KR20190050386A - 배터리 소비전력량 관리 및 수명 관리장치 - Google Patents

배터리 소비전력량 관리 및 수명 관리장치 Download PDF

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Abstract

배터리 수명 관리장치는 방전모드에서 일정한 소비전력을 갖는 적어도 하나 이상의 부하기기에 전력을 공급하는 배터리와, 상기 배터리와 상기 부하기기 사이의 전류를 측정하는 전류 측정부와, 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부와, 상기 배터리의 소모 전력량을 측정하는 전력량 측정부와, 상기 전류 측정부, 상기 전압 측정부 및 상기 전력량 측정부에서 측정된 데이터를 실시간으로 제공받으며 시간을 기준으로 측정된 데이터를 모니터링하고 저장하며, 측정된 데이터를 표시장치에 표시하도록 제어하는 배터리 모니터링부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 소비전력량 관리 및 수명 관리장치{Battery life management device}
본 발명은 배터리 관리장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 배터리 수명을 예측하여 경고하는 배터리 수명 관리장치에 관한 것이다.
주로 납축전지로 구성되는 산업용 배터리는 비상 전원용 기기(UPS 등)에 제한적으로 사용되어 왔다. 최근에는 전동 지게차와 굴삭기 등에 사용되는 특수 장비용 배터리 시장의 성장세가 두드러지고 있다.
또한, 스마트폰과 태블릿PC 등 다양한 모바일 기기의 등장과 함께 늘어난 모바일 데이터 처리용 소형 무선 기지국이 증가함에 따라 기지국에 사용되는 산업용 배터리의 수요가 크게 증가하고 있다.
또한, 차세대 녹색성장의 중심에 있는 하이브리드 자동차에도 납축전지, 리튬전지로 구성된 배터리가 사용되고 있으며, 태양광과 풍력 산업은 물론 Smart Grid 사업에도 전력저장용 납축전지가 사용되고 있어 납축전지 시장은 성장을 지속할 것으로 전망되고 있다.
납축전지 또는 리튬전지로 구성된 배터리, 즉 2차 전지 시장의 확대에 따라 국내외 기업들이 전기자동차, 전기스쿠터 등을 비롯해 태양열 에너지 저장장치 등에 탑재되는 배터리 관리시스템(BMS: Battery Management System)) 관련 기술 및 제품 개발이 활발히 이루어지고 있다.
배터리는 통상적으로 사용한지 2 ~ 3년이 지나면 사용 지속시간이 절반 이하로 줄어들어, 한 번 충전으로 5시간을 사용하던 배터리를 2시간 정도마다 충전해야 하고, 사용시간이 줄어든 배터리는 결국 폐기 처분하게 된다.
리튬전지 또는 납축전지로 이루어진 배터리는 안정적인 전압 출력을 유지하는 장점이 있으나, 과충전/과방전시 배터리 수명이 급격히 단축된다. 특히 과방전 상태가 지속될 경우 배터리 수명에 치명적이다.
특히, 충전기에서 공급되는 전원의 안정성에 따라 배터리의 수명이 단축될 수도 있으므로, 배터리 충전기에서 공급되는 충전용 직류전원을 안정적으로 제어할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
일반적인 배터리 충전장치는, 다수의 배터리팩들을 병렬로 연결하여 충전과 방전을 진행한다.
따라서 다수의 배터리를 동시에 충전 할 경우 충전하는 전류가 높아야 하며, 충전하는 시간도 일정한 전류로 충전을 할 경우 완전충전까지의 시간이 많이 소요된다.
특히, 과방전이 진행된 다수의 배터리를 완전충전하기까지 시간이 오래 소요되므로, 충전 후 배터리로 전원을 공급할 수 있을 때까지 대기 시간이 길어져 배터리의 전원을 장시간 사용하지 못하는 경우가 발생된다. 과방전시에는 완전충전까지 시간이 길어질 뿐만 아니라, 전체 배터리의 사이클도 단축시켜서 교체주기가 단축될 수 있다.
또한, 직렬타입 충전방식은 충전과 방전이 분리되어서 충방전을 동시에 진행할 수 없다. 즉 충전이 완료된 후에 스위치를 동작하여 방전을 할 수 있는 구성이며, 일부 배터리를 선택하여 개별적으로 충방전을 진행할 수 없다.
한편, 다수의 배터리를 관리할 경우, 배터리의 수명을 미리 파악하여 적정시점에 새로운 배터리로 교체해야 연속적인 장비운영에 지장을 초래하지 않는다.
하지만 종래의 배터리 관리 시스템은 납축전지의 전해액의 농도를 파악하여 수명을 예측하는 방식을 사용하거나, 배터리의 스펙에 명시된 수명을 고려하여 교체주기를 결정하므로 배터리 불량을 초기에 발견하기 힘들고 체계적인 관리가 힘든 단점이 있다.
KR 10-2014-0051881 A
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 일정한 방전조건에서 소비 전력량(Wh)에 따른 배터리 전압의 변화값(ΔV)을 시간별로 파악하고 그 변화율의 차이를 토대로 배터리의 노후화 정도를 파악할 수 있는 배터리 수명 관리장치를 제공한다.
