KR101303164B1 - 배터리충전장치, 이를 포함하는 에너지저장시스템, 및 배터리충전방법 - Google Patents

Abstract

배터리충전장치, 이를 포함하는 에너지저장시스템, 및 배터리충전방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 의하면, 배터리 충전시, 배터리를 소정의 정전류로 충전하다가 충전전압이 소정 기준전압에 도달하면 더 낮은 값의 정전류로 배터리를 충전하는 다단계 레벨을 갖는 최적 충전전류 패턴으로 배터리를 충전함으로써, 배터리 충전시간을 단축하고 배터리의 전체 수명을 증가시킬 수 있다. 여기서, 상기 최적 충전전류의 각 레벨의 최적 충전전류 값은 최적화 알고리즘을 반복적으로 사용하여 산출된다.

Description

배터리충전장치, 이를 포함하는 에너지저장시스템, 및 배터리충전방법{BATTERY CHARGING DEVICE, ENERGY STROGE SYSTEM HAVING THE SAME, AND METHOD FOR CHARGING BATTERY}

본 발명은 배터리충전장치, 이를 포함하는 에너지저장시스템, 및 배터리충전방법에 관한 것으로, 특히 배터리 충전시간 단축하면서 배터리 수명은 연장시킬 수 있는 배터리충전장치, 이를 포함하는 에너지저장시스템, 및 배터리충전방법에 관한 것이다.

에너지저장시스템에 적용되는 대용량, 고출력의 배터리는 높은 초기 투자비용 때문에, 배터리를 보다 오래 사용할 수 있는 방안을 연구하는데 있어서 기존의 방식을 개선하는 것이 효율적이다.

일반적으로, 리튬-이온 배터리 충전장치는 정전류/정전압 충전방식으로 배터리를 충전한다. 예를 들어, 통상 배터리 전압이 기준전압(CC/CV 변곡점)인 4.2V 이하에서는 임의의 정전류로 충전하다가 충전에 따라 기준전압에 도달하면 4.2V 정전압으로 충전하는 방식을 가리킨다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 충전전류 곡선은 배터리 전압이 약 4.2V이하에서는 정전류로 일정하다가 배터리 전압이 4.2V에 도달하면 지수함수적으로 감소하는 형태를 갖는다. 또, 충전전압 곡선은 4.2V 변곡점을 중심으로 로그함수적으로 증가하다가 이후 4.2V로 일정하게 유지되는 형태를 갖는다. 그리고 배터리에 흐르는 충전전류가 점차 감소하다가 일정 전류값(예, 0.1C ~ 0.3C)에 도달하면 배터리가 완충된 것으로 판단하고 충전을 중단하게 된다.

하지만, 이와 같은 충전방식은 정전압 충전구간에서 배터리 특성상 배터리의 충전시간이 길어져서 전체 충전시간이 길어진다는 단점이 있다.

또, 에너지저장시스템(ESS. Energy Storge System)에 적용되는 경우, 항상 전력 계통과 연결하여 동작되기 때문에 배터리 셀 내부에 과잉 열이 발생할 수 있고, 이로 인한 양극판의 연화 현상(전해액이 흘러나와서 극판에 달라붙는 현상)이 발생되어 배터리 수명이 단축된다는 문제가 있었다.
{대한민국 등록특허 10-1198698 "배터리 충전회로(2012.11.01)" 참조

이에, 본 발명의 실시예들은, 배터리를 정전류로 충전하다가 충전전압이 소정 기준전압에 도달하면 더 낮은 값의 정전류로 배터리를 충전하는 다단계 충전전류값으로 배터리를 충전함으로써, 배터리 충전시간을 단축하고 배터리의 전체 수명을 증가시킬 수 있는 배터리충전장치, 이를 포함하는 에너지저장시스템, 및 배터리충전방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 에너지저장시스템은, 전류원으로부터 공급되는 출력전원을 배터리 충전에 적합한 전원으로 변환하는 전원변환부와; 상기 전원변환부에 연결되어 전원을 충전하고, 제어신호에 따라 충전된 전원을 부하에 공급하는 배터리와; 상기 배터리의 충전 동작을 제어하는 배터리 충전 제어부를 포함하고, 상기 배터리 충전 제어부는, 배터리 충전신호에 따라 상기 배터리를 제1정전류 값으로 충전하고, 상기 배터리의 충전전압이 정해진 기준전압에 도달하면, 감소된 제2정전류 값으로 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 한다.

실시예에서, 상기 제2정전류 값은, 상기 제1정전류 값보다 작고 내장된 최적화 알고리즘을 반복적으로 수행하여 얻어지는 최적 충전전류 값인 것 특징으로 한다.

