KR20220145664A - 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치 및 방법 - Google Patents

모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 재활용 배터리 모듈 충방전 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재활용 배터리들 각각의 남아 있는 일정하지 않은 배터리 성능 상태(State of Health: SoH)에 대해 동일한 충방전 목표값을 설정하고, 일정하지 않은 충전상태(State of Charge: SoC, 충전량)에 대해 안정적으로 배터리 모듈 단위로 충전 및 방전을 수행하고, 충전 및 방전 시 배터리 모듈 단위로 밸런싱을 수행하는 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치 및 방법{Recycling battery module charging/discharging apparatus with module balancing function and method thereof}
본 발명은 재활용 배터리 모듈 충방전 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재활용 배터리들 각각의 남아 있는 일정하지 않은 배터리 성능 상태(State of Health: SoH)에 대해 동일한 충방전 목표값을 설정하고, 일정하지 않은 충전상태(State of Charge: SoC, 충전량)에 대해 안정적으로 배터리 모듈 단위로 충전 및 방전을 수행하고, 충전 및 방전 시 배터리 모듈 단위로 밸런싱을 수행하는 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치 및 방법에 관한 것이다.
정부는 친환경 정책과 신재생에너지 보급 정책을 시행하고 있으며, 친환경 정책 및 신재생에너지 보급 정책에 따라 신재생에너지 위주의 발전을 추구하고 있다.
이런 추세에 따라 전기를 저장했다가 필요할 때 사용하는 에너지저장시스템(Energy Storage System: ESS)의 필요성 및 사용성이 증가하고 있다.
ESS의 구축에 소용되는 비용에 있어서 배터리 구매 비용은 큰 부분을 차지한다.
통상적으로 ESS의 구축 시 새 배터리를 구매하여 적용하고 있으며, 필요성 및 사용성의 증가에 따라 ESS의 증설량 및 구축량도 증가하고 있다.
이와 같이 ESS가 지속적으로 증설되고 새롭게 구축됨에 따라 ESS의 구축, 증설 및 유지 비용을 줄일 수 있을 다양한 방안들이 연구되고 있다.
이러한 방안 중 하나가 전기자동차의 배터리를 재활용하여 ESS에 적용하는 방안이다.
통상적으로 전기자동차 또한 정부의 친환경 정책에 따라 빠르게 상용화되어 그 판매 수가 증가하고 있다.
그러나 전기자동차의 배터리는 초기 용량(SoC)의 80% 이하가 되면 주행 속도 범위를 상당히 제한하게 되어 교체하여야 한다.
따라서 근간에 전기자동차의 폐배터리의 수가 급속도로 증가할 것으로 예측되며, 2024년 이후에는 연간 10,000대 이상의 폐배터리가 발생할 것으로 예측된다.
이와 같이 전기자동차에 사용되던 배터리는 전기자동차에서 사용할 수 없으나, 대략 70%~80%의 용량을 사용할 수 있으므로 ESS에는 적용할 수 있어, 전기자동차의 폐배터리를 재활용하는 방안 및 기술이 활발히 논의되고 있다.
그러나 재활용할 배터리(이하 "재활용 배터리"라 함)의 특성과 과거의 사용 이력에 따라 효율이 달라져 재활용 배터리를 사용한 ESS의 효율과 성능을 보장할 수 없다.
즉 재사용 배터리를 사용하여 에너지저장장치를 구성하는 경우에는 재사용 배터리에 포함된 재사용 배터리 모듈의 잔존성능, 사용 이력, 현재 남아 있는 배터리 충전상태(SoC)가 모두 다르므로, 성능이 저하된 배터리 모듈은 폐기하고, 일정 수준 이상의 성능을 유지하는 재사용 배터리 모듈만을 사용하여 에너지저장시스템에 적용하고 있다.
일정 성능 이상의 재사용 배터리 모듈만을 적용한다 할지라도 재사용 배터리 모듈 각각의 SoH 및 SoC가 상이하고, 다수의 재사용 배터리 모듈들이 직병렬로 구성됨에 따라 재사용 배터리 모듈 간의 전압차에 의하여 상대적으로 약한 재사용 배터리 모듈이 손상을 입는 경우가 발생하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 동일 전압대를 갖도록 재사용 배터리 모듈을 일정 전압값으로 충전 또는 방전하여 시스템을 구축하여야 한다.
