KR101530679B1 - 배터리의 열화를 고려한 에너지 관리 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리의 열화를 고려한 에너지 관리 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 전력 공급원으로부터 변환된 전력을 배터리에 충전/방전하여 부하단의 에너지 공급을 관리하는 장치에 있어서, 본 발명에 따른 배터리의 열화를 고려한 에너지 관리 장치는, 상기 전력 공급원으로부터 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하거나, 상기 부하단에 전력을 공급하기 위해 상기 배터리를 방전하는 전력변환장치의 동작을 제어하는 전력변환장치 제어부; 상기 배터리 관리장치로부터 수신된 배터리의 충전/방전 상태 정보 및 배터리 상태 정보를 저장하는 데이터 저장부; 상기 충전/방전 상태 정보에 따른 예측 방전량과 상기 배터리 상태 정보에 따른 실제 가능 방전량을 비교하여 상기 배터리의 이상 여부를 판단하는 이상 여부 판단부; 및 상기 배터리의 실제 가능 방전량과 원격 검침 단말이 구비된 상기 부하단의 소비 전력량을 비교하여 상기 부하단에 공급하는 전력량을 제어하는 부하단 제어부를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 배터리의 열화 정도에 따라 전력을 공급받는 부하단의 수요를 예측하여 부하를 조절할 수 있다. 또한, 배터리의 이상 여부를 미리 예측하고 이에 대비하여 배터리를 관리할 수 있다.

Description

배터리의 열화를 고려한 에너지 관리 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR ENERGY MANAGEMENT CONSIDERING DEGRATION OF BATTERY AND METHOD THEREOF}

본 발명은 배터리의 열화를 고려한 에너지 관리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리의 열화 정도를 감안하여 배터리의 충전/방전에 의해 부하단에 공급되는 전력 에너지를 관리하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

제1차 산업 혁명은 18세기 중반부터 19세기 초반까지 영국에서 시작된 기술의 혁신과 이로 인해 일어난 사회, 경제 등의 큰 변혁을 일컫는다. 산업 혁명은 후에 전 세계로 확산하여 세계를 크게 바꾸어 놓게 된다.

제2차 산업 혁명은 산업 혁명의 두 번째 단계를 표현하기 위해 사학자에 의해 사용되는 단어이다. 일반적 년대는 1865년부터 1900년까지로 정의된다. 이 기간에는 영국 외에도 독일, 프랑스 혹은 미국의 공업생산력이 올라왔기 때문에 영국과의 상대적인 개념으로 이들 국가의 기술 혁신을 강조할 때 특히 사용된다.

현재와 미래를 제3차 산업 혁명의 시기라고 본다면, 제3차 산업 혁명은 에너지 혁명이 될 것이다. 지난 과거 인간이 소비하는 에너지는 다양한 형태로 발전하여 왔다. 불의 발견 이후, 불은 단순한 빛과 열을 제공하는 것에 그치지 않고 증기기관의 원동력이 되었고, 현재는 화석 연료 에너지를 이용한 화력 발전에 의해 전기 에너지로 전환되어 사용되고 있다. 그러나 한정된 화석 연료와 가격 상승으로 인하여 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있으며, 원자력이라는 에너지도 그 위험성으로 인해 영원한 청정 에너지가 될 수 없음이 일본 원전사고를 통하여 증명되었고, 세계는 그 위험성으로 인하여 원전 수를 점차 줄여나가고 있는 것이 현실이다.

세계적으로 태양광, 풍력, 조력 등의 신재생 에너지의 생산과 에너지 전환이 이루어지고 있으며, 생성된 전력을 보다 효율적으로 저장, 관리하면서 사용하기 위한 스마트 그리드라는 통신 네트워크를 이용한 전력 시스템에 관한 관심이 높아지고 있다.

본 발명에 따른 배터리의 열화를 고려한 에너지 관리 장치는 신재생 에너지원뿐만 아니라 기존의 전력 계통에 의한 전력을 저장하여, 저장된 전력을 안정적이고 효율적이게 관리하기 위한 에너지 관리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제2013-0091844호(2013.08.20)에 기재되어 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 배터리의 열화 정도를 고려하여 배터리의 충전/방전에 의해 부하단에 공급되는 전력 에너지를 관리하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 전력 공급원으로부터 변환된 전력을 배터리에 충전/방전하여 부하단의 에너지 공급을 관리하는 장치에 있어서, 에너지 관리 장치는 상기 전력 공급원으로부터 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하거나, 상기 부하단에 전력을 공급하기 위해 상기 배터리를 방전하는 전력변환장치의 동작을 제어하는 전력변환장치 제어부; 상기 배터리 관리장치로부터 수신된 배터리의 충전/방전 상태 정보 및 배터리 상태 정보를 저장하는 데이터 저장부; 상기 충전/방전 상태 정보에 따른 예측 방전량과 상기 배터리 상태 정보에 따른 실제 가능 방전량을 비교하여 상기 배터리의 이상 여부를 판단하는 이상 여부 판단부; 및 상기 배터리의 실제 가능 방전량과 원격 검침 단말이 구비된 상기 부하단의 소비 전력량을 비교하여 상기 부하단에 공급하는 전력량을 제어하는 부하단 제어부를 포함한다.

