KR20220028838A - 배터리 관리 장치, 배터리 관리 방법 및 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 관리 시스템은, 배터리의 전압 및 전류 각각을 나타내는 센싱 신호를 생성하는 센싱부; 충전 커브 및 방전 커브가 기록되는 메모리부; 및 제어부를 포함한다. 상기 제어부는, 전체 제어 범위 내의 충전 상태를 가중치로서 이용하여, 상기 충전 커브 및 상기 방전 커브를 기초로, 합성 커브를 결정하도록 구성된다. 상기 전체 제어 범위 내의 충전 상태에서, 상기 합성 커브의 개로 전압은 상기 충전 커브의 개로 전압과 상기 방전 커브의 개로 전압의 사이이다. 상기 제어부는, 상기 배터리의 충전 또는 방전 중, 상기 센싱 신호 및 상기 합성 커브를 기초로, 상기 배터리의 충전 상태를 결정하도록 구성된다.

Description

배터리 관리 장치, 배터리 관리 방법 및 에너지 저장 시스템{BATTERY MANAGEMENT APPARATUS, BATTERY MANAGEMENT METHOD, AND ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 배터리의 충전 상태(SOC: State Of Charge)를 결정하는 기술에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 배터리로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 배터리 등이 있는데, 이 중에서 리튬 배터리는 니켈 계열의 배터리에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
최근, 고전압이 요구되는 애플리케이션(예, 에너지 저장 시스템, 전기 차량)이 널리 보급되고 있다.
배터리를 효율적이면서 안전하게 운용하기 위해서는, 배터리의 충전 상태(이하 'SOC'라고 칭할 수 있음)를 정확하게 추정할 수 있어야 한다. SOC의 추정을 위한 여러 기법이 공지되어 있다. 대표적 기법으로는, 배터리의 개로 전압(Open Circuit Voltage, 이하 'OCV'라고 칭할 수 있음)과 SOC 간의 대응 관계로서 미리 주어진 OCV-SOC 커브로부터, 배터리의의 OCV에 대응하는 SOC를 취득하는 것이다.
배터리는 충전과 방전을 반복적으로 겪으면서 사용되는데, 충전과 방전은 서로 반대 방향으로의 히스테리시스를 배터리에 유발한다. 충전 커브란, 충전 중의 배터리의 OCV와 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 OCV-SOC 커브이다. 방전 커브란, 방전 중의 배터리의 OCV와 SOC 간의 대응 관계를 나타내는 OCV-SOC 커브이다.
SOC 추정에 있어서, 충전 중에는 충전 커브만을 방전 중에는 방전 커브만을 이용하는 것을 고려해볼 수 있다. 그러나, 동일 OCV에서 충전 커브와 방전 커브 간의 SOC 차이로 인하여, 충전과 방전 간에 전환되기 전후로 추정된 두 SOC 간의 차이가 큰 폭으로 변하는 SOC 점프 현상이 발생한다.
따라서, 통상적으로는, 충전 커브와 방전 커브의 평균 커브를 SOC 추정에 활용한다. 0~100%의 SOC에서, 평균 커브의 OCV는 충전 커브의 OCV와 방전 커브의 OCV의 평균과 동일하다.
그런데, 평균 커브에 기반한 SOC 추정에 따라 배터리의 충방전을 제어할 경우, 위와 같은 평균 커브의 특성으로 인해, 배터리로부터 가용한 충전 전력 및 방전 전력이 실제보다 지나치게 많이 제한되어 버리는 단점이 있다.
구체적으로, 평균 커브는 SOC와 무관하게 충전 커브와 방전 커브 간의 정중앙에 위치하므로, 충전 시에는 실제로 충전 가능한 최대 에너지보다 평균 커브와 충전 커브 간의 차이만큼 적은 에너지만을 입력받게 되고, 방전 시에는 실제로 방전 가능한 최대 에너지보다 평균 커브와 방전 커브 간의 차이만큼 적은 에너지만을 출력할 수 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 배터리의 히스테리시스 특성에 의해 서로 상이하게 주어진 충전 커브 및 방전 커브를 기초로, 배터리의 충전과 방전 간의 전환 시에도 순간적 변화없는 SOC 추정값을 제공하는 합성 커브를 결정할 수 있는 배터리 관리 시스템, 배터리 관리 방법 및 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 관리 시스템은, 배터리의 전압 및 전류 각각의 검출값을 나타내는 센싱 신호를 생성하도록 구성되는 센싱부; 충전 커브 및 방전 커브가 기록되는 메모리부; 및 상기 센싱부 및 상기 메모리부에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함한다. 상기 충전 커브는, 완전 방전된 상태로부터의 충전에 의한 히스테리시스에 연관된, 상기 배터리의 충전 상태와 개로 전압 간의 제1 대응 관계를 나타낸다. 상기 방전 커브는, 완전 충전된 상태로부터의 방전에 의한 히스테리시스에 연관된, 상기 배터리의 충전 상태와 개로 전압 간의 제2 대응 관계를 나타낸다. 상기 제어부는, 전체 제어 범위 내의 충전 상태를 가중치로서 이용하여, 상기 충전 커브 및 상기 방전 커브를 기초로, 합성 커브를 결정하도록 구성된다. 상기 전체 제어 범위 내의 충전 상태에서, 상기 합성 커브의 개로 전압은 상기 충전 커브의 개로 전압과 상기 방전 커브의 개로 전압의 사이이다. 상기 제어부는, 상기 배터리의 충전 또는 방전 중, 상기 센싱 신호 및 상기 합성 커브를 기초로, 상기 배터리의 충전 상태를 결정하도록 구성된다.
