WO2020022527A1 - 배터리 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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    • H02J2207/00—Details of circuit arrangements for charging or discharging batteries or supplying loads from batteries
    • H02J2207/20—Charging or discharging characterised by the power electronics converter

Definitions

  • the present invention relates to a battery diagnostic apparatus and method, and more particularly to a battery diagnostic apparatus and method for diagnosing the output degradation and capacity degradation of the battery.
  • an energy storage system (or energy storage device) refers to a device that charges electrical energy to a battery and supplies energy to a load when necessary.
  • the energy storage device has been used for the purpose of smoothing the power peak, stabilizing the output characteristics of the wind and solar power having a discontinuous output characteristics, and to adjust the frequency of the power system through charge and discharge.
  • a battery for charging electric energy is aging continuously as it is repeatedly charged and discharged, gradually decreasing its capacity and increasing its resistance.
  • the battery is permanently unusable and must be repaired or replaced before the aging problem occurs.
  • the performance deterioration of the battery used in the energy storage system includes capacity fade, in which capacity decreases due to aging, and output deterioration in which the output characteristic of the battery is deteriorated and does not satisfy the rated output required for charging and discharging. ) May be included.
  • capacity deterioration and output deterioration differ in their deterioration mechanisms, and may also vary in importance depending on the application of the energy storage system.
  • the output performance of the energy storage system is more important because it is required to perform immediate charging and discharging in a short time, and thus it is necessary to periodically evaluate the output characteristics of the battery. There is.
  • performance degradation diagnosis for an energy storage system is mainly limited to evaluating capacity degradation, as shown in FIG. 1, and output characteristic evaluation for diagnosing output degradation by measuring an output characteristic of a battery during charge and discharge is an example of an energy storage system.
  • output characteristic evaluation for diagnosing output degradation by measuring an output characteristic of a battery during charge and discharge is an example of an energy storage system.
  • a system for comprehensively evaluating capacity deterioration and output deterioration is required to improve the operational efficiency of the energy storage system.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object according to an aspect of the present invention is to comprehensively determine the degree of deterioration of a system including an output deterioration and a capacity deterioration of a battery and to predict in advance whether or not the battery is abnormal.
  • the present invention provides a battery diagnostic apparatus and method for facilitating operation, maintenance and repair of a battery.
  • a battery diagnostic apparatus includes a power converter configured to perform a discharge and charge of a battery, and the power converter controls the power converter to discharge and charge the battery, and the battery measured when the battery is discharged and charged. And a control unit for diagnosing the deterioration of the output of the battery by calculating the maximum discharge output and the maximum charge output of the battery based on the voltage and the current.
  • control unit controls the power converter to draw a discharge current having a first set size from the battery to discharge the battery, and supply a charging current having a second set size to the battery. It is characterized by charging the battery.
  • the controller calculates a discharge internal resistance value based on the voltage of the battery at the start of discharge, the voltage of the battery at the completion of discharge, and the discharge current, and based on the calculated discharge internal resistance value. To calculate the maximum discharge output.
  • the controller calculates a charge internal resistance value based on the voltage of the battery at the start of charging, the voltage of the battery at the completion of charging, and the charge current, and based on the calculated charge internal resistance value. To calculate the maximum charge output.
  • control unit calculates the maximum discharge output and the maximum charge output for each of the plurality of set SOC while sequentially adjusting the state of charge (SOC) of the battery to a plurality of set SOC, and calculates for each of the SOC
  • SOC state of charge
  • the controller is to determine the available SOC range for operating the battery based on the result of diagnosing the output degradation for each SOC of the battery.
  • control unit is characterized in that for diagnosing the output degradation for each temperature according to the temperature of the battery.
  • the controller is characterized in that the output discharge of the battery is diagnosed by comparing the calculated maximum discharge output and the maximum charge output with each of the preset required discharge output and the required charge output.
  • the controller determines the discharge capacity of the battery based on the discharge current measured while the battery in the fully charged state to the discharge state, and the capacity degradation of the battery through the amount of change in the discharge capacity It is characterized by further diagnosis.
  • the control unit to control the power conversion unit to perform the discharge and charge of the battery to discharge and charge the battery, the voltage of the battery measured at the time of discharge and charging of the battery and Calculating a maximum discharge output and a maximum charge output of the battery based on a current; and diagnosing the output deterioration of the battery using the calculated maximum discharge output and the maximum charge output. do.
  • the control unit controls the power converter to discharge the battery, and calculates the maximum discharge output of the battery based on the voltage and current of the battery measured when the battery is discharged. And controlling, by the controller, the power converter to charge the battery, and calculating a maximum charge output of the battery based on a voltage and a current of the battery measured at the time of charging the battery. do.
  • the control unit controls the power conversion unit to draw a discharge current having a first set size from the battery to discharge the battery, and the battery at the start of discharge.
  • the discharge internal resistance value is calculated based on the voltage, the voltage of the battery at the completion of discharge, and the discharge current, and the maximum discharge output is calculated based on the calculated discharge internal resistance value.
  • the control unit controls the power conversion unit to supply a charging current having a second set size to the battery to charge the battery, and the battery at the start of charging.
  • the charge internal resistance value is calculated on the basis of the voltage, the voltage of the battery at the completion of charging, and the charge current, and the maximum charge output is calculated based on the calculated charge internal resistance value.
  • the control unit calculates the maximum discharge output and the maximum charge output for each of the plurality of set SOCs while sequentially adjusting a state of charge (SOC) of the battery to a plurality of set SOCs.
  • the control unit may diagnose output degradation for each SOC of the battery using the maximum discharge output and the maximum charge output calculated for each SOC.
  • the controller may further include determining, by the controller, an available SOC range for operating the battery based on a result of diagnosing an output degradation for each SOC of the battery.
  • the controller may compare the calculated maximum discharge output and the maximum charge output with a predetermined request discharge output and a request charge output, respectively, to diagnose an output degradation of the battery.
  • the control unit determines the discharge capacity of the battery based on a discharge current measured while the battery in a fully charged state is discharged to a fully discharged state, and diagnoses the deterioration of the capacity of the battery through the change amount of the discharge capacity. It characterized in that it further comprises the step.
  • the present invention provides stability and performance for the entire system through a method of directly measuring output degradation at a system level without relying on the calculated state of health (SOH) in the battery management system.
  • the degradation can be diagnosed more accurately, and the diagnostic results can be used to predict the output of the battery, thereby improving the operational efficiency of the energy storage system.
  • the present invention diagnoses the output characteristics of the battery for each SOC of the battery, and operates the energy storage system in the SOC range in which the required output can be expressed normally, the long life operation of the energy storage system You can make it possible.
