KR20170019972A - 에너지 저장 시스템 및 이를 이용하는 배터리 제어 방법 - Google Patents

Abstract

에너지 저장 시스템 및 이를 이용하는 배터리 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 포함하며, 상기 배터리를 발전 시스템 또는 계통의 전력에 선택적으로 연계하여, 부하 또는 상기 계통에 전력을 선택적으로 공급하는 에너지 저장 시스템으로서, OCV 산출 조건이 조성되면 상기 배터리의 개방회로전압(Open Circuit Voltage)을 산출하는 OCV 산출부, 상기 개방회로전압이 산출된 최근 시점으로부터 경과한 시간을 카운팅하는 제어부, 상기 경과한 시간이 제1 시간보다 길거나 같은 경우 상기 OCV 산출 조건을 조성하는 전력 변환 시스템 및 상기 OCV 산출부에서 산출된 상기 배터리의 개방회로전압에 대응하는 SOC(State Of Charge)를 추정하는 SOC 추정부를 포함한다.

Description

에너지 저장 시스템 및 이를 이용하는 배터리 제어 방법{Energy Storage System and Battery Control Method Using Thereof}

본 발명은 에너지 저장 시스템 및 이를 이용하는 배터리 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 시간의 경과에 따라 발생하는 개방회로전압 오차를 개선할 수 있는 에너지 저장 시스템 및 이를 이용하는 배터리 제어 방법에 관한 것이다.

환경 파괴, 자원 고갈 등이 문제되면서, 전력을 저장하고, 저장된 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한 이와 함께 발전 과정에서 공해를 유발하지 않는 신재생 에너지에 대한 관심도 높아지고 있다. 에너지 저장 시스템은 이러한 신재생 에너지, 전력을 저장한 배터리, 그리고 기존의 계통 전력을 연계시키는 시스템으로서, 오늘날의 환경 변화에 맞추어 많은 연구 개발이 이루어 지고 있다.

이러한 에너지 저장 시스템에 있어서, 배터리의 효율적 관리가 중요한 요소 중 하나이다. 배터리는 충전, 방전, SOC(State Of Charge) 설정 등 다양한 사항에 대하여 관리를 하여야 한다.

또한, 사용중인 배터리의 사용 가능 시간을 정확하게 산출하고 산출된 정보를 적절하게 활용하기 위해서는 배터리의 충전상태(SOC)를 정확하게 추정하는 것이 선행되어야 한다.

한편, 배터리의 충전 상태를 추정하기 위하여 다양한 방법들이 사용되고 있으나, 배터리 자체의 특성 또는 배터리가 사용되는 환경에 따라 SOC 추정이 제때에 이루어지지 않거나 큰 오차가 발생하는 문제가 발생하고 있다.

본 발명은 장기간 배터리 SOC가 보정되지 않는 경우 강제로 개방회로전압 산출 조건을 설정함으로써 배터리 SOC의 정확도를 향상시킬 수 있는 에너지 저장 시스템 및 이를 이용하는 배터리 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 포함하며, 상기 배터리를 발전 시스템 또는 계통의 전력에 선택적으로 연계하여, 부하 또는 상기 계통에 전력을 선택적으로 공급하는 에너지 저장 시스템으로서, OCV 산출 조건이 조성되면 상기 배터리의 개방회로전압(Open Circuit Voltage)을 산출하는 OCV 산출부, 상기 개방회로전압이 산출된 최근 시점으로부터 경과한 시간을 카운팅하는 제어부, 상기 경과한 시간이 제1 시간보다 길거나 같은 경우 상기 OCV 산출 조건을 조성하는 전력 변환 시스템 및 상기 OCV 산출부에서 산출된 상기 배터리의 개방회로전압에 대응하는 SOC(State Of Charge)를 추정하는 SOC 추정부를 포함한다.

또한, 상기 전력 변환 시스템은 상기 배터리의 충전 전류 및 방전 전류를 0A로 설정함으로써 상기 OCV 산출 조건을 조성할 수 있다.

또한, 상기 OCV 산출부는 상기 OCV 산출 조건이 제2 시간 이상 유지되는 경우 상기 배터리의 개방회로전압을 산출할 수 있으며, 상기 제2 시간은 상기 배터리의 전압이 안정되기까지 소요되는 시간에 대응할 수 있다.

또한, 산출된 상기 개방회로전압에 대응하는 SOC 값을 저장하는 메모리부를 더 포함한다.