동일한 전압값으로 재사용 배터리 모듈을 충전 또는 방전하기 위해서는 임의의 전압값 또는 충전상태, 즉 충전량을 설정하여 개개의 모듈을 충전기 또는 방전기에 연결하고, 상기 재사용 배터리 모듈의 전압이 목표 전압값에 도달했는지를 검사한 후, 목표 전압값에서 30분에서 1시간 정도의 일정한 휴지기를 거쳐 전압값이 안정화된 후 재사용 배터리 모듈을 충전기 또는 방전기로부터 분리해야 한다.
따라서 종래 재활용 배터리 모듈의 충방전 장치는 각각의 재활용 배터리 모듈을 충전기 및 방전기에 연결하는 절차, 배터리 모듈의 상태를 검사하는 절차, 충전/방전 절차, 전압 안정화 절차 등의 많은 절차를 수행하여야 하므로 많은 시간이 소요되며, 충전기나 방전기도 1채널 또는 2채널만 지원하여 다수의 재사용 배터리 모듈을 사용해야 하는 상황에서 많은 시간과 비용이 소요되는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-2039954(2019.11.05.공고)
따라서 본 발명의 목적은 재활용 배터리들 각각의 남아 있는 일정하지 않은 배터리 성능 상태(State of Health: SoH)에 대해 동일한 충방전 목표값을 설정하고, 일정하지 않은 충전상태(State of Charge: SoC, 충전량)에 대해 안정적으로 배터리 모듈 단위로 충전 및 방전을 수행하고, 충전 및 방전 시 배터리 모듈 단위로 밸런싱을 수행하는 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치는: 둘 이상의 배터리 모듈을 포함하고 상기 배터리 모듈별 전압 및 충전상태(State of Charge: SoC)를 측정하는 에너지 저장부; 상기 배터리 모듈들 각각에 연결되어 상기 배터리 모듈을 충전하기 위한 충전전원을 공급하는 배터리 충전부; 상기 배터리 모듈들 각각에 연결되어 사기 배터리 모듈에 충전된 전원을 방전시키는 배터리 방전부; 상기 배터리 충전부 및 배터리 방전부와 연결되어, 제어에 따라 상기 에너지 저장부의 각 배터리 모듈별로 모듈 밸런싱을 위한 밸런싱 충전전원을 공급하거나 상기 배터리 모듈의 전원을 방전시켜 상기 배터리 모듈들에 대한 모듈 밸런싱을 수행하는 모듈 밸런싱부; 및 상기 에너지 저장부로부터 배터리 모듈별 SoC 및 SoC의 전압값 중 어느 하나를 제공받아 충방전 목표값(Vt)을 설정하고, 설정된 충방전 목표값(Vt)과 상기 에너지 저장부로부터 입력되는 실시간 측정된 모듈별 측정값(Mvn)을 각각 비교하여 배터리 모듈 각각에 대해 충전 및 방전 중 어느 하나를 결정하여 상기 배터리 충전부 또는 상기 배터리 방전부를 제어하여 상기 충방전 목표값에 대해 상기 배터리 모듈별로 충전 또는 방전을 제어하고 상기 충전 또는 방전 완료 시 상기 모듈 밸런싱부를 제어하여 상기 배터리 모듈들에 대한 모듈 단위의 모듈 밸런싱을 제어하는 충방전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 에너지 저장부는, 다수의 배터리 셀 및 상기 다수의 배터리 셀의 전원 및 온도 측정, 셀 밸런싱을 수행하고, 셀들의 전원에 의한 전체 배터리 셀의 전압인 자신의 전압값 및 Soc 중 어느 하나를 상기 측정값으로 출력하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하는 다수의 배터리 모듈; 및 상기 BMS들로부터 배터리 모듈별 전압을 수신하여 상기 충방전 제어부로 제공하는 모듈 제어부를 포함하고, 상기 모듈 밸런싱부는, 상기 배터리 모듈 수에 대응하는 수로 구성되고 상기 배터리 모듈 각각에 연결되어, 제어를 받아 충전 완료 시 상기 충방전 목표값(Vt)에 대해 충전 모듈 밸런싱을 수행하고, 방전 환료 시 상기 충방전 목표값에 대한 방전 모듈 밸런싱을 수행하는 다수의 밸런싱부; 및 상기 밸런싱부를 각각 제어하여 배터리 모듈별로 모듈단위의 충전 모듈 밸런싱 및 방전 모듈 밸런싱을 포함하는 모듈 밸런싱을 제어하는 밸런싱 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 충방전 제어부는, 상기 충방전 목표값(Vt)과 배터리 모듈별 전압값(Mvn)을 비교하여 충방전 목표값보다 작은 전압값을 가지는 배터리 모듈을 충전 대상 배터리 모듈로 결정하고, 충전 대상 배터리 모듈로 결정된 배터터 모듈 각각에 대한 충전 시간을 계산하고, 배터리 충전부를 제어하여 상기 계산된 충전 시간동안 충전전원을 해당 배터리 모듈을 제공하여 충전하도록 하고, 상기 충방전 목표값보다 큰 전압값을 가지는 배터리 모듈들을 방전 재상 배터리 모듈로 결정하고, 방전 대상 배터리 모듈로 결정된 배터리 모듈 각각에 대한 방전 시간을 계산하고 배터리 방전부를 제어하여 상기 계산된 방전 시간동안 해당 배터리 모듈의 전원을 방전하도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 충방전 제어부는, 상기 충방전 목표값의 SoC를 획득하고, 측정된 모듈별 전압값에 대한 SoC값을 획득한 후, 하기 수학식에 의해 충전 시간을 계산하는 것을 특징으로 한다.
