KR101522475B1 - 배터리 충전 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

배터리 충전 방법 및 장치가 개시되어 있다. 배터리의 충전 방법은 BMS(battery management system) 배터리 측정 DC 전압 또는 PCS(power conversion system) 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 큰지 여부를 판단하는 단계, BMS 배터리 측정 DC 전압 또는 PCS 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 큰 경우, 상기 배터리의 건전성을 만족하는지 여부를 판단하는 단계, 배터리의 건전성이 만족되는 경우, BMS 배터리 측정 DC 전압 및 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은지 여부를 판단하는 단계, 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은 경우, BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는지 여부에 대해 판단하는 단계, BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는 경우, PCS 배터리 측정 DC 전압이 BMS 배터리 경고 과전압 및 PCS 배터리 경고 과전압보다 큰지 여부를 판단하는 단계와 PCS 배터리 측정 DC 전압이 BMS 배터리 경고 과전압 및 PCS 배터리 경고 과전압보다 큰 경우, 정전압 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

배터리 충전 방법 및 장치{Method and apparatus for charging battery}
본 발명은 충전식 배터리에 관한 것으로써 보다 상세하게는 배터리를 충전하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
전기 자동차는 에너지 효율이 높은 청정 에너지 차량이라는 점 때문에 2003년부터 미국 캘리포니아 주를 시작으로 미국의 12개 주에서 저공해 차량의 일정 비율 판매가 의무화가 확산됨에 따라 활발하게 개발되고 있다. 또한, 일부 자동차 회사에서는 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차를 실용화하여 판매를 하고 있다.
전기 자동차는 배터리로부터 에너지를 공급받기 때문에 배터리 성능에 따라 직접적인 영향을 받는다. 그러므로 전기 자동차의 주행 성능을 향상시키고 배터리의 과충전을 방지하며 배터리 수명을 연장하기 위한 전자 관리 장치는 전기 자동차의 핵심 부품이다.
전기 자동차 시스템에서 전자 관리 장치는 배터리의 전압과 온도, 충방전 전류를 검지하고 관리하며 전기 자동차의 운전 상태에 따라 충전 상태(SoC, state of charge)를 추정하여 배터리를 최적 관리하는 역할을 한다.
전자 관리 장치는 배터리 전압과 전류, 온도를 감시하여 운전 중이거나 충전 중에 배터리의 충전 상태(SoC)를 계산하게 된다. 이 전자 관리 장치의 역할으로 우선 운전 중에나 충전 중에 배터리에 대한 충전 상태를 계산할 수 있다. 이를 통해서 저충전 상태에서는 운전 가능한 파워를 조절하여 배터리의 무리한 출력을 방지할 수 있고 과충전 상태에서는 과도한 충전을 피함으로써 배터리를 보호할 수 있다. 또한 전자 관리 장치는 모듈간 충전 불균형인 상태를 모듈 간의 전압 편차를 통해서 알 수 있다. 불균형한 충전 상태를 점검하여 각각의 배터리가 균등 충전되도록 충전을 할 수 있다. 또한, 전자 관리 장치는 운전 중에나 충전 중에 각각의 배터리 모듈 상태를 감시하여 배터리 허용 가능한 전압과 온도 제한을 넘지 않도록 하는 역할을 수행할 수 있다. 배터리의 전체 전압이 300V(volt) 이상이 되기 때문에 이에 대한 각각의 전압을 읽어오기 위하여 릴레이를 사용할 수 있다.
