도가 특정 온도(예를 들어 10도) 이하일 경우 충전을 수행하지 않는다. 배터리 온도가 특정 온도를 초과하는 것으로 판단되면 배터리 수명을 고려하여 최적의 C-rate가 선정되고, 선정된 C-rate에 따라 전압/전류를 계산하여 정류기에 지령(command)한다. 배터리 SOC가 100%인 배터리 완충 상태에서는 배터리 Idle State를 적용(전류 지령값이 0A)하여 배터리의 과충전을 방지한다(436).
도 4d에 방전 시간으로 선정된 시간의 동작들이 도시되었다. 정해진 SOC의 범위(예를 들어 100%-DOD와 같거나 작은 값)에서만 방전이 수행된다(배터리 전류(I_BAT) 및 부하 전류(I_LOAD)를 0A로 지령). 정해진 SOC의 범위가 아닌 경우 Idle State의 제어 방식이 적용될 수 있다.
도 5는 충전 시간 및 방전 시간을 선정하는 절차를 나타낸다.
시간대 별 전기료가 가장 비싼 하나 이상의 시간대를 방전 시간으로 선정한다(510). 현재까지 선정된 방전 시간의 방전량을 합산한다(520). 배터리 용량에 기초하여 방전이 추가로 가능한지 확인한다(530). 방전이 추가로 가능한 경우 시간대 별 전기료가 다음으로 비싼 시간대을 방전 시간으로 추가 선정한다.
방전이 추가로 가능하지 않으면, 설정된 C-rate에 기초하여 1시간에 충전이 가능한 양을 선정한다(540). 시간대 별 전기료가 가장 싼 하나 이상의 시간대를 충전 시간으로 선정한다(550). 현재까지 선정된 충전 시간의 충전량을 합산한다(560). 합산된 충전량이 합산된 방전량보다 작은지 판단한다(570). 합산된 총 충전량이 총 방전량보다 작은 경우 충전 시간을 추가로 선정한다. 합산된 총 충전량이 총 방전량보다 크거나 같은 경우 선정된 충전 시간 및 방전 시간을 저장한다(580).
도 5에서는 총 방전량을 총 충전량보다 먼저 계산하였으나, 총 방전량을 총 충전량보다 늦게 또는 동시에 계산하는 것으로도 구현 가능하다.
표 1은 본 발명의 알고리즘을 적용한 경우의 배터리 수명 및 비용을 나타낸다.
모드 예상 수명
(년)		 년간 전기료
($)		 년간 절감 전기료
($)		 년간 총 비용
($)
총 비용 최적화 10.64 277.9 43.93 300.23
배터리 수명 우선 19.64 299.7 22.12 313.45
전기료 우선 5.15 273.0 81.01 317.09
표 1의 결과를 구하기 위해, 일본 도쿄의 특정 날짜의 시간별 온도(사계절 구분) 및 실시간 전기료를 적용하였으며, 최대 기지국 소모전력은 149W, 배터리 용량이 384W인 리튬 배터리를 사용하고, 설정 DOD는 90%인 것을 조건으로 계산하였다.
도 6은 본 발명의 알고리즘을 적용한 경우의 배터리 수명, 년간 전기료 및 총 비용을 각각 비교한 그래프이다.
도 6은 표 1과 동일한 조건 및 결과를 나타낸다. 총 비용 최적화 모드의 경우 예상 수명이 10년 정도이며, 10년 간의 총 비용이 세가지 모드 중에서 가장 저렴하게 나오는 것을 알 수 있다. 배터리 수명 우선 모드의 경우 세가지 모드 중에서 배터리 예상 수명이 가장 크게 나오는 것을 알 수 있다. 전기료 우선 모드의 경우 세가지 모드 중에서 년간 전기료 절감이 가장 높은 것을 알 수 있다.
도 7은 하루 중 시간대 별로 소모 전력, 전기료, 온도 및 충전/방전 여부를 표시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 전기요금이 낮은 02:00~04:00에는 세가지 모드 모두 충전을 수행하고, 전기 요금이 비싼 12:00~13:00에는 세가지 모드 모두 방전을 수행하였음을 알 수 있다.
표 2는 총 비용 최적화 모드의 알고리즘 적용 여부에 따른 임피던스 및 예상 수명의 차이를 나타낸다.
알고리즘 적용 배터리 알고리즘 미적용 배터리
초기 임피던스 121.64 mΩ 122.09 mΩ
실험 후 임피던스 131.64 mΩ 200.69 mΩ
예상 수명 7.93 년 0.98 년
표 2의 결과를 얻기 위해 -10도로 3시간, 15도로 2시간 유지하는 것을 2주간 계속 반복하여 충/방전 실험을 진행하였으며, 기지국 소모전력은 300W이고, 700W급 리튬 배터리를 사용하였다.
