KR102585741B1 - Network-based battery cell monitoring UPS system - Google Patents
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Abstract
본 발명의 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템은 배터리셀의 충방전전압을 패턴화한 패턴정보를 상기 배터리셀의 사용패턴에 따라 변환되는 기준정보와 비교하고, 펄스전류에 따른 방전전압의 변위를 산출함으로써, 배터리셀의 내부저항에 따른 수명상태(SOH)와 교체주기를 정확하게 예측할 수 있게 된다. The network-based battery cell monitoring UPS system of the present invention compares pattern information patterning the charge/discharge voltage of a battery cell with reference information converted according to the usage pattern of the battery cell, and calculates the displacement of the discharge voltage according to the pulse current. By doing so, it is possible to accurately predict the state of life (SOH) and replacement cycle according to the internal resistance of the battery cell.
Description
본 발명은 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수개의 배터리셀을 모니터링하여 상기 배터리셀의 로우데이터를 서버에 정해진 주기로 전송하고, 상기 서버가 상기 배터리셀의 수명을 예측하고 관리자에게 전달함으로써, 배터리셀의 수명을 사전에 예측하여 전력공급을 안정적으로 수행할 수 있는 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a network-based battery cell monitoring UPS system. More specifically, it monitors a plurality of battery cells and transmits raw data of the battery cells to a server at a set period, and the server predicts the lifespan of the battery cells and This relates to a network-based battery cell monitoring UPS system that can provide stable power supply by predicting the lifespan of battery cells in advance by delivering it to managers.
일반적으로, 리튬이온배터리와 인산철배터리와 같은 2차전지는 전기자동차나 각종 전자기기에 전력을 공급하는 주전원으로 많이 사용되고 있다.In general, secondary batteries such as lithium-ion batteries and iron phosphate batteries are widely used as the main power source that supplies power to electric vehicles and various electronic devices.
이러한, 2차전지 중 하나인 리튬이온배터리는 다른 종류의 배터리보다 높은 에너지밀도와 자가방전에 의한 전력손실이 매우 적고, 인산철 배터리는 에너지밀도는 비교적 낮으나 안전성에서 보다 우수한 평가를 받곤 한다.Lithium-ion batteries, one of these secondary batteries, have higher energy density and very low power loss due to self-discharge than other types of batteries, and iron phosphate batteries have relatively low energy density but are often rated as superior in safety.
최근 각국 정부는 지구환경을 보호하기 위한 탄소배출을 저감시키기위한 조치로 보조금을 지급하여 전기자동차를 보급하고 있으며, 이에 따라 시판되는 자동차의 25%는 전기자동차가 판매되고 있는 실정이다.Recently, governments around the world are distributing electric vehicles by providing subsidies as a measure to reduce carbon emissions to protect the global environment, and as a result, 25% of cars on the market are electric vehicles.
이러한 2차전지는 일정 이상의 용량이 필요한 경우, 충전 및 방전이 가능한 하나 이상의 전기화학 셀로 구성되는 배터리팩 형태로 주로 사용된다.When a capacity exceeding a certain level is required, these secondary batteries are mainly used in the form of a battery pack consisting of one or more electrochemical cells capable of charging and discharging.
그러나 이러한 2차전지는 온도가 높은 환경일수록 노화가 빨리 진행되고, 충방전이 반복됨에 따라 배터리셀간 전압차가 커지면서 불평형이 생겨 전체적인 배터리수명을 단축시키는 문제점이 있다.However, these secondary batteries have the problem that aging progresses faster in environments with higher temperatures, and as charging and discharging are repeated, the voltage difference between battery cells increases and imbalance occurs, shortening the overall battery life.
이를 위해 최근에는 열적 불안전성 원인 규명을 규명하고, 배터리셀간 전압차를 해소하기 위한 다양한 방법들이 제안되고 있다. 이러한 방법들은 리튬이온 배터리의 열화상태를 수치적으로 제시하는 SOH(State of Health)를 모델링하여 현재 리튬이온 배터리의 상태를 파악하는데, 기존의 방법으로는 내부 저항/임피던스, 충전용량, 누적 충방전 사이클 수 등을 이용하여 대략적인 SOH를 산출하거나 칼만필터, 퍼지 로직, 또는 연속되는 사이클 간의 SOC 변화량을 이용하여 SOH를 추정하는 기법 등이 이용되고 있다.To this end, various methods have recently been proposed to identify the cause of thermal instability and resolve the voltage difference between battery cells. These methods identify the current state of the lithium-ion battery by modeling SOH (State of Health), which numerically presents the deterioration state of the lithium-ion battery. Existing methods include internal resistance/impedance, charging capacity, and cumulative charge/discharge. Techniques such as calculating approximate SOH using the number of cycles, etc., or estimating SOH using Kalman filter, fuzzy logic, or SOC change between successive cycles are used.
이와 관련된 종래기술로 한국공개특허공보 제10-2022-0163736호(공개일자 : 2022. 12.12.)에는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법이 개시되었다.As a related prior art, Korean Patent Publication No. 10-2022-0163736 (publication date: December 12, 2022) discloses a method for detecting abnormal cells and predicting SOH of a lithium-ion battery pack.