또한, 상기 전력변환장치 제어부는, 상기 배터리가 이전에 충전 및 방전한 횟수 또는 이전의 충전량/방전량에 따라 상기 배터리의 열화 정도를 기초로 상기 배터리의 전력 변환 효율을 예측하고, 예측된 상기 전력 변환 효율에 대응하여 예측 방전량을 연산하며, 상기 배터리 관리 장치로부터 측정된 상기 배터리의 실제 가능 방전량을 수신하고, 상기 수신된 실제 가능 방전량과 상기 예측 방전량의 차이가 기준치보다 큰 경우, 상기 배터리가 이상이 있는 것으로 판단할 수 있다.

또한, 상기 전력변환장치 제어부는, 상기 예측된 전력 변환 효율에 대응하는 상기 배터리의 충방전 성능 곡선을 참고하여 상기 배터리의 상기 예측 방전량을 연산할 수 있다.

또한, 상기 전력변환장치 제어부는, 상기 예측 방전량과 상기 실제 가능 방전량의 차이가 기준치 이하인 경우 상기 부하단에 정상적으로 전력이 공급되도록 할 수 있다.

또한, 상기 부하단 제어부는, 상기 부하단의 소비 전력량을 예측하고, 현재 배터리의 실제 가능 방전량이 상기 예측 소비 전력량보다 작은 경우, 상기 부하단에 공급되는 전력을 제한하도록 상기 부하단을 제어할 수 있다.

또한, 상기 부하단 제어부는, 상기 부하단에 연결된 복수의 부하 중에서, 상기 예측 소비 전력량이 적은 부하를 우선순위로 하여 제한할 수 있다.

또한, 상기 전력 공급원이 신재생 에너지로부터 생성된 직류 전압인 경우, 상기 전력변환장치는 상기 직류 전압은 레벨이 다른 직류 전압으로 변경시키고,

상기 전력 공급원이 계통에 의해 공급되는 교류 전압인 경우, 상기 전력변환장치는 상기 교류 전압을 직류 전압으로 변환시킬 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 전력 공급원으로부터 변환된 전력을 배터리에 충전/방전하여 부하단의 에너지 공급을 관리하는 장치를 이용한 에너지 관리 방법에 있어서, 에너지 관리 방법은, 상기 전력 공급원으로부터 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하거나, 상기 부하단에 전력을 공급하기 위해 상기 배터리를 방전하는 전력변환장치의 동작을 제어하는 단계; 상기 배터리의 충전/방전 상태 정보 및 배터리 관리장치로부터 수신된 배터리 상태 정보를 저장하는 단계; 상기 충전/방전 상태 정보에 따른 예측 방전량과 상기 배터리 상태 정보에 따른 실제 가능 방전량을 비교하여 상기 배터리의 이상 여부를 판단하는 단계; 및 상기 배터리의 실제 가능 방전량과 원격 검침 단말이 구비된 상기 부하단의 소비 전력량을 비교하여 상기 부하단에 공급하는 전력량을 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명인 배터리의 열화를 고려한 에너지 관리 장치 및 그 방법에 따르면, 배터리의 열화 정도에 따라 전력을 공급받는 부하단의 수요를 예측하여 부하를 조절할 수 있다. 또한, 배터리의 이상 여부를 미리 예측하고 이에 대비하여 배터리를 관리할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 에너지 관리 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 에너지 관리 장치의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 에너지 관리 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 충방전 성능 곡선 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 예측 소비 전력량을 구하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

먼저, 본 발명인 배터리의 열화를 고려한 에너지 관리 장치(100)가 포함된 에너지 관리 시스템에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 에너지 관리 시스템의 블록도이다.

도 1에 나타낸 것처럼, 에너지 관리 시스템은 에너지 관리 장치(100), 전력 공급원(200), 전력변환장치(300), 배터리(400), 배터리 관리장치(500), 원격 검침 단말(600) 및 부하단(700)을 포함한다.

먼저, 에너지 관리 장치(100)는 통신 라인을 통해 전력변환장치 제어부(110)에 의해 전력 변환장치(300)를 제어하고, 원격 검침 단말(600)을 포함하는 부하단(700)을 제어한다. 그 밖에 에너지 관리 장치(100)는 그 내부에 데이터 저장부(120) 및 이상 여부 판단부(130)를 포함한다. 에너지 관리 장치(100)의 내부 구성에 대해서는 후술하기로 한다.

