KR101926341B1 - 태양광 발전설비용 배터리 관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 발전설비용 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리모듈의 온도를 실시간으로 모니터링하여 선제적으로 조치를 취하므로 배터리모듈의 스웰링을 방지할 수 있도록 된 태양광 발전설비용 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 태양광 발전수단으로부터 발생한 전기를 인가하여 저장하는 배터리모듈의 온도를 계측하는 온도센서; 상기 배터리모듈을 냉각시키는 열전소자; 상기 배터리모듈에 열을 가하는 가온수단; 상기 온도센서로부터 입력된 온도 정보에 따라 상기 열전소자 및 가온수단을 제어하는 제어부를 포함하는 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템을 제공한다.

Description

태양광 발전설비용 배터리 관리 시스템{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM FOR PHOTOVOLTAIC POWER GENERATING APPARATUS}

본 발명은 태양광 발전설비용 배터리 관리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리모듈의 온도를 실시간으로 모니터링하여 선제적으로 조치를 취하므로 배터리모듈의 스웰링을 방지할 수 있도록 된 태양광 발전설비용 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 태양광 발전설비는 태양전지를 이용하여 직류 전기를 발생시켜 배터리에 저장하고 잉여되는 전기는 교류전력으로 변환하여 전력계통으로 송전한다.

이러한 태양광 발전설비의 일예가 국내공개특허 제10-2013-0130186호(이하, '선행기술문헌 1'이라 함)에 개시되어 있다.

도 1은 종래기술에 따른 태양광 발전설비를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같은 종래의 선행기술문헌 1에 개시된 태양광 발전설비(100)는 태양광발전수단(110), 배터리모듈(120), 배터리모듈관리부(130), 인버터(140), 컨버터(150)로 이루어진다.

상기의 태양광 발전설비(100)에서 생산된 전기는 내부부하(160)에서 소비되거나 배터리모듈(120)에 충전된다. 아울러 여기서 잉여된 전기는 전력계통(60)을 통해 외부로 송전된다. 이러한 태양광 발전설비(100)는 태양광이 비추는 낮에만 발전이 가능하므로 야간에 전력을 사용하기 위해서는 반드시 배터리모듈(120)이 필요하다.

한편 배터리모듈(120)은 통상적으로 복수 개의 단위 셀(cell)로 이루어지는 어셈블리로 구성되며, 상기 각 셀은 양극 집전체, 세퍼레이터, 활물질, 전해액, 알루미늄 박막층 등을 포함하며 각 구성요소들 간의 전기화학적인 반응에 의해 충방전이 이루어진다.

배터리의 충방전을 위한 기본적 구조로서는 셀에서 어셈블리를 거쳐 배터리모듈이 되기까지 물리적인 보호 장치, 다양한 감지수단, SOC(State Of Charge) 등의 추정을 위한 알고리즘이 적용된 펌웨어 등이 필요하다.

상기 배터리모듈(120)은 이차전지와 이차전지에 대하여 충전 및 방전을 제어하는 제어회로를 포함하고 있고, 배터리모듈관리부(130)에서 이 제어회로에 충전 또는 방전의 지령을 내려 이차전지를 충방전하게 된다.

또한, 인버터(140)는 배터리모듈(120)로부터 출력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 내부부하(160) 또는 전력계통(60)에 제공하고, 컨버터(150)는 전력계통(60)으로부터 제공된 교류를 직류로 변환하여 배터리 모듈(120)에 제공한다.

이와 같이 작동되는 배터리모듈(120)은 다양한 화학적 소자와 전기 물리적 소자의 집합체로 구성되며 전기화학적 반응을 이용하여 전기를 생산하므로 영구적으로 사용하는 것은 불가능하다.

또한, 이차전지는 충전 또는 방전의 과정에서 온도의 영향을 받게 되는데, 태양광 발전설비용 배터리모듈의 경우 주로 노천에 설치되므로 일조량이 큰 여름에 과열될 가능성이 크고 겨울에는 온도가 너무 낮아 효율이 떨어지므로 배터리모듈 주변의 온도관리가 매우 중요하다. 특히, 고온에 배터리가 노출되면 배터리모듈이 부풀어 오르는 스웰링 현상이 발생하고 더 심할 경우 폭발이 일어나게 된다.

따라서 배터리모듈의 온도가 설정치 이상이거나 이하이면 배터리모듈의 형상의 변형이 오기 때문에 선제적으로 조치가 필요하다.