상기 종래기술은, 배터리 상태 감시장치에서 다수의 배터리셀로 이루어지는 리튬이온 배터리팩으로부터 인가되는 신호를 분석하여 리튬이온 배터리팩의 현재 상태를 감시하는 리튬이온 배터리팩의 비정상 셀 검출 및 SOH 예측 방법으로서, The prior art is a method for detecting abnormal cells and predicting SOH of a lithium-ion battery pack, which monitors the current state of the lithium-ion battery pack by analyzing signals applied from a lithium-ion battery pack consisting of a plurality of battery cells in a battery status monitoring device. ,
배터리 상태 감시장치에서 리튬이온 배터리팩과 해당 리튬이온 배터리팩 내의 각 배터리셀에 대한 전압, 캐패시티, 온도, 습도 의 4개 파라미터에 대한 실측값을 획득하는 제1 단계와, 배터리 상태 감시장치에서 리튬이온 배터리팩과 해당 리튬이온 배터리팩 내의 각 배터리셀에 대한 전압, 캐패시티, 온도, 습도 실측값을 배터리셀 위치정보와 함께 각 파라미터별 학습모델에 입력하여 각 파라미터별 임계값을 산출하되, 상기 학습모델은 배터리셀 위치에 따라 서로 다른 열화특성이 적용된 임계값을 출력하는 제2단계, 배터리 상태 감시장치에서 배터리팩의 임계값과 실측값간의 차이가 기 설정된 기준값 이상인 경우 해당 배터리 팩내의 모든 배터리셀별 상태 검출동작을 수행하되, 배터리셀별 실측값과 임계값간의 차이를 기반으로 각 배터리셀의 이상 상태 여부를 판단하는 제3 단계 및, 배터리 상태 감시장치에서 배터리팩 및 각 배터리셀별 전압 임계값과 캐패시티 임계값을 근거로 전기화학적 요소에 대한 제1 가중치를 산출하고, 온도 임계값과 습도 임계값을 근거로 외부환경 요소에 대한 제2 가중치를 산출하여 이전 SOH 예측값에 각각 컨볼루션 연산한 값의 합을 해당 배터리팩 및 각 배터리셀별 SOH예측값으로 각각 산출하는 제4 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The first step is to obtain actual measured values for the four parameters of voltage, capacity, temperature, and humidity for the lithium-ion battery pack and each battery cell within the lithium-ion battery pack from the battery status monitor, and the battery status monitor The actual measured values of voltage, capacity, temperature, and humidity for the lithium-ion battery pack and each battery cell within the lithium-ion battery pack are input into the learning model for each parameter along with the battery cell location information to calculate the threshold value for each parameter. The learning model outputs a threshold value with different deterioration characteristics depending on the location of the battery cell. In the second step, when the difference between the threshold value of the battery pack and the actual measured value in the battery status monitoring device is greater than a preset reference value, all A third step is to perform a state detection operation for each battery cell and determine whether each battery cell is in an abnormal state based on the difference between the actual measured value for each battery cell and the threshold value, and the voltage threshold value for the battery pack and each battery cell in the battery state monitoring device. First weights for electrochemical factors are calculated based on the and capacity thresholds, and second weights for external environmental factors are calculated based on the temperature threshold and humidity threshold, and each is convolved with the previous SOH prediction value. It is characterized by including a fourth step of calculating the sum of the values as the SOH predicted value for the corresponding battery pack and each battery cell.
그러나, 상기한 종래기술은 어느 한지점에서의 전기화학적요소와 온도와 환경에 의한 외부환경요소를 이전의 SOH값에 컨볼루션하여 SOH예측값을 산출함에 따라 기준값이 고정되어 사용자가 사용하는 배터리셀의 사용패턴을 감안하지 못하는 문제점과, 이에 따른 SOH예측값의 변화주기를 정확히 예측하지 못하는 문제점이 있었다. However, the above-described prior art calculates the predicted SOH value by convolving electrochemical factors at a certain point and external environmental factors such as temperature and environment with the previous SOH value, so that the reference value is fixed and the battery cell used by the user is fixed. There was a problem of not being able to take into account usage patterns and an inability to accurately predict the change cycle of the SOH prediction value accordingly.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로 본 발명의 목적은 배터리셀의 온도와 충전전압 및 방전전압을 감지하는 CMU와, 다수개의 배터리셀의 감지정보를 기초로 전압불균형을 밸런싱하여 관리하는 BMS 및 상기 BMS로부터 전송된 감지정보를 패턴화하여 사용자의 배터리셀 사용패턴을 산출하고, 패턴화된 패턴정보를 기준정보와 비교하여 그 편차의 변화량에 따라 수명을 예측하는 서버가 구비됨으로써, 배터리셀의 수명을 사용자의 사용패턴에 따라 정확히 산출하여 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템을 제공함에 있다.The present invention was created to solve the problems of the prior art as described above. The purpose of the present invention is to provide a CMU that detects the temperature, charge voltage, and discharge voltage of a battery cell, and voltage imbalance based on the detection information of a plurality of battery cells. A BMS that balances and manages and patterns the sensing information transmitted from the BMS to calculate the user's battery cell usage pattern, compares the patterned pattern information with reference information, and predicts lifespan according to the amount of change in the deviation. By providing a network-based battery cell monitoring UPS system that can supply power stably by accurately calculating the lifespan of the battery cell according to the user's usage pattern.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템은 착탈식 배터리셀과, 상기 착탈식 배터리셀의 방전전압과 충전전압을 감지하는 CMU가 다수개 결합된 배터리랙과; 상기 CMU가 감지한 감지신호를 기초로 충방전 휴지시점에 상기 배터리셀 간의 전압편차를 조정하는 셀밸런싱을 수행하는 BMS와; 상기 BMS로부터 상기 감지신호를 정해진 주기로 전달받아 패턴정보를 생성하고, 상기 패턴정보와 기준정보를 비교하여 상기 배터리셀의 상태정보를 산출하여 상기 배터리셀의 수명을 예측하는 서버;가 구비되고,
상기 CMU에는 상기 배터리셀의 착탈시 발생되는 서지로부터 보호하는 핫플러그프로텍션부와, 상기 배터리셀의 온도를 감지하는 온도센서가 구비되며,A network-based battery cell monitoring UPS system according to the present invention for achieving the above object includes a battery rack in which removable battery cells are combined with a plurality of CMUs that detect discharge voltage and charge voltage of the removable battery cells; a BMS that performs cell balancing to adjust the voltage deviation between the battery cells at charging and discharging pauses based on the detection signal detected by the CMU; A server is provided that receives the detection signal from the BMS at a predetermined period, generates pattern information, compares the pattern information with reference information, calculates state information of the battery cell, and predicts the lifespan of the battery cell,
The CMU is equipped with a hot plug protection unit that protects from surges generated when attaching and detaching the battery cell, and a temperature sensor that detects the temperature of the battery cell,
상기 패턴정보는 상기 착탈식 배터리셀의 방전전압과 충전전압을 시간에 따라 그래프로 표현된 정보이고, 상기 기준정보은 이상상태의 배터리셀의 방전전압과 충전전압을 시간에 따라 그래프로 표현된 정보인 것을 특징으로 한다.The pattern information is information representing the discharge voltage and charging voltage of the removable battery cell as a graph over time, and the reference information is information representing the discharge voltage and charging voltage of the battery cell in an abnormal state as a graph over time. It is characterized by
상기 BMS는 상기 CMU가 전송한 방전전압과 충전전압 및 배터리랙 중앙부에서 감지한 온도정보를 상기 배터리셀의 위치정보와 결합하여 상기 서버에 전송하는 셀위치정보부가 구비되고, The BMS is equipped with a cell location information unit that combines the discharge voltage and charge voltage transmitted by the CMU and temperature information detected at the center of the battery rack with the location information of the battery cell and transmits it to the server,
상기 서버는 상기 배터리셀의 시간에 따른 방전전압의 전압편차에 따라 수명상태를 예측하여 관리자단말기에 전달하는 수명판단부가 구비된 것을 특징으로 한다.The server is characterized by being equipped with a lifespan judgment unit that predicts the lifespan status according to the voltage deviation of the discharge voltage of the battery cell over time and transmits the prediction to the manager terminal.