[수학식]
Figure pat00001
여기서, 충방전 목표값의 SoC는 다수의 배터리 모듈들을 동일한 목표 전압값으로 충전하기 위한 Soc값이고, 모듈용량은 배터리 모듈의 용량이며, 충전용량은 배터리 충전부가 충전 성능에 따라 공급 가능한 전력량이다.
상기 충방전 제어부는, 상기 충방전 목표값의 SoC를 획득하고, 측정된 모듈별 전압값에 대한 SoC값을 획득한 후, 하기 수학식에 의해 충전 시간을 계산하는 것을 특징으로 한다.
[수학식]
Figure pat00002
여기서, 충방전 목표값의 SoC는 다수의 배터리 모듈들을 동일한 목표 전압값으로 충전하기 위한 Soc값이고, 모듈용량은 배터리 모듈의 용량이며, 충전용량은 배터리 충전부가 충전 성능에 따라 공급 가능한 전력량이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 방법은: 충방전 제어부가 에너지 저장부로부터 배터리 모듈별 SoC에 따른 전압값 및 SoC 중 어느 하나를 제공받아 충방전 목표값(Vt)을 설정하는 충방전 목표값 설정 과정; 충방전 제어부가 설정된 상기 충방전 목표값(Vt)과 상기 에너지 저장부로부터 입력되는 실시간 측정된 모듈별 측정값(Mvn)을 각각 비교하여 배터리 모듈 각각에 대해 충전 및 방전 중 어느 하나를 결정하는 충방전 결정 과정; 상기 충방전 제어부가 배터리 모듈별로 결정된 충방전 결정에 따라 배터리 충전부 및 배터리 방전부를 제어하여 상기 충방전 목표값에 대해 상기 배터리 모듈별로 충전 또는 방전을 제어하는 충방전 과정; 및 상기 충방전 제어부가 상기 충전 또는 방전 완료 시 상기 모듈 밸런싱부를 제어하여 상기 배터리 모듈들에 대한 모듈 단위의 모듈 밸런싱을 제어하는 모듈 밸런싱 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 충방전 목표값 설정 과정은, 모듈 밸런싱 전압 설정 이벤트가 발생되는지를 검사하는 이벤트 발생 판단 단계; 모듈 밸런싱 전압 설정 이벤트가 발생되면 에너지 저장부의 모듈 제어부로부터 배터리 모듈별 완충전 전압값 및 SoC 중 어느 하나를 획득하는 완충전 전압값 획득 단계; 및 획득된 배터리 모듈별 완충전 전압값 및 및 SoC 중 어느 하나에 의해 충방전 목표값(Vt)을 설정하는 충방전 목표값 설정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 모듈 밸런싱 과정은, 충전 결정된 상기 배터리 모듈 각각에 대한 충전 시간을 계산하여 배터리 충전부에서 공급되는 충전전원에 의해 해당 배터리 모듈을 상기 충전 시간동안 충전하도록 하는 충전 단계; 및 방전 결정된 상기 배터리 모듈들 각각에 대한 방전 시간을 계산하여 배터리 방전부를 통해 상기 배터리 모듈의 전원을 방전하도록 하는 방전 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 충전 단계에서 충방전 제어부가 상기 충방전 목표값의 SoC를 획득하고, 측정된 모듈별 전압값에 대한 SoC값을 획득한 후, 하기 수학식에 의해 충전 시간을 계산하는 것을 특징으로 한다.
