KR101799540B1 - 원전 dc비상전원 공급 장치용 전지모듈 - Google Patents

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유경
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Abstract

본 발명은 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리튬-폴리머 전지 셀과 외부에 난연 소재로 형성된 카트리지로 이루어지는 단위부재로 구성하고 병렬로 결합하여 전지모듈 1개당 독립적인 BMS를 구성하여 랙 프레임에 안정적으로 장착하도록 하는 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예는 전지 셀과 전지 셀의 외주 테두리에 형성되는 난연 소재의 카트리지로 이루어지는 단위부재을 복수개 병렬로 배치하고, 외측면에 커버가 형성되는 전지모듈 본체와; 전지모듈 본체의 배면에 구성되어 전지 셀들을 연결하도록 구성되는 버스 바와; 일정 크기의 프레임과, 프레임의 내부로 일정 깊이로 형성되는 커넥터 홀과 커넥터 홀의 내부에 버스 바와 연결되도록 구성되는 커넥터 핀으로 이루어지는 하이퍼 커넥터와; 전지모듈 본체의 배면에 구성되는 BMS;를 포함하여 이루어진다.

Description

원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈{Battery Module For Nuclear Power Plant Assistant DC Power Supplying System}
본 발명은 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리튬-폴리머 전지 셀과 외부에 난연 소재로 형성된 카트리지로 이루어지는 단위부재로 구성하고 병렬로 결합하여 전지모듈 1개당 독립적인 BMS를 구성하여 랙 프레임에 안정적으로 장착하도록 하는 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈에 관한 것이다.
최근 후쿠시마 원전 사고 후 원전 안전성에 대한 국제적인 규제강화와 국민적인 관심이 고조되고 있으며, 후쿠시마 원전 비상전원 상실사고 분석결과 지진과 해일로 인해 비상디젤발전기 및 비상전원(축전지)의 기능상실로 인한 노심냉각 실패가 폭발사고의 큰 원인으로 확인되었다.
따라서, 후쿠시마 원전사고 이후 미국 원자력규제위원회(NRC)에서는 SBO 사고 시 1차(능동형) 8시간, 2차(수동형)72시간 사고완화 전략을 마련하도록 권고하였으며, DC비상전원 공급 장치를 구비하도록 하였다.
이와 같이 원전 사고시에 DC비상전원을 공급하기 위하여는 랙 프레임을 사용하여 내부에 다수의 전지모듈을 장착하도록 하는데, 이와 같은 내부에 전지모듈을 장착하는 랙 프레임은 공간적인 제약 때문에, 대용량 전지로 이루어지는 전지모듈을 수납하기 위해서는 랙이나, 캐비넷, 또는 그와 유사한 것에 배치되어야 할 필요가 있다.
그러나 종래의 이와 같은 전지모듈은 내진보강이 되지 않을 뿐만 아니라 랙 프레임에 장착된 다수의 전지모듈을 연결을 위하여 별도의 전선 등 전원 연결을 위한 장치 등이 구성되어 지진시에 진동에 의하여 이와 같은 전원 연결을 위한 장치 등이 쉽게 끊어지기 때문에 비상시에 원전에 전원을 공급하지 못하는 문제점이 있었으며, 전지모듈 단위별로 BMS가 구성되지 않아 유지 보수가 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 배경이 되는 기술로는 특허공개 제2015-0031449호 "배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩"(특허문헌 1)이 있다.
상기 배경기술에서는 '전극 조립체, 케이스 및 전극 리드를 구비하는 다수의 이차 전지; 및 플레이트 형태로 형성된 결합부를 구비하여, 상기 결합부에 3개 이상의 이차 전지에 각각 구비된 동일 극성의 전극 리드가 결합하되, 2개 이상의 전극 리드가 서로 적층된 상태로 상기 결합부의 일단에 접촉되고, 다른 1개 이상의 전극 리드가 상기 결합부의 타단에 접촉된 터미널 버스바를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.'을 제안한다.
