KR20180006264A - 배터리 모의 장치 및 배터리 모의 방법 - Google Patents

Abstract

배터리의 노화에 따른 내부 임피던스 특성을 반영하여 DC 전압을 모의할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모의 장치는, 배터리의 충전 및 방전을 관리하는 전력 관리 장치에 연계된 배터리를 모의하는 배터리 모의 장치로서, 배터리의 충전 또는 방전 싸이클에 따라 결정되는 배터리의 내부 임피던스와, 전력 관리 장치로 출력되는 출력 전류를 이용하여 임피던스 전압을 연산하는 임피던스 전압 연산부 및 임피던스 전압과 배터리의 개방회로 전압(Open Circuit Voltage; OCV)을 이용하여 기준 전압을 연산하고, 전력 관리 장치로 출력하는 기준 전압 연산부를 포함한다.

Description

배터리 모의 장치 및 배터리 모의 방법{SIMULATION APPARATUS AND METHOD OF BATTERY}

본 발명은 배터리에 관한 것으로, 보다 구체적으로 배터리 모의 장치 및 배터리 모의 방법에 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.

이하 이러한 배터리 에너지 저장 시스템의 구성을 도 1을 참조하여 간략히 설명한다.

도 1은 일반적인 배터리 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 에너지 저장 시스템은, 배터리 관리 장치(Battery Conditioning System, BCS, 10) 및 전력 관리 장치(Power Conditioning System: PCS, 20)를 포함한다.

배터리 관리 장치(10)는, 복수개의 배터리들로 구성되는 배터리 시스템(Battery System, 12)을 포함함으로써, 계통(30)으로부터 제공되는 잉여 에너지를 배터리 시스템(12)에 저장하고, 피크 부하 또는 계통 사고 발생 시 배터리 시스템(12)에 저장되어 있는 에너지를 계통에 공급한다. 이러한 배터리 관리 장치(10)는, 에너지 저장을 담당하는 배터리 시스템(12) 외에도, 배터리 항온 항습을 위한 공조모듈(HVAC, 14), 및 화재에 대비하기 위한 소방모듈(Fire Suppression, 16)을 포함한다.

전력 관리 장치(20)는, 배터리 관리 장치(10)와 계통(30)을 연계하는 역할을 수행한다. 보다 구체적으로, 전력 관리 장치(20)는 배터리 관리 장치(10)에 포함된 하나 이상의 배터리에 계통의 잉여 에너지를 충전시키거나 하나 이상의 배터리에 저장된 에너지를 계통에 제공하는 역할을 수행한다. 이 때, 전력 관리 장치(20)는 계통에 대한 전력의 차단과 계통으로부터 공급되는 전력의 투입을 담당하는 스위치 기어(SWGR, 22), 승압/감압을 담당하는 변압기(TR, 24), 교류를 직류로 변환하거나 직류를 교류로 변환하는 전력 변환 모듈(Power Conversion Unit: PCU, 26), 및 냉각 시스템(Cooling System, 28)을 포함한다.

이러한 배터리 에너지 저장 시스템을 구축하기 위해 전력 관리 장치(20)를 시험할 때 실제 운영에 사용할 배터리를 직접 연계하고 전력 관리 장치(20)의 구동을 시험하는 것이 바람직하지만, 배터리 가격은 0.5MWh당 약 10억(Li-ion 배터리 기준)으로 비싸기 때문에 해당 배터리의 특성을 나타낼 수 있는 DC 전원 모의 장치에 대한 필요성이 증가하고 있다.

그러나, 종래의 DC 전원 모의 장치는 정(Positive)특성의 DC 전원을 사용하였기 때문에 충방전시 발생하는 비정규적인 전압 드롭과 같은 배터리 특성을 반영하지 못하여 실제 운영 알고리즘 적용에 있어서 신뢰성을 높이기 어려운 문제가 있다.

또한, 배터리 사용 시간에 따라 노화가 발생함에 따라 배터리의 출력 특성이 달라질 수 있으며, 이러한 배터리 특성의 변화는 전력 관리 장치(20)의 동작에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 이러한 배터리 특성 변화를 고려하지 않은 DC 전원 모의 장치로 전력 관리 장치(20)의 동작을 검증한 후, 해당 전력 관리 장치(20)를 포함하여 배터리 에너지 저장 시스템을 구축할 경우 노화된 배터리로부터 출력되는 전압이 인가됨에 따라 배터리 에너지 저장 시스템이 정상 동작하지 않을 수 있다는 문제가 있다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0066283호(발명의 명칭: 배터리 시스템의 시뮬레이션 장치, 2013.06.20. 공개)에 개시되어 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전력 관리 장치에 연계되는 배터리의 임피던스 특성을 반영하여 DC 전압을 모의할 수 있는 배터리 모의 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 배터리의 충방전에 따른 노화 발생으로 인한 배터리의 임피던스 특성 변화를 반영하여 DC 전압을 모의할 수 있는 배터리 모의 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모의 장치는, 배터리의 충전 및 방전을 관리하는 전력 관리 장치에 연계된 상기 배터리를 모의하는 배터리 모의 장치로서, 상기 배터리의 충전 또는 방전 싸이클에 따라 결정되는 상기 배터리의 내부 임피던스와, 상기 전력 관리 장치로 출력되는 출력 전류를 이용하여 임피던스 전압을 연산하는 임피던스 전압 연산부 및 상기 임피던스 전압과 상기 배터리의 개방회로 전압(Open Circuit Voltage; OCV)을 이용하여 기준 전압을 연산하고, 상기 전력 관리 장치로 출력하는 기준 전압 연산부를 포함한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모의 방법은, 배터리의 충전 및 방전을 관리하는 전력 관리 장치에 연계된 상기 배터리를 모의하는 배터리 모의 방법으로서, 상기 전력 관리 장치로 출력하는 출력 전류에 기초하여 모의 대상이 되는 배터리의 충전량을 연산하고, 상기 배터리의 충전 또는 방전 싸이클을 연산하는 단계, 상기 배터리의 충전량, 및 상기 충전 또는 방전 싸이클을 이용하여 결정되는 상기 배터리의 내부 임피던스에 상기 출력 전류를 반영하여 임피던스 전압을 연산하고, 상기 배터리의 충전량에 대응되는 개방회로 전압을 획득하는 단계 및 상기 임피던스 전압과 개방회로 전압을 이용하여 상기 전력 관리 장치로 출력할 기준 전압을 연산하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면 배터리의 내부 임피던스 특성을 반영하여 모의할 DC 전압을 연산함으로써 실제 배터리의 동작과 유사한 DC 전압을 모의할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 배터리의 충방전에 따른 노화으로 인한 배터리의 임피던스 특성 변화를 반영하여 DC 전압을 모의함으로써, 배터리 노화에 따른 과전압과 같은 이상 징후를 고려한 전력 관리 장치의 동작을 검증할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 배터리의 내부 임피던스를 배터리의 충전량에 관한 함수로 정의할 수 있기 때문에 배터리의 충전량 별로 배터리의 내부 임피던스를 산출할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 배터리 에너지 저장 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모의 장치와 전력 관리 장치가 연계된 전체 모의 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 배터리 모의 장치를 제어하기 위한 제어 시스템의 세부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 4는 배터리 노화에 따른 배터리의 내부 임피던스 특성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 2의 기준 전압 출력부의 세부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 6은 도 5의 룩업 테이블 생성부의 세부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모의 장치의 배터리의 내부 임피던스의 등가회로도를 나타내는 도면이다.
도 8은 배터리 방전시 측정된 개방회로 전압과 배터리에 인가되는 방전전류의 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 9는 배터리 방전시 측정된 개방회로 전압의 프로파일의 확대도를 보여주는 그래프이다.
도 10은 배터리의 내부 임피던스를 구성하는 파라미터들의 값을 보여주는 테이블이다.
도 11은 도 10에 도시된 파라미터 값들을 이용하여 작성된 각 파라미터들의 추세선을 보여주는 그래프이다.
도 12는 도 7의 내부 임피던스에 포함된 제1저항 변화에 따른 배터리의 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13은 도 7의 내부 임피던스에 포함된 제2저항 및 커패시터 변화에 따른 배터리의 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 14는 도 7의 내부 임피던스에 포함된 제1저항, 제2저항 및 커패시터 변화에 따른 배터리의 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모의 장치를 통해 모의한 배터리 전압을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모의 방법의 구현 과정을 나타내는 플로우차트이다.
도 18는 도 17의 룩업 테이블을 생성하는 과정을 구체적으로 나타내는 플로우차트이다.

