KR20230120853A - 배터리 셀 균등화 과정 분석을 통한 셀간 불균형도 추정 방법 및 이를 이용한 에너지관리시스템 - Google Patents

배터리 셀 균등화 과정 분석을 통한 셀간 불균형도 추정 방법 및 이를 이용한 에너지관리시스템 Download PDF

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배국열
강모세
윤기환
박화평
채수용
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 복수의 배터리 셀의 충전상태를 측정하여 모니터링하는 에너지관리시스템(EMS)에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀의 편차를 감소시키는 셀균등화를 수행하는 셀균등화 제어회로; 셀균등화 이후에 상기 복수의 배터리 셀의 전압 불균형이 발생하는 전압편차 재발생시간을 측정하는 전압편차 재발생시간 측정회로; 및 상기 전압편차 재발생시간과 기 설정된 기준시간을 비교하여 에너지관리시스템(EMS)의 이상 동작을 판단하고, 알람을 발생시키는 알람발생회로를 포함하는, 에너지관리시스템을 제공할 수 있다.

Description

배터리 셀 균등화 과정 분석을 통한 셀간 불균형도 추정 방법 및 이를 이용한 에너지관리시스템{Method of estimation the unbalance between battery cells through analysis of the cells equalization process and The Energy Management System using the same.}
본 실시예는 배터리 셀 균등화 과정 분석을 통한 셀간 불균형도 추정 방법 및 이를 이용한 에너지관리시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 배터리 셀간 전압편차 재발생시간을 측정하여 셀간 불균형도의 변화를 추정하고, 셀 균등화 소요시간 및 손실전력을 분석하여 셀간 불균형도를 추정하는 방법에 관한 것이다.
배터리 모듈 내 배터리 셀 사이의 전압, 충전상태(SOC: State of Charge), 건강상태(SOH: State of Health) 등의 지표들 간의 편차가 커질수록 성능 저감이 발생하게 된다.
단일 배터리 셀의 출력상태(SOP: State of Power), 기능적 작동상태(SOF: State of Function)와 같은 파라미터의 측정이 비교적 용이하나, 복수 개의 배터리 셀로 구성된 배터리 모듈에서는 각 배터리 셀의 상태가 복합적으로 작용하므로 특정한 값으로 점수화-예를 들어, 0 내지 1- 하거나 경년 변화에 따른 셀간 불균형도의 변화율이나 추이의 도출이 어렵게 된다.
따라서, 배터리 셀 균등화(Cell Equalization) 기술을 이용하여 다양한 방법으로 셀간 불균형과 지표들의 편차를 줄이는 기술들이 등장하고 있다. 배터리 셀 사이의 에너지 전달 기술이 복잡하므로, 현실적으로는 방열 균등화(Dissipative Equalization)를 용이하게 적용할 수 있다.
셀 균등화 과정에서 추가적인 정보를 얻을 수 있다면 시간이나 에너지 손실로 인한 비효율 개선을 도모할 수 있게 된다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 일 측면에서, 배터리 셀 균등화 수행 기준인 셀간 전압편차(ΔV) 재발생시간 측정을 통한 배터리 모듈 내 배터리 셀 간 불균형도의 변화 추정하는 방법 및 이를 이용한 에너지관리시스템을 제공하는 것이다. 위 방법을 적용하여 배터리 셀간 불균형도 및 SOF 저하 판정을 위한 에너지저장장치(ESS: Energy Storage System)의 전원관리시스템(PMS: Power Management System) 또는 에너지관리시스템(EMS: Energy Management System)의 알람 지표로 활용할 수 있다.
또한, 본 실시예의 목적은, 배터리 셀 균등화 과정에서 손실전력과 소요시간 분석으로 배터리 모듈 내 배터리 셀 간 불균형을 추정하는 방법을 제공하는 것이다. 위 방법을 적용하여, 배터리 셀의 내부저항 추정에 활용할 수 있고, 배터리 셀간 불균형 변화를 도출할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 제1 실시예는, 복수의 배터리 셀의 충전상태를 측정하여 모니터링하는 에너지관리시스템(EMS)에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀의 편차를 감소시키는 셀균등화를 수행하는 셀균등화 제어회로; 셀균등화 이후에 상기 복수의 배터리 셀의 전압 불균형이 발생하는 전압편차 재발생시간을 측정하는 전압편차 재발생시간 측정회로; 및 상기 전압편차 재발생시간과 기 설정된 기준시간을 비교하여 에너지관리시스템(EMS)의 이상 동작을 판단하고, 알람을 발생시키는 알람발생회로를 포함하는, 에너지관리시스템을 제공할 수 있다.