  • 1 is an exemplary diagram for describing a capacity deterioration of a conventional battery.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a battery diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is an exemplary view for explaining a process of calculating the maximum discharge output and the maximum charge output in the battery diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exemplary view illustrating a result of diagnosing an output degradation for each SOC of a battery in the battery diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exemplary view illustrating a result of diagnosing an output degradation of each battery in a battery diagnosis apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a battery diagnosis method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a process of calculating a maximum discharge output and a maximum charge output in a battery diagnostic method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a process of diagnosing output degradation for each SOC of a battery in the battery diagnostic method according to an embodiment of the present invention.
  • the present embodiment performs charging and discharging to supply stored electric energy to a load. It can be applied to the configuration for diagnosing degradation of performance of all kinds of batteries.
  • the battery of the present embodiment may include a unit cell, a module connected in series or parallel, a rack in which the modules are connected in series or in parallel, and a system level battery in which the rack is connected in series or in parallel.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a battery diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a process for calculating the maximum discharge output and the maximum charge output in the battery diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention
  • 4 is an exemplary diagram illustrating a result of diagnosing an output degradation degree for each SOC of a battery in the battery diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention. Exemplary diagram illustrating a result of diagnosing an output deterioration rate of each battery in a battery diagnosis apparatus.
  • a battery diagnostic apparatus may include a battery 10, a battery manager 20, a power converter 30, a measurer 40, and a controller 50. have.
  • the battery 10 refers to a secondary battery having a positive electrode plate and a negative electrode plate and capable of charging and discharging by chemical action, and is a lithium battery, a sodium-sulfur battery, a redox flow battery, and a redox flow battery. ), A nickel-cadmium battery (Ni-Cd Battery), or a super capacitor, but is not limited thereto.
  • the battery may include a single cell, a module, a rack, and a system level battery as described above.
  • the battery manager 20 is connected to the battery 10, and acquires battery state information including a voltage, a current, a temperature, a state of charge (SOC), and the like of the battery 10. Can be delivered to.
  • the battery manager 20 may be provided in an energy storage system and implemented as a battery management system (BMS) that monitors a state of the battery 10.
  • BMS battery management system
  • the power conversion unit 30 converts the AC power from the power generation source into DC power and stores it in the battery 10, or converts the DC power from the battery 10 into AC power and supplies the power to the power system. Through this, it may serve to provide compatibility between the power system and the battery 10.
  • the power converter 30 may be controlled by the controller 50 to perform the discharge and charge of the battery 10, and accordingly, the current of the preset pulse pattern may be converted into the battery 10 as described below.
  • the battery 10 may be discharged or charged by drawing it out from or by supplying it to the battery 10. Meanwhile, the power converter 30 may be implemented as a power conversion system (PCS) provided in the energy storage system.
  • PCS power conversion system
  • the measurement unit 40 may measure the voltage and current at the time of discharging and charging and transfer the measured voltage and current to the controller 50.
  • the voltage and current of the battery 10 measured by the measuring unit 40 may be used to calculate the maximum discharge output and the maximum charge output of the battery 10 as will be described later.
  • the controller 50 controls the power converter 30 to discharge and charge the battery 10, and the voltage and current of the battery 10 measured by the measurement unit 40 when discharging and charging the battery 10. Based on the calculation, the maximum discharge output and the maximum charge output of the battery 10 may be calculated to diagnose output degradation of the battery 10. As described above, the output deterioration is defined as a decrease in the output characteristics of the battery 10 so as not to satisfy the rated output required for charging and discharging the battery 10.
  • the controller 50 may first control the power converter 30 to discharge and charge the battery 10 to calculate the maximum discharge output and the maximum charge output. At this time, the controller 50 controls the power converter 30 to draw a discharge current having a first set magnitude from the battery 10 to discharge the battery 10 and to charge a charge current having a second set magnitude.
  • the battery 10 may be charged by supplying the battery 10.
  • the controller 50 controls the power converter 30 as shown in FIG. 3 to discharge the discharge current having a first set size (eg, 5C rate of the capacity of the battery 10).
  • the battery 10 may be discharged by drawing it from the battery 10 for a set time (eg, 10 seconds).
  • the controller 50 may calculate the discharge internal resistance value based on the voltage of the battery 10 at the start of discharge, the voltage of the battery 10 at the completion of discharge, and the discharge current. That is, since the voltage drop amount when the battery 10 is discharged depends on the product of the magnitude of the discharge current drawn from the battery 10 and the discharge internal resistance value, the discharge internal resistance value may be calculated according to Equation 1 below. have.
  • R dis is the discharge internal resistance value
  • OCV dis is the voltage of the battery 10 at the start of discharge (meaning the open circuit voltage at the start of discharge)
  • V dis is the voltage of the battery 10 at the completion of discharge
  • I dis means the magnitude of the discharge current (that is, the first set magnitude).
  • the controller 50 may calculate the maximum discharge output according to Equation 2 based on the calculated discharge internal resistance value.
  • Discharge Power means maximum discharge output and V MIN means minimum discharge voltage.
  • the controller 50 determines a predetermined voltage for reaching the open circuit voltage (OCV) before the voltage of the battery 10 reaches the maximum charge output.
  • OCV open circuit voltage
  • the control of the power converter 30 is stopped during the idle time.
  • the idle time is a time required for the voltage of the battery 10 to reach an open circuit voltage and enter a stable state, and is calculated based on the voltage and current of the battery 10 when the battery 10 is not in a stable state. Since there is an error in the discharge output and the maximum charge output, the controller 50 waits until the voltage of the battery 10 reaches the open circuit voltage. This rest time is applied even before calculating the maximum discharge output.
  • the controller 50 controls the power converter 30 as shown in FIG. 3, so that the second set size (for example, the capacity of the battery 10) is reduced.
  • the battery 10 may be charged by supplying a charging current having a 3.75 times current (3.75C rate) to the battery 10 for a set time (eg, 10 seconds).
  • the controller 50 may calculate the charging internal resistance value based on the voltage of the battery 10 at the start of charging, the voltage of the battery 10 at the completion of charging, and the charging current. That is, since the voltage increase amount when the battery 10 is charged depends on the product of the magnitude of the charging current supplied to the battery 10 and the charge internal resistance value, the charge internal resistance value may be calculated according to Equation 3 below. have.
  • R chg is the charge internal resistance value
  • OCV chg is the voltage of the battery 10 at the start of charging (open circuit voltage at the start of charging)
  • V chg is the voltage of the battery 10 at the completion of charging
  • I chg means the magnitude of the charging current (that is, the second set magnitude).
  • the controller 50 may calculate the maximum charge output according to Equation 4 based on the calculated charge internal resistance value.
  • Charge Power is the maximum charge output and V MAX is the maximum charge voltage.
  • first and second set sizes and set times may be variously selected according to the specification of the battery 10 and the intention of the designer.