이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예들에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모의 장치와 전력 관리 장치가 연계된 전체 모의 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 배터리의 DC 전압을 모의하기 위해서 본 발명에 따른 배터리 모의 장치(1000)와 피시험체인 전력 관리 장치(2000)를 백투백(Back To Back) 구조로 연결하였다. 본 발명의 일 실시예에서는 배터리 에너지 저장 시스템의 전력 관리 장치(2000)를 피시험체로 설명하기로 하겠으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니므로 배터리로부터 DC 전압을 공급받는 것이라면 그 종류에 관계없이 피시험체가 될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모의 장치(1000)는 배터리 에너지 저장 시스템에 포함되는 전력 관리 장치(2000)에 연결되어, 잉여 에너지를 저장했다가 피크 부하 또는 계통 사고 발생 시 저장된 에너지를 계통에 공급하는 배터리의 특성을 모의하기 위한 것이다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에서 모의한 배터리는 잉여 에너지를 저장하기 위한 충전 및 저장된 에너지를 계통에 공급하기 위한 방전을 반복해서 수행함으로써, 계통의 에너지를 안정화시킬 수 있는 2차 전지일 수 있다.

구체적으로, 본 발명에서는 배터리 모의 장치(1000)와 전력 관리 장치(2000)의 직류단을 서로 연결하고, 교류단을 전력 계통과 연결하고, 배터리 모의 장치(1000)가 임의의 시험 전압인 DC 전원을 생성하여 전력 관리 장치(2000)로 공급할 수 있도록 구성하였다.

배터리 모의 장치(1000)는 제1차단기(110), 제1필터(120), 제1인버터(130) 및 제1평활 커패시터(140)를 포함하고, 전력 관리 장치(2000)는 제2차단기(1110), 제2필터(1120), 제2인버터(1130) 및 제2평활 커패시터(1140)를 포함한다.

배터리 모의 장치(1000)와 전력 관리 장치(2000)의 차단기(110, 1110)는 각각 계통(3000)의 변압기(5000)에 연결되어 교류 전압을 공급받으며, 사고 발생시 사고 전류가 계통(3000)으로 유입되거나, 배터리 모의 장치(1000) 또는 전력 관리 장치(2000)로 유입되는 것을 차단하는 역할을 수행한다.

배터리 모의 장치(1000)와 전력 관리 장치(2000)의 필터(120, 1120)는 변압기(5000)를 통해 감압된 교류 전압의 고조파를 감소시키거나 인버터(130, 1130)로부터 출력되는 교류 전압의 고조파를 감소시키는 역할을 수행한다.

도 2에서는, 이러한 필터(120, 1120)가 LCL타입으로 구성되는 것으로 도시하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니므로 다른 소자를 포함하여 다양한 형태로 필터(120, 1120)를 구성하는 것도 가능하다.

배터리 모의 장치(1000)와 전력 관리 장치(2000)의 인버터(130, 1130)는 필터(120, 1120)로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하거나, 직류단에 연결된 상대 기기 즉, 전력 관리 장치(2000) 또는 배터리 모의 장치(1000)로부터 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 역할을 수행한다.

배터리 모의 장치(1000)와 전력 관리 장치(2000)의 평활 커패시터(140, 1140)는 인버터(130, 1130)로 입력되는 직류 전압 또는 인버터(130, 1130)로부터 출력되는 직류 전압을 평활화하는 역할을 수행한다. 이러한 평활 커패시터(140, 1140)의 전압이 미리 충전되어 있어야, 배터리 모의 장치(1000)에 전력 관리 장치(2000)를 연결할 때 돌입 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 우선 계통(3000) 전원을 이용하여 배터리 모의 장치(1000)의 제1평활 커패시터(140)를 충전하고, 충전된 제1평활 커패시터(140)를 이용한 제1인버터(130) 스위칭을 통해 배터리 모의 장치(1000)가 계통(3000)과 연계된다. 그리고 계통(3000)과 연계된 배터리 모의 장치(1000)는 DC 전압을 유지하기 위한 제어를 시작하고 전력 관리 장치(2000)는 해당 DC 전압을 통해 제2평활 커패시터(1140)를 충전한 후 계통(3000)과 연계됨으로써 안정적으로 동작이 가능하다.

계통(3000)에 연결된 스위칭기어(Switching Gear)(4000)는 사고 발생시 사고 전류가 계통(3000)으로 유입되거나 배터리 모의 장치(1000) 또는 전력 관리 장치(2000) 내로 유입되는 것을 차단한다. 또한, 배터리 모의 장치(1000) 또는 전력 관리 장치(2000)를 계통(3000)에 연결시키거나 연결을 해제하는 역할을 수행한다.

변압기(5000)는 계통(3000)의 교류 전압을 미리 정해진 값으로 감압하여 배터리 모의 장치(1000) 또는 전력 관리 장치(2000)로 공급하거나, 배터리 모의 장치(1000) 또는 전력 관리 장치(2000)로부터 출력되는 교류 전압을 미리 정해진 값으로 승압하여 계통(3000)으로 제공하는 역할을 수행한다.

도 3은 도 2의 배터리 모의 장치를 제어하기 위한 제어 시스템의 세부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모의 장치의 제어 시스템은 기준 전압 출력부(200), 전압 제어부(300), 전류 제어부(400) 및 필터 제어부(500)를 포함한다.

기준 전압 출력부(200)는 모의 대상이 되는 배터리의 내부 임피던스에 배터리 모의 장치에 포함된 인버터의 출력 전류를 반영하여 임피던스 전압을 산출하고, 임피던스 전압 및 배터리의 개방회로 전압(Open Circuit Voltage; OCV)을 이용하여 배터리 기준 전압(

)을 연산하고, 배터리 기준 전압(

)을 배터리 모의 장치에 연계된 피시험체 즉, 전력 관리 장치로 출력한다. 이 때, 임피던스 전압이란 배터리의 내부 임피던스에 인가되는 전압을 의미한다.