배터리의 실험 전 임피던스와 실험 후의 임피던스를 측정하여 변화량을 바탕으로 예상 수명을 산출하였으며 알고리즘 적용과 미적용 시 예상 수명이 8배 정도 차이나는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 기지국의 배터리에 대한 스마트 그리드 기능의 수행 절차를 도시한다.
LSM는 배터리의 충방전률(C-rate) 및 상기 배터리의 예상(expected) 수명을 결정할 수 있다(810). LSM은 도 1의 제어부(150)에 해당할 수 있다. 도 1에는 도시하지 않았지만 도 1의 시스템은 사용자의 입력을 감지할 수 있는 입력부를 더 포함할 수 있다. 사용자는 상기 입력부를 통해 전기료 우선 모드, 배터리 수명 우선 모드 또는 총 비용 최적화 모드를 선택할 수 있다. 전기료 우선 모드에서는 충방전률이 최대값으로 결정되며, 상기 결정된 예상 수명은 DOD에 대응되는 예상 수명과 비교된다. 배터리 수명 우선 모드에서는 사용자의 입력에 기초하여 상기 예상 수명이 결정된다. 총 비용 최적화 모드에서는 사용자의 입력에 기초하여 상기 충방전률 및 예상 수명이 결정된다. 사용자의 입력에 기초하지 않고 충방전률 또는 예상 수명을 결정하는 경우 미리 정해진 값으로 결정될 수 있다. 상기 시스템은 상기 모드 중 어느 하나 또는 상기 모드 중 어느 하나를 일부 변경한 모드에 의해 스마트 그리드 기능을 사용할 수도 있으며, 이 경우 모드 선택은 요하지 않을 수 있다.
LSM는 전기료 순서대로 하루의 시간대를 정렬할 수 있다(820). 여기서 시간대는 한시간 단위인 것을 예로 들고 있으나, 반드시 이에 해당하는 것은 아니고, 다른 시간 단위(예를 들어 20분 단위)에 해당할 수 있다. 820 단계는 810 단계보다 먼저 또는 동시에 수행될 수도 있다.
LSM는 상기 정렬된 시간대 중에서 상기 전기료가 가장 싼 하나 이상의 시간대를 충전 시간으로 선택하고, 상기 정렬된 시간대 중에서 상기 전기료가 가장 비싼 하나 이상의 시간대를 방전 시간으로 선택할 수 있다(830). 도 7의 경우를 예로 들면, 전기 요금이 가장 낮은 02:00~03:00 및 03:00~04:00 시간대가 충전 시간대로 선택되고, 전기 요금이 가장 높은 12:00~13:00 시간대가 방전 시간대로 선택되었다. 도 2a, 3a, 4a에 나타난 바와 같이, 충전 시간 및 방전 시간은 상기 결정된 충방전률 및 예상 수명에 기초하여 선택될 수 있다. 충전 시간의 선택 및 방전 시간의 선택은 동시에 수행될 수도 있고, 어느 한쪽이 먼저 수행될 수도 있다. AC/DC 정류기는, LSM의 제어에 따라, 상기 선택된 충전 시간에 상기 배터리를 충전하고, 상기 선택된 방전 시간에 상기 배터리를 방전한다. 상기 배터리의 충전 및 상기 배터리의 방전은 BMS(Battery Management System)의 충/방전 전류를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 LSM은, 현재 시간이 충전 시간인지 여부에 관계없이, 배터리의 온도가 미리 정해진 제1온도(예를 들어 10도) 이하이면 상기 배터리를 충전하지 않도록 AC/DC 정류기를 제어할 수 있다. 이에 따라 상기 배터리의 손상을 막을 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 LSM은, 현재 시간이 충전 시간 또는 방전 시간인지 여부에 관계없이, 배터리의 온도가 미리 정해진 제2온도(예를 들어 15도) 이하이면 상기 배터리의 충전과 방전을 짧은 주기로 반복(쉘로우 충/방전)하도록 AC/DC 정류기를 제어할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 LSM은, 현재 시간의 전기료가 미리 정해진 요금보다 낮으면 상기 배터리의 충전과 방전을 짧은 주기로 반복(쉘로우 충/방전)하도록 AC/DC 정류기를 제어할 수 있다.
발전소로부터 전기공급이 중단되거나 장애가 발생해도 전기를 안정적으로 사용할 수 있도록 해주는 장치를 UPS(uninterruptible power supply)라 한다. 도 1의 시스템은 UPS 기능을 탑재할 수 있다. 즉, 기지국에 대한 외부 전원의 공급이 중단되면, 상기 배터리를 통하여 상기 기지국에 전원을 공급할 수 있다.