에너지관리시스템에서 상기 셀균등화 제어회로는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀의 동일한 SOC(State of Charge) 구간의 전압을 균등화할 수 있다.
에너지관리시스템에서 상기 전압편차 재발생시간 측정회로는, 동일한 SOC 구간의 전압을 균등화한 시점을 기준으로 전압편차가 발생하는 전압편차 재발생시간을 측정할 수 있다.
에너지관리시스템에서 상기 전압편차 재발생시간 측정회로는 제1 그룹의 배터리 셀의 평균전압과 제2 그룹의 배터리 셀의 평균전압을 비교하여 전압편차를 계산할 수 있다.
에너지관리시스템에서 상기 알람발생회로는 상기 전압편차 재발생시간이 상기 기 설정된 기준시간을 초과하는 경우에 경고 또는 교체 신호를 발생시킬 수 있다.
에너지관리시스템에서 상기 서로 다른 시점의 전압편차 재발생 주기를 반복적으로 획득하고, 상기 전압편차 재발생 주기가 감소하는 경우에 복수의 배터리 셀이 불균등 상태에 있는 것으로 판단하는 셀 불균등 판정회로를 더 포함할 수 있다.
에너지관리시스템에서 상기 셀균등화 제어회로의 동작 전의 제1 시점을 기준으로, 상기 셀균등화 제어회로의 셀 균등화 동작 완료시점인 제2 시점까지의 셀균등화 소요시간을 측정하는 셀균등화 소요시간 분석회로를 더 포함할 수 있다.
에너지관리시스템에서 상기 셀균등화 소요시간 분석회로는, 서로 다른 시점에 동일한 크기의 전류를 제공하고, 상기 셀균등화 소요시간을 비교하여 배터리 셀의 내부저항을 측정할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 제2 실시예는, 복수의 배터리 셀의 충전상태를 측정하여 모니터링하는 에너지관리시스템(EMS)의 셀간 불균형도 추정 방법에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀의 전압편차를 발견하고, 상기 전압편차 감소시키는 셀균등화를 수행하는 단계; 상기 셀균등화가 완료된 시점으로부터 배터리 셀의 전압편차가 재발생하는 전압편차 재발생시간을 측정하는 단계; 및 상기 전압편차 재발생시간과 기 설정된 기준시간을 비교하여 상기 에너지관리시스템의 이상 동작을 판단하고, 알람을 발생시키는 단계를 포함하는, 방법을 제공할 수 있다.
에너지관리시스템(EMS)의 셀간 불균형도 추정 방법에 있어서 상기 셀균등화 수행 단계는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀의 동일한 SOC(State of Charge) 구간의 전압을 균등화할 수 있다.
에너지관리시스템(EMS)의 셀간 불균형도 추정 방법에 있어서 상기 전압편차 재발생시간 측정 단계는 제1 그룹의 배터리 셀의 평균전압과 제2 그룹의 배터리 셀의 평균전압을 비교하여 전압편차를 계산할 수 있다.
에너지관리시스템(EMS)의 셀간 불균형도 추정 방법에 있어서 상기 알람 발생 단계는 상기 전압편차 재발생시간이 상기 기 설정된 기준시간을 초과하는 경우에 경고 또는 교체 신호를 발생시킬 수 있다.
에너지관리시스템(EMS)의 셀간 불균형도 추정 방법에 있어서 상기 서로 다른 시점의 전압편차 재발생 주기를 반복적으로 획득하고, 상기 전압편차 재발생 주기가 감소하는 경우에 복수의 배터리 셀이 불균등 상태에 있는 것으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
에너지관리시스템(EMS)의 셀간 불균형도 추정 방법에 있어서 상기 셀균등화 제어회로의 동작 전의 제1 시점을 기준으로, 상기 셀균등화 제어회로의 셀 균등화 동작 완료시점인 제2 시점까지의 셀균등화 소요시간을 측정하는 셀균등화 소요시간 측정 단계를 더 포함할 수 있다.