한국공개특허공보 제 2012-0047100호 (2012년 05월 11일 공개)
본 발명의 제1 목적은 배터리 충전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 배터리 충전 방법을 수행하는 장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리의 충전 방법은 BMS(battery management system) 배터리 측정 DC 전압 또는 PCS(power conversion system) 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 큰지 여부를 판단하는 단계, 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 또는 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 기준 전압보다 큰 경우, 상기 배터리의 건전성을 만족하는지 여부를 판단하는 단계, 상기 배터리의 건전성이 만족되는 경우, 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은지 여부를 판단하는 단계, 상기 오차가 상기 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은 경우, 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는지 여부에 대해 판단하는 단계, 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는 경우, 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 BMS 배터리 경고 과전압 및 상기 PCS 배터리 경고 과전압보다 큰지 여부를 판단하는 단계와 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 BMS 배터리 경고 과전압 및 상기 PCS 배터리 경고 과전압보다 큰 경우, 정전압 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 정전압 제어는 제어 전압을 기반으로 수행되고, 상기 제어 전압은 상기 기준 전압에 오차 보상분을 더한 값이고, 상기 오차 보상분은 전압 편차값과 전압 오차 허용치 및 미소 변동 구간치를 비교하여 산출된 값이고, 상기 전압 편차값은 상기 기준 전압에서 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압의 차이값일 수 있다. 상기 오차 보상분은 상기 전압 편차값이 상기 전압 오차 허용치보다 작은 경우 0으로 결정될 수 있다. 상기 오차 보상분은 상기 전압 편차값이 상기 전압 오차 허용치보다 작지 않은 경우 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작은지 여부를 판단하여, 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작은 경우 상기 전압 편차값을 N(여기서 N은 자연수)으로 나눈 값 중 하나로 결정될 수 있다. 상기 오차 보상분은 상기 전압 편차값이 상기 전압 오차 허용치보다 작지 않은 경우 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작은지 여부를 판단하여, 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작지 않은 경우 상기 전압 편차값으로 결정될 수 있다. 배터리의 충전 방법은 상기 배터리의 건전성을 만족하지 못하는 경우, 배터리 보호 동작을 수행하는 단계와 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 큰 경우, 상기 배터리 보호 동작을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 배터리의 충전 방법은 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 또는 PCS 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 크지 않은 경우, 정전류 제어를 수행하는 단계와 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 BMS 배터리 경고 과전압 및 상기 PCS 배터리 경고 과전압보다 크지 않은 경우 정전류 제어를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리의 충전 장치에 있어서, 상기 배터리 충전 장치는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 BMS(battery management system) 배터리 측정 DC 전압 또는 PCS(power conversion system) 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 큰지 여부를 판단하고, 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 또는 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 기준 전압보다 큰 경우, 상기 배터리의 건전성을 만족하는지 여부를 판단하고, 상기 배터리의 건전성이 만족되는 경우, 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은지 여부를 판단하고, 상기 오차가 상기 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은 경우, 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는지 여부에 대해 판단하고, 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는 경우, 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 BMS 배터리 경고 과전압 및 상기 PCS 배터리 경고 과전압보다 큰지 여부를 판단하고, 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 BMS 배터리 경고 과전압 및 상기 PCS 배터리 경고 과전압보다 큰 경우, 정전압 제어를 수행하도록 구현될 수 있다. 상기 정전압 제어는 제어 전압을 기반으로 수행되고, 상기 제어 전압은 상기 기준 전압에 오차 보상분을 더한 값이고, 상기 오차 보상분은 전압 편차값과 전압 오차 허용치 및 미소 변동 구간치를 비교하여 산출된 값이고, 상기 전압 편차값은 상기 기준 전압에서 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압의 차이값일 수 있다. 상기 오차 보상분은 상기 전압 편차값이 상기 전압 오차 허용치보다 작은 경우 0으로 결정될 수 있다. 상기 오차 보상분은 상기 전압 편차값이 상기 전압 오차 허용치보다 작지 않은 경우 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작은지 여부를 판단하여, 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작은 경우 상기 전압 편차값을 N(여기서 N은 자연수)으로 나눈 값 중 하나로 결정될 수 있다. 상기 오차 보상분은 상기 전압 편차값이 상기 전압 오차 허용치보다 작지 않은 경우 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작은지 여부를 판단하여, 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작지 않은 경우 상기 전압 편차값으로 결정될 수 있다. 상기 프로세서는 상기 배터리의 건전성을 만족하지 못하는 경우, 배터리 보호 동작을 수행하고, 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 큰 경우, 상기 배터리 보호 동작을 수행하도록 구현될 수 있다. 상기 프로세서는 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 또는 PCS 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 크지 않은 경우, 정전류 제어를 수행하고, 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 BMS 배터리 경고 과전압 및 상기 PCS 배터리 경고 과전압보다 크지 않은 경우 정전류 제어를 수행하도록 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 방법 및 장치를 사용하는 경우 PCS(power conversion system)의 안정적인 충전 및 방전 운전을 통해 고객의 ESS(energy storage system)의 수익률을 향상시킬 수 있다. 또한 빠른 고장 진단을 통해 배터리에 이상이 발생한 경우, 배터리에 대한 보호 절차를 진행함으로써 안전 사고를 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 ESS(energy storage system)를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 충전 알고리즘을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 정전압 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 장치를 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 장치를 나타낸 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 ESS(energy storage system)를 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, ESS는 병렬로 연결된 PCS(power conversion system)(100), PCS(100)에 연결된 BMS(battery management system)(120) 및 배터리(140)로 구현될 수 있다.