즉, 본 발명의 일 실시예에서는 배터리 모의 장치와 피시험체의 직류단을 서로 연결하고, 임의의 DC 전압으로 피시험체를 동작시킨 후 피시험체의 동작 특성에 기초하여 피시험체로 공급해야 하는 출력 전압을 모의하는 것을 특징으로 한다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 전압 출력부(200)는 모의 대상이 되는 배터리의 내부 임피던스 특성과 개방회로 전압을 이용하여 출력 전압을 모의함으로써 피시험체에 연계되는 배터리의 실제 출력을 유사하게 모의할 수 있다.

특히, 본 발명의 일 실시예에서는 배터리의 내부 임피던스 특성을 반영하여 배터리를 모의함에 있어서, 배터리의 노화에 따른 내부 임피던스 특성 변화를 추가로 고려함으로써 배터리와 실질적으로 유사한 DC 전압을 모의할 수 있다.

도 4는 배터리 노화에 따른 배터리의 내부 임피던스 특성 변화를 나타내는 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 수명에 따라 내부 임피던스가 증가함을 알 수 있다.

구체적으로, 배터리는 기대 수명의 절반에 도달하면서부터 내부 저항이 증가하고 용량이 감소함에 따라 내부 임피던스가 증가하게 되므로, 배터리의 내부 임피던스 특성을 반영하여 배터리를 모의함에 있어서는 배터리 수명에 따른 내부 임피던스 변화를 고려해야 한다.

즉, 배터리의 내부 임피던스 변화는 배터리와 연계된 전력 관리 장치(2000) 동작에 영향을 미치기 때문에, 배터리의 내부 임피던스 변화를 고려하지 않을 경우 해당 배터리의 DC 전원을 공급받은 전력 관리 장치(2000)에 대한 구동 시험은 정확하게 수행될 수 없다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 배터리의 노화를 반영하여 내부 임피던스 특성을 결정하고, 결정된 내부 임피던스에 기초하여 실제 배터리의 동작과 유사하게 출력 전압을 모의함으로써 전력 관리 장치(2000)의 동작을 정확하게 검증할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 배터리의 노화를 고려하여 결정된 임피던스 특성을 반영하여 출력할 기준 전압을 연산하는 과정을 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 5는 도 3의 기준 전압 출력부의 세부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 전압 출력부(200)는 전류 측정부(210), 배터리 충전량 연산부(220), 임피던스 전압 연산부(230), 개방회로 전압 획득부(240), 기준 전압 연산부(250) 및 룩업 테이블 생성부(260)를 포함한다.

전류 측정부(210)는 배터리 모의 장치에 포함된 인버터를 통해 피시험체로 출력되는 출력 전류를 측정하여, 임피던스 전압 연산부(230), 싸이클 연산부(235) 및 배터리 충전량 연산부(220)로 전달한다.

즉, 전류 측정부(210)는 본 발명의 일 실시예에 따라 모의된 2차 전지 타입의 배터리 모의 장치의 충전 및 방전의 반복 수행에 따른, 전력 관리 장치로의 출력 전류를 측정한다.

배터리 충전량 연산부(220)는 상기 전류 측정부(210)를 통해 측정되는 인버터의 출력 전류에 기초하여 모의 대상이 되는 배터리의 충전량(State Of Charge; SOC)을 연산한다. 즉, 배터리의 출력 전압은 배터리의 충전량에 따라서 달라지기 때문에 배터리 충전량 연산부(220)는 모의할 배터리의 충전량을 연산하되, 특히 본 발명의 일 실시예에서는 출력 전류에 기초하는 전류적산법을 이용하여 모의 대상이 되는 배터리의 충전량을 연산할 수 있다.

전류적산법은 배터리가 충전 및 방전을 반복 수행하는 동안의 충전 전류와 방전 전류를 모두 적산함으로써 특정 순간의 배터리의 충전량을 추정하는 방법이다.

임피던스 전압 연산부(230)는 배터리 충전량 연산부(220)를 통해 연산된 배터리의 충전량에 대응되는 배터리의 내부 임피던스의 파라미터를 이용하여 임피던스 전압을 연산한다.

즉, 모의 대상이 되는 배터리의 충전량에 따라서 배터리의 내부 임피던스의 파라미터가 다른 값을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에서는 배터리의 충전량에 대응되는 내부 임피던스의 파라미터를 이용하되, 배터리의 충전량에 대응되는 내부 임피던스의 파라미터를 미리 룩업 테이블 형태로 구축하고 있을 수 있다.

따라서, 임피던스 전압 연산부(230)는 룩업 테이블로부터 배터리의 충전량에 대응되는 내부 임피던스의 파라미터를 추출하고, 해당 내부 임피던스의 파라미터를 이용하여 임피던스 전압을 연산할 수 있다.

구체적으로, 임피던스 전압 연산부(230)는 옴의 법칙을 이용하여 상기 추출된 배터리의 내부 임피던스의 파라미터와 인버터의 출력 전류를 곱한 값으로 임피던스 전압을 연산할 수 있다.

개방회로 전압 획득부(240)는 배터리 충전량 연산부(220)를 통해 연산된 배터리의 충전량에 대응되는 배터리의 개방회로 전압(Open Circuit Voltage; OCV)을 획득한다.

즉, 배터리의 충전량에 따라서 배터리의 개방회로 전압은 다른 값을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에서는 배터리의 충전량에 대응되는 배터리의 개방회로 전압을 이용하되, 배터리의 충전량에 대응되는 배터리의 개방회로 전압을 미리 룩업 테이블 형태로 구축하고 있을 수 있다.

따라서, 개방회로 전압 획득부(240)는 룩업 테이블로부터 배터리의 충전량에 대응되는 배터리의 개방회로 전압을 추출하는 방식으로 개방회로 전압을 획득할 수 있다.

기준 전압 연산부(250)는 임피던스 전압 연산부(230)를 통해 연산된 임피던스 전압과 개방회로 전압 획득부(240)를 통해 획득된 개방회로 전압을 이용하여 배터리의 양 단자간의 전압을 의미하는 배터리 전압을 연산하는데, 기준 전압 연산부(250)를 통해 연산된 배터리 전압이 배터리 모의 장치로부터 피시험체로 출력할 기준 전압이 된다.

구체적으로 기준 전압 연산부(250)는 임피던스 전압과 개방회로 전압을 합산하여 기준 전압을 연산한다. 이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모의 장치는 배터리의 내부 임피던스 특성을 고려함으로써 신뢰성 높고 실제와 유사한 배터리의 동작을 모의할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 전압 출력부(200)는 싸이클 연산부(235)를 더 포함할 수 있다.

싸이클 연산부(235)는 모의 대상이 되는 배터리의 충전 또는 방전 싸이클을 연산하고, 연산된 충전 또는 방전 싸이클을 임피던스 전압 연산부(230)로 전달한다.

즉, 배터리의 노화에 따라 내부 임피던스가 달라질 수 있으므로 본 발명의 일 실시예에서는 배터리가 충방전된 싸이클을 임피던스 전압 연산부(230)로 전달함으로써, 임피던스 전압 연산부(230)가 배터리의 노화된 상태에 기초하여 임피던스 전압을 연산할 수 있도록 한다.