전력 공급원(200)은 기존의 발전(수력, 화력, 원자력 등) 설비 및 송배전 계통뿐만 아니라, 태양열, 풍력, 수소연료 등의 신재생 에너지를 활용하는 발전 설비 및 송배전 계통을 포함한다. 특히, 가정마다 자가 생산이 가능한 수소연료에 의한 연료전지 발전 설비를 포함한다.

전력변환장치(300)는 전력 공급원(200)과 부하단(700) 사이에서 전압, 전류, 주파수, 위상, 상수 중 1개 이상의 특성을 변화시키는 장치를 의미하며 입력과 출력의 형태에 따른 변환 종류에 따라 다양한 형태의 전력변환장치로 구현될 수 있다.

직류변환은 직류 입력의 전력을 다른 직류 출력의 전력으로 변환하는 방식이며, 해당 장치로는 직류쵸퍼, 직류간접변환회로 등이 있다. 정류(순변환)는 교류 입력의 전력을 직류 출력의 전력으로 변환하는 방식이며, 해당 장치로는 정류기, 정류회로 등이 있다. 역변환은 직류 입력의 전력을 교류 출력의 전력으로 변환하는 방식이며, 해당 장치로는 인버터가 있다. 그리고 교류 변환은 교류 입력의 전력을 성질이 다른 교류 출력의 전력으로 변환하는 방식이며, 해당 장치로는 교류전력조정회로, 주파수를 변환하는 사이크로 컨버터 등이 있다.

본 발명에 따른 실시예에 따라, 전력 공급원(200)이 신재생 에너지로부터 직류 전력을 공급하는 경우, 전력변환장치(300)는 직류 입력의 전력을 다른 직류 출력의 전력으로 변환할 수 있으며, 직류쵸퍼 또는 직류간접변환회로의 형태로 구현될 수 있다. 또한, 전력 공급원(200)이 전력 계통에 의한 교류 전력을 공급하는 경우, 전력변환장치(300)는 교류 입력의 전력을 직류 출력의 전력으로 변환할 수 있으며, 정류기 또는 정류회로 형태로 구현될 수 있다.

그 밖에 본 발명에 따른 실시예에 따라, 전력변환장치(300)는 역변환 또는 교류 변환에 따른 인버터, 교류전력조정회로 또는 사이크로 컨버터 형태로 구현될 수 있다.

직류 변환기로서의 전력변환장치(300)는 전력 공급원(200)으로부터 직류 전력을 공급받아 배터리(400)를 충전하고, 배터리(400)에 충전된 직류 전력을 부하단(700)에 제공한다. 또한, 전력 공급원(200)으로부터 교류 전력을 공급받아 직류로 변환하여 배터리(400)를 충전하고, 배터리(400)에 충전된 직류 전력을 부하단(700)에 제공한다. 그 밖에 교류 변환기로서의 전력변환장치(300)는 배터리(400)에 충전된 직류 전력을 교류로 변환하여 교류 전력을 부하단(700)에 제공할 수 있다.

배터리(400)는 하나의 단전지(cell)가 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 혼합에 의해 복수의 단전지(cell)가 배열을 이루는 배터리 배열(battery array)의 형태로 구현될 수 있다. 여기서, 배터리(400)는 그 종류에 있어서, 재충전으로 다시 사용이 가능한 2차전지(reusable)의 모든 형태를 포함하는 개념이다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예로서, 배터리(400)는 납축전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬이온 전지, 연료전지 등을 포함한다.

배터리 관리장치(500)는 배터리(400)를 모니터링하여 충전/방전시 과충전 및 과방전을 방지하고, 배터리의 단전지(cell) 간의 전압을 균일하게 유지한다.

즉, 배터리 관리장치(500)는 배터리의 충전과 방전시의 전압을 고르게 유지해 주는 배터리 파워 팩의 핵심장치로서 배터리 상태를 모니터링하여, 배터리가 동작하는 최적의 조건을 유지하게 하여 자동 관리함으로써 배터리의 수명 단축을 방지하고 배터리의 교체시기를 예측할 수 있게 한다.

특히 배터리 관리장치(500)는 온도에 민감한 배터리의 온도를 모니터링하고 배터리의 단전지(cell)를 균형화하고, 배터리의 전류, 전압, 전하량을 모니터링 할 수 있다.

원격 검침 단말(600)은 원격 검침 시스템(Advanced Metering Infrastructure)에서의 검침용 단말을 의미한다. 에너지 관리장치(100)는 원격 검침 단말(600)을 통해 부하단의 소비 전력량을 계측할 수 있고, 부하단의 부하를 제어할 수 있다.

