JP7179094B2 - バッテリーラック及びこれを含む電力貯蔵装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリーラック及びこれを含む電力貯蔵装置に関し、より詳しくは、耐震性能が強化されたバッテリーラック及びこれを含む電力貯蔵装置に関する。

本出願は、２０１９年１月１７日出願の韓国特許出願第１０－２０１９－０００６３９１号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。

二次電池は、化石燃料の使用を画期的に減少できるという一次的な長所だけでなく、エネルギーの使用に伴う副産物が全く発生しないという点で環境にやさしく、エネルギー効率性の向上のための新たなエネルギー源として注目されている。

このような二次電池は、携帯用機器だけでなく、電気車両（ＥＶ、ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ）、電力貯蔵装置（ＥＳＳ、ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ）などに普遍的に適用されている。

特に、電力貯蔵装置は、平常時は電力を貯蔵しておき、停電や電力不足などの電力を必要とするときに供給するシステムであって、適正動作電圧及び充電容量を確保できるように多数の二次電池が集積された構造を有する。

一般に、電力貯蔵装置は、電力室などに備えられている床（ｆｌｏｏｒ）上に置かれるタワー型のバッテリーラックに、多数のバッテリーが所定の列を成して積載された形態で提供される。従来のバッテリーラックに関する実施例が特許文献１及び特許文献２などに開示されている。

一方、近年、電力貯蔵装置が広く普及されるにつれて、一定レベル以上の発火防止性能及び耐震性能などを必須に備えることが求められている。

しかし、従来、電力貯蔵装置の発火防止性能に対しては当業界で活溌に研究開発され、多様な発火防止方法と解決手段が提示されているが、耐震性能の確保に関しては相対的に解決方案と手段が十分でない実情である。

例えば、従来の電力貯蔵装置の耐震性能強化方法を見れば、バッテリーラックを構成するフレームを高強度の金属合金素材から製作するかまたはその厚さを増やす方式が殆どである。しかし、この場合、バッテリーラックの重量が増加し、生産コストの面でも経済的ではないという短所がある。代案として、バッテリーラックに強度補強材を重ねる方案もあるが、空間効率性の面でマイナス要因になり、コストの面でも依然として経済的ではない。

したがって、別途の素材使用及び重量を減らすかまたは維持しながら、電力貯蔵装置の耐震性能を強化できる新たな方案が求められている。

韓国特許第１０－１２７８５０６号公報 韓国特許公開第１０－２０１５－０１１３６８８号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、従来のバッテリーラックに比べて重量を減らすかまたは維持しながら耐震性能を強化することができるバッテリーラック及びこれを含む電力貯蔵装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に一態様によれば、底面を形成するベースプレートと、前記ベースプレートに結合され、高さ方向に延びて複数のバッテリーモジュールの両側面部を支持する壁体を形成するメインフレームと、前記メインフレームの最上端部に結合されて天井を形成するトッププレートとを含み、前記トッププレート及びベースプレートの少なくともいずれか一つはビードを備えた板状体からなるバッテリーラックが提供される。

前記トッププレート及び前記ベースプレートは、長方形の板状体であり、前記ビードは前記長方形の板状体を横切るＸ字状に形成され得る。

前記メインフレームは、前記複数のバッテリーモジュールの幅だけ相互に離隔して配置される一対の第１メインフレーム及び第２メインフレームを含み、前記第１メインフレーム及び前記第２メインフレームは、それぞれ、前記ベースプレートから長さ方向に相互に離隔して配置されてそれぞれ高さ方向に延びる一対の垂直ビームと、前記一対の垂直ビームに高さ方向に沿って等間隔に結合されて前記バッテリーモジュールの底面のエッジ領域を支持可能に設けられる複数のガイドビームとを含み得る。

前記ベースプレート及び前記トッププレートは、長方形の板状体の角領域に他の部分より幅方向にさらに突出した側方突出部を備え、前記垂直ビームは横断面が「己」状に設けられて前記側方突出部を囲む形態で前記ベースプレート及び前記トッププレートに両端部が結合され得る。