임계 충전 상태 이상의 충전 상태에서, 상기 합성 커브와 상기 충전 커브 간의 개로 전압 차이는 상기 합성 커브와 상기 방전 커브 간의 개로 전압 차이보다 작을 수 있다. 상기 임계 충전 상태 미만의 충전 상태에서, 상기 합성 커브와 상기 방전 커브 간의 개로 전압 차이는 상기 합성 커브와 상기 충전 커브 간의 개로 전압 차이보다 작을 수 있다.
상기 제어부는, 하기의 수식 1을 이용하여, 상기 합성 커브를 결정하도록 구성될 수 있다.
<수식 1>
Figure pat00001
(x는 충전 상태, Y1[x]는 x에 대응하는 상기 충전 커브의 개로 전압, Y2[x]는 x에 대응하는 상기 방전 커브의 개로 전압, YS[x]는 x에 대응하는 상기 합성 커브의 개로 전압)
본 발명의 다른 측면에 따른 배터리 관리 시스템은, 배터리의 전압 및 전류 각각의 검출값을 나타내는 센싱 신호를 생성하도록 구성되는 센싱부; 충전 커브, 방전 커브 및 상기 충전 커브와 상기 방전 커브의 평균 커브가 기록된 메모리부; 및 상기 센싱부 및 상기 메모리부에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함한다. 상기 충전 커브는, 완전 방전된 상태로부터의 충전에 의한 히스테리시스에 연관된, 상기 배터리의 충전 상태와 개로 전압 간의 제1 대응 관계를 나타낸다. 상기 방전 커브는, 완전 충전된 상태로부터의 방전에 의한 히스테리시스에 연관된, 상기 배터리의 충전 상태와 개로 전압 간의 제2 대응 관계를 나타낸다. 상기 제어부는, 상기 충전 커브, 상기 방전 커브 및 상기 평균 커브를 기초로, 임계 충전 상태와 상한 충전 상태 간의 제1 제어 범위에 대한 제1 합성 커브 및 하한 충전 상태와 상기 임계 충전 상태 간의 제2 제어 범위에 대한 제2 합성 커브를 결정하도록 구성된다. 상기 제어부는, 상기 배터리의 충전 또는 방전 중, 상기 센싱 신호, 상기 제1 합성 커브 및 제2 합성 커브를 기초로, 상기 배터리의 충전 상태를 결정하도록 구성된다. 상기 제1 제어 범위 내의 충전 상태에서, 상기 제1 합성 커브의 개로 전압은 상기 충전 커브의 개로 전압과 상기 평균 커브의 개로 전압의 사이이다. 상기 제2 제어 범위 내의 충전 상태에서, 상기 제2 합성 커브의 개로 전압은 상기 평균 커브의 개로 전압과 상기 방전 커브의 개로 전압의 사이이다.
상기 제1 제어 범위 내의 충전 상태에서, 상기 제1 합성 커브와 상기 충전 커브 간의 개로 전압 차이는 상기 제1 합성 커브와 상기 방전 커브 간의 개로 전압 차이보다 작을 수 있다. 상기 제2 제어 범위 내의 충전 상태에서, 상기 제2 합성 커브와 상기 방전 커브 간의 개로 전압 차이는 상기 제2 합성 커브와 상기 충전 커브 간의 개로 전압 차이보다 작을 수 있다.
상기 제어부는, 하기의 수식 1을 이용하여, 상기 제1 합성 커브를 결정하도록 구성될 수 있다.
<수식 1>
Figure pat00002
(x는 상기 제1 제어 범위 내의 충전 상태, ZTH는 상기 임계 충전 상태, Y1[x]는 x에 대응하는 상기 충전 커브의 개로 전압, YM[x]는 x에 대응하는 상기 평균 커브의 개로 전압, YSA[x]는 x에 대응하는 상기 제1 합성 커브의 개로 전압)
상기 제어부는, 하기의 수식 2를 이용하여, 상기 제2 합성 커브를 결정하도록 구성될 수 있다.
