WO2021054716A1 - 배터리 전압 데이터 및 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템 - Google Patents

배터리 전압 데이터 및 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템 Download PDF

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김창호
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주식회사 엠피에스티
김창호
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries

Definitions

  • An embodiment of the present invention relates to a system for detecting an abnormal condition in advance using battery voltage data and temperature data.
  • the energy storage system 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.
  • These energy storage devices largely include batteries, PCS (Power Conversion System, AC-DC conversion function and distribution function) and EMS (Energy Management System, which operates and manages the entire ESS system).
  • PCS Power Conversion System, AC-DC conversion function and distribution function
  • EMS Electronicgy Management System, which operates and manages the entire ESS system.
  • 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.
  • BMS Battery Management System
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the problem to be solved according to an embodiment of the present invention is to improve system safety by detecting a precursor phenomenon related to an abnormality of the battery using various voltage data and temperature data of the battery, and warning the user or stopping the system operation. It is to provide a pre-detection system for abnormal conditions using battery voltage data.
  • An abnormal state pre-detection system includes: a voltage sensing unit that senses voltages of each of a plurality of battery cells and provides battery voltage data for each of the plurality of battery cells; A voltage deviation calculator for calculating a voltage deviation Va between each battery cell from the battery voltage data; A voltage change calculator configured to calculate a voltage change (Vb) of each battery cell according to the passage of time and/or the number of times of use of each battery cell from the battery voltage data; A voltage calculation unit including a voltage deviation change calculator configured to calculate a voltage deviation change Vc of each battery cell according to the lapse of time and/or the number of times of use of each battery cell from the battery voltage data; And a measure signal output unit configured to output a system measure signal by comparing the voltage deviation (Va), the voltage change (Vb), or the voltage deviation change (Vc) with a reference value.
  • 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.
  • 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.
  • the voltage calculator may operate in an SOC ⁇ 10% section and/or a preset voltage section centered on a time to enter a constant voltage charging section when charging the battery cell.
  • the voltage calculator may operate in a period of 5% to 30% of residual SOC when the battery cell is discharged and/or in a period of a preset voltage.
  • the plurality of battery cells may include battery cells connected in series or battery cells connected in parallel.
  • An abnormal condition pre-sensing system includes: a temperature sensing unit that senses the temperature 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the temperature calculator may operate in a range of 5% to 30% of the remaining SOC when the battery cell is discharged.
  • the plurality of battery cells may include battery cells connected in series or battery cells connected in parallel.
  • 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.
  • An embodiment of the present invention uses battery voltage data that can improve system safety by detecting a precursor phenomenon related to an abnormality in a battery using various voltage data and temperature data of the battery, and warning the user or stopping the system operation. Provides an abnormal condition pre-detection system.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a general ESS system.
  • FIGS. 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 voltage data according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a system for detecting an abnormal state in advance using battery voltage data according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of a voltage calculation unit and a measure signal output unit in an abnormal state pre-detection system using battery voltage data according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing a change in battery voltage and a location for determining an abnormal condition for explaining the operation of an abnormal condition pre-detection system using battery voltage data according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 6A and 6B are graphs and tables showing an example of a voltage change of a battery for explaining the operation of an abnormal state pre-detection system using battery voltage data according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a table showing an example of a voltage change of a battery for explaining the operation of a system for detecting an abnormal state in advance using battery voltage data according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of a system for detecting an abnormal condition in advance using battery temperature data according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 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.
  • FIG. 10 is a graph showing a change in a battery voltage and an abnormal state determination position for explaining an operation of an abnormal state pre-detection system using battery temperature data according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 11A and 11B 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.
  • 12A and 12B 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.
  • FIGS. 13A and 13B 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.
  • 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 obvious that it is not possible. 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.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a general ESS system.
  • 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 overdischarge 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.
  • 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.
  • FIGS. 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 voltage data according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the battery 10 referred to in the abnormal state pre-sensing system may include a configuration in which a plurality of battery cells are connected in parallel.
  • battery cells S11, S12, S13, S14 are connected in parallel to form a first bank (S1)
  • battery cells S21, S22, S23, S24 are connected in parallel to form a second bank (S2).
  • Battery cells S31, S32, S33, S34 are connected in parallel to form a third bank (S3)
  • battery cells S41, S42, S43, S44 are connected in parallel to form a fourth bank (S4).
  • the first to fourth banks S1 to S4 may be connected in series.
  • the battery 10 referred to in the abnormal state pre-detection system may include a configuration in which a plurality of battery cells are connected in series.
  • the first battery cell S1, the second battery cell S2, the third battery cell S3, and the fourth battery cell S4 may be connected in series.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of an abnormal state pre-detection system 100 using battery voltage data according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating an abnormal state dictionary using battery voltage data according to an embodiment of the present invention.
  • the abnormal state pre-detection system 100 may include a voltage sensing unit 110, a voltage calculation unit 120, and a measure signal output unit 130. .
  • the abnormal state pre-detection system 100 may further include an SOC estimating unit 140, a time estimating unit 150, and/or a reference value storage unit 160.
  • the voltage sensing unit 110 may sense a voltage of each of the plurality of battery cells and provide battery voltage data for each of the plurality of battery cells to the voltage calculator 120.
  • the voltage sensing unit 110 senses the voltages of the first banks S1 to the second banks S4, respectively, and converts the voltages into battery voltage data, and the voltage calculation unit 120 Can be provided to.
  • the voltage sensing unit 110 senses the voltages of the first to fourth battery cells S1 to S4, respectively, and converts the voltages into battery voltage data, and the voltage calculation unit ( 120) can be provided.
  • the voltage calculation unit 120 may include a voltage deviation calculation unit 121, a voltage change calculation unit 122, and a voltage deviation change calculation unit 123, as illustrated in FIGS. 3 and 4.
  • the voltage deviation calculation unit 121 may calculate a voltage deviation Va between each battery cell from the battery voltage data provided from the voltage sensing unit 110 and provide it to the action signal output unit 130.
  • the voltage change calculation unit 122 calculates the voltage change (Vb) of each battery cell over time from the battery voltage data provided from the voltage sensing unit 110 and/or the voltage deviation calculation unit 121 And it can be provided to the action signal output unit 130.