PCS(100)는 상용 전원을 사용하는 부하에 전력 공급을 수행하기 위해 구현될 수 있다. 또한 전력 공급과 동시에 태양광 발전 또는 풍력 발전과 같은 발전기로부터 생성된 발전 전력이 큰 경우, 양방향 전력 변환기를 통해 리튬-폴리머(리튬-이온) 배터리 저장 장치에 에너지를 저장(충전)할 수 있다. 병렬로 연결된 PCS(100)의 실시간 출력 분배 계산을 마스터 PCS(100)와 같은 특정 PCS가 수행할 수 있다.
배터리 모듈은 BMS(120) 및 배터리(140)를 포함하는 개념일 수 있다. 배터리 모듈은 예를 들어, 고효율, 장수명, 순시 충전 및 방전 특성이 뛰어난 리튬-폴리머(리튬-이온) 배터리를 이용하여 구성할 수 있다. 리튬-폴리머 배터리의 순시 충전 및 방전 특성의 향상과 배터리의 대용량화가 가능하게 되어 에너지 저장 시스템은 획기적으로 발달할 수 있다.
BMS(120)는 배터리 모듈에 포함될 수 있다. BMS(120)는 배터리(140)의 상태를 점검하기 위한 기본적인 데이터를 획득하여 배터리의 동작을 제어할 수 있다. 배터리(140)의 안전성을 확보하기 위해 배터리(140)의 전압, 전류 및 온도를 센싱하여 통신을 통해 상위 장치에 배터리에 관련된 정보를 전달할 수 있다. 이러한 기능들은 에너지 저장 장치를 안전하게 동작시키기 위해 필요한 정보들이다. 상위 장치인 PCS(100)에서는 이러한 정보들을 기반으로 배터리의 구동 상태, 오동작 상태를 확인하고, 과전압, 과전류 및 과온도 등을 보호하는 회로를 통해 배터리 모듈을 비정상적인 상태로부터 보호할 수 있다.
기존 충전 알고리즘의 문제점으로 PCS에서 측정한 배터리 전압은 전압 센서, 센싱 저항, 센싱 회로, A/D(analog/digital) 컨버터(converter), 평균값 계산 방법(주기), 온도 등에 의해 오차가 발생할 수 있다. 배터리 전압을 센싱하기 위한 해당 구성부를 저가화하였을 경우에는 오차가 더 커질 수 있다.
예를 들어, 배터리는 BMS를 통해 측정된 전압/전류 등을 통해 SoC를 계산할 수있다. 이때, BMS에서 측정한 전압과 PCS에서 측정한 전압 간에 오차로 PCS의 정전압 제어가 기준 전압(BMS 측정 전압 기준)보다 수 V(voltage)가 높거나 낮게 제어되면 배터리는 과충전되거나 미충전될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 정전류 제어와 정전압 제어로 이루어지는 배터리 충전에 있어서 BMS 측정 전압과 PCS 측정 전압의 오차 범위 및 건전성을 확인한 후 충전 전압을 보상하는 알고리즘에 대해 개시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 충전 알고리즘을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 실시예에 따른 충전 알고리즘은 정전류 제어와 정전압 제어를 기반으로 수행될 수 있다.
도 2에서는 정전류 제어 알고리즘에 대해 개시한다.
정전류 제어는 우선 BMS에서 배터리 측정을 수행하여 산출된 BMS 배터리 측정 DC 전압과 PCS에서 배터리 측정을 수행하여 산출된 PCS 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 큰지 여부를 판단할 수 있다(단계 S200).
기준 전압은 정전류 제어를 계속적으로 수행할지 여부를 판단하기 위해 미리 설정된 전압의 크기일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 충전 알고리즘에서는 PCS에서 측정한 배터리 측정 DC 전압 및 BMS에서 측정한 배터리 측정 DC 전압을 기준 전압과 비교하여 둘 중에 하나의 측정 전압의 크기라도 기준 전압의 크기보다 큰 경우, 추가적인 판단을 통해 정전압 제어를 수행할지 여부를 판단할 수 있다.
반대로 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 PCS 배터리 측정 DC 전압이 모두 기준 전압보다 작을 경우 지속적으로 충전지에서 정전류 제어 동작을 수행하도록 구현될 수 있다.