1. 국내공개특허 제10-2013-0130186호(2013. 12. 2 공개)

본 발명은 이러한 필요에 의해 안출된 것으로, 배터리모듈의 온도를 실시간으로 모니터링하여 선제적으로 조치를 취하므로 배터리모듈의 스웰링을 방지할 수 있도록 된 태양광 발전설비용 배터리 관리 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 태양광 발전수단으로부터 발생한 전기를 인가하여 저장하는 배터리모듈의 온도를 계측하는 온도센서; 상기 배터리모듈을 냉각시키는 열전소자; 상기 배터리모듈에 열을 가하는 가온수단; 상기 온도센서로부터 입력된 온도 정보에 따라 상기 열전소자 및 가온수단을 제어하는 제어부를 포함하는 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템을 제공한다.

여기서 상기 배터리모듈의 주변에 지하수를 유입하도록 설치된 온도조절수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

아울러 상기 온도센서는 열화상카메라인 것이 바람직하다.

또한 상기 제어부는 상기 배터리모듈의 온도가 열전소자나 가온수단을 이용하여 조절하여도 미리 설정된 범위를 초과할 경우 인터페이스를 통해 이머전시 정보를 외부로 출력하는 것이 바람직하다.

더불어 상기 제어부는 상기 배터리모듈의 온도가 열전소자나 가온수단을 이용하여 조절하여도 미리 설정된 범위를 초과할 경우 상기 태양광 발전장치로부터 인가되는 전류를 차단하는 것이 바람직하다.

또한 상기 배터리모듈은 표면에 팽창흑연시트가 부착되는 것이 바람직하다.

또한 상기 배터리모듈은 가온수단으로 면상발열체가 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템은 온도센서로부터 실시간으로 배터리모듈의 온도를 측정하고 이 측정된 온도에 따라 열전소자를 이용하여 배터리모듈 표면의 온도를 낮추므로 배터리모듈의 스웰링을 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템은 가온수단을 이용하여 배터리모듈 표면의 온도를 제어하므로 극한지역에서도 효율적으로 배터리를 충방전할 수 있다.

아울러 본 발명에 따른 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템은 온도조절수단을 통해 배터리모듈의 주변에 지하수를 유입하여 배터리모듈의 온도를 제어하므로 배터리모듈의 공조를 위한 비용을 절감할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템은 열화상카메라를 온도센서로 이용하여 배터리모듈이 변형되기 전에 이상상태를 감지할 수 있으므로 배터리모듈의 스웰링을 미연에 방지할 수 있다.

더불어 본 발명에 따른 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템은 배터리모듈의 온도가 조절가능한 범위를 초과할 경우 인터페이스를 통해 이머전시 정보를 외부로 출력하므로 비상상황에 신속하게 대처할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템은 배터리모듈의 온도가 조절가능한 범위를 초과할 경우 태양광 발전장치로부터 인가되는 전류를 차단하므로 과충전으로 인한 폭발을 미연에 방지할 수 있다.

아울러 본 발명에 따른 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템은 표면에 팽창흑연시트가 부착되므로 핫스팟이 발생하는 것을 미연에 방지하여 배터리모듈의 국부적인 핫스팟으로 인한 비틀림을 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템은 상기 배터리모듈이 가온수단으로 면상발열체가 구비되므로 극한지역에서 배터리모듈을 균일하게 가온할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 태양광 발전설비를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템을 나타내는 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템을 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템을 나타내는 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템은 태양광 발전수단으로부터 발생한 전기를 인가하여 저장하는 배터리모듈(B)의 온도를 계측하는 온도센서(10)와, 상기 배터리모듈(B)을 냉각시키는 열전소자(20)와, 상기 배터리모듈(B)에 열을 가하는 가온수단(30)과, 상기 배터리모듈(B)의 주변에 지하수를 유입하도록 설치된 온도조절수단(40) 및 상기 온도센서(10)로부터 입력된 온도 정보에 따라 상기 열전소자(20) 및 가온수단(30)을 제어하는 제어부(50)를 포함한다.

태양광 발전수단으로부터 발생한 전기를 인가하여 저장하는 배터리모듈(B)은 리튬이온전지로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 배터리모듈(B)은 복수의 솔라셀을 연결하고 외부와 송전 및 수전을 위하여 다양한 결선이 이루어진다. 상기 배터리모듈(B)에 내장된 리튬이온전지는 전기화학적인 반응에 의해 충방전이 이루어지므로 충전효율을 위해서는 적정온도가 필요하다. 특히 리튬이온전지가 과충전될 경우 배터리가 부풀어 오르는 스웰링(swelling)이 발생하게 되고 스웰링이 심화되면 폭발이 일어날 수 있으므로 배터리모듈의 온도관리는 매우 중요하다.

