현재 대부분의 도서지역에서는 태양광발전을 효율적으로 운용하기 위하여 대용량 연축전지가 많이 사용되고 있지만, 풍력발전의 도입, 축전지 교체로 인하여 리튬이온전지의 도입이 증가하고 있다. 따라서 본 논문에서는 기존에 많이 보급되어 사용되고 있는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위하여, 연축전지와 리튬이온전지용 하이브리드BMS알고리즘을 제시하였다. 즉, 각 전지의 충전상태(state of charge, SOC)를 평가하는 알고리즘과 각 전지의 도입비용과 운용비용에 따른 최적 구성비를 산출하는 하이브리드 운용 알고리즘을 제안하였다. 상기의 알고리즘을 이용하여 다양한 시뮬레이션을 수행한 결과, 기존의 충전상태 평가 방법보다 오차율이 개선되어 정확한 충전상태에 대한 결과가 산출되었고, 각 전지의 도입비용과 운용비용이 최소화되는 조건에서 최적구성비를 구하여, 본 논문에서 제안한 하이브리드 BMS 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
현재 대부분의 도서지역에서는 태양광발전을 효율적으로 운용하기 위하여 대용량 연축전지가 많이 사용되고 있지만, 풍력발전의 도입, 축전지 교체로 인하여 리튬이온전지의 도입이 증가하고 있다. 따라서 본 논문에서는 기존에 많이 보급되어 사용되고 있는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위하여, 연축전지와 리튬이온전지용 하이브리드 BMS 알고리즘을 제시하였다. 즉, 각 전지의 충전상태(state of charge, SOC)를 평가하는 알고리즘과 각 전지의 도입비용과 운용비용에 따른 최적 구성비를 산출하는 하이브리드 운용 알고리즘을 제안하였다. 상기의 알고리즘을 이용하여 다양한 시뮬레이션을 수행한 결과, 기존의 충전상태 평가 방법보다 오차율이 개선되어 정확한 충전상태에 대한 결과가 산출되었고, 각 전지의 도입비용과 운용비용이 최소화되는 조건에서 최적구성비를 구하여, 본 논문에서 제안한 하이브리드 BMS 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
Recently, the large scaled lead-acid battery is widely introduced to efficient operation of the photovoltaic system in many islands. but the demand of lithium-ion battery is getting increased by the operation of wind power and replacement of the lead-acid battery. And also, under the renewable portf...
Recently, the large scaled lead-acid battery is widely introduced to efficient operation of the photovoltaic system in many islands. but the demand of lithium-ion battery is getting increased by the operation of wind power and replacement of the lead-acid battery. And also, under the renewable portfolio standard(RPS) and energy efficiency resource standard(EERS) policy of Korea government, the introduction of energy storage system(ESS) has been actively increased. Therefore, this paper presents the operation algorithm of hybrid battery management system(BMS) using the lead-acid and lithium-ion batteries, in order to maximize advantage of each battery. In other words, this paper proposed the algorithm of state of charge(SOC) and hybrid operation algorithm to calculate the optimal composition rate considering the fixed cost and operation cost of each battery. From the simulation results, it is confirmed that the proposed algorithms are an effective tool to evaluate SOC and to optimally operate hybrid ESS.
Recently, the large scaled lead-acid battery is widely introduced to efficient operation of the photovoltaic system in many islands. but the demand of lithium-ion battery is getting increased by the operation of wind power and replacement of the lead-acid battery. And also, under the renewable portfolio standard(RPS) and energy efficiency resource standard(EERS) policy of Korea government, the introduction of energy storage system(ESS) has been actively increased. Therefore, this paper presents the operation algorithm of hybrid battery management system(BMS) using the lead-acid and lithium-ion batteries, in order to maximize advantage of each battery. In other words, this paper proposed the algorithm of state of charge(SOC) and hybrid operation algorithm to calculate the optimal composition rate considering the fixed cost and operation cost of each battery. From the simulation results, it is confirmed that the proposed algorithms are an effective tool to evaluate SOC and to optimally operate hybrid ESS.
