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KR-20260061840-A - SYSTEM AND METHOD FOR ASSESSING ESS HEALTH USING DYNAMIC CHANGE RATE OF INSULATION RESISTANCE

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Abstract

본 기술은 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템 및 방법이 개시되어 있다. 이러한 본 기술의 구체적인 구현 예에 따르면, IMD 장치에 의거 소정 시간 단위로 계측된 절연저항의 변화율과 평균 절연저항 변화율을 토대로 계측된 절연 저항의 건전성을 판단하고, 도출된 평균 절연저항에 대한 표준 편차로 임계값을 도출한 다음 도출된 임계값 및 절연저항 변화율로 충전 상태에서의 ESS 건전성을 판단함에 따라 배터리의 절연 저하, 열화 및 화재 위험도 등을 포함하는 배터리의 절연저항에 대한 건전성 및 ESS 건전성을 조기에 감지할 수 있다.

Inventors

  • 박영
  • 이훈서

Assignees

  • 국립한밭대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (9)

  1. 외부로부터 공급되는 교류전원을 직류전원으로 변환하여 배터리로 공급하는PCS(Power Conditioning System)의 출력단에서 계측된 절연 저항을 토대로 ESS(Energy Storage System)의 건전성을 판단하는 IMD(Insulation Monitoring Device) 장치를 포함하고, 상기 IMD 장치는, 상기 절연 저항을 기 정해진 소정 시간 단위로 계측하는 계측부; 계측된 절연 저항에 대한 절연저항 변화율, 평균 절연저항, 및 평균 절연저항 변화율을 순차적으로 연산하여 평균 절연저항 변화율을 도출하는 연산부를 포함하고, 상기 연산된 평균 절연저항 변화율을 토대로 평균 절연저항 대비 평균 절연저항 변화율을 토대로 소정 충전 상태(SOC : State of Charge)에서의 계측된 절연저항에 대한 건전성을 판단하는 건전성 판단부를 더 포함하는 특징으로 하는 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연산부는, 상기 계측된 절연 저항의 절연 저항 변화율을 연산하는 변화율 연산모듈; 상기 절연저항 변화율에 대한 평균 절연저항을 도출하는 평균 연산모듈; 및 상기 평균 절연저항을 토대로 평균 절연저항 변화율을 연산하는 평균 변화율 연산모듈을 포함하는 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 IMD 장치는, 외기 온도 변화에 따라 상기 계측부의 절연 저항을 보정하는 온도 보정 계수를 독출하고 도출된 온도 보정 계수를 상기 변화율 연산모듈로 공급하는 보정부를 더 포함하도록 구비되는 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 IMD 장치는, 상기 평균 절연저항에 대한 표준편차를 연산하고 연산된 표준 편차를 토대로 임계값을 도출하는 임계 도출부를 더 포함하고, 상기 건전성 판단부는, 상기 절연저항 변화율과 상기 임계값을 토대로 ESS의 건전성을 판단하도록 구비되는 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템.
  5. 제1항의 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템에 의거 수행되는 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 방법에 있어서, 상기 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템에 포함되는 적어도 하나의 프로세서는, 외부로부터 공급되는 교류전원을 직류전원으로 변환하여 배터리로 공급하는PCS(Power Conditioning System)의 출력단에서 절연 저항을 기 정해진 소정 시간 단위로 계측하는 절연저항 계측단계; 계측된 절연 저항에 대한 절연저항 변화율, 평균 절연저항, 및 평균 절연저항 변화율을 순차적으로 연산하여 평균 절연저항 변화율을 도출하는 연산단계; 및 상기 연산된 평균 절연저항 변화율을 토대로 평균 절연저항 대비 평균 절연저항 변화율을 토대로 소정 충전 상태(SOC : State of Charge)에서의 계측된 절연저항에 대한 건전성을 판단하는 건전성 판단단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 계측단계 이 후에, 외기 온도 변화에 따라 계측된 절연 저항을 보정하는 온도 보정 계수를 독출하고 도출된 온도 보정 계수와 계측된 절연저항의 곱연산으로 보정된 절연저항을 상기 연산단계로 전달하는 보정단계를 더 포함하도록 구비되는 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 건전성 판단단계 이후에 상기 평균 절연저항에 대한 표준편차를 연산하고 연산된 표준 편차를 토대로 임계값을 도출하는 임계 도출단계를 더 포함하고, 상기 건전성 판단단계는, 상기 평균 절연저항 변화율과 상기 임계값을 토대로 ESS의 건전성을 판단하도록 구비되는 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 방법.
  8. 제5항 내지 제7항의 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 방법을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 것을 특징으로 하는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
  9. 컴퓨터와 결합되어 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 방법을 컴퓨터에 실행시키기 위해 컴퓨터에서 판독가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램에 있어서, 상기 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 방법은, 외부로부터 공급되는 교류전원을 직류전원으로 변환하여 배터리로 공급하는PCS(Power Conditioning System)의 출력단에서 절연 저항을 기 정해진 소정 시간 단위로 계측하는 절연저항 계측단계; 계측된 절연 저항에 대한 절연저항 변화율, 평균 절연저항, 및 평균 절연저항 변화율을 순차적으로 연산하여 평균 절연저항 변화율을 도출하는 연산단계; 및 상기 연산된 평균 절연저항 변화율을 토대로 평균 절연저항 대비 평균 절연저항 변화율을 토대로 소정 충전 상태(SOC : State of Charge)에서의 계측된 절연저항에 대한 건전성을 판단하는 건전성 판단단계를 포함하고, 상기 절연저항 계측단계 이후에 외기 온도 변화에 따라 계측된 절연 저항을 보정하는 온도 보정 계수를 독출하고 도출된 온도 보정 계수와 계측된 절연저항의 곱연산으로 보정된 절연저항을 상기 연산단계로 전달하는 보정단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템의 운영 프로그램.