구체적으로, 싸이클 연산부(235)는 전류 측정부(210)를 통해 측정되는, 적산된 상기 출력 전류가 모의 대상이 되는 배터리의 기준 용량을 초과하면 기 연산된 싸이클을 1회 증가시킨다. 이 때, 기준 용량은 배터리의 노화에 영향을 줄 수 있을 정도의 1회 충전량 또는 방전량에 대응되는 전류값을 의미할 수 있으며, 배터리의 특성에 따라 다른 값으로 설정될 수 있다. 상기에서는 전류 측정부(210)가 배터리 모의 장치의 인버터로부터 전력 관리 장치로 출력되는 출력 전류를 측정하기 때문에, 싸이클 연산부(235)가 연산하는 싸이클은 방전 싸이클을 의미할 수 있으나 본 발명은 이에 한정되지 않으므로 전력 관리 장치로부터 출력되는 출력 전류를 측정하여 충전 싸이클을 연산하는 것도 가능하다.

그리고, 임피던스 전압 연산부(230)는 전술한 바와 같이, 룩업 테이블로부터 배터리 충전량 연산부(220)를 통해 연산된 배터리의 충전량에 대응되는 배터리의 내부 임피던스의 파라미터를 추출하고, 상기 추출된 임피던스 파라미터에 싸이클 연산부(235)를 통해 연산된 배터리의 충전 또는 방전 싸이클에 기초한 임피던스 증가율을 적용함으로써, 배터리의 충방전 싸이클이 반영된 임피던스를 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 전압 연산부(230)는 충방전 싸이클에 대응하여 미리 설정된 임피던스 증가율을 임피던스 파라미터에 적용할 수 있으며, 상기 임피던스 증가율은 모의 대상이 되는 배터리의 특성에 기초하여 미리 설정된 값일 수 있다. 일례로, 임피던스 증가율은 1%/10싸이클로 설정되어, 배터리의 충방전 싸이클이 10회에 도달할 때마다 상기 임피던스 파라미터를 일정하게 1%씩 증가시킬 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으므로 지수함수에 따라 증가하는 임피던스 증가율을 반영하는 것도 가능하며, 이 경우 임피던스 증가율은 배터리 충방전 싸이클이 증가됨에 따라 일정하지 않고 증가하는 값을 갖는다.

임피던스 전압 연산부(230)는 상기 임피던스 증가율을 적용하여 결정된 임피던스 파라미터와 인버터의 출력 전류를 곱한 값으로 임피던스 전압을 연산할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모의 장치는 배터리의 충전량 별로 배터리의 내부 임피던스의 파라미터와 개방회로 전압이 저장된 룩업 테이블을 생성하는 룩업 테이블 생성부(260)를 더 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이 임피던스 전압 연산부(230)와 개방회로 전압 획득부(240)는 미리 구축된 룩업 테이블로부터 배터리의 충전량에 대응되는 내부 임피던스의 파라미터와 개방회로 전압을 각각 추출하는데, 룩업 테이블 생성부(260)는 상기 내부 임피던스의 파라미터와 개방회로 전압이 저장된 룩업 테이블을 생성한다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 모의 대상이 되는 배터리의 특성을 룩업 테이블로 저장해두고, 해당 배터리에 연계된 피시험체의 동작에 기초하여 저장된 배터리의 특성 중 모의할 특성을 룩업 테이블로부터 추출하여 DC 전압을 모의하여 출력함으로써, 모의 대상이 되는 배터리의 특성을 보다 유사하게 모의할 수 있다.

도 6은 도 5의 룩업 테이블 생성부의 세부 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 룩업 테이블 생성부(260)는 파라미터 산출함수 추출부(261), 파라미터 값 획득부(263) 및 파라미터 추세함수 산출부(265)를 포함한다.

파라미터 산출함수 추출부(261)는 미리 정해진 배터리 등가모델로부터 배터리의 내부 임피던스(Impedance)를 구성하는 파라미터들의 산출함수를 추출한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 등가모델은, 2차 전지의 과도상태(Transient state)에 대한 특성을 표현할 수 있도록 배터리에 직렬로 연결된 제1저항과, 서로 병렬로 연결된 제2저항과 커패시터를 포함하여 구성된 등가모델로 나타내기로 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모의 장치의 배터리의 내부 임피던스의 등가회로도를 나타내는 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 배터리 등가모델이 배터리(261a)에 직렬로 연결된 제1저항(Ri, 261b)과, 서로 병렬로 연결된 하나의 제2저항(Rd, 261c) 및 하나의 커패시터(Cd, 261d)를 포함하며, 부하가 연결되지 않은 상태로 구성되는 것으로 가정하여 설명하기로 한다.

도 7에서, 제1저항(261b)은 배터리의 내부저항(Ohmic Resistance, 미도시)과 전하전이저항(Charge Transfer Resistance, 미도시)의 합을 의미한다. 여기서, 배터리의 내부저항이란 전해질, 전극, 단자대의 저항성분과 같이 배터리의 전극과 내부를 연결하는 전체 저항을 의미한다. 또한, 전하전이저항은 배터리 내부에서 전하 이동이 방해되는 정도에 해당하는 저항을 의미한다.

제2저항(261c)은 배터리 내부에서 물질의 확산으로 인해 전하전이가 방해되는 정도를 나타내는 확산저항(Diffusion Resistance)을 의미하고, 커패시터(261d)는 제2저항(261c)과 동일하게 배터리 내부에서 물질의 확산으로 인해 전하전이가 방해되는 정도를 나타내는 확산 커패시터(Diffusion Capacitance)를 의미한다.

따라서, 도 7에 도시된 것과 같은 배터리 등가모델을 이용하는 경우, 배터리의 내부 임피던스는 그 파라미터로써, 제1저항(261b), 제2저항(261c), 및 커패시터(261d)를 포함할 수 있고, 파라미터 산출함수 추출부(261)는 배터리 등가모델로부터 제1저항(261b)의 산출함수, 제2저항(261c)의 산출함수, 및 커패시터(261d)의 산출함수를 추출하게 된다. 즉, 파라미터 산출함수는 제1저항(261b), 제2저항(261c) 및 커패시터(261d)와 같은 파라미터 값을 산출하기 위한 함수를 의미한다.

본 발명에서는 각 파라미터의 산출함수를 추출하기 위해, 배터리를 정전류-정전압 방법으로 충전한 후, 미리 정해진 시간, 예컨대 1시간의 휴지 시간을 가진 뒤 미리 정해진 값(예컨대 충전량을 10% 방전시킬 수 있는 전류량)을 갖는 방전전류를 배터리에 인가함으로써 배터리를 방전시키는 과정을 복수회 반복하고, 각각의 충전량에서의 개방회로 전압을 측정한다.

도 8은 배터리 방전시 측정된 개방회로 전압과 배터리에 인가되는 방전전류의 프로파일을 보여주는 그래프이다.

도 9는 배터리 방전시 측정된 개방회로 전압의 프로파일의 확대도를 보여주는 그래프이다.

이 때, 측정된 개방회로 전압과 배터리에 인가되는 방전전류의 프로파일은 도 8에 도시된 바와 같고, 특정 충전량에서의 전압의 파형을 확대하면 도 9에 도시된 바와 같다.

이 때, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 배터리로 인가되던 방전전류가 차단되는 시점에서 배터리의 개방회로 전압은 순간적으로 제1전압 값까지 상승하게 되고, 이후 지수함수적으로 상승하여 제2전압 값으로 수렴하게 된다는 것을 알 수 있다.

