KR102218874B1 - Ess의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 에너지소비장치 및 그의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ESS화재 화장 방지를 위한 에너지소비장치에 관한 것으로서, ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 에너지소비장치에 있어서, 복수의 배터리랙(Rack) 중 화재가 발생한 화재발생 랙의 에너지를 에너지 소비지로 소비하도록 에너지 소비지와 화재발생 랙을 전기적으로 연결시키는 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 스위칭 주제어 모듈; 및 화재가 발생하지 않고 화재발생 랙 인근에 위치한 화재비발생 랙의 에너지를 소비하여 화재발생 랙의 에너지 소비 속도를 향상시키도록 에너지 소비지와 화재비발생 랙을 전기적으로 연결시키는 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 스위칭 보조제어 모듈을 포함할 수 있다.

Description

ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 에너지소비장치 및 그의 제어방법{AN ENERGY CONSUMPTION APPARATUS FOR PROTECTING ESS FIRE SPREAD}

본 발명은 ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 에너지소비장치 및 그의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화재로 이어질 수 있는 일부의 렉, 모듈, 셀에서 과전압 또는 저전압(단락포함)이 발생한 경우에 해당 배터리 또는 이외의 건전한 배터리의 에너지를 단시간에 방전하여 화재를 예방하고, 화재로 이어진 경우에는 인근 배터리로 화재가 확산되는 속도를 효과적으로 억제할 수 있는 ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 에너지소비장치 및 그의 제어방법에 관한 것이다.

최근 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)에 의한 화재가 이슈가 되고 있다. ESS는 전기적 에너지로 저장하고 필요할 때 사용할 수 있도록 공급하는 시스템으로, 에너지저장장치(Battery), 전력변환장치(PCS, Power Conditioning System) 및 에너지관리시스템(EMS/PMS, Energy Management System/Power Management System)으로 구성된다.

이때, 에너지저장장치(battery)는 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬로 연결된 복수의 배터리 랙으로 구성된다. 각각의 랙은 복수의 모듈들을 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬로 연결한다. 각각의 모듈은 복수의 셀들을 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬로 연결한다. 특히, 리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자가방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다. 이 외에도 에너지밀도가 높은 특성을 이용하여 방산업이나 자동화시스템, 그리고 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이다

그러나, 리튬이온 전지는 에너지 밀도가 높기 때문에 복수의 배터리랙 중 일부 영역에서 화재가 발생한 경우에도 인근에 설치된 배터리랙으로 화재가 빠르게 확산되는 문제가 있다. 또한, 리튬이온 전지는 사용 빈도에 따라 충전 용량이 달라지기 때문에 배터리용량 보다 과충전될 경우 배터리가 발열하면서 ESS화재 발생의 원인이 될 수 있다. 뿐만 아니라, 배터리관리시스템(BMS)의 오류, 서지, 지락, 설치오류, 환경문제 등이 ESS화재 발생의 원인이 될 수도 있다.

이에 따라, 화재로 이어질 수 있는 일부 배터리의 안전문제가 발생했을 때에 이것의 예방 및 인근 배터리로 확산되는 것을 방지할 수 있는 기술 개발이 요구된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 화재로 이어질 수 있는 셀, 모듈 또는 랙에서 저전압(단락포함), 과전압, 전압불평형 또는 유사한 문제가 발생할 경우에 문제가 발생한 배터리에 에너지가 지속적으로의 공급되어 화재로 이어지지 않도록 저장중인 에너지를 단시간에 소비함으로써 사고의 방지 및 확대를 예방하기 위한 우회의 긴급 방전회로를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 화재가 발생한 배터리 랙과 인근 배터리 랙의 에너지를 소비시켜 화재 확산 속도를 효과적으로 늦춤으로써 ESS의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 에너지소비장치 및 그의 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 에너지소비장치 및 그의 제어방법은 화재발생 랙의 에너지를 에너지 소비지로 소비하도록 에너지 소비지와 화재발생 랙을 전기적으로 연결시키는 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 스위칭 주제어 모듈; 및 화재비발생 랙의 에너지를 소비하여 화재발생 랙의 에너지 소비 속도를 향상시키도록 에너지 소비지와 화재비발생 랙을 전기적으로 연결시키는 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 스위칭 보조제어 모듈을 포함한다. 이에, 화재가 발생한 배터리의 에너지를 단시간에 소비함으로써 인근 배터리로 화재가 확산되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 스위칭 주제어 모듈 및 스위칭 보조제어 모듈이 선택적으로 동작하도록 제어하는 동작 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 화재발생 랙 및 화재비발생 랙을 센싱하는 랙 센싱 모듈; 및 랙 센싱 모듈이 랙의 화재를 감지한 경우, 네트워크 통신망을 통해 연결된 사용자 단말로 화재 발생 알림을 전송하는 화재 발생 알림 모듈을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 화재발생 랙 및 화재비발생 랙 중 적어도 하나의 에너지를 소비시킬 에너지 소비지를 선정하는 에너지소비지 선정모듈을 더 포함하고, 에너지 소비지는 전력변환장치 및 저항부하를 포함하는 에너지소비장치 중 어느 하나이고, 스위칭 주제어 모듈 및 보조제어 모듈 중 적어도 어느 하나의 구동에 기초하여 에너지 소비지로 에너지를 소비할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 화재발생 랙에 포함된 복수의 배터리모듈 중 화재가 발생한 배터리모듈을 센싱할 수 있는 배터리 센싱 모듈을 더 포함할 수 있다.

