KR102651966B1 - 하이브리드식 ess 냉각 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에 관한 것으로서, 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 각 단 별로 배터리 모듈이 장착되는 다단 구조의 랙, 하나 이상의 랙이 구비된 컨테이너를 포함하는 ESS를 냉각시키기 위한 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에서, 저온 저압의 냉매 기체를 고온 고압의 상태로 압축하기 위한 압축기, 상기 압축기에서 압축된 냉매 기체를 액체 상태로 응축하기 위한 응축기, 상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 저온 저압으로 변환시키기 위한 제1 팽창 밸브, 상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 저온 저압으로 변환시키기 위한 제2 팽창 밸브, 상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 상기 제1 팽창 밸브와 상기 제2 팽창 밸브로 분기하여 보내기 위한 전환 밸브, 상기 제1 팽창 밸브에 의한 저온 저압의 액상 냉매를 저온 저압의 기체 상태로 변환시키고, 이 과정에서 발생한 냉기를 상기 컨테이너 내부로 방출시키기 위한 제1 증발기 및 상기 랙에 관 형태로 배관되어 있고, 상기 제2 팽창 밸브에 의한 저온 저압의 액상 냉매를 저온 저압의 기체 상태로 변화시키고, 이 과정에서 냉기를 발생시켜서 상기 배터리 셀을 냉각시키기 위한 제2 증발기를 포함한다.

Description

하이브리드식 ESS 냉각 시스템 {Hybrid type system for cooling ESS}
본 발명은 ESS(Energy Storage System) 냉각 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 다른 냉각 방식을 혼합하여 ESS를 냉각시키는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 ESS(Energy Storage System)는 발전소에서 과잉 생산된 전력을 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해주는 저장장치를 말하며, 최근 들어서는 대규모 ESS 장치를 소형으로 구성하여 빌딩, 공장, 가정 등의 일반 수용가에서 정전 대비용 또는 피크 전력 감축용으로 사용하는 경우가 늘고 있다.
최근에는 전력 수급 불균형 등으로 인해 신재생에너지에 대한 관심이 급격하게 증가하면서, ESS를 통해 신재생 에너지를 활용해 생산된 전기를 저장하고 필요한 시간대에 활용하도록 하는 기술에 대한 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
특히, 최근 신축되는 공공건물에 대한 ESS의 설치가 의무화되고, 민간 건물 등에도 에너지 절감 차원에서 ESS의 설치가 증가함에 따라 ESS 시장은 그 성장을 계속하고 있다. 건물 등에 ESS를 설치하는 경우, ESS의 배터리 랙(Rack)에 에너지를 저장하는 배터리, 배터리를 관리하는 BMS(Battery Management system), 전력을 변환하는 PCS(Power conversion system) 등을 수용하도록 하고, 이러한 배터리 랙을 지하실 등의 일정 공간에 수용하여 운용토록 하고 있다.
최근 ESS에서 리튬이온 배터리의 열폭주 현상에 따른 발화 현상이 확산되고 있다. 즉, ESS의 배터리 셀에서 리튬이온 배터리의 열관리가 되지 않으면, 셀 내부 압력이 증가하여 가연성 물질을 분출하게 되고 이는 화재로 이어진다. 이렇게 발생한 화재는 인접한 배터리를 가열할 뿐만 아니라, 리튬이온 배터리의 특성상 수분과 만나 발화하는 성질을 가져 물에 의한 소화가 불가능하다. 따라서 화재가 미연에 발생하지 않도록 냉각(Chilling) 시설 구비가 매우 중요하다.
이처럼 ESS 시스템의 배터리 등으로부터 많은 양의 열이 발생하게 되고, 과도한 열이 발생할 경우 ESS 시스템 전체에 치명적인 영향을 줄 수 있으나, 현재에는 ESS 시스템이 수용된 공간 전체에 대한 냉각만이 이루어지고 있어, 배터리 랙에 수용된 각각의 배터리에 대한 냉각이 제대로 이루어지지 못하는 문제가 있다.