이러한 경우, 파라미터 산출함수 추출부(261)는 제1저항(261b)의 산출함수를 아래의 수학식 1에 기재된 바와 같이, 제1전압 값인 VRi와 방전전류인 IDischarge의 비율로 정의되는 함수로 추출할 수 있다.

수학식 1에서, Ri는 제1저항(261b)을 나타내고, VRi는 제1전압 값을 나타내며, IDischarge는 배터리에 인가되는 방전전류를 나타낸다.

다음으로, 파라미터 산출함수 추출부(261)는, 제2저항(261c)의 산출함수를 아래의 수학식 2에 기재된 바와 같이, 제1전압 값과 제2전압 값의 차이인 VRD와 방전전류인 IDischarge의 비율로 정의되는 함수로 추출할 수 있다.

수학식 2에서, Rd는 제2저항(261c)을 나타내고, VRd는 제1전압 값과 제2전압 값의 차이를 나타내며, IDischarge는 배터리에 인가되는 방전전류를 나타낸다.

다음으로, 파라미터 산출함수 추출부(261)는, 커패시터(261d)의 산출함수를 아래의 수학식 3에 기재된 바와 같이, 배터리의 개방전압이 제2전압 값으로 수렴하는 경우의 시정수(τ)와 제2저항(Rd)의 비율로 정의되는 함수로 추출할 수 있다.

수학식 3에서, Cd는 커패시터(261d)를 나타내고, τ는 개방전압이 제2전압 값으로 수렴하는 경우의 시정수를 나타내며, Rd는 제2저항(261c)을 나타낸다.

다시 도 6을 참조하면, 파라미터 값 획득부(263)는, 파라미터 산출함수 추출부(261)에 의해 추출된 각 파라미터의 파라미터 산출함수를 이용하여 배터리의 충전량을 변화시켜가면서 배터리의 충전량 별로 각 파라미터 값을 획득한다.

도 10은 배터리의 내부 임피던스를 구성하는 파라미터들의 값을 보여주는 테이블이다.

예컨대, 도 10에 도시된 바와 같이, 파라미터 값 획득부(263)는, 배터리의 충전량을 10%씩 감소시켜가면서 각각의 충전량에서 각 파라미터의 산출함수를 이용하여 개방회로 전압(261a), 제1저항(261b), 제2저항(261c), 및 커패시터(261d)의 값을 획득할 수 있다.

다시 도 6을 참조하면, 파라미터 추세함수 산출부(265)는 파라미터 값 획득부(263)에 의해 획득된 배터리의 충전량 별 파라미터 값들을 이용하여 배터리의 충전량을 변수로 하는 파라미터의 추세함수를 산출한다.

일 실시예에 있어서, 파라미터 추세함수 산출부(265)는 각 파라미터의 값들을 이용하여 추세선을 작성하고, 작성된 추세선으로부터 배터리의 충전량을 변수로 하는 파라미터 추세함수를 산출한다.

도 11은 도 10에 도시된 파라미터 값들을 이용하여 작성된 각 파라미터들의 추세선을 보여주는 그래프이다.

예컨대, 상술한 도 10에 도시된 바와 같은 파라미터 값들이 획득된 경우, 파라미터 추세함수 산출부(265)는 도 11에 도시된 바와 같이, 각 파라미터 별로 획득된 7개의 파라미터 값을 이용하여 추세선을 작성하고, 작성된 추세선으로부터 수학식 4 내지 7에 기재된 바와 같은 파라미터 추세함수를 산출하게 된다.

본 발명의 일 실시예에서는 룩업 테이블 생성부가(260)가 파라미터 추세함수 산출부(265)를 포함하여, 개방회로 전압(261a), 제1저항(261b), 제2저항(261c), 및 커패시터(261d) 각각에 대한 추세함수를 산출하여 룩업 테이블을 생성하는 것으로 기재하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 파라미터 값 획득부(263)를 통해 획득된 도 10과 같은 개방회로 전압(261a), 제1저항(261b), 제2저항(261c), 및 커패시터(261d) 각각에 대한 파라미터 값 자체를 저장하는 방식으로 룩업 테이블을 생성하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명은 전술한 방식 이외의 방식을 통해서 모의 대상이 되는 배터리의 충전량 별로 배터리의 내부 임피던스의 파라미터와 개방회로 전압이 저장된 룩업 테이블을 생성하는 것도 가능하다.

다시 도 3을 참조하면, 제어부(300, 400, 500)는 배터리 모의 장치에 포함된 인버터의 출력 전압이 기준 전압 출력부(200)를 통해 연산된 기준 전압을 추종하도록 하기 위한 제어 신호를 생성하여, 인버터로 출력한다. 이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 제어부(300, 400, 500)는 전압 제어부(300), 전류 제어부(400) 및 필터 제어부(500)를 포함할 수 있다.

전압 제어부(300)는 배터리 모의 장치의 모의 결과에 따른 인버터의 출력 전압(

)이 기준 전압출력부(200)를 통해 출력되는 기준 전압을 추종하도록 하기 위한 제1제어 신호를 출력하고, 제1제어 신호에 따라 인버터 출력 전류의 기준 전류(

)가 결정된다.

전류 제어부(400)는 인버터의 출력 전류(

)가 전압 제어부(300)를 통해 출력되는 기준 전류를 추종하도록 하기 위한 제2제어 신호를 출력하고, 제2제어 신호에 따라 인버터 출력 전압의 기준 전압(

)이 결정된다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 제어부(400)는 배터리 모의 장치의 출력 전류(

)가 상기의 기준 전류에 피시험체의 출력 전류(

)를 반영하여 보상한 값을 추종하도록 하기 위한 제2제어 신호를 출력한다.

즉, 본 발명의 일 실시예에서는 배터리 모의 장치를 통해 DC 전압을 유지하는 DC 전압 제어 방식으로 피시험체의 출력 전력을 제어해야 하는데, 출력 전력 제어는 DC 전압 제어에 비해서 응답성이 빠르기 때문에 피시험체가 과도(Transient) 상태로 동작할 때 DC 전압에 변동이 생긴다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 제어부(400)는 피시험체의 출력 전류(

)를 전향보상하여 제2제어 신호를 생성하여 출력함으로써 DC 전압의 변동을 억제한다.

구체적으로 전류 제어부(400)는 인버터의 출력 전류가 상기 기준 전류에서 피시험체의 출력 전류를 뺀 값을 추종할 수 있도록 제2제어 신호를 생성한다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 배터리 모의 장치(1000)와 피시험체(2000)는 백투백 구조로 직류단이 서로 연결되어 있어 배터리 모의 장치(1000)와 피시험체(2000)의 전류는 서로 부호가 반대이므로, 본 발명의 실시예에서는 기준 전류에서 피시험체의 출력 전류를 뺀 값과 인버터의 출력 전류를 비교하여 제2제어 신호를 생성한다.

필터 제어부(500)는 계통으로부터 공급되는 교류 전압의 고조파 저감을 위한 보상 신호를 출력하여 전류 제어부(400)를 통해 출력되는 제2제어 신호를 보상한다. 보상된 제2제어 신호에 따라 인버터 출력 전압의 기준 전압(

)이 결정되고, 인버터는 계통으로부터 공급되는 교류 전압을 기준 전압(

)에 해당하는 직류 전압으로 변환하여 전력 보상 장치로 출력하게 된다.

