KR20210036053A - Abnormal condition detection system using battery voltage data - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 실시예는 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템에 관한 것이다.An embodiment of the present invention relates to a system for detecting an abnormal condition in advance using battery temperature data.
일반적으로 에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)는 신재생 에너지 시장인 태양광, 풍력 등에서 생산된 에너지를 저장 장치(예를 들면, 배터리)에 저장했다가 필요한 시간대에 전기를 공급하여 전력 사용 효율을 향상시키는 장치를 의미한다. In general, the energy storage system (ESS) stores energy produced in the renewable energy market such as solar and wind power in a storage device (eg, battery) and supplies electricity to the required time period, resulting in efficient use of power. It means a device that improves.
이러한 에너지 저장 장치는 크게 배터리, PCS(Power Conversion System, AC-DC 변환 기능 및 배전 기능을 수행함) 및 EMS(Energy Monitoring System, 전체 ESS 시스템을 운영하고 관장함) 등을 포함한다. 여기서, 배터리는 BMS(Battery Management System)에 의해 전압, 온도 등이 모니터링 및 관리되고, 또한 BMS는 PCS 및/또는 EMS와 필요한 정보를 주고 받는다.These energy storage devices largely include batteries, PCS (Power Conversion System, AC-DC conversion function and distribution function), EMS (Energy Monitoring System, which operates and manages the entire ESS system), and the like. Here, the battery is monitored and managed for voltage, temperature, etc. by a BMS (Battery Management System), and the BMS exchanges necessary information with the PCS and/or EMS.
한편, 배터리는 최근 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등과 같은 이차 전지를 포함하는데, 이러한 이차 전지는 주요 재료가 공기 중에서 불안정한 리튬이기 때문에, 배터리의 열화, 발화 또는 폭발 방지와 같은 안전성의 확보가 무엇보다 중요하다. On the other hand, batteries include secondary batteries such as lithium ion batteries and lithium polymer batteries in recent years.Since the main material of these secondary batteries is lithium, which is unstable in the air, securing safety such as preventing deterioration, ignition or explosion of the battery is more important than anything else. It is important.
그러나, 종래의 ESS는 배터리의 전압이나 온도 등이 기준 범위를 벗어났을 경우, 비로소 BMS, PCS 및/또는 EMS가 동작하여 배터리의 충전/방전을 정지시키고, 시스템 경고를 수행하거나 시스템의 가동을 정지시킴으로써, ESS의 안전성이 낮을 뿐만 아니라 ESS에 화재까지 발생하는 문제가 있었다. 즉, 배터리의 이상으로 전압이나 온도 등이 기준 범위를 벗어나기 전 전조(前兆) 현상을 사전에 감지하여 시스템에 경고를 주거나 시스템의 가동을 정지한다면 ESS의 안전성이 더욱 향상될 수 있는데, 아직까지 이러한 배터리의 이상 시 전조 현상을 사전에 감지하여 향후 발생될 문제를 미리 차단하는 기술이 개발되지 않았다.However, in the conventional ESS, when the voltage or temperature of the battery is out of the standard range, BMS, PCS and/or EMS operate to stop the charging/discharging of the battery, and perform a system warning or stop the operation of the system. By doing so, not only the safety of the ESS is low, but there is a problem that even a fire occurs in the ESS. In other words, the safety of the ESS can be further improved if a warning is given to the system or the operation of the system is stopped by detecting a pre-warning phenomenon before the voltage or temperature goes out of the standard range due to an abnormality of the battery. No technology has been developed that detects the occurrence of a precursor in the event of a battery abnormality and prevents future problems.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.The above-described information disclosed in the technology that serves as the background of the present invention is only for improving an understanding of the background of the present invention, and thus may include information that does not constitute the prior art.
본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 배터리의 다양한 온도 데이터를 이용하여 배터리의 이상에 관련된 전조 현상을 감지하고, 이를 사용자에게 경고하거나 시스템 가동을 정지함으로써 시스템 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템을 제공하는데 있다.The problem to be solved according to an embodiment of the present invention is a battery temperature capable of improving system safety by detecting a precursor phenomenon related to an abnormality of the battery using various temperature data of the battery and warning the user or stopping the system operation. It is to provide a system for detecting abnormal conditions in advance using data.