  • the voltage deviation change calculation unit 123 includes each battery according to the passage of time of each battery cell from the battery voltage data provided from the voltage sensing unit 110, the voltage deviation calculation unit 121, and/or the voltage change calculation unit 122.
  • the voltage deviation change Vc of the cell may be calculated and provided to the action signal output unit 130.
  • the action signal output unit 130 outputs a system action signal when the voltage deviation (Va), voltage change (Vb) and/or the voltage deviation change (Vc) provided from the voltage calculation unit 120 deviates from a preset reference value. can do.
  • system action signal output from the action signal output unit 130 may include a system warning signal, a system danger signal, and/or a system shutdown signal.
  • 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.
  • 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.
  • the system shutdown signal may include a signal that causes the ESS system to shut down and cease use for any cause.
  • 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.
  • system shutdown information may be provided visually or aurally to the administrator through the EMS system screen.
  • the SOC estimating unit 140 may estimate the remaining capacity of the battery cell based on the voltage information provided from the voltage sensing unit 110 and provide this to the voltage calculation unit 120. In some examples, the SOC estimator 140 does not use the voltage sensing unit 110 and calculates the SOC estimated through another algorithm (eg, Kalman filter, screen, OCV, other form of calculation information). It can also be provided to (120).
  • another algorithm eg, Kalman filter, screen, OCV, other form of calculation information. It can also be provided to (120).
  • the time estimating unit 150 may estimate the usage time of the ESS system, and provide this to the voltage calculation unit 120. In some examples, the time estimating unit 150 may estimate the use date and/or the number of charge/discharge cycles of the ESS system and provide the estimates to the voltage calculation unit 120.
  • the reference value storage unit 160 stores in advance a reference value for a voltage deviation Va, a reference value for a voltage change Vb, and/or a reference value for a voltage deviation change Vc. Can provide.
  • the embodiment of the present invention detects a precursor phenomenon related to an abnormality of the battery using various voltage data of the battery, and warns the administrator or user, or stops the system operation, thereby improving system safety.
  • An abnormal state pre-detection system 100 using data may be provided.
  • the X-axis may indicate elapsed time and the Y-axis may indicate voltage.
  • the elapsed time of the X-axis may be divided into constant current (CC) charging, constant voltage (CV) charging, pause, and discharge.
  • 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.
  • the abnormal state pre-detection system 100 does not continuously calculate the voltage using the detected battery voltage, but, for example, calculates the voltage in approximately two regions over time. You can do it.
  • the voltage calculation unit 120 may operate in the SOC ⁇ 10% period centering on a period of entering the constant voltage charging period when charging the battery cell. In other examples, the voltage calculator 120 may operate in a range of 5% to 30% of the remaining SOC when the battery cell is discharged. Here, the voltage calculator 120 may obtain the remaining SOC amount from the SOC estimating unit 140, but the present invention is not limited thereto.
  • a reference value for a voltage deviation (Va), a reference value for a voltage change (Vb), and/or a reference value for a voltage deviation change (Vc) can be set in advance.
  • a signal, a system danger signal and/or a system shutdown signal can be output.
  • a reference value for the voltage deviation Va 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.
  • the action signal output unit 130 may output a system warning signal and/or a system danger signal.
  • the action signal output unit 130 may output a system shutdown signal.
  • the voltage deviation Va may mean a difference between the maximum voltage and the minimum voltage of the battery cells S1, S2, S3, and S4.
  • a reference value for a voltage change Vb and a voltage deviation change Vc, 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.
  • the voltage calculation unit 120 determines the voltage deviation change Vc of the individual cells of each bank after a certain period of time (or a certain cycle) is the reference value of the voltage change Vb at the corresponding time point. If it is set to about 30% to 100%, the action signal output unit 130 may output a system warning signal, a system danger signal, and/or a system shutdown signal.
  • the voltage calculation unit 120 after a certain period of time (or a certain cycle), a voltage deviation change (Vc) of an individual battery in each bank is a corresponding voltage change (Vb)
  • Vc voltage deviation change
  • Vb voltage change
  • the action signal output unit 130 may output a system warning signal, a system danger signal, and/or a system shutdown signal.
  • the voltage calculation unit 120 may obtain a predetermined time from the time estimating unit 150, and the number of days of use may be set between approximately 7 to 180 days, or the number of cycles may be set to approximately 20 to 200 cycles.
  • the invention is not limited.
  • the individual battery of each bank may include S1 consisting of S11 to S14 connected in parallel in FIG. (Vc) may include a voltage change after a certain period (or a certain cycle) of each of the cells S1 to S4.
  • FIG. 6A and 6B are graphs and tables showing an example of voltage change of a battery for explaining the operation of the abnormal state pre-detection system 100 using battery voltage data according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the X-axis is the elapsed time
  • the Y-axis is the cell voltage
  • A, B, C, and D are the battery cells.
  • the number of cycles is 0 to 100 cycles, and at this time, the voltage deviation (Va), for example, the voltage change of the battery cell D (Vb), for example, the voltage deviation change of the battery cell D (Vc). ) was measured.
  • Va the voltage change of the battery cell D
  • Vc the voltage deviation change of the battery cell D
  • a reference value for outputting a system warning signal, a system danger signal, and/or a system shutdown signal by the action signal output unit 130 during charging may be set as follows.
  • the reference value for the voltage deviation Va may be set as a system warning signal of 20mV, a system danger signal of 50mV, and a system shutdown signal of 200mV.
  • the reference value for the voltage change (Vb) can be set to 40% of the system warning signal, 50% of the system danger signal, and 70% of the system shutdown signal in 2 months and/or 50 cycles.
  • the action signal output unit 130 outputs a system warning signal in 50 cycles, and does not output a system danger signal until 100 cycles.
  • the action signal output unit 130 outputs a system danger signal in 50 cycles, and outputs a system shutdown signal in 100 cycles.
  • a system warning signal, a system danger signal, and/or a system shutdown signal may be made under the above conditions.
  • the signal output by the action signal output unit 130 due to the voltage deviation change Vc may be performed as follows.