에너지관리시스템(EMS)의 셀간 불균형도 추정 방법에 있어서 상기 셀균등화 소요시간 측정 이후에, 서로 다른 시점에 동일한 크기의 전류를 제공하고, 상기 셀균등화 소요시간을 비교하여 배터리 셀의 내부저항을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 배터리 셀 균등화 과정에서 추가적인 정보를 얻을 수 있고, 시간이나 에너지 손실로 인한 비효율 개선을 도모할 수 있게 된다
본 실시예에 의하면, 배터리 셀 균등화 수행 기준인 셀간 전압편차(ΔV) 재발생시간 측정을 통한 배터리 모듈 내 배터리 셀 간 불균형도의 변화 추정하는 방법 및 이를 이용한 에너지관리시스템을 제공함으로써, 배터리 셀간 불균형도 및 SOF 저하 판정을 정확하게 할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 배터리 셀 균등화 과정에서 손실전력과 소요시간 분석으로 배터리 모듈 내 배터리 셀 간 불균형을 추정하는 방법을 제공함으로써, 배터리 셀의 내부저항 및 배터리 셀간 불균형 변화를 정확하게 추정할 수 있다.
도 1은 배터리 셀간의 불균형을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 에너지저장시스템을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 배터리 셀간의 균등화 과정을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 셀간 전압편차 재발생시간을 측정하여 셀간 불균등상태를 판단하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 셀간 전압편차 재발생시간 측정 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 알람 발생 프로세스를 설명하는 도면이다.
도 7은 전압 균등화 소요시간 측정에 기초하여 내부저항 변화를 계산하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 8은 본 실시예에 따른 셀 균등화 소요시간 측정 방법을 설명하는 제1 예시 도면이다.
도 9는 본 실시예에 따른 셀 균등화 소요시간 측정 방법을 설명하는 제2 예시 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, a, b 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 배터리 셀간의 불균형을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리(10, 20) 사이의 불균형을 비교하여 확인할 수 있다.
셀 단위의 배터리는 에너지 측면에서, 배터리의 가용성(SOF: Sate of Function)은 배터리에 남아 있는 가용 에너지와 배터리에 저장할 수 있는 최대 에너지의 비율로 정의될 수 있다. 특히, 전기자동차(EV)에 사용되는 배터리는 남은 전기 주행 거리가 중요하게 된다. 하지만, 배터리의 가용성(SOF)는 장기간(Long-term) 지표로 해당 지표를 반영하여 짧은 제어/운영 주기(예를 들어, 최대 1 Cycle)를 위한 참고값으로 활용하기는 어렵게 된다.
또한, 셀 단위의 배터리는 전력 측면에서, 배터리의 가용성(SOF)는 (현재 전력 - 요구 전력)를 (최대 전력 - 요구 전력)으로 나눈 값으로 정의될 수 있다. 특정 전원 공급이 필요한 시스템에 사용되는 배터리에서 배터리의 가용성(SOF)는 배터리가 전력 수요를 충족하는 방법을 설명하게 된다.
특히, 충전상태(SOC), 건강상태(SOH)를 예측하는 것은 특정 셀에 적용하기는 용이하나, 배터리 모듈 내에 2개 이상의 배터리 셀이 직렬(Serial)로 연결된 모듈에서는 적용이 어렵게 된다.
배터리 셀은 온도, 충방전속도(C-rate) 등 다른 요인들에도 많은 영향을 받으므로, 충전상태(SOC), 건강상태(SOH)에 따른 배터리 가용성(SOF) 값을 산출하는 객관적인 기준이 모호하게 된다.
배터리 모듈 단위에서 배터리 모듈 내에 직렬로 연결된 각 셀의 전압, 충전상태(SOC), 건강상태(SOH), 내부저항 등의 최소값이 제약되어 결정된다.
예를 들어, 배터리 모듈의 용량은 배터리의 용량(C) 및 충전상태(SOC)의 상관관계로 (식 1)과 같이 정의될 수 있다.
(식 1)
배터리 모듈의 잔여 이용 용량은 (식 2)와 같이 정의될 수 있다.
(식 2)
배터리 모듈의 충전상태(SOC)는 (식 3)과 같이 정의될 수 있다.
(식 3)
배터리 모듈을 구성하는 각 셀들의 전압, 충전상태(SOC), 건강상태(SOH) 지표들의 불균형(편차) 정도가 작을수록 셀 간 불균형(편차)로 인한 배터리 모듈의 가용성/이용율 저하가 개선될 수 있다.