상기 배터리셀은 배터리와, 상기 배터리의 외부를 용이하게 감싸도록 상면이 정해진 폭으로 절개된 배터리보호구와, 상기 배터리보호구의 상하면 및 후면을 감싸며, 배터리단자가 결합되는 한쌍의 단자공이 후면에 통공된 랙가이드와, 상기 배터리와 전기적으로 연결된 CMU가 안착되어 상기 랙가이드의 전면에 결합된 CMU브라켓과, 상기 CMU가 감지한 충전상태를 외부에 표시하는 LED가 안착되어 상기 CMU브라켓의 전면에 결합된 LED브라켓 및 상기 LED브라켓의 전면 일측부에 결합된 손잡이브라켓이 구비된 것을 특징으로 한다.The battery cell includes a battery, a battery protector whose upper surface is cut to a predetermined width to easily surround the exterior of the battery, and a pair of terminal holes through which battery terminals are connected to which the battery terminals are connected. A CMU bracket on which a rack guide and a CMU electrically connected to the battery are mounted and coupled to the front of the rack guide, and an LED externally displaying the charging state detected by the CMU is mounted on the CMU bracket and coupled to the front of the CMU bracket. It is characterized by being provided with an LED bracket and a handle bracket coupled to one front side of the LED bracket.
상기 랙가이드의 상하면에는 외기에 열이 방출되도록 절개된 다수개의 열방출공이 구비되고, 상기 배터리랙에는 상기 배터리셀이 정해진 거리로 이격되어 안착되도록 상기 랙가이드와 접촉되는 다수개의 셀가이드가 구비된 것을 특징으로 한다.The upper and lower surfaces of the rack guide are provided with a plurality of heat dissipation holes cut to release heat to the outside air, and the battery rack is provided with a plurality of cell guides in contact with the rack guide so that the battery cells are spaced and seated at a predetermined distance. It is characterized by
상기 서버는, 상기 감지신호의 변화에 따른 상기 패턴정보에 기초하여 상태정보를 추정하는 상태추정알고리즘이 구비되고, 상기 상태추정알고리즘은, 상기 BMS로부터 전달받은 다수개의 충전전압과 방전전압에 따라 생성된 패턴정보를 산출하는 패턴산출부와, 상기 배터리셀의 충방전이 정지된 휴지시점에 상기 배터리셀에 정해진 주기의 펄스전류를 정해진 시간동안 인가하여 상기 배터리셀의 방전전압의 변위를 산출하는 변위산출부가 구비된 것을 특징으로 한다.The server is equipped with a state estimation algorithm that estimates state information based on the pattern information according to changes in the detection signal, and the state estimation algorithm is generated according to a plurality of charging voltages and discharge voltages received from the BMS. a pattern calculation unit that calculates pattern information, and a displacement that calculates the displacement of the discharge voltage of the battery cell by applying a pulse current of a predetermined period to the battery cell for a predetermined time at a rest point when charging and discharging of the battery cell is stopped. It is characterized by being equipped with a calculation unit.
상기 기준정보는 이상적인 상태의 배터리셀에서 생성된 표준패턴에 배터리셀의 방전상태로 생성된 사용패턴을 인자로 변환된 보정패턴으로 갱신되는 것을 특징으로 한다.The reference information is characterized in that the standard pattern generated from the battery cell in an ideal state is updated with a correction pattern converted into a factor of the usage pattern generated in the discharged state of the battery cell.
상기 BMS는, 상기 배터리셀의 충전시 충전전압을 사전에 설정된 임계충전전압과 비교하고, 휴지시점의 개방전압을 사전에 설정된 임계개방전압과 비교하여 상기 배터리셀의 충방전주기를 설정하는 것을 특징으로 한다.The BMS compares the charging voltage when charging the battery cell with a preset threshold charging voltage, and compares the open-circuit voltage at rest with the preset critical open-circuit voltage to set the charge/discharge cycle of the battery cell. Do it as
이와 같이 본 발명에 의한 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템은 다음과 같은 효과가 있다. As such, the network-based battery cell monitoring UPS system according to the present invention has the following effects.
첫째, 배터리랙에 안착된 배터리셀 각각에 CMU(Cell Mornitoring Unit)가 구비되고, 상기 CMU에 서지로부터 보호하는 핫플러그프로텍션부가 구비됨으로써, 상기 배터리셀의 교체시 상기 배터리셀의 물리적 손상없이 손쉽게 교체하여 전력 공급을 안정적으로 유지할 수 있고,First, each battery cell placed in the battery rack is equipped with a CMU (Cell Monitoring Unit), and the CMU is equipped with a hot plug protection unit to protect against surges, so that the battery cells can be easily replaced without physical damage to the battery cells. This makes it possible to maintain a stable power supply.