실시예에서, 상기 배터리 충전제어부는, 상기 최적화 알고리즘을 사용하여 산출된 복수의 레벨에 대한 각 최적 충전전류 값이 레벨이 증가할 때마다 단계적으로 감소되는 양상의 충전전류 패턴을 산출하고, 상기 충전전압이 정해진 기준전압에 도달하면, 상기 충전전류 패턴의 다음 레벨을 수행하도록 결정하는 것을 특징으로 한다.

실시예에서, 상기 산출된 충전전류 패턴으로 상기 배터리를 충전하기 위한 입력신호를 인가받는 입력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에서, 상기 에너지저장시스템은, 상기 부하에 연결되어서, 상기 배터리의 충전상태에 따라 상기 부하에 보조전원을 공급하는 전력 계통을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에서, 상기 배터리 충전제어부는, 상기 배터리의 충전상태에 관한 정보를 수신하는 배터리 상태 관리부와; 상기 배터리에 공급되는 충전전류 값을 제어하는 전류제어부와; 충전전류의 공급에 따라 증가하는 충전전압의 크기를 검출하는 전압검출부와; 내장된 최적화 알고리즘을 사용하여 최적의 충전전류 값을 산출하는 충전전류 패턴 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에서, 상기 에너지저장시스템은, 상기 전류제어부와 상기 배터리 사이에 구비되어, 상기 충전전류의 흐름을 단속하는 하나 이상의 출력스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 배터리충전장치는, 배터리에 공급되는 충전전류를 제어하는 전류제어부와; 상기 충전전류의 공급에 따라 증가하는 충전전압의 크기를 검출하는 전압검출부와; 내장된 최적화 알고리즘을 사용하여 단계적으로 감소되는 복수의 최적 충전전류 값을 갖는 충전전류 패턴을 산출하고, 상기 충전전압 값이 기준전압 값에 도달하면 다음 단계의 감소된 최적 충전전류 값을 상기 전류제어부에 제공하는 충전전류패턴 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에서, 상기 배터리충전장치는, 상기 산출된 충전전류 패턴으로 상기 배터리를 충전하기 위한 입력신호를 인가받는 입력수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에서, 상기 전류제어부는, 상기 최적 충전전류 값을 상기 배터리에 정전류 방식으로 공급하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 본 발명의 실시예에 따른 배터리충전방법은, 배터리의 충전여부를 결정하는 단계와; 상기 배터리를 제1정전류 값으로 충전하는 단계와; 상기 배터리의 충전전압의 크기가 정해진 기준전압을 초과하는지를 감시하는 단계와; 상기 충전전압의 크기가 기준전압에 도달하면, 감소된 제2정전류 값으로 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예에서, 상기 제1정전류 및 상기 제2정전류는 내장된 최적화 알고리즘을 반복적으로 수행하여 산출되는 최적 충전전류 값들인 것을 특징으로 한다.

실시예에서, 상기 배터리충전방법은, 상기 산출된 최적 충전전류 값으로 상기 배터리를 충전하는 제어신호를 수신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 배터리충전장치, 이를 포함하는 에너지저장시스템, 및 배터리충전방법에 의하면, 배터리 충전시, 배터리를 소정의 정전류로 충전하다가 충전전압이 소정 기준전압에 도달하면 더 낮은 값의 정전류로 배터리를 충전하는 다단계 레벨로 이루어진 최적 충전전류 패턴으로 배터리를 충전함으로써, 배터리 충전시간을 단축하고 배터리의 전체 수명을 증가시키는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 배터리충전장치, 이를 포함하는 에너지저장시스템, 및 배터리충전방법에 의하면, 기존과 동일한 구조의 에너지저장시스템에 최척화 알고리즘을 사용하여 산출된 다단계 레벨을 갖는 최적 충전전류 패턴을 적용하도록 구현함으로써 사용자의 장치 구매 비용이 절감되는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 에너지저장시스템의 일 예시 블록도;
도 2는 본 발명에 따른 배터리충전장치의 세부 구성 블록도;
도 3은 일반적인 정전류/정전압 충전방식으로 배터리를 충전하는 경우 충전전류 및 충전전압 값의 변화를 보인 그래프;
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 다단계의 최적 충전전류 패턴으로 배터리를 충전하는 경우 충전전류 및 충전전압의 변화를 보인 그래프;
도 6은 본 발명에 따른 충전방식을 사용하는 경우 배터리의 수명을 대략적으로 보인 그래프;
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 최적화 알고리즘을 사용하여 다단계 레벨을 갖는 최적 충전전류 패턴을 도출하는 과정을 보인 도면;
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전장치를 포함한 에너지저장시스템의 구성을 보인 도면;
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 배터리충전방법의 예시 흐름도;
도 10은 도 9의 최적화 알고리즘을 사용하여 최적 충전전류 패턴을 산출하는 과정을 보인 예시 흐름도;
도 11은 최적화 알고리즘을 시뮬레이션하기 위한 배터리 모델링의 예시 회로도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 배터리충전장치, 이를 포함하는 에너지저장시스템, 및 배터리충전방법을 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 에너지저장시스템을 도시한다. 도시된 바와 같이, 에너지저장시스템은 전류원(100), 전원변환부(200), 배터리(400), 배터리 충전제어부(300), 및 부하(500)를 포함하여 이루어진다. 또, 상기 에너지저장시스템은, 상기 배터리(400)와 연결된 BMS(450)와 상기 부하(500)에 연결된 전력계통(600)을 더 포함한다.