  • the action signal output unit 130 is a system warning signal and/or a system danger signal when a value after a certain period of time (or a certain cycle) is greater than a reference value of about 5% to about 50%. Can be output, and when it is greater than the reference value of about 30% to about 200%, it is possible to output a system shutdown signal.
  • the action signal output unit 130 is a system warning signal and/or a system danger signal when a value after a certain period of time (or a certain cycle) is greater than a reference value of approximately 5% to approximately 50%. Can be output, and when it is greater than the reference value of about 30% to about 200%, it is possible to output a system shutdown signal.
  • the predetermined time may be set between about 7 to about 180 days of use (the number of cycles is about 20 to 200 cycles).
  • FIG. 7 is a table showing an example of a voltage change of a battery for explaining the operation of the abnormal state pre-detection system 100 using battery voltage data according to an embodiment of the present invention.
  • the battery voltage deviation change Vc may be set to a system warning signal of 20%, a system danger signal of 50%, and a system shutdown signal of 100% in 50 cycles as a reference value.
  • the action signal output unit 130 already outputs a system warning signal in 50 cycles initially set, outputs a system danger signal in 80 cycles, and outputs a system shutdown signal in 90 cycles.
  • FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of an abnormal state pre-detection system 200 using battery temperature data according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an abnormal state dictionary using battery temperature data according to an embodiment of the present invention.
  • the abnormal state pre-detection system 200 may include a temperature sensing unit 210, a temperature calculation unit 220, and a measure signal output unit 230. .
  • the abnormal state pre-detection system 200 may further include an SOC estimating unit 240, a time estimating unit 250, and/or a reference value storage unit 260.
  • the temperature sensing unit 210 may sense the temperature of each of the plurality of battery cells and provide battery temperature data for each of the plurality of battery cells to the temperature calculator 220. For example, referring again to FIG. 2A, the temperature sensing unit 210 may sense the temperatures of the first banks S1 to the second banks S4, respectively, and provide the temperature to the temperature calculator 220. As another example, referring again to FIG. 2B, the temperature sensing unit 210 may sense the temperatures of the first to fourth battery cells S1 to S4, respectively, and provide them to the temperature calculator 220. have.
  • the temperature calculation unit 220 may include a temperature deviation calculation unit 221, a temperature change calculation unit 222, and a temperature deviation change calculation unit 223, as illustrated in FIGS. 8 and 9.
  • the temperature deviation calculation unit 221 may calculate a temperature deviation Ta between each battery cell from the battery temperature data provided from the temperature sensing unit 210 and provide it to the action signal output unit 230.
  • the temperature change calculation unit 222 calculates the temperature change (Tb) of each battery cell over time from the battery temperature data provided from the temperature sensing unit 210 and/or the temperature deviation calculation unit 221 And it can be provided to the action signal output unit 230.
  • the temperature deviation change calculation unit 223 includes each battery according to the passage of time of each battery cell from the battery temperature data provided from the temperature sensing unit 210, the temperature deviation calculation unit 221, and/or the temperature change calculation unit 222.
  • the temperature deviation change Tc of the cell may be calculated and provided to the action signal output unit 230.
  • the action signal output unit 230 outputs a system action signal when the temperature deviation (Ta), the temperature change (Tb) and/or the temperature deviation change (Tc) provided from the temperature calculation unit 220 deviates from a preset reference value. can do.
  • system action signal output from the action signal output unit 230 may include a system warning signal, a system danger signal, and/or a system shutdown signal.
  • 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.
  • 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.
  • the system shutdown signal may include a signal that causes the ESS system to shut down and cease use for any cause.
  • 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.
  • system shutdown information may be provided visually or aurally to the administrator through the EMS system screen.
  • the SOC estimating unit 240 may estimate the remaining capacity of the battery cell based on the voltage information of the battery cell, and provide this to the temperature calculator 220. In some examples, the SOC estimating unit 240 may provide the SOC estimated through another algorithm (eg, Kalman filter, screen, OCV) to the temperature calculator 220 without using the voltage information of the battery cell. have.
  • another algorithm eg, Kalman filter, screen, OCV
  • the time estimating unit 250 may estimate the usage time of the ESS system, and provide this to the temperature calculation unit 220. In some examples, the time estimating unit 250 may estimate the usage date and/or the number of charge/discharge cycles of the ESS system and provide the estimates to the temperature calculation unit 220.
  • the reference value storage unit 260 stores in advance 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 provided to.
  • 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 state pre-detection system 200 using data may be provided.
  • FIG. 10 is a graph showing a change in battery temperature and a location for determining an abnormal condition for explaining the operation of the abnormal condition pre-detection system 200 using battery temperature data according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the X-axis may indicate elapsed time
  • the Y-axis may indicate voltage and temperature, respectively.
  • the elapsed time of the X-axis may be classified into constant current (CC) charging, constant voltage (CV) charging, pause, and discharge.
  • CC constant current
  • CV constant voltage
  • the battery voltage gradually increases over time in the CC charging period, and can maintain a constant value in the CV charging period and in the idle period despite the elapse of time, and gradually increases with the passage of time in the discharge period. Can decrease.
  • 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 time in the discharge period. .
  • the abnormal state pre-detection system 200 does not continuously calculate the temperature using the detected battery temperature, but, for example, performs voltage calculation in approximately two regions over time. I can.
  • the temperature calculation unit 220 may operate at a point where the difference in temperature is greatest or the temperature is highest. In some examples, the temperature calculation unit 220 may operate in the SOC ⁇ 10% period centering on the entry time of the constant voltage charging period when charging the battery cell. In other examples, the temperature calculation unit 220 may operate in a range of 5% to 30% of the remaining SOC when the battery cell is discharged, or may operate at the time of the type of charge. Here, the temperature calculation unit 220 may obtain the remaining amount of SOC from the SOC estimating unit 240, but the present invention is not limited thereto.
  • 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.
  • 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.
  • the action signal output unit 230 may output a system warning signal and/or a system danger signal.
  • the action signal output unit 230 may output a system shutdown signal.
  • the temperature deviation Ta may mean a difference between the maximum temperature and the minimum temperature of the battery cells S1, S2, S3, and S4.
  • 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.
  • the temperature calculation unit 220 determines the temperature deviation change Tc of the individual cells of each bank after a certain period of time (or a certain cycle) is the reference value of the temperature change Tb at the time point.