도 12는 도 7의 내부 임피던스에 포함된 제1저항 변화에 따른 배터리의 전압 특성을 나타낸 그래프이다.

도 13은 도 7의 내부 임피던스에 포함된 제2저항 및 커패시터 변화에 따른 배터리의 전압 특성을 나타낸 그래프이다.

도 14는 도 7의 내부 임피던스에 포함된 제1저항, 제2저항 및 커패시터 변화에 따른 배터리의 전압 특성을 나타낸 그래프이다.

전술한 바와 같이, 배터리의 노화에 따라 내부 임피던스가 달라질 수 있으며, 배터리 등가모델을 도 7과 같이 구성한 경우 배터리의 내부 임피던스 성분은 제1저항, 서로 병렬로 연결된 제2저항 및 커패시터를 포함한다.

그리고 배터리 노화로 인해서 도 7과 같은 등가모델을 갖는 배터리의 내부 임피던스가 달라질 경우, 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이 배터리의 임피던스 전압도 달라짐을 확인할 수 있다.

구체적으로, 도 12에 도시된 바와 같이 제1저항(261b)이 120%, 150%, 200%로 증가할 경우 임피던스 전압의 순간 전압 변화가 달라지고, 도 13에 도시된 바와 같이 제2저항(261c) 및 커패시터(261d)의 병렬 임피던스가 120%, 150%, 200%로 증가할 경우 임피던스 전압은 순간 전압 변화 이후의 전압 변동 기울기가 달라진다.

따라서, 제1저항(261b), 제2저항(261c) 및 커패시터(261d)가 연결된 전체 임피던스를 고려할 경우, 임피던스 전압의 순간 전압 변화와 전압 변동 기울기가 도 14와 같이 변동됨을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 배터리의 노화에 따른 내부 임피던스 변화를 반영하여 임피던스 전압을 연산할 수 있도록 싸이클 연산부(235)가 전술한 바와 같이 배터리가 충전 또는 방전된 싸이클을 임피던스 전압 연산부(230)로 전달하고, 임피던스 전압 연산부(230)는 싸이클 연산부(235)를 통해 연산된 배터리의 충방전 싸이클을 반영하여 도 7 내지 도 11을 통해 설명한 바와 같이 임피던스 전압을 새롭게 연산한다.

도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모의 장치를 통해 모의한 배터리 전압을 나타내는 그래프이다. 도 15는 배터리 노화에 따른 임피던스 특성 변화를 반영하여 배터리를 모의한 전압을 나타내고, 도 16의 (A)는 도 15에서 0초에서 200초까지 모의된 배터리 전압, 및 (B)는 19,800초에서 20,000초까지 모의된 배터리 전압을 나타낸다.

도 16의 (A)에 도시된 바와 같이, 배터리의 사용 초기에는 배터리에 노화가 발생하지 않아 임피던스 특성에 변화가 없기 때문에 모의된 배터리 전압의 최대값이 800V를 초과하지 않음을 확인할 수 있다. 반면, 도 16의 (B)에 도시된 바와 같이, 배터리의 사용 시간이 증가함에 따라 노화가 발생하여 임피던스 특성이 변화하였고, 그로 인한 임피던스 증가로 모의된 배터리 전압의 최대값이 800V를 초과하였음을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 배터리의 노화를 고려하여 내부 임피던스를 증가시킴으로써 실제와 유사하게 배터리를 모의할 수 있으며, 모의된 배터리에 연계된 전력 관리 장치(2000)는 배터리의 노화까지 고려된 출력 전압을 바탕으로 전력 관리 장치(2000) 동작 및 운영을 위한 검증 시험이 가능하다. 즉, 배터리의 노화에 따라 증가된 전압을 고려하지 않고 전력 관리 장치(2000)의 동작 및 운영을 위한 검증 시험을 진행한 후, 이를 실제 계통에 연결할 경우 실제 배터리가 노화되어 과전압이 전력 관리 장치(2000)로 인가되면 전력 관리 장치(2000)에는 과전압으로 인한 고장이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 배터리의 노화를 반영하여 실제와 유사하게 배터리를 모의함으로써, 배터리에 연계될 전력 관리 장치(2000)에서 과전압으로 인한 고장이 발생하지 않도록 미리 대응 방안을 마련할 수 있다.

이하 도 17 및 도 18을 참조하여, 본 발명에 따른 배터리 모의 방법을 설명한다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모의 방법의 구현 과정을 나타내는 플로우차트이다.

도 18은 도 17의 룩업 테이블을 생성하는 과정을 구체적으로 나타내는 플로우차트이다.

도 17에 도시된 바와 같이, 먼저, 룩업 테이블 생성부(260)는 배터리의 충전량 별로 각각 대응되는 배터리의 내부 임피던스의 파라미터와 개방회로 전압에 대한 룩업 테이블을 생성한다(S100).

구체적으로 상기의 룩업 테이블을 생성하기 위해서, 도 18에 도시된 바와 같이, 룩업 테이블 생성부(260)는 미리 정해진 배터리 등가모델로부터 배터리의 내부 임피던스의 파라미터 산출함수를 추출한다(S110).

일 실시예에 있어서, 배터리의 내부 임피던스의 파라미터는, 배터리의 내부저항과 전하전이저항으로 이루어진 제1저항, 배터리 내부의 확산현상에 의한 제2저항, 및 배터리 내부의 확산현상에 의한 커패시터를 포함할 수 있다.

따라서, 배터리의 내부 임피던스의 파라미터 산출함수는 제1저항의 산출함수, 제2저항의 산출함수, 및 커패시터의 산출함수를 포함하게 된다.

본 발명에서는 각 파라미터의 산출함수를 추출하기 위해, 배터리를 정전류-정전압 방법으로 충전한 후, 미리 정해지 시간, 예컨대 1시간의 휴지 시간을 가진 뒤 미리 정해진 값(예컨대 충전량을 10% 방전시킬 수 있는 전류량)을 갖는 방전전류를 배터리에 인가함으로써 배터리를 방전시키는 과정을 복수회 반복하고, 각각의 충전량에서의 개방회로 전압을 측정한다.

이 때, 배터리로 인가되던 방전전류가 차단되는 시점에서 배터리의 개방회로 전압은 순간적으로 제1전압값까지 상승하게 되고, 이후 지수함수적으로 상승하여 제2전압값으로 수렴하게 된다는 것을 알 수 있다. 본 발명에서는 이러한 원리를 이용하여 각 파라미터의 산출함수를 추출한다.

제1저항의 산출함수는 상술한 수학식 1에 기재되어 있고, 제2저항의 산출함수는 수학식 2에 기재되어 있으며, 커패시터의 산출함수는 수학식 3에 기재되어 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다음으로, 룩업 테이블 생성부(260)는 배터리의 충전량(SOC)을 변화시켜 가면서 배터리의 각 충전량 별로 파라미터 산출함수를 이용하여 파라미터 값을 획득한다(S120). 예컨대, 도 10에 도시된 바와 같이, 배터리의 충전량을 10%씩 감소시켜가면서 각각의 충전량에서 각 파라미터의 산출함수를 이용하여 개방회로 전압, 제1저항, 제2저항, 및 커패시터의 값을 획득할 수 있다.

다음으로, 룩업 테이블 생성부(260)는 상기의 단계(S120)에서 획득된 배터리의 충전량 별 파라미터 값들을 이용하여 배터리의 충전량을 변수로 하는 파라미터의 추세함수를 산출한다(S130).