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문제 정의
(1) 본 논문에서는 충전상태 평가의 정확도를 향상하기 위하여, 전류의 변동분에 대한 오차를 줄이고 전력손실에 대한 부분을 고려하였고, 기존의 전류누적이 아닌 전력량을 누적시키는 전력량 적산법을 제안하였다. 또한, 전지의 초기상태를 평가하기 위한 개방전압과 전력량 적산법을 조합하는 하이브리드 SOC 평가 알고리즘을 제안하였다.
(2) 본 논문에서는 각 전지의 최적 구성비를 산출하기 위하여, 각 전지의 도입비용과 운용비용의 합을 최소화하는 하이브리드 운용 알고리즘을 제안하였다. 또한, 상기 알고리즘의 최소화하는 조건에서 각 전지의 도입비용과 운용비용에 따른 최적 구성비를 결정하기 위하여, 최적화 평가 알고리즘을 제안하였다.
하지만 기존의 이차전지의 BMS는 개별적인 전지의 상태감시 위주로 사용되고 있어, 하이브리드 전기저장장치에 적용하기 어려운 실정이다[8]. 따라서 본 논문에서는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위하여, 연축전지와 리튬이온전지용 하이브리드 BMS 알고리즘을 제시하였다. 즉, 각 전지의 충전상태(state of charge, SOC)를 평가하는 알고리즘과 각 전지의 도입비용과 운용비용에 따른 최적구성비를 산출하는 하이브리드 운용 알고리즘을 제안하였다.
또한, 충·방전을 수행하면서 발생하는 전력손실에 대한 부분을 고려하지 못하는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 전류의 변동분에 대한 오차를 줄이고 전력손실에 대한 부분을 고려하기 위하여, 전류누적이 아닌 전력량을 누적시키는 전력량 적산(KWh-Counting)법을 제시하였다. 또한, 전지의 개방전압(open circuit voltage, OCV)과 전력량 적산법을 조합하는 하이브리드 SOC 평가 알고리즘을 제안하였다.
현재 출시되고 있는 대부분의 연축전지는 밀폐형 타입이므로 전지의 내부 온도를 직접적으로 측정하는 것은 매우 어렵다. 따라서 축전지 케이스 온도와 외부 온도를 측정하여 축전지의 내부 온도를 파악하는 방안을 제안한다. 이를 위하여 식 (4)와 같이 정상상태에서 대류열전달과 전도열전달이 평형을 이루는 열전달식을 도입하였다.
본 논문에서는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위하여, 각 전지의 용도에 따른 적정한 구성과 운용이 가능할 수 있도록 BMS 알고리즘을 제안하였다. 상기의 알고리즘을 바탕으로 다양한 시뮬레이션을 수행한 결과, 본 논문에서 제안한 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
상기 목적함수를 최소화하는 조건에서 각 전지의 도입비용과 운용비용에 따른 최적 구성비를 결정하기 위하여, 본 논문에서는 Fig. 3과 같이 최적화 평가 알고리즘을 제안하였다. 먼저, 각 전지의 부하 변동특성에서의 도입용량(yij)의 조건에 대하여 전체 도입용량(X)을 결정한다.
가설 설정
또한, 각 전지의 kWh당 도입단가와 C-rate별 환산수명의 조건은 Table 2와 같으며, 운용비용에 대한 가중치는 각 전지의 운용 특성 및 사용연수를 고려하여 평균수명인 3,000으로 가정하였다.
여기서, 전지는 연축전지와 리튬이온전지 2가지 전지를 이용하며, 부하의 변동특성에 따라 급변성, 중간 급변성, 비 급변성의 3가지 조건을 상정하였다. 또한, 각 전지의 전체 도입용량은 부하의 조건에 따라 700kWh로 가정하였다.
여기서, 부하 변동특성에 대한 전지의 도입용량은 부하의 급변성 정도에 따라 가장 경제적인 전지를 선정한다. 또한, 도입비용에 대한 운용비용의 가중치는 각 전지의 운용 특성 및 사용 연수 등의 변수들을 고려하여 상정한다.
본 논문에서 제안한 최적화 평가 알고리즘을 이용하여, 상기의 부하조건에 따른 연축전지와 리튬이온전지의 최적 구성비를 분석하였다. 리튬이온전지와 연축전지의 도입용량 합을 100%로 가정하고 일정용량만큼 구성비를 변화시켜가면서, 도입비용과 운용비용의 합을 산출하면 Fig. 7과 같다. 여기서, 리튬이온전지와 연축전지의 구성 비율이 2:5에서 목적함수의 비용이 최소가 되었다.