따라서 상기 배터리모듈(B)은 표면에 팽창흑연시트(미도시)를 부착하는 것이 바람직하다. 필요에 따라 팽창흑연시트로 제조된 케이싱을 사용할 수 있음은 물론이다. 상기 팽창흑연시트는 이방성 히트솔루션으로 배터리모듈을 구성하는 배터리의 일부에서 열이 발생하여 핫스팟을 형성될때 면방향으로 열을 신속하게 방출하므로 핫스팟으로 인해 배터리모듈(B)의 형상이 변형되는 것을 막아준다. 즉 근복적으로 열이 발생하는 것을 방지할 수는 없지만 배터리모듈(B)이 변형되는 것을 지연시키므로 비상상황이 발생하기 전에 조치할 시간을 확보할 수 있다.

상기 온도센서(10)는 상기 배터리모듈(10)의 온도를 감지하는 기능을 수행하며 감지된 정보를 제어부(50)에 송신한다. 여기서 상기 온도센서(10)는 열화상카메라로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 열화상카메라는 화상촬영을 통하여 비접촉상태에서 배터리모듈(B)의 온도를 측정하기 때문에 배터리모듈(B)의 형상이 변형되기 전에 이상상태를 감지할 수 있으므로 스웰링을 미연에 선제적으로 방지할 수 있다. 아울러 본 실시예의 온도센서(10)인 열화상카메라는 배터리모듈(10)로부터 이격되어 있으므로 배터리모듈(10)에서 누설된 화학약품 등으로 인한 오염 및 손상 또한 방지할 수 있다.

상기 열전소자(20)는 상기 배터리모듈(B)을 냉각시키도록 구비된다. 열전소자(20)는 펠티어 효과가 큰 반도체 재료로서 비드머스, 텔루라이드, 안티몬 텔 합금 등을 한 쌍으로 하여 이루어진다. 여기서 펠티어 효과는 두 종류의 도체를 결합하고 전류를 흐르도록 하면 한 쪽의 접점은 발열하여 온도가 상승하고 다른 쪽의 접점에서는 흡열하여 온도가 낮아지는 현상으로서 1834년 펠티어에 의해서 발견되었으며 냉동 효과를 높이기 위해 다수의 열전 소자를 조합하여 사용하고 있다. 상기 열전소자(20)에 대한 기술은 당업자에게 잘 알려진 기술이므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.

상기 가온수단(30)은 상기 배터리모듈(B)에 열을 가하는 수단으로서 본 실시예에서는 피티씨(PTC; Positive Temperature Coefficient)소자 히터를 사용하는 것이 바람직하다. 여기서 피티씨소자는 티탄산바륨계(系) 도자기로 온도가 상승하면 전기저항이 급격히 커지는 반도체소자로 니크롬선을 대신하는 안전한 발열체로서 정특성을 가지고 있다. 따라서 배터리모듈(B)을 극한지역에서 사용하더라도 온도를 특정온도 이상 올릴 수 없으므로 과열로 인한 화재를 미연에 방지할 수 있다. 아울러 가온수단(30)은 본 실시예에서 구체적으로 기재하지는 않았지만 면상발열체로 이루어질 수 있다. 상기 면상발열체는 배터리모듈(B)의 외장을 전반적으로 균일하게 가온할 수 있으므로 특정부분의 온도가 올라가는 것을 미연에 방지할 수 있다.

상기 온도조절수단(40)은 상기 배터리모듈(B)의 주변에 지하수를 유입하도록 설치된 유로로서 배터리모듈(B)의 주변을 감싸면서 유통하도록 경로가 설정된다. 일반적으로 지하수는 겨울이나 극한지역의 경우 기온보다 현저히 높고, 여름이나 열대지역의 경우 기온보다 현저히 낮다. 따라서 지하수를 이용하는 온도조절수단(40)의 경우 별도의 에너지비용이 들지 않으므로 배터리모듈(B)을 냉각하거나 가온에 필요한 비용을 크게 절감할 수 있다. 아울러 본 실시예에서 상기 온도조절수단(40)은 지하수량이나 압력을 조절하기 위한 별도의 설비가 없어도 배터리모듈(B) 주변의 온도를 조절할 수 있다.

상기 제어부(50)는 상기 온도센서(10)로부터 입력된 온도 정보에 따라 상기 열전소자(20) 및 가온수단(30)을 제어하도록 구비된다.

상기 배터리모듈(B)의 충전 및 방전에 적합한 기준 온도 및 범위를 설정한다. 여기서 기준 온도 및 범위는 배터리모듈(B)의 크기, 스펙, 구성된 이차전지의 개수, 주변 환경, 일사량 등에 의하여 다양한 값에 의해 설정할 수 있음은 물론이다.