상기 전류원(100)은 상기 배터리에 충전될 에너지를 공급하는 주전원으로, 예를 들어, 태양광에너지원, 풍력에너지원과 같은 신재생에너지원과 연료전지를 모두 포함한다.

상기 전원변환부(200)는 상기 전류원(100)으로부터 공급되는 출력전원을 배터리 충전에 적합한 전원으로 변환한다. 도시된 바와 같이, 상기 전원변환부(200)는 DC/DC컨버터와, 양방향 DC/DC 컨버터 및 양방향 DC/AC 인버터와, 그 사이에 구비되는 직류 링크 캐패시터를 포함하여 이루어진다.

보다 구체적으로 설명하면, 상기 양방향 DC/DC컨버터는, 상기 전류원(100)로부터 발전된 전원을 변환하여 직류 링크 캐패시터에 제공한다. 또, 상기 양방향 DC/DC컨버터는, 소정의 제어명령에 근거하여, 상기 전류원(100), 예를 들어, 태양광 발전장치로부터 출력되는 발전전력의 MPPT(Maximum Power Point Tracking)를 제어할 수 있다. 여기서, 상기 MPPT제어란, 일사량에 크게 의존하는 태양광 발전장치의 특성에 따라, 변화하는 직류전압의 값이 특정 기준값을 추종하도록 제어하는 것을 가리킨다, 이를 위해 상기 양방향 DC/DC컨버터의 제어부는 전류원(100)인 태양광 발전장치의 최대 전력점을 추종하는 알고리즘을 내부에 포함할 수 있다. 이러한 MPPT제어는, 상기 양방향 DC/DC컨버터의 제어부의 구동에 따라 동작될 수 있다.

상기 양방향 DC/AC 컨버터는, 상기 직류 링크 캐패시터에 연결되어 상기 직류전원을 교류전원으로 변환한다. 또, 상기 양방향 DC/AC 컨버터는, 부하(500) 또는 전력계통(600)으로부터 공급되는 교류전원을 직류전원으로 변환하여서 직류 링크 캐패시터에 출력한다.

상기 직류 링크 캐패시터는 입력받은 전원을 평활하고 직류 링크 전압 레벨로 저장한다. 구체적으로, 상기 직류 링크 캐패시터는, 상기 DC/DC 컨버터의 출력단과 양방향 DC/AC 컨버터의 입력단에 구비되어, 입력된 전원을 평활한다. 즉, 상기 직류 링크 캐패시터는, 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되거나 또는 상기 배터리(400)로부터 출력된 전원을 입력받아 평활화한 다음 직류 링크 전압 레벨로 저장한다.

또, 상기 양방향 DC/AC 인버터는 상기 직류 링크 캐패시터에 저장된 직류전원을 부하(500) 또는 전력계통(600)에 적합한 전원으로 변환하여 제공한다.

계속해서, 도 1을 참조하면, 상기 배터리(400)는 상기 전원변환부(200), 예를 들어 직류 링크 캐패시터, 에 연결되어 전원을 충전한다. 또, 상기 배터리(400)는 소정의 제어신호에 따라 상기 배터리 전원을 부하(500)에 공급한다.

상기 배터리(400)는 복수의 전지 셀이 하나의 팩으로 구성된 형태를 취할 수 있다. 보다 구체적으로, 도시되지는 않았지만 상기 배터리(400)는 복수의 배터리 셀들이 직렬 또는 병렬로 연결되는 형태로 구현될 수 있다. 또, 상기 배터리(400)는 배터리용 리액터(L_batt) 및 배터리 내부에 저장된 에너지를 외부로 출력하는 적어도 하나의 IGBT스위칭 소자를 포함하여 이루어질 수 있다. 이와 같은 배터리는 여러 가지 종류의 배터리 셀로 구현될 수 있는데, 예를 들어, 니켈-카트뮴 전지, 납 축전지, 니켈-수소 전지, 리튬-이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등이 있을 수 있다.또, 상기 배터리(400)는 배터리와 연결되어 상기 배터리의 상태를 감시하는 BMS(Battery Management System)(450)를 더 포함한다.