배터리의 건전성 여부를 판단한다(단계 S210).
BMS 배터리 측정 DC 전압과 PCS 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 큰 경우, 배터리 건전성에 대해 판단할 수 있다. 배터리의 건전성은 다양한 파라메터를 기반으로 판단될 수 있다. 예를 들어, 배터리 건전성은 SoC(state of charge)가 기준 퍼센티지보다 높은지 여부, 배터리의 온도의 최대값 및 최소값에 대한 정보, 충전 전류값에 대한 정보, 셀 전압의 최대값 또는 최소값에 대한 정보 등 다양한 요소를 기반으로 판단될 수 있다. 단계 S210의 판단 결과 배터리의 건전성이 만족되지 않는 경우, 보호 절차에 의해 충전기 보호 절차를 수행할 수 있다. 반대로 단계 S210의 판단 결과 배터리의 건전성이 만족되는 경우, BMS 배터리 측정 DC 전압의 크기 및 PCS 배터리 측정 DC 전압의 크기 사이의 오차가 존재하는지 여부에 대해 판단할 수 있다.
BMS 배터리 측정 DC 전압 및 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은지 여부를 판단한다(단계 S220).
BMS 배터리 측정 DC 전압 및 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은지 여부를 판단할 수 있다. BMS 배터리 측정 DC 전압 및 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은 경우, 보호 절차에 의해 충전지 보호 절차를 수행할 수 있다. 예를 들어, 충전지 보호 회로를 동작하여 충전지의 상태가 안전한 상태가 될 수 있도록 제어할 수 있다.
반대로 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 크거나 같은 경우, 다음 판단 절차를 수행하여 정전압 제어를 수행할지 여부에 대해 판단할 수 있다.
BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는지 여부에 대해 판단한다(단계 S230).
BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는지 여부에 대해 판단한다.
BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는 경우, PCS 배터리 측정 전압이 BMS의 배터리 경고 과전압 및 PCS의 배터리 경고 과전압보다 크거나 같은지 여부에 대해 판단할 수 있다. 반대로 BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하거나 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않는 경우, 바로 정전압 제어를 수행할 수 있다.
PCS 배터리 측정 전압이 BMS의 배터리 경고 과전압 및 PCS의 배터리 경고 과전압보다 크거나 같은지 여부에 대해 판단한다(단계 S240).
PCS 배터리 측정 전압이 BMS의 배터리 경고 과전압 및 PCS의 배터리 경고 과전압보다 크거나 같은 경우, 정전압 제어를 수행할 수 있다(단계 S250). 반대로 PCS 배터리 측정 전압이 BMS의 배터리 경고 과전압 및 PCS의 배터리 경고 과전압보다 작은 경우, 정전류 제어를 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에서는 정전압 제어 방법에 대해 개시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 정전압 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3에서는 정전압 제어를 위한 제어 전압을 결정하는 방법을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 기준 전압에서 BMS 배터리 측정 DC 전압을 뺀 값인 전압 편차를 산출한다(단계 S300).
정전압 제어 방법에서 전압 편차는 PCS의 전압 오차 허용치 및 PCS의 미소 변동 구간치와 비교되어 제어 전압을 결정하기 위한 오차 보상분을 산출하기 위해 사용될 수 있다.
전압 편차가 PCS의 전압 오차 허용치보다 작은지 여부를 판단한다(단계 S310).
전압 편차가 PCS의 전압 오차 허용치보다 작은지 여부를 판단하여 오차 보상분을 결정할 수 있다. 전압 편차가 PCS의 전압 오차 허용치보다 작은 경우, 오차 보상분을 0으로 결정할 수 있다(단계 S320).
전압 편차가 PCS의 전압 오차 허용치보다 크거나 같은 경우, 전압 편차와 PCS의 미소 변동 구간치와 비교하여 오차 보상분을 결정할 수 있다.
전압 편차와 PCS의 미소 변동 구간치보다 작은지 여부를 판단한다(단계 S330).
전압 편차와 PCS의 미소 변동 구간치보다 작은지 여부를 판단하여 오차 보상분을 결정할 수 있다.
전압 편차가 PCS의 미소 변동 구간치보다 작은 경우, 오차 보상분은 {K}/N(여기서, N=…4, 3, 2, 1)로 결정될 수 있다. N은 설정에 따라 다른 값이 사용될 수 있다. 즉, 오차 보상분은 전압 편차인 K보다 일정 비율로 작은 값이 선택될 수 있다(단계 S340).