일 실시예에 있어서, 파라미터의 추세함수는 각 파라미터의 값들을 이용하여 작성된 추세선으로부터 산출할 수 있다.

상기의 단계(S110 내지 S130)를 통해 룩업 테이블을 생성한 후, 전류 측정부(210)는 배터리 모의 장치의 인버터로부터 피시험체로 출력되는 출력 전류를 측정한다(S200).

다음으로, 싸이클 연산부(235)는 적산된 출력 전류가 모의 대상이 되는 배터리의 기준 용량을 초과하는지 판단하고(S310), 적산된 출력 전류가 모의 대상이 되는 배터리의 기준 용량을 초과한 경우 기 연산된 충방전 싸이클을 1회 증가시킨다(S320).

즉, 배터리의 임피던스는 배터리의 노화 정도에 따라 달라지기 때문에 싸이클 연산부(235)는 배터리가 충방전된 횟수를 연산함으로써, 배터리가 노화된 정도를 확인할 수 있도록 한다.

전술한 바와 같이, 전류 측정부(210)는 배터리 모의 장치의 인버터로부터 피시험체로 출력되는 출력 전류를 측정하기 때문에, 싸이클 연산부(235)가 연산하는 싸이클은 방전 싸이클을 의미할 수 있으나 본 발명은 이에 한정되지 않으므로 피시험체로부터 출력되는 출력 전류를 측정하여 충전 싸이클을 연산하는 것도 가능하다.

구체적으로, 싸이클 연산부(235)는 배터리가 방전된 싸이클 횟수에 기초하여 배터리가 노화된 정도를 확인할 수 있도록, 피시험체로 출력되어 적산된 출력 전류가 배터리의 기준 용량을 초과하는지 판단한다. 이 때, 기준 용량은 배터리의 노화에 영향을 줄 수 있을 정도의 1회 방전량에 대응되는 전류값을 의미할 수 있으며, 배터리의 특성에 따라 다른 값으로 설정될 수 있다.

한편, 배터리 충전량 연산부(220)는 상기의 단계(S200)에서 측정된 출력 전류에 기초하여 배터리의 충전량(SOC)을 연산한다(S330). 즉, 배터리의 출력 전압은 배터리의 충전량에 따라서 달라지기 때문에 배터리 충전량 연산부(220)는 모의 대상이 되는 배터리의 충전량을 연산하되, 특히 본 발명의 일 실시예에서는 출력 전류에 기초하는 전류적산법을 이용하여 배터리의 충전량을 연산할 수 있다.

상기의 단계(S310 및 S330)의 동작은 기재된 순서에 한정되지 않는다. 즉, 적산된 출력 전류가 배터리의 기준 용량을 초과하는지 판단(S310)하거나, 배터리의 충전량을 연산(S330)하는 과정은 출력 전류가 측정되기만 하면 수행될 수 있으므로 상기의 단계들은 동시에 수행될 수도 있다.

다음으로, 임피던스 전압 연산부(230)는 배터리 충전량 연산부(220)를 통해 연산된 배터리의 충전량에 대응되는 배터리의 내부 임피던스의 파라미터에, 싸이클 연산부(235)를 통해 연산된 충방전 싸이클에 따른 임피던스 증가율을 적용함으로써(S400), 배터리의 내부 임피던스에 인가되는 전압인 임피던스 전압을 연산한다.

구체적으로 임피던스 전압 연산부(230)는 전술한 단계(S100)에서 룩업 테이블 생성부(260)를 통해 생성된 룩업 테이블에서 배터리의 충전량에 대응되는 내부 임피던스의 파라미터를 추출할 수 있고, 모의 대상이 되는 배터리의 특성에 기초하여 미리 설정된 임피던스 증가율을 상기 추출된 내부 임피던스의 파라미터에 적용함으로써, 배터리의 노화가 반영된 내부 임피던스 파라미터를 획득할 수 있다. 그리고 배터리의 노화가 반영된 내부 임피던스 파라미터를 이용하여 임피던스 전압을 연산할 수 있다.

구체적으로, 임피던스 전압 연산부(230)는 옴의 법칙을 이용하여 내부 임피던스의 파라미터와 인버터의 출력 전류를 곱한 값으로 임피던스 전압을 연산할 수 있다.

한편, 상기의 단계(S310)에서 적산된 출력 전류가 배터리의 기준 용량을 초과하지 않으면 싸이클 연산부(235)는 방전 싸이클을 증가시키지 않으므로, 임피던스 전압 연산부(230)는 기 연산된 방전 싸이클에 따른 임피던스 증가율을 내부 임피던스 파라미터에 적용한다.

다음으로, 개방회로 전압 획득부(240)는 배터리 충전량 연산부(220)를 통해 연산된 배터리의 충전량에 대응되는 배터리의 개방회로 전압(OCV)을 획득한다(S500).

구체적으로 개방회로 전압 획득부(240)는 전술한 단계(S100)에서 룩업 테이블 생성부(260)를 통해 생성된 룩업 테이블로부터 배터리의 충전량에 대응되는 배터리의 개방회로 전압을 추출함으로써, 배터리의 개방회로 전압을 획득할 수 있다.

상기에서는 임피던스 전압 연산부(230)가 임피던스 전압을 연산한 후, 개방회로 전압 획득부(240)가 배터리의 개방회로 전압을 획득하는 것으로 기재하였으나, 본 발명은 이러한 순서에 한정되지 않는다. 따라서, 임피던스 전압 연산부(230)의 임피던스 전압 연산과 개방회로 전압 획득부(240)의 개방회로 전압 획득은 동시에 수행되는 것은 물론, 개방회로 전압 획득부(240)의 개방회로 전압 획득이 먼저 수행되는 것도 가능하다.

다음으로, 기준 전압 연산부(250)는 임피던스 전압 연산부(230)를 통해 연산된 임피던스 전압과 개방회로 전압 획득부(240)를 통해 획득된 개방회로 전압을 이용하여 피시험체로 출력해야 하는 기준 전압을 연산하여 출력한다(S600).

구체적으로 기준 전압 연산부(250)는 임피던스 전압과 개방회로 전압을 합산하여 기준 전압을 연산할 수 있다.

다음으로, 도시하지는 않았지만, 전압 제어부(300)가 배터리 모의 장치의 출력 전압이 상기 기준 전압을 추종하도록 하기 위한 제1제어 신호를 생성하여 출력하고, 전류 제어부(400)가 배터리 모의 장치의 출력 전류가 상기 기준 전류를 추종하도록 하기 위한 제2제어 신호를 생성하여 출력하고, 필터 제어부(500)가 변압기를 통해 입력되는 교류 전압의 고조파 저감을 위한 보상 신호를 출력하여 상기 제2제어 신호를 보상하는 과정들이 추가로 수행될 수 있다.

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.