또한, 상기 제어부는 상기 경과한 시간이 상기 제1 시간보다 길거나 같은 경우 상기 전력 변환 시스템에 OCV 산출 조건 조성을 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 방법은, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 포함하는 배터리 팩 제어 방법으로서, 상기 배터리의 최근 개방회로전압 산출 시점으로부터 경과한 시간을 카운팅하는 단계, 상기 경과한 시간과 제1 시간의 크기를 비교하는 단계, 상기 경과한 시간이 제1 시간보다 길거나 같은 경우 개방회로전압 산출 조건을 조성하는 단계, 상기 배터리의 개방회로전압을 산출하는 단계 및 산출된 상기 개방회로전압에 대응하는 SOC(State Of Charge)를 추정하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 개방회로전압 산출 조건을 조성하는 단계에서는, 상기 배터리의 충전 전류 및 방전 전류를 0A로 설정함으로써 상기 개방회로전압 산출 조건을 조성할 수 있다.

또한, 상기 개방회로전압 산출 조건의 유지시간과 제2 시간의 크기를 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 개방회로전압을 산출하는 단계에서는, 상기 유지시간이 제2 시간 이상 유지되는 경우 상기 배터리의 개방회로전압을 산출할 수 있으며, 상기 제2 시간은 상기 배터리의 전압이 안정되기까지 소요되는 시간에 대응할 수 있다.

본 발명은 장기간 배터리 SOC가 보정되지 않는 경우 강제로 개방회로전압 산출 조건을 설정함으로써 배터리 SOC의 정확도를 향상시킬 수 있는 에너지 저장 시스템 및 이를 이용하는 배터리 제어 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 방법의 흐름을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 제어 방법의 흐름을 개략적으로 나타내는 순서도이다.

이제, 예시적인 실시예들이 첨부 도면들을 참조로 아래에서 더욱 자세히 설명될 것이다. 그러나, 여러 형태로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에서 설명되는 실시예들로 한정되는 것으로 간주되어서는 안 된다. 이러한 실시예들은 본 개시가 완전하고 완벽해지며, 예시적인 구현예들은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 완전하게 전달할 수 있도록 제공되는 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 예시적인 실시예들이 도시되는 첨부 도면들을 참조하여 더욱 완벽하게 실시예들이 설명될 것이다. 전체적으로 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 도면들에서, 동일하거나 대응하는 구성요소들에는 동일한 도면부호가 부여되고, 이에 대하여 중복하여 설명되지 않을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2), 계통(3)과 연계하여 부하(4)에 전력을 공급한다.

발전 시스템(2)은 에너지원을 이용하여 전력을 생산하고, 생산된 전력을 에너지 저장 시스템(1)에 공급한다. 발전 시스템(2)은 태양광 발전 시스템, 풍력 발전 시스템, 조력 발전 시스템 등 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 시스템을 모두 포함할 수 있다.

계통(3)은 발전소, 변전소, 송전선 등을 구비할 수 있다. 계통(3)은 에너지 저장 시스템(1)으로 전력을 인가하여 부하(4) 및/또는 배터리(300)에 전력이 공급될 수 있도록 한다. 한편, 계통(3)은 에너지 저장 시스템(1)으로부터 전력을 공급받을 수도 있다.

부하(4)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력, 배터리(300)에 저장된 전력, 또는 계통(3)으로부터 공급된 전력을 소비하며, 예를 들면 가정, 공장 등일 수 있다.

에너지 저장 시스템(1)은 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 배터리(300)에 저장하고, 생산한 전력을 계통(3)에 공급할 수 있다. 또한, 에너지 저장 시스템(1)은 배터리(300)에 저장된 전력을 계통(3)에 공급하거나, 계통(3)으로부터 공급된 전력을 배터리(300)에 저장할 수 있다. 또한, 에너지 저장 시스템(1)은 계통(3)에 정전이 발생하는 경우 UPS(Uninterruptible Power Supply) 동작을 수행할 수 있다.

에너지 저장 시스템(1)은 전력 변환을 제어하는 전력 변환 시스템(PCS: Power Conversion System, 이하 ‘PCS’라 함)(100), 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System, 이하 ‘BMS’라 함)(200) 및 배터리(300)를 포함한다.

PCS(100)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리(300)의 전력을 적절한 전력으로 변환하여 필요한 곳에 공급한다. PCS(100)는 전력 변환부(110), DC 링크부(120), 인버터(130), 컨버터(140), 제1 스위치(150), 제2 스위치(160), 통합 제어기(170)를 포함한다.

전력 변환부(110)는 발전 시스템(2)과 DC 링크부(120) 사이에 연결된다. 전력 변환부(110)는 발전 시스템(2)에서 생산한 전력을 DC 링크부(120)로 전달하며, 이때 출력 전압을 직류 링크 전압으로 변환한다.