둘째, 상기 CMU의 감지정보를 전달받아 배터리셀을 충방전시키는 BMS가 상기 감지정보와 위치정보를 결합하여 서버에 전달함으로써, 상기 배터리랙에 안착된 배터리셀의 위치에 따른 사용패턴을 분석하여 수명상태를 예측할 수 있으며,Second, the BMS, which receives the detection information from the CMU and charges and discharges the battery cells, combines the detection information and location information and transmits it to the server, analyzing usage patterns according to the location of the battery cells placed in the battery rack to determine the lifespan. Status can be predicted,
셋째, 상기 서버에 구비된 상태추정알고리즘에 펄스전류를 인가하여 상기 배터리셀의 방전전압(OCV)의 변위를 산출함으로써, 상기 배터리셀의 내부저항의 변화에 의한 배터리셀의 현재 수명상태를 산출할 수 있고, Third, by applying a pulse current to the state estimation algorithm provided in the server to calculate the displacement of the discharge voltage (OCV) of the battery cell, the current life state of the battery cell can be calculated by changing the internal resistance of the battery cell. can,
넷째, 배터리셀의 감지정보에서 생성된 패턴정보를 비교하기 위한 기준정보가 실제 교체주기에 따라 보정한 보정패턴으로 갱신됨으로써, 현재의 수명상태와 사용상태에 따른 배터리셀 교체주기를 산출할 수 있게 된다. Fourth, the reference information for comparing the pattern information generated from the detection information of the battery cell is updated with a correction pattern corrected according to the actual replacement cycle, so that the battery cell replacement cycle can be calculated according to the current life status and usage status. do.
도 1은 본 발명의 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템을 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 배터리랙을 나타낸 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 배터리셀을 설명한 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 배터리셀의 수명을 판단하기 위한 패턴정보를 설명하는 도면이며,
도 5는 본 발명에 따른 배터리셀의 SOH를 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram showing a network-based battery cell monitoring UPS system of the present invention,
Figure 2 is a diagram showing a battery rack according to the present invention;
Figure 3 is a diagram explaining a battery cell according to the present invention,
Figure 4 is a diagram illustrating pattern information for determining the lifespan of a battery cell according to the present invention;
Figure 5 is a diagram for explaining the SOH of a battery cell according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
본 발명에 따른 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템은, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 방전전압과 충전전압을 감지하는 CMU(11)가 결합된 착탈식 배터리셀(12)이 다수개 결합된 배터리랙(10)과; 상기 CMU(11)가 감지한 감지신호를 기초로 충방전 휴지시점에 상기 배터리셀(12) 간의 전압편차를 조정하는 셀밸런싱을 수행하는 BMS(20)와; 상기 BMS(20)로부터 상기 감지신호를 정해진 주기로 전달받아 패턴정보(P)를 생성하고, 상기 패턴정보(P)와 기준정보(M)를 비교하여 상기 배터리셀(12)의 상태정보(S)를 산출하여 상기 배터리셀(12)의 수명을 예측하는 서버(30);가 구비된다.As shown in FIGS. 1 to 5, the network-based battery cell monitoring UPS system according to the present invention includes a plurality of removable battery cells 12 combined with a CMU 11 that detects discharge voltage and charge voltage. Battery rack (10) and; a BMS (20) that performs cell balancing to adjust the voltage deviation between the battery cells (12) at charging and discharging pauses based on the detection signal detected by the CMU (11); The detection signal is received from the BMS 20 at a predetermined period to generate pattern information (P), and the pattern information (P) is compared with the reference information (M) to generate status information (S) of the battery cell 12. A server 30 that calculates and predicts the lifespan of the battery cell 12 is provided.
여기서, 상기 UPS 시스템은, 에너지지저장장치(Energy Storage System)으로 전력용, 상업용, 가정용, 통신용 친환경 전력공급장치로 사용될 수 있다.Here, the UPS system is an energy storage system and can be used as an eco-friendly power supply device for power, commercial, household, and communication purposes.
그리고, 상기 CMU(11)는 상기 배터리셀(12)을 착탈시 발생되는 서지로부터 보호하는 핫플러그프로텍션부(11a)와, 상기 배터리셀(12)의 온도를 감지하는 온도센서(11b)가 구비된다. 상기 핫플러그프로텍션부(11a)는 상기 배터리셀(12)이 이상상태인 경우 관리자가 전원공급 중에도 배터리셀(12)을 바로 교체할 수 있는 환경을 제공하게 된다.In addition, the CMU (11) is equipped with a hot plug protection unit (11a) that protects the battery cell (12) from surges generated when attaching and detaching the battery cell (12), and a temperature sensor (11b) that detects the temperature of the battery cell (12). do. The hot plug protection unit 11a provides an environment in which the manager can immediately replace the battery cell 12 even while power is being supplied when the battery cell 12 is in an abnormal state.
여기서, 상기 BMS(20)는 부하에 전원 공급시 상기 배터리셀(12)을 병렬연결하거나 직렬연결하여 전원을 공급하게 되며, 상기 서버(30)는 통신으로 상기 BMS(20)와 연결됨으로써, 상기 배터리랙(10)은 한 장소에 적층되거나, 다양한 장소에 분산되어 구비될 수 있다. Here, the BMS 20 supplies power by connecting the battery cells 12 in parallel or in series when supplying power to the load, and the server 30 is connected to the BMS 20 through communication. The battery racks 10 may be stacked in one place or distributed in various places.