전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 방법은 스위칭 주제어 모듈에 의해 병렬로 연결된 복수의 배터리랙(Rack) 중 화재가 발생한 화재발생 랙의 에너지를 에너지 소비지로 소비하도록 에너지 소비지와 화재발생 랙을 전기적으로 연결시키는 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 단계; 스위칭 보조제어 모듈에 의해 화재발생 랙의 인근에 위치한 화재비발생 랙의 에너지를 소비하여 화재 확산을 예방하도록 에너지 소비지와 화재비발생 랙을 전기적으로 연결시키는 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 단계; 및 스위칭 주제어 모듈 및 보조제어 모듈 중 적어도 어느 하나의 구동에 기초하여 에너지 소비지로 에너지를 소비하는 단계를 포함한다. 이에, 화재가 발생한 배터리 랙과 인근 배터리 랙의 에너지를 동시에 소비시킴으로써 인근 배터리로 확산된 화재를 빠르게 수습하여 화재로 인한 피해를 효과적으로 줄일 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 에너지 소비지는 전력변환장치 및 저항부하를 포함하는 에너지소비장치 중 어느 하나일 수 있다.

전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은 직렬로 연결된 복수의 배터리모듈 집합을 포함하며 병렬로 연결된 복수의 배터리랙(Rack); 배터리랙의 상태를 실시간으로 모니터링하는 BMS; 화재가 발생한 화재발생 랙의 에너지를 소비하도록 에너지 소비지와 화재발생 랙을 전기적으로 연결시키는 제1 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 스위칭 주제어 모듈 및 화재발생 랙 인근에 위치한 화재비발생 랙의 에너지를 소비하도록 에너지 소비지와 화재비발생 랙을 전기적으로 연결시키는 제2 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 스위칭 보조제어 모듈을 포함하고, 스위칭 주제어 모듈 및 스위칭 보조제어 모듈은 배터리관리시스템에 의해 선택적으로 구동될 수 있다.

기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명은 화재 전조현상 및 화재 발생을 감지함으로써 화재발생 랙을 검출하여 화재발생 랙의 인근에서 일 측 방향으로 에너지를 뽑아줌으로써 화재사고 진화를 늦출 수 있고 인근 랙으로 화재가 확산되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 화재가 발생한 배터리 랙과 인근 배터리 랙의 에너지를 소비시킴으로써 인근 배터리로 확산된 화재를 빠르게 수습하여 화재로 인한 피해를 효과적으로 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS화재 확산 방지를 위한 에너지 저장 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 ESS화재 확산 방지를 위한 에너지 저장 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ESS화재 확산 방지를 위한 에너지 저장 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ESS화재 확산 방지를 위한 에너지 저장 시스템의 구성도이다.

이하의 내용은 단지 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 발명의 원리를 구현하고 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 이하의 설명에서 제1, 제2 등과 같은 서수식 표현은 서로 동등하고 독립된 객체를 설명하기 위한 것이며, 그 순서에 주(main)/부(sub) 또는 주(master)/종(slave)의 의미는 없는 것으로 이해되어야 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.

본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.

이하에서는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 ESS화재 확산 방지를 위한 에너지 저장 시스템(1000)의 구성 및 동작에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS화재 확산 방지를 위한 에너지 저장 시스템의 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 블럭도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

에너지 저장 시스템(1000)의 구성

도 1을 참조하면, 에너지 저장 시스템(1000)은 전력변환장치(PCS, Power Conditioning System), 배터리(Battery) 및 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System)를 포함한다.

전력변환장치(PCS)는 에너지관리시스템(EMS)의 명령에 의해 배터리(Battery)를 충전 또는 방전할 수 있도록 전력을 변환시키는 장치로서, 배터리(Battery) 및 계통(110)에 전기적으로 연결되도록 구성된다. 구체적으로, 전력변환장치(PCS)가 에너지관리시스템(EMS)으로부터 배터리를 충전시키도록 명령을 받은 경우는 AC전압을 DC전압으로 변환하고, 배터리를 방전시키도록 명령을 받은 경우는 DC전압을 AC전압으로 변환할 수 있다. 이때, 전력변환장치(PCS)는 에너지관리시스템(EMS)을 통해 배터리관리시스템(BMS, Battery Management System)과 통신하거나 직접 배터리관리시스템(BMS, Battery Management System)과 통신할 수 있다.

도 1을 참조하면, 에너지관리시스템(EMS)은 계통 주파수, 전압, 전기요금, 배터리(Battery) 및 전력변환장치(PCS)의 상태를 판단하여 ESS(Energy Storage System)를 운전을 제어하는 제어기로 정의될 수 있다. 이때, 에너지관리시스템(EMS)은 PMS로 대체될 수도 있다.

여기서, 배터리는 복수의 배터리랙 및 배터리관리시스템(BMS)을 포함하며, 배터리와 물리적으로 분리되어 복수의 배터리랙의 출력을 하나로 연결시켜주는 배터리보호장치(BPU, Battery Protection Unit)와 연결된다. 이때, 배터리관리시스템(BMS)과 배터리랙, 배터리보호장치(BPU)는 서로 네트워크 통신망을 통해 연결된다. 이때, 복수의 배터리랙에는 스위치 기어(SWG)가 포함될 수 있으며, 스위치 기어는 배터리랙의 하부에 있는 모듈들을 전체 전력 충방전 회로에 연결할 것인지의 여부를 결정하는 릴레이 스위치로 구성된다. 또한, 랙의 스위치 기어들은 스위치 기억들에 연결된 랙을 온/오프(On/Off)할 수 있다.

도 1에서는 에너지소비스위치(ECS)와 에너지소비장치(ECD, Energy Consumption Device)가 배터리(Battery) 내에 포함되는 것으로 도시되었으나 실제로는 배터리(Battery)와 연결된 구성으로 이해되는 것이 바람직하다. 이때, 배터리사고를 화재사고인 것으로 가정한 경우, 화재로 가기 전에 전조현상들이 나타나게 되는데, 이를 가장 먼저 감지할 수 있는 곳이 배터리관리시스템(BMS)이다.

구체적으로, 배터리관리시스템(BMS)은 배터리 상태를 모니터링하고 보호하는 장치로서, 배터리관리시스템(BMS)은 특정 셀, 모듈 또는 랙의 저전압, 과전압, 전압불평형 또는 과온을 감지할 수 있다. 예컨대, 복수의 배터리랙 즉, 제1 배터리랙(RACK1) 내지 제n 배터리랙(RACKn)의 온도 등의 상태를 실시간으로 모니터링하여 배터리랙 상태를 감지할 수 있다. 다시 말해, 제1 배터리랙(RACK1) 내지 제n 배터리랙(RACKn)의 온도 등의 상태는 배터리 랙 내의 제1 배터리모듈(BM1) 내지 제n 배터리모듈(BM, Battery Module)로부터 전달받을 수 있다. 예컨대, 배터리관리시스템(BMS)은 각각의 셀을 관리하는 MODULE BMS, 모듈이 모여진 랙을 관리하는 RACK BMS를 및 전체적인 동작을 관리하는 마스터BMS를 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 배터리관리시스템(BMS)은 MASTER BMS인 것을 기본으로 하지만, RACK BMS 또는 MODULE BMS로 대체될 수도 있다. 한편, 경우에 따라서 MASTER BMS는 생략될 수도 있으며, 이 경우에는 각 데이터들을 EMS(또는 PMS)로부터 전달받을 수 있다.

구체적으로, 배터리관리시스템(BMS)은 제1 배터리랙(RACK1) 내지 제n 배터리랙(RACKn)으로부터 기준치 이상의 온도 등의 상태를 모니터링하여 이상 징후를 감지한 경우, 에너지관리시스템(EMS)을 통해 전력변환장치(PCS)에 충전 또는 방전 동작을 중지하라는 신호를 전달할 수 있다. 이에, 전력변환장치(PCS)는 충전 또는 방전 동작을 중지하라는 신호를 수신함에 따라 충전 또는 방전 동작을 중지하고 리셋 또는 준비 모드로 전환할 수 있다.

에너지소비장치의 구성 및 동작방법

에너지소비장치(ECD)는 화재 확산을 방지하기 위해 에너지가 소비되는 에너지 소비지로서, 도 1과 같이, 제1 스위치(s/w1)와 저항부하로 구성된다. 또한, 에너지소비장치(ECD)는 화재 전조현상을 감지했을 때와 특정 배터리랙(또는 셀, 또는 모듈)의 화재가 발생했을 때를 구분하여 동작할 수 있다. 이때, 에너지소비장치(ECD)를 구성하는 제1 스위치(s/w1)는 긴급 방전회로 연결용 스위치로 이해되는 것이 바람직하다.

에너지 저장 시스템(1000)은 도 2와 같이, 랙 센싱 모듈(RSM, Rack Sensing Module), 에너지소비지 선정모듈(ECM, Energy Consumption Module), 스위칭 주제어 모듈(SMM, Switching Main-control Module), 스위칭 보조제어 모듈(SSM, Switching Sub-control Module) 및 동작 제어 모듈(MCM, Motion Control Module)을 포함할 수 있다. 이하에서는, 도 3을 함께 참조하여 에너지 저장 시스템(1000) 및 에너지소비장치(ECD)의 동작을 설명하기로 한다.

화재 전조현상 감지 시 동작방법

먼저, 화재가 발생한 화재발생 랙을 센싱한다(S301).

에너지 저장 시스템(1000)은 화재의 전조 현상을 감지할 수 있다. 예컨대, 화재의 전조 현상은 GAS센서에 의해 감지할 수 있는 가스발생, 배터리관리시스템(BMS)에 의해 감지할 수 있는 특정 셀, 모듈 또는 랙에서의 저전압, 과전압 또는 과온이 있을 수 있고, 지락 감지 장치에 의해 감지할 수 있는 지락이 있을 수 있다. 이에 따라, 에너지 저장 시스템(1000)은 화재의 전조 현상을 미리 감지함으로써 사고의 방지 및 확대를 예방을 할 수 있다. 본 명세서에서는 에너지소비장치(ECD)의 랙 센싱 모듈(RSM)에서 화재 발생을 센싱하는 것을 기본으로 설명하였으나, 화재 발생은 에너지관리시스템(EMS) 또는 배터리관리시스템(BMS)에서 센싱할 수도 있다. 또한, 본 명세서에서는 화재가 발생한 배터리모듈(BM)을 어둡게 표시함으로써 화재가 발생했음을 나타내었다.

랙 센싱 모듈(RSM, Rack Sensing Module)은 직렬로 연결된 복수의 배터리모듈 집합(BMA, Battery Module Assembly)을 포함하며 병렬로 연결된 복수의 배터리랙(RACK1,2,...,n) 중 화재가 발생한 화재발생 랙을 센싱하는 모듈로 정의될 수 있다. 본 명세서에서, 복수의 배터리랙(RACK1,2,...,n)이 병렬로 연결된 것으로만 도시하였으나, 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬로 연결될 수도 있다. 랙 센싱 모듈(RSM)이 화재가 발생한 배터리랙(RACK)을 센싱함에 따라 병렬로 연결된 인근 배터리랙(RACK)으로 화재가 번지는 것을 방지할 수 있다. 이에, 도 1에 도시된 바와 같이, 랙 센싱 모듈(RSM)은 제2 배터리랙(RACK2)의 제2 배터리모듈(BM2)에서 화재가 발생한 것을 센싱하고, 에너지소비지 선정모듈(ECM)에 의해 에너지소비장치(ECD)로 배터리랙(RACK)의 에너지를 소비시킬 수 있다.

이때, 랙 센싱 모듈(RSM)이 랙의 화재를 감지한 경우, 에너지소비장치(ECD)의 화재 발생 알림 모듈은 제1 스위치(s/w1)의 스위칭 동작에 의해 에너지소비장치(ECD)와 네트워크 통신망을 통해 연결된 사용자 단말로 화재 발생 알림을 전송할 수 있다. 다만, 화재 발생 알림 모듈은 에너지소비장치(ECD) 내에 포함된 것으로 도시하였으나, 후술할 도 6의 외부 화재 경보기(EFA, External Fire Alarm)로 대체될 수도 있다. 즉, 화재발생 알림은 에너지소비장치(ECD) 자체적으로 수행될 수도 있고 외부 시스템에 의해 수행될 수도 있다.

이때, 랙 센싱 모듈(RSM)은 화재 전조현상 감지 시 지락이 아닌 경우 및 지락인 경우에 따라 상이하게 동작할 수도 있다. 구체적으로, 지락이 아니며 계통연계 운전이 가능한 경우와, 지락이 아니며 계통연계 운전이 불가능한 경우와, 지락인 경우에 따라 동작방법이 서로 상이할 수 있다.

먼저, 지락이 아니며 계통연계 운전이 가능한 경우는 화재발생 랙을 제외한 모든 랙을 오프(Off)하고, 랙이 허용가능한 최대 C-rate(Current-rate)로 단시간 개별적으로 계통(110) 방향으로 긴급 방전할 수 있다. 이후, 고장 랙을 오프(Off)하고 정상 랙 중 화재발생 랙의 주변 랙을 온(On)하여 긴급 방전할 수 있다. 또는, 화재발생 랙의 주변에 화재 확산을 방지할 수 있는 랙들만 온(On)하고 나머지는 모두 오프(Off)하고 긴급 방전할 수도 있다. 이후, 남은 랙에서 화재발생 랙의 근거리를 우선으로 단계적으로 긴급 방전할 수 있다.

지락이 아니며 계통연계 운전이 불가능한 경우는 화재발생 랙을 제외한 모든 랙을 오프(Off)하고 긴급 방전 장치의 방전회로 연결용 스위치(ECSR)를 온(On)하여 긴급 방전할 수 있다. 이후, 고장 랙을 오프(Off)하고 정상 랙 중 화재발생 랙의 주변 랙을 온(On)하여 긴급 방전할 수 있다.

지락인 경우는 화재발생 랙을 온(On)하고 나머지는 모두 오프(Off)하고 긴급 방전 장치의 방전회로 연결용 스위치(ECSR)를 동작시켜 긴급 방전할 수 있다. 방전 도중 화재가 발생할 경우 지락회로 구성용 스위치인 제2 스위치(s/w2)도 함께 동작시켜 지락회로를 통해 긴급 방전할 수 있다.

화재 발생 시 동작방법

화재 발생 시 에너지소비스위치(ECS)를 설치하고 계통 연계가 가능한 경우, 화재발생 랙으로 단락 또는 지락이 발생할 수 있는 랙의 에너지소비스위치(ECS)를 오프(Off)하고 화재발생 랙의 주변 랙을 우선적으로 계통(110)으로 긴급 방전한다. 여기서, 에너지소비스위치(ECS)는 필요에 따라 추가되는 구성으로 이해되는 것이 바람직하다.

이어서, 화재 발생 시 화재발생 랙 또는 인근 배터리랙(RACK)의 에너지를 소비시킬 에너지 소비지를 선정한다(S302). 이어서, 화재발생 랙의 에너지를 에너지 소비지로 소비시킨다(S303).

구체적으로, 에너지소비장치(ECD)의 에너지소비지 선정모듈(ECM)은 보다 신속하고 효율적으로 에너지를 소비시킬 수 있는 에너지 소비지를 선정할 수 있다. 에너지소비지 선정모듈(ECM)은 화재가 발생한 화재발생 랙 및 화재발생 랙의 인근에 위치한 화재비발생 랙 중 적어도 어느 하나의 에너지를 소비시킬 에너지 소비지를 선정하는 모듈로 정의될 수 있다. 이때, 본 발명에서의 에너지 소비지는 전력변환장치(PCS) 및 에너지소비장치(ECD) 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 다시 말해, 에너지 소비지인 전력변환장치(PCS)에만 에너지가 소비될 수 있고, 에너지소비장치(ECD)에만 에너지가 소비될 수 있고, 전력변환장치(PCS)와 에너지소비장치(ECD)에 동시에 에너지가 소비될 수도 있다. 이와 관련된 보다 상세한 내용은 추후 설명하기로 한다.

따라서, 도 1에서는 화재발생 랙인 제2 배터리랙(RACK2)의 제2 배터리모듈(BM2)로부터 에너지가 소비되는 과정을 굵은 화살표로 표시하였으며, 에너지소비지 선정모듈(ECM)에 의해 화재가 발생한 에너지가 에너지 소비장치의 제1 스위치(s/w1)를 통해 저항부하로 소비되는 것을 알 수 있다. 한편, 본 발명에서는 화재발생 랙의 에너지가 에너지소비장치(ECD)로 소비되는 것으로 도시하였으나, 전력변환장치(PCS)로 소비될 수도 있다. 이때, 화재가 발생한 랙이 제2 배터리랙(RACK2)인 것으로 가정하였지만, 다른 배터리랙(RACK)일 수도 있으며 하나 또는 그 이상이 될 수도 있다. 본 명세서에 도시하지는 않았지만, 화재가 발생한 배터리랙(RACK)의 어떠한 배터리모듈(BM)에서 화재가 발생했는지 센싱할 수 있는 배터리 센싱 모듈을 더 포함할 수도 있다.

이에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이, 랙 센싱 모듈(RSM)에 의해 제2 배터리랙(RACK2)의 화재를 감지한 경우, 화재발생 랙의 에너지를 에너지 소비지로 소비할 수 있도록 스위칭 주제어 모듈(SMM)을 이용해 에너지 소비지와 화재발생 랙인 제2 배터리랙(RACK2)을 전기적으로 연결시키는 에너지소비스위치(ECS, Energy Comsumption Swith)를 온(On)시킨다.

여기서, 스위칭 주제어 모듈(SMM)은 화재가 발생한 랙과 연결된 에너지소비스위치(ECS)를 선택적으로 구동시키기 위한 모듈로 정의될 수 있다. 즉, 에너지소비스위치(ECS)는 에너지소비장치(ECD)에 의해 개별적으로 제어될 수 있다. 다만, 에너지소비장치(ECD)가 아닌 에너지관리시스템(EMS)에 의해 제어될 수도 있으므로 이에 한정되는 것은 아니다.

이어서, 화재발생 랙 인근에 배치된 배터리랙(RACK)의 에너지를 에너지 소비지로 소비시킨다(S304).

스위칭 보조제어 모듈(SSM)은 화재가 발생하지 않은 랙들과 연결된 에너지 소비스위치(ECS)를 선택적으로 구동시키기 위한 모듈로 정의될 수 있다. 구체적으로, 스위칭 보조제어 모듈(SSM)은 화재가 발생하지 않은 화재비발생 랙의 에너지를 소비하여 화재발생 랙의 에너지 소비 속도를 향상시키기 위해 구동되는 구성요소이다. 이에 따라, 스위칭 보조제어 모듈(SSM)은 에너지 소비지와 화재비발생 랙을 전기적으로 연결시키는 에너지소비스위치(ECS)를 온(On)/오프(Off)시킴으로써 화재가 확산되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 이와 관련된 구체적인 설명은 도 4 내지 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.

동작 제어 모듈(MCM)은 스위칭 주제어 모듈(SMM) 및 스위칭 보조제어 모듈(SSM)의 동작을 제어하는 모듈로 정의될 수 있다. 예컨대, 동작 제어 모듈(MCM)은 화재발생 정도에 따라 또는 필요에 따라 스위칭 주제어 모듈(SMM) 및 스위칭 보조제어 모듈(SSM)이 선택적으로 동작하도록 제어할 수 있다. 예컨대, 동작 제어 모듈(MCM)은 스위칭 주제어 모듈(SMM)이 에너지소비스위치(ECS)를 온(On)시켜 1차 화재 확산을 방지하고 이후, 스위칭 보조제어 모듈(SSM)이 에너지소비스위치(ECS)를 온(On) 시켜 2차 화재 확산을 방지하도록 제어할 수 있다. 또한, 동작 제어 모듈(MCM)은 스위칭 주제어 모듈(SMM) 및 스위칭 보조제어 모듈(SSM)이 모두 에너지소비스위치(ECS)를 온(On)시켜 화재 확산을 막을 수 있도록 제어할 수도 있다. 또한, 동작 제어 모듈(MCM)은 스위칭 보조제어 모듈(SSM)이 에너지소비스위치(ECS)를 온(On)시켜 1차 화재 확산을 방지하고 이후, 스위칭 주제어 모듈(SMM)이 에너지소비스위치(ECS)를 온(On) 시켜 2차 화재 확산을 방지할 수 있도록 제어할 수도 있다. 이처럼 동작 제어 모듈(MCM)은 스위칭 주제어 모듈(SMM) 및 스위칭 보조제어 모듈(SSM)이 선택적으로 동작되도록 제어함으로써 다양한 운전 방법을 수행할 수 있다. 다만, 본 명세서에서 화재발생 정도(또는 크기)는 배터리랙(RACK)의 배터리 전압과 무관하며, 배터리 전압은 남은 에너지량과 비례한 것으로 이해되는 것이 바람직하다. 또한, 화재발생 랙을 판단은 별도의 검출방법을 이용하며, 화재 발생 시 해당 랙을 소비장치로 연결시키고, 전압 또는 SOC 등을 보고 연결을 해제하는 것이 바람직하다. 여기서, 별도의 검출방법이란 BMS, EMS, RSM 등에 의한 검출방법을 의미한다.

일반적으로, ESS는 높은 에너지밀도를 가지고 있어 최근 많이 사용되는 리튬 이온전지를 중심으로, 높은 에너지밀도로 인해 열 폭주 등의 안전문제를 일으킬 우려가 있다. 또한, 한 부분에 화재가 발생할 경우 인근에 설치된 배터리로 확산되어 그 파급효과가 매우 높다는 문제점이 있다. 또한, 일반적인 ESS는 내부에 문제가 생길 경우 회로를 차단해 버렸다. 다시 말해, 모듈에 문제가 생겨도 랙과 연결된 랙 스위치 기어에서 릴레이 스위치(Relay)를 오프(분리)하기 때문에 모듈 내부에는 에너지가 계속 남아있을 수밖에 없으므로 절연이나 화재가 진화해서 확대되버릴 수 있는 문제가 있었다. 또한, 한군데 문제가 생기면 스위치에서 분리하더라도 직렬로 연결된 회로의 내부에 쇼트가 발생하면 에너지 이동 즉, 다른 모듈 등에서 갖고 있던 에너지가 어느 한쪽으로 이동해버리기 때문에 화재 사고가 더 커질 수밖에 없었다.

이에 반해, 본 발명은 화재 전조현상 및 화재 발생을 감지함으로써 화재발생 랙을 검출하여 화재발생 랙의 인근에서 일 측 방향으로 에너지를 뽑아줌으로써 화재사고 진화를 늦출 수 있는 효과가 있다. 이에, 직렬회로의 내부에 쇼트가 생겨 에너지 이동이 발생하더라도 인근 랙으로 화재가 확산되는 것을 방지할 수 있다.

다시 말해, 본 발명은 위한 우회의 긴급 방전회로를 제공함으로써 화재로 이어질 수 있는 셀, 모듈 또는 랙에서 저전압(단락포함), 과전압, 전압불평형 또는 유사한 문제가 발생할 경우에 문제가 발생한 배터리에 에너지가 지속적으로의 공급되어 화재로 이어지지 않도록 저장중인 에너지를 단시간에 소비할 수 있고, 이에 따라 사고의 방지 및 확대를 효과적으로 예방할 수 있다.