부하단(700)은 원격 검침 단말(600)과 연결되며 산업체 또는 일반 수용가의 부하에 연결된다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 관리 장치(100)에 대해 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 에너지 관리 장치의 구조를 나타낸 블록도이다.

도 2에 나타낸 것처럼, 에너지 관리 장치(100)는 전력변환장치 제어부(110), 데이터 저장부(120), 이상 여부 판단부(130) 및 부하단 제어부(130)를 포함한다.

전력변환장치 제어부(110)는 전력 공급원(200)으로부터 전력을 공급받아 배터리(400)를 충전하거나, 부하단(700)에 전력을 공급하기 위해 배터리(400)를 방전하는 전력변환장치(300)의 동작을 제어한다. 이를 위해, 도 1에서 에너지 관리 장치(100)는 전력변환장치(300)와 유선 또는 무선의 통신 라인으로 연결되어 있다.

데이터 저장부(120)는 배터리 관리장치(500)로부터 배터리(400)의 충전/방전 상태 정보 및 배터리 상태 정보를 수신하여 저장한다. 여기서, 배터리(400)의 충전/방전 상태 정보는 기 실행된 충전/방전의 횟수, 또는 충전량/방전량에 대한 충방전 이력 정보 및 충전/방전 전압 및 전류에 관한 정보를 포함한다.

배터리 관리장치(500)는 도 1에서 설명하였듯이 배터리(400)의 상태를 모니터링하여 배터리 상태 정보를 에너지 관리 장치(100)로 전송하며, 배터리의 과충전/과방전을 방지함으로써, 배터리 상태를 최적으로 유지하게 한다.

이상 여부 판단부(130)는 데이터 저장부(120)에 저장된 충전/방전 상태 정보에 따른 예측 방전량과 배터리 상태 정보에 따른 실제 가능 방전량을 비교하여 배터리(400)의 이상 여부를 판단한다.

여기서, 전력변환장치 제어부(110)는 충전/방전 생태 정보 중에서 충전/방전 이력 정보를 이용하여 배터리의 열화 정도를 판단한다. 그리고 전력변환장치 제어부(110)는 배터리의 열화 정도를 기초로 전력변환효율을 예측하여 이에 대응하는 충방전 성능곡선을 생성한다. 그리고 전력변환장치 제어부(120)는 충방전 성능곡선(후술할 도 5의 B)에 기초하여 예측 방전량을 연산한다. 연산된 예측 방전량은 데이터 저장부에 전송되어 저장된다.

또한, 배터리 관리장치(500)는 방전 결과를 측정하고 이를 기초로 충방전 성능곡선(후술할 도 5의 C)을 생성하여 실제 가능 방전량을 연산한다. 연산된 실제 가능 방전량은 데이터 저장부에 전송되어 저장된다.

마지막으로 부하단 제어부(140)는 배터리(400)의 실제 가능 방전량과 원격 검침 단말(600)이 구비된 부하단(700)의 소비 전력량을 비교하여 부하단(700)에 공급하는 전력량을 제어한다. 이를 위해, 도 1에서 에너지 관리 장치(100)는 원격 검침 단말(600)과 유선 또는 무선의 통신 라인으로 연결되어 있다.

이하 본 발명의 실시예에 따른 에너지 관리 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 에너지 관리 방법의 순서도이다.

먼저, 전력변환장치 제어부(110)는 전력변환장치(300)의 충전/방전 동작을 제어한다(S310).

즉, 전력변환장치(300)는 배터리(400)와 연결되어 전력 공급원(200)으로부터 전력을 공급받아 배터리(400)에 충전하거나, 배터리(400)에 충전된 전력을 다시 부하단(700)에 공급하는데, 전력변환장치 제어부(110)는 이러한 전력변환장치(300)의 충전/방전 동작을 제어한다. 특히, 전력변환장치(300)는 부하단(700)의 소비 전력량을 감안하여 충전/방전을 제어하되, 배터리의 최대 내구 연한을 위해 배터리의 충전량 및 방전량에 따라 어느 시점에 충전/방전을 할 것인지 제어할 수 있다.

전력 공급원(200)에서 충분한 전력이 공급되는 경우, 전력변환장치(300)는 부하단(700)의 전력 요구량에 따라 방전량에 상응하는 충전량으로 배터리를 충전한다. 배터리의 종류에 따라 적절한 충전량이 다르게 나타날 수 있으며, 일단 방전이 있어난 경우 최소한의 시간 내에 배터리 충전을 수행하는 것이 바람직하다.