  • the action signal output unit 230 may output a system warning signal, a system danger signal, and/or a system shutdown signal.
  • the temperature calculation unit 220 after a certain period of time (or a certain cycle), the temperature deviation change (Tc) of the individual cells of each bank is the corresponding temperature change (Tb)
  • the action signal output unit 230 may output a system warning signal, a system danger signal, and/or a system shutdown signal.
  • the temperature calculation unit 220 may obtain a predetermined time from the time estimating unit 250, and the number of days of use may be set between approximately 7 to 180 days, or the number of cycles may be set to approximately 20 to 200 cycles.
  • the invention is not limited.
  • the individual battery of each bank may include S1 consisting of S11 to S14 connected in parallel in FIG. (Tc) may include a temperature change after a certain period of time (or a certain cycle) of each of the cells S1 to S4.
  • 11A and 11B 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.
  • FIGS. 11A and 11B 12 banks are included in one module tray selected from among a plurality of module trays constituting the rack.
  • this diagram and graph show data for 15 to 84 cycles as an example.
  • This mentioned temperature deviation is due to the temperature rise in banks 7 and 9 shown. Specifically, it can be seen that the temperature of the 7th bank starts to rise from the 45th cycle, and after the 75th cycle, the temperature rises significantly compared to the other banks. In addition, in the case of bank 9, it can be seen that the temperature is higher than that of other banks from 15 cycles, and the state continues.
  • 12A and 12B 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.
  • the bank in which the abnormality occurs shows temperature deviation from other normal banks from the beginning or as the cycle progresses.
  • FIGS. 13A and 13B 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.
  • FIGS. 13A and 13B are measured by setting the comparison and inspection period of the temperature change (Tb) and the temperature deviation change (Tc) to 50 cycles.
  • the temperature deviation Ta between battery cells is described as 7° C. or less, it may be determined that the temperature deviation Ta has a problem from 55 cycles.
  • the ratio (Tb/Tc) of the temperature change (Tb) to the change in temperature deviation (Tc) is set to 200%, it is said that a problem has already occurred in the 65th cycle in the 7th bank. 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 bank 7, it is necessary to gradually increase the warning level.
  • bank 9 it can be seen that the ratio from 83% in 75 cycles to 233% in 80 cycles is a serious level. In addition, since bank 9 is already at a high temperature when referring to FIGS. 12A and 12B, it can be seen that bank 9 must have a high level of warning.
  • An embodiment of the present invention uses battery voltage data that can improve system safety by detecting a precursor phenomenon related to an abnormality in a battery using various voltage data and temperature data of the battery, and warning the user or stopping the system operation. Provides an abnormal condition pre-detection system.

Abstract

본 발명의 실시예는 이상 상태 사전 감지 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 배터리의 다양한 배터리 데이터 및 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. 일 예로, 이를 위해 본 발명은 다수의 배터리 셀 각각의 전압을 감지하여 상기 다수의 배터리 셀 각각에 대한 배터리 전압 데이터를 제공하는 전압 센싱부; 상기 배터리 전압 데이터로부터 각 배터리 셀간 전압 편차(Va)를 계산하는 전압 편차 계산부; 상기 배터리 전압 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 전압 변화(Vb)를 계산하는 전압 변화 계산부; 상기 배터리 전압 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 전압 편차의 변화(Vc)를 계산하는 전압 편차 변화 계산부를 포함하는 전압 계산부; 및 상기 전압 편차(Va), 상기 전압 변화(Vb) 또는 상기 전압 편차의 변화(Vc)를 기준값과 비교하여 시스템 조치 신호를 출력하는 조치 신호 출력부를 포함하는, 이상 상태 사전 감지 시스템을 개시한다.

Description

배터리 전압 데이터 및 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템
본 발명의 실시예는 배터리 전압 데이터 및 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템에 관한 것이다.
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.
이러한 에너지 저장 장치는 크게 배터리, PCS(Power Conversion System, AC-DC 변환 기능 및 배전 기능을 수행함) 및 EMS(Energy Management 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.
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.
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.
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.
본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 배터리의 다양한 전압 데이터 및 온도 데이터를 이용하여 배터리의 이상에 관련된 전조 현상을 감지하고, 이를 사용자에게 경고하거나 시스템 가동을 정지함으로써 시스템 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템은 다수의 배터리 셀 각각의 전압을 감지하여 상기 다수의 배터리 셀 각각에 대한 배터리 전압 데이터를 제공하는 전압 센싱부; 상기 배터리 전압 데이터로부터 각 배터리 셀간 전압 편차(Va)를 계산하는 전압 편차 계산부; 상기 배터리 전압 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과 및/또는 사용횟수 경과에 따른 각 배터리 셀의 전압 변화(Vb)를 계산하는 전압 변화 계산부; 상기 배터리 전압 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과 및/또는 사용횟수 경과에 따른 각 배터리 셀의 전압 편차의 변화(Vc)를 계산하는 전압 편차 변화 계산부를 포함하는 전압 계산부; 및 상기 전압 편차(Va), 상기 전압 변화(Vb) 또는 상기 전압 편차의 변화(Vc)를 기준값과 비교하여 시스템 조치 신호를 출력하는 조치 신호 출력부를 포함할 수 있다.
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.
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.
상기 전압 계산부는 상기 배터리 셀의 충전 시 정전압 충전 구간 진입 시기를 중심으로 SOC ± 10% 구간 및/또는 미리 설정한 전압의 구간에서 동작할 수 있다.
상기 전압 계산부는 상기 배터리 셀의 방전 시 잔량 SOC 5% 내지 30% 구간 및/또는 미리 설정한 전압의 구간에서 동작할 수 있다.
상기 다수의 배터리 셀은 직렬로 연결된 배터리 셀 또는 병렬로 연결된 배터리 셀을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템은 다수의 배터리 셀 각각의 온도를 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.
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.
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.
상기 온도 계산부는 상기 배터리 셀의 충전 시 정전압 충전 구간 진입 시기를 중심으로 SOC ± 10% 구간에서 동작할 수 있다.
상기 온도 계산부는 상기 배터리 셀의 방전 시 잔량 SOC 5% 내지 30% 구간에서 동작할 수 있다.