[수학식]
Figure pat00003
여기서, 충방전 목표값의 SoC는 다수의 배터리모듈을 동일한 목표 전압값으로 충전하기 위한 Soc값이고, 모듈용량은 배터리 모듈의 용량이며, 충전용량은 배터리 충전부가 충전 성능에 따라 공급 가능한 전력량이다.
상기 방전 단계에서 충방전 제어부가, 상기 충방전 목표값의 SoC를 획득하고, 측정된 모듈별 전압값에 대한 SoC값을 획득한 후, 하기 수학식에 의해 충전 시간을 계산하는 것을 특징으로 한다.
[수학식]
Figure pat00004
여기서, 충방전 목표값의 SoC는 다수의 배터리 모듈을 동일한 목표 전압값으로 충전하기 위한 Soc값이고, 모듈용량은 배터리 모듈의 용량이며, 충전용량은 배터리 충전부가 충전 성능에 따라 공급 가능한 전력량이다.
본 발명은 서로 다른 SoH를 가지는 재활용 배터리 모듈들에 공통으로 적용할 수 있는 충방전 목표값을 설정하고, 설정된 충방전 목표값을 기준으로 서로 다른 SoC를 가지는 재활용 배터리 모듈들을 충전 및 방전하므로 SoH가 다름에 의한 배터리 모듈의 고장을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 다수의 배터리 모듈, 즉 다수의 충방전 채널을 가지므로 동시에 다수의 배터리 모듈을 충방전할 수 있으므로 보다 효율적인 충방전을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 충전할 배터리 모듈과 방전할 배터리 모듈을 동시에 충방전할 수 있으므로 충방전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 충방전 완료 후에도 모듈 단위의 밸런싱을 수행하여 재사용 배터리 모듈을 안정화시키므로 재사용 배터리 모듈의 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치의 구성 및 동작을 설명하고, 상기 장치에서의 배터리 모듈 충방전 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치는 에너지 저장부(10), 배터리 충전부(20), 배터리 방전부(30), 모듈 밸런싱부(40) 및 충방전 제어부(50)를 포함한다.
에너지 저장부(10)는 모듈 제어부(11) 및 다수의 재활용 배터리 모듈(12)을 포함한다.
상기 배터리 모듈(12)은 다수의 배터리셀(미도시)들과 상기 배터리셀들의 전압, 전류, 온도, 배터리 셀 전체 전압(배터리 모듈 전압), 배터리 성능상태(State of Health: SoH), 배터리 충전상태(State of Charge: SoC) 등의 배터리의 상태를 측정하여 모니터링하고, 측정 정보를 제공하며, 셀벨런싱을 수행하며, 측정된 배터리 모듈 전압, 성능상태(SoH) 및 충전상태(SoC) 중 어느 하나 이상을 측정하여 상기 배터리 모듈 전압 및 충전상태 중 어느 하나 이상을 모듈 제어부(11)로 출력하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System: BMS)(13)을 포함한다. 상기 BMS(13)는 배터리 모듈 전압, SoH 및 SoC를 모듈 제어부(11)로 제공하는 것이 바람직할 것이다.
모듈 제어부(10)는 배터리 모듈(12)들 각각의 BMS(13)로부터 배터리 모듈별 전압, 즉 배터리 모듈 전압, SoH 및 SoC 중 어느 하나 이상을 인가받아 상기 배터리 모듈 전압, SoH 및 SoC 중 어느 하나 이상을 충방전 제어부(50)로 제공한다.
배터리 충전부(20)는 에너지 저장부(10)의 각 배터리 모듈(12)에 연결되고, 충방전 제어부(50)의 제어를 받아 충전 대상인 배터리 모듈(12)로 충전 전원을 공급한다.
또한, 배터리 충전부(20)는 모듈 밸런싱부(40)의 밸런싱부(42)들 각각과 연결되어 에너지 저장부(10)의 임의의 배터리 모듈(12)의 충전 완료 시 충전 완료된 배터리 모듈(12)에 대한 충전 모듈 밸런싱을 수행하기 위한 밸런싱 충전 전원을 충전 완료된 배터리 모듈(12)과 연결된 밸런싱부(42)로 공급한다.
배터리 방전부(30)는 에너지 저장부(10)의 각 배터리 모듈(12)에 연결되고, 충방전 제어부(50)의 제어를 받아 방전 대상인 배터리 모듈(12)의 전원을 방전시킨다.