상기의 전체 도입용량에 대하여 기준 전지를 선정하여 도입용량(xi)을 100%로 상정한 후, 가중치를 고려하여 도입비용과 운용비용의 합을 계산하여 초기치(F0)로 가정한다. 다음으로 기준 전지와 각 전지들의 용량을 일정비율(∆x)만큼 변화시키면서, 도입비용과 운용비용을 재계산하여 새로운 비용(Fn)을 산출한다.
제안 방법
기존의 전류 적산법과 본 논문에서 제안한 전력량 적산법에 의한 전지의 충전상태 오차율을 비교하기 위하여, 200W 저항을 이용하여 실제 방전된 전력량을 기준 값으로 산정하였다. 여기서, 200W 저항을 이용하여 리튬이온전지를 방전시킬 경우, Fig.
)로 가정한다. 다음으로 기준 전지와 각 전지들의 용량을 일정비율(∆x)만큼 변화시키면서, 도입비용과 운용비용을 재계산하여 새로운 비용(Fn)을 산출한다. 여기서, 현재 단계에서 계산된 비용(Fn)이 이전 단계에서 계산된 비용(Fn -1) 보다 작다면 경제성이 있음을 의미한다.
(2) 본 논문에서는 각 전지의 최적 구성비를 산출하기 위하여, 각 전지의 도입비용과 운용비용의 합을 최소화하는 하이브리드 운용 알고리즘을 제안하였다. 또한, 상기 알고리즘의 최소화하는 조건에서 각 전지의 도입비용과 운용비용에 따른 최적 구성비를 결정하기 위하여, 최적화 평가 알고리즘을 제안하였다.
따라서 본 논문에서는 전류의 변동분에 대한 오차를 줄이고 전력손실에 대한 부분을 고려하기 위하여, 전류누적이 아닌 전력량을 누적시키는 전력량 적산(KWh-Counting)법을 제시하였다. 또한, 전지의 개방전압(open circuit voltage, OCV)과 전력량 적산법을 조합하는 하이브리드 SOC 평가 알고리즘을 제안하였다.
(1) 본 논문에서는 충전상태 평가의 정확도를 향상하기 위하여, 전류의 변동분에 대한 오차를 줄이고 전력손실에 대한 부분을 고려하였고, 기존의 전류누적이 아닌 전력량을 누적시키는 전력량 적산법을 제안하였다. 또한, 전지의 초기상태를 평가하기 위한 개방전압과 전력량 적산법을 조합하는 하이브리드 SOC 평가 알고리즘을 제안하였다.
본 논문에서 제안한 최적화 평가 알고리즘을 이용하여, 상기의 부하조건에 따른 연축전지와 리튬이온전지의 최적 구성비를 분석하였다. 리튬이온전지와 연축전지의 도입용량 합을 100%로 가정하고 일정용량만큼 구성비를 변화시켜가면서, 도입비용과 운용비용의 합을 산출하면 Fig.
본 논문에서 제안한 하이브리드 방식의 SOC 평가 알고리즘의 유용성을 확인하기 위하여, 200W 저항을 이용하여 개방전압, 전력량 적산법, 하이브리드 방법으로 충전상태를 평가하여 특성을 비교하였다. 여기서, Fig.
본 논문에서 제안한 하이브리드 운용 알고리즘에 따른 메리트를 분석하기 위하여, 부하의 조건과 전지의 운용조건을 Table 1과 같이 상정하였다. 여기서, 전지는 연축전지와 리튬이온전지 2가지 전지를 이용하며, 부하의 변동특성에 따라 급변성, 중간 급변성, 비 급변성의 3가지 조건을 상정하였다. 또한, 각 전지의 전체 도입용량은 부하의 조건에 따라 700kWh로 가정하였다.
따라서 축전지 케이스 온도와 외부 온도를 측정하여 축전지의 내부 온도를 파악하는 방안을 제안한다. 이를 위하여 식 (4)와 같이 정상상태에서 대류열전달과 전도열전달이 평형을 이루는 열전달식을 도입하였다.