상기 다수의 배터리 셀은 직렬로 연결된 배터리 셀 또는 병렬로 연결된 배터리 셀을 포함할 수 있다.
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.
본 발명의 실시예는 배터리의 다양한 전압 데이터 및 온도 데이터를 이용하여 배터리의 이상에 관련된 전조 현상을 감지하고, 이를 사용자에게 경고하거나 시스템 가동을 정지함으로써 시스템 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템을 제공한다.
도 1은 일반적인 ESS 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템에 이용된 배터리의 구성 예를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템 중 전압 계산부 및 조치 신호 출력부의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템의 동작 설명을 위한 배터리 전압의 변화 및 이상 상황 판단 위치를 도시한 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템의 동작 설명을 위한 배터리의 전압 변화 예를 도시한 그래프 및 표이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템의 동작 설명을 위한 배터리의 전압 변화 예를 도시한 표이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템 중 온도 계산부 및 조치 신호 출력부의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 10은 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 11a 및 11b는 랙을 구성하는 다수의 모듈 트레이 중 하나에서 뱅크의 사이클에 따른 온도 변화를 도시한 도표 및 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 모듈 트레이에서 문제가 있는 뱅크와 정상인 뱅크의 사이클에 따른 온도 변화를 발췌하여 도시한 도표 및 그래프이다.
도 13a 및 도 13b는 모듈 트레이에서 문제가 있는 뱅크와 정상인 뱅크에서 사이클에 따른 배터리 셀의 온도 변화 Tb와 온도 편차 변화 Tc를 도시한 도표 및 그래프이다.
[주요 도면 부호의 설명]
100, 200; 이상 상태 사전 감지 시스템
110; 전압 센싱부 120; 전압 계산부
121; 전압 편차 계산부 122; 전압 변화 계산부
123; 전압 편차 변화 계산부 130; 조치 신호 출력부
140; SOC 추정부 150; 시간 추정부
160; 기준값 저장부
210; 온도 센싱부 220; 온도 계산부
221; 온도 편차 계산부 222; 온도 변화 계산부
223; 온도 편차 변화 계산부 230; 조치 신호 출력부
240; SOC 추정부 250; 시간 추정부
260; 기준값 저장부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
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.
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 “또는” 및 "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.
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.
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.
도 1은 일반적인 ESS 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
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.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템에 이용된 배터리의 구성 예를 도시한 개략도이다.
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.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100)의 구성을 도시한 블럭도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100) 중 전압 계산부(120) 및 조치 신호 출력부(130)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템(100)은 전압 센싱부(110), 전압 계산부(120) 및 조치 신호 출력부(130)를 포함할 수 있다.
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.
전압 센싱부(110)는 다수의 배터리 셀 각각의 전압을 감지하고, 다수의 배터리 셀 각각에 대한 배터리 전압 데이터를 전압 계산부(120)에 제공할 수 있다. 일례로, 도 2a를 다시 참조하면, 전압 센싱부(110)는 제1뱅크(S1) 내지 제2뱅크(S4)의 전압을 각각 센싱하고, 이를 배터리 전압 데이터로 변환하여 전압 계산부(120)에 제공할 수 있다. 다른 예로, 도 2b를 다시 참조하면, 전압 센싱부(110)는 제1배터리 셀(S1) 내지 제4배터리 셀(S4)의 전압을 각각 센싱하고, 이를 배터리 전압 데이터로 변환하여 전압 계산부(120)에 제공할 수 있다.
전압 계산부(120)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 전압 편차 계산부(121), 전압 변화 계산부(122) 및 전압 편차 변화 계산부(123)를 포함할 수 있다.
전압 편차 계산부(121)는 전압 센싱부(110)로부터 제공받은 배터리 전압 데이터로부터 각 배터리 셀간 전압 편차(Va)를 계산하고 이를 조치 신호 출력부(130)에 제공할 수 있다. 전압 변화 계산부(122)는 전압 센싱부(110) 및/또는 전압 편차 계산부(121)로부터 제공받은 배터리 전압 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 전압 변화(Vb)를 계산하고 이를 조치 신호 출력부(130)에 제공할 수 있다. 전압 편차 변화 계산부(123)는 전압 센싱부(110), 전압 편차 계산부(121) 및/또는 전압 변화 계산부(122)로부터 제공받은 배터리 전압 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 전압 편차 변화(Vc)를 계산하고 이를 조치 신호 출력부(130)에 제공할 수 있다.
조치 신호 출력부(130)는 전압 계산부(120)로부터 제공받은 전압 편차(Va), 전압 변화(Vb) 및/또는 상기 전압 편차 변화(Vc)가 미리 설정된 기준값을 벗어날 경우 시스템 조치 신호를 출력할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
SOC 추정부(140)는 전압 센싱부(110)로부터 제공받은 전압 정보를 기초로 하여 배터리 셀의 잔존 용량을 추정하고, 이를 전압 계산부(120)에 제공할 수 있다. 일부 예들에서, SOC 추정부(140)는 전압 센싱부(110)를 이용하지 않고 다른 알고리즘(예를 들면, 칼만 필터, 스크린, OCV, 다른 형태의 계산 정보)을 통해 추정한 SOC를 전압 계산부(120)에 제공할 수도 있다.
시간 추정부(150)는 ESS 시스템의 사용 시간을 추정하고, 이를 전압 계산부(120)에 제공할 수 있다. 일부 예들에서, 시간 추정부(150)는 ESS 시스템의 사용 날짜 및/또는 충방전 사이클 횟수를 추정하여 전압 계산부(120)에 제공할 수 있다.
기준값 저장부(160)는 전압 편차(Va)에 대한 기준값, 전압 변화(Vb)에 대한 기준값 및/또는 전압 편차 변화(Vc)에 대한 기준값을 미리 저장하고 있으며, 이를 전압 계산부(120)에 제공할 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 배터리의 다양한 전압 데이터를 이용하여 배터리의 이상에 관련된 전조 현상을 감지하고, 이를 관리자나 사용자에게 경고하거나 시스템 가동을 정지함으로써 시스템 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100)을 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100)의 동작 설명을 위한 배터리 전압의 변화 및 이상 상황 판단 위치를 도시한 그래프이다. 도 5에서 X축은 경과 시간을 의미하고, Y축은 전압을 의미할 수 있다. 또한, X축의 경과 시간은 정전류(CC) 충전, 정전압(CV) 충전, 휴지 및 방전으로 구분될 수 있다.