또한, 배터리 방전부(30)는 모듈 밸런싱부(40)의 밸런싱부(42)들 각각과 연결되어 에너지 저장부(10)의 임의의 배터리 모듈(12)의 방전 완료 시 방전 완료된 배터리 모듈(12)에 대한 방전 모듈 배런싱을 수행할 수 있도록 해당 배터리 모듈(12)의 충전전원을 방전시킨다.
모듈 밸런싱부(40)는 배터리 모듈(12)들 각각에 연결되고 배터리 방전부(30) 및 배터리 충전부(20)와 연결되어 충전 완료 및 방전 완료 시 해당 배터리 모듈(12)을 충전하거나 방전시키는 밸런싱부(42) 및 상기 충방전 제어부(50)의 제어를 받아 상기 각 밸런싱부(42)를 제어하여 배터리 모듈(12)들을 모듈 단위로 충전 모듈 밸런싱 및 방전 모듈 밸런싱을 포함하는 모듈 밸런싱을 수행하도록 제어하는 밸런싱 제어부(41)를 포함한다.
충방전 제어부(50)는 에너지 저장부(10)의 모듈 제어부(11)를 제어하고, 모듈 제어부(11)로부터 배터리 모듈(12)별 SoH, SoH에 대한 전압값, SoC 및 SoC에 따른 전압값을 입력받고, 상기 배터리 모듈별 SoC, SoC에 따른 전압값, SoH, SoH에 따른 전압값(배터리 모듈 성능에 따른 최대 충전 가능한 전압값) 중 어느 하나 이상을 입력받고 충방전 목표값(Vt)을 설정한다. 상기 충방전 목표값은 배터리 모듈별 SoH 또는 SoH에 대한 전압값 중 가장 낮은 전압값으로 설정될 수도 있고, 상기 가장 낮은 전압값에 대응하는 SoC값으로 설정될 수도 있을 것이다. 또한, 상기 충방전 목표값은 관리자에 의해 SoH에 대한 가장 낮은 전압값 이하의 임의으 전압값으로 설정될 수도 있을 것이다.
충방전 제어부(50)는 충방전 목표값이 설정되면 설정된 충방전 목표값과 상기 에너지 저장부(10)의 모듈 제어부(11)로부터 각 배터리 모듈(12)의 실시간 측정값인 모듈별 측정값을 입력받고, 충방전 목표값과 모듈별 측정값들을 각각 비교하여 배터리 모듈(12)별로 충전 및 방전 중 어느 하나를 수행하여야 할지를 결정한다. 상기 측정값은 상기 충방전 목표값에 대응하여 전압값 및 SoC 중 어느 하나일 수 있을 것이다.
충방전 제어부(50)는 각 배터리 모듈(12)들에 대한 충전 및 방전 여부가 결정되면 각 배터리 모듈(12)의 현재 측정값(측정 전압값에 의한 SoC 변환 또는 SoC)을 결정된 충전 및 방전 여부에 따라 하기 수학식 1 및 수학식 2 중 어느 하나를 적용하여, 충전 및 방전이 결정된 각 배터리 모듈(12)에 대해 충전 시간 및 방전 시간을 계산하고, 충전 결정된 배터리 모듈(12)에 대해 배터리 충전부(20)를 제어하여 상기 충전 시간 동안 충전을 수행하고, 방전 결정된 배터리 모듈(12)에 대해 배터리 방전부(30)를 제어하여 상기 방전 시간 동안 방전을 수행한다.
Figure pat00005
여기서, 충방전 목표값의 SoC는 다수의 배터리 모듈을 동일한 목표 전압값으로 충전하기 위한 Soc값이고, 모듈용량은 배터리 모듈의 용량이며, 충전용량은 배터리 충전부(20)가 충전 성능에 따라 공급 가능한 전력량이다.
Figure pat00006
여기서, 충방전 목표값의 SoC는 다수의 배터리 모듈을 동일한 목표 전압값으로 충전하기 위한 Soc값이고, 모듈용량은 배터리 모듈의 용량이며, 충전용량은 배터리 충전부(20)가 충전 성능에 따라 공급 가능한 전력량이다.
또한, 상기 충방전 제어부(50)는 충전 및 방전의 완료 후에 모듈 제어부(11)로부터 입력되는 측정값과 상기 충방전 목표값에 의해 모듈 밸런싱부(40)의 밸런싱 제어부(41)를 제어하여 모듈 밸런싱을 수행한다.