Description

절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR ASSESSING ESS HEALTH USING DYNAMIC CHANGE RATE OF INSULATION RESISTANCE} 본 발명은 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, PCS(Power Conditioning System) 출력단의 절연 저항에 대한 동적 변화율을 토대로 배터리의 절연 저하 및 열화 등을 조기 감지하여 배터리 건전성을 판단할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다. ESS의 충전과 방전 상태에서의 내부 절연 저항 변화의 감지하는 IMD(Insulation Monitoring Device)는 기준 저항값이 초과 여부를 감시하는 장치이다. 이러한 IMD 장치는 ESS의 절연저항 모니터링의 절연 저항값의 기준인 임계치가 제조사 마다 다른 기준값을 가지고 있으며, ESS의 배터리 재사용 시에는 절연저항의 기준값 자체가 불명확하므로, 배터리의 절연 저하, 화재위험 및 열화를 감지함에 있어 정확도가 저하되는 한계에 도달하였다. 본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다. 도 1은 일 실시예가 적용되는 절연저항 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템의 구성도이다. 도 2는 도 1의 IMD 장치의 세부 구성도이다. 도 3은 도 2의 연산부의 세부 구성도이다. 도 4는 다른 실시예에 따른 절연저항 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 과정을 보인 전체 흐름도이다. 아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 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. 이하에서의 일 실시예는 절연저항 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템 및 방법에 대해 구체적으로 설명한다. 도 1은 일 실시예에 따른 절연저항 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템의 구성을 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 IMD 장치의 세부 구성도이며, 도 3은 도 2의 연산부의 세부 구성도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 절연저항 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템은 PCS(Power Conditioning System) 출력단의 절연 저항에 대한 동적 변화율을 토대로 배터리의 절연 저하 및 열화 등을 조기 감지하여 ESS 건전성을 판단하는 구성을 갖추며, 이에 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, PCS(100 : Power Conditioning System), 배터리(200 : ESS), 및 IMD 장치(300: Insulation Monitoring Device)를 포함할 수 있다. 여기서, PCS(100)는 외부로부터 공급되는 교류전원을 직류전원으로 변환하여 배터리로 공급한다. 