  • the controller 50 compares the calculated maximum discharge output and the maximum charge output with the preset required discharge output and the required charge output, respectively, to diagnose an output degradation of the battery 10. Can be.
  • the required discharge output and the required charge output required as the ratings at the time of charging and discharging are set in advance, and the maximum discharge output and the maximum charge output calculated through the above-described processes are required. And the degradation of the output of the battery 10 can be diagnosed by comparing with the required charging output, respectively.
  • the controller 50 may preset the SOC of the battery 10 to a plurality of set SOCs (first to nth set SOCs (n is a natural number of 1 or more) according to the order of SOC sizes).
  • the maximum discharge output and the maximum charge output can be calculated for each of a plurality of set SOCs while adjusting sequentially.), And the output degradation for each SOC of the battery 10 can be diagnosed using the maximum discharge output and the maximum charge output calculated for each SOC. have.
  • an SOC range for securing an output required for charging and discharging is specified. That is, since the output characteristics of the battery 10, the required discharge output and the required charge output are different according to the current SOC of the battery 10, the controller 50 may determine the maximum discharge output and the maximum charge output.
  • the deterioration of output per SOC can be diagnosed by calculating for each of a plurality of set SOCs of 10) and comparing the maximum discharge output and the maximum charge output calculated for each SOC with the required discharge output and the required charge output respectively for each SOC.
  • the controller 50 sequentially adjusts the SOC of the battery 10 to a plurality of set SOCs, and is configured as 'waiting during idle time-calculating maximum discharge output-waiting during idle time-calculating maximum charge output-output degradation diagnosis' 1. By performing the cycle for each set SOC, it is possible to diagnose output degradation for each SOC of the battery 10.
  • FIG. 4 illustrates an example in which a plurality of set SOCs are set to 10%, 20%, ..., 90%.
  • the setting SOC may be designed and set in various ways according to the specification of the battery 10 and the intention of the designer.
  • the controller 50 diagnoses the output degradation for each SOC of the battery 10. Based on the results, the available SOC range for operating the battery 10 can be determined.
  • the available SOC range in which the output required for the battery 10 is normally expressed may be determined, and the battery 10 is operated in the determined available SOC range.
  • the controller 50 may diagnose an output degradation for each temperature according to the temperature of the battery 10. That is, since the output characteristics of the battery 10 vary according to the temperature of the battery 10, the current temperature of the battery 10 is received from the battery manager 20 in a process of diagnosing the output degradation of the battery 10.
  • the output degradation degree can be managed by linking with the temperature of the battery 10.
  • the controller 50 may further diagnose not only the output degradation but also the capacity degradation.
  • Capacity deterioration is defined as a decrease in the capacity of the battery 10 due to aging of the battery 10 as described above. That is, the controller 50 determines the discharge capacity of the battery 10 based on the discharge current measured while the battery 10 in the fully charged state is discharged to the fully discharged state, and determines the battery 10 through the change amount of the discharge capacity. Dose degradation may be further diagnosed. By doing so, the degree of degradation of the system including the output degradation and the capacity degradation of the battery 10 may be comprehensively determined, and the operation of the battery 10 may be easily performed by predicting whether the battery 10 is abnormal. can do.
  • the configuration for diagnosing output degradation and the configuration for diagnosing capacity degradation can be performed sequentially, the time series of which is not limited to a specific order.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a battery diagnostic method according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 specifically illustrates a process of calculating a maximum discharge output and a maximum charge output in a battery diagnostic method according to an embodiment of the present invention
  • 8 is a flowchart illustrating a process of diagnosing an output degradation of a battery by changing SOCs of the batteries into a plurality of set SOCs in the battery diagnostic method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the controller 50 controls the power converter 30 that discharges and charges the battery 10 to control the battery 10.
  • Is discharged and charged, and the maximum discharge output and the maximum charge output of the battery 10 are calculated based on the voltage and current of the battery 10 measured at the time of discharging and charging the battery 10 (S10).
  • the step S10 of calculating the maximum discharge output and the maximum charge output of the battery 10 may include the step S11 of calculating the maximum discharge output and a predetermined pause for the voltage of the battery 10 to reach the open circuit voltage. It consists of a sequential configuration of step S13 to wait for time, and step S15 to calculate the maximum charge output.
  • the controller 50 controls the power converter 30 to discharge the battery 10, and the voltage and current of the battery 10 measured when the battery 10 is discharged.
  • the maximum discharge output of the battery 10 is calculated on the basis of (S11).
  • the controller 50 controls the power converter 30 to draw a discharge current having a first set magnitude from the battery 10 to discharge the battery 10, and to discharge the battery 10 at the start of discharge.
  • the discharge internal resistance value is calculated on the basis of the voltage of), the voltage of the battery 10 at the completion of discharge, and the discharge current, and the maximum discharge output is calculated based on the calculated discharge internal resistance value. Since the description thereof has been described above with reference to Equations 1 and 2, a detailed description thereof will be omitted.
  • the controller 50 stops the control of the power converter 30 for a predetermined idle time for the voltage of the battery 10 to reach the open circuit voltage (OCV) (S13). .
  • the controller 50 controls the power converter 30 to charge the battery 10, and the battery 10 measured when the battery 10 is charged.
  • the maximum charge output of the battery 10 is calculated on the basis of the voltage and the current of (S15).
  • the controller 50 controls the power converter 30 to supply the charging current having the second set size to the battery 10 to charge the battery 10, and to charge the battery 10 at the start of charging.
  • the internal charge value is calculated based on the voltage), the voltage of the battery 10 at the completion of charging, and the charging current, and the maximum charge output is calculated based on the calculated internal charge value. Since the description thereof has been described above with reference to Equations 3 and 4, a detailed description thereof will be omitted.
  • the time series order in which the step S11 of calculating the maximum discharge output and the step S15 of calculating the maximum charging output are performed is not limited to the above-described order, and after calculating the maximum charging output, the apparatus waits for a predetermined idle time and then It may be implemented in a time series configuration for calculating the discharge output.
  • the controller 50 diagnoses the output degradation of the battery 10 by using the calculated maximum discharge output and the maximum charge output (S20).
  • the controller 50 may compare the calculated maximum discharge output and the maximum charge output with a preset request discharge output and a request charge output, respectively, to diagnose an output degradation of the battery 10.
  • the controller 50 may diagnose output degradation for each SOC of the battery 10 while sequentially adjusting the SOC of the battery 10 to a plurality of set SOCs.
  • steps S10 and S20 may be performed while the SOC of the battery 10 is sequentially adjusted to a plurality of set SOCs.
  • the controller 50 may calculate the maximum discharge output and the maximum charge output for each of the plurality of set SOCs while sequentially adjusting the SOCs of the battery 10 to a plurality of set SOCs. 50 may diagnose the deterioration of the SOC output of the battery 10 by using the maximum discharge output and the maximum charge output calculated for each SOC.