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.
일부 예들에서, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템(100)은 감지된 배터리 전압을 이용하여 지속적으로 전압 계산을 하는 것이 아니라, 일례로, 시간 경과에 따라 대략 2 영역에서 전압 계산을 수행할 수 있다.
일부 예들에서, 전압 계산부(120)는 배터리 셀의 충전 시 정전압 충전 구간 진입 시기를 중심으로 SOC ± 10% 구간에서 동작할 수 있다. 다른 예들에서, 전압 계산부(120)는 배터리 셀의 방전 시 잔량 SOC 5% 내지 30% 구간에서 동작할 수 있다. 여기서, 전압 계산부(120)는 SOC 잔량을 SOC 추정부(140)로부터 획득할 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
이와 같이 특정 시간 구간에서 전압 계산을 하는 이유는 상기 특정 구간에서 배터리 셀 이상 발생 시 전압 차이가 가장 크기 때문이다. 즉, 상기 특정 구간에서 배터리 셀의 이상 전조 현상을 가장 확실하게 파악할 수 있기 때문이다. 한편, 상술한 바와 같이, 본원 발명은 전압 편차(Va)에 대한 기준값, 전압 변화(Vb)에 대한 기준값 및/또는 전압 편차 변화(Vc)에 대한 기준값을 미리 설정할 수 있으며, 이에 대하여 각각 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다.
일부 예들에서, 전압 편차(Va)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.
도 5에 도시된 설정된 충전 구간에서, 전압 편차 계산부(121)에 의한 전압 편차(Va)가 기준값으로 설정된 대략 10mV 내지 대략 200mV인 경우, 그리고 도 5에 도시된 설정된 방전 구간에서, 전압 편차 계산부(121)에 의한 전압 편차(Va)가 기준값으로 설정된 대략 50mV 내지 대략 300mV인 경우, 조치 신호 출력부(130)는 시스템 경고 신호 및/또는 시스템 위험 신호를 출력할 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 설정된 충전 구간에서, 전압 편차 계산부(121)에 의한 전압 편차(Va)가 기준값으로 설정된 대략 200mV인 경우, 그리고 도 5에 도시된 설정된 방전 구간에서 전압 편차(Va)가 기준값으로 설정된 대략 300mV인 경우 조치 신호 출력부(130)는 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다.
여기서, 도 2a 및 도 2b를 다시 참조하면, 전압 편차(Va)는 배터리 셀(S1,S2, S3, S4)의 최대 전압과 최소 전압의 차이를 의미할 수 있다.
일부 예들에서, 전압 변화(Vb) 및 전압 편차 변화(Vc)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.
도 5에 도시된 설정된 충전 구간에서, 전압 계산부(120)는 일정 시간 경과(혹은 일정 사이클 경과) 이후, 각 뱅크의 개별 전지의 전압 편차 변화(Vc)가 해당 시점 전압 변화(Vb)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.
또한, 도 5에 도시된 설정된 방전 구간에서, 전압 계산부(120)는 일정 시간 경과(혹은 일정 사이클 경과) 이후, 각 뱅크의 개별 전지의 전압 편차 변화(Vc)가 해당 시점 전압 변화(Vb)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.
여기서, 전압 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.
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, 전압 편차 변화(Vc)는 각 전지 S1 내지 S4의 일정 기간 경과(혹은 일정 사이클 경과) 후의 전압 변화를 포함할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100)의 동작 설명을 위한 배터리의 전압 변화 예를 도시한 그래프 및 표이다. 도 6a에서 X축은 경과 시간이고, Y축은 셀 전압이고, A,B,C,D는 배터리 셀이다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 사이클 수는 0 내지 100 사이클이고, 이때 전압 편차(Va), 일례로 배터리 셀 D의 전압 변화(Vb), 일례로 배터리 셀 D의 전압 편차 변화(Vc)가 측정되었다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 50 사이클부터 배터리 셀 D의 전압 변화(Vb)가 감지 및 계산되었고, 또한 배터리 셀 D의 전압 편차 변화(Vc)도 감지 및 계산되었다.
이러한 예에서, 충전시 조치 신호 출력부(130)에 의한 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호를 출력하기 위한 기준값은 다음과 같이 설정될 수 있다.
먼저 전압 편차(Va)에 대한 기준값은 시스템 경고 신호 20mV, 시스템 위험 신호 50mV, 시스템 셧다운 신호 200mV로 설정될 수 있다. 또한 전압 변화(Vb)에 대한 기준값은 2개월 및/또는 50사이클에서, 시스템 경고 신호 40%, 시스템 위험 신호 50%, 시스템 셧다운 신호 70%로 설정될 수 있다.
따라서, 전압 편차(Va)에 대해서는 조치 신호 출력부(130)가 50사이클에서 시스템 경고 신호를 출력하고, 100사이클 까지는 시스템 위험 신호를 출력하지 않는다. 또한, 전압 변화(Vb)에 대해서는 조치 신호 출력부(130)가 50사이클에서 시스템 위험 신호를 출력하고, 100사이클에서는 시스템 셧다운 신호를 출력한다.
한편, 방전의 경우 전압이 낮아지는 형태로 나타나며, 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호는 위 조건으로 이루어질 수 있다.
다음으로 전압 편차 변화(Vc)로 인한 조치 신호 출력부(130)에 의한 신호 출력은 아래와 같이 이루어질 수 있다.
도 5에 도시된 설정된 충전 구간에서 조치 신호 출력부(130)는 일정 시간 경과(혹은 일정 사이클 경과) 후의 값이 기준값인 대략 5% 내지 대략 50%보다 커졌을 때 시스템 경고 신호 및/또는 시스템 위험 신호를 출력할 수 있고, 기준값인 대략 30% 내지 대략 200%보다 커졌을 때 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다.