그러나 상기 배경기술은 전극리드(110)가 플레이트 형태의 결합부(210)에 결합되는 방식으로 결합방법이 어려우면 지진시 진동에 의하여 쉽게 결합이 해제되거나 파손되는 문제점이 있었다.
특허공개 제2015-0031449호 "배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 리튬-폴리머 전지 셀과 외부에 난연 소재로 형성된 카트리지로 이루어지는 단위부재로 구성하고 병렬로 결합하여 구성함으로써 전지의 개별교체 및 유지보수가 용이하고, 별도의 전원선 등으로의 연결 없이 커넥터와 도킹핀으로 랙 프레임에 안정적으로 장착하도록 하여 지진에 의한 진동시에도 전원 공급이 끊겨지지 않도록 할 수 있으며, 전지모듈 1개당 독립적인 BMS를 구성함으로써 랙 프레임에 장착된 복수의 전지모듈 중 전지모듈 단위의 모니터링이 가능하며 유지보수 및 관리가 용이한 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 전지 셀과 전지 셀의 외주 테두리에 형성되는 난연 소재의 카트리지로 이루어지는 단위부재을 복수개 병렬로 배치하고, 외측면에 커버가 형성되는 전지모듈 본체와; 전지모듈 본체의 배면에 구성되어 전지 셀들을 연결하도록 구성되는 버스 바와; 일정 크기의 프레임과, 프레임의 내부로 일정 깊이로 형성되는 커넥터 홀과 커넥터 홀의 내부에 버스 바와 연결되도록 구성되는 커넥터 핀으로 이루어지는 하이퍼 커넥터와; 전지모듈 본체의 배면에 구성되는 BMS;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈을 제공하고자 한다.
또한, 단위부재의 카트리지에는 복수의 관통공가 형성되고, 복수의 단위부재를 관통공에 결합핀이 관통하여 결합하도록 하는 것을 특징으로 하는 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈을 제공하고자 한다.
또한, 하이퍼 커넥터의 하부에 외측으로 돌출하여 구성되는 1개 이상의 도킹 핀이 구성되는 것을 특징으로 하는 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈을 제공하고자 한다.
또한, 단위부재과 단위부재의 사이에는 난연 패드가 삽입되어 구성되는 것을 특징으로 하는 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈을 제공하고자 한다.
또한, 수직 판 형상의 고정부와, 고정부의 하단부에서 수평방향으로 연장되는 수평 연결부와, 수평 연결부의 외측 단부에서 수평 하부로 연장되는 거치턱으로 이루어지는 거치부재가, 거치턱이 하부로 돌출되도록 전지모듈 본체의 전면부의 하부와 상부에 대칭되어 결합는 것을 특징으로 하는 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈을 제공하고자 한다.
또한, 거치부재의 고정부의 전면에는 손잡이가 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈을 제공하고자 한다.
본 발명의 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈은 리튬-폴리머 전지 셀과 외부에 난연 소재로 형성된 카트리지로 이루어지는 단위부재로 구성하고 병렬로 결합하여 구성함으로써 전지의 개별교체 및 유지보수가 용이하고, 별도의 전원선 등으로의 연결 없이 커넥터와 도킹핀으로 랙 프레임에 안정적으로 장착하도록 하여 지진에 의한 진동시에도 전원 공급이 끊겨지지 않도록 할 수 있으며, 전지모듈 1개당 독립적인 BMS를 구성함으로써 랙 프레임에 장착된 복수의 전지모듈 중 전지모듈 단위의 모니터링이 가능하며 유지보수 및 관리가 용이한 효과가 있다.
또한, 난연패드를 삽입하여 지진에 의한 진동을 흡수하도록 하면서도 전지 셀 간의 열전달을 차단할 수 있는 효과도 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈이 장착된 랙 프레임의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈의 배면 사시도이다.