상기 BMS(450)는, 상기 배터리 충전 제어부(300)로부터 수신되는 제어명령에 근거하여 배터리(400)의 실제 충방전 동작을 제어한다. 구체적으로, 상기 BMS(450)는 상기 배터리 충전 제어부(300)로부터 수신되는 제어명령에 근거하여, 배터리(400)에 저장된 전원을 상기 양방향 DC/DC 컨버터에 방전한다. 또, 상기 BMS(450)는 상기 배터리 충전 제어부(300)로부터 수신되는 제어명령에 근거하여, 상기 양방향 DC/DC 컨버터에 의해 변환된 전원을 배터리(400)에 충전한다.

여기서, 상기 배터리(400)와 BMS(450)는 일체로 구성되는 배터리 팩의 형태를 취할 수 있다. 또, 상기 BMS(450)는 배터리(400)에 연결되어서 상기 배터리(400)의 상태를 유지하고 관리한다.

상기 배터리 충전제어부(300)는, 상기 배터리(400)의 충전/방전 동작을 제어한다. 즉, 배터리 충전제어부(300)가 상기 배터리(400)의 충전/방전 동작을 제어하는 제어명령을 생성하여 상기 BMS(450)에 출력한다.

상기 배터리 충전제어부(300)는, 배터리(400) 충전 동작을 수행하는 경우, 소정의 배터리 충전신호에 따라 상기 배터리(400)를 제1정전류 값으로 충전한다. 여기서 제1정전류 값은 예를 들어, 1C-rate 이상의 충전전류 값일 수 있다.

또, 상기 배터리 충전제어부(300)는, 상기 배터리의 충전전압이 정해진 기준전압, 예를 들어, 140V 또는 4.2V/cell, 에 도달하면 감소된 제2정전류 값으로 상기 배터리(400)를 충전한다. 여기서, 상기 제2정전류 값은, 상기 제1정전류 값보다 작은 값이다. 또, 상기 제2정전류 값은 내장된 최적화 알고리즘을 반복적으로 수행하여 얻어지는 최적 충전전류 값에 해당한다.

또, 상기 배터리 충전제어부(300)는, 내장된 최적화 알고리즘을 사용하여 산출된 최적 충전전류 값들이 레벨이 증가할 때마다 단계적으로 감소되는 양상의 충전전류 패턴을 산출한다. 또, 상기 배터리 충전제어부(300)는, 상기 충전전압이 정해진 기준전압, 예를 들어 140V 또는 4.2V/cell, 에 도달하면, 산출된 충전전류 패턴의 다음 레벨을 수행하도록 결정한다.

보다 구체적으로, 도 4를 참조하여 기술하면, 먼저 소정의 정전류 값으로 배터리를 충전함에 따라 충전전압이 증가하여 기준전압, 예를 들어, 140V 또는 4.2V/cell, 에 도달하면, 충전전류 패턴의 다음 레벨을 수행한다. 즉, 상기 소정의 정전류 값을 일정 값만큼 감소시키고, 그에 따라 충전전압도 소정 값 감소된다. 다시 감소된 정전류 값으로 배터리를 충전함에 따라 충전전압이 다시 증가하다가 기준전압, 즉 140V 또는 4.2V/cell, 에 도달하면 충전전류 패턴의 다음 레벨을 수행한다. 이러한 과정이 충전이 완료될 때까지 반복된다.

이를 그래프로 도시하면, 도 4에서와 같이 충전전류의 그래프는 배터리 충전에 따라 하향식 계단모양으로 변화하고, 충전전압의 그래프는 증가와 감소를 반복하는 물결모양으로 변화한다. 이때, 각 레벨에서의 충전전류 값, 즉 충전전압이 기준전압에 도달하는 경우, 이전 레벨의 최적 충전전류 값으로부터 현재레벨의 최적 충전전류 값을 얼마나 감소시킬지가 중요한데, 이는 이하에 기술되는 최적화 알고리즘을 사용하여 산출된다.

상기 배터리 충전제어부(300)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 상태 관리부(310), 전류제어부(320), 전압검출부(330), 및 충전전류 패턴 산출부(340)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 배터리 상태 관리부(310)는 상기 배터리(400)의 충전상태에 관한 정보를 수신하여 배터리 상태를 관리한다. 또, 상기 전류제어부(320)는, 상기 배터리(400)에 공급되는 충전전류 값을 제어한다. 또, 상기 전압검출부(330)는, 충전전류의 공급에 따라 증가하는 충전전압의 크기를 검출한다. 또, 상기 충전전류 패턴 산출부(340)는 내장된 최적화 알고리즘을 사용하여 최적의 충전전류 값을 산출한다. 여기서, 상기 전류제어부(320)와 상기 배터리(400) 사이에는 충전전류의 흐름을 단속하는 하나 이상의 출력스위치(미도시)가 더 구비될 수 있다. 또, 상기 배터리 상태에 관한 정보와 충전전압의 크기에 관한 정보는 배터리(400)와 연결된 BMS(450)로부터 수신될 수 있다.