일반적으로, 다수의 배터리 셀(Battery Cell)들이 직/병렬로 연결되어 배터리 모듈을 구성하고, 다수의 배터리 모듈(battery Module)들이 적재되어 버스 바를 통해 서로 전기적으로 연결되며 하나의 배터리 랙(Battery Rack)을 구성하며, 이러한 배터리 랙(Battery Rack)이 컨테이너와 같은 곳에 다수로 모여 설치되어 ESS(Energy Storage System)을 구축하게 된다.
종래 ESS를 냉각시키기 위한 다수의 기술이 개발되어 있으며, 그 중에 하나를 예시하면, 배터리 셀들은 충/방전을 통해 발열이 발생하기 때문에, ESS을 구성하는 각각의 배터리 모듈에는 온도가 상승된 배터리 셀의 냉각을 위한 냉각 팬을 구비하는 기술이 있다. 이 기술에서 각 배터리 모듈에 구비되는 냉각 팬들은, 하나의 외부 전원 공급원과 연결되는 별도의 외부 전원 케이블에 연결되어, 이를 통해 외부 전원 공급원의 전원에 의해 구동하는 방식으로 셀들의 냉각을 수행하였다. 그러나, 이와 같이 외부 전원 공급원에 의한 구동 방식은, 각 배터리 모듈의 온도 상태에 고려하지 못한 채 모든 냉각 팬들이 동시에 구동되기 때문에, 모든 배터리 모듈의 발열 상태를 안정적으로 관리하기에 어려움이 있으며, 많은 전기적 에너지가 비효율적으로 소모된다는 문제점을 가진다. 또한, 배터리 랙(Battery Rack) 구성 시, 적재되는 배터리 모듈들의 각 냉각 팬 마다 별도의 외부 전원 케이블을 연결하는 작업이 수행되어야 하는 번거로움도 존재한다.
종래 ESS에서 배터리 셀의 발열에 의한 화재를 방지하기 위한 다양한 방법 중에서 냉각수를 이용한 냉각 방식인 수냉식 시스템이 있다.
종래 수냉식 시스템은 배터리 모듈 주변에 냉수 순환관을 설치하여 냉각수를 흘려보내 열을 제거하는 방식이다. 이 수냉식 시스템은 냉수 순환관을 통해 저온 냉각수가 순환하면서 배터리에서 발생한 열을 흡수하고, 이 과정에서 저온 냉각수가 고온수가 되고, 고온수가 실외기 측에 설치된 냉각수단(예를 들어, 냉동 사이클을 이루는 증발기)과 열교환을 거치면서 열을 제거한 후 재순환시키는 방식이다.
그러나, 종래 수냉식 시스템은 물이 저장된 상태에서 증발기와 열교환이 이루어지는 저수조와, 저수조에서 냉각된 물을 끌어올리기 위한 펌프 등의 추가 부품이 필요하여 부품 비용의 증대함과 아울러 장치의 구성도 복잡해지는 문제점이 있다.
특히, 열 교환이 이루어지는 실외기와 배터리 모듈이 설치되는 배터리 랙(Battery Rack) 사이의 거리가 멀어 실외기에서 열 교환된 냉각수가 배터리 모듈 측으로 경유하는 과정에서 냉각 손실이 발생하여 배터리 모듈의 정밀한 냉각 제어를 수행하기 어려운 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 10-2020-0134043
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 증발기 냉매로 직접 ESS를 냉각시키는 직접 냉각과, 공기조화 방식으로 ESS를 냉각시키는 공기 냉각을 함께 사용하여 냉각 효율을 증대시킬 수 있는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에 관한 것으로서, 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 각 단 별로 배터리 모듈이 장착되는 다단 구조의 랙, 하나 이상의 랙이 구비된 컨테이너를 포함하는 ESS를 냉각시키기 위한 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에서, 저온 저압의 냉매 기체를 고온 고압의 상태로 압축하기 위한 압축기, 상기 압축기에서 압축된 냉매 기체를 액체 상태로 응축하기 위한 응축기, 상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 저온 저압으로 변환시키기 위한 제1 팽창 밸브, 상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 저온 저압으로 변환시키기 위한 제2 팽창 밸브, 상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 상기 제1 팽창 밸브와 상기 제2 팽창 밸브로 분기하여 보내기 위한 전환 밸브, 상기 제1 팽창 밸브에 의한 저온 저압의 액상 냉매를 저온 저압의 기체 상태로 변환시키고, 이 과정에서 발생한 냉기를 상기 컨테이너 내부로 방출시키기 위한 제1 증발기 및 상기 랙에 관 형태로 배관되어 있고, 상기 제2 팽창 밸브에 의한 저온 저압의 액상 냉매를 저온 저압의 기체 상태로 변화시키고, 이 과정에서 주변의 열을 흡수하여 상기 배터리 모듈을 냉각시키기 위한 제2 증발기를 포함한다.
여기서, 상기 전환 밸브는 상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 분기하여, 상기 제1 팽창 밸브로만 보내거나, 또는 상기 제2 팽창 밸브로만 보내거나, 또는 상기 제1 팽창 밸브와 상기 제2 팽창 밸브로 모두 보낼 수 있는 구조로 형성될 수 있다.
그리고 상기 제2 증발기는 상기 랙에 다단 적재되어 있는 각 배터리 모듈을 냉각시키기 위해 하나의 관으로 상기 랙의 각 단을 연속적으로 이어지게 배관될 수 있다.
상기 하이브리드식 ESS 냉각 시스템은, 상기 전환 밸브에서 나온 냉매를 상기 제2 팽창 밸브로 공급하기 위해 형성된 공급관 및 상기 제2 증발기에서 배출되는 냉매를 상기 압축기로 회수하기 위해 형성된 회수관을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제2 증발기는, 상기 제2 팽창 밸브로부터 각 배터리 모듈로 냉매가 유입되도록 하는 관인 유입 매니폴드, 각 배터리 모듈을 냉각시키기 위하여 배관되어 있는 관인 냉각관 및 상기 냉각관에서 배출되는 냉매를 상기 회수관으로 전달하기 위한 관인 배출 매니폴드를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 유입 매니폴드는 랙의 길이 방향을 따라 형성되고, 각 단에 형성된 냉각관으로 분기되도록 형성되고, 상기 배출 매니폴드는 랙의 길이 방향을 따라 형성되고, 각 단에 형성된 냉각관과 연결되도록 형성될 수 있다.
상기 ESS가 복수의 랙을 포함하고 있는 구조인 경우, 각 랙 별로 복수 개의 제2 팽창 밸브가 마련될 수 있다.
상기 공급관은 각 제2 팽창 밸브로 분기하도록 형성될 수 있다.
상기 각 배터리 모듈은 상기 냉각관이 관 형태로 배관되어 있는 플레이트를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 냉각관은, 상기 유입 매니폴드와 연결되도록 상기 플레이트 상에 돌출되어 있는 제1 돌출부와, 상기 배출 매니폴드와 연결되도록 상기 플레이트 상에 돌출되어 있는 제2 돌출부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 유입 매니폴드와 상기 제1 돌출부를 체결하기 위한 관인 제1 퀵소켓과, 상기 배출 매니폴드와 상기 제2 돌출부를 체결하기 위한 관인 제2 퀵소켓을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 냉동사이클을 구성하는 증발기가 직접 랙(Rack) 내부에 배관되어 배터리 셀을 냉각함으로써 배터리 셀의 냉각 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 각 배터리 셀의 온도 편차를 줄일 수 있어 전체 배터리 셀의 효과적인 냉각 관리를 수행할 수 있는 이점이 있다.