또한, 본 발명은 화재가 발생한 배터리 랙과 인근 배터리 랙의 에너지를 동시에 소비시킴으로써 인근 배터리로 확산된 화재를 빠르게 수습하여 화재로 인한 피해를 효과적으로 줄일 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 ESS화재 확산 방지를 위한 에너지 저장 시스템의 구성도이다. 도 4에 도시된 에너지 저장 시스템(1000)의 구성도는 도 1의 에너지 저장 시스템(1000)과 비교하여 제1 배터리랙(RACK1) 및 제n 배터리랙(RACKn)의 에너지가 에너지소비장치(ECD)로 소비된다는 점만 상이하므로 중복 설명은 생략하기로 한다.

도 4를 참조하면, 스위칭 보조제어 모듈(SSM)은 제1 배터리랙(RACK1)의 에너지를 에너지소비장치(ECD)로 소비할 수 있다. 이때, 제1 배터리랙(RACK1)의 제1 배터리모듈(BM1)과 제n 배터리랙(RACKn)의 제3 배터리모듈(BM3)이 제2 배터리랙(RACK2)의 제2 배터리모듈(BM2)과 비교하여 흐리게 표시된 것은 화재 발생 강도가 제2 배터리랙(RACK2) 보다 적은 것을 의미하는 것일 수 있고, 제2 배터리랙(RACK2)에 의해 화재가 확산된 것을 의미하는 것일 수 있다. 또한, 제2 배터리랙(RACK2) 인근으로 화재가 확산된 배터리랙은 제1 배터리랙(RACK1)과 제n 배터리랙(RACKn)으로 두 개만 도시하였으나, 제3 배터리랙(미도시) 내지 제n-1 배터리랙(RACKn-1)까지 복수개일 수도 있다. 이때, 화재가 확산된 제3 배터리랙(미도시) 내지 제n-1 배터리랙(RACKn-1)에 대한 제어는 스위칭 보조제어 모듈(SSM)이 담당할 수 있다.

이에, 스위칭 보조제어 모듈(SSM)은 화재발생 랙 인근의 배터리랙(RACK) 즉, 제1 배터리랙(RACK1)과 제n 배터리랙(RACKn)의 에너지를 에너지소비장치(ECD)로 소비함으로써 화재발생 랙인 제 2 배터리랙(RACK)에 의해 미세하게 번진 화재를 빠르게 수습할 수 있다. 이에 따라, 화재로 인한 피해 정도를 효과적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ESS화재 확산 방지를 위한 에너지 저장 시스템의 구성도이다. 도 4에 도시된 에너지 저장 시스템(1000)의 구성도는 도 5의 에너지 저장 시스템(1000)과 비교하여 제1 배터리랙(RACK1)과 제n 배터리랙(RACKn)의 에너지가 전력변환장치(PCS)로 소비된다는 점만 상이하므로 중복 설명은 생략하기로 한다.

도 5를 참조하면, 화재비발생 랙인 제1 배터리랙(RACK1)의 제1 배터리모듈(BM1)과 제n 배터리랙(RACKn)의 제2 배터리모듈(BM2)의 에너지가 스위칭 보조제어 모듈(SSM)에 의해 전력변환장치(PCS)로 소비되는 것을 알 수 있다. 이에 반해, 제2 배터리랙(RACK2)의 제2 배터리모듈(BM2)의 에너지는 에너지소비장치(ECD)로 소비되는 것을 알 수 있다.

따라서, 에너지장치로 모두 에너지를 소비시킬 경우, 에너지소비장치(ECD)에는 큰 용량이 요구될 수 있는 반면, 화재발생 랙의 에너지와 인근 배터리랙(RACK)의 에너지를 분산시켜 소비할 경우에는 에너지소비장치(ECD)의 용량에 부담을 주지 않을 수 있는 효과가 있다.

한편, 도 5에서는 화재발생 랙의 에너지가 에너지소비장치(ECD)로 소비되고 화재비발생 랙의 에너지가 전력변환장치(PCS)로 소비되는 것으로 도시하였지만, 화재발생 랙의 에너지가 전력변환장치(PCS)로 소비되고 화재비발생 랙의 에너지가 전력변환장치(PCS)로 소비될 수도 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ESS화재 확산 방지를 위한 에너지 저장 시스템의 구성도이다. 도 4에 도시된 에너지 저장 시스템(1000)의 구성도는 도 6의 에너지 저장 시스템(1000)과 비교하여 제2 배터리랙(RACK2)의 에너지가 소비되지 않는다는 점만 상이하므로 중복 설명은 생략하기로 한다.