도 1과 같이, 제1 배터리 셀(10)의 용량은 사용된 용량(C11), 이용 가능한 용량(C12), 폐 용량(Waste Capacity)(C13)으로 구성될 수 있고, 제2 배터리 셀(20)의 용량은 사용된 용량(C21), 이용 가능한 용량(C22), 폐 용량(Waste Capacity)(C23)으로 구성될 수 있다
배터리 모듈을 구성하는 각 셀의 특정 지표-예를 들어, 전압, 충전상태(SOC), 건강상태(SOH), 내부저항-에 편차 발생하게 되면, 각 배터리 셀의 불균형을 해결하기 위한 배터리 셀 균등화(Cell Equlaization) 절차가 수반되어야 한다. 하나 이상의 배터리 셀의 지표의 편차가 특정값 보다 크거나 작을 경우, 오버차지(Overcharge) 또는 오버디스차지(Overdischarge)를 막기 위한 배터리 셀 균등화 절차가 필수적으로 요구된다. 배터리 셀의 지표에 따라, 충전상태(SOC) 균등화, 건강상태(SOH) 균등화, 잔여용량(Remaining Capacity) 균등화 등의 셀 균등화가 수행될 수 있다.
또한, 비-방열 균등화(Non-dissipative Equalization)는 에너지가 효율적이나, 커패시터와 스위치가 결합되거나, 분산된 DC/DC 컨버터 모듈(scattered DC/DC converter module), 동축 멀티-와인딩 트랜스포머(coaxial multi-winding transformer), 전류 변환기(current redirector), 독립 차징(independent charging) 등으로 특정 셀에서 다른 셀로 에너지를 전송해야 하므로, 복잡하고, 실제 사용이 어렵게 된다.
방열 균등화(Dissipative Equalization)는 비-방열 균등화 방법보다 구현이 용이하나, 일부 에너지 손실이 발생하고 낮은 전류(Current)로 수행되어야 하므로 균등화 소요시간이 증가하게 된다. 이 경우 균등화 과정에서 추가적인 정보-예를 들어, 셀간 전압편차 재발생시간, 셀 균등화 과정에서 손실전력 또는 소요시간-를 얻을 수 있다면 시간이나 에너지 손실로 인한 비효율을 개선할 수 있게 된다.
도 2는 본 실시예에 따른 에너지저장시스템을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 에너지저장시스템(100)은 배터리(110), 센서(120), 에너지관리시스템(130) 등을 포함할 수 있다.
배터리(110)는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-메탈수소 전지, 니튬-이온 전지, 전고체 전지, 납축 전지 등의 다양한 종류의 2차 전지가 사용될 수 있다.
센서(120)는 배터리(110) 모듈의 전체의 온도, 전압, 전류 등의 상태를 측정하거나, 배터리(100) 모듈의 각 셀의 온도, 전압, 전류 등의 상태를 측정하고, 이와 관련된 충전상태 정보를 에너지관리시스템(130)로 송수신할 수 있다.
에너지관리시스템(130) 셀균등화 제어회로(131), 파마리터 계산회로(132), 전압편차 재발생시간 측정회로(133), 알람발생회로(134), 셀균등화 소요시간 분석회로(135), 셀 불균등 판정회로(136) 등을 포함할 수 있다고, 복수의 베터리 셀의 충전상태를 측정하여 모디터링할 수 있다.
셀균등화 제어회로(131)는 복수의 배터리 셀의 편차를 감소시키는 셀 균등화를 수행할 수 있다.
셀균등화 제어회로(131)는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀의 동일한 SOC(State of Charge) 구간의 전압을 균등화할 수 있다.
파마리터 계산회로(132)는 센서(120)의 측정값 또는 메모리(미도시)에 저장된 정보에 기초하여, 동일한 배터리 모듈에서 서로 다른 사용시점에 따른 파라미터를 계산할 수 있다.
전압편차 재발생시간 측정회로(133)는 셀균등화 이후에 복수의 배터리 셀의 전압 불균형이 발생하는 전압편차 재발생시간을 측정할 수 있다.
전압편차 재발생시간 측정회로(133)는 동일한 SOC 구간-예를 들어, 90%의 SOC-의 전압을 균등화한 시점을 기준으로 전압편차가 발생하는 시점까지의 전압편차 재발생시간을 측정할 수 있다.
전압편차 재발생시간 측정회로(133)는 제1 그룹-예를 들어, 제1 배터리셀 내지 제5 배터리 셀-의 배터리 셀의 평균전압과 제2 그룹-예를 들어, 제6 배터리 셀-의 배터리 셀의 평균전압을 비교하여 전압편차를 계산할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
알람발생회로(134)는 전압편차 재발생시간이 상기 기 설정된 기준시간을 초과하는 경우에 경고 또는 교체 신호를 발생시킬 수 있다. 또한, 알람발생회로(134)는 전압편차의 변화량(ΔV)이 기 설정된 기준변화량(V_REF)보다 큰 경우에 경고 또는 교체 신호를 발생시킬 수 있다.