특히, 본 발명은 배터리 셀을 직접 냉각시키는 직접 냉각 방식과 컨테이너 내부의 공기를 냉각시키는 공기 냉각 방식을 함께 적용함으로써 온습도 조절에 보다 능동적으로 대응할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 발열이 심한 장비나 고집적 시스템 환경에서의 발열 제어에 적합하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템의 전체 구조를 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템의 부분 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템의 부분 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에서 앵글 부분을 정면에서 바라 본 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에서 앵글 부분을 측면에서 바라 본 단면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
ESS(Energy Storage System)는 대용량의 에너지를 안정적으로 저장하기 위해 수개에서 수백 개의 배터리 모듈을 보관하게 되고, 이러한 배터리 모듈은 다수의 배터리 셀들이 직/병렬로 연결되어 구성되는 것으로서 그 적재 공간을 최소화하기 위해 배터리 랙(Rack)에 다단 적재되어야 할 필요가 있다. 이때, 배터리 랙(Rack)은 전체적으로 밀폐되고 내부에 빈 공간이 형성된 컨테이너 내부에 다수 개가 설치된다.
본 발명은 냉동사이클을 구성하는 증발기가 랙(Rack) 내부에 관 형태로 배관되어 배터리 셀 또는 배터리 모듈(이하, '배터리 모듈'로 통칭하여 설명함)을 직접 냉각과 공기조화 방식으로 ESS를 냉각시키는 공기 냉각을 함께 사용하는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템의 전체 구조를 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템은 압축기(110), 응축기(120), 전환 밸브(230), 제1 팽창 밸브(240), 제2 팽창 밸브(130), 제1 증발기(250), 제2 증발기(140)를 포함한다.
압축기(110)는 저온 저압의 냉매 기체를 고온 고압의 상태로 압축하는 역할을 한다.
응축기(120)는 압축기(110)에서 압축된 냉매 기체를 액체 상태로 응축하는 역할을 한다.
전환 밸브(230)는 응축기(120)에서 응축된 액상 냉매를 제1 팽창 밸브(240)와 제2 팽창 밸브(130)로 분기하여 보내는 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에서 전환 밸브(230)는 응축기(120)에서 응축된 액상 냉매를 분기하여, 제1 팽창 밸브(240)로만 보내거나, 또는 제2 팽창 밸브(130)로만 보내거나, 또는 제1 팽창 밸브(240)와 제2 팽창 밸브(130)로 모두 보낼 수 있는 구조로 형성될 수 있다.
제1 팽창 밸브(240)는 응축기(120)에서 응축된 액상 냉매를 저온 저압으로 변환시키기 위한 밸브이다.
제2 팽창 밸브(130)는 응축기(120)에서 응축된 액상 냉매를 저온 저압으로 변환시키기 위한 밸브이다.
여기서, 제1 증발기(250)는 제1 팽창 밸브(240)에 의한 저온 저압의 액상 냉매를 저온 저압의 기체 상태로 변환시키고, 이 과정에서 발생한 냉기를 컨테이너(10) 내부로 방출시키는 역할을 한다. 이러한 1 증발기(250)는 실외기(210)에 구비되어 컨테이너(10) 내 공기의 온도와 습도를 조절하는데 사용된다. 구체적으로, 컨테이너(10) 내부 온도가 높을 때 작동 함은 물론 습도가 높을 때 제습 작용을 위해 사용된다.
한편, 제2 증발기(140)는 랙(20)에 관 형태로 배관되어 있고, 제2 팽창 밸브(130)에 의한 저온 저압의 액상 냉매를 저온 저압의 기체 상태로 변화시키고, 이 과정에서 주변의 열을 흡수하여 배터리 모듈을 냉각시키는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 제2 증발기(140)는 랙(20) 내부에 다단 적재되어 있는 배터리 모듈에 관 형태로 배관될 수 있다. 좀더 부연하면, 제2 증발기(140)는 랙(20)에 다단 적재되어 있는 각 배터리 모듈을 냉각시키기 위해 하나의 관으로 랙(20)의 각 단을 연속적으로 이어지게 배관된다. 배터리 모듈과 증발기의 배관구조에 대한 보다 자세한 설명은 후술하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에서 제어부(미도시)가 전환 밸브(130)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 기본 동작 모드(직접 냉각 모드)에서 제2 팽창 밸브(130)에만 냉매를 보내도록 전환 밸브(130)의 동작을 제어할 수 있다. 그리고, 기본 동작 모드에서 컨테이너 내부의 온도 또는 습도가 미리 정해진 기준치를 초과하는 경우, 제1 팽창 밸브(240)와 제2 팽창 밸브(130)에 동시에 냉매를 보내도록 하는 하이브리드 모드(직접 냉각 모드와 공기 냉각 모드)로 전환 밸브(130)의 동작을 제어할 수 있다. 그리고, 컨테이너 내부의 온도가 미리 정해진 최적 온도 범위 내에 있으면, 제1 전환 밸브(240)에만 냉매가 흐르도록 하는 공기 냉각 모드로 전환 밸브(130)의 동작을 제어할 수 있다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 세 개의 랙이 구비된 ESS의 실시예이다. 각 랙은 각 단 별로 배터리 모듈을 장착할 수 있는 다단 구조로 되어 있다. 도 2에서 배터리 모듈은 배터리 셀(30) 및 플레이트(plate)(410)를 포함하여 이루어질 수 있다.
도 2에서 보는 바와 같이, ESS가 복수의 랙을 포함하고 있는 구조인 경우, 각 랙 별로 복수 개의 팽창 밸브(130)가 마련될 수 있다.
도 1 및 도 2의 실시예에서 실외기(210)가 설치된 구조가 예시되어 있고, 실외기(210) 내부에 압축기(110), 응축기(120), 전환 밸브(230), 제1 팽창 밸브(240) 및 제1 증발기(250)가 구비될 수 있다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템의 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템은 공급관(145), 제2 팽창 밸브(130), 제2 증발기(140), 회수관(147)이 연결된 구조로 형성될 수 있다.
공급관(145)은 전환 밸브(230)에서 나온 냉매를 제2 팽창 밸브(130)로 공급하기 위해 형성된 관이다. 복수의 랙이 형성되어 있는 경우, 공급관(145)은 복수의 랙(20)의 상부를 따라 일직선으로 길게 연장되면서 각 랙(20)에 배속되어 있는 제2 팽창 밸브(130)로 분기하도록 형성될 수 있다.
회수관(147)은 증발기(140)에서 배출되는 냉매를 압축기(110)로 회수하기 위해 형성된 관이다. 복수의 랙(20)이 형성되어 있는 경우 회수관(147)은 복수의 랙(20)의 하부를 따라 길게 연장되어 실외기(210)에 구비된 압축기(110)에 연결된다.
제2 증발기(140)는 제2 팽창 밸브(130)로부터 각 배터리 모듈로 냉매가 유입되도록 하는 관인 유입 매니폴드(manifold)(141), 각 배터리 모듈을 냉각시키기 위하여 배관되어 있는 관인 냉각관(143) 및 냉각관(143)에서 배출되는 냉매를 회수관(147)으로 전달하기 위한 관인 배출 매니폴드(142)를 포함하여 이루어질 수 있다.
유입 매니폴드(141)는 각 랙(20)의 전면 방향에서 왼쪽 측면의 길이 방향을 따라 형성되고, 각 단에 형성된 냉각관(143)으로 분기되도록 형성되어 있다.
배출 매니폴드(142)는 각 랙(20)의 전면 방향에서 오른쪽 측면의 길이 방향을 따라 형성되고, 각 단에 형성된 냉각관(143)과 연결되도록 형성되어 있다.