110, 1110: 차단기 120, 1120: 필터
130, 1130: 인버터 140, 1140: 평활 커패시터
200: 기준 전압 출력부 210: 전류 측정부
220: 배터리 충전량 연산부 230: 임피던스 전압 연산부
235: 싸이클 연산부 240: 개방회로 전압 획득부
250: 기준 전압 연산부 260: 룩업 테이블 생성부
261: 파라미터 산출함수 추출부 263: 파라미터 값 획득부
265: 파라미터 추세함수 산출부 300: 전압 제어부
400: 전류 제어부 500: 필터 제어부
1000: 배터리 모의 장치

Claims (14)

1. 배터리의 충전 및 방전을 관리하는 전력 관리 장치에 연계된 상기 배터리를 모의하는 배터리 모의 장치에 있어서,
   상기 배터리의 충전 또는 방전 싸이클에 따라 결정되는 상기 배터리의 내부 임피던스와, 상기 전력 관리 장치로 출력되는 출력 전류를 이용하여 임피던스 전압을 연산하는 임피던스 전압 연산부; 및
   상기 임피던스 전압과 상기 배터리의 개방회로 전압(Open Circuit Voltage; OCV)을 이용하여 기준 전압을 연산하고, 상기 전력 관리 장치로 출력하는 기준 전압 연산부를 포함하는 배터리 모의 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 배터리의 충전 또는 방전 싸이클을 연산하는 싸이클 연산부를 더 포함하고,
   상기 임피던스 전압 연산부는, 상기 싸이클 연산부를 통해 연산된 충전 또는 방전 싸이클에 대응되는 임피던스 증가율을 이용하여 상기 배터리의 내부 임피던스를 결정하고,
   상기 임피던스 증가율은 상기 충전 또는 방전 싸이클이 증가함에 따라 증가하도록 설정된 것을 특징으로 하는 배터리 모의 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 배터리의 충전 또는 방전 싸이클을 연산하는 싸이클 연산부를 더 포함하고,
   상기 싸이클 연산부는, 상기 출력 전류의 적산된 값이 상기 배터리의 기준 용량을 초과하는 경우 기 연산된 충전 또는 방전 싸이클을 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모의 장치.
4. 제1항에 있어서,
   계통으로부터 입력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 전력 관리 장치로 출력하는 인버터; 및
   상기 인버터의 출력 전압이 상기 기준 전압을 추종하도록 하기 위한 제어 신호를 상기 인버터로 출력하는 제어부를 더 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 전력 관리 장치로부터 출력되는 출력 전류를 전향보상한 결과에 기초하여 상기 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모의 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 전력 관리 장치로 출력되는 출력 전류에 기초하여 상기 배터리의 충전량(State Of Charge; SOC)을 연산하는 배터리 충전량 연산부를 더 포함하고,
   상기 임피던스 전압 연산부는, 상기 연산된 배터리의 충전량, 및 상기 배터리의 충전 또는 방전 싸이클에 대응되는 임피던스 증가율을 반영하여 상기 배터리의 내부 임피던스를 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 모의 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 배터리의 충전량 별로 상기 배터리의 내부 임피던스를 구성하는 파라미터 값을 획득하여, 상기 배터리의 충전량 별로 상기 내부 임피던스 및 상기 개방회로 전압이 저장된 룩업 테이블을 생성하는 룩업 테이블 생성부를 더 포함하고,
   상기 임피던스 전압 연산부는 상기 충전 또는 방전 싸이클이 증가함에 따라 상기 룩업 테이블에 저장된 상기 배터리의 내부 임피던스를 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모의 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 룩업 테이블 생성부는,
   상기 배터리의 충전량 별로 획득된 상기 파라미터 값들로부터 상기 배터리의 충전량을 변수로 하는 상기 파라미터의 추세함수를 산출하고, 상기 파라미터의 추세함수에 기초하여 상기 배터리의 충전량 별로 상기 내부 임피던스 및 상기 개방회로 전압이 저장된 룩업 테이블을 생성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모의 장치.
8. 제6항에 있어서,
   상기 내부 임피던스를 구성하는 파라미터는, 상기 배터리의 내부저항과 전하전이저항으로 이루어진 제1저항, 상기 배터리 내부의 확산(Diffusion)현상에 의한 제2저항, 및 상기 배터리 내부의 확산현상에 의한 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모의 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 룩업 테이블 생성부는, 상기 배터리의 내부 임피던스를 구성하는 파라미터를 산출하는 파라미터 산출함수 추출부를 포함하고,
   상기 파라미터 산출함수 추출부는, 상기 배터리에 인가되는 제1 전류의 차단으로 인해 상승된 배터리의 제1 전압 값과 상기 제1 전류 값의 비율로 정의되는 함수를 상기 제1 저항의 산출함수로 추출하고, 상기 배터리에 인가되는 제1 전류의 차단으로 인해 상승된 배터리의 제1 전압 값과 상기 배터리의 전압이 지수함수적으로 증가하여 수렴하는 제2 전압 값의 차이와 상기 제1 전류 값의 비율로 정의되는 함수를 상기 제2 저항의 산출함수로 추출하고, 상기 배터리의 전압이 상기 배터리에 인가되는 제1 전류의 차단으로 인해 상승된 제1 전압 값으로부터 지수함수적으로 증가하여 수렴하는 경우의 시정수와 상기 제2 저항의 비율로 정의되는 함수를 상기 커패시터의 산출함수로 추출하는 것을 특징으로 하는 배터리 모의 장치.
10. 배터리의 충전 및 방전을 관리하는 전력 관리 장치에 연계된 상기 배터리를 모의하는 배터리 모의 방법에 있어서,
    상기 전력 관리 장치로 출력하는 출력 전류에 기초하여 모의 대상이 되는 배터리의 충전량을 연산하고, 상기 출력 전류에 기초하여 상기 배터리의 충전 또는 방전 싸이클을 연산하는 단계;
    상기 배터리의 충전량, 및 상기 충전 또는 방전 싸이클을 이용하여 결정되는 상기 배터리의 내부 임피던스에 상기 출력 전류를 반영하여 임피던스 전압을 연산하고, 상기 배터리의 충전량에 대응되는 개방회로 전압을 획득하는 단계; 및
    상기 임피던스 전압과 개방회로 전압을 이용하여 상기 전력 관리 장치로 출력할 기준 전압을 연산하는 단계를 포함하는 배터리 모의 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 임피던스 전압을 연산하고, 상기 개방회로 전압을 획득하는 단계는,
    상기 충전 또는 방전 싸이클이 증가함에 따라 상기 배터리의 내부 임피던스를 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모의 방법.
12. 제10항에 있어서,
    상기 충전 또는 방전 싸이클을 연산하는 단계는, 상기 출력 전류의 적산된 값이 상기 배터리의 기준 용량을 초과하는 경우 기 연산된 충전 또는 방전 싸이클을 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모의 방법.
13. 제10항에 있어서,
    상기 배터리의 충전량을 연산하기 전에, 모의 대상이 되는 배터리의 충전량 별로 상기 배터리의 내부 임피던스 및 상기 개방회로 전압이 저장된 룩업 테이블을 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 임피던스 전압을 연산하고, 상기 개방회로 전압을 획득하는 단계는, 상기 충전 또는 방전 싸이클이 증가함에 따라 상기 룩업 테이블에 저장된 상기 배터리의 내부 임피던스를 증가시키는 것을 특징으로 하는 배터리 모의 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 배터리의 내부 임피던스 전압을 연산하기 위한 임피던스의 파라미터는, 상기 배터리의 내부저항과 전하전이저항으로 이루어진 제1저항, 상기 배터리 내부의 확산(Diffusion)현상에 의한 제2저항, 및 상기 배터리 내부의 확산현상에 의한 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모의 방법.

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