본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템은 다수의 배터리 셀 각각의 전압을 감지하여 상기 다수의 배터리 셀 각각에 대한 배터리 온도 데이터를 제공하는 온도 센싱부; 상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀간 온도 편차(Ta)를 계산하는 온도 편차 계산부; 상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 변화(Tb)를 계산하는 온도 변화 계산부; 상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 편차의 변화(Tc)를 계산하는 온도 편차 변화 계산부를 포함하는 온도 계산부; 및 상기 온도 편차(Ta), 상기 온도 변화(Tb) 또는 상기 온도 편차의 변화(Tc)를 기준값과 비교하여 시스템 조치 신호를 출력하는 조치 신호 출력부를 포함할 수 있다.An abnormal condition pre-detection system using battery temperature data according to an embodiment of the present invention includes: a temperature sensing unit that senses voltages of each of a plurality of battery cells and provides battery temperature data for each of the plurality of battery cells; A temperature deviation calculator configured to calculate a temperature deviation (Ta) between each battery cell from the battery temperature data; A temperature change calculator configured to calculate a temperature change (Tb) of each battery cell over time from the battery temperature data; A temperature calculation unit including a temperature deviation change calculation unit that calculates a temperature deviation change Tc of each battery cell according to the passage of time from the battery temperature data; And a measure signal output unit configured to output a system measure signal by comparing the temperature deviation (Ta), the temperature change (Tb), or the temperature deviation change (Tc) with a reference value.
상기 조치 신호 출력부의 시스템 조치 신호는 배터리 가동 상세 데이터를 분석하여 실제 이상 발생 여부를 판단하도록 하는 시스템 경고 신호, 점검된 이상 부위에 대한 조치를 취하도록 하는 시스템 위험 신호 또는 시스템을 셧다운시키도록 하는 시스템 셧다운 신호일 수 있다.The system action signal of the action signal output unit is a system warning signal that analyzes detailed battery operation data to determine whether an abnormality has occurred, a system danger signal that takes action on the checked abnormal area, or a system that shuts down the system. It may be a shutdown signal.
상기 시스템 경고 신호 및 상기 시스템 위험 신호를 출력하기 위해 설정된 기준값에 비해 상기 시스템 셧다운 신호를 출력하기 위해 설정된 기준값이 더 높을 수 있다.A reference value set for outputting the system shutdown signal may be higher than a reference value set for outputting the system warning signal and the system danger signal.
상기 온도 계산부는 상기 배터리 셀의 충전 시 정전압 충전 구간 진입 시기를 중심으로 SOC ± 10% 구간에서 동작할 수 있다.The temperature calculation unit may operate in an SOC ± 10% period centering on a time to enter a constant voltage charging period when charging the battery cell.
상기 온도 계산부는 상기 배터리 셀의 방전 시 잔량 SOC 5% 내지 30% 구간에서 동작할 수 있다.The temperature calculator may operate in a range of 5% to 30% of the remaining SOC when the battery cell is discharged.
상기 다수의 배터리 셀은 직렬로 연결된 배터리 셀 또는 병렬로 연결된 배터리 셀을 포함할 수 있다.The plurality of battery cells may include battery cells connected in series or battery cells connected in parallel.
상기 온도 계산부는 상기 온도 변화에 대한 온도 편차의 변화의 비율(Tb/Tc)과 함께 배터리 셀의 온도를 함께 고려하여 이상 발생 여부를 판단할 수 있다.The temperature calculator may determine whether an abnormality has occurred by considering a temperature of a battery cell together with a ratio (Tb/Tc) of a change in temperature deviation with respect to the temperature change.
본 발명의 실시예는 배터리의 다양한 온도 데이터를 이용하여 배터리의 이상에 관련된 전조 현상을 감지하고, 이를 사용자에게 경고하거나 시스템 가동을 정지함으로써 시스템 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템을 제공한다.An embodiment of the present invention detects a precursor phenomenon related to an abnormality of a battery using various temperature data of a battery, and warns a user or stops an operation of the system, thereby improving system safety. Provides a detection system.
도 1은 일반적인 ESS 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템에 이용된 배터리의 구성 예를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템 중 온도 계산부 및 조치 신호 출력부의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템의 동작 설명을 위한 배터리 전압의 변화 및 이상 상황 판단 위치를 도시한 그래프이다.
도 6a 및 6b는 랙을 구성하는 다수의 모듈 트레이 중 하나에서 뱅크의 사이클에 따른 온도 변화를 도시한 도표 및 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 모듈 트레이에서 문제가 있는 뱅크와 정상인 뱅크의 사이클에 따른 온도 변화를 발췌하여 도시한 도표 및 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 모듈 트레이에서 문제가 있는 뱅크와 정상인 뱅크에서 사이클에 따른 배터리 셀의 온도 변화 Tb와 온도 편차 변화 Tc를 도시한 도표 및 그래프이다.1 is a schematic diagram showing the configuration of a general ESS system.
2A and 2B are schematic diagrams illustrating a configuration example of a battery used in a system for detecting an abnormal condition in advance using battery temperature data according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a block diagram showing the configuration of a system for detecting an abnormal state in advance using battery temperature data according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram showing the configuration of a temperature calculation unit and a measure signal output unit in a system for detecting an abnormal state in advance using battery temperature data according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a change in a battery voltage and a position of determining an abnormal condition for explaining the operation of an abnormal condition pre-detection system using battery temperature data according to an exemplary embodiment of the present invention.
6A and 6B are diagrams and graphs illustrating a temperature change according to a cycle of a bank in one of a plurality of module trays constituting a rack.
7A and 7B are diagrams and graphs showing temperature changes according to cycles of a bank having a problem and a bank having a problem in the module tray.