상기 충방전 제어부(50)는 상기 배터리 모듈(12)의 충전 및 방전 후 안정화될 시간 동안 상기 모듈 밸런싱을 수행하도록 구성될 것이다. 상기 안정화 시간은 실험에 의해 결정될 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 충방전 제어부(50)는 모듈 밸런싱 전압 설정 이벤트가 발생되는지를 검사한다(S111). 상기 모듈 밸런싱 전압 설정 이벤트는 관리자의 입력수단(미도시) 조작에 따라 발생될 수 있을 것이다.
모듈 밸런싱 전압 설정 이벤트가 발생되면 충방전 제어부(50)는 배터리 모듈(12)별로 완충된 상태에서 에너지 저장부(10)의 모듈 제어부(11)을 통해 배터리 모듈(12)별 완충전 전압값(SoH에 따른 최대 충전 가능한 전압값) 및 SoH에 대한 최대 SoC 중 어느 하나를 획득한다(S113).
상기 충방전 제어부(50)는 에너지 저장부(10)의 배터리 모듈(12)들 각각에 대한 SoC 및 완충전 전압값 중 어느 하나가 획득되면 배터리 모듈(12)들에 대한 충방전 목표값을 설정한다(S115). 상기 충방전 목표값은 배터리 모듈(12)별 최대 SoC들 중 최소값 또는 그 이하의 임의의 값으로 결정될 수 있을 것이다.
따라서 충방전 제어부(50)는 모듈 제어부(11)로부터 배터리 모듈(12)들 각각에 대한 완충전 전압값이 획득되는 경우 상기 완충전 전압값을 최대 SoC값으로 변환한다. 전압값을 SoC값으로 변환하기 위해 상기 충방전 제어부(50)는 전압-SoC 변환 테이블을 가지고 있는 것이 바람직할 것이다.
충방전 제어부(50)는 충방전 목표값이 설정되면 충방전 개시 이벤트가 발생되는지를 검사한다(S117). 상기 충방전 개시 이벤트 또한 관리자의 입력수단 조작에 의해 발생될 수 있을 것이다.
충방전 개시 이벤트가 발생되면 충방전 제어부(50)는 모듈 제어부(11)를 통해 각 배터리 모듈(12)의 BMS(13)들로부터 측정되는 재활용 배터리 모듈(12)별 측정값을 획득한다(S119).
각 배터리 모듈(12)의 측정값(Mvn)이 획득되면 충방전 제어부(50)는 상기 설정된 충방전 목표값(Vt)과 배터리 모듈(12)별 측정값(Mvn)을 비교하여 충방전 목표값(Vt)이 큰지(S121), 측정값(Mvn)이 큰지(S137)를 검사하여 충전할 배터리 모듈(12) 및 방전할 배터리 모듈(12)을 결정하고, 각각 충전할 배터리 모듈 수(n) 및 방전할 배터리 모듈 수(n)를 초기화한다(S123, S139).
충전할 배터리 모듈(12)이 결정되면 충방전 제어부(50)는 충전 결정된 배터리 모듈(12)들에 대해 충전 시간을 계산한다(S125 ~ S129).
상기 충전할 배터리 모듈(12)들에 대한 충전 시간이 계산되면 충방전 제어부(50)는 배터리 충전부(20)를 제어하여 상기 충전 결정된 배터리 모듈(12)들에 대한 충전을 개시한다(S131).
상기 충전이 개시되면 충방전 제어부(50)는 상기 계산된 충전 시간 동안 충전이 수행되어 충전이 종료되는지를 모니터링하고(S133), 충전이 종료되면 상기 충전할 배터리 모듈(12)에 연결된 모듈 밸런싱부(40)의 밸런싱부(42)를 제어하여 모듈 밸런싱을 수행한다(S135).
반면, 방전이 결정된 배터리 모듈(12)에 대해 충방전 제어부(50)는 배터리 모듈별 측정값을 상기 수학식 2에 적용하여 방전시간을 계산한다(S141~145).
방전 시간이 결정되면 충방전 제어부(50)는 배터리 방전부(30)를 제어하여 해당 배터리 모듈(12)의 전원을 방전시키기 시작하고 상기 계산된 방전시간 동안 방전이 수행되어 방전이 종료되는지를 모니터링한다(S149).
방전이 완료되면 충방전 제어부(50)는 방전이 결정된 상기 배터리 모듈(12)과 연결된 모듈 밸런싱부(40)의 해당 밸런싱부(42)를 제어하여 모듈 밸런싱을 수행한다(S135).