Claims (20)

  1. 기지국의 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 방법에 있어서,
    전기료 순서대로 하루의 시간대를 정렬하는 단계;
    상기 정렬된 시간대 중에서 상기 전기료가 가장 싼 하나 이상의 시간대를 충전 시간으로 선택하는 단계;
    상기 정렬된 시간대 중에서 상기 전기료가 가장 비싼 하나 이상의 시간대를 방전 시간으로 선택하는 단계;
    상기 선택된 충전 시간에 상기 배터리를 충전하고, 상기 선택된 방전 시간에 상기 배터리를 방전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배터리의 충방전률(C-rate) 및 상기 배터리의 예상(expected) 수명을 결정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 충전 시간 및 상기 방전 시간은 상기 결정된 충방전률 및 예상 수명에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 배터리의 충방전률이 최대값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 예상 수명이 사용자의 입력에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 배터리의 충방전률 및 상기 예상 수명이 사용자의 입력에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 배터리의 온도가 미리 정해진 제1온도 이하이면 상기 배터리를 충전하지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 배터리의 온도가 미리 정해진 제2온도 이하이면 상기 배터리의 충전과 방전을 짧은 주기로 반복하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전기료가 미리 정해진 요금보다 낮은 시간대이면 배터리의 충전과 방전을 짧은 주기로 반복하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 배터리의 충전 및 상기 배터리의 방전은 BMS(Battery Management System)의 충/방전 전류를 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기지국에 대한 외부 전원의 공급이 중단되면, 상기 배터리를 통하여 상기 기지국에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 방법.
  11. 기지국의 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 시스템에 있어서,
    배터리를 충전 또는 방전하는 충전부; 및
    전기료 순서대로 하루의 시간대를 정렬하고, 상기 정렬된 시간대 중에서 상기 전기료가 가장 싼 하나 이상의 시간대를 충전 시간으로 선택하고, 상기 정렬된 시간대 중에서 상기 전기료가 가장 비싼 하나 이상의 시간대를 방전 시간으로 선택하고, 상기 선택된 충전 시간에 상기 충전부에서 상기 배터리를 충전하도록 제어하고, 상기 선택된 방전 시간에 상기 충전부에서 상기 배터리를 방전하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어부는 상기 배터리의 충방전률(C-rate) 및 상기 배터리의 예상(expected) 수명을 결정하고,
    상기 충전 시간 및 상기 방전 시간은 상기 결정된 충방전률 및 예상 수명에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 배터리의 충방전률이 최대값으로 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 예상 수명이 사용자의 입력에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 배터리의 충방전률 및 상기 예상 수명이 사용자의 입력에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
  16. 제11항에 있어서, 상기 충전부는 상기 배터리의 온도가 미리 정해진 제1온도 이하이면 상기 배터리를 충전하지 않는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
  17. 제11항에 있어서, 상기 충전부는 상기 배터리의 온도가 미리 정해진 제2온도 이하이면 상기 배터리의 충전과 방전을 짧은 주기로 반복하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
  18. 제11항에 있어서, 상기 충전부는 상기 전기료가 미리 정해진 요금보다 낮은 시간대이면 배터리의 충전과 방전을 짧은 주기로 반복하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
  19. 제11항에 있어서, 상기 배터리의 충전 및 상기 배터리의 방전은 BMS(Battery Management System)의 충/방전 전류를 이용하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
  20. 제11항에 있어서, 상기 기지국에 대한 외부 전원의 공급이 중단되면, 상기 배터리를 통하여 상기 기지국에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어 시스템.
KR1020150089309A 2015-06-23 2015-06-23 스마트 그리드를 이용한 기지국 에너지 관리 방법 및 장치 KR102381582B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150089309A KR102381582B1 (ko) 2015-06-23 2015-06-23 스마트 그리드를 이용한 기지국 에너지 관리 방법 및 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150089309A KR102381582B1 (ko) 2015-06-23 2015-06-23 스마트 그리드를 이용한 기지국 에너지 관리 방법 및 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170000276A true KR20170000276A (ko) 2017-01-02
KR102381582B1 KR102381582B1 (ko) 2022-04-01