또한, 복수의 배터리 각각의 전압을 실시간으로 감지하며, 방전완료전압 및 완전충전전압을 기준으로 각 배터리가 충전모드 또는 방전모드로 동작하도록 제어할 수 있는 배터리 수명 관리장치를 제공한다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 방전모드에서 일정한 소비전력을 갖는 적어도 하나 이상의 부하기기에 전력을 공급하는 배터리와, 상기 배터리와 상기 부하기기 사이의 전류를 측정하는 전류 측정부와, 상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부와, 상기 배터리의 소모 전력량을 측정하는 전력량 측정부와, 상기 전류 측정부, 상기 전압 측정부 및 상기 전력량 측정부에서 측정된 데이터를 실시간으로 제공받으며 시간을 기준으로 측정된 데이터를 모니터링하고 저장하며, 측정된 데이터를 표시장치에 표시하도록 제어하는 배터리 모니터링부를 포함하는 배터리 수명 관리장치가 제공된다.
본 발명에 포함되는 상기 배터리 모니터링부는, 1일 동안의 소비 전력량이 미리 설정된 제1 기준 소비 전력량을 초과하는 시점부터 경고를 출력하도록 제어하고, 상기 제1 기준 소비 전력량보다 더 큰 제2 기준 소비 전력량을 초과하는 시점부터 배터리 방전을 차단하도록 제어하거나, 예비 전력량을 고려하여 추가 전력량을 부여하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 포함되는 상기 배터리 모니터링부는, 새롭게 장착된 배터리의 기준 성능데이터를 소정의 기준기간까지 파악함에 있어서, 상기 부하기기에 의해 발생되는 일정한 방전조건에서 소비 전력량(Wh)에 따른 배터리 전압의 변화값(ΔV)을 시간별로 파악하여 상기 기준 성능데이터로서 저장하며, 상기 기준기간 이후에도 소비 전력량(Wh)에 따른 배터리 전압의 변화값(ΔV)을 시간별로 파악하여 상기 기준 성능데이터와 비교하면서 그 변화율의 차이를 토대로 상기 배터리의 노후화 정도를 파악하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 포함되는 상기 배터리 모니터링부는, 새롭게 장착된 배터리의 기준 성능데이터를 소정의 기준기간까지 파악함에 있어서, 상기 부하기기에 의해 발생되는 일정한 방전조건에서 소비 전력량(Wh)에 따른 배터리 전압의 변화값(ΔV)을 시간별로 파악하고, 소비 전력량(Wh) 대비 배터리 전압의 변화값(ΔV)과, 배터리 전압의 변화값(ΔV) 대비 전력사용시간을 산출하여 상기 기준 성능데이터로서 저장하되, 상기 기준기간 이후에도 소비 전력량(Wh) 대비 배터리 전압의 변화값(ΔV)과, 배터리 전압의 변화값(ΔV) 대비 전력사용시간을 산출하여 상기 기준 성능데이터와 비교하면서 그 변화율의 차이를 토대로 상기 배터리의 노후화 정도를 파악하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 포함되는 상기 배터리 모니터링부는, 상기 기준기간 이후의 소비 전력량(Wh) 대비 배터리 전압의 변화값(ΔV)과, 배터리 전압의 변화값(ΔV) 대비 전력사용시간의 변화율이 상기 기준 성능데이터에 대비하여 모두 50% 이하의 성능을 가질 때 상기 배터리의 노후화에 따른 1차 교체 필요상태로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 포함되는 상기 배터리 모니터링부는, 전력사용시간 대비 방전 전류량(mAh)의 변화율과, 전력사용시간 대비 소비 전력량(Wh)의 변화율을 추가로 산출하고, 상기 1차 교체 필요상태로 판단한 상태에서, 전력사용시간 대비 소비 전력량(Wh)의 변화율이, 전력사용시간 대비 방전 전류량(mAh)의 변화율의 2배수를 초과할 때, 상기 배터리의 노후화에 따른 2차 교체 필요상태로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 수명 관리장치는, 일정한 방전조건에서 소비 전력량(Wh)에 따른 배터리 전압의 변화값(ΔV)을 시간별로 파악하고 그 변화율의 차이를 토대로 배터리의 노후화 정도를 파악할 수 있다.
따라서 전해액 측정기와 같은 별도의 장비가 필요하지 않고, 배터리와 부하기기 사이의 전류와, 배터리의 전압과, 배터리의 소모 전력량을 시간별로 파악하여 배터리의 노후화 정도를 파악할 수 있다.
또한, 배터리 수명 관리장치는 복수의 배터리 각각의 전압을 실시간으로 감지하며, 방전완료전압 및 완전충전전압을 기준으로 각 배터리가 충전모드 또는 방전모드로 동작하도록 제어할 수 있다. 따라서 배터리의 사용시간을 연장시킬 수 있으며, 배터리의 전원을 이용하여 동작하는 장치의 동작 연속성을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 수명 관리장치(1)의 블럭도
도 2는 도 1의 배터리 수명 관리장치(1)의 구성도
도 3은 도 1의 배터리 수명 관리장치(1)의 표시장치를 나타낸 도면
도 4는 배터리 수명 관리장치(1)의 다른 구성도
도 5는 도 4의 배터리 수명 관리장치(1)의 상세한 구성도
도 6은 도 4의 배터리 수명 관리장치(1)의 동작과정을 나타낸 제1 순서도
도 7은 도 4의 배터리 수명 관리장치(1)의 동작과정을 나타낸 제2 순서도
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 수명 관리장치(1)의 블럭도이고, 도 2는 도 1의 배터리 수명 관리장치(1)의 구성도이다.
