KR102699195B1 - 수냉식 통합 에너지 저장 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리, 액체를 저장하고 액체에 배터리를 액침하여 내장하는 컨테이너, 컨테이너에 결합하여 액체를 컨테이너로 유입하는 인렛 및 컨테이너의 액체를 배출하는 아웃렛을 각각 포함하는 복수의 배터리 모듈 및 복수의 배터리 모듈의 아웃렛으로부터 배출되는 액체를 냉각시키고 냉각된 액체를 복수의 배터리 모듈의 인렛으로 제공하는 냉각기를 포함하는 에너지 저장 장치에 관한 것이다.

Description

수냉식 통합 에너지 저장 장치{LIQUID COOLING INTEGRATED ENERGY STORAGE APPARATUS}
본 발명은 수냉식 통합 에너지 저장 장치에 관한 것으로서 구체적으로는 상시 화재 방지가 가능하고 에너지 저장, 충방전 및 냉각 동작을 통합적으로 관리 및 제어가 가능한 수냉식 통합 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
다양한 이유로 에너지 저장 장치(Energy Storage System : ESS)가 널리 이용되고 있다. 에너지 저장 장치는 내부에 하나 이상의 (소형) 배터리를 구비하고 외부로부터 입력되는 다양한 유형의 전기 에너지를 충전하고 필요시 방전할 수 있다. 에너지 저장 장치는 에너지 이용효율의 향상, 신재생 에너지 활용도의 향상, 비상전원 공급 등에 이용될 수 있어 전원공급시스템을 효율화, 안정화시킬 수 있는 다양한 장점을 가진다.
에너지 저장 장치는 입력되는 에너지를 충전하기 위한 다수의 배터리 팩을 포함하고 배터리 팩에 전기 에너지를 충전하고 필요시 배터리 팩의 전기 에너지를 방전할 수 있도록 구성된다.
배터리 충방전에 고전압의 전기 에너지가 에너지 저장 장치에 흘러 에너지 저장 장치는 화재발생에 항시 노출된다. 기존의 에너지 저장 장치는 화재발생시에 특정 위치에 설치된 소화설비의 고체 에어로졸 등의 소화약재를 분사하여 화재를 진압하도록 구성된다.
기존 화재 방재 시스템은 화재의 사전 방지보다는 사후 대응 방식으로서 소화설비의 설치위치에 따라 화재 발화점에 대한 직접적인 소화약재의 분사가 어렵고 소화약재의 대기중 흩어짐으로 소화효과가 반감된다.
더욱이 화재가 발생하는 원인이 되는 배터리 팩이 안전성의 이유로 외부와 분리되어(격리되어) 소화약재에 닿지 않아 다수의 배터리 팩을 가지는 에너지 저장 장치가 전소하는 상황이 다반사로 발생한다.
기존의 에너지 저장 장치는 다량의 팬(Fan)을 구비하여 배터리 팩 등의 온도를 낮추도록 설계되어 있다. 다량의 팬에 의해 소음 및 진동이 발생하고 이는 에너지 저장 장치의 배터리와 구비 설비 등에 내구성 문제를 야기하고 소음으로 인해 주변환경에 나쁜 영향을 미치게 된다.
이와 같이, 기존 에너지 저장 장치의 다수의 문제점을 해소하거나 개선할 수 있는 에너지 저장 장치가 필요하다.
본 발명은 본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위해서 안출한 것으로서, 선제적 화재 방지가 가능하고 발화시에도 내장된 배터리에 직접적인 소화효과를 제공할 수 있는 에너지 저장 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 배터리를 포함하는 에너지 저장 장치의 소음 및 진동을 줄여 내구성을 향상시키고 에너지 저장 장치의 라이프 타임을 늘릴 수 있는 에너지 저장 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 에너지 저장, 배터리 충전/방전 및 냉각 등을 통합적으로 관리하여 관리 효율을 높일 수 있는 에너지 저장 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 에너지 저장 장치의 배터리들의 전체 발열과 발열 편차를 비전도성 냉각 액체를 이용하여 감소시킬 수 있는 에너지 저장 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 양상에 따른 에너지 저장 장치는 배터리, 액체를 저장하고 액체에 배터리를 액침하여 내장하는 컨테이너, 액체를 컨테이너로 유입하는 인렛 및 컨테이너의 액체를 배출하는 아웃렛을 각각 포함하는 복수의 배터리 모듈 및 복수의 배터리 모듈의 아웃렛으로부터 배출되는 액체를 냉각시키고 냉각된 액체를 복수의 배터리 모듈의 인렛으로 제공하는 냉각기를 포함한다.