전력 변환부(110)는 발전 시스템(2)의 종류에 따라서 컨버터, 정류회로 등으로 구성될 수 있다. 발전 시스템(2)이 직류의 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(110)는 직류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 컨버터일 수 있다. 발전 시스템(2)이 교류의 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(110)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 정류회로일 수 있다. 특히, 발전 시스템(2)이 태양광으로 전력을 생산하는 경우, 전력 변환부(110)는 일사량, 온도 등의 변화에 따라서 발전 시스템(2)에서 생산하는 전력을 최대로 얻을 수 있도록 최대 전력 포인트 추적(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 MPPT 컨버터를 포함할 수 있다.

DC 링크부(120)는 전력 변환부(110)와 인버터(130) 사이에 연결된다. DC 링크부(120)는 발전 시스템(2) 또는 계통(3)의 순시 전압 강하(Instantaneous Voltage drop), 부하(4)에서의 피크 부하(peak load) 발생을 방지하여 직류 링크 전압이 안정적으로 유지되도록 한다.

인버터(130)는 DC 링크부(120)와 제1 스위치(150) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 인버터(130)는 방전 모드에서 발전 시스템(2) 및/또는 배터리(300)로부터 출력되는 직류 링크 전압을 계통(3)의 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 또한, 인버터(130)는 충전 모드에서 계통(3)의 전력을 배터리(300)에 저장하기 위하여, 계통(3)의 교류 전압을 정류하고, 직류 링크 전압으로 변환하여 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다. 즉, 인버터(130)는 입력 및 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 인버터일 수 있다.

인버터(130)는 계통(3)으로 출력되는 교류 전압에서 고조파를 제거하기 위한 필터, 출력되는 교류 전압의 위상과 계통(3)의 교류 전압의 위상을 동기화시키기 위한 위상 동기 루프(PLL) 회로 등을 포함할 수 있다. 그 밖에, 인버터(130)는 전압 변동 범위 제한, 역률 개선, 직류 성분 제거, 과도현상(Transient Phenomena) 보호 등과 같은 기능을 수행할 수 있다. 인버터(130)는 사용되지 않을 때 전력 소비를 최소화하기 위하여 동작을 중기시킬 수도 있다.

컨버터(140)는 DC 링크부(120)와 배터리(300) 사이에 연결되는 전력 변환 장치이다. 컨버터(140)는 방전 모드에서 배터리(300)에 저장된 전력을 인버터(130)에서 요규하는 전압 레벨 즉, 직류 링크 전압으로 DC-DC 변환하여 출력한다. 또한, 컨버터(140)는 충전 모드에서 전력 변환부(110)에서 출력되는 전력이나 인버터(130)에서 출력되는 전력을 배터리(300)에서 요구하는 전압 레벨 즉, 충전 전압으로 DC-DC 변환한다. 즉, 컨버터(140)는 입력 및 출력의 방향이 변할 수 있는 양방향 컨버터일 수 있다. 컨버터(140)는 배터리(300)의 충전 또는 방전이 필요 없는 경우에는 동작을 중지시켜 전력 소비를 최소화할 수도 있다.

제1 스위치(150) 및 제2 스위치(160)는 인버터(130)와 계통(3) 사이에 직렬로 연결되며, 통합 제어기(170)의 제어에 따라서 온(on)/오프(off) 동작을 수행하여 발전 시스템(2)과 계통(3) 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 제1 스위치(150)와 제2 스위치(160)는 발전 시스템(2), 계통(3) 및 배터리(300)의 상태에 따라서 온/오프가 결정될 수 있다. 예를 들어, 부하(4)에서 요구되는 전력량이 큰 경우, 제1 스위치(150) 및 제2 스위치(160)를 모두 온 상태로 하여 발전 시스템(2), 계통(3)의 전력이 모두 사용될 수 있도록 한다. 물론, 발전 시스템(2) 및 계통(3)으로부터의 전력만으로는 부하(4)에서 요구하는 전려량을 충족시키지 못하는 경우에는 배터리(300)에 저장된 전력이 부하(4)에 공급될 수도 있다. 반면에, 계통(3)에 정전이 발생한 경우, 제2 스위치(160)를 오프 상태로 하고 제1 스위치(150)를 옹ㄴ 상태로 한다. 이를 통하여 발전 시스템(2) 또는 배터리(300)로부터의 전력을 부하(4)에 공급할 수 있으며, 부하(4)로 공급되는 전력이 계통(3) 측으로 흐르는 즉, 단독운전을 방지하여 계통(3)의 전력선 등에서 작업하는 인부가 감전되는 등의 사고를 방지할 수 있게 한다.