본 실시예에 따른 배터리 수명 관리장치(1)는 제안하고자 하는 기술적인 사상을 명확하게 설명하기 위한 간략한 구성만을 포함하고 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 수명 관리장치(1)는 태양 전지판(10)과, 충전기(20)와, 멀티 충방전 제어부(30)와, 복수의 배터리(40), 전류 측정부(100), 전압 측정부(200), 전력량 측정부(300) 및 배터리 모니터링부(400)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성되는 배터리 수명 관리장치(1)의 세부구성과 주요동작을 살펴보면 다음과 같다.
우선, 복수의 배터리(40), 전류 측정부(100), 전압 측정부(200), 전력량 측정부(300) 및 배터리 모니터링부(400)에 대한 연결동작을 상세히 설명하며, 태양 전지판(10)과, 충전기(20)와, 멀티 충방전 제어부(30)에 대한 설명은 후술하기로 한다.
본 실시예에서는 온도가 일정하다고 가정하고 배터리 수명 관리장치(1)의 동작을 설명한다. 실시예에 따라 배터리 수명 관리장치(1)가 온도 감지부를 더 포함하여 구성될 수 있는데, 온도 감지부가 더 포함될 경우, 감지된 온도값에 따라 측정된 데이터를 보정하도록 구성되는 것이 바람직할 것이다.
배터리(40)는 방전모드에서 일정한 소비전력을 갖는 적어도 하나 이상의 부하기기(50)에 전력을 공급한다.
여기에서 배터리(40)는 충전할 수 있는 납충전지 또는 리튬이온 전지 등으로 정의할 수 있으며, 부하기기는 모터, 가정용 전자기기, 산업용 전자기기, 휴대용 장치, 기지국 장치 등으로 정의될 수 있다.
전류 측정부(100)는 배터리(40)와 부하기기(50) 사이의 전류를 측정하고, 전압 측정부(200)는 배터리(40)의 전압을 측정한다. 또한, 전력량 측정부(300)는 배터리(40)의 소모 전력량을 측정한다.
배터리 모니터링부(400)는 전류 측정부(100), 전압 측정부(200) 및 전력량 측정부(300)에서 측정된 데이터를 실시간으로 제공받으며 시간을 기준으로 측정된 데이터를 모니터링하고 저장하며, 측정된 데이터를 표시장치에 표시하도록 제어한다.
우선, 배터리 모니터링부(400)는 1일 동안의 소비 전력량(Wh)이 미리 설정된 제1 기준 소비 전력량(Wh)을 초과하는 시점부터 경고를 출력하도록 제어한다.
다음으로, 배터리 모니터링부(400)는 제1 기준 소비 전력량(Wh)보다 더 큰 제2 기준 소비 전력량(Wh)을 초과하는 시점부터 배터리 방전을 차단하도록 제어하거나, 예비 전력량을 고려하여 추가 전력량을 부여하도록 제어할 수 있다.
또한, 배터리 모니터링부(400)는 새롭게 장착된 배터리(40)의 기준 성능데이터(STD_DATA)를 소정의 기준기간(STD)까지 파악하여 성능지표를 파악한다. 여기에서 소정의 기준기간(STD)은 새로운 배터리가 장착되어 사용되는 시점으로부터 10일 이내의 기간으로 정의될 수 있으며, 일주일 정도가 가장 적합한 기간으로 설정될 수 있다.
즉, 배터리 모니터링부(400)는 부하기기(50)에 의해 발생되는 일정한 방전조건에서 소비 전력량(Wh)에 따른 배터리 전압의 변화값(ΔV)을 시간별로 파악하여 기준 성능데이터(STD_DATA)로서 저장한다.
이때 부하기기(50)의 소비전력(W)은 일정하다고 가정한다. 즉, 일반적으로 배터리를 사용하는 시스템에서는 부하기기(50)의 소비전력(W)을 고려하여 설계되는데, 본 실시예에서 부하기기(50)가 소모하는 소비전력(W)은 정상적인 상태에서는 항상 일정하다고 가정하고, 그 편차가 발생하더라도 15%를 초과하지 않는다고 정의한다. 또한, 배터리 전압의 변화는 방전종지전압 직전까지 측정하는 것이 가장 바람직하다.
배터리 모니터링부(400)는 새로운 배터리가 장착되고 성능지표를 파악한 후, 즉 기준기간(STD) 이후에도 소비 전력량(Wh)에 따른 배터리 전압의 변화값(ΔV)을 시간별로 파악하여 기준 성능데이터(STD_DATA)와 비교하면서 그 변화율의 차이를 토대로 배터리의 노후화 정도를 파악한다.
즉, 배터리 모니터링부(400)는 새롭게 장착된 배터리(40)의 기준 성능데이터(STD_DATA)를 소정의 기준기간(STD)까지 파악함에 있어서,
부하기기(50)에 의해 발생되는 일정한 방전조건에서 소비 전력량(Wh)에 따른 배터리 전압의 변화값(ΔV)을 시간별로 파악하고, 소비 전력량(Wh) 대비 배터리 전압의 변화값(ΔV)과, 배터리 전압의 변화값(ΔV) 대비 전력사용시간을 산출하여 기준 성능데이터(STD_DATA)로서 저장한다. 참고적으로, 배터리 전압의 변화값(ΔV) 대비 소비 전력량(Wh)을 산출하여 소비 전력량(Wh) 대비 배터리 전압의 변화값(ΔV) 대신 기준 성능데이터(STD_DATA)로서 사용할 수도 있다.
이때, 배터리 모니터링부(400)는 기준기간(STD) 이후에도 소비 전력량(Wh) 대비 배터리 전압의 변화값(ΔV)과, 배터리 전압의 변화값(ΔV) 대비 전력사용시간을 산출하여 기준 성능데이터(STD_DATA)와 비교하면서 그 변화율의 차이를 토대로 배터리의 노후화 정도를 파악한다. 이때 7일 내지 10일 정도의 기간 동안 노후화 정도를 파악하는 것이 바람직하다.