  • the controller 50 adjusts the SOC of the battery 10 to the first set SOC (S100).
  • the controller 50 calculates the maximum discharge output and the maximum charge output (S200), and diagnoses the output degradation of the battery 10 (S300).
  • the controller 50 adjusts the SOC of the battery 10 to the next set SOC (that is, the SOC of the battery 10 is adjusted). After adjusting upward by a predetermined SOC increment (eg, 10%) (S500), steps S200 to S400 are repeated. The process is repeated n times while the SOC of the battery 10 is sequentially adjusted from the first set SOC to the nth set SOC, thereby diagnosing output degradation for each SOC of the battery 10.
  • a predetermined SOC increment eg, 10%
  • the controller 50 determines an available SOC range for operating the battery 10 based on a result of diagnosing output degradation for each SOC (S600). That is, based on the result of diagnosing the output degradation for each SOC of the battery 10, the available SOC range in which the output required for the battery 10 is normally expressed may be determined, and the battery 10 is operated in the determined available SOC range. By minimizing the influence of the deterioration of the output of the battery 10 it is possible to enable more stable operation of the battery 10.
  • the control unit 50 may diagnose not only the output degradation but also the capacity degradation in the present embodiment, and accordingly, in the present embodiment, the control unit 50 is configured to fully discharge the battery 10 in the fully charged state.
  • the method may further include determining a discharge capacity of the battery 10 based on the discharge current measured during the discharge, and diagnosing the capacity deterioration of the battery 10 through a change amount of the discharge capacity (S30).
  • S30 change amount of the discharge capacity
  • the present embodiment more accurately measures the stability and performance degradation of the entire system by independently measuring the output degradation at the system level without depending on the state of health (SOH) calculated in the battery management system. Diagnosis can be made, and the results of the diagnosis can be used to predict the output of the battery, thereby improving the operational efficiency of the energy storage system.
  • SOH state of health
  • the present embodiment may enable the long life operation of the energy storage system by diagnosing the output characteristics of the battery for each SOC of the battery, and operating the energy storage system in the SOC range in which the required output can be expressed normally.

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Abstract

본 발명은 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 배터리의 방전 및 충전을 수행하는 전력 변환부, 및 전력 변환부를 제어하여 배터리를 방전 및 충전시키고, 배터리의 방전 및 충전 시 측정되는 배터리의 전압 및 전류를 토대로 배터리의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하여 배터리의 출력 열화를 진단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 진단 장치 및 방법
본 발명은 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리의 출력 열화 및 용량 열화를 진단하기 위한 배터리 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 에너지 저장 시스템(ESS : Energy Storage System)(또는 에너지 저장 장치)은 배터리에 전기에너지를 충전한 후 필요 시 부하로 에너지를 공급하는 장치를 말한다. 이러한 에너지 저장 장치는 충방전을 통하여 전력피크의 평활화, 불연속적인 출력특성을 갖는 풍력 및 태양광의 출력특성 안정화, 및 전력계통의 주파수를 조정하는 것을 주요 목적으로 활용되고 있다.
에너지 저장 시스템에서 전기에너지를 충전하기 위한 배터리는 충전 및 방전을 반복함에 따라 지속적으로 노화되어 점차적으로 용량이 저하되고 저항이 증가하게 된다. 즉 배터리는 영구적으로 사용할 수 없으므로, 노화에 따른 문제가 발생하기 전에 이를 보수하거나 교체해 주어야 한다.
에너지 저장 시스템에 사용되는 배터리의 성능 열화에는 노화로 인해 용량이 저하되는 용량 열화(Capacity Fade)와, 배터리의 출력 특성이 저하되어 그 충방전시 요구되는 정격 출력을 만족시키지 않는 출력 열화(Power Fade)가 포함될 수 있다. 이러한 용량 열화 및 출력 열화는 그 열화 메커니즘에 차이가 있으며, 에너지 저장 시스템의 적용 분야에 따라서도 중요도에 차이가 있을 수 있다. 특히 전력계통의 주파수를 조정하기 위한 주파수 조정용 에너지 저장 시스템의 경우, 짧은 시간에 즉각적인 충전 및 방전을 수행해야 하므로 에너지 저장 시스템의 출력 성능이 더 중요하며, 이에 따라 주기적으로 배터리의 출력 특성을 평가할 필요가 있다.
종래에는 에너지 저장 시스템에 대한 성능 열화 진단은 도 1에 도시된 것과 같이 주로 용량 열화를 평가하는데 국한되었으며, 충방전시 배터리의 출력 특성을 측정하여 출력 열화를 진단하는 출력 특성 평가는 에너지 저장 시스템의 운영 과정에 적용되지 않았기 때문에, 용량 열화 및 출력 열화를 종합적으로 평가하여 에너지 저장 시스템의 운영 효율성을 향상시키기 위한 시스템이 요구된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0144658호(2016.12.19 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 배터리의 출력 열화 및 용량 열화를 포함하는 시스템의 열화도를 종합적으로 판단하고 배터리의 이상 여부를 사전에 예측하여 배터리의 운영, 유지 및 보수를 용이하게 하는 배터리 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 장치는, 배터리의 방전 및 충전을 수행하는 전력 변환부, 및 상기 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 방전 및 충전시키고, 상기 배터리의 방전 및 충전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류를 토대로 상기 배터리의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 전력 변환부를 제어하여, 제1 설정 크기를 갖는 방전 전류를 상기 배터리로부터 인출시켜 상기 배터리를 방전시키고, 제2 설정 크기를 갖는 충전 전류를 상기 배터리로 공급하여 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 방전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 방전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 방전 전류에 근거하여 방전 내부 저항값을 산출하고, 상기 산출된 방전 내부 저항값에 기초하여 상기 최대 방전 출력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 충전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 충전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 충전 전류에 근거하여 충전 내부 저항값을 산출하고, 상기 산출된 충전 내부 저항값에 기초하여 상기 최대 충전 출력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC(State Of Charge)를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 상기 최대 방전 출력 및 상기 최대 충전 출력을 상기 복수의 설정 SOC별로 산출하고, 상기 SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 이용하여 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 상기 배터리를 운영하기 위한 가용 SOC 범위를 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 