통합 제어기(170)는 발전 시스템(2), 계통(3), 배터리(300) 및 부하(4)의 상태를 모니터링 하고, 모니터링 결과에 따라서 전력 변환부(110), 인버터(130), 컨버터(140), 제1 스위치(150), 제2 스위치(160) 및 BMS(200)를 제어한다. 통합 제어기(170)가 모니터링 하는 사항은 계통(3)에 정전이 발생하였는지 여부, 발전 시스템(2)에서 전력이 생산되는지 여부를 포함할 수 있다. 또한 통합 제어기(170)는 발전 시스템(2)의 전력 생산량, 배터리(300)의 충전 상태, 부하(4)의 전력 소비량, 시간 등을 모니터링 할 수 있다.

BMS(200)는 배터리(300)에 연결되며, 통합 제어기(170)의 제어에 따라 배터리(300)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. BMS(200)는 배터리(300)를 보호하기 위하여, 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, BMS(200)는 배터리(300)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링 하고, 모니터링 결과를 통합 제어기(170)에 전송할 수 있다. 또한 본 실시 예에 따른 BMS(200)는 측정된 OCV(open circuit voltage)에 대응하는 SOC(state of charge)를 추정할 수 있으며, 구체적인 방법에 대해서는 도 2 내지 도 10에서 자세히 설명하도록 한다.

배터리(300)는 발전 시스템(2)에서 생산된 전력 또는 계통(3)의 전력을 공급 받아 저장하고, 부하(4) 또는 계통(3)에 저장하고 있는 전력을 공급한다.

배터리(300)는 적어도 하나 이상의 직렬 및/또는 병렬로 연결된 적어도 하나의 배터리 랙(rack)을 포함할 수 있다. 여기서, 배터리 랙은 배터리(300)를 구성하는 하위 구성요소이다. 또한 각각의 배터리 랙은 직렬 및/또는 병렬로 연결된 적어도 하나의 배터리 트레이(tray)를 포함할 수 있다. 여기서 배터리 트레이는 배터리 랙을 구성하는 하위 구성요소이다. 또한 각각의 배터리 트레이는 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 이러한 배터리(300)는 다양한 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있으며, 예를 들어 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등 일 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 2는 도 1을 참조로 하여 설명한 에너지 저장 시스템(1)에 포함되는 BMS(200) 및 배터리(300)를 도시한다. 도 2를 참조하면, BMS(200)는 제어부(210), OCV 산출부(220) 및 SOC 추정부(230)를 포함한다. 한편, 도 2에는 도시되어 있지 않지만, 도 1을 참조로 설명한 바와 같이, PCS가 BMS(200)와 연결되어 있는 것으로 이해할 수 있다.

본 발명에 따른 에너지 저장 시스템(100)은 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리(300)를 포함하며, 상기 배터리(300)를 발전 시스템(2) 또는 계통(3)의 전력에 선택적으로 연계하여, 부하(4) 또는 계통(3)에 전력을 선택적으로 공급한다. 그리고, 에너지 저장 시스템(100)은 PCS(100) 및 BMS(200를 포함한다.

제어부(210)는 배터리의 개방회로전압(Open Circuit Voltage)이 산출된 최근 시점으로부터 경과한 시간을 카운팅(counting)한다. 개방회로전압(OCV)은 배터리(300)의 충전 상태(SOC)를 추정하기 위하여 산출되는 값이며, 배터리의 SOC는 배터리(300)의 현재 상태를 나타내는 다양한 지표(index) 중 하나다. SOC는 배터리가 어느 정도의 시간만큼 사용 가능한지 가늠하는 척도가 되므로, 사용자가 배터리를 사용하는데 있어서 매우 중요한 정보이다.

SOC를 추정하기 위해서 다양한 방법이 사용되고 있는데, 대표적인 방법은 전류 적산법을 이용하여 SOC를 추정하는 것이다. 이러한 전류 적산 방법은, 배터리의 입출력 전류를 적산하고 초기 용량에서 가감함으로써 SOC를 구하는 형태이다.

그러나, 전류 적산 방식의 경우, 배터리의 초기 사이클(cycle)에서는 비교적 정확한 SOC 값을 도출할 수 있지만, 배터리가 충방전 사이클을 거듭할수록 방전 말기에 SOC가 급격하게 감소하는 SOC 드랍(drop) 현상이 발생하여 SOC 추정의 정확도가 떨어질 수 있다. 따라서, 오래 사용한 배터리일수록 방전 말기에 SOC가 급격하게 떨어지는 현상이 발생할 수 있으므로, 이러한 상황에서 종래의 전류 적산법을 그대로 이용하면, SOC 드랍 현상으로 인해 방전 말기의 SOC를 정확하게 추정할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 결과적으로, 당초 예상보다 SOC가 빨리 감소하여 배터리의 사용 가능 시간이 줄어들 수 있음에도 불구하고, 사용자가 이를 예상하지 못해 배터리의 만방전 상황에 제대로 대비할 수 없게 되어 사용자에게 큰 불편을 초래할 수 있다.