배터리 모니터링부(400)는 기준기간(STD) 이후의 소비 전력량(Wh) 대비 배터리 전압의 변화값(ΔV)과, 배터리 전압의 변화값(ΔV) 대비 전력사용시간의 변화율이 기준 성능데이터(STD_DATA)에 대비하여 모두 50% 이하의 성능을 가질 때 배터리의 노후화에 따른 1차 교체 필요상태로 판단한다.
기준 성능데이터(STD_DATA)에 대비하여 모두 50% 이하의 성능을 가진다는 것은 배터리(40)가 노후화 되어 소정의 기준기간(일주일) 동안 파악한 기준 성능데이터(STD_DATA)에 비해 50% 미만의 성능을 가진다는 것을 의미한다. 따라서 1차 교체 필요상태로 판단하는 기준은 60% 이하의 성능저하 기준으로 설정할 수 있으며, 본 실시예에서는 50%를 기준으로 설명하였다.
한편, 배터리 모니터링부(400)는 전력사용시간 대비 방전 전류량(mAh)의 변화율과, 전력사용시간 대비 소비 전력량(Wh)의 변화율을 추가로 산출할 수 있다. - 소정의 기준기간(STD) 동안의 기준 성능데이터(STD_DATA)를 기준으로 변화율을 산출함 - 이때 7일 내지 10일 정도의 기간 동안 노후화 정도를 파악하는 것이 바람직하다.
즉, 배터리 모니터링부(400)는 1차 교체 필요상태로 판단한 상태에서, 전력사용시간 대비 소비 전력량(Wh)의 변화율이, 전력사용시간 대비 방전 전류량(mAh)의 변화율의 2배수를 초과할 때, 배터리(40)의 노후화에 따른 2차 교체 필요상태로 판단한다.
즉, 전력사용시간 대비 소비 전력량(Wh)의 변화율이, 전력사용시간 대비 방전 전류량(mAh)의 변화율의 2배수를 초과한다는 것은, 전력사용시간 대비 소비 전력량(Wh)이 급격하게 하락한다는 것을 의미할 수 있는데, 이는 실제로 일을 많이 하지 못한다는 것을 의미하여 배터리의 노후화를 추정할 수 있는 것이다.
즉, 배터리 모니터링부(400)는 1차 교체 필요상태가 발생한 상태에서도 경고를 출력하도록 제어하고, 2차 교체 필요상태가 추가로 발생할 경우는 배터리 노후화 상태가 매우 심각하다는 경고를 출력할 수 있다.
도 3은 도 1의 배터리 수명 관리장치(1)의 표시장치를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 표시장치는 평판 디스플레이 장치로 구성될 수 있으며, 배터리 모니터링부(400)에서 산출한 데이터와, 전류 측정부(100), 전압 측정부(200) 및 전력량 측정부(300)에서 전송한 데이터를 표시할 수 있다.
또한, 표시장치는 부하기기(50)가 사용한 일일 소비 전력량(Wh), 누적 소비 전력량, 초과 소비 전력량 등을 표시할 수 있다.
또한, 표시장치는 배터리 모니터링부(400)에서 산출한 데이터를 표시할 수 있으므로, 배터리(40)의 성능하락 수치를 기준 성능데이터(STD_DATA)와 비교하여 표시할 수 있다. 또한, 배터리의 노후화 정도를 % 단위로 표시할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 배터리 수명 관리장치(1)는, 1일 사용할 소비전력량을 설정하여 과소비전력 발생시 차단하거나 경고한다. 즉, 배터리 용량은 사용하는 소비전력을 고려하여 설계하므로 과소비가 발생시 배터리의 과방전이 발생되며 수명을 단축시킬 수 있으므로, 일 소비전력을 설정하여 전력사용을 설계값에 맞춰서 사용 할 수 있도록 설정한다.
또한, 배터리 수명 관리장치(1)는 일일 소비전력량을 계측한다. 즉, 배터리로 사용되는 소비전력으로 전력사용량을 파악하며 누적사용량까지 표시하여 전력사용량을 모니터링 할 수 있다.
또한, 배터리 수명 관리장치(1)는 배터리의 충방전 전압 및 전류를 상시 측정하여 부하사용시 소비전력량에 따른 배터리 전압의 변동을 감시한다.
또한, 배터리 수명 관리장치(1)는 배터리 방전 시간을 측정 (전력 사용하는 시간을 측정)한다. 즉, 소비전력에 따른 배터리의 방전시간의 변화를 측정하여 배터리 장시간 사용시의 변화량을 비교할 수 있도록 한다. 즉, 동일한 방전조건에서 초기 설치된 배터리의 방전시간과 장시간 사용한 배터리의 방전시간을 비교하여 초기 소요시간대비 변화량을 측정한다.
또한, 배터리 수명 관리장치(1)는 소비전력에 따른 배터리의 방전 전압과 시간을 비교하고, 설계에 따른 일일 소비할 수 있는 전력량을 설정한다.