또한, 상기 BMS(20)에는 상기 CMU(11)가 전송한 방전전압과 충전전압 및 배터리랙(10) 중앙부에서 감지한 온도정보를 상기 배터리셀(12)의 위치정보와 결합하여 상기 서버(30)에 전송하는 셀위치정보부(21)가 구비됨으로써, 상기 서버(30)는 배터리랙(10)의 위치와, 배터리셀(12)이 상기 배터리랙(10)에 삽입된 위치까지 판단할 수 있게 된다. In addition, the BMS (20) combines the discharge voltage and charge voltage transmitted by the CMU (11) and the temperature information detected at the center of the battery rack (10) with the location information of the battery cell (12) to the server (30). ), the server 30 can determine the location of the battery rack 10 and the location where the battery cell 12 is inserted into the battery rack 10. do.
한편, 상기 서버(30)는 상기 배터리셀(12)의 시간에 따른 방전전압의 전압편차에 따라 수명상태를 예측하여 관리자단말기에 전달하는 수명판단부(31)가 구비된다.Meanwhile, the server 30 is equipped with a lifespan determination unit 31 that predicts the lifespan status according to the voltage deviation of the discharge voltage of the battery cell 12 over time and transmits the prediction to the manager terminal.
상기 배터리셀(12)은 배터리(12a)와, 상기 배터리(12a)의 외부를 용이하게 감싸도록 상면이 정해진 폭으로 절개된 배터리보호구(12b)와, 상기 배터리보호구(12b)의 상하면 및 후면을 감싸며, 배터리단자(T)가 결합되는 한쌍의 단자공(O)이 후면에 통공된 랙가이드(12c)와, 상기 배터리(12a)와 전기적으로 연결된 CMU(11)가 안착되어 상기 랙가이드(12c)의 전면에 결합된 CMU브라켓(12d)과, 상기 CMU(11)가 감지한 충전상태를 외부에 표시하는 LED가 안착되어 상기 CMU브라켓(12d)의 전면에 결합된 LED브라켓(12e) 및 상기 LED브라켓(12e)의 전면 일측부에 결합된 손잡이브라켓(12f)이 구비된다.The battery cell 12 includes a battery 12a, a battery protector 12b whose upper surface is cut to a predetermined width to easily surround the outside of the battery 12a, and an upper, lower, and rear surface of the battery protector 12b. A rack guide (12c) that surrounds the rack guide (12c) and has a pair of terminal holes (O) through which battery terminals (T) are connected, and a CMU (11) electrically connected to the battery (12a) is seated on the rack guide (12c). ), a CMU bracket (12d) coupled to the front of the CMU (11), an LED that externally displays the charging state detected by the CMU (11), and an LED bracket (12e) coupled to the front of the CMU bracket (12d). A handle bracket (12f) is provided coupled to one front side of the LED bracket (12e).
상기 랙가이드(12c)의 상하면에는 외기에 열이 방출되도록 절개된 다수개의 열방출공(t1)이 구비되고, 상기 배터리랙(10)에는 상기 배터리셀(12)이 정해진 거리로 이격되어 안착되도록 상기 랙가이드(12c)와 접촉되는 다수개의 셀가이드(10a)가 구비된다. 상기 셀가이드(10a)와 랙가이드(12c)은 배터리셀(12)의 착탈을 용이하게 하기 위한 구성이다.The upper and lower surfaces of the rack guide (12c) are provided with a plurality of heat dissipation holes (t1) cut to release heat to the outside air, and the battery cells (12) are seated in the battery rack (10) at a predetermined distance apart. A plurality of cell guides (10a) are provided in contact with the rack guide (12c). The cell guide 10a and rack guide 12c are configured to facilitate attachment and detachment of the battery cell 12.
상기 서버(30)는, 상기 감지신호의 변화에 따른 상기 패턴정보(P)에 기초하여 상태정보(S)를 추정하는 상태추정알고리즘(A)이 구비된다.The server 30 is equipped with a state estimation algorithm (A) that estimates state information (S) based on the pattern information (P) according to changes in the detection signal.
상기 상태추정알고리즘(A)은, 상기 BMS(20)로부터 전달받은 다수개의 충전전압과 방전전압에 따라 생성된 패턴정보(P)를 산출하는 패턴산출부(32)와, 상기 배터리셀(12)의 충방전이 정지된 휴지시점에 상기 배터리셀(12)에 정해진 주기의 펄스전류를 정해진 시간동안 인가하여 상기 배터리셀(12)의 방전전압의 변위를 산출하는 변위산출부(33)가 구비된다.The state estimation algorithm (A) includes a pattern calculation unit 32 that calculates pattern information (P) generated according to a plurality of charging voltages and discharge voltages received from the BMS 20, and the battery cell 12. A displacement calculation unit 33 is provided to calculate the displacement of the discharge voltage of the battery cell 12 by applying a pulse current of a predetermined period to the battery cell 12 for a predetermined time at a rest point when charging and discharging of the battery cell 12 is stopped. .
상기 변위산출부(33)는 상기 펄스전류에 따른 방전전압을 기초로 상기 배터리셀(12)의 내부저항을 산출하게 된다. 상기 내부저항은 100밀리오옴 이상일 경우는 배터리의 성능이 저하되기 시작하는 시점이며, 200밀리오옴 이상일 경우 사용하지 못하는 기준점으로 판단하게 된다. The displacement calculation unit 33 calculates the internal resistance of the battery cell 12 based on the discharge voltage according to the pulse current. If the internal resistance is more than 100 milliohms, it is the point at which the performance of the battery begins to deteriorate, and if it is more than 200 milliohms, it is judged to be the reference point at which it cannot be used.
상기 기준정보(M)는 이상적인 상태의 배터리셀(12)에서 생성된 표준패턴(P1)에 배터리셀(12)의 방전상태로 생성된 사용패턴(P2)을 인자로 변환된 보정패턴(P1')으로 갱신된다.The reference information (M) is a correction pattern (P1' ) is updated.