배터리의 온도에 따른 온도별 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 미리 설정된 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제어부는, 완전 충전 상태의 배터리가 완전 방전 상태까지 방전되는 동안 측정되는 방전 전류에 근거하여 상기 배터리의 방전 용량을 판단하고, 상기 방전 용량의 변화량을 통해 상기 배터리의 용량 열화를 더 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 진단 방법은, 제어부가, 배터리의 방전 및 충전을 수행하는 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 방전 및 충전시키고, 상기 배터리의 방전 및 충전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류를 토대로 상기 배터리의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 단계, 및 상기 제어부가, 상기 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력를 이용하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 산출하는 단계는, 상기 제어부가, 상기 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 방전시키고, 상기 배터리의 방전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류를 토대로 상기 배터리의 최대 방전 출력을 산출하는 단계, 및 상기 제어부가, 상기 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 충전시키고, 상기 배터리의 충전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류릍 토대로 상기 배터리의 최대 충전 출력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 최대 방전 출력을 산출하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 전력 변환부를 제어하여, 제1 설정 크기를 갖는 방전 전류를 상기 배터리로부터 인출시켜 상기 배터리를 방전시키고, 방전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 방전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 방전 전류에 근거하여 방전 내부 저항값을 산출하며, 상기 산출된 방전 내부 저항값에 기초하여 상기 최대 방전 출력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 최대 충전 출력을 산출하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 전력 변환부를 제어하여, 제2 설정 크기를 갖는 충전 전류를 상기 배터리로 공급하여 상기 배터리를 충전시키고, 충전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 충전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 충전 전류에 근거하여 충전 내부 저항값을 산출하며, 상기 산출된 충전 내부 저항값에 기초하여 상기 최대 충전 출력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 산출하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC(State Of Charge)를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 상기 최대 방전 출력 및 상기 최대 충전 출력을 상기 복수의 설정 SOC별로 산출하고, 상기 진단하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 이용하여 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 제어부가, 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 상기 배터리를 운영하기 위한 가용 SOC 범위를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 진단하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 미리 설정된 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 제어부가, 완전 충전 상태의 배터리가 완전 방전 상태까지 방전되는 동안 측정되는 방전 전류에 근거하여 상기 배터리의 방전 용량을 판단하고, 상기 방전 용량의 변화량을 통해 상기 배터리의 용량 열화를 진단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 배터리 관리 시스템에서 계산된 열화도(SOH: State Of Health)에 의존하지 않고 시스템 레벨에서 출력 열화도를 직접 측정하는 방식을 통해 시스템 전체에 대한 안정성 및 성능 열화를 보다 정확하게 진단할 수 있고, 그 진단 결과를 이용하여 배터리의 출력을 예측함으로써 에너지 저장 시스템의 운용 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 배터리의 출력 특성을 배터리의 SOC별로 각각 진단하고, 요구 출력이 정상적으로 발현될 수 있는 SOC 범위에서 에너지 저장 시스템을 운영함으로써 에너지 저장 시스템의 장수명 운전을 가능하도록 할 수 있다.
도 1은 종래의 배터리의 용량 열화를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치를 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 배터리의 온도별 출력 열화를 진단한 결과를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법에서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 과정을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법에서 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배터리 진단 장치 및 방법의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하에서는 본 실시예의 이해를 돕기 위해 에너지 저장 시스템에 구비되는 배터리의 성능을 진단하는 실시예로 설명하지만, 본 실시예는 에너지 저장 시스템 이외에도, 저장된 전기에너지를 부하로 공급하기 위해 충전 및 방전이 수행되는 모든 종류의 배터리의 성능 열화를 진단하는 구성에 적용될 수 있다. 또한 본 실시예의 배터리는 단전지, 단전지가 직렬 또는 병렬로 연결된 모듈, 모듈이 직렬 또는 병렬로 연결된 랙(Rack), 및 랙이 직렬 또는 병렬로 연결된 시스템 레벨의 배터리를 모두 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치를 설명하기 위한 블록구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 배터리의 SOC별 출력 열화도를 진단한 결과를 나타낸 예시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치에서 배터리의 온도별 출력 열화도를 진단한 결과를 나타낸 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 장치는 배터리(10), 배터리 관리부(20), 전력 변환부(30), 측정부(40) 및 제어부(50)를 포함할 수 있다.
배터리(10)는 양극판과 음극판이 구비되어 화학 작용에 의해 충방전이 가능한 2차 전지를 의미하며, 리튬 전지(Li Battery), 나트륨-황 전지(NaS Battery), 레독스 플로우 배터리(Redox Flow Battery), 니켈-카드뮴 전지(Ni-Cd Battery), 또는 슈퍼 커패시터로 구성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 배터리는 전술한 것과 같이 단전지, 모듈, 랙 및 시스템 레벨의 배터리를 모두 포함할 수 있다.
배터리 관리부(20)는 배터리(10)와 연결되며, 배터리(10)의 전압, 전류, 온도 및 충전 상태(SOC: State Of Charge) 등을 포함하는 배터리 상태 정보를 획득하여 후술할 제어부(50)로 전달할 수 있다. 배터리 관리부(20)는 에너지 저장 시스템에 구비되어 배터리(10)의 상태를 감시하는 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)으로 구현될 수 있다.
전력 변환부(30)는 발전원으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리(10)에 저장하거나, 배터리(10)로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 전력 계통으로 공급함으로써, 전력 변환을 통해 전력 계통과 배터리(10) 간의 호환성을 제공하는 역할을 수행할 수 있다. 본 실시예에서 전력 변환부(30)는 제어부(50)에 의해 제어되어 배터리(10)에 대한 방전 및 충전을 수행할 수 있으며, 이에 따라 후술할 것과 같이 미리 설정된 펄스 패턴의 전류를 배터리(10)로부터 인출하거나 배터리(10)로 공급함으로써 배터리(10)를 방전 또는 충전시킬 수 있다. 한편, 전력 변환부(30)는 에너지 저장 시스템에 구비되는 전력 변환 장치(PCS: Power Conditioning System)로 구현될 수 있다.
측정부(40)는 전력 변환부(30)에 의해 배터리(10)가 방전 및 충전되는 경우, 방전 및 충전 시의 전압과 전류를 측정하여 제어부(50)로 전달할 수 있다. 측정부(40)에 의해 측정된 배터리(10)의 전압과 전류는 후술할 것과 같이 배터리(10)의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는데 사용될 수 있다.
제어부(50)는 전력 변환부(30)를 제어하여 배터리(10)를 방전 및 충전시키고, 배터리(10)의 방전 및 충전 시 측정부(40)에 의해 측정되는 배터리(10)의 전압 및 전류를 토대로 배터리(10)의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하여 배터리(10)의 출력 열화를 진단할 수 있다. 출력 열화는 전술한 것과 같이 배터리(10)의 출력 특성이 저하되어 배터리(10)의 충방전시 요구되는 정격 출력을 만족시키지 않는 것으로 정의된다.
이하에서는 배터리(10)의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하여 배터리(10)의 출력 열화를 진단하는 과정을 제어부(50) 및 전력 변환부(30)의 동작을 중심으로 구체적으로 설명한다.