먼저 온도센서(10)에 의하여 측정된 온도 정보가 기준 온도의 상한치를 넘을 경우 제어부(50)는 배터리모듈(B)의 냉각소자(20)에 지령을 내려 냉각소자(20)가 작동되도록 한다. 상기 냉각소자(20)가 작동되면 배터리모듈(B)의 온도가 내려간다. 상기 냉각소자(20)가 작동된 이후로도 지속적으로 온도센서(10)에서 측정된 온도정보를 제어부(50)에 송신하여 배터리모듈(B)의 기준 온도 범위에 들어오는 지의 여부를 지속적으로 모니터링하여 기준온도 범위에 배터리모듈(B)의 온도가 들어오면 냉각소자(20)의 작동을 정지시킨다.

또한 온도센서(10)에 의하여 측정된 온도 정보가 기준 온도의 하한치보다 낮을 경우 제어부는 배터리모듈(B)의 가온수단(30)에 지령을 내려 가온수단(30)이 작동되도록 한다. 상기 가온수단(30)이 작동되면 배터리모듈(B)의 온도가 올라간다. 상기 가온수단(30)이 작동된 이후로도 지속적으로 온도센서(10)에서 측정된 온도정보를 제어부(50)에 송신하여 배터리모듈(B)의 기준 온도 범위에 들어오는 지의 여부를 지속적으로 모니터링하여 기준온도 범위에 배터리모듈(B)의 온도가 들어오면 가온수단(30)의 작동을 정지시킨다.

상기 온도센서(10)에 의하여 측정된 온도가 이머전시 상황으로 판단하여 시스템을 정지해야 하는 미리 설정된 범위를 초과할 경우 인터페이스를 통해 외부로 알람신호를 포함하는 정보를 출력한다. 배터리에 공급되는 전기의 즉각적인 차단이 필요할 정도의 긴급 상황임을 고지하는 내용의 정보를 시스템의 운용자 또는 위험물 관리자의 유선 또는 무선통신을 통해 경고 수준의 위험 상황임을 알린다.

이러한 인터페이스를 통하여 사용자로 하여금 문제 발생 여부 및 심각성을 알림으로서 예비적인 조치 또는 즉각적인 조치가 취해질 수 있도록 유도함으로써 안전사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

아울러 필요에 따라 상기 온도센서(10)에 의하여 측정된 온도가 이머전시 상황으로 판단하여 시스템을 정지해야 하는 미리 설정된 범위를 초과할 경우 즉시 태양광 발전장치로부터 인가되는 전류를 차단하도록 제어할 수 있음은 물론이다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

한편 본 발명을 설명함에 있어, 본 발명의 태양광 발전설비에 대한 각각의 구성은 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.

즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되어 수행되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관히 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.

B : 배터리모듈
10 : 온도센서
20 : 냉열소자
30 : 가온수단
40 : 온도조절수단
50 : 제어부

Claims (7)

  1. 태양광 발전수단으로부터 발생한 전기를 인가하여 저장하는 배터리모듈의 온도를 계측하는 온도센서;
    상기 배터리모듈을 냉각시키는 열전소자;
    상기 배터리모듈에 열을 가하는 가온수단;
    상기 온도센서로부터 입력된 온도 정보에 따라 상기 열전소자 및 가온수단을 제어하는 제어부를 포함하는 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템으로서,

    상기 온도센서는 열화상카메라인 것이며,
    상기 배터리모듈은 가온수단으로 면상발열체가 설치되는 것으로, 배터리모듈(B)의 외장을 전반적으로 균일하게 가온할 수 있는 것이고,
    상기 열전소자는 펠티어 효과가 큰 반도체 재료로서 비드머스, 텔루라이드, 안티몬텔 합금 중에서 선택된 한쌍으로 이루어진 것이며,
    부가적으로, 상기 배터리모듈의 주변에 지하수를 유입하도록 설치된 온도조절수단을 포함하고,

    상기 제어부는 온도센서(10)에 의하여 측정된 온도 정보가 기준 온도의 상한치를 넘을 경우 제어부(50)는 배터리모듈(B)의 열전소자(20)에 지령을 내려 열전소자(20)가 작동되도록 하고, 온도센서(10)에 의하여 측정된 온도 정보가 기준 온도의 하한치보다 낮을 경우 제어부는 배터리모듈(B)의 가온수단(30)에 지령을 내려 가온수단(30)이 작동되도록 하며,

    측정된 상기 배터리모듈의 온도가 열전소자나 가온수단을 이용하여 조절하여도 미리 설정된 범위를 초과할 경우 이머전시로 판단하고, 인터페이스를 통해 이머전시 정보를 외부로 출력하며, 상기 태양광 발전수단으로부터 인가되는 전류를 차단하고,

    상기 배터리모듈은 표면에 팽창흑연시트가 부착되어, 이방성 히트솔루션으로 배터리모듈을 구성하는 배터리의 일부에서 열이 발생하여 핫스팟을 형성될 때 면방향으로 열을 신속하게 방출하므로 핫스팟으로 인해 배터리모듈의 형상이 변형되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전설비용 배터리 관리시스템.
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