전압 편차와 PCS의 미소 변동 구간치보다 크거나 같은 경우, 오차 보상분은 {K}, 로우 패스 필터(low pass filter)[{K}],
Figure 112013120822216-pat00001
로 결정될 수 있다(단계 S350).
제어 전압은 기준 전압에 산출된 오차 보상분을 더한 값일 수 있다. 산출된 제어 전압은 다시 기준 전압으로 갱신되어 정전류 제어 및 정전압 제어를 위해 사용될 수 있다.
도 2 및 도 3에서 전술한 방법을 사용함으로써 정전류 제어와 정전압 제어로 이루어지는 배터리 충전에 있어서, 배터리의 잔류 용량의 상위 영역(약80%)에서 배터리 보호를 위해서 정전압 제어를 수행할 경우 정전압 제어의 제어 전압에 오차가 발생시 생기는 배터리 과충전 또는 미충전을 보상할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 나타낸 개념도이다.
도 4를 참조하면, 전력 변환 장치는 전력 변환 장치 제어부(400)와 상위 제어부(450)를 포함할 수 있다. 도 4에서 개시하는 전력 변환 장치 제어부(400)와 상위 제어부(450)의 구성은 각 구성부를 기능상으로 분류하여 예시적으로 표현한 것이다. 따라서, 하나의 구성부가 복수의 구성부로 구현되거나, 복수의 구성부가 하나의 구성부로 구현될 수도 있다.
전력 변환 장치 제어부(400)는 정전류 제어부(405), 개선된 모드 전환부(410), 정전압 제어부(415), 제1 정전압 제어 오차 보상부(420)를 포함할 수 있다.
정전류 제어부(405)는 충전기의 정전류 제어 동작을 수행하기 위해 구현될 수 있다. 모드 전환부(410)에 의해 정전류 제어 동작이 수행되는 것으로 판단되는 경우, 정전류 제어부(405)에서는 정전류 제어 동작을 수행할 수 있다.
모드 전환부(410)는 정전류 제어 동작을 수행할 것인지 정전압 제어 동작을 수행할 것인지 여부를 전환하기 위해 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 모드 전환부(410)는 다양한 판단 절차를 기반으로 정전류 제어 동작을 수행할 것인지, 정전압 제어 동작을 수행할 것인지 여부에 대해 판단할 수 있다. 예를 들어, BMS 배터리 측정 DC 전압과 PCS 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 큰지 여부에 대한 판단, 배터리의 건전성 여부에 대한 판단, BMS 배터리 측정 DC 전압 및 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은지 여부에 대한 판단, BMS 배터리 측정 DC 전압이 0이고 PCS 배터리 측정 DC 전압이 1인지 여부에 대한 판단, PCS 배터리 측정 DC 전압이 BMS의 배터리 경고 과전압, PCS의 배터리 경고 과전압보다 큰지 여부에 대해 판단 등의 다양한 판단을 통해 정전류 제어 동작을 수행할 것인지 아니면 정전압 제어 동작을 수행할 것인지 여부에 대해 판단할 수 있다.
정전압 제어부(415)는 모드 제어부(410)에 의해 정전압 수행 동작이 수행되는 것으로 판단되는 경우, 정전압 제어 동작을 수행할 수 있다.
제1 정전압 제어 오차 보상부(420)는 정전압 제어를 수행함에 있어 오차 보상을 수행하여 제어 전압을 설정할 수 있다.
상위 제어부(450)는 제2 정전압 제어 오차 보상기(460)를 포함할 수 있다.
제2 정전압 제어 오차 보상부(460)는 정전압 제어를 수행함에 있어 오차 보상을 수행하여 제어 전압을 설정할 수 있다.
보상된 오차 값은 지속적으로 배터리의 충전을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 장치를 나타낸 개념도이다.
도 5에서는 ESS(energy storage system)에서 정전압 제어를 수행할지 여부를 결정하는 정전압 제어 판단 장치에 대해 개시한다.