8A and 8B are diagrams and graphs showing a temperature change Tb and a temperature deviation change Tc of a battery cell according to cycles in a bank having a problem in a module tray and a bank in a normal state.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is as follows. It is not limited to the examples. Rather, these embodiments are provided to make the present disclosure more faithful and complete, and to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.In addition, in the following drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals refer to the same elements in the drawings. As used herein, the term “and/or” includes any and all combinations of one or more of the corresponding listed items. In addition, the meaning of "connected" in the present specification means not only the case where the member A and the member B are directly connected, but also the case where the member A and the member B are indirectly connected by interposing a member C between the member A and the member B. do.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terms used in this specification are used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates another case. In addition, when used herein, "comprise, include" and/or "comprising, including" refers to the mentioned shapes, numbers, steps, actions, members, elements, and/or groups thereof. It specifies existence and does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, actions, members, elements, and/or groups.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.In this specification, terms such as first and second are used to describe various members, parts, regions, layers and/or parts, but these members, parts, regions, layers and/or parts are limited by these terms. It is self-evident that it should not be. These terms are only used to distinguish one member, part, region, layer or portion from another region, layer or portion. Accordingly, a first member, component, region, layer or part to be described below may refer to a second member, component, region, layer or part without departing from the teachings of the present invention.
도 1은 일반적인 ESS 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing the configuration of a general ESS system.
도 1에 도시된 바와 같이 ESS 시스템은 신재생 에너지원으로부터 에너지를 받아 저장하며, 이를 위해 BMS를 갖는 배터리, PCS 및 EMS를 포함할 수 있다. BMS는 배터리의 상태를 제어하는 장치로서 배터리의 전압, 온도, 충전/방전 상태를 모니터링하고 모듈 내 단위 배터리 셀간의 충방전 정도가 동일해지도록 조절하는 셀 밸런싱, 배터리의 안전을 위한 과충전 방지, 과방전 방지 등의 보호 기능을 수행하고, 또한 보호회로를 통해 과전류 및 단락 시 메인 스위치를 차단하며, PCS 및 EMS와 통신하는 역할도 한다. 일부 예들에서, 배터리는 리튬이온전지, 리튬인산철전지, 리튬 폴리머전지 또는 리튬 금속전지를 포함할 수 있다. PCS는 신재생 에너지원이나 계통으로부터 전기 에너지를 받아 배터리를 충전하거나 또는 계통으로 배터리에 저장된 에너지를 방출하기 위해 전기의 특성(교류/직류, 전압, 주파수 등)을 변환할 수 있다. EMS(또는 PMS)는 배터리 및 PCS의 상태를 모니터링/제어하고, 컨트롤 센터 등에서 ESS를 통합 모니터링하고 제어하기 위한 운영 시스템을 포함할 수 있다. As shown in FIG. 1, the ESS system receives and stores energy from a renewable energy source, and may include a battery having a BMS, a PCS, and an EMS for this purpose. BMS is a device that controls the state of the battery. Cell balancing that monitors the voltage, temperature, and charge/discharge status of the battery and adjusts the degree of charge/discharge between unit battery cells in the module to be the same, prevents overcharging and over-discharge for the safety of the battery. It performs protection functions such as electric discharge prevention, and also blocks the main switch in case of overcurrent or short circuit through a protection circuit, and also serves to communicate with PCS and EMS. In some examples, the battery may include a lithium ion battery, a lithium iron phosphate battery, a lithium polymer battery, or a lithium metal battery. PCS can receive electrical energy from a renewable energy source or system to charge the battery or convert the characteristics of electricity (AC/DC, voltage, frequency, etc.) to discharge the energy stored in the battery into the system. The EMS (or PMS) monitors/controls the state of the battery and PCS, and may include an operating system for integrated monitoring and control of the ESS in a control center or the like.