한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
10: 에너지 저장부 11: 모듈 제어부
12: 배터리 모듈 13: 배터리 관리 시스템(BMS)
20: 배터리 충전부 30: 배터리 방전부
40: 모듈 밸런싱부 41: 밸런싱 제어부
42: 밸런싱부 50: 충방전 제어부

Claims (10)

  1. 둘 이상의 배터리 모듈을 포함하고 상기 배터리 모듈별 전압 및 충전상태(State of Charge: SoC)를 측정하는 에너지 저장부;
    상기 배터리 모듈들 각각에 연결되어 상기 배터리 모듈을 충전하기 위한 충전전원을 공급하는 배터리 충전부;
    상기 배터리 모듈들 각각에 연결되어 사기 배터리 모듈에 충전된 전원을 방전시키는 배터리 방전부;
    상기 배터리 충전부 및 배터리 방전부와 연결되어, 제어에 따라 상기 에너지 저장부의 각 배터리 모듈별로 모듈 밸런싱을 위한 밸런싱 충전전원을 공급하거나 상기 배터리 모듈의 전원을 방전시켜 상기 배터리 모듈들에 대한 모듈 밸런싱을 수행하는 모듈 밸런싱부; 및
    상기 에너지 저장부로부터 배터리 모듈별 SoC 및 SoC의 전압값 중 어느 하나를 제공받아 충방전 목표값(Vt)을 설정하고, 설정된 충방전 목표값(Vt)과 상기 에너지 저장부로부터 입력되는 실시간 측정된 모듈별 측정값(Mvn)을 각각 비교하여 배터리 모듈 각각에 대해 충전 및 방전 중 어느 하나를 결정하여 상기 배터리 충전부 또는 상기 배터리 방전부를 제어하여 상기 충방전 목표값에 대해 상기 배터리 모듈별로 충전 또는 방전을 제어하고 상기 충전 또는 방전 완료 시 상기 모듈 밸런싱부를 제어하여 상기 배터리 모듈들에 대한 모듈 단위의 모듈 밸런싱을 제어하는 충방전 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장부는,
    다수의 배터리 셀 및
    상기 다수의 배터리 셀의 전원 및 온도 측정, 셀 밸런싱을 수행하고, 셀들의 전원에 의한 전체 배터리 셀의 전압인 자신의 전압값 및 Soc 중 어느 하나를 상기 측정값으로 출력하는 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함하는 다수의 배터리 모듈; 및
    상기 BMS들로부터 배터리 모듈별 전압을 수신하여 상기 충방전 제어부로 제공하는 모듈 제어부를 포함하고,
    상기 모듈 밸런싱부는,
    상기 배터리 모듈 수에 대응하는 수로 구성되고 상기 배터리 모듈 각각에 연결되어, 제어를 받아 충전 완료 시 상기 충방전 목표값(Vt)에 대해 충전 모듈 밸런싱을 수행하고, 방전 환료 시 상기 충방전 목표값에 대한 방전 모듈 밸런싱을 수행하는 다수의 밸런싱부; 및
    상기 밸런싱부를 각각 제어하여 배터리 모듈별로 모듈단위의 충전 모듈 밸런싱 및 방전 모듈 밸런싱을 포함하는 모듈 밸런싱을 제어하는 밸런싱 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충방전 제어부는,
    상기 충방전 목표값(Vt)과 배터리 모듈별 전압값(Mvn)을 비교하여 충방전 목표값보다 작은 전압값을 가지는 배터리 모듈을 충전 대상 배터리 모듈로 결정하고, 충전 대상 배터리 모듈로 결정된 배터터 모듈 각각에 대한 충전 시간을 계산하고, 배터리 충전부를 제어하여 상기 계산된 충전 시간동안 충전전원을 해당 배터리 모듈을 제공하여 충전하도록 하고,
    상기 충방전 목표값보다 큰 전압값을 가지는 배터리 모듈들을 방전 재상 배터리 모듈로 결정하고, 방전 대상 배터리 모듈로 결정된 배터리 모듈 각각에 대한 방전 시간을 계산하고 배터리 방전부를 제어하여 상기 계산된 방전 시간동안 해당 배터리 모듈의 전원을 방전하도록 하는 것을 특징으로 하는 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 충방전 제어부는,
    상기 충방전 목표값의 SoC를 획득하고, 측정된 모듈별 전압값에 대한 SoC값을 획득한 후, 하기 수학식에 의해 충전 시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치.