정전압 제어 판단 장치는 배터리 측정 DC 전압부(500), 배터리 건전성 판단부(510), 전압 오차 한계 판단부(520), 측정 전압 판단부(530), 배터리 경고 과전압 판단부(540), 프로세서(550)를 포함할 수 있다. 정전압 제어 장치의 각 구성부는 정전압 제어를 수행하기 위한 동작을 설명의 편의상 각 기능별로 각 구성부를 예시적으로 구분한 것으로써 하나의 구성부가 복수의 구성부로 구현되거나 복수의 구성부가 하나의 구성부로 구현될 수도 있다.
배터리 측정 DC 전압부(500)는 BMS에서 배터리 측정을 수행하여 산출된 BMS 배터리 측정 DC 전압과 PCS에서 배터리 측정을 수행하여 산출된 PCS 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 큰지 여부를 판단하기 위해 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 알고리즘에서는 PCS에서 측정한 배터리 측정 DC 전압 및 BMS에서 측정한 배터리 측정 DC 전압을 기준 전압과 비교하여 둘 중에 하나의 측정 전압의 크기라도 기준 전압의 크기보다 큰 경우, 추가적인 판단을 통해 정전압 제어를 수행할지 여부를 판단할 수 있다. 반대로 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 PCS 배터리 측정 DC 전압이 모두 기준 전압보다 작을 경우 지속적으로 배터리를 충전시 정전류 제어 동작을 수행하도록 구현될 수 있다.
배터리 건전성 판단부(510)는 배터리의 건전성 여부를 판단하기 위해 구현될 수 있다. 배터리 건전성 판단부(510)는 배터리 측정 DC 전압부(500)의 판단 결과, BMS 배터리 측정 DC 전압과 PCS 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 큰 경우에 동작하도록 구현될 수 있다. 배터리의 건전성은 다양한 파라메터를 기반으로 판단될 수 있다. 예를 들어, 배터리 건전성은 SoC(state of charge)가 기준 퍼센티지보다 높은지 여부, 배터리의 온도의 최대값 및 최소값에 대한 정보, 충전 전류값에 대한 정보, 셀 전압의 최대값 또는 최소값에 대한 정보 등 다양한 요소를 기반으로 판단될 수 있다.
전압 오차 한계 판단부(520)는 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은지 여부를 판단하도록 구현될 수 있다. 전압 오차 한계 판단부(520)는 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은 경우, 보호 절차에 의해 충전지 보호 절차를 수행하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 충전지 보호 회로를 동작하여 충전지의 상태가 안전한 상태가 될 수 있도록 제어할 수 있다. 반대로 전압 오차 한계 판단부(520)는 판단 결과, BMS 배터리 측정 DC 전압 및 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 크거나 같은 경우, 다음 판단 절차를 수행하여 정전압 제어를 수행할지 여부에 대해 판단할 수 있다.
측정 전압 판단부(530)는 BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는지 여부에 대해 판단하도록 구현될 수 있다. BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는 경우, PCS 배터리 측정 전압이 BMS의 배터리 경고 과전압 및 PCS의 배터리 경고 과전압보다 크거나 같은지 여부에 대해 판단할 수 있다. 반대로 BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하거나 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않는 경우, 바로 정전압 제어를 수행할 수 있다. 정전압 제어를 수행시 후술할 제어 전압 결정부에 의해 결정된 제어 전압을 기준으로 정전압 제어 절차를 수행할 수 있다.
배터리 경고 과전압 판단부(540)는 PCS 배터리 측정 전압이 BMS의 배터리 경고 과전압 및 PCS의 배터리 경고 과전압보다 크거나 같은지 여부에 대해 판단할 수 있다. PCS 배터리 측정 전압이 BMS의 배터리 경고 과전압 및 PCS의 배터리 경고 과전압보다 크거나 같은 경우, 정전압 제어를 수행하도록 구현될 수 있다. 정전압 제어를 수행시 후술할 제어 전압 결정부에 의해 결정된 제어 전압을 기준으로 정전압 제어 절차를 수행할 수 있다. 반대로 PCS 배터리 측정 전압이 BMS의 배터리 경고 과전압 및 PCS의 배터리 경고 과전압보다 작은 경우, 다시 정전류 제어를 수행하여 배터리 충전을 수행할 수 있다.
프로세서(550)는 배터리 측정 DC 전압부(500), 배터리 건전성 판단부(510), 전압 오차 한계 판단부(520), 측정 전압 판단부(530), 배터리 경고 과전압 판단부(540)의 동작을 제어하기 위해 구현될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 장치를 나타낸 개념도이다.
도 6에서는 ESS(energy storage system)에서 정전압 제어를 수행하기 위한 제어 전압을 산출하는 제어 전압 결정 장치에 대해 개시한다.