前記第１メインフレーム及び前記第２メインフレームは、前記垂直ビームのうち少なくとも一つに壁取付け部材がさらに結合され得る。

前記壁取付け部材は、「コ」字状であって、前記垂直ビームと前記側方突出部に一体的に結合され得る。

前記壁取付け部材は、壁面に対して前記メインフレームを弾性的に支持できるように弾性体を備え得る。

前記壁取付け部材は、前記弾性体に該当するバネと、前記バネの一端部に結合されて内側にネジ山が形成されているラック固定部と、前記バネの他端部に結合され、壁面にネジ結合可能な締結手段を備えた壁面固定部とを含み、前記垂直ビームは一側に前記ラック固定部とネジ結合する壁取付け締結部をさらに備え得る。

前記壁取付け部材の前記ラック固定部と前記壁面固定部とは、前記バネに対して相対回転自在に設けられ得る。

本発明の他の様態によれば、上述したバッテリーラック、及び前記バッテリーラック内に多段で積載される複数のバッテリーモジュールを含む電力貯蔵装置が提供される。

本発明の一態様によれば、従来のバッテリーラックに比べて重量は増加せず、耐震性能は強化されたバッテリーラック及びこのようなバッテリーラックを含む電力貯蔵装置を提供することができる。

本発明の一実施形態による電力貯蔵装置の分解斜視図である。 図１の結合斜視図である。 図１のトッププレートを示した図である。 図２の部分拡大図である。 図４に対応する図であって、本発明の他の実施形態による壁取付け部材を採用したバッテリーラックの図である。 図５の壁取付け部材の取付例を説明するための断面図である。 図５の壁取付け部材の取付例を説明するための断面図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

後述する電力貯蔵装置は、太陽光または発電所などで過剰生産された電力を貯蔵するかまたは電力ピーク時にそれを送電する装置であり得る。上記電力貯蔵装置は、エネルギー源として物理的エネルギーまたは化学的エネルギーを用い得る。以下の実施形態では、化学的エネルギー源として二次電池を用いることに限定して説明する。

図１は本発明の一実施形態による電力貯蔵装置の分解斜視図であり、図２は図１の結合斜視図であり、図３は図１のトッププレートを示した図である。

これら図面を参照すれば、本発明の一実施形態による電力貯蔵装置は、複数のバッテリーモジュール１００、及び上記複数のバッテリーモジュール１００を層状に積載できるように設けられたバッテリーラック２００を含む。

複数のバッテリーモジュール１００は、図面の便宜上詳しく図示していないが、それぞれバッテリーセル及びモジュールケースを含む。

バッテリーセルは、二次電池であって、少なくとも一つまたはそれ以上の複数個が設けられ得、パウチ型二次電池、角形二次電池及び円筒型二次電池のうち如何なるものが採用されてもよい。本実施形態は、積層が容易であってエネルギー密度を高め易いパウチ型二次電池をモジュールケースに収納したバッテリーモジュールである。

上記モジュールケースは、外部の衝撃からバッテリーセルを保護できるように機械的剛性の高い金属材質から設けられ得、空気流入部及び空気排出部が備えられ得る。例えば、空気流入部はモジュールケースの前方一側に設けられ得、上記空気流入部を通って外部空気がモジュールケースの内部に導かれてバッテリーセルを冷却させることができる。空気排出部はモジュールケースの後方一側に設けられ得、上記空気排出部からモジュールケース内部の熱い空気と熱気を外部に排出することができる。

上記空気流入部及び空気排出部は、モジュールケースに複数の打ち抜き穴を形成することで具現し得、これら空気流入部または空気排出部のうち少なくとも１ヵ所にファンを取り付けることで、外部空気をモジュールケースの内外へと強制的に流入及び流出させてもよい。