상기 BMS(20)는, 상기 배터리셀(12)의 충전시 충전전압과 휴지시점의 개방전압을 사전에 설정된 임계치와 비교하여 상기 배터리셀(12)이 충방전주기를 설정한다. 여기서, 상기 임계치는 충전시 임계충전전압과, 방전시 임계개방전압이 구비되고, 감지전압과 임계전압 간의 편차가 큰 경우 충전주기를 짧게 하여 자주 충전하고, 편차가 작은 경우 상기 배터리셀(12)이 완충되도록 충전주기를 설정하게 된다. The BMS 20 sets a charge/discharge cycle for the battery cell 12 by comparing the charging voltage during charging and the open-circuit voltage at rest with a preset threshold. Here, the threshold includes a critical charge voltage when charging and a critical open voltage when discharging. If the deviation between the detection voltage and the threshold voltage is large, the charging cycle is shortened and charged frequently, and if the deviation is small, the battery cell 12 is charged. The charging cycle is set to fully charge the battery.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템의 작용을 살펴보면 아래와 같다.The operation of the network-based battery cell monitoring UPS system according to the present invention configured as described above is as follows.
본 발명에 따른 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템은, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 다수개의 착탈식 배터리셀(12)이 결합된 배터리랙(10)과, 상기 배터리셀(12)의 충방전, 공급전압 및 셀밸런싱을 제어하는 BMS(20) 및 상기 배터리셀(12)의 상태정보(S)와 교체주기를 관리하는 서버(30)가 구비됨으로써, 상기 배터리셀(12)이 수명이 다하기 전에 이를 예측하여 사전에 교체함으로써 부하에 전원을 안정적으로 공급할 수 있게 된다.As shown in FIGS. 1 to 5, the network-based battery cell monitoring UPS system according to the present invention includes a battery rack 10 in which a plurality of removable battery cells 12 are combined, and charging of the battery cells 12. By providing a BMS (20) that controls discharge, supply voltage, and cell balancing, and a server (30) that manages the status information (S) and replacement cycle of the battery cells (12), the lifespan of the battery cells (12) is shortened. By predicting this before it runs out and replacing it in advance, it is possible to stably supply power to the load.
여기서, 상기 배털리셀(12)에 결합된 CMU(11)는 충전전압, 방전전압 및 온도를 감지한 감지신호를 정해진 주기에 따라 상기 BMS(20)에 전달할 뿐 아니라 배털리셀(12)의 착탈시 발생되는 서지로 부터 보호하기 위한 핫플러그프로텍션부(11a)와 온도를 감지하는 온도센서(11b)가 구비된다.Here, the CMU (11) coupled to the battery cell (12) not only transmits a detection signal that detects the charge voltage, discharge voltage, and temperature to the BMS (20) according to a set cycle, but also transmits the detection signal of the battery cell (12) to the battery cell (12). A hot plug protection unit (11a) to protect against surges generated during attachment and detachment and a temperature sensor (11b) to detect temperature are provided.
그리고, 상기 BMS(20)는 배터리셀(12)의 충방전상태에 따라 셀밸런싱하여 충전하며, 휴지시점을 결정하게 되고, 셀위치정보부(21)를 통해 방전전압과 충전전압 및 온도정보를 서버(30)에 전송하게 된다.In addition, the BMS 20 performs cell balancing and charging according to the charge/discharge status of the battery cell 12, determines the rest point, and sends discharge voltage, charge voltage, and temperature information to the server through the cell location information unit 21. It will be transmitted at (30).
상기 서버(30)는 정해진 주기에 따라 상기 셀위치정보부(21)에서 전달된 감지정보와 위치정보를 기초로 충방전 전압에 따른 배터리셀(12)의 패턴정보(P)를 생성하게 된다. The server 30 generates pattern information (P) of the battery cell 12 according to the charge/discharge voltage based on the sensing information and location information transmitted from the cell location information unit 21 at a predetermined period.
여기서, 상기 패턴정보(P)는 CMU(11)가 감지한 전압을 시간에 따라 도식화한 그래프 정보이며, 이를 기준정보(M)와 비교하여 상기 배터리셀(12)의 수명을 예측하게 된다.Here, the pattern information (P) is graph information that schematizes the voltage detected by the CMU (11) over time, and is compared with the reference information (M) to predict the lifespan of the battery cell (12).
즉, 상기 배터리셀(12)은 전원을 공급한 횟수나 주기 또는 사용패턴에 따라 내부저항이 변화하게 되며, 변화된 내부저항은 방전전압(OCV)을 낮게 형성시키며 상기 배터리셀(12)의 성능을 떨어뜨리게 된다. 이를 이용하여 상기 서버(30)는 패턴정보(P)와 기준정보(M)의 방전전압 편차에 따른 상태정보(S)를 산출하여 향후의 SOH(State Of Health)를 예측하게 된다. In other words, the internal resistance of the battery cell 12 changes depending on the number of times, cycle, or usage pattern of power supply, and the changed internal resistance forms a low discharge voltage (OCV) and improves the performance of the battery cell 12. It gets dropped. Using this, the server 30 calculates state information (S) according to the discharge voltage deviation between pattern information (P) and reference information (M) to predict future SOH (State Of Health).
한편, 상기 서버(30)의 상태추정알고리즘(A)은 패턴산출부(32)가 패턴정보(P)를 산출하고, 변위산출부(33)가 방전전압의 변위와 내부저항을 산출함으로써, 배터리셀(12)의 현재 SOH를 추정하게 되고, 수명판단부(31)가 상기 배터리셀(12)의 시간에 따른 방전전압의 전압편차에 따라 수명상태를 예측하여 향후의 예측SOH를 상기 관리자단말기에 전달하게 된다. Meanwhile, the state estimation algorithm (A) of the server 30 has the pattern calculation unit 32 calculate the pattern information (P) and the displacement calculation unit 33 calculates the displacement of the discharge voltage and the internal resistance, so that the battery The current SOH of the cell 12 is estimated, and the life judgment unit 31 predicts the life status according to the voltage deviation of the discharge voltage of the battery cell 12 over time and sends the future predicted SOH to the manager terminal. It will be delivered.