<수식 2>
Figure pat00003
(x는 상기 제2 제어 범위 내의 충전 상태, ZTH는 상기 임계 충전 상태, YM[x]는 x에 대응하는 상기 평균 커브의 개로 전압, Y2[x]는 x에 대응하는 상기 방전 커브의 개로 전압, YSB[x]는 x에 대응하는 상기 제2 합성 커브의 개로 전압)
본 발명의 또 다른 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 상기 배터리 관리 시스템을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 배터리 관리 방법은, 배터리의 전압 및 전류 각각의 검출값을 나타내는 센싱 신호를 생성하도록 구성되는 센싱부; 충전 커브 및 방전 커브가 기록된 메모리부; 및 상기 센싱부 및 상기 메모리부에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함하는 배터리 관리 시스템을 이용한다. 상기 배터리 관리 방법은, 상기 제어부가, 상기 충전 커브 및 상기 방전 커브를 기초로, 합성 커브를 결정하는 단계; 상기 제어부가, 상기 배터리의 충전 또는 방전 중, 상기 센싱 신호 및 상기 합성 커브를 기초로, 상기 배터리의 충전 상태를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 충전 커브는, 완전 방전된 상태로부터의 충전에 의한 히스테리시스에 연관된, 상기 배터리의 충전 상태와 개로 전압 간의 제1 대응 관계를 나타낸다. 상기 방전 커브는, 완전 충전된 상태로부터의 방전에 의한 히스테리시스에 연관된, 상기 배터리의 충전 상태와 개로 전압 간의 제2 대응 관계를 나타낸다. 전체 제어 범위 내의 충전 상태에서, 상기 합성 커브의 개로 전압은 상기 충전 커브의 개로 전압과 상기 방전 커브의 개로 전압의 사이이다.
임계 충전 상태 이상의 충전 상태에서, 상기 합성 커브와 상기 충전 커브 간의 개로 전압 차이는 상기 합성 커브와 상기 방전 커브 간의 개로 전압 차이보다 작을 수 있다. 상기 임계 충전 상태 미만의 충전 상태에서, 상기 합성 커브와 상기 방전 커브 간의 개로 전압 차이는 상기 합성 커브와 상기 충전 커브 간의 개로 전압 차이보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리의 히스테리시스 특성에 의해 서로 상이하게 주어진 충전 커브 및 방전 커브를 기초로, 배터리의 충전과 방전 간의 전환 시에도 순간적 변화없는 SOC의 추정값을 제공하는 합성 커브를 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, SOC에 의존하는 2가지 가중치를 충전 커브와 방전 커브 각각에 독립적으로 적용하여 합성 커브를 생성함으로써, 충전 커브와 방전 커브의 정중앙에 위치하는 평균 커브를 이용한 SOC 추정에 기초한 방식에 비하여, 배터리의 입출력 가능 에너지의 손실을 저감할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다
도 2는 배터리의 충전 커브, 방전 커브 및 평균 커브를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어부>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장 시스템(1)은, 제1 전력 단자(P+), 제2 전력 단자(P-), 중앙 컨트롤러(2), 배터리 그룹(10), 릴레이(20) 및 전력 변환 시스템(30)를 포함한다.
배터리 그룹(10)은, 복수의 배터리(B) 및 배터리 관리 시스템(100)를 포함한다. 복수의 배터리(B)는, 제1 전력 단자(P+)와 제2 전력 단자(P-) 간에 전기적으로 직렬로 연결된다.
배터리(B)은, 예컨대 리튬 이온 배터리와 같이, 반복적인 충방전이 가능한 것이라면, 그 종류는 특별히 한정되지 않는다.
릴레이(20)는, 배터리 그룹(10)을 위한 전력 라인(PL)에 설치된다. 릴레이(20)가 온되어 있는 동안, 배터리 그룹(10)과 전력 변환 시스템(power conversion system, 30) 중 어느 하나로부터 다른 하나로의 전력 전달이 가능하다. 릴레이(20)는, 릴레이, 전계효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor) 등과 같은 공지의 스위칭 디바이스 중 어느 하나 또는 둘 이상을 조합함으로써 구현될 수 있다. 제어부(140)는, 배터리 그룹(10)의 상태에 따라 릴레이(20)를 온오프 제어할 수 있다.
전력 변환 시스템(30)은, 중앙 컨트롤러(2)를 통해 배터리 관리 시스템(100)에 동작 가능하게 결합된다. 전력 변환 시스템(30)은, 전기 계통(electircal grid, 40)에 의해 공급되는 교류(AC) 전력으로부터 배터리 그룹(10)의 충전을 위한 직류(DC) 전력을 생성할 수 있다. 전력 변환 시스템(30)은, 배터리 그룹(10)으로부터의 직류 전력으로부터 교류 전력을 생성할 수 있다.
배터리 관리 시스템(100)은, 센싱부(110), 메모리부(120) 및 제어부(140)를 포함한다.
센싱부(110)는, 전압 측정 회로(111) 및 전류 센서(112)를 포함할 수 있다. 센싱부(110)는, 온도 센서(113)를 더 포함할 수 있다. 센싱부(110)는, 배터리(B)의 전압, 전류 및/또는 온도 각각의 검?x값을 나타내는 센싱 신호를 생성한다.
전압 측정 회로(111)는, 전압 센싱 채널을 통해, 배터리(B)의 양극 리드와 음극 리드에 전기적으로 연결 가능하도록 제공된다. 전압 측정 회로(111)는, 배터리(B)의 양단에 걸친 전압인 배터리 전압을 측정하고, 측정된 배터리 전압을 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.
전류 센서(112)는, 전력 라인(PL)을 통해 배터리 그룹(10)에 전기적으로 직렬 연결된다. 예컨대, 션트 저항이나 홀 효과 소자 등이 전류 센서(112)로서 이용될 수 있다. 전류 센서(112)는, 배터리 그룹(10)을 통해 흐르는 전류를 측정하고, 측정된 전류를 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.