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템에 이용된 배터리의 구성 예를 도시한 개략도이다.2A and 2B are schematic diagrams illustrating a configuration example of a battery used in a system for detecting an abnormal condition in advance using battery temperature data according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템에서 언급되는 배터리(10)는 다수의 배터리 셀이 병렬로 연결된 구성을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 배터리 셀 S11, S12, S13, S14가 병렬로 연결되어 제1뱅크(S1)를 구성하고, 배터리 셀 S21, S22, S23, S24가 병렬로 연결되어 제2뱅크(S2)를 구성하며, 배터리 셀 S31, S32, S33, S34가 병렬로 연결되어 제3뱅크(S3)를 구성하고, 배터리 셀 S41, S42, S43, S44가 병렬로 연결되어 제4뱅크(S4)를 구성할 수 있다. 여기서, 제1뱅크(S1) 내지 제4뱅크(S4)는 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템에서 언급되는 배터리(10)는 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 구성을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 제1배터리 셀(S1), 제2배터리 셀(S2), 제3배터리 셀(S3) 및 제4배터리 셀(S4)이 직렬로 연결될 수 있다.As shown in FIG. 2A, the
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100)의 구성을 도시한 블럭도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100) 중 온도 계산부(120) 및 조치 신호 출력부(130)의 구성을 도시한 블럭도이다.3 is a block diagram showing the configuration of an abnormal
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템(100)은 온도 센싱부(110), 온도 계산부(120) 및 조치 신호 출력부(130)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 3, the abnormal
일부 예들에서, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템(100)은 SOC 추정부(140), 시간 추정부(150) 및/또는 기준값 저장부(160)를 더 포함할 수 있다.In some examples, the abnormal
온도 센싱부(110)는 다수의 배터리 셀 각각의 전압을 감지하고, 다수의 배터리 셀 각각에 대한 배터리 온도 데이터를 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다. 일례로, 도 2a를 다시 참조하면, 온도 센싱부(110)는 제1뱅크(S1) 내지 제2뱅크(S4)의 온도를 각각 센싱하고, 이를 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다. 다른 예로, 도 2b를 다시 참조하면, 온도 센싱부(110)는 제1배터리 셀(S1) 내지 제4배터리 셀(S4)의 온도를 각각 센싱하고, 이를 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다.The
온도 계산부(120)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 온도 편차 계산부(121), 온도 변화 계산부(122) 및 온도 편차 변화 계산부(123)를 포함할 수 있다. The
온도 편차 계산부(121)는 온도 센싱부(110)로부터 제공받은 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀간 온도 편차(Ta)를 계산하고 이를 조치 신호 출력부(130)에 제공할 수 있다. 온도 변화 계산부(122)는 온도 센싱부(110) 및/또는 온도 편차 계산부(121)로부터 제공받은 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 변화(Tb)를 계산하고 이를 조치 신호 출력부(130)에 제공할 수 있다. 온도 편차 변화 계산부(123)는 온도 센싱부(110), 온도 편차 계산부(121) 및/또는 온도 변화 계산부(122)로부터 제공받은 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 편차 변화(Tc)를 계산하고 이를 조치 신호 출력부(130)에 제공할 수 있다.The temperature
조치 신호 출력부(130)는 온도 계산부(120)로부터 제공받은 온도 편차(Ta), 온도 변화(Tb) 및/또는 상기 온도 편차 변화(Tc)가 미리 설정된 기준값을 벗어날 경우 시스템 조치 신호를 출력할 수 있다. The action
일부 예들에서, 조치 신호 출력부(130)로부터 출력되는 시스템 조치 신호는 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호를 포함할 수 있다. In some examples, the system action signal output from the action
일부 예들에서, 시스템 경고 신호는 배터리 가동 상세 데이터를 분석하여 실제 이상 발생 여부를 판단하도록 하는 신호를 포함할 수 있으며, 이는 EMS에 제공될 수 있다. 이에 따라, EMS는 시스템 화면을 통하여 이러한 상태를 관리자에게 시각적 또는 청각적으로 알릴 수 있다. In some examples, the system warning signal may include a signal to analyze detailed battery operation data to determine whether an actual abnormality has occurred, which may be provided to the EMS. Accordingly, the EMS may visually or audibly notify the administrator of this state through the system screen.
일부 예들에서, 시스템 위험 신호는 점검된 이상 부위에 대한 조치를 취하도록 하는 신호를 포함할 수 있으며, 이는 EMS에 제공될 수 있다. 이에 따라, EMS는 시스템 화면을 통하여 이러한 상태를 관리자에게 시각적 또는 청각적으로 알릴 수 있다. In some examples, the system danger signal may include a signal to take action on an abnormal site that has been checked, which may be provided to the EMS. Accordingly, the EMS may visually or audibly notify the administrator of this state through the system screen.
일부 예들에서, 시스템 셧다운 신호는 원인을 불문하고 ESS 시스템을 셧다운시켜 사용을 중지하도록 하는 신호를 포함할 수 있다. 이러한 시스템 셧다운 신호는 BMS, PCS 및/또는 EMS에 제공될 수 있으며, 이에 따라 BMS, PCS 및/또는 EMS가 메인 스위치를 턴오프하여 배터리 셀의 충방전이 완전히 중지되도록 할 수 있다. 물론, EMS 시스템 화면을 통해 관리자에게 시각적 또는 청각적으로 시스템 셧다운 정보가 제공될 수 있다.In some examples, the system shutdown signal may include a signal that causes the ESS system to shut down and cease use for any cause. Such a system shutdown signal may be provided to the BMS, PCS and/or EMS, thereby allowing the BMS, PCS and/or EMS to turn off the main switch to completely stop charging and discharging the battery cells. Of course, system shutdown information may be provided visually or aurally to the administrator through the EMS system screen.