상기 서버(30)의 수명판단부(31)가 비교 기초로 사용하는 기준정보(M)는 이상적인 상태의 배터리셀(12)에서 생성된 표준패턴(P1)에 배터리셀(12)의 방전상태로 생성된 사용패턴(P2)을 인자로 변환된 보정패턴(P1')으로 갱신된다. 여기서, 상기 사용패턴(P2)은 충방전주기 및 사용횟수에 따른 가중치로 상기 표준패턴(P1)을 보정패턴(P1')으로 변환하게 된다. The reference information (M) used as a basis for comparison by the life judgment unit 31 of the server 30 is the discharged state of the battery cell 12 in the standard pattern P1 generated from the battery cell 12 in an ideal state. The generated usage pattern (P2) is updated with the correction pattern (P1') converted into a factor. Here, the usage pattern (P2) converts the standard pattern (P1) into a correction pattern (P1') with a weight according to the charge/discharge cycle and number of uses.
이와 같이 본 발명에 따른 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템은As such, the network-based battery cell monitoring UPS system according to the present invention is
현재 SOH와, 사용패턴(P2)에 따라 변환된 기준정보(M)를 활용하여 향후 배터리셀(12)의 예측SOH를 산출하여 관리함으로써, 이벤트 발생전에 배터리셀(12)을 신속하게 교체하여 부하전원을 안정적으로 공급할 수 있게 된다.By calculating and managing the predicted SOH of the future battery cell 12 using the current SOH and the reference information (M) converted according to the usage pattern (P2), the battery cell 12 can be quickly replaced before an event occurs to load the battery cell 12. Power can be supplied stably.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and various modifications can be made by anyone skilled in the art without departing from the gist of the invention as claimed in the claims. Of course, such changes are within the scope of the claims.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 배터리랙 10a : 셀가이드
11 : CMU 11a : 핫플러그프로텍션부
11b : 온도센서 12 : 배터리셀
12a : 배터리 12b : 배터리보호구
12c : 랙가이드 12d : CMU브라켓
12e : LED브라켓 12f : 손잡이브라켓
20 : BMS 21 : 셀위치정보부
30 : 서버 31 : 수명판단부
32 : 패턴산출부 33 : 변위산출부
A : 상태추정알고리즘 P : 패턴정보
M : 기준정보 P1 : 표준패턴
P2 : 사용패턴 P1' : 보정패턴
O : 단자공 S : 상태정보
T : 배터리단자 t1 : 열방출공<Explanation of symbols for main parts of the drawing>
10: Battery rack 10a: Cell guide
11: CMU 11a: Hot plug protection unit
11b: Temperature sensor 12: Battery cell
12a: Battery 12b: Battery protector
12c: Rack guide 12d: CMU bracket
12e: LED bracket 12f: Handle bracket
20: BMS 21: Cell location information unit
30: Server 31: Life judgment unit
32: pattern calculation unit 33: displacement calculation unit
A: State estimation algorithm P: Pattern information
M: Standard information P1: Standard pattern
P2: Usage pattern P1': Correction pattern
O: Terminal hole S: Status information
T: Battery terminal t1: Heat dissipation hole
Claims (7)
상기 CMU(11)가 감지한 감지신호를 기초로 충방전 휴지시점에 상기 배터리셀(12) 간의 전압편차를 조정하는 셀밸런싱을 수행하는 BMS(20)와;
상기 BMS(20)로부터 상기 감지신호를 정해진 주기로 전달받아 패턴정보(P)를 생성하고, 상기 패턴정보(P)와 기준정보(M)를 비교하여 상기 배터리셀(12)의 상태정보(S)를 산출하여 상기 배터리셀(12)의 수명을 예측하는 서버(30);가 구비되고,
상기 CMU(11)에는 상기 배터리셀(12)의 착탈시 발생되는 서지로부터 보호하는 핫플러그프로텍션부(11a)와, 상기 배터리셀(12)의 온도를 감지하는 온도센서(11b)가 구비되며,
상기 패턴정보(P)는 상기 착탈식 배터리셀(12)의 방전전압과 충전전압을 시간에 따라 그래프로 표현된 정보이고, 상기 기준정보(M)은 이상상태의 배터리셀(12)의 방전전압과 충전전압을 시간에 따라 그래프로 표현된 정보이며,
상기 배터리셀(12)은
배터리(12a)와, 상기 배터리(12a)의 외부를 용이하게 감싸도록 상면이 정해진 폭으로 절개된 배터리보호구(12b)와, 상기 배터리보호구(12b)의 상하면 및 후면을 감싸며, 배터리단자(T)가 결합되는 한쌍의 단자공(O)이 후면에 통공된 랙가이드(12c)와, 상기 배터리(12a)와 전기적으로 연결된 CMU(11)가 안착되어 상기 랙가이드(12c)의 전면에 결합된 CMU브라켓(12d)과, 상기 CMU(11)가 감지한 충전상태를 외부에 표시하는 LED가 안착되어 상기 CMU브라켓(12d)의 전면에 결합된 LED브라켓(12e) 및 상기 LED브라켓(12e)의 전면 일측부에 결합된 손잡이브라켓(12f)이 구비된 것을 특징으로 하는 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템.A battery rack (10) in which removable battery cells (12) are combined with a plurality of CMUs (11, Cell Monitoring Units) that detect the discharge voltage and charge voltage of the removable battery cells (12);
a BMS (20) that performs cell balancing to adjust the voltage deviation between the battery cells (12) at charging and discharging pauses based on the detection signal detected by the CMU (11);
The detection signal is received from the BMS 20 at a predetermined period to generate pattern information (P), and the pattern information (P) is compared with the reference information (M) to generate status information (S) of the battery cell 12. A server 30 that calculates and predicts the lifespan of the battery cell 12 is provided,
The CMU (11) is equipped with a hot plug protection unit (11a) that protects from surges generated when attaching and detaching the battery cell (12) and a temperature sensor (11b) that detects the temperature of the battery cell (12),
The pattern information (P) is information that graphically represents the discharge voltage and charge voltage of the removable battery cell 12 over time, and the reference information (M) is the discharge voltage and charge voltage of the battery cell 12 in an abnormal state. Information on the charging voltage expressed graphically over time.