또한, 전류 적산법은 배터리 전류 측정시에 전류 센서에 의한 오차가 발생하게 되며, SOC 추정이 이루어질 때마다 전류 측정 오차가 누적되어 시간이 지날수록 SOC 추정 정확도가 떨어지게 된다.

본 발명에 따른 에너지 저장 시스템(1)은 개방회로전압을 이용하여 배터리(300)의 SOC를 추정하며, 제어부(210)는 최근에 개방회로전압이 측정된 시간부터 경과한 시간을 카운팅한다. 한편, 제어부(210)는 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit, MCU)에 포함되는 타이머(Timer)일 수 있으며, MCU는 BMS(200)에 포함될 수 있다.

그리고, 제어부(210)는 최근 개방회로전압 측정 시점부터 경과한 시간이 제1 시간보다 길거나 같은 경우, 제어 신호를 출력할 수 있다. 상기 제어 신호는 PCS(100)로 전달되고, PCS(100)는 상기 제어 신호 수신에 대응하여 개방회로전압을 산출하기 위한 조건, 즉 OCV 산출 조건을 조성한다.

앞서 설명한 전류 전산법을 이용하는 SOC 추정의 문제를 해결하기 위하여 배터리의 전류, 전압, 온도를 측정하고, 측정된 배터리의 상태에 따라 SOC를 보정하는 방법이 사용될 수 있으나, 이러한 방법은 미리 설정된 배터리 특성이 측정되는 것을 전제로 하므로 장시간 배터리 SOC 보정이 이루어지지 않을 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템(1)은 배터리(300)의 SOC 보정이 일정 시간 이상 이루어지지 않는 경우, 강제로 OCV 산출 조건을 조성하고 이때 개방회로전압을 산출한다. 그리고, SOC 추정부(230)는 OCV 산출부(220)에서 개방회로전압을 산출하면, 가장 최근에 산출된 개방회로전압 값을 이용하여 SOC를 추정한다.

PCS(100)는 배터리(300)의 개방회로전압을 측정하기 위하여 배터리(300)로부터 출력되는 방전 전류 및 배터리(300)로 인가되는 충전 전류를 모두 0A로 설정할 수 있다. 배터리(300)의 개방회로전압은 배터리(300)의 양극과 음극 양 단 간에 흐르는 전류의 크기가 0A인 경우를 기준으로 측정될 수 있으며, 이때 배터리 양 단 간의 저항의 크기는 무한대로 측정될 수 있다.

OCV 산출부(220)는 OCV 산출 조건이 조성되면 배터리(300)의 개방회로전압을 산출한다. 앞서 설명한 바와 같이, OCV 산출 조건은 배터리(300) 양 단 간에 흐르는 전류의 크기가 0A인 경우를 의미할 수 있으며, OCV 산출부(220)는 PCS(100)에 의하여 OCV 산출 조건이 조성되면 배터리(300)의 개방회로전압을 산출한다.

한편, OCV 산출부(220)는 배터리(300)의 양 단 간의 개방회로전압 뿐만 아니라, 배터리(300)에 포함되는 각 셀(311-1 내지 311-n)의 개방회로전압을 산출할 수도 있다. 도 2는 BMS(200)와 배터리(300)가 배터리(300)의 양 단을 통해 연결되는 것으로 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하다. 따라서, BMS(200)는 배터리(300)에 포함되는 각 셀(311-1 내지 311-n)의 양 단에 각각 연결되어 개방회로전압을 산출할 수 있다.

그리고, OCV 산출부(220)는 PCS(100)에 의해 조성된 OCV 산출 조건이 조성되고난 이후 제2 시간이 경과한 경우에 배터리(300)의 개방회로전압을 산출할 수 있다. 즉, OCV 산출부(220)는 PCS(100)에 의해 배터리(300)의 양 단 간에 흐르는 전류의 크기가 0A로 상기 제2 시간 이상 유지되는 경우에 한하여 배터리(300)의 개방회로전압을 산출할 수 있다.

상기 제2 시간은 배터리(300) 전류가 0A가 되고난 이후, 배터리(300)의 전압이 안정화되기까지 소요되는 시간일 수 있으며, 상기 제2 시간의 길이는 에너지 저장 시스템(1)에 포함되는 배터리(300)의 특성에 따라 달라질 수 있다.