셀 불균등 판정회로(136)는 서로 다른 시점-예를 들어, 10번째 싸이클과 100번째 사이클-의 전압편차 재발생 주기를 반복적으로 획득하고, 전압편차 재발생 주기가 감소하는 경우에 복수의 배터리 셀이 불균등 상태에 있는 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 제1 시점에서는 전압편차 재발생 경과시간이 50 사이클 서비스 또는 1000km 주행시간이고, 제2 시점에서는 전압편차 재발생 경과시간이 25 사이클 서비스 또는 500km 주행시간으로 측정될 수 있다. 이 경우 제1 시점과 제2 시점의 전압편차 재발생 경과시간을 비교하여 배터리 셀 간의 불균형도, 모듈 열화도, 가용성(SOF) 저하를 판정할 수 있다.
예를 들어, 제1 내지 제5 배터리 셀의 평균 전압이 3.472V이고, 제6 배터리 셀의 전압이 3.399V인 경우 제1 배터리 그룹의 전압을 3.472V로 설정하고, 제2 배터리 그룹의 전압을 3.399V로 설정하여 전압편차를 0.073V로 계산할 수 있다. 이 때, 기준이 되는 기준전압편차가 0.07V인 경우에는, 배터리 셀의 불균형이 발생한 것으로 판단할 수 있다.
셀균등화 소요시간 분석회로(135)는 셀균등화 제어회로의 동작 전의 제1 시점을 기준으로, 상기 셀균등화 제어회로의 셀 균등화 동작 완료시점인 제2 시점까지의 셀균등화 소요시간을 측정할 수 있다.
셀균등화 소요시간 분석회로(135)는 서로 다른 시점-예를 들어, 50번째 사이클 시점 및 500번째 사이클 시점-에 동일한 크기의 전류를 제공하고, 셀균등화 소요시간-예를 들어, 6시간 또는 12시간-을 비교하여 배터리 셀의 내부저항을 측정할 수 있다. 내부저항을 측정하기 위해서는 배터리의 건강상태(SOH)와 내부저항의 상관관계를 이용할 수 있다.
예를 들어, 배터리의 건강상태(SOH)는 아래의 (식 4)와 같이 정의될 수 있다.
(식 4)
셀균등화 소요시간 분석회로(135)는 동일한 배터리 모듈에서, 동일한 충전상태-예를 들어, SOC 90%-에 대해, 서로 다른 사용 시점-예를 들어, 50번째 사이클 시점 및 500번째 사이클 시점-에서 셀간 전압편차(ΔV)에 대해서 동일한 전류를 흘려서 전압 균등화가 되는 소요시간을 비교할 수 있다.
예를 들어, 제1 내지 제5 배터리 셀의 평균 전압이 3.472V이고, 제6 배터리 셀의 전압이 3.399V인 경우 제1 배터리 그룹의 전압을 3.472V로 설정하고, 제2 배터리 그룹의 전압을 3.399V로 설정하여 전압편차를 0.073V로 계산할 수 있다. 이 때, 전류는 0.55A를 제공할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 내지 제5 배터리 셀의 제1 시점에 대해서 전압 균등화 소요시간이 6시간으로 측정되고, 제2 시점에 대해서 전압균등화 소요시간이 12시간으로 측정될 수 있다. 이 경우, 제1 내지 제5 배터리 셀의 전압 균등화 소요시간에 기초하여 제1 내지 제5 배터리 셀의 내부저항을 측정할 수 있다.
도 3은 본 실시예에 따른 배터리 셀간의 균등화 과정을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 배터리(110)는 복수의 배터리셀(111-1, 111-2, 111-3, 111-4, 111-5, 111-6)의 불균형 상태를 해소하기 위하여 스위치(112-1, 112-2, 112-3, 112-4, 112-5, 112-6) 및 저항(113)를 활용하여 방열 균등화(Dissipative Equalization)을 수행할 수 있으나, 배터리(110)의 형태 및 구조는 이에 제한되지 않는다.