도 5에 도시된 설정된 방전 구간에서 조치 신호 출력부(130)는 일정 시간 경과(혹은 일정 사이클 경과) 후의 값이 기준값인 대략 5% 내지 대략 50%보다 커졌을 때 시스템 경고 신호 및/또는 시스템 위험 신호를 출력할 수 있고, 기준값인 대략 30% 내지 대략 200%보다 커졌을 때 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다. 여기서, 상술한 바와 같이 일정 시간은 사용일수가 대략 7 내지 대략 180일(사이클 수는 대략 20사이클 내지 200사이클) 사이에서 설정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(100)의 동작 설명을 위한 배터리의 전압 변화 예를 도시한 표이다.
여기서, 배터리 전압 편차 변화(Vc)는 기준값으로서 50사이클에서 시스템 경고 신호 20%, 시스템 위험 신호 50%, 시스템 셧다운 신호 100%로 설정될 수 있다. 이 경우 최초 설정된 50사이클에서 조치 신호 출력부(130)가 이미 시스템 경고 신호를 출력하고, 80사이클에서 시스템 위험 신호를 출력하며, 90사이클에서 시스템 셧다운 신호를 출력한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(200)의 구성을 도시한 블럭도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(200) 중 온도 계산부(220) 및 조치 신호 출력부(230)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템(200)은 온도 센싱부(210), 온도 계산부(220) 및 조치 신호 출력부(230)를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템(200)은 SOC 추정부(240), 시간 추정부(250) 및/또는 기준값 저장부(260)를 더 포함할 수 있다.
온도 센싱부(210)는 다수의 배터리 셀 각각의 온도를 감지하고, 다수의 배터리 셀 각각에 대한 배터리 온도 데이터를 온도 계산부(220)에 제공할 수 있다. 일례로, 도 2a를 다시 참조하면, 온도 센싱부(210)는 제1뱅크(S1) 내지 제2뱅크(S4)의 온도를 각각 센싱하고, 이를 온도 계산부(220)에 제공할 수 있다. 다른 예로, 도 2b를 다시 참조하면, 온도 센싱부(210)는 제1배터리 셀(S1) 내지 제4배터리 셀(S4)의 온도를 각각 센싱하고, 이를 온도 계산부(220)에 제공할 수 있다.
온도 계산부(220)는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 온도 편차 계산부(221), 온도 변화 계산부(222) 및 온도 편차 변화 계산부(223)를 포함할 수 있다.
온도 편차 계산부(221)는 온도 센싱부(210)로부터 제공받은 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀간 온도 편차(Ta)를 계산하고 이를 조치 신호 출력부(230)에 제공할 수 있다. 온도 변화 계산부(222)는 온도 센싱부(210) 및/또는 온도 편차 계산부(221)로부터 제공받은 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 변화(Tb)를 계산하고 이를 조치 신호 출력부(230)에 제공할 수 있다. 온도 편차 변화 계산부(223)는 온도 센싱부(210), 온도 편차 계산부(221) 및/또는 온도 변화 계산부(222)로부터 제공받은 배터리 온도 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 온도 편차 변화(Tc)를 계산하고 이를 조치 신호 출력부(230)에 제공할 수 있다.
조치 신호 출력부(230)는 온도 계산부(220)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.
일부 예들에서, 조치 신호 출력부(230)로부터 출력되는 시스템 조치 신호는 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호를 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
SOC 추정부(240)는 배터리 셀의 전압 정보를 기초로 하여 배터리 셀의 잔존 용량을 추정하고, 이를 온도 계산부(220)에 제공할 수 있다. 일부 예들에서, SOC 추정부(240)는 배터리 셀의 전압 정보를 이용하지 않고 다른 알고리즘(예를 들면, 칼만 필터, 스크린, OCV)을 통해 추정한 SOC를 온도 계산부(220)에 제공할 수도 있다.
시간 추정부(250)는 ESS 시스템의 사용 시간을 추정하고, 이를 온도 계산부(220)에 제공할 수 있다. 일부 예들에서, 시간 추정부(250)는 ESS 시스템의 사용 날짜 및/또는 충방전 사이클 횟수를 추정하여 온도 계산부(220)에 제공할 수 있다.
기준값 저장부(260)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(220)에 제공할 수 있다.
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(200)을 제공할 수 있다.
도 10는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 온도 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템(200)의 동작 설명을 위한 배터리 온도의 변화 및 이상 상황 판단 위치를 도시한 그래프이다. 도 10에서 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.
도 10에 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.
또한, 도 10에서와 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.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 이상 상태 사전 감지 시스템(200)은 감지된 배터리 온도를 이용하여 지속적으로 온도 계산을 하는 것이 아니라, 일례로, 시간 경과에 따라 대략 2 영역에서 전압 계산을 수행할 수 있다.
일부 예들에서, 온도의 차이가 가장 크게 나타나거나 온도가 가장 높아지는 지점에서 온도 계산부(220)가 동작할 수 있다. 일부 예에서, 온도 계산부(220)는 배터리 셀의 충전 시 정전압 충전 구간 진입 시기를 중심으로 SOC ± 10% 구간에서 동작할 수 있다. 다른 예들에서, 온도 계산부(220)는 배터리 셀의 방전 시 잔량 SOC 5% 내지 30% 구간에서 동작할 수 있고, 또는 충전 종류 시점에서 동작하는 것도 가능하다. 여기서, 온도 계산부(220)는 SOC 잔량을 SOC 추정부(240)로부터 획득할 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
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.
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.
도 10에 도시된 설정된 충전 구간에서, 온도 편차 계산부(221)에 의한 온도 편차(Ta)가 기준값으로 설정된 대략 5℃ 내지 대략 20℃인 경우, 그리고 도 10에 도시된 설정된 방전 구간에서, 온도 편차 계산부(221)에 의한 온도 편차(Ta)가 기준값으로 설정된 대략 5℃ 내지 대략 20℃인 경우, 조치 신호 출력부(230)는 시스템 경고 신호 및/또는 시스템 위험 신호를 출력할 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 설정된 충전 구간에서, 온도 편차 계산부(221)에 의한 온도 편차(Ta)가 기준값으로 설정된 대략 10℃ 내지 20℃인 경우, 그리고 도 10에 도시된 설정된 방전 구간에서 온도 편차(Ta)가 기준값으로 설정된 10℃ 내지 20℃인 경우 조치 신호 출력부(230)는 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다.