도 3은 상기 도 2의 일부 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈의 정면 사시도이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이하 바람직한 실시예에 따라 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈이 장착된 랙 프레임의 사시도이다.
본 발명의 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈(8)은 도 1에서와 같이, 랙(rack) 형상으로 이루어지는 랙 프레임(1)의 내부에 다수의 전지모듈(8)을 탈착이 용이하도록 끼워서 삽입하여 장착하도록 하여, 원전에서 지진과 같은 비상상황시에 DC비상전원을 공급하여 전원 공급이 끊기지 않도록 하고, 지진의 진동시에도 전지모듈(8)의 진동을 최소화하도록 하는 것이다.
도 2는 본 발명의 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈의 배면 사시도이고, 도 3은 상기 도 2의 일부 분해 사시도이다.
본 발명의 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈(8)은 도 2에서와 같이, 복수의 단위부재(810)로 구성되는 전지모듈 본체(81)와, 전지모듈 본체(81)의 배면에 각각 구성되는 하이퍼 커넥터(83) 및 BMS(85)로 이루어지며, 도 1에서와 같이 랙 프레임(1)에 장착되도록 하는 것이다.
전지모듈 본체(81)는 도 3b에서와 같이, 복수의 단위부재(810)를 병렬로 구성하고 외측면에 커버(820)를 구성하여 이루어진다.
단위부재(810)는 일정 크기의 전지 셀(811)과 전지 셀(811)의 외주 테두리에 형성되는 카트리지(812)로 이루어지는데, 전지 셀(811)은 기존 납배터리에 비하여 우수한 리튬-폴리머로 형성되도록 하여 원전 비상대응에 필요한 전원용량을 고려하여 설계할 수 있도록 한다.
카트리지(812)는 전지 셀(811)의 외주면을 감싸는 테두리 형상으로 이루어지도록 하며, 공지의 다양한 난연 소재로 이루어지도록 하여 전지 셀(811)의 열을 차단하도록 할 수 있으며, 전지 셀(811)과 카트리지(812)로 이루어지는 단위부재(810)를 형성함으로써 단위부재(810) 별로 교체 및 유지보수가 가능하도록 한다.
특히, 단위부재(810)과 단위부재(810)의 사이에는 난연 소재로 이루어지는 난연 패드(830)가 삽입되어 구성되도록 하여, 진동을 흡수하도록 하면서도 전지 셀(811)의 열을 차단하도록 할 수 있다.
이와 같은 단위부재(810)는 도시된 바와 같이, 복수개가 병렬로 배치되어 결합되도록 하며, 양측면에 각각 난연 소재로 이루어지는 커버(820)가 형성되어 마감하여 내부의 전지 셀(811)의 열을 차단하도록 한다.
또한, 단위부재(810)의 카트리지(812)에는 복수의 관통공(814)이 형성되도록 하고, 복수의 단위부재(810)를 관통공(814)에 결합핀(840)이 관통하여 복수의 단위부재(810) 상호간을 결합하도록 하여 고정하도록 할 수도 있다.
이와 같은 전지모듈 본체(81)의 배면에는 단위부재(810)의 전지 셀(811)들을 연결하도록 버스 바(82)가 구성된다. 버스 바(82)는 다양한 크기 및 형상으로 이루어질 수 있다.
버스 바(Bus bar)는 전기적인 연결을 가능하도록 하는 막대형의 전도체를 말하는 것으로 다양한 크기 및 형상으로 이루어질 수 있다.
랙 프레임(1)에 장착시에 별도의 전원 선 등에 의하지 않고 랙 프레임(1)에 끼워 넣는 것만으로도 전원이 연결이 가능하도록 본 발명의 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈(8)에는 하이퍼 커넥터(83)가 구성되도록 할 수 있다.