또, 실시예에서, 상기 에너지저장시스템은, 상기 기술한 충전전류 패턴으로 배터리(400)를 충전하도록 하는 입력신호를 인가받는 소정의 입력수단(미도시)을 더 구비할 수 있다. 상기 입력수단로는, 예를 들어, 에뮬레이터, 캐패드, 버튼, 스위치 등이 포함될 수 있다.

상기 전력계통은(600)은 부하(500)와 연결되어, 배터리(400)의 충전상태에 따라 부하(500)에 보조전원을 공급한다. 예를 들어, 부하(500)에서의 요구전력이 전원보다 더 크거나, 배터리(400)에 저장된 전원이 없는 경우에는, 상기 전력계통(600)이 보조전원으로 기능하여서 부하(500)에 전원을 공급한다.

이와 같이 본 발명에 따른 에너지저장시스템에 의하면, 배터리의 충전시간이 단축될 수 있을 뿐만 아니라, 배터리의 수명 또한 연장될 수 있다. 이와 관련하여, 도 6은 본 발명에 따른 최적 충전전류 패턴을 적용하여 배터리를 충전하는 경우 배터리의 수명을 대략적으로 보여준다. 도시된 바와 같이, 배터리의 초기용량 대비 약 80%가 감소할 때까지 수명 사이클이 증가하고 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면 배터리의 수명이 약 20% 연장되는 효과를 얻을 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 배터리충전장치(300)의 세부 구성을 도시한다. 도시된 바와 같이, 배터리충전장치(300)는 전류제어부(320)와, 전압검출부(330)와, 충전전류 패턴 산출부(340)를 포함하고, 배터리의 충전상태를 모니터링하는 배터리 상태 관리부(310)를 더 포함할 수 있다.

상기 전류제어부(320)는 배터리(400)에 공급되는 충전전류를 제어한다. 구체적으로, 상기 전류제어부(320)는 상기 기술한 최적 충전전류 패턴의 각 최적 충전전류값으로 배터리(400)를 충전하도록 전류의 값을 제어한다. 또, 상기 전류제어부(320)는, 상기 최적 충전전류 값을 정전류 방식으로 상기 배터리(400)에 공급한다.

상기 전압검출부(330)는 충전전류의 공급에 따라 증가하는 충전전압의 크기를 검출한다. 본 발명에 따른 실시예에서, 복수의 레벨로 이루어진 충전전류 패턴의 다음 레벨을 수행하는 조건은 배터리(400)의 충전전압이 소정의 기준전압, 예를 들어, 140V 또는 4.2V/cell, 에 도달하였는지에 달려 있으므로, 전압검출부(330)는 충전전압의 크기를 실시간으로 검출할 수 있어야 한다. 실시예에서, 충전전압의 크기는 BMS(450)를 통해 수신될 수도 있다.

상기 충전전류 패턴 산출부(340)는 내장된 최적화 알고리즘을 사용하여 단계적으로 감소되는 복수의 최적 충전전류 값을 갖는 충전전류 패턴을 산출한다. 이와 같은 충전전류 패턴은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 하향식 계단모양의 형태를 취한다.

또, 상기 충전전류 패턴 산출부(340)는 상기 충전전압 값이 기준전압 값, 예를 들어 140V 또는 4.2V/cell, 에 도달하면 다음 레벨의 최적 충전전류 상기 전류제어부(320)에 제공한다. 또, 도 5를 참조하면, 예를 들어, 초기 정전류 값이 약 7A인 경우에, 다음 레벨의 충전전류 값은 도시된 바와 같이 약 5~6A 일 수 있다. 이와 같이 충전전류 패턴의 레벨이 증가함에 따라 최적 충전전류의 값도 계속 감소한다. 그리고 충전전류 값이 마침내 0에 도달하거나 그에 근접하게 되면 배터리(400) 충전이 완료된 것으로 보고 충전동작이 종료된다.

또, 상기 배터리충전장치(300)는 배터리(400) 충전시 상기 산출된 충전전류 패턴 모드로 충전하는 입력신호를 인가받는 입력수단을 더 포함할 수 있다. 이러한 입력수단의 예로는, 에뮬레이터, 키패드, 버튼, 스위치 등이 포함될 수 있으며, 이러한 입력수단을 통해, 배터리(400) 충전을 충전전류 패턴 모드로 충전할지 여부를 사용자가 결정하도록 구현할 수도 있다.

도 8은 상기 배터리 충전장치(300)를 포함하는 에너지저장시스템의 전체 구성을 도시한다.