에너지관리시스템(130)는 도 2에서 전술한 회로들의 동작 및 제어신호에 기초하여, 스위치(112-1, 112-2, 112-3, 112-4, 112-5, 112-6)의 전부 또는 일부를 개방 또는 단락할 수 있고, 복수의 배터리셀(111-1, 111-2, 111-3, 111-4, 111-5, 111-6)의 불균형 상태를 해소할 수 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 셀간 전압편차 재발생시간을 측정하여 셀간 불균등상태를 판단하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 복수의 배터리 셀의 충전상태를 측정하여 모니터링하는 에너지관리시스템(EMS)의 셀간 불균형도 추정 방법(200)은 배터리 셀의 불균형이 발생하는 단계(S201), 배터리 셀 균등화 수행 단계(S202), 셀간 전압편차 재발생시간 측정 단계(S203), 셀 불균등상태 판단 단계(S204), 에너지저장장치의 알람 발생 단계(S205) 등을 포함할 수 있다.
배터리 셀의 불균형이 발생하는 단계(S201)는 배터리 모듈의 사용 과정에서 각 배터리 셀의 전압, SOC, SOH, 내부저항 등의 지표의 불균형이 발생하는 단계일 수 있다.
배터리 셀 균등화 수행 단계(S202)는 복수의 배터리 셀의 지표 편차를 발견하고, 지표 편차 감소시키는 셀균등화를 수행하는 단계일 수 있다. 예를 들어, 지표는 전압일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
배터리 셀 균등화 수행 단계(S202)는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀의 동일한 SOC(State of Charge) 구간의 전압을 균등화할 수 있다.
셀간 전압편차 재발생시간 측정 단계(S203)는 셀균등화가 완료된 시점으로부터 배터리 셀의 전압편차가 재발생하는 전압편차 재발생시간을 측정하는 단계일 수 있다.
셀간 전압편차 재발생시간 측정 단계(S203)는 제1 그룹의 배터리 셀의 평균전압과 제2 그룹의 배터리 셀의 평균전압을 비교하여 전압편차를 계산할 수 있다. 에너지관리시스템은 배터리 셀의 그룹이 아닌 개별 배터리 셀의 전압을 비교하여 전압편차를 계산할 수 있다.
에너지저장장치의 알람 발생 단계(S205)는 전압편차 재발생시간과 기 설정된 기준시간을 비교하여 에너지관리시스템의 이상 동작을 판단하고, 알람을 발생시키는 단계일 수 있다.
에너지저장장치의 알람 발생 단계(S205)는 전압편차 재발생시간이 기 설정된 기준시간을 초과하는 경우에 경고 또는 교체 신호를 발생시킬 수 있다.
복수의 배터리 셀의 충전상태를 측정하여 모니터링하는 에너지관리시스템(EMS)의 셀간 불균형도 추정 방법(200)은 서로 다른 지점의 전압편차 재발생 주기를 반복적으로 획득하고, 전압편차 재발생 주기가 감소하는 경우에 복수의 배터리 셀이 불균등 상태에 있는 것으로 판단하는 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 5는 본 실시예에 따른 셀간 전압편차 재발생시간 측정 방법을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 균등화 수행 직후의 그래프(200A)에서는 각 배터리 셀들이 일정한 범위 이내에 존재하도록 유지될 수 있다. 균등화 이후에 일정한 시간이 지난 이후의 그래프(200B)에서는 배터리 셀의 전부 또는 일부의 전압편차가 재발생할 수 있다. 그래프(200B)에서는 제1 내지 제5 배터리 셀의 제1 그룹의 평균전압과 제6 배터리 셀의 제2 그룹의 전압의 편차가 발생할 수 있다. 이 경우 에너지관리시스템(EMS)는 제1 그룹 및 제2 그룹의 전압편차를 기준으로 전압편차의 재발생 여부를 결정할 수 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 알람 발생 프로세스를 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 배터리 셀의 전압편차 재발생 경과시간에 따른 시스템의 동작을 비교표(300)를 확인할 수 있다.
예를 들어, 배터리 셀의 전압편차 재발생 경과시간()이 정상동작 기준시간()보다 작은 경우에는, 알람이 발생하지 않고 시스템이 정상적으로 동작하는 것으로 판단할 수 있다.
예를 들어, 배터리 셀의 전압편차 재발생 경과시간()이 제1 경고 기준시간()-예를 들어, SOP가 40% 미만-보다 큰 경우에는, 알람을 발생시킬 수 있다.
예를 들어, 배터리 셀의 전압편차 재발생 경과시간()이 제2 경고 기준시간()-예를 들어, SOP가 40% 미만-보다 큰 경우에는, 알람을 발생시킬 수 있다.
