KR102277343B1 - 배터리 모듈 랙하우징의 공조 장치 - Google Patents

배터리 모듈 랙하우징의 공조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈의 랙하우징에 탑재되는 공조 장치에 있어서: 내부의 공간에 랙(13)을 수용하는 하우징(10); 상기 하우징(10)의 공간 전체에 연통하는 메인덕트(21)와 상기 랙(13) 상으로 연통하는 서브덕트(25)를 갖춘 덕트수단(20); 상기 메인덕트(21)의 상류측에 냉각기(31)와 열풍기(33)를 구비하는 공조수단(30); 및 상기 덕트수단(20)과 공조수단(30)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 다수의 배터리를 수용하는 에너지 저장 시스템에서 국부적인 과열이나 과냉에 의한 비정상 상황을 사전에 감지하여 대응하므로 화재나 기능저하의 위험성을 경감하는 효과가 있다.

Description

배터리 모듈 랙하우징의 공조 장치{Air conditioning apparatus for battery module rack housing}
본 발명은 배터리 모듈 랙하우징에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 다수의 배터리를 랙 상에 수용하여 에너지 저장 시스템으로 활용되는 배터리 모듈 랙하우징의 공조 장치에 관한 것이다.
범세계적으로 신재생에너지의 확대와 더불어 전력산업의 효율성을 제고하는 장점에 기인하여 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)의 활용성이 급속히 증대되고 있다. ESS는 랙 상에 다수의 배터리를 적층 상태로 지지하면서 전기적으로 직병렬로 연결한 모듈 구성을 갖춘다. ESS의 랙하우징은 요구되는 설계 용량에 맞춘 수량으로 시스템을 구성하며, 전력수요 변동에 대응하여 태양광이나 풍력과 같은 신재생에너지의 활용성을 증대한다.
이와 같은 ESS는 외부 온도의 변화는 물론 충방전 작동에 연동하여 내부의 온도를 적정 범위로 유지해야 배터리 과열에 의한 화재나 과냉에 의한 기능저하 등의 비정상 상황에 대처할 수 있다.
배터리 모듈의 공조와 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제1355961호, 한국 등록특허공보 제1829093호 등을 참조할 수 있다.
전자는 배터리팩 수납장치가 복수 개 구비되는 스택; 냉각 매체가 유입되는 유입구가 전면 케이스에 형성된 하우징; 냉각 매체가 유입 및 유출되도록 구동력을 제공하는 순환구동모듈; 및 스택의 후면에서 열교환된 냉각 매체가 유출되고, 일단은 순환구동모듈과 연결되는 배기 덕트를 포함한다.
후자는 공조 시스템의 배출구에 연결되어 냉각 공기의 유동 경로를 형성하고 복수의 배터리 모듈의 각각에 대응하는 복수의 모듈 냉각구를 포함하여, 배출구를 통해 배출된 냉각 공기가 각 냉각구를 통해 각 배터리 모듈을 통과하도록 하여 복수의 배터리 모듈을 냉각시키는 파이프를 포함한다.
다만, 상기한 선행문헌에 의하면 모듈을 구성하는 일부 배터리의 과열이나 과냉에 대응하는 예방적 수단이 미흡하여 개선의 여지를 보인다.