제어부(50)는 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하기 위해, 먼저 전력 변환부(30)를 제어하여 배터리(10)를 방전 및 충전시킬 수 있다. 이때, 제어부(50)는 전력 변환부(30)를 제어하여, 제1 설정 크기를 갖는 방전 전류를 배터리(10)로부터 인출시켜 배터리(10)를 방전시키고, 제2 설정 크기를 갖는 충전 전류를 배터리(10)로 공급하여 배터리(10)를 충전시킬 수 있다.
구체적으로, 제어부(50)는 도 3에 도시된 것과 같이 전력 변환부(30)를 제어하여, 제1 설정 크기(예: 배터리(10) 용량의 5배 전류(5C Rate))를 갖는 방전 전류를 설정 시간(예: 10초) 동안 배터리(10)로부터 인출시켜 배터리(10)를 방전시킬 수 있다. 이때, 제어부(50)는 방전 개시 시의 배터리(10)의 전압, 방전 완료 시의 배터리(10)의 전압, 및 방전 전류에 근거하여 방전 내부 저항값을 산출할 수 있다. 즉, 배터리(10)가 방전될 때의 전압 강하량은 배터리(10)로부터 인출되는 방전 전류의 크기 및 방전 내부 저항값 간의 곱에 의존하므로, 방전 내부 저항값은 하기 수학식 1에 따라 산출될 수 있다.
Figure PCTKR2018008316-appb-M000001
여기서 Rdis는 방전 내부 저항값, OCVdis는 방전 개시 시의 배터리(10)의 전압(방전 개시 시의 개방 회로 전압을 의미한다.), Vdis는 방전 완료 시의 배터리(10)의 전압, Idis는 방전 전류의 크기(즉, 제1 설정 크기)를 의미한다.
방전 내부 저항값이 산출된 경우, 제어부(50)는 산출된 방전 내부 저항값에 기초하여 하기 수학식 2에 따라 최대 방전 출력을 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2018008316-appb-M000002
여기서 Discharge Power는 최대 방전 출력, VMIN은 최소 방전 전압을 의미한다.
수학식 2에 따라 최대 방전 출력이 산출된 경우, 제어부(50)는 최대 충전 출력을 산출하기에 앞서, 배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)에 도달하기 위한 소정의 휴지 시간 동안 전력 변환부(30)에 대한 제어를 중지한다. 휴지 시간은 배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압에 도달하여 안정 상태로 진입하기 위해 요구되는 시간으로서, 배터리(10)가 안정 상태가 아닌 경우 배터리(10)의 전압 및 전류를 토대로 산출되는 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력에는 오차가 존재하게 되므로, 제어부(50)는 배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압에 도달할 때까지 대기한다. 이러한 휴지 시간은 최대 방전 출력을 산출하기 전에도 적용된다.
배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압에 도달한 경우, 제어부(50)는 도 3에 도시된 것과 같이 전력 변환부(30)를 제어하여, 제2 설정 크기(예: 배터리(10) 용량의 3.75배 전류(3.75C Rate))를 갖는 충전 전류를 설정 시간(예: 10초) 동안 배터리(10)로 공급하여 배터리(10)를 충전시킬 수 있다. 이때, 제어부(50)는 충전 개시 시의 배터리(10)의 전압, 충전 완료 시의 배터리(10)의 전압, 및 충전 전류에 근거하여 충전 내부 저항값을 산출할 수 있다. 즉, 배터리(10)가 충전될 때의 전압 상승량은 배터리(10)로 공급되는 충전 전류의 크기 및 충전 내부 저항값 간의 곱에 의존하므로, 충전 내부 저항값은 하기 수학식 3에 따라 산출될 수 있다.
Figure PCTKR2018008316-appb-M000003
여기서 Rchg는 충전 내부 저항값, OCVchg는 충전 개시 시의 배터리(10)의 전압(충전 개시 시의 개방 회로 전압을 의미한다.), Vchg는 충전 완료 시의 배터리(10)의 전압, Ichg는 충전 전류의 크기(즉, 제2 설정 크기)를 의미한다.
충전 내부 저항값이 산출된 경우, 제어부(50)는 산출된 충전 내부 저항값에 기초하여 하기 수학식 4에 따라 최대 충전 출력을 산출할 수 있다.
Figure PCTKR2018008316-appb-M000004
여기서 Charge Power는 최대 충전 출력, VMAX은 최대 충전 전압을 의미한다.
한편, 전술한 제1 및 제2 설정 크기와 설정 시간은 배터리(10)의 사양 및 설계자의 의도에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
최대 방전 출력 및 최대 충전 출력이 산출된 경우, 제어부(50)는 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 미리 설정된 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교하여 배터리(10)의 출력 열화를 진단할 수 있다.
즉, 주파수 조정용 에너지 저장 시스템에서 주파수를 조정하기 위해 충방전시 정격으로 요구되는 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력을 미리 설정해 두고, 전술한 과정을 통해 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교함으로써 배터리(10)의 출력 열화를 진단할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 제어부(50)는 배터리(10)의 SOC를 복수의 설정 SOC(SOC의 크기 순에 따라 제1 내지 제n 설정 SOC(n은 1 이상의 자연수)로 미리 설정되어 있을 수 있다.)로 순차적으로 조정하면서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 복수의 설정 SOC별로 산출하고, SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 이용하여 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단할 수 있다.
구체적으로, 주파수 조정용 에너지 저장 시스템과 같이 출력 특성이 중요한 에너지 저장 시스템에서는 충방전시 요구되는 출력을 확보하기 위한 SOC 범위가 지정되어 있다. 즉, 배터리(10)의 현재 SOC에 따라 배터리(10)의 출력 특성, 충방전시 요구되는 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력이 다르므로, 제어부(50)는 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 배터리(10)의 복수의 설정 SOC별로 산출하고, SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 각 SOC별로 요구되는 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교함으로써 SOC별 출력 열화를 진단할 수 있다.
제어부(50)는 배터리(10)의 SOC를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 '휴지 시간 동안 대기 - 최대 방전 출력 산출 - 휴지 시간 동안 대기 - 최대 충전 출력 산출 - 출력 열화 진단'으로 구성되는 1 사이클을 각 설정 SOC마다 수행함으로써 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단할 수 있으며, 도 4는 복수의 설정 SOC가 10%, 20%, ..., 90%로 설정된 예시를 도시하고 있으나, 설정 SOC는 배터리(10)의 사양 및 설계자의 의도에 따라 다양하게 설계되어 설정될 수 있다.
상기와 같이 배터리(10)의 SOC를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단한 경우, 제어부(50)는 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 배터리(10)를 운영하기 위한 가용 SOC 범위를 결정할 수 있다.