도시된 바와 같이, 전체 에너지저장시스템은, 인터넷을 통해 원격 서버와 연결될 수 있다. 사용자는 원격 서버를 통해 에너지저장시스템을 관리 및 제어할 수 있다. 상기 에너지저장시스템은, 예를 들어 전류원으로부터 공급되는 전원을 변환하기 위한 인버터 및 컨버터를 구비하고, 배터리 보조전원의 기능을 수행하는 전력 계통과 연결된다. 또, 상기 에너지저장시스템의 배터리는 BMS 및 양방향컨버터와 연결된다. 본 발명의 실시예에 따라 산출된 최적 충전전류 패턴은, 예를 들어 상기 양방향 컨버터에 미리 탑재되어 배터리 충전시 적용될 수 있다. 그에 따라, 배터리 충전시간이 기존에 비해 절반으로 감소될 수 있으며, 전체 배터리의 수명은 약 20% 까지 연장될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따라 최적화 알고리즘을 사용하여 복수의 최적 충전전류값을 산출하고, 그로부터 다단계의 레벨로 이루어진 최적 충전전류 패턴을 도출하는 과정을 보다 상세하게 기술한다.

먼저, 도 7을 참조하면, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 최적화 알고리즘을 사용하여 다단계의 레벨을 갖는 최적 충전전류 패턴을 도출하는 과정을 도시한다. 도 7의 (a)는 가능한 청전전류 패턴의 다수의 조합들을 보여준다. 예를 들어, 5단계 레벨의 충전전류 값으로 배터리에 공급되는 충전전류 값을 제어하는 경우, 각 레벨에서 가능한 최적 충전전류 값은 조합결과 수십만 개가 도출될 수 있다. 이에 본 발명의 실시예에서는 (b)에서와 같이 배터리 모델링에 최적화 알고리즘을 반복적으로 적용하여서 (a)의 조합결과로부터 최적의 충전전류 패턴을 도출할 수 있다. 이와 같이 도출된 최적의 충전전류 패턴의 예시가 (c)에 도시된다.

여기서, 최적화 알고리즘을 사용하기 위해 실제 배터리의 충전 및 방전을 반복적으로 테스트하여 최적의 충전전류 패턴을 도출하는 것은 시스템 구축의 비용과 시간이 많이 소요된다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 배터리 모델링을 통해 최적화 알고리즘의 적용을 시뮬레이션함으로써 최적 충전전류 패턴을 도출하는 방식을 사용하기로 한다.

이와 같이 최적화 알고리즘을 시뮬레이션하기 위한 배터리 모델링의 예시 회로가 도 11에 도시된다. 도시된 PSPICE 배터리 모델링 프로그램에 최적화 알고리즘을 시뮬레이션해봄으로써 다단계의 레벨로 이루어진 최적 충전전류 패턴을 도출할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 최적화 알고리즘으로 잘 알려진 ACS(Ant Colony System) 알로리즘이 사용될 수 있다. 상기 ACS(Ant Colony System)알로리의 수행과정을 개략적으로 설명하면 다음과 같다. ACS알고리즘은, 먼저, 가능한 모든 경로 값을 계산하고 그로부터 최적의 경로값을 계산한다. 그런 다음 구해진 최적의 경로값을 합산하고, MAX-MIN 알고리즘을 적용하여서 모든 경로에 대한 확률값을 계산한다. 그런 다음 확률함수를 이용하여 최적 경로 패턴을 선택하고, 증발 공식을 적용하여 최종 최적값을 산출한다.

이하 도 9를 참조하면, 도 9는 본 발명에 따른 배터리충전방법의 일 예시를 도시한다. 배터리 충전장치는 예컨대 BMS, 또는 배터리 충전 제어부를 통해 현재 배터리의 상태를 파악함으로써, 배터리 충전여부를 결정한다(S10). 이하, 배터리의 충전과정은 다음과 같다. 먼저, 제1정전류 값으로 배터리를 충전한다(S20). 그에 따라 배터리의 충전전압이 증가하게 되는데, 증가하는 충전전압을 실시간으로 검출하여 소정의 기준전압과 비교한다(S20). 즉, 배터리의 충전전압의 크기가 정해진 기준전압을 초과하는지 감시한다. 이때, 기준전압의 크기는 예를 들어 140 V ㄸ또또는 4.2V/cell일 수 있다. 단계(S20)의 비교 결과, 충전전압이 기준전압 값보다 작으면 제1정전류 값으로 배터리를 계속 충전한다(S20). 단계(S20)의 비교 결과, 충전전압이 기준전압에 도달하면, ACS 알고리즘을 반복적으로 수행하여서 최적의 충전전류 패턴을 산출한다(S40).

최적의 충전전류 패턴의 구체적인 산출과정은 이하 도 10에 도시된다.