上記複数のバッテリーモジュール１００は、図２に示したように、タワー型で提供されるバッテリーラック２００に多段で積載できる。バッテリーラック２００は、バッテリーモジュール１００を安全に収納して保管するための構造物であると言える。

一方、本発明のバッテリーラック２００の場合、ビード２４０を含めて、耐震性能の確保に有利な幾何学的な構造を適用することで、バッテリーラック２００の厚さを増加させずに、十分な耐震性能を確保できるように構成されているため、同じレベルの耐震性能を有する従来の他のバッテリーラック２００よりも全体重量が軽く、それによって運搬及び取付が容易になって材料費用を節減することができる。

このようなバッテリーラック２００の構成を見れば、バッテリーラック２００は、ベースプレート２１０、メインフレーム２２０、トッププレート２３０、壁取付け部材２５０を含む。

ベースプレート２１０は、バッテリーラック２００の底面を形成する部分であって、バッテリーモジュール１００よりも大きい面積を有する略板状体であり得る。上記ベースプレート２１０は、複数のバッテリーモジュール１００とバッテリーラック２００の荷重を支持する役割をするため、剛性を確保するため金属板状であり、その板面にビード２４０が適用される。上記ビード２４０はＸ字状であることが望ましい。Ｘ字状ビード２４０については後述する。

メインフレーム２２０は、ベースプレート２１０に結合され、高さ方向に延びて複数のバッテリーモジュール１００の両側面部を支持する壁体を形成する。バッテリーラック２００の内部空間は上記メインフレーム２２０によって限定され得る。

上記メインフレーム２２０は、相互に離隔して上記ベースプレート２１０の両側、換言すれば、ベースプレート２１０の二つの長辺に配置される第１メインフレーム２２０ａ及び第２メインフレーム２２０ｂを含む。上記第１メインフレーム２２０ａと第２メインフレーム２２０ｂとの間の距離は、バッテリーモジュール１００の幅に対応する。複数のバッテリーモジュール１００は、図２のように、このような第１メインフレーム２２０ａと第２メインフレーム２２０ｂとの間に嵌め込まれて両側面部が支持された状態で積層され得る。

より具体的には、上記第１メインフレーム２２０ａ及び第２メインフレーム２２０ｂは、上記ベースプレート２１０から長さ方向に相互に離隔して配置されてそれぞれ高さ方向に延びる一対の垂直ビーム２２１、及び上記一対の垂直ビーム２２１に高さ方向に沿って等間隔に結合されて上記バッテリーモジュール１００の底面のエッジ領域を支持できるように設けられる複数のガイドビーム２２３を含む。

上記ガイドビーム２２３は、断面が略「Ｌ」字状であって、一面は一対の垂直ビーム２２１に結合され、他面でバッテリーモジュール１００の底面のエッジ領域を支持する。上記複数のガイドビーム２２３同士の間隔は、バッテリーモジュール１００の厚さに対応する。このようなガイドビーム２２３同士の間に複数のバッテリーモジュール１００が一つずつ嵌め込まれて層状に配置され得る。

トッププレート２３０は、上記メインフレーム２２０の最上端部に結合され、複数のバッテリーモジュール１００の上部空間を覆うバッテリーラック２００の天井を形成する構成要素である。特に、本実施形態のトッププレート２３０は、ベースプレート２１０と同様に、耐震性能の強化のため板面にビード２４０を備える。

上述したベースプレート２１０及びトッププレート２３０上のビード２４０はＸ字状である。換言すれば、ベースプレート２１０及びトッププレート２３０は、長方形の板面を有し、ビード２４０は上記長方形の板面の面積全体を横切るＸ字状に形成され得る。勿論、ビード２４０の形状は、円形、楕円形、ハニカム形などの多様なパターンに形成されてもよい。しかし、本実施形態のように、ベースプレート２１０及びトッププレート２３０上のビード２４０はＸ字状が最も望ましい。