그리고 배터리(200)는 수신된 직류 전압을 충전한 다음 충전 완료 후 연결된 부하로 방전한다. 본 명세서 상에서 외부로부터 공급되는 교류전원을 PCS(100)에서 직류전원으로 변환하여 배터리로 공급한 다음 수신된 직류 전압을 배터리(200)에 충전한 다음 충전 완료 후 배터리에 연결된 부하(미도시됨)로 방전하는 일련의 과정에 대해 구체적으로 명시하지 아니하였으나 이는 당업자 수준에서 이해될 수 있을 것이다. 여기서, IMD 장치(300)는 PCS(Power Conditioning System) 출력단의 절연 저항에 대한 동적 변화율을 토대로 배터리(200)의 건전성을 판단하는 구성을 갖추며, 이에 IMD 장치(300)는 도 2를 참조하면, 계측부(310), 보정부(320), 연산부(330), 및 건전성 판단부(350)를 포함할 수 있다. 여기서 계측부(310)는 PCS(100)의 출력단과 배터리(200)의 입력단 사이의 절연저항을 기 정해진 소정 시간 단위(n)로 측정한다. 여기서, 외기 온도에 따라 계측된 절연 저항은 변동될 수 있다. 이에 계측된 절연 저항 및 계측된 외기 온도는 보정부(320)로 제공된다. 계측된 절연저항은 온도가 높아지면 절연 재료에 대한 저항성이 감소되므로, 절연저항에 대한 계측 오류가 발생될 수 있다. 이에 보정부(320)는 외기 온도와 매칭되어 기 저장된 온도 보정 계수를 독출한 다음 독출된 온도 보정 계수와 계측된 절연저항의 곱연산으로 계측된 절연 저항을 보정한다. 보정된 절연 저항은 연산부(330)에 제공될 수 있다. 여기서, 보정된 절연 저항(Rcorrected)에 대한 온도 보정 계수 CT(T)는 하기 식 2로 나타낼 수 있다. [식 1] 여기서, α는 온도 계수이고, T는 현재 온도이며, Tref는 기준온도(바람직하게 20℃로 설정)이다. 보정된 절연 저항은 하기 식 3으로 나타낼 수 있다. [식 2] 여기서, CT(T)는 온도 보정 계수이고, Rt는 현재 시점의 절연 저항이다. 상기 보정된 절연 저항은 연산부(330)로 제공된다. 연산부(330)는 계측된 절연 저항의 변화율, 평균값, 및 평균 변화율을 순차적으로 도출하고 도출된 평균 변화율로 절연 저항값에 대한 건전성을 판단할 수 있다. 여기서, 연산부(330)는 도 3에 도시된 바와 같이, 변환율 연산모듈(331), 평균 연산모듈(333), 및 평균 변환율 연산모듈(335)를 포함할 수 있다. 변화율 연산모듈(331)은 보정된 절연 저항에 대한 변화율을 도출하며, 여기서, 절연 저항에 대한 변화율(%)은 하기 식 3으로 나타낼 수 있다. [식 3] Rcorrected,t는 현재 시점(t)의 보정된 절연 저항이고, Rcorrected,t-n은 소정 시간 단위(n) 이전 시점(t-n)의 보정된 절연 저항이다. 이어 평균 연산모듈(333)은 온도 보정된 절연저항에 대한 평균을 연산하며, 연산된 절연저항 Ri에 대한 평균(Ravg)은 하기 식 4로 나타낼 수 있다. [식 4] 여기서 Ri는 보정된 절연 저항이고, n은 소정 시간 단위이다. 한편, 상기 평균 절연저항을 제공받은 평균 변화율 연산모듈(335)는 평균 절연저항 Ravg에 대한 변화율을 도출하며 도출된 평균 절연저항 변화율은 하기 식 5로 나타낼 수 있다. [식 5] 한편, 이러한 평균 절연저항 변화율을 수신한 건전성 판단부(340)는 상기 평균 절연저항 변화율(%)를 토대로 소정 충전 상태(SOC) 범위에서 절연 저항값에 대한 건전성이 판단될 수 있다. 일 례로 평균 절연저항 변화율(%)이 높으면 배터리 절연 저하, 열화, 및 회재 위험율이 상승되므로, 이에 연산된 평균 절연저항의 변화율을 통한 절연 저항 감시를 통해 절연 저항값에 대한 건전성을 판단할 수 있다. 