Family

ID=57810637

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150089309A KR102381582B1 (ko) 2015-06-23 2015-06-23 스마트 그리드를 이용한 기지국 에너지 관리 방법 및 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102381582B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190123543A (ko) * 2018-04-24 2019-11-01 현대자동차주식회사 전기차의 충방전 스케쥴링 방법
US20200052519A1 (en) * 2018-08-13 2020-02-13 Dell Products L.P. Information Handling Systems And Improved Battery Charge Control Methods
WO2023063495A1 (en) * 2021-10-14 2023-04-20 Lg Electronics Inc. Energy storage system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013121128A (ja) * 2011-12-08 2013-06-17 Hitachi Ltd 管理サーバ及び省電力化方法
JP5288170B2 (ja) * 2008-10-03 2013-09-11 株式会社デンソー バッテリの昇温制御装置
JP2014121147A (ja) * 2012-12-14 2014-06-30 Sharp Corp 電力供給システム
JP2014131477A (ja) * 2010-06-30 2014-07-10 Sanyo Electric Co Ltd 充放電制御装置、充電池システム、及び充放電制御方法
JP2015027164A (ja) * 2013-07-25 2015-02-05 株式会社デンソー 充放電管理システム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5288170B2 (ja) * 2008-10-03 2013-09-11 株式会社デンソー バッテリの昇温制御装置
JP2014131477A (ja) * 2010-06-30 2014-07-10 Sanyo Electric Co Ltd 充放電制御装置、充電池システム、及び充放電制御方法
JP2013121128A (ja) * 2011-12-08 2013-06-17 Hitachi Ltd 管理サーバ及び省電力化方法
JP2014121147A (ja) * 2012-12-14 2014-06-30 Sharp Corp 電力供給システム
JP2015027164A (ja) * 2013-07-25 2015-02-05 株式会社デンソー 充放電管理システム

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190123543A (ko) * 2018-04-24 2019-11-01 현대자동차주식회사 전기차의 충방전 스케쥴링 방법
US20200052519A1 (en) * 2018-08-13 2020-02-13 Dell Products L.P. Information Handling Systems And Improved Battery Charge Control Methods
US11909243B2 (en) * 2018-08-13 2024-02-20 Dell Products L.P. Information handling systems and improved battery charge control methods
WO2023063495A1 (en) * 2021-10-14 2023-04-20 Lg Electronics Inc. Energy storage system

Also Published As

Publication number Publication date
KR102381582B1 (ko) 2022-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11973195B2 (en) Reconfigurable multi-core battery packs
US9660460B2 (en) Hybrid battery control
US11128152B2 (en) Systems and methods for adaptive fast-charging for mobile devices and devices having sporadic power-source connection
KR102475482B1 (ko) 배터리 제어 방법, 배터리 제어 장치, 및 배터리 팩
EP3280024B1 (en) Battery pack management apparatus and method
CN112585837A (zh) 用于电池组的增强的电池管理系统
KR102456811B1 (ko) 에너지 저장 장치의 히터 구동 방법
KR101800074B1 (ko) 산발적 전원연결부를 갖는 기기와 휴대기기의 적응적 급속충전 시스템 및 방법
KR102381582B1 (ko) 스마트 그리드를 이용한 기지국 에너지 관리 방법 및 장치
KR20180086591A (ko) 배터리 충전 방법 및 충전 시스템
CN116454852B (zh) 供电控制方法及相关装置
CN105958549B (zh) 分布式电源的控制方法及装置
US20140274219A1 (en) Telecommunication Power System
KR20150050215A (ko) 배터리 팩 관리 장치 및 방법
Jiao et al. Analysis of two hybrid energy storage systems in an off-grid photovoltaic microgrid: A case study
CN102801197A (zh) 终端和终端的充电控制方法
US20100312411A1 (en) Ac consumption controller, method of managing ac power consumption and a battery plant employing the same
CN105932745A (zh) 一种多模块并联充电的电池限流控制方法
WO2011075062A1 (en) Power supply system for radio base station
CN115566756A (zh) 一种电池系统及电池插箱间电量均衡方法
JP4933465B2 (ja) 直流電源システムおよびその充電制御方法
US20220196753A1 (en) Energy storage system
JP4654262B2 (ja) 直流電源システムおよびその充電方法
Alimardani et al. A new approach to improve li-ion battery lifetime in home energy storage system with photovoltaic modules
US9373837B2 (en) Methods of manufacturing multi-functional electrode devices for fast-charging of energy-storage devices

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant