KR102077736B1 - 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템 - Google Patents

화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 배터리; 상기 배터리의 충방전 상태를 감시하는 배터리 모니터링 시스템(BMS); 상기 배터리의 충방전 상태를 제어하는 파워 컨디셔닝 시스템(PCS); 상기 BMS로부터 배터리 모니터링 데이터를 감시하고 상기 PCS를 제어하는 에너지 모니터링 시스템(EMS); 및 상기 BMS로부터 상기 배터리의 전압, 전류, 온도의 데이터와 외부 통신 데이터를 수신하고, 상기 PCS로부터 전압, 전류의 데이터를 수신하며, 상기 EMS로부터 감시 및 제어 데이터를 수신하여 저장하는 블랙박스를 포함하는, 에너지 저장 시스템을 개시한다.

Description

화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템{Energy storage system with black box for fire analysis}
본 발명의 실시예는 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(ESS)은 배터리, 배터리 관리 시스템(BMS), 파워 컨디셔너 시스템(PCS) 및 에너지 관리 시스템(EMS)으로 구성되어 있으며, 한전 또는 신재생 발전 설비로부터 생산된 전력을 배터리에 충전시켜 필요시 공급할 수 있는 시스템으로서, 피크 저감용, 주파수 조정용, 신재생 연계용, 비상 발전기 대체용 등으로 널리 활용되고 있다.
한편, 최근 빈번히 발생하고 있는 ESS 시스템의 화재 발생 시 발전소에 설치된 배터리, BMS, PCS, EMS를 포함한 ESS 발전소 일체의 장비가 소실되어 사고 원인 분석을 위한 일련의 데이터를 확보하기에 어려움이 있다.
일례로, 국내 공급된 신재생 에너지 연계, FR 및 피크 저감 등의 1,000여개소의 ESS 발전소 중 2019년 6월 현재 총 23개소의 ESS 발전소가 화재사고로 전소 또는 소실되어 산업적 피해가 막심하다. 2018년 말부터 집중된 ESS 발전소의 화재사고로 기 보급된 ESS 발전소의 발전을 완전히 중지한 바 있고 사고 원인 분석을 하는 장시간 동안 발전 중지는 물론 신규 ESS 공급을 일절 할 수 없어 관련 산업에 종사하는 산업이 마비된 상태이고, 특히 ESS 화재의 특성이 대부분의 발전소가 전소되어 근원적인 사고 요인을 파악하기에 불가할 정도로 어려움이 있다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템을 제공하는데 있다.
일례로, 본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 ESS 시스템의 화재의 경우 사고 원인 분석을 위한 배터리의 셀, 모듈, 랙(Rack)의 각종 정보, 특히 배터리 셀의 진행성 열화 문제 등을 포함하여, PCS의 각종 동작 정보, 지락 정보, 소내 영상 자료, 배터리 정상 동작에 영향을 미치는 온도, 습도 등 일체의 정보를 소실없이 표준 프로토콜로 저장하여 ESS 사고의 원인 분석을 위한 ESS용 블랙박스를 제공하는데 있다.
다르게 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 ESS 발전소가 정상 가동되는 기간 뿐 아니라, 예기치 않은 화재 등의 사고 시 사고 원인 분석을 위한 배터리의 셀, 모듈, 랙의 각종 정보, PCS의 각종 동작 정보, 지락정보, 소내 영상자료, 배터리 정상 동작에 영향을 미치는 온도, 습도, 배터리가 비정상 상태일 때 셀 내부로부터 방출되는 미세 가스/연기 정보를 센싱(일례로, 센싱 위치는 각 랙의 상단에 위치할 수 있음)하여 저장하는 등 일체의 정보를 소실 없이 표준 프로토콜로 저장된 ESS 사고의 원인 분석을 위한 각종 정보를 기록하는 블랙박스를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템은 배터리; 상기 배터리의 충방전 상태를 감시하는 배터리 모니터링 시스템(BMS); 상기 배터리의 충방전 상태를 제어하는 파워 컨디셔닝 시스템(PCS); 상기 BMS로부터 배터리 모니터링 데이터를 감시하고 상기 PCS를 제어하는 에너지 모니터링 시스템(EMS); 및 상기 BMS로부터 상기 배터리의 전압, 전류, 온도의 데이터와 외부 통신 데이터를 수신하고, 상기 PCS로부터 전압, 전류의 데이터를 수신하며, 상기 EMS로부터 감시 및 제어 데이터를 수신하여 저장하는 블랙박스를 포함할 수 있다.
상기 에너지 저장 시스템 내부를 촬영하는 카메라; 상기 에너지 저장 시스템의 온도를 센싱하는 온도 센서; 상기 에너지 저장 시스템의 습도를 센싱하는 습도 센서; 및 상기 에너지 저장 시스템의 오프 가스를 센싱하는 오프 가스 센서를 포함하고, 상기 블랙박스는 상기 카메라로부터 영상 데이터를 수신하고, 상기 온도 센서로부터 온도 데이터를 수신하며, 상기 습도 센서로부터 습도 데이터를 수신하고, 상기 오프 가스 센서로부터 오프 가스 데이터를 수신하여 저장할 수 있다.
상기 블랙박스는 상기 배터리에 연결된 태양광 전지로부터 전압, 전류, 온도 및 일사량 데이터를 수신하고, 상기 PCS에 연결된 그리드로부터 전압, 전류 데이터를 수신하여 저장할 수 있다. 여기서, 그리드로부터 수신하는 전류, 전압 등은 AC 정보일 수 있다. 반면, PCS에서 배터리측으로 전달되는 전압, 전류는 DC 일 수 있다.
상기 블랙박스는 상기 카메라로부터의 영상 데이터를 저장하는 영상 저장 매체; 및 상기 배터리의 전압, 전류, 온도의 데이터, 상기 BMS의 외부 통신 데이터, 상기 PCS의 전압, 전류의 데이터, 상기 EMS의 감시, 제어 데이터, 상기 온도 센서의 온도 데이터, 상기 습도 센서의 습도 데이터, 상기 오프 가스 센서의 오프 가스 데이터에 대한 로우(Raw) 데이터를 저장하는 로우 데이터 저장 매체를 포함하고, 상기 블랙박스는 상기 영상 저장 매체의 영상과 상기 로우 데이터 저장 매체의 로우 데이터를 같은 시간으로 동기화하여 저장할 수 있다.
상기 블랙박스는 모니터링 정보를 외부의 컴퓨터 또는 스마트폰 앱으로 전송할 수 있다.
상기 BMS는 상기 배터리의 전압 변화값(A), 상기 배터리의 전압 편차값(B) 및 상기 배터리의 전압 편차값의 변화값(C)을 센싱하여 상기 EMS에 전송하고, 상기 EMS는 상기 배터리의 전압 변화값(A)이 기준범위(a)를 벗어나거나, 상기 배터리의 전압 편차값(B)이 기준범위(b)를 벗어나거나, 상기 배터리의 전압 편차값의 변화값(C)이 기준범위(c)를 벗어나면, 상기 PCS에 상기 배터리의 충방전을 정지하도록 하는 충방전 정지 신호를 전송하고, 외부의 컴퓨터 또는 스마트폰 앱으로 충방전 정지 상태를 전송할 수 있다.
상기 EMS는 상기 배터리의 전압 변화값(A)과 기준범위(a), 상기 배터리의 전압 편차값(B)과 기준범위(b), 상기 배터리의 전압 편차값의 변화값(C)과 기준범위(c)를 상기 배터리의 충전 시에는 배터리 SOC가 80%보다 클 때 상호간 비교하고 상기 배터리의 방전 시에는 배터리 SOC가 30%보다 작을 때 상호간 비교할 수 있다.
상기 블랙박스는 상기 배터리로부터 수신된 데이터(D), 상기 BMS로부터 수신된 데이터(E), 상기 PCS로부터 수신된 데이터(F) 또는 상기 EMS로부터 수신된 데이터(G)가 기준범위를 벗어날 경우 외부의 컴퓨터 또는 스마트폰 앱으로 충방전 정지 상태를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예는 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템을 제공한다.
일례로, 본 발명의 실시예는 ESS 시스템의 화재의 경우 사고 원인 분석을 위한 배터리의 셀, 모듈, 랙(Rack)의 각종 정보, PCS의 각종 동작 정보, 지락 정보, 소내 영상 자료, 배터리 정상 동작에 영향을 미치는 온도, 습도, 오프 가스 등 일체의 정보를 소실없이 표준 프로토콜로 저장 ESS 사고의 원인 분석을 위한 ESS용 블랙박스를 제공한다.
다르게 설명하면, 본 발명의 실시예는 ESS 발전소가 정상 가동되는 기간 뿐 아니라, 예기치 않은 화재 등의 사고시 사고 원인 분석을 위한 배터리의 셀, 모듈, 랙의 각종 정보, PCS의 각종 동작 정보, 지락정보, 소내 영상자료, 배터리 정상 동작에 영향을 미치는 온도, 습도, 오프 가스 등 일체의 정보를 소실 없이 표준 프로토콜로 저장된 ESS 사고의 원인 분석을 위한 각종 정보를 기록하는 블랙박스를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템 중에서 블랙박스에 저장되는 정보를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템 중에서 EMS에 의해 수집되고 관리되는 항목을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템 중에서 블랙박스에 저장되고 관리되는 정보를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템 중에서 블랙박스에 저장되는 로우 데이터(raw data)의 예를 도시한 캡쳐 화면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템의 구성을 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
또한, 본 발명에 따른 블랙박스(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품은 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 반도체), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 적절한 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 블랙박스(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품의 다양한 구성 요소들은 하나의 집적회로 칩 상에, 또는 별개의 집적회로 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름 상에 구현 될 수 있고, 테이프 캐리어 패키지, 인쇄 회로 기판, 또는 제어부(컨트롤러)와 동일한 서브스트레이트 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는, 하나 이상의 컴퓨팅 장치에서, 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 프로세스 또는 쓰레드(thread)일 수 있고, 이는 이하에서 언급되는 다양한 기능들을 수행하기 위해 컴퓨터 프로그램 명령들을 실행하고 다른 구성 요소들과 상호 작용할 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리와 같은 표준 메모리 디바이스를 이용한 컴퓨팅 장치에서 실행될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어, CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer readable media)에 저장될 수 있다. 또한, 본 발명에 관련된 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 상호간 결합되거나, 하나의 컴퓨팅 장치로 통합되거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이, 본 발명의 예시적인 실시예를 벗어나지 않고, 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들에 분산될 수 될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
일례로, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러)는 중앙처리장치, 하드디스크 또는 고체상태디스크와 같은 대용량 저장 장치, 휘발성 메모리 장치, 키보드 또는 마우스와 같은 입력 장치, 모니터 또는 프린터와 같은 출력 장치로 이루어진 통상의 상용 컴퓨터에서 운영될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100)은 배터리(110), 배터리 모니터링 시스템(BMS(120)), 파워 컨디셔닝(또는 컨버팅) 시스템(PCS(130)), 에너지 모니터링 시스템(EMS(140)) 및 블랙박스(150)를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100)은 카메라(161), 온도 센서(162), 습도 센서(163) 및/또는 오프 가스 센서(164)를 더 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100)은 태양광 발전기(170)(또는 풍력 발전기) 및/또는 그리드(180)(또는 부하)를 더 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100)은 외부의 컴퓨터(191) 및/또는 스마트폰앱(192)을 더 포함할 수 있다.
배터리(110)는 배터리 셀, 배터리 모듈, 배터리 랙 및/또는 배터리 팩을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 배터리 모듈 내에는 다수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 일부 예들에서, 배터리(110)는 리튬이온전지, 리튬폴리머전지, 리튬황전지, 리튬인산철전지, 리튬공기전지, 전고체 전지를 포함할 수 있다. 이러한 배터리(110)는 태양광발전기(170) 및/또는 그리드(180)로부터 전기 에너지를 받아 충전되거나, 또는 저장된 에너지를 그리드 및/또는 부하(180)에 방전할 수 있다.
BMS(120)는 기본적으로 배터리(110)에 장착되어 배터리(110)의 충방전 상태를 직접 제어하고 감시할 수 있다. 일부 예들에서, BMS(120)는 배터리(110)의 전압, 전류 및/또는 온도를 센싱하고, 이의 데이터를 PCS(130), EMS(140) 및/또는 블랙박스(150)에 전송할 수 있다. 일부 예들에서, BMS(120)는 PCS(130) 및/또는 EMS(140)와의 외부 통신 데이터를 블랙박스(150)에 전송할 수 있다.
일부 예들에서, BMS(120)는 배터리(110)의 전압, 전류 및/또는 온도가 미리 설정된 기준값을 벗어날 경우 배터리(110)에 연결된 충방전 스위치를 직접 제어하여 배터리(110)의 충방전이 정지되도록 할 수 있다. 일부 예들에서, BMS(120)에 설정된 배터리(110)의 전압, 전류 및/또는 온도에 대한 기준값은 상대적으로 가장 작은 값으로 설정될 수 있어, 배터리(110)에 이상이 있을 경우 BMS(120)가 배터리(110)의 충방전을 1차적으로 정지할 수 있다. 일부 예들에서, BMS(120)는 PCS(130), EMS(140) 및/또는 블랙박스(150)에 충방전 정보 및 감시 정보를 각각 전송하고, PCS(130)로부터 충방전 제어 정보를 수신하여 배터리(110)의 충전 동작 및/또는 방전 동작을 수행할 수 있다.
PCS(130)는 배터리(110)의 충방전 상태를 직접 제어할 수 있다. 일부 예들에서, PCS(130)는 제어하고자 하는 또는 목표로 하는 전압 및/또는 전류의 데이터를 블랙박스(150)에 전송할 수 있다. 일부 예들에서, PCS(130)는 태양광 발전기(170) 및/또는 그리드(180)에 의해 배터리(110)가 충전되도록 제어할 수 있다. 그리드(180)의 교류 전원에 의해 배터리(110)가 충전될 경우, PCS(130)는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리(110)에 제공할 수 있다. 배터리(110)의 직류 전원이 그리드(180)에 제공될 경우, 즉, 배터리(110)가 방전될 경우, PCS(130)는 배터리(110)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 그리드(180)에 제공할 수 있다. 일부 예들에서, PCS(130)와 그리드(180)의 사이에 변압기가 더 연결될 수 있다.
일부 예들에서, PCS(130)에 설정된 배터리(110)의 전압, 전류 및/또는 온도에 대한 기준값은 상대적으로 큰 값으로 설정될 수 있어(BMS(120)에 설정된 값보다 큰 값), 배터리(110)에 이상이 있을 경우 PCS(130)가 BMS(120)에 설치된 충방전 스위치를 직접 턴오프시킬 수 있어, 배터리(110)의 충방전을 2차적으로 정지시킬 수 있다. 다르게 설명하면, 1차적으로 BMS(120)가 배터리(110)의 안전 동작을 제어하는데 실패하면, 2차적으로 PCS(130)가 배터리의 안전 동작을 제어할 수 있다.
EMS(140)는 BMS(120)로부터 배터리 모니터링 데이터를 감시하고 BMS(120) 및/또는 PCS(130)를 제어할 수 있다. 일부 예들에서, EMS(140)는 감시 및 제어 데이터를 블랙박스(150)에 전송할 수 있다. 일부 예들에서, EMS(140)는 BMS(120)로부터 수신된 각종 감시 데이터를 블랙박스(150)에 전송하고, 또한 EMS(140)가 PCS(130)나 BMS(120)에 제공한 각종 제어 데이터를 블랙박스(150)에 전송할 수 있다.
일부 예들에서, EMS(140)에 설정된 배터리(110)의 전압, 전류 및/또는 온도에 대한 기준값은 상대적으로 가장 큰 값으로 설정될 수 있어(BMS(120) 및/또는 PCS(130)에 설정된 값보다 큰 값), 배터리(110)에 이상이 있을 경우 EMS(140)가 BMS(120) 및/또는 PCS(130)에 설치된 충방전 스위치를 직접 턴오프시킬 수 있어, 배터리(110)의 충방전을 3차로 정지시킬 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에서는 배터리(110)의 전압, 전류 및/또는 온도가 기준값을 벗어날 경우 1차적으로 BMS(120)가, 2차적으로 PCS(130)가, 3차적으로 EMS(140)가 충방전 스위치를 턴오프할 수 있도록 되어 있음으로써, 3중 안전 시스템을 갖추게 된다.
일부 예들에서, 블랙박스(150)는 BMS(120)로부터 배터리(110)의 전압, 전류 및/또는 온도의 데이터와 외부 통신 데이터를 수신하고, PCS(130)로부터 전압 및/또는 전류의 데이터(DC 데이터)를 수신하며, EMS(140)로부터 감시 및/또는 제어 데이터를 수신하고, 수신된 이러한 데이터를 암호화하여 저장할 수 있다.
일부 예들에서, 카메라(161)는 에너지 저장 시스템(100)의 내부 환경 및/또는 외부 환경을 촬영할 수 있다. 온도 센서(162)는 에너지 저장 시스템(100)의 내부 온도 및/또는 외부 온도를 센싱할 수 있다. 습도 센서(163)는 에너지 저장 시스템(100)의 내부 및/또는 외부 습도를 센싱할 수 있다. 오프 가스 센서(164)는 에너지 저장 시스템(100)의 이상 발생 초기에 발생하는 오프 가스를 센싱할 수 있다. 즉, 오프 가스 센서164)는 배터리 셀의 진행성 열화 문제를 조기에 파악할 수 있도록 한다. 일례로, 오프 가스 센서(164)는 배터리 셀의 이상 동작으로 안전 벤트가 개방될 때 분출되는 CO, H2, CO2, CH4, C2H4, HC(주로 전해액이 분해되어 발생된 가스일 수 있음)와 같은 오프 가스를 센싱할 수 있다. 일반적으로 배터리 셀이 오프 가스를 분출한 이후에는 열폭주 및 화재가 이어지므로, 이러한 오프 가스를 센싱하여 즉각적으로 배터리 셀의 충방전 동작을 정지시키면 에너지 저장 시스템의 안전성이 향상될 수 있다.
일반적으로, 배터리 셀의 진행성 열화란 배터리 셀의 사용 사이클 또는 사용 시간이 증가함에 따라 배터리 셀의 내부 저항 증가, 내부 미세 단락 발생, 절연 파괴, 전해질 분해 및 변형, 양극/음극 활물질의 분해 및 변형, 세퍼레이터 수축 등의 다양한 문제로 배터리 셀이 열화됨을 의미한다. 특히, 배터리 셀의 변형 및 전해질/활물질의 분해로 인해 다양한 가스가 생성되는데, 이에 따라 배터리 셀의 내부 압력이 증가하게 된다. 또한, 배터리 셀의 내부 압력이 미리 설정된 압력을 초과하게 되면, 안전벤트가 동작하면서 이러한 내부 가스를 외부로 분출하게 되는데, 이를 오프 가스라 한다. 따라서, 배터리 셀의 진행성 열화에 따라 안전벤트가 동작하기 시작하면 배터리 셀 즉 에너지 저장 시스템의 내부에 오프 가스가 감지되기 시작하고, 이는 곧 에너지 저장 시스템 또는 배터리 셀에 문제가 있음을 의미한다. 따라서, 본 발명은 이러한 에너지 저장 시스템 또는 배터리 시스템의 사전 이상 징후인 오프 가스를 감지하였을 경우, 즉각적으로 충방전이 정지되도록 함으로써, 에너지 저장 시스템의 안전성이 향상되도록 한다.
이밖에도 광센서가 구비되어, 에너지 저장 시스템(100)의 내부 및/또는 외부의 불꽃 및/또는 연기를 센싱할 수 있다. 경우에 따라, 광센서가 오프 가스, 연기 및/또는 불꽃을 함께 센싱할 수 있다.
일부 예들에서, 블랙박스(150)는 카메라(161)로부터 영상 데이터를 수신하고, 온도 센서(162)로부터 온도 데이터를 수신하며, 습도 센서(163)로부터 습도 데이터를 수신하고, 오프 가스 센서(164)로부터 오프 가스 데이터를 수신하며, 광센서로부터 불꽃/연기 데이터를 수신하며, 수신된 이러한 데이터를 암호화하여 저장할 수 있다.
일부 예들에서, 블랙박스(150)는 배터리(110)에 연결된 태양광 발전소(170)로부터 전압, 전류, 온도 및/또는 일사량 데이터를 수신하고, 암호화하여 저장할 수 있다. 일부 예들에서, 블랙박스(150)는 PCS(130)에 연결된 그리드(180)로부터 전압 및/또는 전류 데이터(AC 데이터)를 수신하고, 암호화하여 저장할 수 있다. 일부 예들에서, 블랙박스(150)는 지락 및/또는 절연 데이터도 수집하고 암호화하여 저장할 수 있다.
일부 예들에서, 블랙박스(150)는 모니터링 정보를 외부의 컴퓨터(191) 및/또는 스마트폰 앱(192)으로 전송할 수 있다. 일부 예들에서, 블랙박스(150)는 유/무선 통신망을 통해 외부의 컴퓨터(191) 및/또는 스마트폰 앱(192)과 연결될 수 있다. 이와 같이 하여, 에너지 저장 시스템(100)의 관리자는 에너지 저장 시스템(100)의 다양한 정보를 실시간으로 확인할 수 있다.
일부 예들에서, BMS(120)는 배터리(110)의 사용 시간 또는 충방전 사이클 경과에 따른 전압 변화값(A), 배터리(110)의 사용 시간 또는 충방전 사이클 경과에 따른 전압 편차값(B), 배터리(110)의 사용 시간 또는 충방전 사이클 경과에 따른 전압 편차값의 변화값(C)을 센싱하여 EMS(140)에 전송할 수 있다.
여기서, 배터리(110)의 전압 변화값(A)은 하나의 배터리 셀 또는 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀 각각의 사용 시간 또는 충방전 사이클 경과에 따른 전압 변화값을 의미할 수 있다. 또한, 배터리(110)의 전압 편차값(B)은 2개의 배터리 셀 또는 병렬로 연결된 일측의 배터리 셀들과 병렬로 연결된 타측의 배터리 셀들 사이의 사용 시간 또는 충방전 사이클 경과에 따른 전압 편차값을 의미할 수 있다. 또한, 배터리(110)의 전압 편차값의 변화값(C)은 사용 시간 또는 충방전 사이클 경과에 따른 상술한 두개의 전압 편차값의 변화값 또는 다수의 전압 편차값의 변화값을 의미할 수 있다.
한편, EMS(140)는 배터리(110)의 전압 변화값(A)이 미리 설정된 기준범위(a)를 벗어나거나, 배터리(110)의 전압 편차값(B)이 미리 설정된 기준범위(b)를 벗어나거나, 그리고/또는 배터리(110)의 전압 편차값의 변화값(C)이 미리 설정된 기준범위(c)를 벗어날 경우, BMS(120) 및/또는 PCS(130)에 배터리(110)의 충방전을 정지하도록 하는 충방전 정지 신호를 전송하고, 외부의 컴퓨터(191) 및/또는 스마트폰 앱(192)으로 충방전 정지 상태를 전송할 수 있다.
특히, 배터리(110)의 충방전 이상으로 화재가 발생될 경우, 상술한 배터리(110)의 전압 편차값의 변화값(C)이 미리 설정된 기준범위(c)를 벗어나는 사전 징조 현상이 나타나는데, 본 발명의 실시예는 이러한 사전 징조 현상을 감지하여 배터리(110)의 충방전을 미리 정지시키고 이러한 상태를 관리자에게 알림으로써, 에너지 저장 시스템(100)의 화재 예방에도 큰 기여를 할 수 있다.
일부 예들에서, EMS(140)는 배터리(110)의 전압 변화값(A)과 기준범위(a), 배터리(110)의 전압 편차값(B)과 기준범위(b), 배터리(110)의 전압 편차값의 변화값(C)과 기준범위(c)를 배터리(110)의 충전 시에는 배터리(110) SOC가 80%보다 클 때 상호간 비교하고(또는 정전압 충전 모드에서 정전류 충전 모드로 변환되었을 때 상호간 비교하고), 배터리(110)의 방전 시에는 배터리(110) SOC가 30%보다 작을 때 상호간 비교하여 상술한 제어 동작을 수행할 수 있다.
특히, 배터리(110)의 전압 변화값(A), 배터리(110)의 전압 편차값(B), 배터리(110)의 전압 편차값의 변화값(C)의 변화는 상술한 충전 시 배터리 SOC가 80%보다 클 때, 그리고 방전 시에는 배터리 SOC가 30%보다 작을 때, 상대적으로 큰 값을 갖는다. 따라서, 본 발명의 실시예는 상대적으로 큰 값의 차이가 나는 시점에 중점적으로 배터리(110)의 위험 상태를 알리는 사전 징조 현상을 모니터링함으로써, 에너지 저장 시스템(100)의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.
일부 예들에서, 블랙박스(150)는 배터리(110)로부터 수신된 데이터(D), BMS(120)로부터 수신된 데이터(E), PCS(130)로부터 수신된 데이터(F) 및/또는 EMS(140)로부터 수신된 데이터(G)가 미리 설정된 기준범위를 벗어날 경우 외부의 컴퓨터(191) 및/또는 스마트폰 앱(192)으로 이러한 모니터링 결과와 배터리(110)의 충방전 정지 상태를 전송함으로써, 관리자에게 에너지 저장 시스템(100)의 현재 상태를 실시간으로 제공할 수 있다.
이와 같이하여, 본 발명의 실시예는 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100)을 제공할 수 있다. 일례로, 본 발명의 실시예는 ESS 시스템의 화재의 경우 사고 원인 분석을 위한 배터리(110)의 셀, 모듈, 랙의 각종 정보, PCS(130)의 각종 동작 정보, 지락 정보, 소내 영상 자료, 배터리(110)의 정상 동작에 영향을 미치는 온도, 습도, 오프 가스 등 일체의 정보를 소실없이 표준 프로토콜로 저장하여 ESS 사고의 원인 분석을 위한 ESS용 블랙박스(150)를 제공할 수 있다. 다르게 설명하면, 본 발명의 실시예는 ESS 발전소가 정상 가동되는 기간 뿐 아니라, 예기치 않은 화재 등의 사고시 사고 원인 분석을 위한 배터리(110)의 셀, 모듈, 랙의 각종 정보, PCS(130)의 각종 동작 정보, 지락정보, 소내 영상자료, 배터리(110)의 정상 동작에 영향을 미치는 온도, 습도, 오프 가스 등 일체의 정보를 소실 없이 표준 프로토콜로 저장된 ESS 사고의 원인 분석을 위한 각종 정보를 기록하는 블랙박스(150)를 제공할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100) 중에서 블랙박스(150)에 저장되는 정보를 도시한 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100) 중에서 블랙박스(150)에는 광 센서 기술을 이용한 배터리(110)의 이상 유무 사전 진단 정보뿐만 아니라 배터리(110)의 셀, 모듈, 랙 등의 각종 정보와, PCS(130) 및 EMS(140)의 각종 동작 정보와, 지락 정보, 소내 영상 자료, 온도, 습도, 오프 가스 등의 정보가 저장될 수 있다.
한편, 배터리(110)의 셀, 모듈 및 랙의 각종 정보와, PCS(130) 및 EMS(140)의 각종 동작/제어 정보와, 지락 정보, 소내 영상 자료, 온도, 습도 및 오프 가스 정보는 블랙박스(150)의 마이크로프로세서 보드(151)를 통해 로우 데이터 저장 매체(152)에 저장될 수 있다. 또한, 에너지 저장 시스템(100)의 영상 정보는 엔코더(153)를 통하여 영상 저장 매체(154)에 저장될 수 있다.
여기서, 블랙박스(150)는 영상 저장 매체(151)의 영상과 로우 데이터 저장 매체(153)의 로우 데이터를 같은 시간으로 동기화하여 저장할 수 있다. 따라서, 추후 에너지 저장 시스템(100)의 화재 발생 시 로우 데이터와 화재 영상을 동일 시간대로 동기화하여 비교 분석할 수 있음으로써, 정확한 화재 원인을 밝힐 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100) 중에서 EMS(140)에 의해 수집되고 관리되는 항목을 도시한 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100) 중에서 EMS(140)는 에너지 소비 현황을 실시간으로 파악하고 축적된 데이터를 이용한 트렌드, 상관 관계, 예측 등 다양한 다차원 분석을 제공하여 에너지 절감 포인트 및 개선 활동 식별, 절감 목표 설정 등에 활용하며, 연계되는 ESS 충방전 시나리오 작성에 적극활용될 수 있다. 일부 예들에서 EMS(140)는 에너지 실적 측정 정보, 환경 정보, 설비 정보 및 ESS 정보와 같은 데이터를 수집하고, 이러한 수집 데이터를 이용하여 기간별, 설비별, 위치별, 용도별, 에너지원별, 데이터 종류별 ESS의 관리가 가능해진다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100) 중에서 블랙박스(150)에 저장되고 관리되는 정보를 도시한 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100) 중에서 블랙박스(150)에 저장되고 관리되는 정보는 모니터링 데이터, 운영관리 데이터, 이력관리 데이터, 통계관리 데이터 및 시스템관리 데이터를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 모니터링 데이터는 PCS 실시간 감시, 배터리 실시간 감시, 미터기 실시간 감시, 건물/공장 에너지 감시와 같은 감시 데이터, PCS 운영 상태, 배터리 운영 상태, 미터리 운영 상태, 건물/공장 에너지 운영 상태와 같은 운영 상태 데이터를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 운영 관리 데이터는 수동 모드 데이터와 자동 모드(스케쥴 모드, 피크컷 모드) 데이터, 공장/건물 설비 제어 데이터를 포함할 수 있다. 이력 관리 데이터는 PCS 이벤트 출력, 배터리 이벤트 출력, 기타 기기 이벤트 출력, FEMS 이벤트 출력과 같은 이벤트 데이터, 설정 및 제어 이력 데이터와, 미터기 조회/출력 데이터를 포함할 수 있다. 통계 관리 데이터는 일별 누적량, 월별 누적량 및 년도별 누적량과 같은 충방전 누적량 데이터와, 주간/누적 절감 요금, 피크저감률, 소비전력량 및 고장 진단과 같은 운영 통계 데이터를 포함할 수 있다. 시스템 관리 데이터는 PCS 동작 범위 설정과 배터리 운영범위설정을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100) 중에서 블랙박스(150)에 저장되는 로우 데이터(raw data)의 예를 도시한 캡쳐 화면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100) 중에서 블랙박스(150)에 저장되는 로우 데이터(raw data)는 날짜별로 저장될 수 있으며, 이는 상술한 바와 같이 영상 데이터와 동기화될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100A)의 구성을 도시한 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템(100A)은 BMS(120)와 PCS(130) 사이의 통신선, BMS(120)와 EMS(140) 사이의 통신선, PCS(130)와 EMS(140) 사이의 통신선에 각각 노이즈 저감 필터(193)가 설치될 수 있다.
따라서, 태양광 발전기(170)와 배터리(110), 배터리(110)와 PCS(130), PCS(130)와 그리드(180) 사이에 설치된 고전압선 또는 고전력선에서 발생할 수 있는 수프라하모닉스(supra harmonics)에 의한 다양한 통신 에러를 방지할 수 있다. 여기서, 스프라하모닉스는 전원선의 고조파 영역을 초과하는 주파수로서 도체와 접지 간에 발생하는 노이즈를 의미한다. 일례로, 대략 2-9kHz 영역, 대략 9-150kHz에서 전압 레벨이 2.5V 이상 변동되면 발생하며, ESS 시스템에서 다양한 통신 에러 및 계측 에러를 발생시켜, ESS의 오동작을 유발한다.
본 발명은 이러한 2.5V 이상의 변동을 컷트할 수 있는 노이즈 저감 필터(193)를 더 포함함으로써, 다양한 통신 에러 및 계측 에러에 의한 ESS의 이상 현상을 방지할 수 있다.