배터리 셀(311-1 내지 311-n)이 충전/방전될 때 화학적 성분에 의하여 허 전압(over voltage)이 발생하는데, 이는 시간이 지나면서 소멸된다. 이와 같이, 배터리 셀이 충전/방전된 후, 허 전압 성분이 소멸된 이후에 배터리(300) 또는 각 배터리 셀(311-1 내지 311-n)의 개방회로전압을 측정하며, 허 전압 성분이 소멸되기까지 소요되는 시간을 상기 제2 시간으로 정의할 수 있으며, OCV 산출부(220)는 상기 제2 시간이 경과한 이후에 배터리(300)의 개방회로전압을 보다 정확하게 산출할 수 있다.

SOC 추정부(230)는 OCV 산출부(220)에서 산출된 배터리(300)의 개방회로전압에 대응하는 SOC(State Of Charge)를 추정한다. 산출된 개방회로전압에 따라 배터리(300)의 SOC를 추정 가능하며, 개방회로전압과 배터리(300)의 SOC는 룩업 테이블(Look-up Table)의 형태로 마련될 수 있다.

이때, 개방회로전압과 SOC는 획일화되어 결정되어 있는 관계로 볼 수는 없으며, 배터리(300)의 특성에 따라 개방회로전압과 SOC의 관계는 다를 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(200)은 메모리부(240)를 더 포함한다. 메모리부(240)는 개방회로전압에 대응하는 SOC 값을 저장한다. 배터리(300)의 개방회로전압에 대응하는 SOC 값은 룩업 테이블(look-up table) 형태로 마련될 수 있으며, 이하에서는 SOC 테이블이라 한다.

메모리부(240)는 SOC 테이블을 저장하며, SOC 추정부(230)는 OCV 산출부(220)에서 산출된 OCV에 대응하는 SOC 값을 상기 SOC 테이블에서 찾아낼 수 있다.

한편, 개방회로전압(OCV)과 SOC의 대응관계는 배터리의 특성에 의존적일 수 있으므로, 메모리부(240)에 저장되는 상기 SOC 테이블은 에너지 저장 시스템(1)에 포함되는 배터리(300)의 특성에 따라 각각 다를 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 4는 도 1을 참조로 하여 설명한 에너지 저장 시스템(1)에 포함되는 PCS(100), BMS(200) 및 배터리(300)를 도시한다. 도 1을 참조로 하여 설명한 바와 같이, PCS(100)는 배터리(300)를 발전 시스템, 계통 및/또는 부하와 연결하는 역할을 수행한다. 이때, PCS(100)는 발전 시스템 또는 계통으로부터 제공되는 전력을 배터리(300)에 충전하기에 적합한 전력으로 변환한다.

BMS(200)는 배터리(300)의 충전 및 방전 동작을 제어한다. BMS(200)는 배터리(300)를 보호하기 위하여, 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능 등을 수행할 수 있다. 이를 위해, BMS(200)는 배터리(300)의 전압, 전류, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태 등을 모니터링 한다.

또한, BMS(200)는 배터리(300)의 OCV를 산출한 시점부터 경과한 시간을 카운팅(counting)한다. 이때, 상기 경과한 시간이 제1 시간 이상인 경우, BMS(200)는 PCS(100)에 제어 신호를 출력한다. PCS(100)는 상기 제어 신호를 수신하면, 이에 대응하여 OCV 산출 조건을 조성한다. 상기 제어 신호는 PCS(100)로 하여금 배터리(300)의 충전 전류와 방전 전류를 모두 0A로 설정하도록 하는 신호로 이해할 수 있다. 다시 말하면, 상기 OCV 산출 조건은 배터리(300)의 충전 전류와 방전 전류가 모두 0A인 조건을 의미한다.

PCS(100)에 의하여 상기 OCV 산출 조건이 조성되면, BMS(200)는 배터리(300)의 개방회로전압(OCV)을 산출한다. 개방회로전압(OCV)이 산출되면, BMS(200)는 산출된 개방회로전압(OCV)에 대응하는 배터리(300)의 SOC(State Of Charge)를 추정한다. SOC를 추정하는 데에는 OCV와 SOC의 대응 관계를 나타내는 룩업 테이블(look-up table)이 이용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 제어 방법의 흐름을 개략적으로 나타내는 순서도이다.

도 5를 참조하면, 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 포함하는 배터리에 대한 본 발명의 배터리 제어 방법은, OCV 산출 경과 시간 카운팅 단계(S110), 경과 시간과 제1 시간의 크기를 비교하는 단계(S120), OCV 산출 조건 조성 단계(S130), OCV 산출 단계(S140) 및 SOC 추정 단계(S150)를 포함한다.