여기서, 도 2a 및 도 2b를 다시 참조하면, 온도 편차(Ta)는 배터리 셀(S1,S2, S3, S4)의 최대 온도과 최소 온도의 차이를 의미할 수 있다.
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.
도 10에 도시된 설정된 충전 구간에서, 온도 계산부(220)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 200%인 경우, 조치 신호 출력부(230)는 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 설정된 방전 구간에서, 온도 계산부(220)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 200%인 경우, 조치 신호 출력부(230)는 시스템 경고 신호, 시스템 위험 신호 및/또는 시스템 셧다운 신호를 출력할 수 있다.
여기서, 온도 계산부(220)는 일정 시간을 시간 추정부(250)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.
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.
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.
도 11a 및 11b는 랙을 구성하는 다수의 모듈 트레이 중 하나에서 뱅크의 사이클에 따른 온도 변화를 도시한 도표 및 그래프이다.
먼저, 도 11a 및 도 11b를 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.
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.
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.
도 12a 및 도 12b는 모듈 트레이에서 문제가 있는 뱅크와 정상인 뱅크의 사이클에 따른 온도 변화를 발췌하여 도시한 도표 및 그래프이다.
도 12a 및 12b를 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.
반면, 비교예로서 함께 도시된 정상인 10번 뱅크는 편차의 최소값을 유지하고 있는 것을 알 수 있다.
이러한 결과를 토대로 검토하면, 이상이 발생되는 뱅크는 초기부터 또는 사이클이 진행됨에 따라 다른 정상인 뱅크들과 온도 편차를 보임을 알 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 모듈 트레이에서 문제가 있는 뱅크와 정상인 뱅크에서 사이클에 따른 배터리 셀의 온도 변화 Tb와 온도 편차 변화 Tc를 도시한 도표 및 그래프이다. 여기서, 도 13a 및 도 13b는 온도 변화(Tb)와 온도 편차 변화(Tc)의 비교 점검 주기를 50 사이클로 설정하여 측정한 것이다.
도 13a를 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 13b를 참조할 때, 온도 편차의 변화(Tc)에 대한 온도 변화(Tb)의 비율(Tb/Tc)을 200%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.
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 12a 및 도 12b를 참조할 때 이미 높은 온도에 있기 때문에 이를 함께 고려하면 9번 뱅크는 경고의 수준이 높아야 함을 알 수 있다.
반면, 10번 뱅크의 경우 80 사이클에서 200%에 도달한 것을 알 수 있지만, 도 12a 및 도 12b를 고려할 때 낮은 온도 상태에 있음을 알 수 있고, 따라서 비율과 온도를 함께 고려하여 위험 수준을 결정하여야 함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 배터리 전압 데이터 및 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.
본 발명의 실시예는 배터리의 다양한 전압 데이터 및 온도 데이터를 이용하여 배터리의 이상에 관련된 전조 현상을 감지하고, 이를 사용자에게 경고하거나 시스템 가동을 정지함으로써 시스템 안전성을 향상시킬 수 있는 배터리 전압 데이터를 이용한 이상 상태 사전 감지 시스템을 제공한다.

Claims (13)

  1. 다수의 배터리 셀 각각의 전압을 감지하여 상기 다수의 배터리 셀 각각에 대한 배터리 전압 데이터를 제공하는 전압 센싱부;
    상기 배터리 전압 데이터로부터 각 배터리 셀간 전압 편차(Va)를 계산하는 전압 편차 계산부; 상기 배터리 전압 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 전압 변화(Vb)를 계산하는 전압 변화 계산부; 상기 배터리 전압 데이터로부터 각 배터리 셀의 시간 경과에 따른 각 배터리 셀의 전압 편차의 변화(Vc)를 계산하는 전압 편차 변화 계산부를 포함하는 전압 계산부; 및
    상기 전압 편차(Va), 상기 전압 변화(Vb) 또는 상기 전압 편차의 변화(Vc)를 기준값과 비교하여 시스템 조치 신호를 출력하는 조치 신호 출력부를 포함하는, 배터리 이상 상태 사전 감지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    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, 이상 상태 사전 감지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 시스템 경고 신호 및 상기 시스템 위험 신호를 출력하기 위해 설정된 기준값에 비해 상기 시스템 셧다운 신호를 출력하기 위해 설정된 기준값이 더 높은, 이상 상태 사전 감지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 계산부는 상기 배터리 셀의 충전 시 정전압 충전 구간 진입 시기를 중심으로 SOC ± 10% 구간 또는 미리 설정한 전압의 구간에서 동작하는, 이상 상태 사전 감지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 계산부는 상기 배터리 셀의 방전 시 잔량 SOC 5% 내지 30% 구간 또는 미리 설정한 전압의 구간 에서 동작하는, 이상 상태 사전 감지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀은 직렬로 연결된 배터리 셀 또는 병렬로 연결된 배터리 셀을 포함하는, 이상 상태 사전 감지 시스템.
  7. 다수의 배터리 셀 각각의 온도를 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 포함하는, 이상 상태 사전 감지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    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, 이상 상태 사전 감지 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 시스템 경고 신호 및 상기 시스템 위험 신호를 출력하기 위해 설정된 기준값에 비해 상기 시스템 셧다운 신호를 출력하기 위해 설정된 기준값이 더 높은, 이상 상태 사전 감지 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 온도 계산부는 상기 배터리 셀의 충전 시 정전압 충전 구간 진입 시기를 중심으로 SOC ± 10% 구간에서 동작하는, 이상 상태 사전 감지 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 온도 계산부는 상기 배터리 셀의 방전 시 잔량 SOC 5% 내지 30% 구간에서 동작하는, 이상 상태 사전 감지 시스템.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀은 직렬로 연결된 배터리 셀 또는 병렬로 연결된 배터리 셀을 포함하는, 이상 상태 사전 감지 시스템.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 온도 계산부는 상기 온도 변화에 대한 온도 편차의 변화의 비율(Tb/Tc)과 함께 배터리 셀의 온도를 함께 고려하여 이상 발생 여부를 판단하는 이상 상태 사전 감지 시스템.
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