한국 등록특허공보 제1355961호 "배터리팩 수납장치 및 이를 이용한 전력 저장용 배터리팩의 냉각 장치" (공개일자 : 2012.11.02.) 한국 등록특허공보 제1829093호 "배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법" (공개일자 : 2016.05.02.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 다수의 배터리를 랙 상에 수용하는 에너지 저장 시스템에서 국부적인 과열이나 과냉에 의한 비정상 상황을 사전에 감지하여 대응하기 위한 배터리 모듈 랙하우징의 공조 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 배터리 모듈의 랙하우징에 탑재되는 공조 장치에 있어서: 내부의 공간에 랙을 수용하는 하우징; 상기 하우징의 공간 전체에 연통하는 메인덕트와 상기 랙 상으로 연통하는 서브덕트를 갖춘 덕트수단; 상기 메인덕트의 상류측에 냉각기와 열풍기를 구비하는 공조수단; 및 상기 덕트수단과 공조수단을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 덕트수단은 메인덕트와 서브덕트를 이격 상태로 유지하거나 적어도 부분적으로 연결하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 공조수단은 내측의 메인덕트 및 외측의 흡기덕트ㆍ배기덕트 사이에 결합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 덕트수단은 공조수단의 내부에 하우징의 공간을 밀폐 또는 개방하는 로터리댐퍼를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 공조수단은 서브덕트 상으로 상하이동 가능하게 장착되는 국부공조기를 통하여 냉풍량 또는 온풍량을 증대하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 국부공조기는 카메라로 촬영 이미지를 획득하고 열전소자와 송풍기로 열원을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 분산적으로 탑재되는 온도검출기, 화재검출기, 부하검출기의 신호로 랙 상의 주소지정 가능한 배터리의 상태를 감지하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 다수의 배터리를 수용하는 에너지 저장 시스템에서 국부적인 과열이나 과냉에 의한 비정상 상황을 사전에 감지하여 대응하므로 화재나 기능저하의 위험성을 경감하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 일부를 제거하여 나타내는 사시도
도 2는 본 발명의 일예에 따른 장치의 외형을 나타내는 사시도
도 3은 본 발명에 따른 장치를 주요부 단면으로 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 장치의 일부를 분리하여 나타내는 사시도
도 5는 본 발명에 따른 장치의 제어수단을 나타내는 블록도
도 6은 본 발명에 따른 장치의 주요 작동을 나타내는 모식도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 배터리 모듈의 랙하우징에 팁재되는 공조 장치에 관하여 제안한다. 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)의 배터리를 수용하는 랙하우징을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면 하우징(10)이 내부의 공간에 랙(13)을 수용하는 구조를 이루고 있다.
도 1을 참조하면, 2개의 하우징(10)을 연결한 상태에서 우측 하우징(10)의 내부 공간을 일부 드러낸다. 하우징(10)은 전면 및 후면의 도어(11)와 5면의 패널(12)을 갖춘 캐비닛 구조이다. 하우징(10)의 내부에는 랙(13) 상에 수직 적층된 다수의 배터리(15)를 수용한다. 랙(13)의 배터리(15)는 직렬 연결되어 하나의 모듈을 구성하며, 하나의 하우징(10)에는 2~3개의 모듈을 탑재할 수 있다.
한편, 하우징(10)은 ESS와 관련되어 규정되는 방수, 방진, 방음의 실링 기능을 기반으로 하여 단열성, 절연성, 난연성, 전자기 차폐성 등의 물성을 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면 덕트수단(20)이 상기 하우징(10)의 공간 전체에 연통하는 메인덕트(21)와 상기 랙(13) 상으로 연통하는 서브덕트(25)를 갖춘 구조를 이루고 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 덕트수단(20)을 구성하는 메인덕트(21)와 서브덕트(25)가 나타난다. 메인덕트(21)와 서브덕트(25)는 하우징(10)의 후면에서 내부 영역으로 배치된다. 메인덕트(21)는 하우징(10)의 후면 패널(12)에 고정되고, 서브덕트(25)는 랙(13)에 수직 방향으로 고정된다. 서브덕트(25)는 각각의 모듈에 대응하도록 복수로 설치될 수 있다. 후술하는 공조수단(30)에서 제공되는 공기인 매체는 메인덕트(21)에서 서브덕트(25) 측으로 유동한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 덕트수단(20)은 메인덕트(21)와 서브덕트(25)를 이격 상태로 유지하거나 적어도 부분적으로 연결하는 것을 특징으로 한다.
도 1에서, 메인덕트(21)와 서브덕트(25)는 직결되지 않고 이격된 상태를 유지한다. 메인덕트(21)의 매체(냉풍 또는 온풍)는 공간에 대한 전체적이고 일차적인 공조를 수행한다. 반면 서브덕트(25)의 매체는 개별 랙(13)의 설정된 영역에 대한 부분적이고 이차적인 공조를 수행한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 도 1에 비하여 메인덕트(21)가 하측으로 배치되면서 서브덕트(25)와 부분적 또는 전체적으로 연결된다. 부분적 연결의 경우 메인덕트(21)의 매체의 일부가 전체 공조에 기여하고 매체의 나머지가 랙(13)의 공조로 분기된 다음 합류된다. 전체적 연결의 경우 메인덕트(21)의 매체 전부가 랙(13)을 통하여 공간으로 유동한다.
이와 같은 덕트수단(20)의 구성 방식은 ESS의 용량, 설치 환경 등에 따라 차등적으로 선택된다.
또한, 본 발명에 따르면 공조수단(30)이 상기 메인덕트(21)의 상류측에 냉각기(31)와 열풍기(33)를 구비하는 구조를 이루고 있다.