따라서 본 논문에서는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위하여, 연축전지와 리튬이온전지용 하이브리드 BMS 알고리즘을 제시하였다. 즉, 각 전지의 충전상태(state of charge, SOC)를 평가하는 알고리즘과 각 전지의 도입비용과 운용비용에 따른 최적구성비를 산출하는 하이브리드 운용 알고리즘을 제안하였다. 상기의 알고리즘을 이용하여 다양한 시뮬레이션을 수행한 결과, 기존의 충전상태 평가 방법보다 오차율이 개선되어 정확한 충전상태에 대한 결과가 산출되었고, 각 전지의 도입 비용과 운용비용이 최소화 되는 운용조건에서 최적구성비를 구하여, 본 논문에서 제안한 하이브리드 BMS 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
최종적으로, 경제성이 발생하는 Fn < Fn-1 의 조건에서 최소비용(Fn)을 출력하여, 각 전지의 최적 구성비를 산출한다.
한편, 본 논문에서는 리튬이온전지의 충전상태를 평가하는 방법으로 Fig. 2와 같이, 개방전압과 전력량 적산법을 조합하는 방법을 사용하였다. 즉, 전지의 초기 충전 상태를 개방전압을 이용하여 기준 값으로 정의한 후, 전력량을 적산시켜가며 전지의 충전상태를 파악하는 방법이다.
데이터처리
기존에 널리 사용되고 있는 전류적산법을 기준으로, 본 논문에서 제안한 SOC 평가 알고리즘과 기존의 SOC 평가 알고리즘의 충전상태 오차율을 비교 분석하였다. 여기서, 200W 저항을 이용하여 연축전지를 방전시킬 경우, Fig.
성능/효과
또한, 개방전압으로만 충전상태를 평가할 경우 완전 방전지점에서 충전특성은 약 18%이며, 하이브리드 방법으로 충전상태를 평가할 경우 충전특성은 0%이다. 한편, 200W 저항의 실제 방전량은 62%로써, 하이브리드 방법으로 평가한 충전특성(61.
본 논문에서는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위하여, 각 전지의 용도에 따른 적정한 구성과 운용이 가능할 수 있도록 BMS 알고리즘을 제안하였다. 상기의 알고리즘을 바탕으로 다양한 시뮬레이션을 수행한 결과, 본 논문에서 제안한 알고리즘의 유용성을 확인하였다. 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
즉, 각 전지의 충전상태(state of charge, SOC)를 평가하는 알고리즘과 각 전지의 도입비용과 운용비용에 따른 최적구성비를 산출하는 하이브리드 운용 알고리즘을 제안하였다. 상기의 알고리즘을 이용하여 다양한 시뮬레이션을 수행한 결과, 기존의 충전상태 평가 방법보다 오차율이 개선되어 정확한 충전상태에 대한 결과가 산출되었고, 각 전지의 도입 비용과 운용비용이 최소화 되는 운용조건에서 최적구성비를 구하여, 본 논문에서 제안한 하이브리드 BMS 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
상기의 알고리즘을 이용하여 부하조건에 따른 연축전지와 리튬이온전지의 최적 구성비를 분석한 결과, 리튬이온전지와 연축전지의 구성 비율이 2:5에서 목적함수의 비용이 최소가 되었다. 즉, 각 전지의 운용 특성 및 수명을 고려한 최적 구성비에 의하여, 하이브리드 운용에 의한 경제성을 평가할 수 있음을 확인하였다.
기존의 전류 적산법과 본 논문에서 제안한 전력량 적산법에 의한 전지의 충전상태 오차율을 비교하기 위하여, 200W 저항을 이용하여 실제 방전된 전력량을 기준 값으로 산정하였다. 여기서, 200W 저항을 이용하여 리튬이온전지를 방전시킬 경우, Fig. 5와 같이 전류 적산법(오차율 3%)에 비하여 제안한 방법(오차율 1%)의 오차율이 2% 정도 개선되어, 본 논문에서 제안한 SOC 평가 알고리즘의 정확성을 확인하였다.