SOC 추정부(140)는 배터리 셀의 전압 정보를 기초로 하여 배터리 셀의 잔존 용량을 추정하고, 이를 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다. 일부 예들에서, SOC 추정부(140)는 배터리 셀의 전압 정보를 이용하지 않고 다른 알고리즘(예를 들면, 칼만 필터, 스크린, OCV)을 통해 추정한 SOC를 온도 계산부(120)에 제공할 수도 있다.The
시간 추정부(150)는 ESS 시스템의 사용 시간을 추정하고, 이를 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다. 일부 예들에서, 시간 추정부(150)는 ESS 시스템의 사용 날짜 및/또는 충방전 사이클 횟수를 추정하여 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다.The
기준값 저장부(160)는 온도 편차(Ta)에 대한 기준값, 온도 변화(Tb)에 대한 기준값 및/또는 온도 편차 변화(Tc)에 대한 다양한 기준값을 미리 저장하고 있으며, 이를 온도 계산부(120)에 제공할 수 있다.The reference
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 배터리의 다양한 온도 데이터를 이용하여 배터리의 이상에 관련된 전조 현상을 감지하고, 이를 관리자나 사용자에게 경고하거나 시스템 가동을 정지함으로써 시스템 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100)을 제공할 수 있다.In this way, the embodiment of the present invention detects a precursor phenomenon related to an abnormality of the battery using various temperature data of the battery, and warns the administrator or user, or stops the system operation, thereby improving system safety. An abnormal
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100)의 동작 설명을 위한 배터리 온도의 변화 및 이상 상황 판단 위치를 도시한 그래프이다. 도 5에서 X축은 경과 시간을 의미하고, Y축은 전압과 온도를 각각 의미할 수 있다. 또한, X축의 경과 시간은 정전류(CC) 충전, 정전압(CV) 충전, 휴지 및 방전으로 구분될 수 있다.5 is a graph showing a change in battery temperature and an abnormal situation determination position for explaining the operation of the abnormal
도 5에 도시된 바와 같이, 배터리 전압은 CC 충전 구간에서 시간 경과에 따라 점차 증가하고, CV 충전 구간 및 휴지 구간에서 시간 경과에도 불구하고 일정한 값을 유지할 수 있으며, 방전 구간에서 시간 경과에 따라 점차 감소할 수 있다.As shown in FIG. 5, the battery voltage gradually increases over time in the CC charging period, and can maintain a constant value despite the passage of time in the CV charging period and the idle period. Can decrease.
또한, 도 5에서와 같이, 배터리 온도는 CC 충전 구간에서 시간 경과에 따라 점차 증가하고, CV 충전 구간 및 휴지 구간에서 시간 경과에 따라 점차 감소하며, 방전 구간에서 시간 경과에 따라 점차 증가할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 5, the battery temperature gradually increases with time in the CC charging period, gradually decreases with time in the CV charging period and the idle period, and may gradually increase with the passage of time in the discharge period. .
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템(100)은 감지된 배터리 온도를 이용하여 지속적으로 온도 계산을 하는 것이 아니라, 일례로, 시간 경과에 따라 대략 2 영역에서 전압 계산을 수행할 수 있다.Here, the abnormal state
일부 예들에서, 온도의 차이가 가장 크게 나타나거나 온도가 가장 높아지는 지점에서 온도 계산부(120)가 동작할 수 있다. 일부 예에서, 온도 계산부(120)는 배터리 셀의 충전 시 정전압 충전 구간 진입 시기를 중심으로 SOC ± 10% 구간에서 동작할 수 있다. 다른 예들에서, 온도 계산부(120)는 배터리 셀의 방전 시 잔량 SOC 5% 내지 30% 구간에서 동작할 수 있고, 또는 충전 종류 시점에서 동작하는 것도 가능하다. 여기서, 온도 계산부(120)는 SOC 잔량을 SOC 추정부(140)로부터 획득할 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.In some examples, the
한편, 상술한 바와 같이, 본원 발명은 온도 편차(Ta)에 대한 기준값, 온도 변화(Tb)에 대한 기준값 및/또는 온도 편차 변화(Tc)에 대한 다양한 기준값을 미리 설정할 수 있으며, 이에 대하여 각각 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다.Meanwhile, as described above, in the present invention, a reference value for a temperature deviation (Ta), a reference value for a temperature change (Tb), and/or various reference values for a temperature deviation change (Tc) can be set in advance. Warning signals, system danger signals and/or system shutdown signals can be output.
일부 예들에서, 온도 편차(Ta)에 대한 기준값 및 이에 대한 출력 신호는 다음과 같이 설정될 수 있다. 이러한 예는 본 발명의 이해를 위한 예시일 뿐이며, 하기할 수치 범위로 본 발명이 한정되지 않는다.In some examples, a reference value for the temperature deviation Ta and an output signal therefor may be set as follows. These examples are only examples for the understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the numerical ranges to be described below.