도 6에서 개시하는 제어 전압 결정 장치는 전압 편차 산출부(600), 전압 오차 허용치 판단부(610), 미소 변동 구간치 판단부(620), 오차 보상부(630), 제어 전압 결정부(640), 프로세서(650)를 포함할 수 있다. 제어 전압 결정 장치의 각 구성부는 제어 전압을 결정하기 위한 동작을 각 기능별로 예시적으로 구분한 것으로써 하나의 구성부가 복수의 구성부로 구현되거나 복수의 구성부가 하나의 구성부로 구현될 수도 있다.
전압 편차 산출부(600)는 기준 전압에서 BMS 배터리 측정 DC 전압을 뺀 값인 전압 편차를 산출하기 위해 구현될 수 있다. 전압 편차 산출부(600)에서 산출된 전압 편차는 PCS의 전압 오차 허용치 및 PCS의 미소 변동 구간치와 비교되어 제어 전압을 결정하기 위한 오차 보상분을 산출하기 위해 사용될 수 있다.
전압 오차 허용치 판단부(610)는 전압 편차가 PCS의 전압 오차 허용치보다 작은지 여부를 판단하기 위해 구현될 수 있다.
오차 보상부(640)는 전압 편차가 PCS의 전압 오차 허용치보다 작은지 여부를 판단하여 오차 보상분을 결정할 수 있다. 전압 편차가 PCS의 전압 오차 허용치보다 작은 경우, 오차 보상분을 0으로 결정할 수 있다.
미소 변동 구간치 판단부(620)는 전압 편차가 PCS의 전압 오차 허용치보다 크거나 같은 경우, 전압 편차와 PCS의 미소 변동 구간치와 비교하여 오차 보상분을 결정하기 위해 구현될 수 있다. 미소 변동 구간치 판단부(620)에서는 전압 편차와 PCS의 미소 변동 구간치보다 작은지 여부를 판단하여 오차 보상분을 결정할 수 있다.
오차 보상부(630)에서는 전압 편차가 PCS의 미소 변동 구간치보다 작은 경우, 오차 보상분은 {K}/N(여기서, N=…4, 3, 2, 1, 자연수)로 결정될 수 있다. N은 설정에 따라 다른 값이 사용될 수 있다. 즉, 오차 보상분은 전압 편차인 K보다 일정 비율로 작은 값이 선택될 수 있다. 또한 오차 보상부(640)는 전압 편차와 PCS의 미소 변동 구간치보다 크거나 같은 경우, 오차 보상분은 {K}, 로우 패스 필터(low pass filter)[{K}],
Figure 112013120822216-pat00002
로 결정될 수 있다.
제어 전압 결정부(640)는 오차 보상부(630)에서 산출된 오차 보상분과 기준 전압을 더한 값으로 제어 전압을 결정할 수 있다. 결정된 제어 전압을 기반으로 다시 기준 전압이 갱신되어 정전류 제어 및 정전압 제어를 위해 사용될 수 있다.
프로세서(650)는 전압 편차 산출부(600), 전압 오차 허용치 판단부(610), 미소 변동 구간치 판단부(620), 오차 보상부(630), 제어 전압 결정부(640)의 동작을 제어하기 위해 구현될 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 배터리의 충전 방법에 있어서,
    BMS(battery management system) 배터리 측정 DC 전압 또는 PCS(power conversion system) 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 큰지 여부를 판단하는 단계;
    상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 또는 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 기준 전압보다 큰 경우, 상기 배터리의 건전성을 만족하는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 배터리의 건전성이 만족되는 경우, 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은지 여부를 판단하는 단계;
    상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 상기 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은 경우, 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는지 여부에 대해 판단하는 단계;
    상기 BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는 경우, 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 BMS 배터리 경고 과전압 및 상기 PCS 배터리 경고 과전압보다 큰지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 BMS 배터리 경고 과전압 및 상기 PCS 배터리 경고 과전압보다 큰 경우, 정전압 제어를 수행하는 단계를 포함하는 배터리 충전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정전압 제어는 제어 전압을 기반으로 수행되고,
    상기 제어 전압은 상기 기준 전압에 오차 보상분을 더한 값이고,
    상기 오차 보상분은 전압 편차값과 전압 오차 허용치 및 미소 변동 구간치를 비교하여 산출된 값이고,
    상기 전압 편차값은 상기 기준 전압에서 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압의 차이값인 배터리 충전 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 오차 보상분은 상기 전압 편차값이 상기 전압 오차 허용치보다 작은 경우 0으로 결정되는 배터리 충전 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 오차 보상분은 상기 전압 편차값이 상기 전압 오차 허용치보다 작지 않은 경우 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작은지 여부를 판단하여, 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작은 경우 상기 전압 편차값을 N(여기서 N은 자연수)으로 나눈 값 중 하나로 결정되는 배터리 충전 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 오차 보상분은 상기 전압 편차값이 상기 전압 오차 허용치보다 작지 않은 경우 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작은지 여부를 판단하여, 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작지 않은 경우 상기 전압 편차값으로 결정되는 배터리 충전 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리의 건전성을 만족하지 못하는 경우, 배터리 보호 동작을 수행하는 단계; 및
    상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 큰 경우, 상기 배터리 보호 동작을 수행하는 단계를 더 포함하는 배터리 충전 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 또는 PCS 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 크지 않은 경우, 정전류 제어를 수행하는 단계; 및
    상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 BMS 배터리 경고 과전압 및 상기 PCS 배터리 경고 과전압보다 크지 않은 경우 정전류 제어를 수행하는 단계를 더 포함하는 배터리 충전 방법.