The battery cell 12 is
A battery 12a, a battery protector 12b whose upper surface is cut to a predetermined width to easily surround the outside of the battery 12a, and a battery terminal T, which surrounds the upper and lower surfaces and the rear of the battery protector 12b. A rack guide (12c) with a pair of terminal holes (O) connected to the rear, and a CMU (11) electrically connected to the battery (12a) are seated and coupled to the front of the rack guide (12c). A bracket (12d) and an LED that externally displays the charging state detected by the CMU (11) are mounted and an LED bracket (12e) is coupled to the front of the CMU bracket (12d) and the front of the LED bracket (12e) A network-based battery cell monitoring UPS system characterized by a handle bracket (12f) coupled to one side.
상기 BMS(20)는
상기 CMU(11)가 전송한 방전전압과 충전전압 및 배터리랙(10) 중앙부에서 감지한 온도정보를 상기 배터리셀(12)의 위치정보와 결합하여 상기 서버(30)에 전송하는 셀위치정보부(21)가 구비되고,
상기 서버(30)는
상기 배터리셀(12)의 시간에 따른 방전전압의 전압편차에 따라 수명상태를 예측하여 관리자단말기에 전달하는 수명판단부(31)가 구비된 것을 특징으로 하는 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템.According to paragraph 1,
The BMS 20 is
A cell location information unit that combines the discharge voltage and charge voltage transmitted by the CMU 11 and the temperature information detected at the center of the battery rack 10 with the location information of the battery cell 12 and transmits it to the server 30 ( 21) is provided,
The server 30 is
A network-based battery cell monitoring UPS system, characterized in that it is equipped with a lifespan judgment unit 31 that predicts the lifespan status according to the voltage deviation of the discharge voltage of the battery cell 12 over time and transmits the prediction to the manager terminal.
상기 랙가이드(12c)의 상하면에는 외기에 열이 방출되도록 절개된 다수개의 열방출공(t1)이 구비되고,
상기 배터리랙(10)에는 상기 배터리셀(12)이 정해진 거리로 이격되어 안착되도록 상기 랙가이드(12c)와 접촉되는 다수개의 셀가이드(10a)가 구비된 것을 특징으로 하는 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템.According to paragraph 1,
The upper and lower surfaces of the rack guide (12c) are provided with a plurality of heat dissipation holes (t1) cut to dissipate heat to the outside air,
The battery rack (10) is a network-based battery cell monitoring UPS, characterized in that the battery cell (12) is provided with a plurality of cell guides (10a) in contact with the rack guide (12c) so that the battery cells (12) are seated at a predetermined distance apart. system.
상기 서버(30)는,
상기 감지신호의 변화에 따른 상기 패턴정보(P)에 기초하여 상태정보(S)를 추정하는 상태추정알고리즘(A)이 구비되고,
상기 상태추정알고리즘(A)은,
상기 BMS(20)로부터 전달받은 다수개의 충전전압과 방전전압에 따라 생성된 패턴정보(P)를 산출하는 패턴산출부(32)와, 상기 배터리셀(12)의 충방전이 정지된 휴지시점에 상기 배터리셀(12)에 정해진 주기의 펄스전류를 정해진 시간동안 인가하여 상기 배터리셀(12)의 방전전압의 변위를 산출하는 변위산출부(33)가 구비된 것을 특징으로 하는 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템.According to paragraph 1,
The server 30,
A state estimation algorithm (A) is provided to estimate state information (S) based on the pattern information (P) according to changes in the detection signal,
The state estimation algorithm (A) is,
A pattern calculation unit 32 that calculates pattern information (P) generated according to a plurality of charging and discharging voltages received from the BMS 20, and a resting point when charging and discharging of the battery cell 12 is stopped. Network-based battery cell monitoring, characterized in that it is provided with a displacement calculation unit 33 that calculates the displacement of the discharge voltage of the battery cell 12 by applying a pulse current of a predetermined period to the battery cell 12 for a predetermined time. UPS system.
상기 기준정보(M)는
이상적인 상태의 배터리셀(12)에서 생성된 표준패턴(P1)에 배터리셀(12)의 방전상태로 생성된 사용패턴(P2)을 인자로 변환된 보정패턴(P1')으로 갱신되는 것을 특징으로 하는 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템.According to clause 5,
The above reference information (M) is
The standard pattern (P1) generated from the battery cell 12 in an ideal state is updated with the correction pattern (P1') converted into a factor of the usage pattern (P2) generated in the discharged state of the battery cell 12. A network-based battery cell monitoring UPS system.
상기 BMS(20)는,
상기 배터리셀(12)의 충전시 충전전압을 사전에 설정된 임계충전전압과 비교하고, 휴지시점의 개방전압을 사전에 설정된 임계개방전압과 비교하여 상기 배터리셀(12)의 충방전주기를 설정하는 것을 특징으로 하는 네트워크 기반 배터리셀 모니터링 UPS 시스템.According to paragraph 1,
The BMS 20,
Comparing the charging voltage when charging the battery cell 12 with a preset threshold charging voltage, and comparing the open-circuit voltage at rest with the preset critical open-circuit voltage to set the charge/discharge cycle of the battery cell 12. A network-based battery cell monitoring UPS system characterized in that.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230019765A KR102585741B1 (en) | 2023-02-15 | 2023-02-15 | Network-based battery cell monitoring UPS system |
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| KR102585741B1 true KR102585741B1 (en) | 2023-10-06 |
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|---|---|
| KR (1) | KR102585741B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117970126A (en) * | 2024-03-28 | 2024-05-03 | 广东好易点科技有限公司 | Battery safety early warning system based on data analysis |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20060059682A (en) * | 2004-11-29 | 2006-06-02 | 삼성에스디아이 주식회사 | Battery monitoring device and its method |
| KR20210117337A (en) * | 2019-02-24 | 2021-09-28 | 갈룰리 엘티디 | Integrated battery monitoring circuit |
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2023
- 2023-02-15 KR KR1020230019765A patent/KR102585741B1/en active IP Right Grant
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