온도 센서(130)는, 배터리 그룹(10)으로부터 소정 거리 내의 영역에 배치된다. 예컨대, 열전대 등이 온도 센서(130)로서 이용될 수 있다. 온도 센서(130)는 배터리 그룹(10)의 온도를 측정하고, 측정된 온도를 나타내는 신호를 제어부(140)에게 출력하도록 구성된다.
메모리부(120)는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 메모리부(120)에는, 후술할 실시예들에 따른 배터리 관리 방법들을 실행하는 데에 필요한 프로그램 및 각종 데이터가 미리 저장될 수 있다.
제어부(140)는, 릴레이(20), 센싱부(110), 메모리부(120) 및/또는 인터페이스부(150)에 동작 가능하게 결합된다.
제어부(140)는, 하드웨어적으로, ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
제어부(140)는, 설정 시간마다, 센싱부(110)로부터의 센싱 신호를 기초로, 복수의 배터리(B_1~B_m) 각각의 전압, 전류 및/또는 온도를 결정할 수 있다.
배터리 관리 시스템(100)은, 인터페이스부(150)를 더 포함할 수 있다. 인터페이스부(150)는, 에너지 저장 시스템(1)의 중앙 컨트롤러(2)와 통신 가능하게 결합될 수 있다. 인터페이스부(150)는, 중앙 컨트롤러(2)로부터의 메시지를 제어부(140)로 전송하고, 제어부(140)로부터의 메시지를 중앙 컨트롤러(2)로 전송할 수 있다. 제어부(140)로부터의 메시지는, 배터리(B)의 이상 여부를 통지하기 위한 정보를 포함할 수 있다. 인터페이스부(150)와 중앙 컨트롤러(2) 간의 통신에는, 예를 들어, LAN(local area network), CAN(controller area network), 데이지 체인과 같은 유선 네트워크 및/또는 블루투스, 지그비, 와이파이 등의 근거리 무선 네트워크가 활용될 수 있다. 인터페이스부(150)는, 제어부(140) 및/또는 중앙 컨트롤러(2)로부터 수신된 정보를 사용자가 인식 가능한 형태로 제공하는 출력 디바이스(예, 디스플레이, 스피커)를 포함할 수 있다. 중앙 컨트롤러(2)는, 배터리 관리 시스템(100)와의 통신을 통해 수집되는 배터리 정보(예, 각 배터리의 전압, 전류, 온도, SOC, 이상)를 기초로, 전력 변환 시스템(30)을 제어할 수 있다.
도 2는 배터리의 충전 커브, 방전 커브 및 평균 커브를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2에서, 가로축은 SOC [%]를 나타내고, 세로축은 OCV [V]를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 충전 커브(210)는, 배터리(B)와 동일한 전기화학적 사양을 가지도록 제조된 다른 배터리를 완전 방전된 상태(fully discharged state)로부터 완전 충전된 상태(fully charged state)까지 충전시키는 과정을 통해 취득된, SOC와 OCV 간의 제1 대응 관계를 나타낸다. 반대로, 방전 커브(220)는, 배터리(B)와 동일한 전기화학적 사양을 가지도록 제조된 다른 배터리를 완전 충전된 상태로부터 완전 방전된 상태까지 방전시키는 과정을 통해 취득된, SOC와 OCV 간의 제2 대응 관계를 나타낸다. 충전 커브(210)와 방전 커브(220)는, 데이터 테이블 및/또는 함수의 형태로서 주어질 수 있다.
배터리(B)는 충전 시에는 양의 방향으로의 분극이 발생하고 배터리(B)의 방전 시에는 음의 방향으로의 분극이 발생하는 히스테리시스 특성을 가진다. 따라서, 동일 SOC에서 충전 커브(210)는 방전 커브(220)보다 큰 OCV에 대응하는 한편, 동일 OCV에서는 충전 커브(210)는 방전 커브(220)보다 작은 SOC에 대응하게 된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 단계 S300에서, 제어부(140)는, 주어진 전체 제어 범위(ZL~ZU) 내의 SOC를 가중치로서 이용하여, 메모리부(120)에 기록되어 있는 충전 커브(210) 및 방전 커브(220)를 기초로, 합성 커브(240)를 결정한다. 합성 커브(240)는, 제1 대응 관계 및 제2 대응 관계와는 상이한, 배터리(B)의 SOC와 OCV 간의 제3 대응 관계를 나타낸다. 전체 제어 범위 내의 SOC에서, 합성 커브(240)는 충전 커브(210)보다 크고 방전 커브(220)보다는 작은 개로 전압을 가진다.
전체 제어 범위는, 소정의 하한 SOC(ZL)과 소정의 상한 SOC(ZU) 사이의 SOC 범위이다. 하한 SOC(ZL)는 예컨대 0%, 1%, 3% 등과 같이 적절히 설정될 수 있다. 상한 SOC(ZU)는 예컨대 100%, 96%, 90% 등과 같이 적절히 설정될 수 있다.