상기한 에너지 저장 장치에 있어서, 배터리 모듈은 배터리의 전원 단자에 연결되어 충전 또는 방전을 제어하고 액체에 액침되는 배터리 제어모듈을 더 포함하고, 액체는 배터리와 배터리 제어모듈을 냉각시키기 위한 비전도성의 액체이다.
상기한 에너지 저장 장치에 있어서, 냉각기의 아웃렛으로부터 냉각된 액체를 복수의 배터리 모듈의 인렛들로 출력하고 복수의 배터리 모듈의 아웃렛들로부터 배출되는 액체를 냉각기의 인렛으로 출력하기 위한 액체 분배기를 더 포함한다.
상기한 에너지 저장 장치에 있어서, 각각 배터리모듈 온도센서를 더 포함하는 복수의 배터리 모듈과 냉각기 온도센서를 포함하는 냉각기를 제어하는 콘트롤러를 더 포함하고, 콘트롤러는 냉각기 온도센서로부터 수신되는 냉각기 온도 신호에 따라 냉각기의 구동을 제어하고 배터리모듈 온도센서로부터 수신되는 배터리모듈 온도 신호에 따라 배터리모듈 온도센서를 포함하는 배터리 모듈을 제어한다.
상기한 에너지 저장 장치에 있어서, 액체 분배기의 복수의 냉액체 아웃렛 각각과 복수의 배터리 모듈의 복수의 인렛 각각 사이의 파이프에 설치되어 수신되는 유량제어 신호에 따라 냉각된 액체의 배터리 모듈로의 출력 유량을 조절하는 복수의 유량 조절 밸브를 더 포함하고, 콘트롤러는 배터리 모듈의 배터리모듈 온도센서로부터 수신되는 배터리모듈 온도 신호가 설정된 임계 온도 이하인 경우 배터리 모듈에 대응하는 유량 조절 밸브로 유량을 줄이기 위한 유량제어 신호를 출력한다.
상기한 에너지 저장 장치에 있어서, 콘트롤러로부터 수신되는 충방전 제어신호에 따라 복수의 배터리 모듈의 배터리 제어모듈을 통해 배터리의 충전과 방전을 수행하는 충방전기를 더 포함하고, 콘트롤러, 충방전기, 복수의 배터리 모듈, 냉각기 및 액체 분배기는 단일 랙 프레임에 설치되고, 콘트롤러는 동작 모드에 따라 충방전기를 제어하여 복수의 배터리 모듈을 충전 또는 방전하고 설정 온도에 따라 냉각기와 냉각기로부터의 유량을 제어하여 복수의 배터리 모듈을 설정된 온도로 유지시킨다.
상기와 같은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치는 선제적 화재 방지가 가능하고 발화시에도 내장된 배터리에 직접적인 소화효과를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치는 배터리를 포함하는 에너지 저장 장치의 소음 및 진동을 줄여 내구성을 향상시키고 에너지 저장 장치의 라이프 타임을 늘릴 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치는 에너지 저장, 배터리 충전/방전 및 냉각 등을 통합적으로 관리하여 관리 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치는 에너지 저장 장치의 배터리들의 전체 발열과 발열 편차를 비전도성 냉각 액체를 이용하여 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성되는 에너지 저장 장치의 예시적인 전면 외형을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따라 구성되는 에너지 저장 장치의 예시적인 후면 외형을 도시한 도면이다.
도 3은 배터리 모듈의 예시적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 콘트롤러의 제어를 반영하여 표현된 에너지 저장 장치의 예시적인 주요 구성을 도시한 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술 되어 있는 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따라 구성되는 에너지 저장 장치(10)의 예시적인 전면 외형을 도시한 도면이고 도 2는 예시적인 후면 외형을 도시한 도면이다.
에너지 저장 장치(10)는 전기 에너지를 저장하는 장치로서 예를 들어 ESS(Energy Storage System)일 수 있다. 에너지 저장 장치(10)는 다수의 배터리 모듈(200)을 포함하여 배터리 모듈(200)의 배터리(210)를 충전하거나 방전하여 공급되는 하나 또는 다양한 유형의 전기 에너지를 저장하고 필요 전기 에너지를 외부에 공급할 수 있도록 구성된다.
도 1 및 도 2에 따르면, 에너지 저장 장치(10)는 랙 프레임(100), 다수의 배터리 모듈(200), 냉각기(300), 충방전기(400), 콘트롤러(500), 액체 분배기(600), 다수의 유량 조절 밸브(700) 및 다수의 파이프(800)를 포함하여 구성된다.
배터리 모듈(200)들, 냉각기(300), 충방전기(400) 및 콘트롤러(500)는 에너지 저장 장치(10)의 외형을 형성하는 랙 프레임(100)의 내부에 설치되고 예를 들어 랙 프레임(100)의 서로 분리된 공간을 가지는 랙(선반) 상에 배터리 모듈(200)들, 냉각기(300), 충방전기(400) 및 콘트롤러(500)가 설치된다.
바람직하게는 배터리 모듈(200)들, 냉각기(300), 충방전기(400) 및 콘트롤러(500)는 단일 랙 프레임(100)의 랙들에 설치되고 액체 분배기(600) 및 다수의 유량 조절 밸브(700) 및 다수의 파이프(800)도 단일 랙 프레임(100) 상에 설치되어 에너지 저장 장치(10)가 통일적으로 충방전, 에너지 저장, 냉각 등의 제어를 수행할 수 있다.
도 1 및 도 2를 통해, 에너지 저장 장치(10)의 구성 요소를 살펴보면, 배터리 모듈(200)들 각각은 내부에 배터리(210)와 배터리 제어모듈(230)을 포함하여 외부로부터 공급되는 전원에 따라 배터리(210)를 충전하거나 외부로 전원을 공급하도록 배터리(210)를 방전한다. 에너지 저장 장치(10)는 다수의 배터리 모듈(200)들을 포함하여 각각의 배터리 모듈(200)에 대한 충전과 방전, 상태 모니터링 등을 개별적으로 수행할 수 있다. 배터리 모듈(200)의 구조와 구성에 대해서는 도 3에서 좀 더 상세히 살펴보도록 한다.
냉각기(300)는 배터리 모듈(200)들 각각의 온도 냉각에 이용되고 인렛(330)을 통해 유입되는 액체를 냉각시키고 냉각된 액체를 아웃렛(310)을 통해 배출한다. 냉각기(300)는 전력을 이용하여 알려진 열교환 방식이나 냉각 방식을 이용하여 배터리 모듈(200)들로부터 유입되는 액체를 냉각시키고 냉각된 액체를 배터리 모듈(200)들로 제공할 수 있다. 냉각기(300)는 소위 칠러(chiller)를 나타내거나 지칭될 수 있고 액체는 배터리 모듈(200)(구체적으로 배터리(210)와 배터리 제어모듈(230))을 냉각시키는 냉매로 이용되고 바람직하게는 비전도성 액체이다.
냉각기(300)는 내부에 냉각기 온도센서(350)를 더 포함하고 냉각기 온도센서(350)를 통해 센싱된 냉각기 온도 신호를 유선 라인을 통해 콘트롤러(500)로 출력할 수 있다. 냉각기(300)는 온도 상승하여 유입되는 액체(예를 들어, 35도 의 액체)의 냉각에 따라 냉각된 액체(예를 들어, 20도의 액체)의 온도를 센싱한 냉각기 온도 신호를 출력할 수 있다.
비전도성 액체(Non conducting Liquid)는 배터리(210)와 배터리 제어모듈(230)의 상태와 동작에 영향을 미치지 않아 충방전에 따라 열이 발생하고 액침된(디핑된) 배터리(210)와 배터리 제어모듈(230)의 냉매로서 바람직하게 이용된다. 비전도성 액체는 예를 들어 3M 사의 FC-40 등일 수 있다.
충방전기(400)는 배터리 모듈(200)들의 충전과 방전을 수행한다. 충방전기(400)는 콘트롤러(500)로부터 수신되는 충방전 제어신호에 따라 배터리 모듈(200)들 각각의 배터리 제어모듈(230)을 통해 배터리(210)의 충전과 방전을 수행한다. 충방전기(400)는 충전 제어신호에 따라 배터리 모듈(200)들 각각의 배터리(210)를 충전하기 위한 전원을 공급하고 나아가 배터리 제어모듈(230)을 제어한다. 또한, 충방전기(400)는 방전 제어신호에 따라 배터리 모듈(200)들 각각의 배터리(210)를 방전으로 전원을 추출하고 나아가 배터리 제어모듈(230)을 제어한다.
콘트롤러(500)는 에너지 저장 장치(10)를 제어한다. 콘트롤러(500)는 디스플레이 및 입력 수단(예를 들어, 마우스, 키보드, 마이크, 터치 패널)과 프로세서 및 저장 수단(예를 들어, 휘발성/비휘발성 메모리, 하드디스크 등)을 포함하여 저장 수단의 프로그램과 설정 입력에 따라 냉각기(300), 충방전기(400), 유량 조절 밸브(700) 등을 제어하여 에너지 저장 장치(10)의 상태를 유지 및 모니터링하고 충전과 방전을 제어할 수 있다. 콘트롤러(500)는 퍼스널 컴퓨터, 노트북 또는 전용 단말기로 구성될 수 있다. 콘트롤러(500)에서 이루어지는 제어에 대해서는 도 4를 통해 좀 더 상세히 살펴보도록 한다.
액체 분배기(600)(도 2 참조)는 냉각기(300)와 복수의 배터리 모듈(200)에 연결되어 냉각기(300)의 아웃렛(310)으로부터의 냉각된 액체를 배터리 모듈(200)들의 인렛(280)들로 출력하고 배터리 모듈(200)들의 아웃렛(290)들로부터 배출(출력)되는 온도 상승한 액체를 냉각기(300)의 인렛(330)으로 출력한다.
액체 분배기(600)는 냉액체 분배기(610)와 온액체 회수기(650)를 포함하여 구성된다. 금속재의 원형 또는 사각형 등의 내부 단면을 가지고 상하 방향으로 긴 파이프 형상의 냉액체 분배기(610)는 랙 프레임(100)에 고정 설치되고 금속파이프 표면에 (단일의) 냉액체 인렛(611)과 다수의 냉액체 아웃렛(615)을 포함하여 구성된다.
냉액체 인렛(611)은 냉각기(300)의 아웃렛(310)에 파이프(800)를 통해 연결되어 냉각기(300)에서 냉각된 액체를 유입받고 다수의 냉액체 아웃렛(615)은 다수의 파이프(800)를 통해 배터리 모듈(200)들의 인렛(280)들 각각에 연결되어 냉각된 액체를 배터리 모듈(200)들로 공급한다.
금속재의 원형 또는 사각형 등의 내부 단면을 가지고 상하 방향으로 긴 파이프 형상의 온액체 회수기(650)는 랙 프레임(100)에 고정 설치되고 금속파이프 표면에 다수의 온액체 인렛(651)과 (단일의) 온액체 아웃렛(655)을 포함하여 구성된다.
다수의 온액체 인렛(651) 각각은 다수의 파이프(800)를 통해 배터리 모듈(200)들의 아웃렛(290)들에 연결되어 배터리 모듈(200) 내에서 온도 상승된 액체를 유입받고 온액체 아웃렛(655)은 냉각기(300)의 인렛(330)에 파이프(800)를 통해 연결되어 온도 상승된 액체를 냉각기(300)로 제공한다.
이와 같이 연결되어, 냉각기(300)는 배터리 모듈(200)들의 아웃렛(290)으로부터 배출되는 액체를 냉각시키고 냉각된 액체를 배터리 모듈(200)들의 인렛(280)으로 제공한다.
다수의 유량 조절 밸브(700)는 액체 분배기(600)와 배터리 모듈(200)들 사이에 설치되어 액체 유량을 수신되는 유량제어 신호에 따라 조절한다. 유량 조절 밸브(700)는 내부의 관로의 크기를 조절하기 위한 차단막, 차단바, 차단봉 또는 기존 알려진 형태의 유량 조절기를 가지고 유량제어 신호에 따라 유량 조절기를 제어하여 연결된 파이프(800)에서의 액체 유량을 조절할 수 있다. 유량 조절 밸브(700)는 수신되는 유량제어 신호에 따라 내부 관로를 오픈하거나 차단하도록 구성될 수 있다. 또는, 유량 조절 밸브(700)는 수신되는 유량제어 신호에 따라 내부 관로의 크기를 달리 설정(조정)할 수 있도록 구성될 수 있다.
유량 조절 밸브(700)들 각각은 액체 분배기(600)(의 냉액체 분배기(610))의 냉액체 아웃렛(615)들 각각과 배터리 모듈(200)들의 인렛(280)들 각각 사이의 파이프(800)에 설치되어 개별적으로 수신되는 유량제어 신호에 따라 냉각기(300)에 의해 냉각된 액체의 배터리 모듈(200)로의 출력 유량을 조절(예를 들어, 유량의 가감 또는 차단 또는 오픈)한다.
나아가, 다른 유량 조절 밸브(700)들 각각은 액체 분배기(600)(의 온액체 회수기(650))의 온액체 인렛(651)들 각각과 배터리 모듈(200)들의 아웃렛(290)들 각각 사이의 파이프(800)에 설치되어 개별적으로 수신되는 유량제어 신호에 따라 온도 상승된 액체의 냉각기(300)로의 출력 유량을 조절(예를 들어, 유량의 가감 또는 차단 또는 오픈)한다. 온액체 회수기(650)의 온액체 인렛(651)과 배터리 모듈(200)의 아웃렛(290) 사이에 설치되는 유량 조절 밸브(700)들은 설계 예에 따라 생략될 수 있다. 설치되는 경우 동일 배터리 모듈(200)의 인렛(280)과 아웃렛(290)의 두 파이프(800)에 설치되는 두 개의 유량 조절 밸브(700)는 동일한 유량제어 신호를 콘트롤러(500)로부터 수신할 수 있다.
에너지 저장 장치(10)는 다수의 파이프(800)를 또한 구비하고 다수의 파이프(800)를 통해 냉각된 액체나 온도 상승된 액체를 구성 요소 사이에 전달한다. 에너지 저장 장치(10)에 설치되는 파이프(800)는 예를 들어 합성수지(예를 들어, 고무재질이나 PVC 재질)의 휘어질 수 있는 파이프일 수 있다. 파이프(800)는 인렛(280, 330, 611, 651)과 아웃렛(290, 310, 615, 655)과 구비된 나사산이나 알려진 결합 방식 등을 통해 결합하여 압력차에 따라 액체를 전달할 수 있다.
도 3은 배터리 모듈(200)의 예시적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3의 예와 같이, 배터리 모듈(200)은 배터리(210) 및 배터리 제어모듈(230)과 배터리(210) 및 배터리 제어모듈(230)을 비전도성 액체(ⓐ 참조)에 의해 (전체) 액침하여 내장하는 컨테이너(220)를 포함하고 인렛(280), 아웃렛(290)과 복수의(바람직하게는 2개의) 충방전 전원 단자(260)와 통신 단자(270)와 나아가 배터리모듈 온도센서(250)를 더 포함하여 구성된다. 에너지 저장 장치(10)는 도 3의 예와 같은 다수의 배터리 모듈(200)을 포함하여 개별적인 전기 에너지의 충전과 방전이 가능하다.
도 3을 배터리 모듈(200)의 구성을 좀 더 구체적으로 살펴보면, 인렛(280)은 컨테이너(220)의 일 측면에 형성되고 파이프(800)를 통해 냉액체 분배기(610)에 결합하여 일정한 온도(예를 들어, 20도 등)로 냉각된 비전도성 액체를 컨테이너(220) 내로 유입한다. 아웃렛(290)은 컨테이너(220)의 일 측면에 형성되고 파이프(800)를 통해 온액체 회수기(650)에 결합하여 컨테이너(220) 내의 배터리(210) 및 배터리 제어모듈(230)의 액침에 따라 온도 상승한 비전도성 액체를 컨테이너(220) 외부로 배출한다.
컨테이너(220)는 바닥과 4개의 측면으로 형성되고 외부와 분리된 수용 용기 형상을 가지고 수용 용기 내에 배터리(210)와 배터리 제어모듈(230)을 내장한다. 컨테이너(220)의 수용 용기는 액체를 저장(저수)하고 액체가 채워진 수용 용기에 케이블로 서로 연결되는 배터리(210)와 배터리 제어모듈(230)을 액침하여 내장한다. 전원단자, 제어보드 등을 포함하는 배터리(210)와 배터리 제어모듈(230)는 전체가 액체의 수용 용기 저수조 내에 담겨져 있는 상태로 동작한다. 수용 용기의 액체는 배터리(210)와 배터리 제어모듈(230)의 냉각을 위해 이용되는 비전도성 액체일 수 있다.
배터리(210)는 전기 에너지를 저장한다. 배터리(210)는 전해액 등을 포함하여 공급되는 전기 에너지를 축전하고 축전된 전기 에너지를 외부로 공급할 수 있다. 배터리(210)의 전원 단자(예를 들어, +전원 단자, -전원 단자)는 배터리 제어모듈(230)에 연결되어 충전 또는 방전될 수 있다. 전원 단자를 포함하는 배터리(210) 전체는 컨테이너(220)의 액체에 담겨져 있는 상태에서 외부 제어에 따라 충전/방전 등의 동작을 수행할 수 있다.
배터리 제어모듈(230)은 배터리(210)의 전원 단자에 연결되어 배터리(210)의 충전 또는 방전을 제어한다. 배터리 제어모듈(230)은 컨테이너(220)의 액체에 전체 액침된 상태에서 배터리(210)의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다. 배터리 제어모듈(230)은 BMS(Battery Management System)을 나타내거나 포함한다.
배터리 제어모듈(230)은 컨테이너(220)의 일 측면에 형성되는 충방전 전원 단자(260)(+전원 단자, -전원 단자 등)와 통신 단자(270)에 연결되어 충방전 관련 각종 제어를 수행하고 이상 상태 등을 외부로(충방전기(400) 또는 콘트롤러(500)) 출력할 수 있다. 배터리 제어모듈(230)은 RS232 또는 RS485 등의 유선의 시리얼 통신의 시리얼 데이터에 따른 제어에 따라 충/방전을 수행하고 충전 또는 방전의 수행시 배터리(210)의 이상 상태(예를 들어, 과방전, 과충전 등)의 인식에 따라 충전 또는 방전의 수행을 중단하고 이상 상태 등을 콘트롤러(500)(나 충방전기(400))로 출력할 수 있다.
배터리모듈 온도센서(250)는 배터리 모듈(200)의 온도를 센싱하고 센싱된 온도 신호를 출력한다. 배터리모듈 온도센서(250)는 컨테이너(220) 내부 또는 컨테이너(220)의 액체에 대한 온도를 센싱하고 센싱된 배터리모듈 온도 신호를 유선 라인을 통해 콘트롤러(500) 등으로 출력한다.
도 3의 구성은 컨테이너(220)의 상측 표면에 오픈된(액체가 노출된) 형상을 가지나 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 컨테이너(220)의 상측에도 외부와 분리(격리)하기 위한 컨테이너 케이스(덮개, 캡, 커버 등)를 더 포함하여 컨테이너(220) 내부를 외부와 분리 구성될 수 있다.
도 4는 콘트롤러(500)의 제어를 반영하여 표현된 에너지 저장 장치(10)의 예시적인 주요 구성( 블록도)을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 통해 살펴본 바와 같이, 에너지 저장 장치(10)는 다수의 배터리 모듈(200), 냉각기(300), 충방전기(400), 액체 분배기(600), 다수의 유량 조절 밸브(700) 및 콘트롤러(500)를 포함하고 콘트롤러(500)는 각종 설정에 따라 냉각기(300), 각각의 배터리 모듈(200), 충방전기(400), 각각의 유량 조절 밸브(700)를 제어한다. 이미 도 1 내지 도 3을 통해 에너지 저장 장치(10)의 구성 및 구조에 대해서 상세히 살펴보았으므로 이하에서는 콘트롤러(500)의 제어를 위주로 좀 더 살펴보도록 한다.
콘트롤러(500)의 다양한 제어 예를 살펴보면, 콘트롤러(500)는 에너지 저장 장치(10)의 구동 환경을 설정한다. 콘트롤러(500)는 입력 수단을 통한 설정 입력에 따라 냉각기(300)의 정상 냉각온도 범위, 배터리 모듈(200)의 정상 동작온도 범위 등을 설정 및 저장한다. 또한, 콘트롤러(500)는 입력 수단을 통해 동작 모드를 설정한다. 콘트롤러(500)는 관리자의 입력에 따라 충전 모드 또는 방전 모드를 설정하고 설정된 동작 모드에 따라 에너지 저장 장치(10)의 제어를 시작한다.
콘트롤러(500)는 동작 모드에 대응하는 충전 제어신호 또는 방전 제어신호의 충방전 제어신호를 충방전기(400)로 출력하여 충방전기(400)를 제어하고 그에 따라 다수의 배터리 모듈(200)을 충전하거나 방전한다.
충방전기(400)는 수신되는 충방전 제어신호에 따라 배터리 모듈(200)의 충방전 전원 단자(260)를 통해 충전용 전원을 공급하거나 충방전 전원 단자(260)를 통해 배터리(210)의 전원을 인출할 수 있다.
콘트롤러(500)는 설정된 온도에 따라 냉각기(300)와 배터리 모듈(200)의 온도를 관리하고 제어한다. 콘트롤러(500)는 냉각기 온도센서(350)로부터 수신되는 냉각기 온도 신호에 따라 냉각기(300)의 구동을 제어한다. 예를 들어, 콘트롤러(500)는 수신되는 냉각기 온도 신호가 정상 냉각온도 범위를 벗어나는 경우 정상 냉각온도 범위 내로 유지하기 위한 구동 세기를 조절하는 냉각기 제어신호를 냉각기(300)로 출력한다. 냉각기(300) 온도 제어는 충전, 방전 또는 충방전 (동작) 대기중에(즉, 동작 모드와 독립하여) 실시간으로 이루어질 수 있다.