詳しく説明すれば、ベースプレート２１０及びトッププレート２３０は、第１メインフレーム２２０ａと第２メインフレーム２２０ｂとの間隔が一定になるように、これらを支持する構造体であると言える。このようなベースプレート２１０及びトッププレート２３０が振動や衝撃によって変形されれば、これらの間に連結されている第１メインフレーム２２０ａ及び第２メインフレーム２２０ｂも当然捩れるようになる。このような点で、ベースプレート２１０及びトッププレート２３０の構造的剛性がバッテリーラック２００の耐震性能に及ぼす影響が大きいと言える。

バッテリーラック２００は、壁面Ｗに固定される例が多い。バッテリーラック２００を壁面Ｗに固定した後、振動テストを行えば、ベースプレート２１０及びトッププレート２３０において応力がＸ字状に高く分布することが観察される。そこで、本実施形態では、ベースプレート２１０及び／またはトッププレート２３０で応力が集中されるＸ字状の応力分布に基づいて、ベースプレート２１０及びトッププレート２３０にＸ字状のビード２４０を適用した。したがって、上記Ｘ字状のビード２４０は、他の形状のビード２４０に比べてベースプレート２１０及びトッププレート２３０の剛性確保と変形率低下にさらに有利であり得る。

本実施形態において、ベースプレート２１０及び上記トッププレート２３０は、それぞれ側方突出部２３２を備える。例えば、上記側方突出部２３２は、図３に示したように、トッププレート２３０の４つの角領域に他の部分より幅方向にさらに突出した部分であり得る。垂直ビーム２２１は、横断面が「己」状に設けられ、上記垂直ビーム２２１が上記側方突出部２３２を囲む形態でベースプレート２１０及びトッププレート２３０の側面（厚さ面）に密着し、この密着面にボルトＢ締結が行われ得る。このとき、上記ボルトＢを垂直ビーム２２１のうち側方突出部２３２を囲む部分に隣接するａ空間内で締結することで、ボルトＢが垂直ビーム２２１の外に露出しないようにする長所もある（図６を参照）。

このように垂直ビーム２２１がそれぞれベースプレート２１０及びトッププレート２３０と形状合わせ方式で組み立てられるように構成されることで組み立て易く、組み立てられた後は、外力が加えられても相互間にガタツキが生じない。また、垂直ビーム２２１の横断面を「己」状に設けることで、一定レベル以上の剛性を維持しながら、バッテリーラック２００の全体重量を下げることができる。

本実施形態によるバッテリーラック２００は、壁取付け部材２５０をさらに含み得る。

上述したように、バッテリーラック２００は、底及び壁面Ｗに固定されるように取り付けられ得る。他の例として、図示していないが、バッテリーラック２００全体を外装キャビネット（図示せず）内に収納し、上記外装キャビネットを壁面Ｗに固定してもよい。バッテリーラック２００を直接壁面Ｗに固定するかまたはバッテリーラック２００を外装キャビネット内に収納し外装キャビネットを壁面Ｗに固定する二つの場合何れも、バッテリーラック２００自体を相対物に固定させるための手段として壁取付け部材２５０が使用され得る。

壁取付け部材２５０は、図４に示したように、第１メインフレーム２２０ａ及び第２メインフレーム２２０ｂでバッテリーラック２００の後方の垂直ビーム２２１に結合され得る。本実施形態において、壁取付け部材２５０は略「コ」字状であって、一側は垂直ビーム２２１と側方突出部２３２に一体的に結合され、他側は壁面Ｗに結合され得る。上記壁取付け部材２５０は、バッテリーラック２００の高さ方向に沿って少なくとも一つ以上適用され得る。バッテリーラック２００は、このような壁取付け部材２５０を介して壁面Ｗと所定の間隔だけ離隔した状態で固定され得る。これはバッテリーラック２００と壁面Ｗとの間に若干の空間を確保することで、バッテリーモジュール１００で発生する熱を放熱させ、また、電線などの資材をバッテリーラック２００の後方に引き出すための目的もある。