임계 SOC(ZTH)는, (i)0%와 100%의 중간값인 50%, (ii)하한 SOC(ZL)와 상한 SOC(ZU)의 합의 1/2 또는 (iii)평균 커브(230)와 합성 커브(240)의 교점에서의 SOC일 수 있다.
임계 SOC(ZTH)(예, 50%) 이상인 제1 제어 범위 내의 SOC에서, 합성 커브(240)와 충전 커브(210) 간의 OCV 차이는 합성 커브(240)와 방전 커브(220) 간의 OCV 차이보다 작다. 즉, 제1 제어 범위에서, 합성 커브(240)는 충전 커브(210)와 평균 커브(230)의 사이에 위치할 수 있다. 따라서, 평균 커브(230) 대신 합성 커브(240)를 이용하여 SOC를 결정할 경우, 상한 SOC(ZU)에서의 합성 커브(240)와 평균 커브(230) 간의 OCV 차이에 대응하는 추가적인 충전 에너지를 배터리(B)에 입력할 수 있다.
반대로, 임계 SOC(ZTH) 미만인 제2 제어 범위 내의 SOC에서, 합성 커브(240)와 방전 커브(220) 간의 OCV 차이는 합성 커브(240)와 충전 커브(210) 간의 OCV 차이보다 작다. 즉, 제2 제어 범위에서, 합성 커브(240)는 평균 커브(230)와 방전 커브(220)의 사이에 위치할 수 있다. 따라서, 평균 커브(230) 대신 합성 커브(240)를 이용하여 SOC를 결정할 경우, 하한 SOC(ZL)에서의 평균 커브(230)와 합성 커브(240) 간의 OCV 차이에 대응하는 추가적인 방전 에너지를 배터리(B)로부터 추출할 수 있다.
제어부(140)는, 다음의 수식 1을 이용하여, 충전 커브(210) 및 방전 커브(220)로부터 합성 커브(240)를 생성할 수 있다.
<수식 1>
Figure pat00004
위 수식 1에서, x는 SOC, Y1[x]는 x에 대응하는 충전 커브(210)의 OCV, Y2[x]는 x에 대응하는 방전 커브(220)의 OCV, YS[x]는 x에 대응하는 합성 커브(240)의 OCV이다. 수식 1을 참조하면, x에 의존하는 2가지 가중치인 x/100과 (100-x)/100가 각각 충전 커브(210) 및 방전 커브(220)에 대하여 적용된다. 따라서, x가 하한 SOC(ZL)으로부터 상한 SOC(ZU)을 향하여 증가할수록, 합성 커브(240)에 대한 충전 커브(210)의 기여도는 높아지고 합성 커브(240)에 대한 방전 커브(220)의 기여도는 낮아짐을 알 수 있다.
대안적으로, 제어부(140)는, 하한 SOC(ZL)가 0% 초과이거나 상한 SOC(ZU)가 100% 미만인 경우, 수식 1 대신 다음의 수식 2를 이용하여, 충전 커브(210) 및 방전 커브(220)로부터 합성 커브(240)를 생성할 수 있다.
<수식 2>
Figure pat00005
수식 2에서, x는 SOC, Y1[x]는 x에 대응하는 충전 커브(210)의 OCV, Y2[x]는 x에 대응하는 방전 커브(220)의 OCV, YS[x]는 x에 대응하는 합성 커브(240)의 OCV이다. 수식 2는 x에 의존하는 2가지 가중치인 (x-ZL)/(ZU-ZL)과 (ZU-x)/(ZU-ZL)가 각각 충전 커브(210) 및 방전 커브(220)에 대하여 적용된다. 따라서, 수식 1과 유사하게, x가 하한 SOC(ZL)으로부터 상한 SOC(ZU)을 향하여 증가할수록, 합성 커브(240)에 대한 충전 커브(210)의 기여도는 높아지고 합성 커브(240)에 대한 방전 커브(220)의 기여도는 낮아짐을 알 수 있다.
단계 S300은, 배터리(B)의 사이클 상태가 최초로 개시되는 경우에 1회 실행될 수 있다. 즉, 제어부(140)는 합성 커브(240)가 일단 한번 결정된 경우, 합성 커브(240)를 메모리부(120)에 기록하고, 이후의 충방전 이벤트에서는 단계 S300을 반복 실행하는 대신, 메모리부(120)에 기록된 합성 커브(240)를 독출할 수 있다.
단계 S310에서, 제어부(140)는, 중앙 컨트롤러(2)로부터의 충방전 명령에 응답하여, 배터리(B)의 충전 또는 방전을 개시한다. 예컨대, 제어부(140)는, 릴레이(20)를 턴 온시킬 수 있다.
단계 S320에서, 제어부(140)는, 배터리(B)의 전압, 전류 및/또는 온도를 나타내는 센싱 신호를 센싱부(110)로부터 수집한다.