도 10을 참조하면, 먼저, 배터리에 대한 선별검사(screening test)를 수행한다(S41). 상기 선별검사는 예를 들어, 미리 배터리에 대한 불만족 요소, 조건 또는 고장 원인 등을 제거하기 위해 단일 또는 복합적으로 실시하는 검사을 가리킨다. 이 과정은 도 9의 과정 초기에 수행될 수 있거나 또는 생략가능하다. 그런 다음 최적 충전전류 패턴을 위한 최적화 알고리즘인 ACS 알고리즘을 초기화한다(S42). 그런 다음 다단계 레벨의 충전전류로 이루어진 충전패턴으로 배터리를 충전해본다(S43). 그런 다음 이로부터 배터리 방전 및 적합성 값을 계산하여 출력한다(S44). 출력된 값에 대해 ACS알고리즘을 사용하여서 최적값을 도출한다(S45). 이와 같이 최적화 알고리즘에 해당하는 ACS알고리즘을 반복적으로 수행하여(S46, S47) 각 레벨에 대하여 최적의 충전전류 값을 갖는 최적 충전전류 패턴을 산출할 수 있다.

다시 도 9를 참조하면, 산출된 최적의 충전전류 패턴의 다음 레벨로 넘어가서, 감소된 제2정전류 값으로 상기 배터리를 충전한다(S50). 그런 다음, 배터리의 충전전류 값이 0에 도달하였는지, 즉 만충상태인지를 판단한다(S60). 이때, 만충상태로 판단되면 배터리 충전이 완료된 것으로 보고 충전동작을 종료한다.

한편, 만충상태가 아니면, 단계(S50)로 돌아가 최적 충전전류 패턴의 다음 단계, 즉 한단계 레벨 더 진행된 감소된 제2정전류 값으로 배터리를 충전한다. 이와 같이 충전전류값이 감소됨에 따라 충전전압의 크기도 다시 떨어지게 된다. 그런 다음 상기 감소된 제2정전류 값으로 배터리를 충전함에 따라 충전전압 값이 점점 커지다가, 기준전압, 예를 들어 140V 또는 4.2V/cell, 에 도달하게 되면, 최적 충전전류 패턴의 다음 레벨로 넘어가게 된다. 즉, 한단계 레벨 진행된 더욱 감소된 정전류 값으로 다시 배터리를 충전하게 된다. 이와 같은 최적 충전전류 패턴의 수행 레벨은, 예를 들어 5단계 레벨로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 기준전압의 크기, 부하의 요구전력, 최적 충전전류의 초기값 등에 따라 2단계 레벨 이상의 복수의 레벨을 갖도록 구현될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전방법에 의하면, 배터리를 소정 정전류 값으로 충전하다가 충전전압이 소정 기준전압에 도달하면 더 낮은 값의 정전류로 배터리를 충전하도록 다단계 레벨의 충전전류 패턴으로 배터리를 충전함으로써, 배터리 충전시간을 단축하고 배터리의 전체 수명을 증가시킬 수 있다. 이때, 상기 최적 충전전류 패턴의 각 레벨에서의 최적 충전전류 값은 예를 들어 ACS 알고리즘와 같은 최적화 알고리즘을 반복적으로 사용하여 산출될 수 있다.

실시예에서, 상기 배터리 충전방법은 상기 배터리의 충전전압의 크기가 정해진 기준전압을 초과하는지를 감시하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이를 위해, 충전전압을 검출하는 수단과, 검출된 충전전압 및 소정의 기준전압 값을 비교하는 수단을 더 포함할 수 있다.

또, 실시예에서, 상기 제1정전류 및 상기 제2정전류는 내장된 최적화 알고리즘을 반복적으로 수행하여 산출되는 최적 충전전류 값들일 수 있다. 즉, 단계(S40)의 최적 충전전류 패턴의 산출과정이 제1정전류 값으로 배터리를 충전하는 단계(S20) 이전에 수행되는 것으로 구현될 수 있다.

또, 실시예에서, 상기 배터리 충전방법은, 상기 산출된 최적 충전전류 값으로 상기 배터리를 충전하는 제어신호를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 배터리를 충전하기 위한 복수의 충전모드를 구비하고, 사용자 입력 또는 미리정해진 기준에 따라 선택적으로 본 발명에 따른 최적 충전전류 패턴 모드를 사용하도록 구현될 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 본 발명의 실시예에 따른 배터리충전장치, 이를 포함하는 에너지저장시스템, 및 배터리충전방법에 의하면, 배터리 충전시, 배터리를 소정의 정전류로 충전하다가 충전전압이 소정 기준전압에 도달하면 더 낮은 값의 정전류로 배터리를 충전하는 다단계 레벨을 갖는 최적 충전전류 패턴으로 배터리를 충전함으로써, 배터리 충전시간을 단축하고 배터리의 전체 수명을 증가시키는 효과를 제공한다.