A. 초기(설치시) 소비전력 & 배터리 전압변동 Check - (기준설정기간 : 예 7일) -
1. 초기 설치시 배터리 전압Check
2. 초기 소비전력 발생시 배터리 전압Check
3. 배터리 전압변동폭 기록(기준값)
4. 전력사용량(일) 기록 (기준값)
=> 소비전력에 따른 배터리전압 변동폭 기록(기준값)
B. 시간경과후 소비전력 & 배터리 전압변동 Check - (기준설정기간 : 예 7일) -
1. 일일 배터리 전압Check
2. 일일 소비전력 발생시 배터리 전압Check
3. 일일 배터리 전압변동폭 기록
4. 일일 전력사용량 기록
=> 일일 소비전력에 따른 배터리전압 변동폭 기록
표 1 및 표 2를 참조하면, "A"를 기준으로 소비전력에 따른 배터리 전압 변동폭을 기준값(100%)로 "B"와 같이 시간이 경과되면서 소비전력에 따른 배터리 전압 변동폭을 "A" 의 기준값대비 소비전력에 따른 배터리 변화폭을 나타내어 초기 설치시 100%대비 변화량을 대비하여 시간이 경과되면서 %의 변화량을 표시하여 배터리의 수명을 예측하도록 한다.
이와 같이 일일 소비전력량과 누적 소비전력량을 관리하여 시스템의 전력사용 효과를 파악하며, 이에 배터리 전압의 변동량을 일일 관리하여 배터리의 수명을 예측, 관리하여 유지, 보수를 용이하게 할 수 있다.
상술한 배터리 수명 관리장치(1)의 동작 절차를 순서대로 설명하면 다음과 같이 정리 할 수 있다.
1차 : 소비 전력량 대비 전압변동폭
1) 기준 : 설치 후 초기 일정기간 (예 7일간) 평균데이터로 기준값 설정
2) 기준 설정완료 후 변동폭에 따른 변화량값 측정
- 소비전력량에 따른 전압 변동폭의 변화량을 기준값대비 비교 연산
- 배터리 저전압 설정까지 전압폭을 기준으로 비교함
- 소비전력량대비 전압변화폭이 50%이하일 경우 전압변동폭이 동일 소비전력량 사용대비 커지므로 배터리 방전이 크므로 배터리의 수명 단축이 예상됨.
2차 : 전력소비 시간(방전시간) - 전압변동폭 비교
1) 기준 : 설치 후 초기 일정기간 (예 7일간) 평균데이터로 기준값 설정
2) 전력소비시간
- 1V 방전시 소비전력사용시간을 비교하여 기준시간대비 배터리 전압의 변동폭과 소비전력 사용시간의 변화폭을 비교하여 표시
- 기준대비 전압변화폭이 50%이하일 경우 전압변동폭이 전력사용 시간대비 커지므로 빠른 시간내에 방전이 되므로 배터리의 수명 단축이 예상됨.
3차 : 소비전력량 대비 전압변동폭과 시간_전압변동폭을 비교하여 동일하게 50%이하로 발생시
- 배터리의 수명은 기준대비 50%의 이하의 배터리 수명단축이 예상되어 배터리 교체 시기나 수명 단축에 영향을 줄 수 있는 요인을 분석할 수 있는 경고한다.
4차 : 이상 전류나 과전류 사용에 의한 방전 시간 경고
1) 기준 : 설치 후 초기 일정기간 (예 7일간) 평균데이터로 기준값 설정
2) 시간과 전류를 비교하여 시간기준으로 기준값과 비교하여 1보다 클 경우 과전류 사용에 따른 사용시간 단축 영향에 대한 경고 (점검 사항이나 부하 사용 점검필요)
5차 : 전류에 대한 시간과 전류_시간_전력량 비교하여 경고
<전력사용시간 대비 방전 전류량(mAh)의 변화율과, 전력사용시간 대비 소비 전력량(Wh)의 변화율>
1) 기준 : 설치 후 초기 일정기간 (예 7일간) 평균데이터로 기준값 설정
2) 상기 연산값을 상호 비교하여 2배이상 차이가 발생시(전력사용시간 대비 소비 전력량(Wh)의 변화율이, 전력사용시간 대비 방전 전류량(mAh)의 변화율의 2배수를 초과할 때) 배터리의 과방전이나 배터리 교체, 유지, 보수에 대한 점검이 필요하다.
최종적으로 3차 결과와 5차 결과가 동시에 경고시 배터리 수명이 50% 이하로 감소되어 교체시기에 대한 점검이 필요하다.
도 4는 배터리 수명 관리장치(1)의 다른 구성도이다.
도 4를 참조하면, 배터리 수명 관리장치(1)는 태양 전지판(10)과, 충전기(20)와, 멀티 충방전 제어부(30)와, 복수의 배터리(40), 전류 측정부(100), 전압 측정부(200), 전력량 측정부(300) 및 배터리 모니터링부(400)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성되는 배터리 수명 관리장치(1)의 세부구성과 주요동작을 살펴보면 다음과 같다.
전류 측정부(100), 전압 측정부(200), 전력량 측정부(300) 및 배터리 모니터링부(400)에 대한 중복된 설명은 생략하며, 태양 전지판(10)과, 충전기(20)와, 멀티 충방전 제어부(30)와, 복수의 배터리(40)에 상세한 구성을 세부적으로 살펴보기로 한다.
멀티 충방전 제어부(30)는 복수의 배터리(40) 각각의 전압을 실시간으로 감지하며, 방전완료전압 및 완전충전전압을 기준으로 각 배터리가 충전모드 또는 방전모드로 동작하도록 제어한다.
충전기(20)는 태양 전지판(10)으로부터 전달되는 충전전력을 멀티 충방전 제어부(30)의 제어에 따라 복수의 배터리(40)에 선택적으로 전달한다.
멀티 충방전 제어부(30)는, 우선충전모드에서 복수의 배터리(40) 중 선택된 어느 하나의 배터리만을 급속충전한다.