단계 S330에서, 제어부(140)는, 센싱 신호를 기초로, 배터리(B)의 현 OCV를 결정한다. 배터리(B)의 전압, 전류 및/또는 온도에 기초한 OCV의 결정(추정)은 공지된 다양한 방식 중 적어도 하나를 활용할 수 있다. 예컨대, 배터리(B)가 휴지 상태인 경우, 배터리(B)의 현 전압이 현 OCV로서 이용될 수 있다. 다른 예로, 배터리(B)가 사이클 상태 즉, 충전 또는 방전 중인 경우, 제어부(140)는 최근의 소정 기간에 걸쳐 메모리부(120)에 기록된 배터리(B)의 전압 이력 및 전류 이력 간의 관계 프로파일을 기초로, 전류가 0 A인 경우의 배터리(B)의 전압을 추정하고, 추정된 전압을 현 OCV로서 결정할 수 있다.
단계 S340에서, 제어부(140)는, 현 OCV에 대응하는 합성 커브(240)의 SOC와 동일하게 배터리(B)의 현 SOC를 결정한다.
단계 S350에서, 제어부(140)는, 현 SOC가 전체 제어 범위를 벗어났는지 여부를 판정한다. 즉, 제어부(140)는, 현 SOC가 하한 SOC(ZL) 미만이거나 상한 SOC(ZU) 초과인지 여부를 판정한다. 단계 S350의 값이 "예"인 경우, 단계 S360으로 진행한다. 단계 S350의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S320으로 돌아갈 수 있다.
단계 S360에서, 제어부(140)는, 충방전 정지 요청을 출력한다. 충방전 정지 요청은, 인터페이스부(150)를 통해 중앙 컨트롤러(2)에게 전송될 수 있다. 대안적으로, 제어부(140)는, 릴레이(20)를 턴 오프시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 단계 S400에서, 제어부(140)는, 메모리부(120)에 기록되어 있는 충전 커브(210) 및 방전 커브(220)의 평균 커브(230)를 결정한다. 평균 커브(230)는, 전술된 바와 같이, 충전 커브(210)와 방전 커브(220)의 정중앙에 위치하는 커브이다. 평균 커브(230)가 미리 주어진 경우, 단계 S400은 생략될 수 있다.
단계 S405에서, 충전 커브(210), 방전 커브(220) 및 평균 커브(230)를 기초로, 임계 SOC(ZTH)와 상한 SOC(ZU) 간의 제1 제어 범위에 대한 제1 합성 커브 및 임계 SOC(ZTH)와 하한 SOC(ZL) 간의 제2 제어 범위에 대한 제2 합성 커브를 결정한다. 전체 제어 범위(ZL~ZU)는, 제1 제어 범위와 제2 제어 범위의 합이다. 임계 SOC는, 하한 SOC와 상한 SOC의 사이로서, 예컨대, 50% 또는 하한 SOC와 상한 SOC의 평균일 수 있다. 제2 실시예에 있어서, 제1 합성 커브는 합성 커브(240)의 제1 제어 범위 내의 부분이고, 제2 합성 커브는 합성 커브(240)의 제2 제어 범위 내의 부분이다.
제어부(140)는, 다음의 수식 3을 이용하여, 충전 커브(210) 및 평균 커브(230)로부터 제1 합성 커브를 생성할 수 있다.
<수식 3>
Figure pat00006
위 수식 3에서, x는 제1 제어 범위 내의 SOC, Y1[x]는 x에 대응하는 충전 커브(210)의 OCV, YM[x]는 x에 대응하는 평균 커브(230)의 OCV, YSA[x]는 x에 대응하는 제1 합성 커브의 OCV이다. 제1 제어 범위 내의 SOC에서, 제1 합성 커브의 개로 전압은 충전 커브(210)의 OCV과 평균 커브(230)의 OCV의 사이이다. 수식 3을 참조하면, x에 의존하는 2가지 가중치인 (x-ZTH)/(100-ZTH)과 (100-x)/(100-ZTH)가 각각 충전 커브(210) 및 평균 커브(230)에 대하여 적용된다. 따라서, x가 임계 SOC(ZTH)으로부터 상한 SOC(ZL)을 향하여 증가할수록, 제1 합성 커브에 대한 충전 커브(210)의 기여도는 높아지고 제1 합성 커브에 대한 평균 커브(230)의 기여도는 낮아짐을 알 수 있다.
제어부(140)는, 다음의 수식 4를 이용하여, 방전 커브(220) 및 평균 커브(230)로부터 제2 합성 커브를 생성할 수 있다.
<수식 4>
Figure pat00007
위 수식 3에서, x는 제2 제어 범위 내의 SOC, YM[x]는 x에 대응하는 평균 커브(230)의 OCV, Y2[x]는 x에 대응하는 방전 커브(220)의 OCV, YSB[x]는 x에 대응하는 제2 합성 커브의 OCV이다. 제2 제어 범위 내의 SOC에서, 제2 합성 커브의 개로 전압은 평균 커브(230)의 OCV과 방전 커브(220)의 OCV의 사이이다. 수식 4를 참조하면, x에 의존하는 2가지 가중치인 x/ZTH과 (ZTH-x)/ZTH가 각각 평균 커브(230) 및 방전 커브(220)에 대하여 적용된다. 따라서, x가 임계 SOC(ZTH)으로부터 하한 SOC(ZU)을 향하여 감소할수록, 제2 합성 커브에 대한 평균 커브(230)의 기여도는 낮아지고 제2 합성 커브에 대한 방전 커브(220)의 기여도는 높아짐을 알 수 있다.