기존에 널리 사용되고 있는 전류적산법을 기준으로, 본 논문에서 제안한 SOC 평가 알고리즘과 기존의 SOC 평가 알고리즘의 충전상태 오차율을 비교 분석하였다. 여기서, 200W 저항을 이용하여 연축전지를 방전시킬 경우, Fig. 4와 같이 기존의 온도를 보정하지 않는 방법(오차율 25%)에 비하여 제안한 방법(오차율 11%)의 오차율이 14% 정도 개선되어, 본 논문에서 제안한 SOC 평가 알고리즘의 정확성을 확인하였다.
여기서, 리튬이온전지와 연축전지의 구성 비율이 2:5에서 목적함수의 비용이 최소가 되었다. 즉, 각 전지의 운용 특성 및 수명을 고려한 최적 구성비에 의하여, 하이브리드 운용에 의한 경제성을 평가할 수 있음을 확인하였다.
또한, 개방전압으로만 충전상태를 평가할 경우 완전 방전지점에서 충전특성은 약 18%이며, 하이브리드 방법으로 충전상태를 평가할 경우 충전특성은 0%이다. 한편, 200W 저항의 실제 방전량은 62%로써, 하이브리드 방법으로 평가한 충전특성(61.4%)과 가장 근사함을 확인하여, 본 논문에서 제안한 하이브리드 SOC 평가 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
또한, 개방전압으로만 충전상태를 평가할 경우 완전 방전지점에서 충전특성은 약 18%이며, 하이브리드 방법으로 충전상태를 평가할 경우 충전특성은 0%이다. 한편, 200W 저항의 실제 방전량은 62%로써, 하이브리드 방법으로 평가한 충전특성(61.4%)과 가장 근사함을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 이차전지의 BMS가 하이브리드 전기저장장치에 적용하기 어려운 이유는?
또한, 풍력발전의 도입, 축전지 교체로 인하여 리튬이온전지의 도입이 증가되고 있지만 비용 측면에서 문제점을 가지고 있어, 기존의 연축전지와 조합된 하이브리드 전기저장장치의 기술개발이 요구되고 있다[4,5,6,7]. 하지만 기존의 이차전지의 BMS는 개별적인 전지의 상태감시 위주로 사용되고 있어, 하이브리드 전기저장장치에 적용하기 어려운 실정이다[8]. 따라서 본 논문에서는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위하여, 연축전지와 리튬이온전지용 하이브리드 BMS 알고리즘을 제시하였다.
연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위해서 본 논문에서 제안한 하이브리드 BMS 알고리즘은?
따라서 본 논문에서는 연축전지와 리튬이온전지의 장점을 최대한 활용하기 위하여, 연축전지와 리튬이온전지용 하이브리드 BMS 알고리즘을 제시하였다. 즉, 각 전지의 충전상태(state of charge, SOC)를 평가하는 알고리즘과 각 전지의 도입비용과 운용비용에 따른 최적구성비를 산출하는 하이브리드 운용 알고리즘을 제안하였다. 상기의 알고리즘을 이용하여 다양한 시뮬레이션을 수행한 결과, 기존의 충전상태 평가 방법보다 오차율이 개선되어 정확한 충전상태에 대한 결과가 산출되었고, 각 전지의 도입 비용과 운용비용이 최소화 되는 운용조건에서 최적구성비를 구하여, 본 논문에서 제안한 하이브리드 BMS 알고리즘의 유용성을 확인하였다.
대용량 연축전지의 약점은?
현재 원자력 발전의 안전성 문제, 화석연료 고갈 그리고 정부의 신에너지원의 개발정책에 의하여 신재생에너지원의 효율적인 유지관리기술이 대두되고 있는 상황이며, 이를 해결하기 위해 이차전지를 이용한 여러 기술들이 제안되고 있다[1,2,3]. 현재 대부분의 도서지역에서는 태양광발전의 출력제어용으로 도입비용이 저렴한 대용량 연축전지가 많이 사용되고 있지만, 보수유지, 수명 등에 많은 약점을 가지고 있다. 또한, 풍력발전의 도입, 축전지 교체로 인하여 리튬이온전지의 도입이 증가되고 있지만 비용 측면에서 문제점을 가지고 있어, 기존의 연축전지와 조합된 하이브리드 전기저장장치의 기술개발이 요구되고 있다[4,5,6,7].
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