図５は、図４に対応する図であって、本発明の他の実施形態による壁取付け部材２５０を採用したバッテリーラック２００の図である。図６及び図７は、図５の壁取付け部材２５０の取付例を説明するための断面図である。

以下、図５～図７を参照して本発明の他の実施形態を説明する。上述した実施形態と同じ部材番号は同一部材を示すため、同じ部材についての重複する説明は省略し、上述した実施形態との相違点を主に説明する。

上述した実施形態の壁取付け部材２５０は「コ」字状のブラケットから構成されている一方、本実施形態の壁取付け部材２５０’は弾性体を含み、壁面Ｗに対して上記メインフレーム２２０を弾性的に支持できるように設けられる。

具体的には、図６及び図７を参照すれば、本実施形態による壁取付け部材２５０’は、上記弾性体に該当するバネ２５１と、上記バネ２５１の一端部に結合されて内側にネジ山が形成されているラック固定部２５２と、上記バネ２５１の他端部に結合され、壁面Ｗにネジ結合できる締結手段を備えた壁面固定部２５３を含む。

第１メインフレーム２２０ａと第２メインフレーム２２０ｂの後方に配置される垂直ビーム２２１には、上記壁取付け部材２５０’のラック固定部２５２と結合するための壁取付け締結部２２１ａがさらに備えられ得る。上記壁取付け締結部２２１ａは、ラック固定部２５２とネジ結合が可能な外周にネジ山を備えた突起状に具現され得る。

上記壁取付け部材２５０は、ラック固定部２５２及び壁面固定部２５３をそれぞれバネ２５１に対して相対回転できるように回転盤２５４をさらに含み得る。例えば、バネ２５１の両端は回転盤２５４に固定され、ラック固定部２５２は回転盤２５４に相対回転自在に組み立てられ得る。壁面固定部２５３もラック固定部２５２と同様に、回転盤２５４に相対回転自在に組み立てられ得る。

以下、このような壁取付け部材２５０’を用いてバッテリーラック２００を壁面Ｗに取り付ける方法を簡略に説明する。

図６のように、まず、壁取付け部材２５０’を壁面Ｗに固定させる。このとき、ネジ締結方式と同様に、壁面固定部２５３を時計回りに回して壁取付け部材２５０を壁面Ｗに取り付け得る。その後、バッテリーラック２００を運んで壁面Ｗの近くに位置させ、図７のように、ラック固定部２５２を上記壁取付け締結部２２１ａに嵌めて時計回りに回し、ラック固定部２５２と壁取付け締結部２２１ａとを結合させる。

勿論、上述した方法と反対に、ラック固定部２５２と壁取付け締結部２２１ａとを先に結合させて壁取付け部材２５０をバッテリーラック２００に取り付けた状態で、バッテリーラック２００を壁面Ｗの近くに運んだ後、壁面固定部２５３を壁面Ｗに結合させてもよい。

本実施形態のような壁取付け部材２５０’を使用してバッテリーラック２００を壁面Ｗに固定させる場合、地震などによる振動やその他の外部の衝撃のとき、上記壁取付け部材２５０’のバネ２５１が荷重を吸収することで、バッテリーラック２００構造物を構成するベースプレート２１０、メインフレーム２２０、トッププレート２３０に応力が集中されることを防止することができる。

以上のように本発明の構成によれば、従来のバッテリーラック２００に比べて重量は増加せず、耐震性能は強化されたバッテリーラック２００を提供でき、このようなバッテリーラック２００内に複数のバッテリーモジュール１００とそれぞれのバッテリーモジュール１００の充放電状態、発熱状態などをモニタリングし運用を制御するためのバッテリー保護システム１１０などを搭載して電力貯蔵装置を構成することで、電力貯蔵装置が備えるべき耐震設計強度要件を十分に満たすことができる。