하이퍼 커넥터(83)는 전지모듈 본체(81)의 배면에 고정되는데, 일정 크기의 프레임(831)과, 프레임(831)의 내부로 일정 깊이로 형성되는 커넥터 홀(832) 및 커넥터 홀(832)의 내부에서 버스 바(82)와 연결되도록 구성되는 커넥터 핀(833)으로 이루어진다.
이와 같이 구성되면, 랙 프레임(1)에 커넥터(31)를 돌출하여 형성하고 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈(8)을 랙 프레임(1)에 장착시에 배면의 하이퍼 커넥터(83)의 커넥터 홀(832)에 커넥터(31)가 삽입되어 커넥터 핀(833)과 연결되기 때문에 별도의 전원 선의 연결 등이 필요 없이 랙 프레임(1)에 밀어 넣는 것만으로도 전원 연결이 가능한 것이다.
특히, 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈(8)을 랙 프레임(1)에 장착시에 하이퍼 커넥터(83)에 커넥터가 삽입되어 전원이 연결되면서 고정되지만 진동시에는 연결부위에 횡하중이 집중될 수 있기 때문에 더욱 안정적인 장착을 위하여, 하이퍼 커넥터(83)의 하부에 외측으로 돌출하여 1개 이상의 도킹 핀(84)을 구성하도록 하고 랙 프레임(1)에 이에 대응하는 도킹핀 삽입홀을 형성하도록 하여, 랙 프레임(1)의 도킹핀 삽입홀에 도킹핀(84)이 삽입되어 안정적으로 고정되도록 하여 지진에 의한 진동시에도 연결이 끊어지지 않도록 할 수 있다.
BMS(85)는 충방전 전류, 각 전지 셀(811)의 전압 또는 전류를 포함한 전기적 특성값 측정, 충방전 제어, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge)의 추정 등을 포함하여 당업자 수준에서 적용 가능한 다양한 제어 기능을 수행할 수 있다.
상기 BMS(85)는 통신망을 통해서 외부 디바이스와 연결될 수 있다. 이 경우 외부 디바이스는 상위 레벨의 BMS, 배터리 분석 장치, BMS의 통합 제어 장치 또는 중앙관리시스템이 될 수 있다. 상기 BMS(85)는 자신이 담당하는 전지모듈(8)의 상태에 관한 데이터를 통신망을 통해서 송신하거나, 상기 외부 디바이스로부터 전지모듈(8)의 충방전과 관련된 제어 신호를 수신할 수 있다.
이와 같은 BMS(85)는 별도의 프레임 등에 의하여 전지모듈 본체(81)에 부착될 수 있다.
도 4는 본 발명의 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈의 정면 사시도이다.
본 발명의 전지모듈(8)은 랙 프레임(1)에 삽입되어 고정되는 데 안정적인 장착 및 탈착을 위하여 별도의 거치부재(86)가 전지모듈 본체(81)의 전면부에 구성될 수 있다.
거치부재(86)는 합성수지재, 난연 복합 소재 등으로 이루어질 수 있으며, 수직 판 형상의 고정부(861)와, 고정부(861)의 하단부에서 수평방향으로 연장되는 수평 연결부(862)와, 수평 연결부(862)의 외측 단부에서 수평 하부로 연장되는 거치턱(863)으로 이루어지며, 도 4에서와 같이, 전지모듈 본체(81)의 하부에 고정부(861)가 면접하도록 부착된다. 이때, 거치턱(863)은 전지모듈 본체(81)의 하부로 돌출되도록 한다.
고정부(861)는 전지모듈 본체(81)와의 결합면을 제공하도록 하며, 수평 연결부(862)는 거치턱(863)이 외측으로 돌출되는 길이를 결정하도록 하고, 거치턱(863)은 랙 프레임(1)에 삽입되어 거치시에, 랙 프레임(1)의 상부 또는 하부의 수평 프레임에 걸려서 더이상 삽입되지 않도록 하는 가이드 역할을 함과 동시에 상부 또는 하부의 수평 프레임에 거치되어 전지모듈(8)의 안정적인 거치가 가능하도록 함으로써 진동에 의하여 전지모듈(8)이 흔들리지 않도록 할 수 있다.