예를 들어, 배터리 셀의 전압편차 재발생 경과시간()이 교체 기준시간()보다 큰 경우에는, 알람을 발생시킬 수 있다.
배터리관리시스템은 배터리 셀의 전압편차 재발생 경과시간()의 변화에 따라 기준시간을 순차적으로 설정하여, 경고의 강도를 조절함으로써, 배터리 모듈의 상태를 효율적으로 감지 및 제어할 수 있다.
도 6은 배터리 셀의 전압편차 재발생 경과시간에 따른 배터리관리시스템의 동작을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 기술적 사상은 이에 제한되지 않는다.
도 7은 전압 균등화 소요시간 측정에 기초하여 내부저항 변화를 계산하는 방법을 설명하는 순서도이다.
복수의 배터리 셀의 충전상태를 측정하여 모니터링하는 에너지관리시스템(EMS)의 셀간 불균형도 추정 방법(400)은 배터리셀에 동일 전류를 공급하는 단계(S401), 배터리 셀균등화 수행 단계(S402), 전압 균등화 소요시간 측정 단계(S403), 내부저항 변화 계산 단계(S404) 등을 포함할 수 있다.
배터리셀에 동일 전류를 공급하는 단계(S401)는 베터리 셀의 불균형을 정확하게 측정하기 위하여 각 배터리 셀에 동일한 전류를 공급하는 단계일 수 있다.
배터리 셀균등화 수행 단계(S402)는 동일한 모듈에 대하여 셀간 전압편차를 제거 또는 감소시키기 위하여 배터리 셀균등화를 수행하는 단계일 수 있다.
전압 균등화 소요시간 측정 단계(S403)는 배터리 셀 균등화 동작 전의 제1 시점을 기준으로, 셀균등화 제어회로의 셀 균등화 동작 완료시점인 제2 시점까지의 셀균등화 소요시간을 측정하는 단계일 수 있다.
내부저항 변화 계산 단계(S404)는 셀균등화 소요시간 측정 이후에, 셀균등화 소요시간을 비교하여 배터리 셀의 내부저항을 측정하는 단계일 수 있다. 내부저항 변화 계산은 배터리 셀의 전부 또는 일부에 대해서 수행할 수 있고, 서로 다른 시점에 동일한 크기의 전류를 제공하여 수행할 수 있다.
도 8은 본 실시예에 따른 셀 균등화 소요시간 측정 방법을 설명하는 제1 예시 도면이다.
도 9는 본 실시예에 따른 셀 균등화 소요시간 측정 방법을 설명하는 제2 예시 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 셀 균등화 수행 전의 그래프(500A, 600A)는 셀 균등화 수행 완료 직후의 그래프(500B, 600B)를 비교하여 나타낼 수 있다.
셀 균등화 수행시간은 동일한 배터리 모듈에서 서로 다른 사용 시점-예를 들어, 50번째 사이클 시점 및 500번째 사이클 시점-에서 셀간 전압편차(ΔV)에 대해서 동일한 고정 전류를 흘려서 전압 균등화가 되는 소요시간으로 정의될 수 있다.
도 8과 같이 제1 내지 제5 배터리 셀이 주요하게 균등화되는 실시예 및 도 9와 같이 제6 배터리 셀이 주요하게 균등화되는 실시예가 존재할 수 있다.
제1 내지 제5 배터리 셀이 주요하게 균등화되는 시간을 측정하고, 제1 내지 제5 배터리 셀의 내부저항을 계산할 수 있다. 또한, 제6 배터리 셀이 주요하게 균등화되는 시간을 측정하고, 제6 배터리 셀의 내부저항을 계산할 수 있다. 이를 기초로 제1 내지 제5 배터리 셀의 내부저항 및 제6 배터리 셀의 내부저항을 비교하고, 배터리 모듈 내의 배터리 셀의 내부저항 불균형을 판단할 수 있다.
배터리 모듈의 가용성(SOF)은 배터리 모듈 내에 직렬로 연결된 각 셀의 전압, 충전상태(SOC), 건강상태(SOH), 내부저항 등의 다양한 요소의 편차로 산출되고, 전압은 셀로부터 실제 측정값이지만, 충전상태(SOC), 건강상태(SOH), 내부저항, 용량 등은 실제 측정값이 아니므로 배터리 셀의 균등화 시간에 기초하여 배터리 셀의 내부저항을 추정하여 파라미터 계산 및 검증의 효율성 및 정확성을 향상시킬 수 있다.