OCV 산출 경과 시간 카운팅 단계(S110)에서는, 배터리의 최근 개방회로전압(Open Circuit Voltage, OCV) 산출 시점으로부터 경과한 시간을 카운팅(counting)한다.

경과 시간과 제1 시간의 크기를 비교하는 단계(S120)에서는, 상기 경과한 시간과 제1 시간의 크기를 비교한다. 상기 경과한 시간이 상기 제1 시간보다 짧은 경우, 계속하여 최근 OCV 산출 시점으로부터 경과한 시간을 카운팅한다.

OCV 산출 조건 조성 단계(S130)에서는, 상기 경과한 시간이 상기 제1 시간 이상인 경우, 배터리의 개방회로전압을 산출하기 위한 조건을 형성한다. 본 발명에 따른 배터리 제어 방법은 전류 적산 방식이 아닌 개방회로전압을 이용하는 SOC 추정 방법으로서, 배터리의 SOC 보정이 일정 시간 이상 이루어지지 않는 경우, 강제로 OCV 산출 조건을 조성하고 이때 개방회로전압을 산출한다. 그리고, 개방회로전압이 산출되면, 가장 최근에 산출된 개방회로전압 값을 이용하여 SOC를 추정한다.

한편, OCV 산출 조건 조성 단계(S130)에서는, 상기 배터리의 충전 전류 및 방전 전류를 0A로 설정함으로써, 상기 개방회로전압 산출 조건을 조성할 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 제어 방법은, 도 1을 참조로 설명한 바와 같은, 에너지 저장 시스템(1)에 포함되는 PCS(100) 및 BMS(200)를 이용할 수 있으며, 상기 OCV 전압 산출 조건에 대응하는 배터리의 충전 전류 및 방전 전류 제어는 PCS(100)를 통해 이루어질 수 있다. 그리고, BMS(200)는 OCV 산출 시점으로부터 경과한 시간을 카운팅하고 경과한 시간이 미리 설정된 기준 시간 이상인 경우, PCS(100)에 제어 신호를 출력하여, PCS(100)로 하여금 강제로 OCV 산출을 위한 환경을 형성하도록 할 수 있다.

OCV 산출 단계(S140)에서는 배터리의 개방회로전압을 산출하고, SOC 추정 단계(S150)에서는, 산출된 상기 개방회로전압에 대응하는 배터리의 SOC(State Of Charge)를 추정한다. 배터리의 개방회로전압은 배터리의 양극과 음극 양 단 간에 흐르는 전류의 크기가 0A인 경우를 기준으로 측정될 수 있으며, 이때 배터리 양 단 간의 저항의 크기는 무한대로 측정될 수 있다.

산출된 OCV에 대응하는 SOC 값은 별도의 테이블(이하, SOC 테이블)로 마련될 수 있으며, OCV와 SOC와의 관계는 배터리의 특성에 의존하는 것으로서, 제어 대상이 되는 배터리의 특성에 따라 서로 다른 데이터를 갖는 복수의 SOC 테이블이 마련될 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 제어 방법의 흐름을 개략적으로 나타내는 순서도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 제어 방법은, 도 5를 참조로 하여 설명한 방법에 비하여 유지시간과 제2 시간의 크기를 비교하는 단계(S240)를 더 포함한다.

OCV 산출 경과 시간 카운팅 단계(S210), 경과 시간과 제1 시간의 크기를 비교하는 단계(S220), OCV 산출 조건 조성 단계(S230), OCV 산출 단계(S250) 및 SOC 추정 단계(S260)에서는 도 5를 참조로 하여 설명한 OCV 산출 경과 시간 카운팅 단계(S110), 경과 시간과 제1 시간의 크기를 비교하는 단계(S120), OCV 산출 조건 조성 단계(S130), OCV 산출 단계(S140) 및 SOC 추정 단계(S150)에서와 각각 실질적으로 동일한 동작이 수행되며, 중복되는 내용에 한하여 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

유지시간 비교 단계(S240)에서는, OCV 산출 조건 조성 단계(S230)에서 조성된 상기 개방회로전압(OCV) 산출 조건 유지시간을 카운팅하고, 상기 유지시간과 제2 시간의 크기를 비교한다. 이때, 상기 유지시간이 상기 제2 시간보다 짧은 경우에는 계속하여 현재의 상태, 즉 배터리의 OCV를 산출하기 위한 상태를 유지한다. 이와 반대로, 상기 유지시간이 상기 제2 시간 이상인 경우에는 OCV 산출 단계(S250)에서 배터리의 개방회로전압(OCV)을 산출하게 된다.