또한, 콘트롤러(500)는 각각의 배터리 모듈(200)의 배터리모듈 온도센서(250)로부터 배터리모듈 온도 신호를 수신하고 수신된 배터리모듈 온도 신호에 따라 대응하는 배터리 모듈(200)(의 온도)을 제어한다.
콘트롤러(500)는 각 배터리 모듈(200)의 배터리모듈 온도센서(250)로부터 수신되는 배터리모듈 온도 신호가 정상 동작온도 범위의 하한 임계 온도 이하인 경우에, 배터리 모듈(200)에 연결되는 파이프(800)에 설치되는 하나 또는 두 개의 유량 조절 밸브(700)의 액체 유량을 줄이기 위한 유량제어 신호를 생성하여 해당 유량 조절 밸브(700)로 출력한다. 예를 들어, 콘트롤러(500)는 액체를 차단하기 위한 유량제어 신호를 해당 유량 조절 밸브(700)로 출력하거나 현재 액체 유량보다 작은 액체를 흐르도록 하기 위한 유량제어 신호를 해당 유량 조절 밸브(700)로 출력한다.
콘트롤러(500)는 수신되는 배터리모듈 온도 신호가 정상 동작온도 범위의 상한 임계 온도 이상인 경우에, 배터리 모듈(200)에 연결되는 파이프(800)에 설치되는 하나 또는 두 개의 유량 조절 밸브(700)의 액체 유량을 늘이기 위한 유량제어 신호를 생성하여 해당 유량 조절 밸브(700)로 출력한다. 예를 들어, 콘트롤러(500)는 액체를 오픈하기 위한 유량제어 신호를 해당 유량 조절 밸브(700)로 출력하거나 현재 액체 유량보다 많은 액체를 흐르도록 하기 위한 유량제어 신호를 해당 유량 조절 밸브(700)로 출력한다.
이와 같이, 콘트롤러(500)는 설정 온도에 따라 냉각기(300)와 냉각기(300)로부터의 유량을 제어하여 배터리 모듈(200)들 각각을 설정된 온도로 유지시킨다.
또한, 콘트롤러(500)는 충방전기(400)를 통해서나 직접 배터리 모듈(200)의 상태 신호를 시리얼 통신을 통해 수신하고 수신된 상태 신호에 따라 충방전기(400)를 제어하여 충방전을 중지하고 디스플레이나 스피커 등으로 알람을 출력할 수 있다.
이와 같은 에너지 저장 장치(10)의 구성을 통해, 배터리(210) 및 배터리 제어모듈(230)은 냉각 액체에 액침되어 항시 일정한 온도를 유지하여 전체 발열을 줄이고 배터리 모듈(200)별 발열 편차를 감소시킨다. 또한, 배터리(210) 및 배터리 제어모듈(230)은 액침되어 공기 중 산소로부터 차단되어 산화 방지로 인한 수명 상승효과를 가진다.
나아가 에너지 저장 장치(10)는 (공기) 팬이 없거나 최소화하여 소음을 억제하고 진동을 감소시킬 수 있으며 충방전에 따라 열화 및 발화의 원인이 되는 배터리(210) 및 배터리 제어모듈(230)이 액침되고 산소의 차단으로 상시 발화 방지가 되고 근원적인 화재 방지가 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
10 : 에너지 저장 장치
100 : 랙 프레임
200 : 배터리 모듈
210 : 배터리
220 : 컨테이너
230 : 배터리 제어모듈
250 : 배터리모듈 온도센서
260 : 충방전 전원 단자
270 : 통신 단자
280 : 인렛
290 : 아웃렛
300 : 냉각기
310 : 아웃렛
330 : 인렛
350 : 냉각기 온도센서
400 : 충방전기
500 : 콘트롤러
600 : 액체 분배기
610 : 냉액체 분배기
611 : 냉액체 인렛
615 : 냉액체 아웃렛
650 : 온액체 회수기
651 : 온액체 인렛
655 : 온액체 아웃렛
700 : 유량 조절 밸브
800 : 파이프

Claims (6)

  1. 랙 프레임;
    배터리, 액체를 저장하고 상기 액체에 상기 배터리를 액침하여 내장하고 바닥과 4개의 측면을 가지고 상측이 개방된 형상의 컨테이너, 상기 액체를 상기 컨테이너로 유입하는 인렛, 상기 컨테이너의 상기 액체를 배출하는 아웃렛 및 상기 컨테이너의 상기 액체에 대한 온도를 센싱하고 센싱된 온도 신호를 출력하는 배터리모듈 온도센서를 각각 포함하고 상기 랙 프레임상에 설치되는 복수의 배터리 모듈;