    [수학식]
    Figure pat00007

    여기서, 충방전 목표값의 SoC는 다수의 배터리 모듈을 동일한 목표 전압값으로 충전하기 위한 Soc값이고, 모듈용량은 배터리 모듈의 용량이며, 충전용량은 배터리 충전부가 충전 성능에 따라 공급 가능한 전력량이다.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 충방전 제어부는,
    상기 충방전 목표값의 SoC를 획득하고, 측정된 모듈별 전압값에 대한 SoC값을 획득한 후, 하기 수학식에 의해 충전 시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 장치.
    [수학식]
    Figure pat00008

    여기서, 충방전 목표값의 SoC는 다수의 배터리 모듈을 동일한 목표 전압값으로 충전하기 위한 Soc값이고, 모듈용량은 배터리 모듈의 용량이며, 충전용량은 배터리 충전부가 충전 성능에 따라 공급 가능한 전력량이다.
  6. 충방전 제어부가 에너지 저장부로부터 배터리 모듈별 SoC에 따른 전압값 및 SoC 중 어느 하나를 제공받아 충방전 목표값(Vt)을 설정하는 충방전 목표값 설정 과정;
    충방전 제어부가 설정된 상기 충방전 목표값(Vt)과 상기 에너지 저장부로부터 입력되는 실시간 측정된 모듈별 측정값(Mvn)을 각각 비교하여 배터리 모듈 각각에 대해 충전 및 방전 중 어느 하나를 결정하는 충방전 결정 과정;
    상기 충방전 제어부가 배터리 모듈별로 결정된 충방전 결정에 따라 배터리 충전부 및 배터리 방전부를 제어하여 상기 충방전 목표값에 대해 상기 배터리 모듈별로 충전 또는 방전을 제어하는 충방전 과정; 및
    상기 충방전 제어부가 상기 충전 또는 방전 완료 시 상기 모듈 밸런싱부를 제어하여 상기 배터리 모듈들에 대한 모듈 단위의 모듈 밸런싱을 제어하는 모듈 밸런싱 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 충방전 목표값 설정 과정은,
    모듈 밸런싱 전압 설정 이벤트가 발생되는지를 검사하는 이벤트 발생 판단 단계;
    모듈 밸런싱 전압 설정 이벤트가 발생되면 에너지 저장부의 모듈 제어부로부터 배터리 모듈별 완충전 전압값 및 SoC 중 어느 하나를 획득하는 완충전 전압값 획득 단계; 및
    획득된 배터리 모듈별 완충전 전압값 및 및 SoC 중 어느 하나에 의해 충방전 목표값(Vt)을 설정하는 충방전 목표값 설정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 모듈 밸런싱 과정은,
    충전 결정된 상기 배터리 모듈 각각에 대한 충전 시간을 계산하여 배터리 충전부에서 공급되는 충전전원에 의해 해당 배터리 모듈을 상기 충전 시간동안 충전하도록 하는 충전 단계; 및
    방전 결정된 상기 배터리 모듈들 각각에 대한 방전 시간을 계산하여 배터리 방전부를 통해 상기 배터리 모듈의 전원을 방전하도록 하는 방전 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 충전 단계에서 충방전 제어부가 상기 충방전 목표값의 SoC를 획득하고, 측정된 모듈별 전압값에 대한 SoC값을 획득한 후, 하기 수학식에 의해 충전 시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 방법.
    [수학식]
    Figure pat00009

    여기서, 충방전 목표값의 SoC는 다수의 배터리 모듈을 동일한 목표 전압값으로 충전하기 위한 Soc값이고, 모듈용량은 배터리 모듈의 용량이며, 충전용량은 배터리 충전부가 충전 성능에 따라 공급 가능한 전력량이다.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 방전 단계에서 충방전 제어부가,
    상기 충방전 목표값의 SoC를 획득하고, 측정된 모듈별 전압값에 대한 SoC값을 획득한 후, 하기 수학식에 의해 충전 시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 모듈 밸런싱 기능을 가지는 재활용 배터리 모듈 충방전 방법.
    [수학식]
    Figure pat00010

    여기서, 충방전 목표값의 SoC는 다수의 배터리 모듈을 동일한 목표 전압값으로 충전하기 위한 Soc값이고, 모듈용량은 배터리 모듈의 용량이며, 충전용량은 배터리 충전부가 충전 성능에 따라 공급 가능한 전력량이다.
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CN117465292A (zh) * 2023-12-28 2024-01-30 山东理工大学 应用于新能源汽车的电池充电控制系统

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KR102039954B1 (ko) 2012-03-02 2019-11-05 에스케이이노베이션 주식회사 배터리 모듈 밸런싱 시스템

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