이‹š, 상기 제2 시간은 배터리의 전압이 안정되기까지 소요되는 시간에 대응할 수 있다. 그리고, 상기 제2 시간의 길이는 배터리의 특성에 따라 달라질 수 있다.

배터리 셀이 충전/방전될 때 화학적 성분에 의하여 허 전압(over voltage)이 발생하는데, 이는 시간이 지나면서 소멸된다. 이와 같이, 배터리 셀이 충전/방전된 후, 허 전압 성분이 소멸된 이후에 배터리 또는 각 배터리 셀의 개방회로전압을 측정하며, 허 전압 성분이 소멸되기까지 소요되는 시간을 상기 제2 시간으로 정의할 수 있으며, OCV 산출 단계(S250)는 상기 제2 시간이 경과한 이후에 배터리의 개방회로전압을 보다 정확하게 산출할 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 에너지 저장 시스템(1)은 장시간 동안 배터리 SOC 보정이 이루어지지 않는 경우, 강제로 OCV 산출 조건을 조성함으로써 정확한 SOC를 추정할 수 있는 시스템을 제공할 수 있으며, 본 발명에 따른 배터리 제어 방법 또한, 상기 에너지 저장 시스템(1)을 활용하여 배터리의 충전 및 방전을 제어하고, 필요한 시점마다 배터리의 SOC를 추정하고 새롭게 추정된 데이터를 활용하여 배터리의 SOC를 보정하는 효과를 제공할 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한, 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

1: 에너지 저장 시스템 100: 전력 변환 시스템(PCS)
200: 배터리 관리 시스템(BMS) 230: SOC 추정부
240: 메모리부 300: 배터리

Claims (11)

1. 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 포함하며, 상기 배터리를 발전 시스템 또는 계통의 전력에 선택적으로 연계하여, 부하 또는 상기 계통에 전력을 선택적으로 공급하는 에너지 저장 시스템으로서,
   OCV 산출 조건이 조성되면 상기 배터리의 개방회로전압(Open Circuit Voltage)을 산출하는 OCV 산출부;
   상기 개방회로전압이 산출된 최근 시점으로부터 경과한 시간을 카운팅하는 제어부;
   상기 경과한 시간이 제1 시간보다 길거나 같은 경우 상기 OCV 산출 조건을 조성하는 전력 변환 시스템; 및
   상기 OCV 산출부에서 산출된 상기 배터리의 개방회로전압에 대응하는 SOC(State Of Charge)를 추정하는 SOC 추정부;
   를 포함하는 에너지 저장 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전력 변환 시스템은 상기 배터리의 충전 전류 및 방전 전류를 0A로 설정함으로써 상기 OCV 산출 조건을 조성하는 에너지 저장 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 OCV 산출부는 상기 OCV 산출 조건이 제2 시간 이상 유지되는 경우 상기 배터리의 개방회로전압을 산출하는 에너지 저장 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제2 시간은 상기 배터리의 전압이 안정되기까지 소요되는 시간에 대응하는 에너지 저장 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   산출된 상기 개방회로전압에 대응하는 SOC 값을 저장하는 메모리부를 더 포함하는 에너지 저장 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 경과한 시간이 상기 제1 시간보다 길거나 같은 경우 상기 전력 변환 시스템에 OCV 산출 조건 조성을 위한 제어 신호를 출력하는 에너지 저장 시스템.
7. 적어도 하나 이상의 배터리 셀을 포함하는 배터리를 포함하는 배터리 제어 방법으로서,
   상기 배터리의 최근 개방회로전압 산출 시점으로부터 경과한 시간을 카운팅하는 단계;
   상기 경과한 시간과 제1 시간의 크기를 비교하는 단계;
   상기 경과한 시간이 제1 시간보다 길거나 같은 경우 개방회로전압 산출 조건을 조성하는 단계;
   상기 배터리의 개방회로전압을 산출하는 단계; 및
   산출된 상기 개방회로전압에 대응하는 SOC(State Of Charge)를 추정하는 단계;
   를 포함하는 배터리 제어 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 개방회로전압 산출 조건을 조성하는 단계에서는, 상기 배터리의 충전 전류 및 방전 전류를 0A로 설정함으로써 상기 개방회로전압 산출 조건을 조성하는 배터리 제어 방법.
9. 제7항에 있어서,
   상기 개방회로전압 산출 조건의 유지시간과 제2 시간의 크기를 비교하는 단계를 더 포함하는 배터리 제어 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 개방회로전압을 산출하는 단계에서는, 상기 유지시간이 제2 시간 이상 유지되는 경우 상기 배터리의 개방회로전압을 산출하는 배터리 제어 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 시간은 상기 배터리의 전압이 안정되기까지 소요되는 시간에 대응하는 배터리 제어 방법.

Images