또한, 멀티 충방전 제어부(30)는 모든 배터리의 사용이 중단된 시점으로부터 일정시간 이후, 복수의 배터리(40)와의 연결을 전기적으로 차단하여 대기전력의 소모를 감소시킨다.
또한, 멀티 충방전 제어부(30)는 복수의 배터리(40) 중 방전완료전압 이하인 적어도 어느 하나 이상의 배터리를 충전하고, 완전충전전압에 도달한 적어도 하나 이상의 배터리를 방전대기 상태로 전환하는 제어동작을 실행한다.
여기에서 방전완료전압(Low Battery Voltage, LBV)은 배터리가 충전을 시작해야하는 기준전압으로 정의되고, 완전충전전압(High Battery Voltage, HBV)은 배터리가 완전충전되어 방전(배터리 전원사용)을 할 수 있는 전압으로 정의된다.
도 5는 도 4의 배터리 수명 관리장치(1)의 상세한 구성도이고, 도 6은 도 4의 배터리 수명 관리장치(1)의 동작과정을 나타낸 제1 순서도이고, 도 7은 도 4의 배터리 수명 관리장치(1)의 동작과정을 나타낸 제2 순서도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하여 배터리 수명 관리장치(1)의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.
배터리 수명 관리장치(1)의 멀티 충방전 제어부(30)는, 전압 감지부(31)와, 충전제어신호 생성부(32)와, 배터리 선택부(33)와, 방전 선택부(34)와, 충방전 제어부(35)를 포함하여 구성된다.
전력사용이 증가하거나 태양광발전설비 용량에 따라 다수의 배터리(40)팩을 사용하게 되는데, 다수의 배터리팩(40)들의 구성은 직렬과 병렬 연결된다.
다수의 배터리팩(40)들을 채널별로 구분하여 하나의 충전기(20)로 다수의 배터리팩(40)을 순차적으로 충전을 하거나, 선택적으로 전체 배터리팩(40)을 동시에 병렬 충전이 가능하도록 구성된다.
또한 방전은 설정전압(HBV)까지 충전이 완료된 배터리팩이 우선적으로 진행되도록 하여 다수의 배터리팩들이 동시에 방전되지 않고 완전충전이 될 수 있도록 배터리팩의 채널들을 구분하게 된다.
분리된 다수의 배터리팩 채널들 중 한 개의 채널만 우선 방전이 되며, 나머지 채널들은 충전중이거나 완전충전이 완료된 경우에 방전을 할 수 있는 대기 상태로 전환된다. 또한 방전중인 배터리팩 채널이 설정된 전압(LBV)에 도달하였을 경우에는 자동으로 충전모드로 전환되며, 동시에 충전완료된 후 방전 대기상태인 다른 채널로 전환되어 방전이 진행되도록 한다.
전압 감지부(31)는 과방전과 과충전시의 전압의 설정 - 방전완료전압(Low Battery Voltage, LBV) 또는 완전충전전압(High Battery Voltage, HBV) - 이 가능하며, 설정전압으로 확인되면 제어신호를 생성하여 전달한다. 전압 감지부(31)는 전압을 표시하며, 과방전시 경고나 발광소자(LED)를 이용하여 확인할 수 있도록 한다.
충전제어신호 생성부(32)는 전압 감지부(31)의 감지결과에 따라 복수의 배터리(40)의 충전진행을 순차적으로 제어할수 있도록 제어신호를 출력한다.
즉, 방전완료전압(Low Battery Voltage, LBV)에 도달했다는 신호를 감지하면, 충전될 배터리팩 채널부에 충전을 개시하며, 충전이 완료되면 방전이 될 수 있도록 대기상태로 전환할 수 있도록 제어신호를 출력한다. 이때, 방전완료전압(Low Battery Voltage, LBV)의 도달신호가 순차적으로 감지되면 동시에 충전을 하거나, 채널별로 순차적으로 충전을 제어할 수 있도록 제어신호를 출력한다.
배터리 선택부(33)는 다수의 배터리팩 채널을 자동/수동으로 충전과 방전을 선택할 수 있는 스위치부이며, 수동으로 전환시 임의로 충방전을 차단할 수 있다. 이는 배터리팩 일부채널의 이상이 발생시(배터리 수명완료 등) 수동으로 차단하여 전체 장치의 오동작으로 방지하거나 안전하게 교체할 수 있도록 선택할 수 있다. 배터리 선택부(33)는 자동모드에서는 전압 감지부(31) 및 충전제어신호 생성부(32)에 의해 자동으로 제어된다.
방전 선택부(34)는 배터리팩 각 채널들이 충전이 완료된 상태에서 채널별로 방전이 진행될 수 있도록 제어한다. 완전충전된 상태의 배터리팩 채널은 방전될 수 있도록 대기상태에 있으며, 현재 방전중이 배터리팩 채널이 방전완료전압(Low Battery Voltage, LBV)에 도달되면, 대기 중인 배터리팩 채널이 순차적으로 방전을 진행할 수 있도록 제어하게 된다. 즉, 과방전에 의한 차단후 완전충전된 대기상태의 배터리를 선택하여 계속해서 전력을 사용할 수 있도록 한다. 과방전으로 충전상태에 전환되면 자체 절전모드로 소비전력을 최소화할 수 있다.
충방전 제어부(35)는 각 배터리가 충전 또는 방전 동작을 진행할 수 있도록 충전기(20)의 전력을 선택적으로 전달하거나, 특정 노드와 접촉될 수 있도록 스위칭 동작을 진행한다.