100 - 전류원 200 - 전원변환부
300 - 배터리 충전제어부(배터리충전장치)
310 - 배터리 상태 관리부 320 - 전류 제어부
330 - 전압 검출부 340 - 충전전류 패턴 산출부
400 - 배터리 450 - BMS
500 - 부하 600 - 전력계통

Claims (13)

1. 전류원으로부터 공급되는 출력전원을 배터리 충전에 적합한 전원으로 변환하는 전원변환부;
   상기 전원변환부에 연결되어 전원을 충전하고, 제어신호에 따라 상기 충전된 전원을 부하에 공급하는 배터리; 및
   상기 배터리의 충전 동작을 제어하는 배터리 충전제어부를 포함하고,
   상기 배터리 충전제어부는, 배터리 충전신호에 따라 상기 배터리를 제1정전류 값으로 충전하고, 상기 배터리의 충전전압이 정해진 기준전압에 도달하면, 감소된 제2정전류 값으로 상기 배터리를 충전하되,
   상기 제2정전류 값은, 상기 배터리에 해당하는 배터리 모델링을 근거로 최적화 알고리즘을 반복적으로 수행하여 얻어지는 최적 충전전류 값인 것을 특징으로 하는 에너지저장시스템.
2. 제1 항에 있어서, 상기 최적화 알고리즘은,
   ACS(Ant Colony System) 알로리즘인 것인 에너지저장시스템.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 배터리 충전제어부는,
   상기 최적화 알고리즘을 사용하여 산출된 복수의 레벨에 대한 각 최적 충전전류 값이 레벨이 증가할 때마다 단계적으로 감소되는 양상의 충전전류 패턴을 산출하고,
   상기 충전전압이 정해진 기준전압에 도달하면, 상기 충전전류 패턴의 다음 레벨을 수행하도록 결정하는 것을 특징으로 하는,
   에너지저장시스템.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 산출된 충전전류 패턴으로 상기 배터리를 충전하기 위한 입력신호를 인가받는 입력부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   에너지저장시스템.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 부하에 연결되어, 배터리의 충전상태에 따라 상기 부하에 보조전원을 공급하는 전력계통을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
   에너지저장시스템.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 배터리 충전제어부는,
   상기 배터리의 충전상태에 관한 정보를 수신하는 배터리 상태 관리부;
   상기 배터리에 공급되는 충전전류 값을 제어하는 전류제어부;
   상기 충전전류의 공급에 따라 증가하는 충전전압의 크기를 검출하는 전압검출부; 및
   내장된 최적화 알고리즘을 사용하여 복수의 레벨에 대한 각 최적 충전전류 값을 산출하는 충전전류 패턴 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   에너지저장시스템.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 전류제어부와 상기 배터리 사이에 구비되어, 상기 충전전류의 흐름을 단속하는 하나 이상의 출력스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
   에너지저장시스템.
8. 배터리에 공급되는 충전전류를 제어하는 전류제어부;
   상기 충전전류의 공급에 따라 증가하는 충전전압의 크기를 검출하는 전압검출부; 및
   내장된 최적화 알고리즘을 사용하여 단계적으로 감소되는 복수의 최적 충전전류 값을 갖는 충전전류 패턴을 산출하고, 상기 충전전압 값이 기준전압 값에 도달하면 다음 단계의 감소된 최적 충전전류 값을 상기 전류제어부에 제공하는 충전전류 패턴 산출부를 포함하되,
   상기 최적 충전전류 값은, 상기 배터리에 해당하는 배터리 모델링을 근거로 최적화 알고리즘을 반복적으로 수행하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 배터리충전장치.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 산출된 충전전류 패턴으로 상기 배터리를 충전하기 위한 입력신호를 인가받는 입력수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
   배터리충전장치.
10. 제8 항에 있어서,
    상기 전류제어부는, 상기 최적 충전전류 값을 상기 배터리에 정전류 방식으로 공급하는 것을 특징으로 하는,
    배터리충전장치.
11. 배터리의 충전여부를 결정하는 단계;
    상기 배터리를 제1정전류 값으로 충전하는 단계;
    상기 배터리의 충전전압의 크기가 정해진 기준전압을 초과하는지를 감시하는 단계; 및
    상기 충전전압의 크기가 기준전압에 도달하면, 감소된 제2정전류 값으로 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하되,
    상기 제2정전류 값은, 상기 배터리에 해당하는 배터리 모델링을 근거로 최적화 알고리즘을 반복적으로 수행하여 얻어지는 최적 충전전류 값인 것을 특징으로 하는 배터리충전방법.
12. 제11 항에 있어서, 상기 최적화 알고리즘은,
    ACS(Ant Colony System) 알로리즘인 것인 배터리충전방법.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 산출된 최적 충전전류 값으로 상기 배터리를 충전하는 제어신호를 수신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    배터리충전방법.

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