도 6을 참조하면, 화재비발생 랙인 제1 배터리랙(RACK1)의 제1 배터리모듈(BM1)과 제n 배터리랙(RACKn)의 제1 배터리모듈(BM1)의 에너지가 스위칭 보조제어 모듈(SSM)에 의해 에너지소비장치(ECD)로 소비되는 것을 알 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 화재발생 랙의 에너지를 직접적으로 소비하지 않으면서 인근 배터리랙(RACK)의 에너지를 빠르게 소비시켜 화재가 확산되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 화재발생 랙이 아닌 화재발생 랙의 인근 배터리랙(RACK)의 에너지를 에너지소비장치(ECD)로 소비시킴에 따라 에너지소비장치(ECD)의 용량에 부담을 주지 않음과 동시에 외부 시스템에 의존하지 않고 배터리 내부에서 개별적으로 화재 발생에 대한 제어를 할 수 있다는 효과가 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

PCS: 전력변환장치 EMS: 에너지관리시스템
BMS: 배터리관리시스템 ECS: 에너지소비스위치
ECD: 에너지소비장치 RACK: 배터리랙
BM: 배터리모듈 RSM: 랙 센싱 모듈
ECM: 에너지소비지 선정모듈 SMM: 스위칭 주제어 모듈
SSM: 스위칭 보조제어 모듈

Claims (8)

1. ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 에너지소비장치에 있어서,
   복수의 배터리랙(Rack) 중 화재가 발생한 화재발생 랙의 에너지를 에너지 소비지로 소비하도록 상기 에너지 소비지와 상기 화재발생 랙을 전기적으로 연결시키는 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 스위칭 주제어 모듈; 및
   상기 화재발생 랙의 인근에 위치한 화재비발생 랙의 에너지를 소비하여 상기 화재발생 랙의 에너지 소비 속도를 향상시키도록 상기 에너지 소비지와 상기 화재비발생 랙을 전기적으로 연결시키는 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 스위칭 보조제어 모듈을 포함하되,
   상기 스위칭 주제어 모듈 및 상기 스위칭 보조제어 모듈은 동작 제어 모듈에 의해 선택적으로 동작하도록 제어되는,
   ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 에너지소비장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 화재발생 랙 및 상기 화재비발생 랙을 센싱하는 랙 센싱 모듈; 및
   상기 랙 센싱 모듈이 상기 랙의 화재를 감지한 경우, 네트워크 통신망을 통해 연결된 사용자 단말로 화재 발생 알림을 전송하는 화재 발생 알림 모듈을 더 포함하는,
   ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 에너지소비장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 화재발생 랙 및 상기 화재비발생 랙 중 적어도 하나의 에너지를 소비시킬 상기 에너지 소비지를 선정하는 에너지소비지 선정모듈을 더 포함하고,
   상기 에너지 소비지는 전력변환장치 및 제1 스위치와 저항부하를 포함하는 상기 에너지소비장치 중 어느 하나이며,
   상기 스위칭 주제어 모듈 및 상기 보조제어 모듈 중 적어도 어느 하나의 구동에 기초하여 상기 에너지 소비지로 에너지를 소비하는,
   ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 에너지소비장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 화재발생 랙에 포함된 복수의 배터리모듈 중 화재가 발생한 배터리모듈을 센싱할 수 있는 배터리 센싱 모듈을 더 포함하는,
   ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 에너지소비장치.
6. 스위칭 주제어 모듈에 의해 병렬로 연결된 복수의 배터리랙(Rack) 중 화재가 발생한 화재발생 랙의 에너지를 에너지 소비지로 소비하도록 상기 에너지 소비지와 상기 화재발생 랙을 전기적으로 연결시키는 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 단계;
   스위칭 보조제어 모듈에 의해 상기 화재발생 랙의 인근에 위치한 화재비발생 랙의 에너지를 소비하여 화재 확산을 예방하도록 상기 에너지 소비지와 상기 화재비발생 랙을 전기적으로 연결시키는 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 단계; 및
   상기 스위칭 주제어 모듈 및 상기 보조제어 모듈 중 적어도 어느 하나의 구동에 기초하여 상기 에너지 소비지로 에너지를 소비하는 단계를 포함하는,
   에너지 저장 시스템의 ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 에너지 소비지는 전력변환장치 및 제1 스위치와 저항부하를 포함하는 에너지소비장치 중 어느 하나인,
   에너지 저장 시스템의 ESS의 화재 예방 및 확산을 방지하기 위한 방법.
8. 직렬로 연결된 복수의 배터리모듈 집합을 포함하며 병렬로 연결된 복수의 배터리랙(Rack);
   상기 배터리랙의 상태를 실시간으로 모니터링하는 배터리관리시스템;
   화재가 발생한 화재발생 랙의 에너지를 소비하도록 에너지 소비지와 상기 화재발생 랙을 전기적으로 연결시키는 제1 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 스위칭 주제어 모듈; 및
   상기 화재발생 랙 인근에 위치한 화재비발생 랙의 에너지를 소비하도록 상기 에너지 소비지와 상기 화재비발생 랙을 전기적으로 연결시키는 제2 에너지소비스위치를 선택적으로 구동시키는 스위칭 보조제어 모듈을 포함하고,
   상기 스위칭 주제어 모듈 및 상기 스위칭 보조제어 모듈은 상기 배터리관리시스템에 의해 선택적으로 구동되는,
   에너지 저장 시스템.

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