본 발명의 배터리 수명 관리장치(1)는 배터리의 충방전 사이클을 연장하여 장시간 사용에 따른 배터리의 교체 비용 절감을 달성할 수 있다. 또한 유지, 보수비용도 기존 대비 배터리팩 전체 교체에 따른 비용상승과 일부교체시 배터리의 용량차이에 의한 기능 상쇄가 발생할 수 있는 사항을 배터리팩 채널별로 교체시기를 구분할 수 있고, 구분된 채널에 의한 성능저하에 의한 용량의 변화도 감소하여 배터리의 사용 기간을 연장할 수 있다.
참고적으로, 충전기(20)는 태양 전지판(10)에 저장된 직류전원을 공급받아 충전용 직류전원을 생성할 수도 있고, 교류전원을 공급받아 고주파로 스위칭하여 충전용 직류전원을 생성할 수도 있다.
충전기(20)가 고전압의 교류전원을 공급받을 경우, 입력단에 베리스터(varistor) 및 퓨즈, 전자기 노이즈 필터, 과전류 제한회로 등이 배치될 수 있다.
특히, 정류회로의 트랜지스터 및 다이오드는 많은 열을 방출하므로, 히트싱크가 부착될 수 있다. 또한, 정류회로의 소자가 과열될 경우 전류량이 급격하게 증가하여 정류회로가 손상될 수 있으므로, 충전기(20)에 포함된 소자, 특히 정류회로의 소자의 온도값을 토대로 최대 전류값을 제한하도록 구성된다.
즉, 충전기(20)는 생성하는 충전용 직류전원의 최대 전류량을 조절함에 있어서, 내부소자의 온도값을 토대로 출력될 수 있는 최대 전류량을 조절한다.
충전기(20)는 내부소자의 온도값이 기준온도 이하일 경우에는 생성할 수 있는 최대 전류량(정격 전류)을 출력할 수 있도록 제어하고, 내부소자의 온도값이 기준온도 이상일 경우에는 온도 증가에 대응하여 생성할 수 있는 최대 전류량(정격 전류)을 점차 감소시키는 동작을 진행할 수 있다.
도면에 미도시 되었으나, 더미 배터리 셀이 충전성능을 확인하기 위해 배치될 수 있다. 충전기(20)는 디버그 모드 또는 모니터링 모드에서 충전용 직류전원을 더미 배터리 셀에 공급하여 충전한다. 즉, 충전기(20)는 더미 배터리 셀이 충전되는 동안 충전용 직류전원의 변화량을 감지하고, 그 변화량이 기준값을 초과하는지에 따라 충전용 직류전원의 최대 전류량을 조절할 수 있다.
즉, 충전기(20)는 디버그 모드 또는 모니터링 모드에서 외부의 배터리가 연결되지 않더라도, 내장된 더미 배터리 셀을 이용하여 충전상태를 확인할 수 있다.
충전기(20)는 더미 배터리 셀을 충전할 때, 최대 전류량을 점진적으로 상승시키도록 제어하는데, 이때 충전용 직류전원(전압, 전류)의 시간당 변화량을 지속적으로 감시하면서 결과를 기록한다.
만약, 충전용 직류전원이 상승할 때 변화량이 기준 오차값 보다 클 경우, 충전기(20)는 기준 오차값을 초과하기 직전의 전류량을 최대 전류량으로서 설정한다.
참고적으로, 충전기(20)는 더미 배터리 셀의 충전/방전을 최소 10회 이상 반복 진행하면서, 충전용 직류전원의 변화량이 3회 이상 기준 오차값을 초과했을 경우에만 최대 전류량을 제한하도록 설정된다.
또한, 충전기(20)는 충전용 직류전원의 전류 상승구간을 복수의 구간으로 구분한 후, 동일한 구간에서 충전용 직류전원의 변화량이 3회 이상 기준 오차값을 초과했을 경우에만 최대 전류량을 제한하도록 설정될 수도 있다.
예를 들면 0 ~ 1A 상승구간(제1 구간), 1 ~ 2A 상승구간(제2 구간), 2 ~ 3A 상승구간(제3 구간), 3 ~ 4A 상승구간(제4 구간)으로 구분한 후 충전용 직류전원의 변화량을 감시할 수 있는데, 제3 구간에서 3회 이상 기준 오차값이 초과하는 것으로 감지될 경우, 실제 배터리를 충전할 때는 제2 구간의 전류량이 충전용 직류전원의 최대 전류량으로 설정된다.
한편, 더미 배터리 셀은, 충전기(20) 및 멀티 충방전 제어부(30)에 비상용 전원을 공급할 수 있도록 구성될 수 있다. 즉, 더미 배터리 셀에 충전된 전원은 무정전 전원공급부의 기능을 수행할 수 있다.
예를 들면, 외부 배터리를 충전하는 동작 중에 갑자기 정전 등으로 외부 교류전원의 공급이 차단될 경우, 더미 배터리 셀은 충전기(20) 및 멀티 충방전 제어부(30)에 비상용 전원을 공급하여 외부 배터리를 소정의 시간동안 더 충전한 후 충전동작이 안정적으로 정지될 수 있는 전원을 제공할 수 있다.
충전기(20) 및 멀티 충방전 제어부(30)에는 더미 배터리 셀의 전원이 계속해서 공급되고 있으므로, 정전 이후 외부 교류전원이 다시 공급될 경우, 충전기(20) 및 멀티 충방전 제어부(30)는 정전 직전의 충전상태를 고려하여 다시 충전동작을 빠르게 진행할 수 있다.