즉, 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 배터리(10)에 대하여 요구되는 출력이 정상적으로 발현될 수 있는 가용 SOC 범위를 결정하고, 결정된 가용 SOC 범위에서 배터리(10)를 운영하여 배터리(10)의 출력 열화의 영향을 최소화시킴으로써 보다 안정적인 배터리(10) 운영을 가능하도록 할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 배터리(10)의 온도에 따른 온도별 출력 열화를 진단할 수도 있다. 즉, 배터리(10)의 온도에 따라 배터리(10)의 출력 특성이 달라지기 때문에, 배터리(10)의 출력 열화를 진단하는 과정에서 배터리(10)의 현재 온도를 배터리 관리부(20)로부터 입력받아 출력 열화도를 배터리(10)의 온도와 링크시켜 관리할 수 있다. 전술한 방식을 통해 요구 출력이 정상적으로 발현될 수 있는 배터리(10) 온도를 설정하여 배터리(10)를 운영함으로써 에너지 저장 시스템의 장수명 운전을 가능하도록 할 수 있다. 도 5는 배터리(10)의 온도가 10℃ 및 60℃ 각각의 경우 배터리(10)의 출력 열화를 진단한 결과를 나타낸 예시도이다.
한편, 제어부(50)는 전술한 것과 같이 출력 열화뿐만 아니라 용량 열화를 더 진단할 수도 있다. 용량 열화는 전술한 것과 같이 배터리(10)의 노화로 인해 배터리(10)의 용량이 저하되는 것으로 정의된다. 즉, 제어부(50)는 완전 충전 상태의 배터리(10)가 완전 방전 상태까지 방전되는 동안 측정되는 방전 전류에 근거하여 배터리(10)의 방전 용량을 판단하고, 방전 용량의 변화량을 통해 배터리(10)의 용량 열화를 더 진단할 수도 있다. 이를 통해, 배터리(10)의 출력 열화 및 용량 열화를 포함하는 시스템의 열화도를 종합적으로 판단하고 배터리(10)의 이상 여부를 사전에 예측하여 배터리(10)의 운영, 유지 및 보수를 용이하게 할 수 있다. 출력 열화를 진단하는 구성 및 용량 열화를 진단하는 구성은 순차적으로 수행될 수 있으며, 그 시계열적 선후는 특정 순서에 한정되지 않는다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법에서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 과정을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법에서 배터리의 SOC를 복수의 설정 SOC로 각각 변경해가며 배터리의 출력 열화를 진단하는 과정을 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 진단 방법을 설명하면, 먼저 제어부(50)는, 배터리(10)의 방전 및 충전을 수행하는 전력 변환부(30)를 제어하여 배터리(10)를 방전 및 충전시키고, 배터리(10)의 방전 및 충전 시 측정되는 배터리(10)의 전압 및 전류를 토대로 배터리(10)의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출한다(S10).
도 7을 참조하면, 배터리(10)의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 S10 단계는 최대 방전 출력을 산출하는 S11 단계, 배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압에 도달하기 위한 소정의 휴지 시간 동안 대기하는 S13 단계, 및 최대 충전 출력을 산출하는 S15 단계의 순차적 구성으로 이루어진다.
우선, S11 단계에 대하여 구체적으로 설명하면, 제어부(50)는 전력 변환부(30)를 제어하여 배터리(10)를 방전시키고, 배터리(10)의 방전 시 측정되는 배터리(10)의 전압 및 전류를 토대로 배터리(10)의 최대 방전 출력을 산출한다(S11).
보다 구체적으로, 제어부(50)는 전력 변환부(30)를 제어하여, 제1 설정 크기를 갖는 방전 전류를 배터리(10)로부터 인출시켜 배터리(10)를 방전시키고, 방전 개시 시의 배터리(10)의 전압, 방전 완료 시의 배터리(10)의 전압, 및 방전 전류에 근거하여 방전 내부 저항값을 산출하며, 산출된 방전 내부 저항값에 기초하여 최대 방전 출력을 산출한다. 이에 대한 설명은 상기 수학식 1 및 2를 통해 전술한 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.
S11 단계 이후, 제어부(50)는 배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압(OCV: Open Circuit Voltage)에 도달하기 위한 소정의 휴지 시간 동안 전력 변환부(30)에 대한 제어를 중지한다(S13).
배터리(10)의 전압이 개방 회로 전압에 도달한 경우, 제어부(50)는 전력 변환부(30)를 제어하여 배터리(10)를 충전시키고, 배터리(10)의 충전 시 측정되는 배터리(10)의 전압 및 전류릍 토대로 배터리(10)의 최대 충전 출력을 산출한다(S15).
보다 구체적으로, 제어부(50)는 전력 변환부(30)를 제어하여, 제2 설정 크기를 갖는 충전 전류를 배터리(10)로 공급하여 배터리(10)를 충전시키고, 충전 개시 시의 배터리(10)의 전압, 충전 완료 시의 배터리(10)의 전압, 및 충전 전류에 근거하여 충전 내부 저항값을 산출하며, 산출된 충전 내부 저항값에 기초하여 최대 충전 출력을 산출한다. 이에 대한 설명은 상기 수학식 3 및 4를 통해 전술한 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 최대 방전 출력을 산출하는 S11 단계 및 최대 충전 출력을 산출하는 S15 단계가 수행되는 시계열적 순서는 상기한 순서에 한정되지 않으며, 최대 충전 출력을 산출한 후, 소정의 휴지 시간 동안 대기하고 최대 방전 출력을 산출하는 시계열적 구성으로 구현될 수도 있다.
S10 단계를 통해 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력이 산출된 경우, 제어부(50)는 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력를 이용하여 배터리(10)의 출력 열화를 진단한다(S20). 이때, 제어부(50)는 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 미리 설정된 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교하여 배터리(10)의 출력 열화를 진단할 수 있다.
한편, 제어부(50)가 배터리(10)의 SOC를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단할 수도 있음은 전술한 것과 같으며, 이를 위해 본 실시예에 따른 배터리 진단 방법에서 S10 단계 및 S20 단계는 배터리(10)의 SOC가 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정되면서 수행될 수도 있다.
즉, S10 단계에서 제어부(50)는 배터리(10)의 SOC를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 복수의 설정 SOC별로 산출할 수 있고, 이에 따라 S20 단계에서 제어부(50)는 SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 이용하여 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단할 수 있다.
상기의 실시예는 도 8에 도시된 흐름도에 따라 구현될 수 있으며, 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 제어부(50)는 배터리(10)의 SOC를 제1 설정 SOC로 조정한다(S100).
배터리(10)의 SOC가 제1 설정 SOC로 조정된 상태에서 제어부(50)는 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하고(S200), 배터리(10)의 출력 열화를 진단한다(S300).
이어서, 제어부(50)는 현재 배터리(10)의 SOC가 제n 설정 SOC가 아닌 경우(S400), 배터리(10)의 SOC를 차기 설정 SOC로 조정한 후(즉, 배터리(10)의 SOC를 미리 설정된 SOC 증가분(예: 10%)만큼 상향 조정한 후)(S500), S200 단계 내지 S400 단계를 반복한다. 상기 과정은 배터리(10)의 SOC가 제1 설정 SOC로부터 제n 설정 SOC까지 순차적으로 조정되면서 n번 반복 수행되며, 이를 통해 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단할 수 있다.