도 5에 도시된 설정된 충전 구간에서, 온도 편차 계산부(121)에 의한 온도 편차(Ta)가 기준값으로 설정된 대략 5℃ 내지 대략 20℃인 경우, 그리고 도 5에 도시된 설정된 방전 구간에서, 온도 편차 계산부(121)에 의한 온도 편차(Ta)가 기준값으로 설정된 대략 5℃ 내지 대략 20℃인 경우, 조치 신호 출력부(130)는 시스템 경고 신호 및/또는 시스템 위험 신호를 출력할 수 있다. In the set charging section shown in FIG. 5, when the temperature deviation Ta by the temperature
또한, 도 5에 도시된 설정된 충전 구간에서, 온도 편차 계산부(121)에 의한 온도 편차(Ta)가 기준값으로 설정된 대략 10℃ 내지 20℃인 경우, 그리고 도 5에 도시된 설정된 방전 구간에서 온도 편차(Ta)가 기준값으로 설정된 10℃ 내지 20℃인 경우 조치 신호 출력부(130)는 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다. In addition, in the set charging section shown in FIG. 5, when the temperature deviation Ta by the temperature
여기서, 도 2a 및 도 2b를 다시 참조하면, 온도 편차(Ta)는 배터리 셀(S1,S2, S3, S4)의 최대 전압과 최소 전압의 차이를 의미할 수 있다.Here, referring again to FIGS. 2A and 2B, the temperature deviation Ta may mean a difference between the maximum voltage and the minimum voltage of the battery cells S1, S2, S3, and S4.
일부 예들에서, 온도 변화(Tb) 및 온도 편차 변화(Tc)에 대한 기준값 및 이에 대한 출력 신호는 다음과 같이 설정될 수 있다. 이러한 예는 본 발명의 이해를 위한 예시일 뿐이며, 하기할 수치 범위로 본 발명이 한정되지 않는다.In some examples, a reference value for a temperature change Tb and a temperature deviation change Tc, and an output signal therefor may be set as follows. These examples are only examples for the understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the numerical ranges to be described below.
도 5에 도시된 설정된 충전 구간에서, 온도 계산부(120)는 일정 시간 경과(혹은 일정 사이클 경과) 이후, 각 뱅크의 개별 전지의 온도 편차 변화(Tc)가 해당 시점 온도 변화(Tb)의 기준값으로 설정된 대략 30% 내지 100%인 경우, 조치 신호 출력부(130)는 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다. In the set charging section shown in FIG. 5, the
또한, 도 5에 도시된 설정된 방전 구간에서, 온도 계산부(120)는 일정 시간 경과(혹은 일정 사이클 경과) 이후, 각 뱅크의 개별 전지의 온도 편차 변화(Tc)가 해당 시점 온도 변화(Tb)의 기준값으로 설정된 대략 30% 내지 100%인 경우, 조치 신호 출력부(130)는 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다.In addition, in the set discharge period shown in FIG. 5, the
여기서, 온도 계산부(120)는 일정 시간을 시간 추정부(150)로부터 획득할 수 있으며, 사용 일수가 대략 7 내지 180일 사이로 설정되거나, 사이클 수가 대략 20 내지 200 사이클로 설정될 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.Here, the
또한, 여기서 각 뱅크의 개별 전지란 도 2a에서 병렬 연결된 S11 내지 S14로 이루어진 S1, S21 내지 S24로 이루어진 S2, S31 내지 S34로 이루어진 S3, S41 내지 S44로 이루어진 S4를 포함할 수 있으며, 온도 편차 변화(Tc)는 각 전지 S1 내지 S4의 일정 기간 경과(혹은 일정 사이클 경과) 후의 온도 변화를 포함할 수 있다.In addition, here, the individual battery of each bank may include S1 consisting of S11 to S14 connected in parallel in FIG. 2A, S2 consisting of S21 to S24, S3 consisting of S31 to S34, S4 consisting of S41 to S44, and temperature variation change (Tc) may include a temperature change after a certain period (or a certain cycle) of each of the cells S1 to S4.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템에서 실제 시험 데이터를 이용한 온도 데이터를 이용하여 배터리의 이상에 관련된 전조 현상을 감지하는 동작을 설명하도록 한다.Hereinafter, an operation of detecting a precursor phenomenon related to an abnormality in a battery by using temperature data using actual test data in a system for detecting an abnormal condition using battery temperature data according to an exemplary embodiment of the present invention will be described.
도 6a 및 6b는 랙을 구성하는 다수의 모듈 트레이 중 하나에서 뱅크의 사이클에 따른 온도 변화를 도시한 도표 및 그래프이다.6A and 6B are diagrams and graphs illustrating a temperature change according to a cycle of a bank in one of a plurality of module trays constituting a rack.
먼저, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 랙을 구성하는 다수의 모듈 트레이 중 선택된 하나의 모듈 트레이에는 12개의 뱅크가 포함되어 있다. 또한, 본 도표 및 그래프는 15 내지 84 사이클에 대한 데이터를 예시로 도시하고 있다.First, referring to FIGS. 6A and 6B, 12 banks are included in one module tray selected from among a plurality of module trays constituting the rack. In addition, this diagram and graph show data for 15 to 84 cycles by way of example.