일부 예에서, 노이즈 저감 필터(193)는 BMS(120)와 블랙박스(150) 사이의 통신선, PCS(130)와 블랙박스(150) 사이의 통신선, EMS(140)와 블랙박스(150) 사이의 통신선, 태양광 발전기(170)와 블랙박스(150) 사이의 통신선, 그리드(180)와 블랙박스(150) 사이의 통신선, 카메라(161)와 블랙박스(150) 사이의 통신선, 온도센서와 블랙박스(150) 사이의 통신선, 습도 센서(163)와 블랙박스(150) 사이의 통신선, 오프 가스 센서(164)와 블랙박스(150) 사이의 통신선에도 설치됨으로써, 다양한 노이즈에 의해 블백박스의 오동작을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 화재 분석이 가능한 블랙박스를 갖는 에너지 저장 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템
110; 배터리 120; BMS
130; PCS 140; EMS
150; 블랙박스 161; 카메라
162; 온도 센서 163; 습도 센서
164; 오프 가스 센서
170; 태양광 발전기 180; 그리드
191; 컴퓨터 192; 스마트폰앱
193; 노이즈 필터

Claims (8)

  1. 배터리;
    상기 배터리의 충방전 상태를 감시하는 배터리 모니터링 시스템(BMS);
    상기 배터리의 충방전 상태를 제어하는 파워 컨디셔닝 시스템(PCS);
    상기 BMS로부터 배터리 모니터링 데이터를 감시하고 상기 PCS를 제어하는 에너지 모니터링 시스템(EMS); 및
    상기 BMS로부터 상기 배터리의 전압, 전류, 온도의 데이터와 외부 통신 데이터를 수신하고, 상기 PCS로부터 전압, 전류의 데이터를 수신하며, 상기 EMS로부터 감시 및 제어 데이터를 수신하여 저장하는 블랙박스를 포함하고,
    상기 BMS는 상기 배터리의 전압 변화값(A), 상기 배터리의 전압 편차값(B) 및 상기 배터리의 전압 편차값의 변화값(C)을 센싱하여 상기 EMS에 전송하고,
    상기 EMS는 상기 배터리의 전압 변화값(A)이 기준범위(a)를 벗어나거나, 상기 배터리의 전압 편차값(B)이 기준범위(b)를 벗어나거나, 상기 배터리의 전압 편차값의 변화값(C)이 기준범위(c)를 벗어나면, 상기 PCS에 상기 배터리의 충방전을 정지하도록 하는 충방전 정지 신호를 전송하고, 외부의 컴퓨터 또는 스마트폰 앱으로 충방전 정지 상태를 전송하고,
    상기 EMS는 상기 배터리의 전압 변화값(A)과 기준범위(a), 상기 배터리의 전압 편차값(B)과 기준범위(b), 상기 배터리의 전압 편차값의 변화값(C)과 기준범위(c)를 상기 배터리의 충전 시에는 배터리 SOC가 80%보다 클 때 상호간 비교하고 상기 배터리의 방전 시에는 배터리 SOC가 30%보다 작을 때 상호간 비교하는, 에너지 저장 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 시스템을 촬영하는 카메라;
    상기 에너지 저장 시스템의 온도를 센싱하는 온도 센서;
    상기 에너지 저장 시스템의 습도를 센싱하는 습도 센서; 및
    상기 에너지 저장 시스템의 오프 가스를 센싱하는 오프 가스 센서를 포함하고,
    상기 블랙박스는 상기 카메라로부터 영상 데이터를 수신하고, 상기 온도 센서로부터 온도 데이터를 수신하며, 상기 습도 센서로부터 습도 데이터를 수신하고, 상기 오프 가스 센서로부터 오프 가스 데이터를 수신하여 저장하는, 에너지 저장 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랙박스는
    상기 배터리에 연결된 태양광 전지로부터 전압, 전류, 온도 및 일사량 데이터를 수신하고, 상기 PCS에 연결된 그리드로부터 전압, 전류 데이터를 수신하여 저장하는, 에너지 저장 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 블랙박스는
    상기 카메라로부터의 영상 데이터를 저장하는 영상 저장 매체; 및
    상기 배터리의 전압, 전류, 온도의 데이터, 상기 BMS의 외부 통신 데이터, 상기 PCS의 전압, 전류의 데이터, 상기 EMS의 감시, 제어 데이터, 상기 온도 센서의 온도 데이터, 상기 습도 센서의 습도 데이터, 상기 오프 가스 센서의 오프 가스 데이터에 대한 로우 데이터를 저장하는 로우 데이터 저장 매체를 포함하고,
    상기 블랙박스는
    상기 영상 저장 매체의 영상과 상기 로우 데이터 저장 매체의 로우 데이터를 같은 시간으로 동기화하여 저장하는, 에너지 저장 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랙박스는 모니터링 정보를 외부의 컴퓨터 또는 스마트폰 앱으로 전송하는, 에너지 저장 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랙박스는 상기 배터리로부터 수신된 데이터(D), 상기 BMS로부터 수신된 데이터(E), 상기 PCS로부터 수신된 데이터(F) 또는 상기 EMS로부터 수신된 데이터(G)가 기준범위를 벗어날 경우 외부의 컴퓨터 또는 스마트폰 앱으로 충방전 정지 상태를 전송하는, 에너지 저장 시스템.





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