따라서, 절연 저항의 건전성 판단은 상기 연산된 평균 절연저항 변화율을 토대로 평균 절연저항 대비 평균 절연저항 변화율이 기 정해진 설정값 이상인 경우 보정된 절연저항은 건전한 것으로 판단될 수 있다. 여기서, 설정값은 다수의 실험을 통해 얻어진 결과값으로 소정 위치에 저장된다. 이에 일 실시예는 온도 변화에 따라 계측된 절연 저항값을 보정함에 따라 배터리 또는 재사용 배터리에 대한 절연저항의 계측 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 배터리의 안전 관리를 수행할 수 있다. 한편, IMD 장치(300)는 절연저항 변화율이 평균 절연저항 대비 일정 범위를 벗어났는 지를 판단하기 위한 임계값을 설정하여야 하고 이에 IMD 장치(300)는 평균 절연저항 RRavg에 대한 표준 편차를 도출하는 임계 도출부(350)를 더 포함하고, 임계 도출부(350)는 상기 평균 절연저항 Ravg에 대한 표준편차 σ를 연산하고 연산된 표준 편차 σ를 토대로 임계값을 도출하며 연산된 표준편차 σ는 하기 식 6으로 나타낼 수 있다. [식 6] 여기서, Ri는 현재 시점에서 계측된 절연저항이다. 이러한 평균 절연저항 Ravg 및 표준 편차 σ의 비와 기 설정된 계수 k를 토대로 임계값을 도출하며 도출된 임계값은 하기 식 7으로 나타낼 수 있다. [식 7] 상기 식 7에 의고 건전성 판단부(340)는 절연저항 변화율(%)과 상기 임계값의 비교 결과를 토대로 ESS의 건전성을 판단하고, 판단 결과에 따른 경고 메시지를 출력한다. 일 례로, 절연저항 변화율(%)이 상기 임계값을 초과하는 경우 건전성 판단부(340)는 ESS의 절연 저하, 열화 및 화재 위험 등을 포함하는 건전성이 저하된다고 판단할 수 있다. 이에 일 실시예는, IMD 장치에 의거 소정 시간 단위로 계측된 절연저항의 변화율과 평균 절연저항 변화율을 토대로 계측된 절연 저항의 건전성을 판단하고, 도출된 평균 절연저항에 대한 표준 편차로 임계값을 도출한 다음 도출된 임계값 및 절연저항 변화율로 충전 상태에서의 ESS 건전성을 판단함에 따라 배터리의 절연 저하, 열화 및 화재 위험도 등을 포함하는 배터리의 절연저항에 대한 건전성 및 ESS 건전성을 조기에 감지할 수 있다. 또한 일 실시에는 온도 변화에 따른 절연 저항을 보정함에 따라 계측된 절연 저항에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있고, 절연 저항의 매우 중요한 재사용 배터리에 대해 안전 관리 및 장기적인 성능 유지를 수행할 수 있다. 도 4는 도 1의 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 시스템의 동작 과정을 보인 전체 흐름도로서, 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 과정을 설명한다. 즉, 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 방법을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 것을 특징으로 하는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체를 더 포함할 수 있고, 컴퓨터와 결합되어 절연저항의 동적 변화율을 이용한 ESS 건전성 판단 방법을 컴퓨터에 실행시키기 위해 컴퓨터에서 판독 가능한 기록