제1 제어 범위 내의 SOC에서, 제1 합성 커브와 충전 커브(210) 간의 OCV 차이는 제1 합성 커브와 방전 커브(220) 간의 OCV 차이보다 작다. 제2 제어 범위 내의 SOC에서, 제2 합성 커브와 방전 커브(220) 간의 OCV 차이는 제2 합성 커브와 충전 커브(210) 간의 OCV 차이보다 작다.
단계 S405는, 배터리(B)의 사이클 상태가 최초로 개시되는 경우에 1회 실행될 수 있다. 즉, 제어부(140)는 제1 합성 커브 및 제2 합성 커브가 일단 한번 결정된 경우, 제1 합성 커브 및 제2 합성 커브를 메모리부(120)에 기록하고, 이후의 충방전 이벤트에서는 단계 S400을 반복 실행하는 대신, 메모리부(120)에 기록된 제1 합성 커브 및 제2 합성 커브를 독출할 수 있다.
단계 S410에서, 제어부(140)는, 중앙 컨트롤러(2)로부터의 충방전 명령에 응답하여, 배터리(B)의 충전 또는 방전을 개시한다. 예컨대, 제어부(140)는, 릴레이(20)를 턴 온시킬 수 있다.
단계 S420에서, 제어부(140)는, 배터리(B)의 전압, 전류 및/또는 온도를 나타내는 센싱 신호를 센싱부(110)로부터 수집한다.
단계 S430에서, 제어부(140)는, 센싱 신호를 기초로, 배터리(B)의 현 OCV를 결정한다. OCV의 결정에 관하여는 도 3을 참조하여 이미 전술되었으므로, 반복된 설명은 생략한다.
단계 S440에서, 제어부(140)는, 현 OCV에 대응하는 제1 합성 커브 및 제2 합성 커브 중 하나의 SOC와 동일하게 배터리(B)의 현 SOC를 결정한다.
단계 S450에서, 제어부(140)는, 현 SOC가 전체 제어 범위를 벗어났는지 여부를 판정한다. 단계 S450의 값이 "예"인 경우, 단계 S460으로 진행한다. 단계 S3450의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S420으로 돌아갈 수 있다.
단계 S460에서, 제어부(140)는, 충방전 정지 요청을 출력한다. 충방전 정지 요청은, 인터페이스부(150)를 통해 중앙 컨트롤러(2)에게 전송될 수 있다. 대안적으로, 제어부(140)는, 릴레이(20)를 턴 오프시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
1: 에너지 저장 시스템
10: 배터리 그룹
11: 배터리
20: 릴레이
100: 배터리 관리 시스템
110: 센싱부
120: 메모리부
140: 제어부
150: 인터페이스부

Claims (10)

  1. 배터리 관리 시스템에 있어서,
    배터리의 전압 및 전류 각각의 검출값을 나타내는 센싱 신호를 생성하도록 구성되는 센싱부;
    충전 커브 및 방전 커브가 기록되는 메모리부; 및
    상기 센싱부 및 상기 메모리부에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함하되,
    상기 충전 커브는, 완전 방전된 상태로부터의 충전에 의한 히스테리시스에 연관된, 상기 배터리의 충전 상태와 개로 전압 간의 제1 대응 관계를 나타내고,
    상기 방전 커브는, 완전 충전된 상태로부터의 방전에 의한 히스테리시스에 연관된, 상기 배터리의 충전 상태와 개로 전압 간의 제2 대응 관계를 나타내고
    상기 제어부는,
    전체 제어 범위 내의 충전 상태를 가중치로서 이용하여, 상기 충전 커브 및 상기 방전 커브를 기초로, 합성 커브를 결정하도록 구성되되, 상기 전체 제어 범위 내의 충전 상태에서, 상기 합성 커브의 개로 전압은 상기 충전 커브의 개로 전압과 상기 방전 커브의 개로 전압의 사이이고,
    상기 배터리의 충전 또는 방전 중, 상기 센싱 신호 및 상기 합성 커브를 기초로, 상기 배터리의 충전 상태를 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    임계 충전 상태 이상의 충전 상태에서, 상기 합성 커브와 상기 충전 커브 간의 개로 전압 차이는 상기 합성 커브와 상기 방전 커브 간의 개로 전압 차이보다 작고,
    상기 임계 충전 상태 미만의 충전 상태에서, 상기 합성 커브와 상기 방전 커브 간의 개로 전압 차이는 상기 합성 커브와 상기 충전 커브 간의 개로 전압 차이보다 작은 배터리 관리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식 1을 이용하여, 상기 합성 커브를 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
    <수식 1>
    Figure pat00008

    (x는 상기 전체 제어 범위 내의 충전 상태, Y1[x]는 x에 대응하는 상기 충전 커브의 개로 전압, Y2[x]는 x에 대응하는 상기 방전 커브의 개로 전압, YS[x]는 x에 대응하는 상기 합성 커브의 개로 전압)
  4. 배터리 관리 시스템에 있어서,
    배터리의 전압 및 전류 각각의 검출값을 나타내는 센싱 신호를 생성하도록 구성되는 센싱부;
    충전 커브, 방전 커브 및 상기 충전 커브와 상기 방전 커브의 평균 커브가 기록된 메모리부; 및