냉각관(142)은 배터리 모듈을 실질적으로 냉각시키는 수단으로 랙(20)에서 유입 매니폴드(141)와 배출 매니폴드(143) 사이의 각 단에 배관되어 있다. 이때, 냉각관(142)은 냉각 면적 및 냉각 시간을 최대한 확보할 수 있도록 동일 평면 상에 지그재그 형태로 반복적으로 벤딩되어 다열로 배치된다. 그리고 냉각관(142)의 유입구와 배출구는 랙(20)의 전면 방향으로 배치되어 유입 매니폴드(141)와 배출 매니폴드(143)의 각 분기관에 연결된다.
각 배터리 모듈은 냉각관(142)가 관 형태로 배관되어 있는 플레이트(410)를 포함하여 이루어질 수 있다. 플레이트(410)는 열전도성을 갖는 금속 재질로 이루어질 수 있다.
여기서, 팽창밸브(141)는 유입 매니폴드(141)의 상부에 배치되어 팽창밸브(141)에서 팽창된 저온 저압이 액체 냉매는 유입 매니폴드(141)의 길이 방향을 따라 흐르면서 각 단마다 형성된 냉각관(143)을 경유하면서 저온 저압의 기체 상태로 변환하면서 배터리 모듈에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 전환 밸브(230)에서 나온 냉매가 랙 별로 구비된 각 제2 팽창 밸브(130)로 분기되어 흘러간다. 그리고, 유입 매니폴드(141)를 통해 냉매가 아래로 흐르면서 각 단별로 구비된 배터리 모듈의 플레이트(410)로 흘러 들어간다. 그리고, 각 단별 냉각관(143)를 통해 냉매가 흐르고 나면, 배출 매니폴드(142)로 배출되어 다시 실외기(210)에 구비된 압축기(210)로 회수되는 구조이다.
상술한 구성에 의해 본 발명은 종래의 수냉식에 비해 냉각 효율이 크게 향상되는 이점이 있다. 구체적으로, 종래의 수냉식의 경우에는 물의 열 교환이 이루어지는 실외기와 랙 사이의 거리가 멀어 실외기에서 열 교환된 냉각수가 랙으로 경유하는 과정에서 냉각 손실이 발생하는 문제점이 있는 반면에, 본 발명의 직냉식의 경우에는 냉매가 액체 상태에서 기체상태로 변환되어 증발 냉각이 이루어지는 팽창밸브와 증발기가 모두 랙에 구비되어 있어 냉각 손실이 발생되지 않는 이점이 있다.
특히, 본 발명은 복수의 랙이 구비되어 있는 경우에 각 랙마다 팽창밸브를 설치하고, 이들 팽창밸브를 각 랙에 배관된 증발기와 병렬로 연결하여 대응할 수 있어, 각 랙마다 온도 편차 없이 정밀한 냉각 제어를 수행할 수 있는 이점이 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템의 부분 사시도이다.
도 4는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에서 플레이트(410) 부분을 확대한 부분 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 증발기를 이루는 냉각관(142)은 플레이트(410)와 일체를 이루면서 랙(20)에 배치된 증발기의 다른 배관, 즉 유입 매니폴드(141)과 배출 매니폴드(142)와 퀵 소켓(quick socket)을 통해 용이하게 조립할 수 있는 구조를 갖는다.
구체적으로, 냉각관(143)은 유입 매니폴드(141)와 연결되도록 배터리 모듈(410)의 바닥면을 관통하여 상부로 수직 돌출되어 있는 제1 돌출부(411)와, 배출 매니폴드(142)와 연결되도록 배터리 모듈(410)의 바닥면을 관통하여 상부로 수직 돌출되어 있는 제2 돌출부(412)를 포함하여 이루어질 수 있다.