또한, 도표 및 그래프에서 보듯이 35 사이클부터 각 뱅크간 편차가 커지기 시작하는 것을 알 수 있고, 75 사이클 이상에서는 각 뱅크간의 온도 편차가 10℃ 이상으로 크게 벌어지는 것을 확인할 수 있다.In addition, as shown in the diagrams and graphs, it can be seen that the deviation between banks starts to increase from the 35th cycle, and it can be seen that the temperature deviation between the banks increases to more than 10℃ in the 75th cycle or more.
이러한 언급한 온도 편차는 도시된 7번과 9번의 뱅크에서의 온도 상승에 기인하고 있다. 구체적으로 7번 뱅크는 45 사이클부터 온도 상승이 시작되어 75 사이클의 이후에는 다른 뱅크에 대비하여 현저하게 온도가 높아지는 것을 알 수 있다. 또한, 9번 뱅크의 경우 15사이클일 때부터 다른 뱅크에 비해 온도가 높으며 그 상태가 계속 지속되는 것을 확인할 수 있다.This mentioned temperature deviation is due to the temperature rise in
도 7a 및 도 7b는 모듈 트레이에서 문제가 있는 뱅크와 정상인 뱅크의 사이클에 따른 온도 변화를 발췌하여 도시한 도표 및 그래프이다.7A and 7B are diagrams and graphs showing temperature changes according to cycles of a bank having a problem and a bank having a problem in the module tray.
도 7a 및 7b를 참조하면, 7번 뱅크의 경우 55사이클부터 온도 상승이 급격해지고 있으며, 9번 뱅크는 정상인 10번 뱅크에 비해 초기보다 온도가 높고 85사이클까지 그 상태가 유지되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 7A and 7B, it can be seen that in the case of the 7th bank, the temperature rises rapidly from the 55th cycle, and the 9th bank has a higher temperature than the initial period than the normal 10th bank and the state is maintained until the 85th cycle. .
반면, 비교예로서 함께 도시된 정상인 10번 뱅크는 편차의 최소값을 유지하고 있는 것을 알 수 있다.On the other hand, it can be seen that the
이러한 결과를 토대로 검토하면, 이상이 발생되는 뱅크는 초기부터 또는 사이클이 진행됨에 따라 다른 정상인 뱅크들과 온도 편차를 보임을 알 수 있다.If reviewed based on these results, it can be seen that the banks in which the abnormality occurs show temperature deviation from the other normal banks from the beginning or as the cycle progresses.
도 8a 및 도 8b는 모듈 트레이에서 문제가 있는 뱅크와 정상인 뱅크에서 사이클에 따른 배터리 셀의 온도 변화 Tb와 온도 편차 변화 Tc를 도시한 도표 및 그래프이다. 여기서, 도 8a 및 도 8b는 온도 변화(Tb)와 온도 편차 변화(Tc)의 비교 점검 주기를 50 사이클로 설정하여 측정한 것이다.8A and 8B are diagrams and graphs showing a temperature change Tb and a temperature deviation change Tc of a battery cell according to cycles in a bank having a problem in a module tray and a bank in a normal state. Here, FIGS. 8A and 8B are measured by setting a comparison check period of a temperature change (Tb) and a temperature deviation change (Tc) to 50 cycles.
도 8a를 참조할 때, 예를 들어, 배터리 셀간 온도 편차(Ta)를 7℃ 이하로 설명한 경우, 온도 편차(Ta)는 55 사이클부터 문제가 발생한 것으로 판단될 수 있다. 또한, 도 8b를 참조할 때, 온도 편차의 변화(Tc)에 대한 온도 변화(Tb)의 비율(Tb/Tc)을 100%로 설정한 경우, 7번 뱅크는 이미 65 사이클에서 문제가 발생하였다고 볼 수 있고, 사이클이 진행됨에 따라 비율이 점차 높아져 85 사이클에서는 500%에 달하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 7번 뱅크의 경우, 점차 경고 수준을 높일 필요가 있다. Referring to FIG. 8A, for example, when the temperature deviation Ta between battery cells is described as 7° C. or less, the temperature deviation Ta may be determined to have a problem from 55 cycles. In addition, referring to FIG. 8B, when the ratio (Tb/Tc) of the temperature change (Tb) to the change in temperature deviation (Tc) is set to 100%, it is said that the 7th bank has already encountered a problem in 65 cycles. It can be seen, and it can be seen that the rate gradually increases as the cycle progresses, reaching 500% in the 85 cycle. Therefore, in the case of
또한, 9번 뱅크의 경우, 75 사이클에서 83%였던 비율이 80 사이클에서 233%로 급증하여 심각한 수준임을 알 수 있다. 또한, 9번 뱅크의 경우 앞의 도 7a 및 도 7b를 참조할 때 이미 높은 온도에 있기 때문에 이를 함께 고려하면 9번 뱅크는 경고의 수준이 높아야 함을 알 수 있다.In addition, in the case of
반면, 10번 뱅크의 경우 80 사이클에서 100%에 도달한 것을 알 수 있지만, 도 7a 및 도 7b를 고려할 때 낮은 온도 상태에 있음을 알 수 있고, 따라서 비율과 온도를 함께 고려하여 위험 수준을 결정하여야 함을 알 수 있다.On the other hand, in the case of
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is only one embodiment for implementing an abnormal condition pre-detection system using battery temperature data according to the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, but is claimed in the following claims. As described above, without departing from the gist of the present invention, anyone of ordinary skill in the field to which the present invention pertains will have the technical spirit of the present invention to the extent that various changes can be implemented.