전력변환장치 제어부(110)의 충전/방전 횟수는 부하단(700)의 소비 전력량 및 배터리(400)의 전체 용량에 따라 달라질 수 있다. 이러한 1회 충전/방전 과정을 주기(cycle)라고 하며 2차전지로 구성되는 배터리(400)에 일정 회수의 주기에 의한 충전/방전이 거듭되면 열화 현상이 발생한다.

열화 현상(Degrading)이란, 배터리의 충분한 충전량에도 불구하고 방전량이 점점 줄어들어서 배터리의 효율이 현저히 저하되는 현상이다. 열화 현상은 온도의 영향, 충전/방전에 따른 배터리 내의 전해액의 변화 등 여러 가지 요인에 기인한다.

배터리(400)는 충전 후에도 자연 방전에 의해 전력이 소비될 수 있으며, 배터리(400)의 열화 현상의 진행 정도는 충전/방전 횟수, 충전량, 방전량, 온도 등 여러 가지 인자에 따라 달라질 수 있다.

다음으로, 데이터 저장부(120)는 배터리 관리장치(500)로부터 수신된 배터리 충전/방전 상태 정보 및 배터리 상태 정보를 저장한다(S320). 즉, 배터리 관리장치(500)는 전력변환장치(300)의 제어에 따른 배터리의 충전/방전 상태정보 및 모니터링에 따른 배터리의 상태 정보를 수집하여 데이터 저장부(120)에 전송한다.

여기서, 충전/방전 상태 정보는 전력변환장치(300)의 동작에 의한 충전/방전의 횟수에 관한 정보, 충전/방전 시의 배터리의 잔량, 충전/방전에 사용된 전류/전압의 크기 및 충전/방전 시간에 관한 정보를 포함한다. 그리고 배터리 상태 정보는 배터리의 온도 정보, 배터리 단자 전압 및 전류에 관한 정보, 배터리의 현재 충전량 및 시간 대비 방전량 등에 관한 정보를 포함한다.

전력변환장치 제어부(110)는 배터리의 충전/방전 상태 정보 중에서 충전/방전 이력 정보로부터 열화 정도를 판단하며, 열화 정도에 따른 전력변환효율을 예측한다. 그리고 전력변환장치 제어부(110)는 예측된 전력변환효율에 대응하는 충방전 성능곡선을 이용하여 현재 설치된 배터리(400)의 예측 방전량을 연산할 수 있다. 이와 같이 전력변환장치 제어부(110)는 충전/방전 이력 정보에 따른 예측 방전량을 연산하여 데이터 저장부(120)에 저장한다.

그리고 배터리 상태 정보는 현재 설치된 배터리(400)의 실제 가능 방전량에 대한 정보를 포함한다. 즉, 배터리 관리장치(500)는 배터리(400)를 실제 방전시킨 결과를 측정하여 충방전 성능곡선을 생성하고 충방전 성능곡선으로부터 실제 가능 방전량을 연산하여 데이터 저장부(120)에 저장한다.

도 4는 본 발명에 따른 배터리의 열화 정도에 따른 배터리의 충방전 성능 곡선을 나타낸다.

도 4에서, 배터리의 열화 정도에 따라, 곡선 A는 예측된 전력 변환 효율이 98%인 경우의 충방전 성능곡선을, 곡선 B는 예측된 전력 변환 효율이 97%인 경우의 충방전 성능곡선을, 곡선 C는 실제 측정된 충방전 성능곡선을 각각 나타낸다. 도 4에서, 가로축은 시간을 세로축은 전력을 나타낸다.

여기서, 전력 변환 효율은 암페어 아워 효율 또는 와트 아워 효율에 의해 측정될 수 있다. 즉, 암페어 아워 효율(ampere hour efficiency)은 (충전전류*충전시간)에 대한 (방전전류*방전시간)의 백분율로 나타내며, 와트 아워 효율(watt hour efficiency)은 (충전전류*충전시간*평균방전전압)에 대한 (방전전류*방전시간*평균방전전압)의 백분율로 나타낸다.

그리고 충방전 성능곡선은 방전시간[h]에 따라 배터리의 충전 전하량의 감소에 따른 전력 값의 크기를 구하여 나타낼 수 있다. 여기서 예측된 전력 변환 효율에서의 충방전 성능곡선은 해당 배터리의 제조사에 의한 성능 검사표에 따라 파악이 가능할 수 있다.

도 4에서, 전력 변환 효율인 98%인 경우 곡선 A와 같이 충방전 성능 곡선이 형성되며, 전력 변환 효율인 97%인 경우 곡선 B와 같이 충방전 성능 곡선이 형성된다. 앞에서 설명한 바와 같이, 전력 변환 효율이 결정되면 충방전 성능 곡선은 실험에 의하여 곡선 A와 곡선 B와 같이 기 설정되는 것이다.