以上のように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

一方、本明細書において、上、下、左、右のような方向を示す用語が使われたが、このような用語は説明の便宜上用いられただけであって、対象になる物の位置や観測者の位置などによって変わり得ることは当業者にとって自明である。

１００ バッテリーモジュール
１１０ バッテリー保護システム
２００ バッテリーラック
２１０ ベースプレート
２２０ メインフレーム
２２０ａ 第１メインフレーム
２２０ｂ 第２メインフレーム
２２１ 垂直ビーム
２２１ａ 締結部
２２３ ガイドビーム
２３０ トッププレート
２３２ 側方突出部
２４０ ビード
２５０ 部材
２５０’ 部材
２５１ バネ
２５２ ラック固定部
２５３ 壁面固定部
２５４ 回転盤

Claims (9)

1. 複数のバッテリーモジュールを多段で積載可能なバッテリーラックであって、
   底面を形成するベースプレートと、
   前記ベースプレートに結合され、高さ方向に延びて複数のバッテリーモジュールの両側面部を支持する壁体を形成するメインフレームと、
   前記メインフレームの最上端部に結合されて天井を形成するトッププレートとを含み、
   前記トッププレート及びベースプレートの少なくともいずれか一つはビードを備えた板状体からなり、
   前記メインフレームは、前記ベースプレートから高さ方向に延びる少なくとも４つの垂直ビームを含み、
   前記垂直ビームに壁取付け部材がさらに結合され、
   前記壁取付け部材は、壁面に対して前記メインフレームを弾性的に支持可能に弾性体を備える、バッテリーラック。
2. 前記トッププレート及び前記ベースプレートは、長方形の板状体であり、前記ビードは、前記長方形の板状体を横切るＸ字状に形成された、請求項１に記載のバッテリーラック。
3. 前記メインフレームは、前記複数のバッテリーモジュールの幅だけ相互に離隔して配置される一対の第１メインフレーム及び第２メインフレームを含み、
   前記第１メインフレーム及び前記第２メインフレームは、それぞれ、
   前記ベースプレートから長さ方向に相互に離隔して配置されてそれぞれ高さ方向に延びる一対の垂直ビームと、
   前記一対の垂直ビームに高さ方向に沿って等間隔に結合されて前記バッテリーモジュールの底面のエッジ領域を支持可能に設けられる複数のガイドビームとを含む、請求項１または２に記載のバッテリーラック。
4. 前記ベースプレート及び前記トッププレートは、長方形の板状体の角領域に他の部分より幅方向にさらに突出した側方突出部を備え、
   前記垂直ビームは、横断面が「己」状に設けられて前記側方突出部を囲む形態で前記ベースプレート及び前記トッププレートに両端部が結合される、請求項３に記載のバッテリーラック。
5. 前記第１メインフレーム及び前記第２メインフレームは、前記垂直ビームに壁取付け部材がさらに結合される、請求項４に記載のバッテリーラック。
6. 前記壁取付け部材は、「コ」字状であって、前記垂直ビームと前記側方突出部に一体的に結合される、請求項５に記載のバッテリーラック。
7. 前記壁取付け部材は、
   前記弾性体に該当するバネと、前記バネの一端部に結合されて内側にネジ山が形成されているラック固定部と、前記バネの他端部に結合され、壁面にネジ結合可能な締結手段を備えた壁面固定部とを含み、
   前記垂直ビームは、一側に前記ラック固定部とネジ結合する壁取付け締結部をさらに備える、請求項１に記載のバッテリーラック。
8. 前記壁取付け部材の前記ラック固定部と前記壁面固定部とは、前記バネに対して相対回転自在に設けられる、請求項７に記載のバッテリーラック。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のバッテリーラックと、
   前記バッテリーラック内に多段で積載される複数のバッテリーモジュールとを含む、電力貯蔵装置。

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