제1 퀵소켓(quick socket)(510)은 유입 매니폴드(141)와 제1 돌출부(411)를 체결하기 위한 관이다. 제2 퀵소켓(512)은 배출 매니폴드(142)와 제2 돌출부(412)를 체결하기 위한 관이다. 이때, 제1 및 제2 퀵소켓은 전체적으로 'ㄷ'자 형태를 이루면서 한쪽 끝부분은 아래쪽으로 아래 쪽으로 방향으로 절곡되어 제1 및 제2 돌출부(412) 연결되는 구조를 갖는다.
상술한 구성에 의해 냉각관은 별도의 고정부재 없이 랙에 안정적으로 고정될 수 있으며, 또한 냉각관이 배터리 모듈과 함께 일체화를 이루면서 랙에 함께 설치되어 설치 및 해체 작업이 매우 용이한 이점이 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템의 부분 사시도이다.
도 5는 본 발명의 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에서 랙의 앵글 및 플레이트 부분을 확대한 부분 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에서 앵글 부분을 정면에서 바라 본 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에서 앵글 부분을 측면에서 바라 본 단면도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 하이브리드식 ESS 냉각 시스템은 랙에서 플레이트(410)를 거치하기 위한 앵글부(710)를 포함할 수 있다.
앵글부(710)는 하부에 돌출된 형태로 내부에 중공관이 형성된 중공관부(712)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 중공관 내부에 불을 끌 수 있는 성분의 물질로 구성된 소화제가 저장되어 있을 수 있다.
그리고, 중공관부(712)의 하면에 하나 이상의 천공된 부분이 형성될 수 있으며, 각각의 천공된 부분을 막는 기능을 하는 노즐(910)이 하나 이상 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 노즐(910)은 소정 온도 이상에서 녹는 재질로 구현될 수 있다. 예를 들어, 노즐(910)은 100℃ 이상에서 녹는 재질로 구현될 수 있다. 이렇게 함으로써, ESS에 화재 발생 시, 노즐(910)이 녹으면서, 중공관부(712) 내부에 저장된 소화제가 외부로 분출되며, 외부로 분출된 소화제에 의해 화재를 진압할 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
10 컨테이너 20 랙
110 압축기 120 응축기
230 전환 밸브 240 제1 팽창 밸브
250 제1 증발기 210 실외기
130 제2 팽창 밸브 140 제2 증발기
410 플레이트 141 유입 매니폴드
142 냉각관 143 배출 매니폴드
510 제1 퀵소켓 512 제2 퀵소켓
710 앵글부 712 중공관부
910 노즐

Claims (10)

  1. 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 각 단 별로 배터리 모듈이 장착되는 다단 구조의 랙, 하나 이상의 랙이 구비된 컨테이너를 포함하는 ESS를 냉각시키기 위한 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에서,을 포함하는 ESS를 냉각시키기 위한 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에서,
    저온 저압의 냉매 기체를 고온 고압의 상태로 압축하기 위한 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 냉매 기체를 액체 상태로 응축하기 위한 응축기;
    상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 저온 저압으로 변환시키기 위한 제1 팽창 밸브;
    상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 저온 저압으로 변환시키기 위한 제2 팽창 밸브;
    상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 상기 제1 팽창 밸브와 상기 제2 팽창 밸브로 분기하여 보내기 위한 전환 밸브;
    상기 제1 팽창 밸브에 의한 저온 저압의 액상 냉매를 저온 저압의 기체 상태로 변환시키고, 이 과정에서 발생한 냉기를 상기 컨테이너 내부로 방출시키기 위한 제1 증발기; 및