즉, 배터리 모듈의 균등화(Equalization) 수행의 결과를 부가적으로 배터리의 경년변화(Cycle 수 증가)에 따른 모듈 내 배터리 간 불균형 정도의 변화를 추정할 수 있게 된다. 또한, 배터리 모듈의 균등화 수행의 결과를 부가적으로 배터리 셀 또는 모듈의 내부저항 추정 정보 획득하여 활용할 수 있게 된다. 이를 통해, 균등화로 낭비되는 시간과 에너지 상쇄를 도모할 수 있다.

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 셀의 충전상태를 측정하여 모니터링하는 에너지관리시스템(EMS)에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀의 편차를 감소시키는 셀균등화를 수행하는 셀균등화 제어회로;
    셀균등화 이후에 상기 복수의 배터리 셀의 전압 불균형이 발생하는 전압편차 재발생시간을 측정하는 전압편차 재발생시간 측정회로; 및
    상기 전압편차 재발생시간과 기 설정된 기준시간을 비교하여 에너지관리시스템(EMS)의 이상 동작을 판단하고, 알람을 발생시키는 알람발생회로를 포함하는, 에너지관리시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀균등화 제어회로는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀의 동일한 SOC(State of Charge) 구간의 전압을 균등화하는, 에너지관리시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압편차 재발생시간 측정회로는, 동일한 SOC 구간의 전압을 균등화한 시점을 기준으로 전압편차가 발생하는 전압편차 재발생시간을 측정하는, 에너지관리시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전압편차 재발생시간 측정회로는 제1 그룹의 배터리 셀의 평균전압과 제2 그룹의 배터리 셀의 평균전압을 비교하여 전압편차를 계산하는, 에너지관리시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 알람발생회로는 상기 전압편차 재발생시간이 상기 기 설정된 기준시간을 초과하는 경우에 경고 또는 교체 신호를 발생시키는, 에너지관리시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 서로 다른 시점의 전압편차 재발생 주기를 반복적으로 획득하고, 상기 전압편차 재발생 주기가 감소하는 경우에 복수의 배터리 셀이 불균등 상태에 있는 것으로 판단하는 셀 불균등 판정회로를 더 포함하는, 에너지관리시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀균등화 제어회로의 동작 전의 제1 시점을 기준으로, 상기 셀균등화 제어회로의 셀 균등화 동작 완료시점인 제2 시점까지의 셀균등화 소요시간을 측정하는 셀균등화 소요시간 분석회로를 더 포함하는, 에너지관리시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 셀균등화 소요시간 분석회로는, 서로 다른 시점에 동일한 크기의 전류를 제공하고, 상기 셀균등화 소요시간을 비교하여 배터리 셀의 내부저항을 측정하는, 에너지관리시스템.
  9. 복수의 배터리 셀의 충전상태를 측정하여 모니터링하는 에너지관리시스템(EMS)의 셀간 불균형도 추정 방법에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀의 전압편차를 발견하고, 상기 전압편차 감소시키는 셀균등화를 수행하는 단계;
    상기 셀균등화가 완료된 시점으로부터 배터리 셀의 전압편차가 재발생하는 전압편차 재발생시간을 측정하는 단계; 및
    상기 전압편차 재발생시간과 기 설정된 기준시간을 비교하여 상기 에너지관리시스템의 이상 동작을 판단하고, 알람을 발생시키는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 셀균등화 수행 단계는 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀의 동일한 SOC(State of Charge) 구간의 전압을 균등화하는, 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 전압편차 재발생시간 측정 단계는 제1 그룹의 배터리 셀의 평균전압과 제2 그룹의 배터리 셀의 평균전압을 비교하여 전압편차를 계산하는, 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 알람 발생 단계는 상기 전압편차 재발생시간이 상기 기 설정된 기준시간을 초과하는 경우에 경고 또는 교체 신호를 발생시키는, 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 서로 다른 시점의 전압편차 재발생 주기를 반복적으로 획득하고, 상기 전압편차 재발생 주기가 감소하는 경우에 복수의 배터리 셀이 불균등 상태에 있는 것으로 판단하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 셀균등화 제어회로의 동작 전의 제1 시점을 기준으로, 상기 셀균등화 제어회로의 셀 균등화 동작 완료시점인 제2 시점까지의 셀균등화 소요시간을 측정하는 셀균등화 소요시간 측정 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 셀균등화 소요시간 측정 이후에, 서로 다른 시점에 동일한 크기의 전류를 제공하고, 상기 셀균등화 소요시간을 비교하여 배터리 셀의 내부저항을 측정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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