이어서, 제어부(50)는 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 배터리(10)를 운영하기 위한 가용 SOC 범위를 결정한다(S600). 즉, 배터리(10)의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 배터리(10)에 대해 요구되는 출력이 정상적으로 발현될 수 있는 가용 SOC 범위를 결정하고, 결정된 가용 SOC 범위에서 배터리(10)를 운영하여 배터리(10)의 출력 열화의 영향을 최소화시킴으로써 보다 안정적인 배터리(10)에 대한 운영을 가능하도록 할 수 있다.
다시 도 6을 참조하여 설명한다.
본 실시예에서 제어부(50)는 출력 열화뿐만 아니라 용량 열화도 진단할 수 있음은 전술한 것과 같으며, 이에 따라 본 실시예는 제어부(50)가 완전 충전 상태의 배터리(10)가 완전 방전 상태까지 방전되는 동안 측정되는 방전 전류에 근거하여 배터리(10)의 방전 용량을 판단하고, 방전 용량의 변화량을 통해 배터리(10)의 용량 열화를 진단하는 단계(S30)를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 배터리(10)의 출력 열화 및 용량 열화를 포함하는 시스템의 열화도를 종합적으로 판단하고 배터리(10)의 이상 여부를 사전에 예측하여 배터리(10)의 운영, 유지 및 보수를 용이하게 할 수 있다. 한편, 출력 열화를 진단하는 S10 - S20 단계와, 용량 열화를 진단하는 S30 단계는 순차적으로 수행될 수 있으며, 그 시계열적 선후는 특정 순서에 한정되지 않는다.
이와 같이 본 실시예는 배터리 관리 시스템에서 계산된 열화도(SOH: State Of Health)에 의존하지 않고 시스템 레벨에서 출력 열화도를 독립적으로 측정하는 방식을 통해 시스템 전체에 대한 안정성 및 성능 열화를 보다 정확하게 진단할 수 있고, 그 진단 결과를 이용하여 배터리의 출력을 예측함으로써 에너지 저장 시스템의 운용 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예는 배터리의 출력 특성을 배터리의 SOC별로 각각 진단하고, 요구 출력이 정상적으로 발현될 수 있는 SOC 범위에서 에너지 저장 시스템을 운영함으로써 에너지 저장 시스템의 장수명 운전을 가능하도록 할 수 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 배터리의 방전 및 충전을 수행하는 전력 변환부; 및
    상기 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 방전 및 충전시키고, 상기 배터리의 방전 및 충전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류를 토대로 상기 배터리의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 전력 변환부를 제어하여, 제1 설정 크기를 갖는 방전 전류를 상기 배터리로부터 인출시켜 상기 배터리를 방전시키고, 제2 설정 크기를 갖는 충전 전류를 상기 배터리로 공급하여 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 방전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 방전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 방전 전류에 근거하여 방전 내부 저항값을 산출하고, 상기 산출된 방전 내부 저항값에 기초하여 상기 최대 방전 출력을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 충전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 충전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 충전 전류에 근거하여 충전 내부 저항값을 산출하고, 상기 산출된 충전 내부 저항값에 기초하여 상기 최대 충전 출력을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC(State Of Charge)를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 상기 최대 방전 출력 및 상기 최대 충전 출력을 상기 복수의 설정 SOC별로 산출하고, 상기 SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 이용하여 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 상기 배터리를 운영하기 위한 가용 SOC 범위를 결정하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 배터리의 온도에 따른 온도별 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 미리 설정된 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 완전 충전 상태의 배터리가 완전 방전 상태까지 방전되는 동안 측정되는 방전 전류에 근거하여 상기 배터리의 방전 용량을 판단하고, 상기 방전 용량의 변화량을 통해 상기 배터리의 용량 열화를 더 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 장치.
  10. 제어부가, 배터리의 방전 및 충전을 수행하는 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 방전 및 충전시키고, 상기 배터리의 방전 및 충전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류를 토대로 상기 배터리의 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 산출하는 단계; 및
    상기 제어부가, 상기 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력를 이용하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 산출하는 단계는,
    상기 제어부가, 상기 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 방전시키고, 상기 배터리의 방전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류를 토대로 상기 배터리의 최대 방전 출력을 산출하는 단계; 및
    상기 제어부가, 상기 전력 변환부를 제어하여 상기 배터리를 충전시키고, 상기 배터리의 충전 시 측정되는 상기 배터리의 전압 및 전류릍 토대로 상기 배터리의 최대 충전 출력을 산출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 최대 방전 출력을 산출하는 단계에서, 상기 제어부는,
    상기 전력 변환부를 제어하여, 제1 설정 크기를 갖는 방전 전류를 상기 배터리로부터 인출시켜 상기 배터리를 방전시키고, 방전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 방전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 방전 전류에 근거하여 방전 내부 저항값을 산출하며, 상기 산출된 방전 내부 저항값에 기초하여 상기 최대 방전 출력을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 최대 충전 출력을 산출하는 단계에서, 상기 제어부는,
    상기 전력 변환부를 제어하여, 제2 설정 크기를 갖는 충전 전류를 상기 배터리로 공급하여 상기 배터리를 충전시키고, 충전 개시 시의 상기 배터리의 전압, 충전 완료 시의 상기 배터리의 전압, 및 상기 충전 전류에 근거하여 충전 내부 저항값을 산출하며, 상기 산출된 충전 내부 저항값에 기초하여 상기 최대 충전 출력을 산출하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 산출하는 단계에서, 상기 제어부는,
    상기 배터리의 SOC(State Of Charge)를 복수의 설정 SOC로 순차적으로 조정하면서 상기 최대 방전 출력 및 상기 최대 충전 출력을 상기 복수의 설정 SOC별로 산출하고,
    상기 진단하는 단계에서, 상기 제어부는,
    상기 SOC별로 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 이용하여 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 배터리의 SOC별 출력 열화를 진단한 결과를 토대로 상기 배터리를 운영하기 위한 가용 SOC 범위를 결정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 진단하는 단계에서, 상기 제어부는,
    상기 산출된 최대 방전 출력 및 최대 충전 출력을 미리 설정된 요구 방전 출력 및 요구 충전 출력과 각각 비교하여 상기 배터리의 출력 열화를 진단하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 제어부가, 완전 충전 상태의 배터리가 완전 방전 상태까지 방전되는 동안 측정되는 방전 전류에 근거하여 상기 배터리의 방전 용량을 판단하고, 상기 방전 용량의 변화량을 통해 상기 배터리의 용량 열화를 진단하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 진단 방법.
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