참고적으로, 충전기(20) 및 멀티 충방전 제어부(30)는 능동소음제거부(Active Noise Control)가 더 포함되어 구성될 수 있는데, 특히 배터리를 충전하는 상태 또는 충전한 후 대기상태에서 발생할 수 있는 고주파 가청 노이즈를 상쇄시키는 동작을 수행할 수 있다.
즉, 능동소음제어부는 미리 설정된 가청 주파수 구간(사람의 가청주파수)에 해당하는 노이즈가 발생하는지를 감지한 후, 노이즈가 발생할 경우 그 영역의 음파를 상쇄시키는 제어음을 발생시켜서 소음을 차단한다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 수명 관리장치는, 일정한 방전조건에서 소비 전력량(Wh)에 따른 배터리 전압의 변화값(ΔV)을 시간별로 파악하고 그 변화율의 차이를 토대로 배터리의 노후화 정도를 파악할 수 있다.
따라서 전해액 측정기와 같은 별도의 장비가 필요하지 않고, 배터리와 부하기기 사이의 전류와, 배터리의 전압과, 배터리의 소모 전력량을 시간별로 파악하여 배터리의 노후화 정도를 파악할 수 있다.
또한, 배터리 수명 관리장치는 복수의 배터리 각각의 전압을 실시간으로 감지하며, 방전완료전압 및 완전충전전압을 기준으로 각 배터리가 충전모드 또는 방전모드로 동작하도록 제어할 수 있다. 따라서 배터리의 사용시간을 연장시킬 수 있으며, 배터리의 전원을 이용하여 동작하는 장치의 동작 연속성을 보장할 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 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 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 태양 전지판
20 : 충전기
30 : 멀티 충방전 제어부
40 : 배터리
100 : 전류 측정부
200 : 전압 측정부
300 : 전력량 측정부
400 : 배터리 모니터링부

Claims (6)

  1. 방전모드에서 일정한 소비전력을 갖는 적어도 하나 이상의 부하기기에 전력을 공급하는 배터리;
    상기 배터리와 상기 부하기기 사이의 전류를 측정하는 전류 측정부;
    상기 배터리의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    상기 배터리의 소모 전력량을 측정하는 전력량 측정부; 및
    상기 전류 측정부, 상기 전압 측정부 및 상기 전력량 측정부에서 측정된 데이터를 실시간으로 제공받으며 시간을 기준으로 측정된 데이터를 모니터링하고 저장하며, 측정된 데이터를 표시장치에 표시하도록 제어하는 배터리 모니터링부;를 포함하는 배터리 수명 관리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모니터링부는,
    1일 동안의 소비 전력량이 미리 설정된 제1 기준 소비 전력량을 초과하는 시점부터 경고를 출력하도록 제어하고, 상기 제1 기준 소비 전력량보다 더 큰 제2 기준 소비 전력량을 초과하는 시점부터 배터리 방전을 차단하도록 제어하거나, 예비 전력량을 고려하여 추가 전력량을 부여하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 관리장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모니터링부는,
    새롭게 장착된 배터리의 기준 성능데이터를 소정의 기준기간까지 파악함에 있어서, 상기 부하기기에 의해 발생되는 일정한 방전조건에서 소비 전력량(Wh)에 따른 배터리 전압의 변화값(ΔV)을 시간별로 파악하여 상기 기준 성능데이터로서 저장하며,
    상기 기준기간 이후에도 소비 전력량(Wh)에 따른 배터리 전압의 변화값(ΔV)을 시간별로 파악하여 상기 기준 성능데이터와 비교하면서 그 변화율의 차이를 토대로 상기 배터리의 노후화 정도를 파악하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 관리장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모니터링부는,
    새롭게 장착된 배터리의 기준 성능데이터를 소정의 기준기간까지 파악함에 있어서, 상기 부하기기에 의해 발생되는 일정한 방전조건에서 소비 전력량(Wh)에 따른 배터리 전압의 변화값(ΔV)을 시간별로 파악하고, 소비 전력량(Wh) 대비 배터리 전압의 변화값(ΔV)과, 배터리 전압의 변화값(ΔV) 대비 전력사용시간을 산출하여 상기 기준 성능데이터로서 저장하되,
    상기 기준기간 이후에도 소비 전력량(Wh) 대비 배터리 전압의 변화값(ΔV)과, 배터리 전압의 변화값(ΔV) 대비 전력사용시간을 산출하여 상기 기준 성능데이터와 비교하면서 그 변화율의 차이를 토대로 상기 배터리의 노후화 정도를 파악하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 관리장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 모니터링부는,
    상기 기준기간 이후의 소비 전력량(Wh) 대비 배터리 전압의 변화값(ΔV)과, 배터리 전압의 변화값(ΔV) 대비 전력사용시간의 변화율이 상기 기준 성능데이터에 대비하여 모두 50% 이하의 성능을 가질 때 상기 배터리의 노후화에 따른 1차 교체 필요상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 관리장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배터리 모니터링부는,
    전력사용시간 대비 방전 전류량(mAh)의 변화율과, 전력사용시간 대비 소비 전력량(Wh)의 변화율을 추가로 산출하고,
    상기 1차 교체 필요상태로 판단한 상태에서, 전력사용시간 대비 소비 전력량(Wh)의 변화율이, 전력사용시간 대비 방전 전류량(mAh)의 변화율의 2배수를 초과할 때, 상기 배터리의 노후화에 따른 2차 교체 필요상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 수명 관리장치.
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