도 1 내지 도 3에서, 공조수단(30)은 냉각기(31)와 열풍기(33)가 일체로 구성된 상태를 예시한다. 냉각기(31)는 압축기, 응축기, 증발기 등으로 냉동사이클을 실현한다. 열풍기(33)는 전기로 가동되는 히터 방식을 적용한다. 하우징(10)의 내부에서 메인덕트(21)와 서브덕트(25) 사이에 팬유니트(32)가 설치된다. 냉각기(31)와 열풍기(33)는 자체의 송풍팬을 갖추는 것이 좋다.
도 2에서, 3개의 랙(13)에 대한 공조수단(30)이 복수의 냉각기(31) 및 열풍기(33)의 조합으로 구현되는 상태를 예시한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 공조수단(30)은 내측의 메인덕트(21) 및 외측의 흡기덕트(22)ㆍ배기덕트(23) 사이에 결합되는 것을 특징으로 한다.
도 1에서, 공조수단(30)에 결합되는 메인덕트(21), 흡기덕트(22), 배기덕트(23)가 나타난다. 메인덕트(21)는 공조수단(30)의 증발기 하류에 연통하도록 하우징(10)의 내부에 배치된다. 흡기덕트(22)는 증발기 상류에 연통하도록 하우징(10)의 외부에 배치된다. 배기덕트(23)는 응축기 하류에 연통하도록 하우징(10)의 외부에 배치된다. 메인덕트(21), 흡기덕트(22), 배기덕트(23)가 공조수단(30)에 일체로 결합되므로 하우징(10)의 컴팩트화는 물론 내부 공간의 엄격한 실링으로 작동 신뢰성과 내구성을 유지하기 유리하다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 덕트수단(20)은 공조수단(30)의 내부에 하우징(10)의 공간을 밀폐 또는 개방하는 로터리댐퍼(27)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 2에서, 공조수단(30)의 외면에 결합된 흡기덕트(22)와 배기덕트(23)를 제거하여 로터리댐퍼(27)가 설치된 상태를 드러낸다. 로터리댐퍼(27)가 폐쇄로 가동되면 하우징(10)의 내부 공간은 밀폐 상태로 공조가 수행된다. 로터리댐퍼(27)가 개방으로 가동되면 하우징(10)으로 외기가 유입되고 내부의 공기가 외부로 배출된다. 로터리댐퍼(27)는 개도율이 가변되는 구조가 선호되며, 그 세부 작동은 후술하는 도 5를 참조한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 공조수단(30)은 서브덕트(25) 상으로 상하이동 가능하게 장착되는 국부공조기(35)를 통하여 냉풍량 또는 온풍량을 증대하는 것을 특징으로 한다.
도 4를 참조하면, 하나의 랙(13)에 대한 서브덕트(25)와 국부공조기(35)를 나타낸다. 국부공조기(35)는 배터리(15)의 내부에서 이송벨트(37)에 연결되어 상하로 이동한다. 이송벨트(37)는 상단과 하단의 풀리에 장착되고 일측 풀리에 연결된 이송기(48)로 가동된다. 국부공조기(35)의 이동 방식은 이에 한정되지 않고 랙-피니언 등의 여타 방식도 가능하다. 국부공조기(35)는 팬유니트(32)보다 작은 용량의 송풍기를 탑재한다.
이때, 상기 국부공조기(35)는 카메라로 촬영 이미지를 획득하고 열전소자와 송풍기로 열원을 제공하는 것을 특징으로 한다.
국부공조기(35)는 랙(13)의 상하로 이동하면서 특정 배터리(15)에서 발생하는 비정상 상태를 감지하고 국부적으로 냉풍량 또는 온풍량을 증대시켜 정상화를 유도하거나 사고발생을 지연시킨다. 카메라는 열화상 기능을 갖추어 배터리(15)의 과열 또는 과냉 상태를 비접촉 상태로 검출한다. 열전소자에 송풍기를 결합하면 간단한 구성으로 급속한 냉온기 공급이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면 제어수단(40)이 상기 덕트수단(20)과 공조수단(30)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 구조를 이루고 있다.