  8. 배터리의 충전 장치에 있어서, 상기 배터리 충전 장치는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는 BMS(battery management system) 배터리 측정 DC 전압 또는 PCS(power conversion system) 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 큰지 여부를 판단하고,
    상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 또는 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 기준 전압보다 큰 경우, 상기 배터리의 건전성을 만족하는지 여부를 판단하고,
    상기 배터리의 건전성이 만족되는 경우, 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은지 여부를 판단하고,
    상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 상기 PCS 전압 오차의 한계치보다 작은 경우, 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는지 여부에 대해 판단하고,
    상기 BMS 배터리 측정 DC 전압이 존재하지 않고 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 존재하는 경우, 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 BMS 배터리 경고 과전압 및 상기 PCS 배터리 경고 과전압보다 큰지 여부를 판단하고,
    상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 BMS 배터리 경고 과전압 및 상기 PCS 배터리 경고 과전압보다 큰 경우, 정전압 제어를 수행하도록 구현되는 배터리 충전 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 정전압 제어는 제어 전압을 기반으로 수행되고,
    상기 제어 전압은 상기 기준 전압에 오차 보상분을 더한 값이고,
    상기 오차 보상분은 전압 편차값과 전압 오차 허용치 및 미소 변동 구간치를 비교하여 산출된 값이고,
    상기 전압 편차값은 상기 기준 전압에서 상기 BMS 배터리 측정 DC 전압의 차이값인 배터리 충전 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 오차 보상분은 상기 전압 편차값이 상기 전압 오차 허용치보다 작은 경우 0으로 결정되는 배터리 충전 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 오차 보상분은 상기 전압 편차값이 상기 전압 오차 허용치보다 작지 않은 경우 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작은지 여부를 판단하여, 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작은 경우 상기 전압 편차값을 N(여기서 N은 자연수)으로 나눈 값 중 하나로 결정되는 배터리 충전 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 오차 보상분은 상기 전압 편차값이 상기 전압 오차 허용치보다 작지 않은 경우 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작은지 여부를 판단하여, 상기 전압 편차값이 상기 미소 변동 구간치보다 작지 않은 경우 상기 전압 편차값으로 결정되는 배터리 충전 장치.
  13. 제8항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 배터리의 건전성을 만족하지 못하는 경우, 배터리 보호 동작을 수행하고,
    상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 및 상기 PCS 배터리 측정 DC 전압 사이의 오차가 PCS 전압 오차의 한계치보다 큰 경우, 상기 배터리 보호 동작을 수행하도록 구현되는 배터리 충전 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 BMS 배터리 측정 DC 전압 또는 PCS 배터리 측정 DC 전압이 기준 전압보다 크지 않은 경우, 정전류 제어를 수행하고,
    상기 PCS 배터리 측정 DC 전압이 상기 BMS 배터리 경고 과전압 및 상기 PCS 배터리 경고 과전압보다 크지 않은 경우 정전류 제어를 수행하도록 구현되는 배터리 충전 장치.
KR1020130167742A 2013-12-30 2013-12-30 배터리 충전 방법 및 장치 KR101522475B1 (ko)

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