특히, 거치부재(86)의 고정부(861)의 전면에는 손잡이(864)가 추가로 형성되도록 하여, 전지모듈(8)의 장착 또는 탈착시에 사용자가 안정적으로 파지하여 작업이 가능하도록 할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈은 리튬-폴리머 전지 셀과 외부에 난연 소재로 형성된 카트리지로 이루어지는 단위부재로 구성하고 병렬로 결합하여 구성함으로써 전지의 개별교체 및 유지보수가 용이하고, 별도의 전원선 등으로의 연결 없이 커넥터와 도킹핀으로 랙 프레임에 안정적으로 장착하도록 하여 지진에 의한 진동시에도 전원 공급이 끊겨지지 않도록 할 수 있으며, 전지모듈 1개당 독립적인 BMS를 구성함으로써 랙 프레임에 장착된 복수의 전지모듈 중 전지모듈 단위의 모니터링이 가능하며 유지보수 및 관리가 용이한 효과가 있으며, 또한 난연패드를 삽입하여 지진에 의한 진동을 흡수하도록 하면서도 전지 셀 간의 열전달을 차단할 수 있는 효과도 있다.
지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
1 : 랙 프레임
8 : 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈
81 : 전지모듈 본체
810 : 단위부재
811 : 전지 셀
812 : 카트리지
820 : 커버
82 : 버스 바
83 : 하이퍼 커넥터
84 : 도킹 핀
85 : BMS
86 : 거치부재

Claims (6)

  1. 랙 프레임(1)에 장착되는 전지모듈에 있어서,
    전지 셀(811)과, 전지 셀(811)의 외주 테두리에 형성되는 난연 소재의 카트리지(812)로 이루어지는 단위부재(810)를 복수개 병렬로 배치하고, 외측면에 커버(820)가 형성되는 전지모듈 본체(81)와;
    전지모듈 본체(81)의 배면에 구성되어 전지 셀(811)들을 연결하도록 구성되는 버스 바(82)와;
    일정 크기의 프레임(831)과, 프레임(831)의 내부로 일정 깊이로 형성되며 랙 프레임(1)에 돌출되게 형성되는 커넥터(31)가 삽입되는 커넥터 홀(832)과, 커넥터 홀(832)의 내부에 버스 바(82)와 연결되도록 구성되는 커넥터 핀(833)으로 이루어지는 하이퍼 커넥터(83)와;
    하이퍼 커넥터(83)의 하부에 외측으로 돌출하여 구성되며 랙 프레임(1)에 형성된 도킹핀 삽입홀(32)에 삽입되는 1개 이상의 도킹핀(84)과;
    전지모듈 본체(81)의 배면에 구성되는 BMS(85);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    단위부재(810)의 카트리지(812)에는 복수의 관통공(814)이 형성되고,
    복수의 단위부재(810)를 관통공(814)에 결합핀(840)이 관통하여 결합하도록 하는 것을 특징으로 하는 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    단위부재(810)와 단위부재(810)의 사이에는 난연 패드(830)가 삽입되어 구성되는 것을 특징으로 하는 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    수직 판 형상의 고정부(861)와, 고정부(861)의 하단부에서 수평방향으로 연장되는 수평 연결부(862)와, 수평 연결부(862)의 외측 단부에서 수평 하부로 연장되는 거치턱(863)으로 이루어지는 거치부재(86)가,
    거치턱(863)이 하부로 돌출되도록 전지모듈 본체(81)의 전면부의 하부와 상부에 대칭되어 결합는 것을 특징으로 하는 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈.
  6. 청구항 5에 있어서,
    거치부재(86)의 고정부(861)의 전면에는 손잡이(864)가 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 원전 DC비상전원 공급 장치용 전지모듈.
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