도 5를 참조하면, 제어수단(40)이 제어기(41)에 구동부를 연결하여 구성된다. 제어기(41)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 탑재한 마이컴 회로이다. 제어기(41)는 하우징(10)의 외면에 설치되고, 통신부를 통한 원격 제어도 가능하다. 제어기(41)의 구동부에는 냉각기(31), 팬유니트(32), 열풍기(33), 국부공조기(35), 이송기(48) 등이 연결된다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(40)은 분산적으로 탑재되는 온도검출기(43), 화재검출기(44), 부하검출기(45)의 신호로 랙(13) 상의 주소지정 가능한 배터리(15)의 상태를 감지하는 것을 특징으로 한다.
도 5에서, 제어기(41)에 온도검출기(43), 화재검출기(44), 부하검출기(45), 위치검출기(46) 등이 연결된 상태를 나타낸다. 온도검출기(43)는 복수의 서모파일 센서를 어레이(Array)로 배열한 구조로 랙(13) 상의 모든 배터리(15)를 감시하도록 설치된다. 화재검출기(44)는 온도검출기(43)와 같거나 작은 수량으로 설치되고, 가스, 스파크, 연기 등의 화재 징후와 관련된 신호를 검출한다. 부하검출기(45)는 모듈의 충방전 과정에서 과전류 발생 등을 검출한다. 위치검출기(46)는 랙(13)상으 부하검출기(45)의 이동 위치를 검출한다. 제어기(41)는 랙(13)의 각층마다 부여된 어드레스 정보를 저장한다.
도 5를 참조하면, 제어기(41)에 의한 가동 알고리즘을 2가지 모드로 대별하여 나타낸다. 도 5(a) 및 도 5(b)에서 공조수단(30)의 중간에 형성된 유로가 로터리댐퍼(27)에 의하여 개폐되는 상태를 알 수 있다. 도 5(a)는 평상시 로터리댐퍼(27)가 폐쇄되어 하우징(10)의 내부 밀봉이 유지된 상태에서 내부의 냉각과 외부의 방열이 수행된다. 도 5(b)와 같이 로터리댐퍼(27)가 개방되면 외기의 유입과 내부 공기의 배출이 수행된다. 도 5(b)는 화재의 징후가 높다고 판단되거나 화재가 발생한 상황에서 적용될 수 있다.
한편, 제어기(41)는 화재의 징후가 높다고 판단한 경우 국부공조기(35)를 가동하여 해당 랙(13)의 특정 위치에서 상황의 전개를 지속적으로 감시하면서 냉풍량 또는 온풍량을 증대시킨다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 하우징 13: 랙
20: 덕트수단 21: 메인덕트
22: 흡기덕트 23: 배기덕트
25: 서브덕트 27: 로터리댐퍼
30: 공조수단 31: 냉각기
32: 팬유니트 33: 열풍기
35: 국부공조기 37: 이송벨트
40: 제어수단 41: 제어기
43: 온도검출기 44: 화재검출기
45: 부하검출기 46: 위치검출기
48: 이송기

Claims (7)

  1. 배터리 모듈의 랙하우징에 탑재되는 공조 장치에 있어서:
    내부의 공간에 랙(13)을 수용하는 하우징(10);
    상기 하우징(10)의 공간 전체에 연통하는 메인덕트(21)와 상기 랙(13) 상으로 연통하는 서브덕트(25)를 갖춘 덕트수단(20);
    상기 메인덕트(21)의 상류측에 냉각기(31)와 열풍기(33)를 구비하는 공조수단(30); 및
    상기 덕트수단(20)과 공조수단(30)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(40);를 포함하되,
    상기 공조수단(30)은 내측의 메인덕트(21) 및 외측의 흡기덕트(22)ㆍ배기덕트(23) 사이에 결합되고,
    상기 덕트수단(20)은 공조수단(30)의 내부에 하우징(10)의 공간을 밀폐 또는 개방하는 로터리댐퍼(27)를 구비하며,
    상기 공조수단(30)은 서브덕트(25) 상으로 상하이동 가능하게 장착되는 국부공조기(35)를 통하여 냉풍량 또는 온풍량을 증대하고,
    상기 국부공조기(35)는 카메라로 촬영 이미지를 획득하고 열전소자와 송풍기로 열원을 제공하며,
    상기 제어수단(40)은 분산적으로 탑재되는 온도검출기(43), 화재검출기(44), 부하검출기(45)의 신호로 랙(13) 상의 주소지정 가능한 배터리(15)의 상태를 감지하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 랙하우징의 공조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 덕트수단(20)은 메인덕트(21)와 서브덕트(25)를 이격 상태로 유지하거나 적어도 부분적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈 랙하우징의 공조 장치.
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