여기서, 곡선 A와 곡선 B는 특정 배터리의 성능 검사표에 따른 해당 전력 변환 효율에서의 충방전 성능 곡선이며, 곡선 C는 배터리 관리 장치에 의해 모니터링된 실제 배터리의 충방전 성능 곡선이다.

도 4에서는 배터리의 열화를 고려한 현재 배터리(400)의 예측된 전력 변환 효율이 97%인 것으로 가정하였으며, 이에 대한 충방전 성능곡선은 곡선 B이다. 그러나 배터리 관리 장치(500)로부터 측정된 배터리의 실제 충방전 성능곡선은 곡선 C로 나타난 것으로 가정한다. 곡선 C는 곡선 B와 비슷한 충전/방전 상태 정보를 갖는 배터리의 충방전 성능 곡선임에도 불구하고, 실제 전력 변환 효율이 97%보다 낮게 표시되어있다.

배터리는 방전을 시작하면서 그 내부의 충전량이 점차 줄어든다. 도 4는 배터리의 방전 시간에 따라 감소하는 전하량에 따라 변하는 전력 값을 나타내는 충방전 성능 곡선을 나타내는 그래프이다. 배터리는 방전을 시작해서 전력 값이 방전 한계 전력인 W_TH까지 떨어지는 시점까지 방전이 가능하다. 도 4에서, a, b, c는 각각 곡선 A, 곡선 B 및 곡선 C에서 방전 한계 전력이 W_TH 인 시점을 나타낸다.

여기서 W_TH는 배터리가 최대로 방전할 수 있는 방전종지전압과 관계가 있다. 방전종지전압은 배터리의 방전에 따른 충전량 감소로 인한 배터리의 단자 전압으로서, 방전종지전압 이하에서의 방전시 배터리의 방전능력이 급격히 떨어질 뿐만 아니라 배터리의 성능에 중대한 영향을 미칠 수 있다.

도 4에서 방전 한계 전력인 W_TH를 이용하면, 곡선 C에 의한 실제 가능 방전량은 빗금친 2번 면적을 나타내고, 곡선 B에 의한 예측 방전량은 빗금친 면적 1번과 2번 면적의 합을 나타낸다. 따라서, 1번 면적은 예측 방전량과 실제 가능 방전량의 차이를 나타낸다.

이상 여부 판단부(130)는 데이터 저장부(120)에 저장된 충전/방전 상태 정보에 따른 예측 방전량과 배터리 상태 정보에 따른 실제 가능 방전량을 비교하여(S331) 배터리(400)의 이상 여부를 판단한다(S332, S333).

여기서, 예측 방전량은 배터리의 규격 정보에서 충전/방전 정보에 따라 정상적으로 동작하는 배터리(400)의 규격상의 방전량이며 실제 가능 방전량은 실제 배터리(400)의 충전/방전에 따른 실제적인 방전량에 해당한다. 따라서, 예측 방전량과 실제 가능 방전량의 차이가 기준치 이하이면 배터리(400)는 정상적으로 동작하고 있음을 예측할 수 있다. 반대로, 예측 방전량과 실제 가능 방전량의 차이가 기준치보다 크면, 이상 여부 판단부(130)는 배터리(400)에 이상이 있는 것으로 판단한다.

도 4에서, 곡선 B는 전력변환 효율이 97%인 충방전 성능곡선이고, 곡선 C는 곡선 B와 비슷한 충전/방전 상태 정보를 갖는 배터리의 충방전 성능곡선이다.

도 4에서 예를 들면, 전력변환장치 제어부(110)는 곡선 B와 C를 이용하여 곡선 C에 따라 측정된 배터리의(400)의 실제 가능 방전량을 3800[Wh]로, 곡선 B에 따라 예측 방전량을 4000[Wh]로 연산할 수 있다. 여기서, 기준치가 300[Wh]인 경우, 곡선 C에 따른 충방전 성능곡선은 기준치 미만의 방전량의 차이(200[Wh])를 보이므로, 이상 여부 판단부(130)는 배터리(400)가 정상적인 상태에 있다고 판단할 수 있다. 그리하여, 예측 방전량과 실제 가능 방전량의 차이가 기준치 이하인 경우 전력변환장치 제어부(110)는 상기 부하단에 정상적으로 전력이 공급되도록 할 수 있다.

만약, 상기 방전량의 차이가 기준치 300[Wh]를 초과하는 경우, 이상 여부 판단부(130)는 배터리(400)가 이상이 있는 것으로 판단할 수 있다. 그리하여, 전력변환장치 제어부(110)는 배터리(400)가 예상된 것보다 열화가 훨씬 빠르게 진행되고 있는 것으로 판단하며, 배터리(400)의 이상 상태 및 교체 요청 알림을 LED 표시 장치 등을 이용하여 표시할 수 있다.