    상기 랙 프레임에 고정되고 상하 방향으로 긴 파이프 형상의 냉액체 분배기;로서 하측의 표면에 단일의 냉액체 인렛과 상기 냉액체 인렛 상측 표면에 복수의 냉액체 아웃렛을 포함하는 냉액체 분배기;
    상기 랙 프레임에 고정되고 상하 방향으로 긴 파이프 형상의 온액체 회수기;로서 하측의 표면에 단일의 온액체 아웃렛과 상기 온액체 아웃렛 상측 표면에 복수의 온액체 인렛을 포함하는 온액체 회수기;
    상기 냉액체 분배기의 복수의 냉액체 아웃렛과 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 인렛 사이의 파이프에 설치되어 수신되는 유량제어 신호에 따라 배터리 모듈로의 출력 유량을 조절하는 복수의 제1 유량 조절 밸브;
    상기 온액체 회수기의 복수의 온액체 인렛과 상기 복수의 배터리 모듈 각각의 아웃렛 사이의 파이프에 설치되어 수신되는 유량제어 신호에 따라 배터리 모듈로부터의 출력 유량을 조절하는 복수의 제2 유량 조절 밸브;
    상기 온액체 회수기의 온액체 아웃렛을 통해 상기 복수의 배터리 모듈의 상기 아웃렛으로부터 배출되는 액체를 냉각시키고 냉각된 액체를 상기 냉액체 분배기의 냉액체 인렛을 통해 상기 복수의 배터리 모듈의 인렛으로 제공하는 냉각기; 및
    상기 복수의 배터리 모듈 각각의 배터리모듈 온도센서에서 센싱된 온도 신호를 수신하고 수신된 온도 신호에 따라 대응하는 배터리 모듈의 온도를 제어하는 콘트롤러;를 포함하고,
    상기 콘트롤러는, 각각의 배터리 모듈의 배터리모듈 온도센서로부터 수신되는 온도 신호가 설정된 정상 동작온도 범위의 하한 임계 온도 이하인 경우 상기 배터리 모듈의 인렛과 아웃렛에 각각 연결되는 파이프의 액체 유량을 줄이기 위한 동일한 유량제어 신호를 상기 복수의 제1 유량 조절 밸브와 상기 복수의 제2 유량 조절 밸브 중 상기 배터리 모듈의 인렛과 아웃렛에 각각 연결되는 파이프에 설치된 두 개의 유량 조절 밸브로 출력하고, 각각의 배터리 모듈의 배터리모듈 온도센서로부터 수신되는 온도 신호가 설정된 정상 동작온도 범위의 상한 임계 온도 이상인 경우 상기 배터리 모듈의 인렛과 아웃렛에 각각 연결되는 파이프의 액체 유량을 늘이기 위한 동일한 유량제어 신호를 상기 복수의 제1 유량 조절 밸브와 상기 복수의 제2 유량 조절 밸브 중 상기 배터리 모듈의 인렛과 아웃렛에 각각 연결되는 파이프에 설치된 두 개의 유량 조절 밸브로 출력하는,
    에너지 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 상기 배터리의 전원 단자에 연결되어 충전 또는 방전을 제어하고 상기 액체에 액침되는 배터리 제어모듈을 더 포함하고,
    상기 액체는 상기 배터리와 상기 배터리 제어모듈을 냉각시키기 위한 비전도성의 액체인,
    에너지 저장 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 콘트롤러로부터 수신되는 충방전 제어신호에 따라 상기 복수의 배터리 모듈의 배터리 제어모듈을 통해 배터리의 충전과 방전을 수행하는 충방전기;를 더 포함하고,
    상기 콘트롤러, 상기 충방전기, 상기 복수의 배터리 모듈, 상기 냉각기, 상기 냉액체 분배기 및 상기 온액체 회수기는 단일의 상기 랙 프레임에 설치되고,
    상기 콘트롤러는 동작 모드에 따라 상기 충방전기를 제어하여 상기 복수의 배터리 모듈을 충전 또는 방전하고 설정 온도에 따라 상기 냉각기와 상기 냉각기로부터의 유량을 제어하여 상기 복수의 배터리 모듈을 설정된 온도로 유지시키는,
    에너지 저장 장치.
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