    상기 센싱부 및 상기 메모리부에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함하되,
    상기 충전 커브는, 완전 방전된 상태로부터의 충전에 의한 히스테리시스에 연관된, 상기 배터리의 충전 상태와 개로 전압 간의 제1 대응 관계를 나타내고,
    상기 방전 커브는, 완전 충전된 상태로부터의 방전에 의한 히스테리시스에 연관된, 상기 배터리의 충전 상태와 개로 전압 간의 제2 대응 관계를 나타내고
    상기 제어부는,
    상기 충전 커브, 상기 방전 커브 및 상기 평균 커브를 기초로, 임계 충전 상태와 상한 충전 상태 간의 제1 제어 범위에 대한 제1 합성 커브 및 하한 충전 상태와 상기 임계 충전 상태 간의 제2 제어 범위에 대한 제2 합성 커브를 결정하고,
    상기 배터리의 충전 또는 방전 중, 상기 센싱 신호, 상기 제1 합성 커브 및 제2 합성 커브를 기초로, 상기 배터리의 충전 상태를 결정하도록 구성되되,
    상기 제1 제어 범위 내의 충전 상태에서, 상기 제1 합성 커브의 개로 전압은 상기 충전 커브의 개로 전압과 상기 평균 커브의 개로 전압의 사이이고,
    상기 제2 제어 범위 내의 충전 상태에서, 상기 제2 합성 커브의 개로 전압은 상기 평균 커브의 개로 전압과 상기 방전 커브의 개로 전압의 사이인 배터리 관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 제어 범위 내의 충전 상태에서, 상기 제1 합성 커브와 상기 충전 커브 간의 개로 전압 차이는 상기 제1 합성 커브와 상기 방전 커브 간의 개로 전압 차이보다 작고,
    상기 제2 제어 범위 내의 충전 상태에서, 상기 제2 합성 커브와 상기 방전 커브 간의 개로 전압 차이는 상기 제2 합성 커브와 상기 충전 커브 간의 개로 전압 차이보다 작은 배터리 관리 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식 1을 이용하여, 상기 제1 합성 커브를 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
    <수식 1>
    Figure pat00009

    (x는 상기 제1 제어 범위 내의 충전 상태, ZTH는 상기 임계 충전 상태, Y1[x]는 x에 대응하는 상기 충전 커브의 개로 전압, YM[x]는 x에 대응하는 상기 평균 커브의 개로 전압, YSA[x]는 x에 대응하는 상기 제1 합성 커브의 개로 전압)
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기의 수식 2를 이용하여, 상기 제2 합성 커브를 결정하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
    <수식 2>
    Figure pat00010

    (x는 상기 제2 제어 범위 내의 충전 상태, ZTH는 상기 임계 충전 상태, YM[x]는 x에 대응하는 상기 평균 커브의 개로 전압, Y2[x]는 x에 대응하는 상기 방전 커브의 개로 전압, YSB[x]는 x에 대응하는 상기 제2 합성 커브의 개로 전압)
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 상기 배터리 관리 시스템을 포함하는 에너지 저장 시스템.
  9. 배터리의 전압 및 전류 각각의 검출값을 나타내는 센싱 신호를 생성하도록 구성되는 센싱부; 충전 커브 및 방전 커브가 기록된 메모리부; 및 상기 센싱부 및 상기 메모리부에 동작 가능하게 결합되는 제어부를 포함하는 배터리 관리 시스템을 이용한 배터리 관리 방법에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 충전 커브 및 상기 방전 커브를 기초로, 합성 커브를 결정하는 단계;
    상기 제어부가, 상기 배터리의 충전 또는 방전 중, 상기 센싱 신호 및 상기 합성 커브를 기초로, 상기 배터리의 충전 상태를 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 충전 커브는, 완전 방전된 상태로부터의 충전에 의한 히스테리시스에 연관된, 상기 배터리의 충전 상태와 개로 전압 간의 제1 대응 관계를 나타내고,
    상기 방전 커브는, 완전 충전된 상태로부터의 방전에 의한 히스테리시스에 연관된, 상기 배터리의 충전 상태와 개로 전압 간의 제2 대응 관계를 나타내고,
    전체 제어 범위 내의 충전 상태에서, 상기 합성 커브의 개로 전압은 상기 충전 커브의 개로 전압과 상기 방전 커브의 개로 전압의 사이인 배터리 관리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    임계 충전 상태 이상의 충전 상태에서, 상기 합성 커브와 상기 충전 커브 간의 개로 전압 차이는 상기 합성 커브와 상기 방전 커브 간의 개로 전압 차이보다 작고,
    상기 임계 충전 상태 미만의 충전 상태에서, 상기 합성 커브와 상기 방전 커브 간의 개로 전압 차이는 상기 합성 커브와 상기 충전 커브 간의 개로 전압 차이보다 작은 배터리 관리 방법.
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