부하단 제어부(140)는 실제 가능 방전량과 원격 검침 단말이 구비된 부하단의 예측 소비 전력량을 비교하여(S341) 부하단에 공급되는 전력량을 제어한다(S342).

여기서, 실제 가능 방전량은 배터리 관리장치(500)에 의해 연산되어 데이터 저장부(120)에 저장된 값을 이용하고, 예측 소비 전력량은 부하단에 연결된 원격 검침 단말을 통해 과거의 전력 소비량에 관한 정보에 기초하여 부하단 제어부에 의해 측정된다.

부하단 제어부(130)는, 부하단(700)의 소비 전력량을 예측하고, 현재 배터리의 실제 가능 방전량이 예측 소비 전력량보다 작은 경우, 부하단에 공급되는 전력을 제한하도록 상기 부하단을 제어할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 예측 소비 전력량을 구하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

부하단 제어부(130)는 다음의 수학식 1 및 도 5와 같이 현재의 소비 전력량을 기준으로 샘플링 시간당 전력량의 증가분을 이용하여 예측할 수 있다.

수학식 1 및 도 5에서는 수요시간을 15분인 것으로 예를 들었다.

S331 단계에서 배터리(400)가 이상이 있는 경우에도(S332), 현재 배터리의 실제 가능 방전량이 예측 소비 전력량 이상인 경우에, 부하단 제어부(130)는 부하단에 공급되는 전력을 제한하지 않을 수 있다. 이는, 배터리의 이상에 따라 새로운 배터리로 교체되는 시점까지 한시적으로 현재의 배터리(400)를 이용하여 전력을 계속 공급할 수 있는 장점이 있기 때문이다.

부하단의 전력을 제한하는 경우, 부하단 제어부(130)는, 부하단(700)에 연결된 복수의 부하 중에서, 예측 소비 전력량이 적은 부하를 우선순위로 하여 제한할 수 있다.

본 발명에 따른 다양한 실시예에 따라, 배터리의 열화를 고려한 에너지 관리 장치(100)는 가정에 구축된 태양열 발전 시스템, 연료전지에 의한 전력 공급 시스템과 같은 근거리의 시설물의 장치로 구현될 수 있으며, 풍력 발전 시스템이나, 원거리의 수력, 화력 발전 및 송배전 시스템에서 시설물의 장치로도 구현될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 배터리의 열화 정도에 따라 전력을 공급받는 부하단의 수요를 예측하여 부하를 조절할 수 있다. 또한, 배터리의 이상 여부를 미리 예측하고 이에 대비하여 배터리를 관리할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

100: 에너지 관리 장치, 110: 전력변환장치 제어부,
120: 데이터 저장부, 130: 이상 여부 판단부,
140: 부하단 제어부, 200: 전력 공급원,
300: 전력변환장치, 400: 배터리,
500: 배터리 관리장치, 600: 원격 검침 단말,
700: 부하단

Claims (14)

1. 전력 공급원으로부터 변환된 전력을 배터리에 충전/방전하여 부하단의 에너지 공급을 관리하는 장치에 있어서,
   상기 전력 공급원으로부터 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하거나, 상기 부하단에 전력을 공급하기 위해 상기 배터리를 방전하는 전력변환장치의 동작을 제어하는 전력변환장치 제어부;
   상기 배터리 관리장치로부터 수신된 배터리의 충전/방전 상태 정보 및 배터리 상태 정보를 저장하는 데이터 저장부;
   상기 충전/방전 상태 정보에 따른 예측 방전량과 상기 배터리 상태 정보에 따른 실제 가능 방전량을 비교하여 상기 배터리의 이상 여부를 판단하는 이상 여부 판단부; 및
   상기 배터리의 실제 가능 방전량과 원격 검침 단말이 구비된 상기 부하단의 소비 전력량을 비교하여 상기 부하단에 공급하는 전력량을 제어하는 부하단 제어부를 포함하며,
   상기 전력변환장치 제어부는,
   상기 배터리가 이전에 충전 및 방전한 횟수 또는 이전의 충전량/방전량에 따라 상기 배터리의 열화 정도를 기초로 상기 배터리의 전력 변환 효율을 예측하고, 예측된 상기 전력 변환 효율에 대응하여 예측 방전량을 연산하며,
   상기 배터리 관리 장치로부터 측정된 상기 배터리의 실제 가능 방전량을 수신하고, 상기 수신된 실제 가능 방전량과 상기 예측 방전량의 차이가 기준치보다 큰 경우, 상기 배터리가 이상이 있는 것으로 판단하며,
   상기 부하단 제어부는,
   다음의 수학식을 이용하여 상기 부하단의 소비 전력량을 예측하고,
   