    상기 랙에 관 형태로 배관되어 있고, 상기 제2 팽창 밸브에 의한 저온 저압의 액상 냉매를 저온 저압의 기체 상태로 변화시키고, 이 과정에서 주변의 열을 흡수하여 상기 배터리 모듈을 냉각시키기 위한 제2 증발기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전환 밸브는 상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 분기하여, 상기 제1 팽창 밸브로만 보내거나, 또는 상기 제2 팽창 밸브로만 보내거나, 또는 상기 제1 팽창 밸브와 상기 제2 팽창 밸브로 모두 보낼 수 있는 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 증발기는 상기 랙에 다단 적재되어 있는 각 배터리 모듈을 냉각시키기 위해 하나의 관으로 상기 랙의 각 단을 연속적으로 이어지게 배관되는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 증발기는 상기 제2 팽창밸브로부터 냉매가 유입되는 유입 매니폴드와, 상기 랙의 각 단에 배관되어 상기 배터리 모듈을 냉각시키는 냉각관과, 상기 압축기 측으로 냉매를 배출하는 배출 매니폴드로 구성되되,
    상기 유입 매니폴드는 상기 랙의 일측 길이 방향을 따라 길게 형성되며 상기 랙의 각 단에 배관된 상기 냉각관으로 분기되도록 형성되고, 상기 배출 매니폴드는 상기 랙의 타측 길이 방향을 따라 길게 형성되며 상기 랙의 각 단에 형성된 상기 냉각관의 배출구와 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 ESS에는 청구항 4의 제2 증발기 배관 구조를 갖는 복수의 랙을 포함하고, 상기 전환밸브부터 상기 제2 증발기 측으로 냉매를 공급하는 관은 상기 복수의 랙의 상부를 따라 길게 연장되면서 상기 각 랙에 구비된 유입 매니폴드로 분기되는 공급관과, 상기 복수의 랙의 하부를 따라 길게 연장되면서 상기 각 랙에 구비된 배출 매니폴드의 배출구와 연결되어 상기 제2 증발기에서 배출되는 냉매를 회수하여 상기 압축기로 공급하는 회수관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 공급관에서 각 유입 매니폴드로 분기되는 부위마다 제2 팽창 밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 상기 랙의 각 단에 구비되어 다수의 배터리 셀이 놓여지는 열전도성 재질의 플레이트를 포함하고, 상기 냉각관은 상기 플레이트의 저면에 배관되는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 냉각관은 상기 유입 매니폴드와 연결되도록 상기 플레이트를 관통하여 상부로 돌출되어 있는 제1 돌출부와, 상기 배출 매니폴드와 연결되도록 상기 플레이트를 관통하여 상부로 돌출되어 있는 제2 돌출부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 유입 매니폴드와 상기 제1 돌출부를 체결하기 위한 관인 제1 퀵소켓과, 상기 배출 매니폴드와 상기 제2 돌출부를 체결하기 위한 관인 제2 퀵소켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템.
  10. 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈, 각 단 별로 배터리 모듈이 장착되는 다단 구조의 랙, 하나 이상의 랙이 구비된 컨테이너를 포함하는 ESS를 냉각시키기 위한 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에서,을 포함하는 ESS를 냉각시키기 위한 하이브리드식 ESS 냉각 시스템에서,
    저온 저압의 냉매 기체를 고온 고압의 상태로 압축하기 위한 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매 기체를 액체 상태로 응축하기 위한 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 저온 저압으로 변환시키기 위한 제1 팽창 밸브와, 상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 상기 제1 팽창 밸브와 하기 제2 팽창 밸브로 분기하여 보내기 위한 전환 밸브와, 상기 제1 팽창 밸브에 의한 저온 저압의 액상 냉매를 저온 저압의 기체 상태로 변환시키고, 이 과정에서 발생한 냉기를 상기 컨테이너 내부로 방출시키기 위한 제1 증발기를 포함하는 실외기; 및
    상기 응축기에서 응축된 액상 냉매를 저온 저압으로 변환시키기 위한 제2 팽창 밸브와, 상기 랙에 관 형태로 배관되어 있고, 상기 제2 팽창 밸브에 의한 저온 저압의 액상 냉매를 저온 저압의 기체 상태로 변화시키고, 이 과정에서 주변의 열을 흡수하여 상기 배터리 모듈을 냉각시키기 위한 제2 증발기를 포함하는 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드식 ESS 냉각 시스템.

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