100; 이상 상태 사전 감지 시스템
110; 온도 센싱부
120; 온도 계산부
121; 온도 편차 계산부
122; 온도 변화 계산부
123; 온도 편차 변화 계산부
130; 조치 신호 출력부
140; SOC 추정부
150; 시간 추정부
160; 기준값 저장부100; Abnormal condition pre-detection system
110;
121; Temperature
123; A temperature deviation
140;
160; Reference value storage unit
Claims (7)
상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀간 온도 편차(Ta)를 계산하는 온도 편차 계산부; 상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 변화(Tb)를 계산하는 온도 변화 계산부; 상기 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 편차의 변화(Tc)를 계산하는 온도 편차 변화 계산부를 포함하는 온도 계산부; 및
상기 온도 편차(Ta), 상기 온도 변화(Tb) 또는 상기 온도 편차의 변화(Tc)를 기준값과 비교하여 시스템 조치 신호를 출력하는 조치 신호 출력부를 포함하는, 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템.A temperature sensing unit sensing voltages of each of the plurality of battery cells and providing battery temperature data for each of the plurality of battery cells;
A temperature deviation calculator configured to calculate a temperature deviation (Ta) between each battery cell from the battery temperature data; A temperature change calculator configured to calculate a temperature change (Tb) of each battery cell over time from the battery temperature data; A temperature calculation unit including a temperature deviation change calculation unit that calculates a temperature deviation change Tc of each battery cell according to the passage of time from the battery temperature data; And
Abnormal state pre-detection system using battery temperature data, including a measure signal output unit that compares the temperature deviation (Ta), the temperature change (Tb), or the temperature deviation change (Tc) with a reference value and outputs a system action signal .
상기 조치 신호 출력부의 시스템 조치 신호는 배터리 가동 상세 데이터를 분석하여 실제 이상 발생 여부를 판단하도록 하는 시스템 경고 신호, 점검된 이상 부위에 대한 조치를 취하도록 하는 시스템 위험 신호 또는 시스템을 셧다운시키도록 하는 시스템 셧다운 신호인, 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템.The method of claim 1,
The system action signal of the action signal output unit is a system warning signal that analyzes detailed battery operation data to determine whether an abnormality has occurred, a system danger signal that takes action on the checked abnormal area, or a system that shuts down the system. Abnormal condition pre-detection system using battery temperature data, which is a shutdown signal.
상기 시스템 경고 신호 및 상기 시스템 위험 신호를 출력하기 위해 설정된 기준값에 비해 상기 시스템 셧다운 신호를 출력하기 위해 설정된 기준값이 더 높은, 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템.The method of claim 2,
An abnormal state pre-detection system using battery temperature data, wherein a reference value set to output the system shutdown signal is higher than a reference value set to output the system warning signal and the system danger signal.
상기 온도 계산부는 상기 배터리 셀의 충전 시 정전압 충전 구간 진입 시기를 중심으로 SOC ± 10% 구간에서 동작하는, 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템.The method of claim 1,
The temperature calculation unit operates in an SOC ± 10% period centering on a period of entering a constant voltage charging period when charging the battery cell, and an abnormal state pre-detection system using battery temperature data.
상기 온도 계산부는 상기 배터리 셀의 방전 시 잔량 SOC 5% 내지 30% 구간에서 동작하는, 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템.The method of claim 1,
The temperature calculation unit is a system for detecting an abnormal state in advance using battery temperature data, operating in a range of 5% to 30% SOC of a residual amount when the battery cell is discharged.
상기 다수의 배터리 셀은 직렬로 연결된 배터리 셀 또는 병렬로 연결된 배터리 셀을 포함하는, 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템.The method of claim 1,
The plurality of battery cells includes battery cells connected in series or battery cells connected in parallel. An abnormal state pre-detection system using battery temperature data.
상기 온도 계산부는 상기 온도 변화에 대한 온도 편차의 변화의 비율(Tb/Tc)과 함께 배터리 셀의 온도를 함께 고려하여 이상 발생 여부를 판단하는 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템.The method of claim 1,
The temperature calculator is a system for detecting an abnormal state in advance using battery temperature data to determine whether an abnormality has occurred by considering a temperature of a battery cell together with a ratio (Tb/Tc) of a temperature deviation change to the temperature change.
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- 2021-06-23 KR KR1020210081451A patent/KR20210080326A/en active Application Filing
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