   

   
   현재 배터리의 실제 가능 방전량이 상기 예측 소비 전력량보다 작은 경우, 상기 부하단에 공급되는 전력을 제한하도록 상기 부하단을 제어하는 에너지 관리 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 전력변환장치 제어부는,
   상기 예측된 전력 변환 효율에 대응하는 상기 배터리의 충방전 성능 곡선을 참고하여 상기 배터리의 상기 예측 방전량을 연산하는 에너지 관리 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전력변환장치 제어부는,
   상기 예측 방전량과 상기 실제 가능 방전량의 차이가 기준치 이하인 경우 상기 부하단에 정상적으로 전력이 공급되도록 하는 에너지 관리 장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 부하단 제어부는,
   상기 부하단에 연결된 복수의 부하 중에서, 상기 예측 소비 전력량이 적은 부하를 우선순위로 하여 제한하는 에너지 관리 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 전력 공급원이 신재생 에너지로부터 생성된 직류 전압인 경우, 상기 전력변환장치는 상기 직류 전압은 레벨이 다른 직류 전압으로 변경시키고,
   상기 전력 공급원이 계통에 의해 공급되는 교류 전압인 경우, 상기 전력변환장치는 상기 교류 전압을 직류 전압으로 변환시키는 에너지 관리 장치.
8. 전력 공급원으로부터 변환된 전력을 배터리에 충전/방전하여 부하단의 에너지 공급을 관리하는 장치를 이용한 에너지 관리 방법에 있어서,
   상기 전력 공급원으로부터 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하거나, 상기 부하단에 전력을 공급하기 위해 상기 배터리를 방전하는 전력변환장치의 동작을 제어하는 단계;
   상기 배터리 관리장치로부터 수신된 배터리의 충전/방전 상태 정보 및 배터리 상태 정보를 저장하는 단계;
   상기 충전/방전 상태 정보에 따른 예측 방전량과 상기 배터리 상태 정보에 따른 실제 가능 방전량을 비교하여 상기 배터리의 이상 여부를 판단하는 단계; 및
   상기 배터리의 실제 가능 방전량과 원격 검침 단말이 구비된 상기 부하단의 소비 전력량을 비교하여 상기 부하단에 공급하는 전력량을 제어하는 단계를 포함하며,
   상기 전력변환장치의 동작을 제어하는 단계에서,
   상기 배터리가 이전에 충전 및 방전한 횟수 또는 이전의 충전량/방전량에 따라 상기 배터리의 열화 정도를 기초로 상기 배터리의 전력 변환 효율을 예측하고, 예측된 상기 전력 변환 효율에 대응하여 예측 방전량을 연산하며,
   상기 배터리 관리 장치로부터 측정된 상기 배터리의 실제 가능 방전량을 수신하고, 상기 수신된 실제 가능 방전량과 상기 예측 방전량의 차이가 기준치보다 큰 경우, 상기 배터리가 이상이 있는 것으로 판단하며,
   상기 부하단에 공급하는 전력량을 제어하는 단계는,
   다음의 수학식을 이용하여 상기 부하단의 소비 전력량을 예측하고,
   

   

   
   현재 배터리의 실제 가능 방전량이 상기 예측 소비 전력량보다 작은 경우, 상기 부하단에 공급되는 전력을 제한하도록 상기 부하단을 제어하는 에너지 관리 방법.
9. 삭제
10. 제8항에 있어서,
    상기 전력변환장치의 동작을 제어하는 단계에서,
    상기 예측된 전력 변환 효율에 대응하는 상기 배터리의 충방전 성능 곡선을 참고하여 상기 배터리의 상기 예측 방전량을 연산하는 에너지 관리 방법.
11. 제8항에 있어서,
    상기 전력변환장치의 동작을 제어하는 단계에서,
    상기 예측 방전량과 상기 실제 가능 방전량의 차이가 기준치 이하인 경우 상기 부하단에 정상적으로 전력이 공급되도록 하는 에너지 관리 방법.
12. 삭제
13. 제8항에 있어서,
    상기 부하단에 공급하는 전력량을 제어하는 단계에서,
    상기 부하단에 연결된 복수의 부하 중에서, 상기 예측 소비 전력량이 적은 부하를 우선순위로 하여 제한하는 에너지 관리 방법.
14. 제8항에 있어서,
    상기 전력 공급원이 신재생 에너지로부터 생성된 직류 전압인 경우, 상기 전력변환장치는 상기 직류 전압은 레벨이 다른 직류 전압으로 변경시키고,
    상기 전력 공급원이 계통에 의해 공급되는 교류 전압인 경우, 상기 전력변환장치는 상기 교류 전압을 직류 전압으로 변환시키는 에너지 관리 방법.

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