KR20160083775A - 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치 - Google Patents

열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계통으로부터 제공되는 전력을 저장하기 위한 배터리가 설치되는 배터리하우징, 상기 배터리를 냉각시키기 위한 열교환매체가 유동하는 유동부, 및 상기 배터리에서 발생하는 열에 의해 기화된 열교환매체를 액화시키기 위한 냉각매체가 유동하는 냉각부를 포함하는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치에 관한 것이다.

Description

열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치{Battery Conditioning System of Energy Storage System using Heat Exchanging Medium}
본 발명은 열교환매체를 이용하여 배터리를 냉각시키는 에너지 저장장치용 배터리 조절장치에 관한 것이다.
산업의 발달과 더불어 전력의 수요가 증대되고 있으며 주야간, 계절간, 일별간의 전력 사용량의 격차가 점차 심화되고 있다. 최근에 이러한 이유로 계통의 잉여 전력을 활용하여 피크 부하를 삭감하기 위한 많은 기술들이 빠르게 개발되고 있다.
이러한 기술들 중에서 대표적인 것이 계통의 잉여 전력을 배터리에 저장하거나 계통의 부족 전력을 배터리에서 공급해주는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)이다.
에너지 저장 시스템은 야간의 잉여 전력이나 풍력, 태양광 등의 신재생 에너지원에서 발전된 잉여 전력을 저장하였다가 피크 부하 또는 계통 사고시 배터리에 저장된 전력을 계통에 공급한다. 이를 통해 신재생 에너지원에 의해 불안정하게 변동되는 계통 전력을 안정화시키고 최대부하 삭감과 부하 평준화를 달성할 수 있게 된다. 특히, 최근 다양한 신재생 에너지원의 출현으로 인해 부각되고 있는 지능형 전력망(Smart Grid)에도 이러한 에너지 저장 시스템이 이용될 수 있다.
이러한 에너지 저장 시스템은 전력 조절장치(Power Conditioning System, PCS), 및 배터리 조절장치(Battery Conditioning System, BCS)를 포함한다.
전력 조절장치는 계통과 배터리 조절장치 사이에서 전력 변환(AC/DC)을 수행하는 등 배터리 조절장치에 설치된 배터리의 전력을 관리하는 기능을 갖는다.
배터리 조절장치에 설치된 배터리는 계통에 전력을 공급하기 위해 방전(放電)된다. 배터리 조절장치에 설치된 배터리는 계통으로부터 공급되는 전력을 이용하여 충전(充電)된다.
이러한 배터리 조절장치는 가동 과정에서 배터리에서 열(熱)이 발생한다. 이와 같이 발생한 열은 배터리의 성능을 저하시키고, 고온의 경우 배터리를 손상 내지 파손시킬 수 있다. 따라서, 배터리에서 발생하는 열을 해소할 수 있는 기술의 개발이 요구된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 요구를 해소하고자 안출된 것으로, 가동 과정에서 배터리에서 발생하는 열을 해소할 수 있는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치를 제공하기 위한 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 하기와 같은 구성을 포함한다.
본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치는 계통으로부터 제공되는 전력을 저장하기 위한 배터리가 설치되는 배터리하우징; 상기 배터리하우징에 설치되고, 상기 배터리를 냉각시키기 위한 열교환매체가 유동하는 유동부; 및 상기 배터리에서 발생하는 열에 의해 기화된 열교환매체를 액화시키기 위한 냉각매체가 유동하는 냉각부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 배터리에서 발생하는 열을 해소할 수 있도록 구현됨으로써, 열로 인해 배터리가 손상 내지 파손되는 것을 방지할 수 있고, 배터리에 대한 방전 효율과 충전 효율을 높일 수 있다.
본 발명은 배터리를 직접적으로 냉각시키도록 구현됨으로써, 배터리의 온도를 더 빠르게 조절하여 냉각시간을 줄일 수 있고, 이에 따라 배터리의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있으므로 배터리에 대한 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 열교환매체를 이용하여 배터리의 온도를 조절하도록 구현됨으로써, 배터리의 온도를 조절하기 위한 전력 소모를 줄일 수 있으므로, 에너지 절감 및 운용비용 절감에 기여할 수 있다.
본 발명은 설치공간 대비 더 많은 전력을 저장할 수 있도록 구현됨으로써, 전력 밀도를 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 출력전압을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치의 개략적인 사시도
도 2는 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치에 있어서 배터리하우징에 배터리가 수납된 모습을 나타낸 개략적인 사시도
도 3은 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치에 있어서 유동부의 실시예를 설명하기 위한 도 2의 I-I 선을 기준으로 하는 개략적인 일부 측단면도
도 4는 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치에 있어서 냉각부의 개략적인 블록도
도 5는 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치에 있어서 유동부의 변형된 실시예를 설명하기 위한 도 2의 I-I 선을 기준으로 하는 개략적인 일부 측단면도
도 6은 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치에 있어서 유동부의 다른 변형된 실시예를 설명하기 위한 도 2의 I-I 선을 기준으로 하는 개략적인 일부 측단면도
도 7은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치를 설명하기 위한 도 2의 I-I 선을 기준으로 하는 개략적인 일부 측단면도
도 8은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 개략적인 블록도
이하에서는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치의 개략적인 사시도, 도 2는 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치에 있어서 배터리하우징에 배터리가 수납된 모습을 나타낸 개략적인 사시도, 도 3은 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치에 있어서 유동부의 실시예를 설명하기 위한 도 2의 I-I 선을 기준으로 하는 개략적인 일부 측단면도, 도 4는 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치에 있어서 냉각부의 개략적인 블록도, 도 5는 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치에 있어서 유동부의 변형된 실시예를 설명하기 위한 도 2의 I-I 선을 기준으로 하는 개략적인 일부 측단면도, 도 6은 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치에 있어서 유동부의 다른 변형된 실시예를 설명하기 위한 도 2의 I-I 선을 기준으로 하는 개략적인 일부 측단면도, 도 7은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치를 설명하기 위한 도 2의 I-I 선을 기준으로 하는 개략적인 일부 측단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)(200, 도 8에 도시됨)에 이용되는 것이다. 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 상기 에너지 저장 시스템(200, 도 8에 도시됨)에서 계통으로부터 제공되는 전력을 저장하기 위한 배터리의 상태를 관리하는 기능을 담당한다.
본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 배터리하우징(2), 유동부(3), 및 냉각부(4)를 포함한다.
상기 배터리하우징(2)에는 배터리(11)가 설치된다. 상기 배터리하우징(2)에는 상기 배터리(11)가 복수개 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 배터리(11)는 하나의 열을 따라 서로 인접하게 배치될 수 있다. 상기 배터리하우징(2)은 내부가 비어 있는 직방체 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 배터리(11)가 설치될 수 있는 형태이면 다른 형태로 형성될 수도 있다.
상기 유동부(3)는 상기 배터리(11)를 냉각시키기 위한 열교환매체(20)가 유동하는 것이다. 상기 열교환매체(20)는 열을 흡수함에 따라 기화되고, 열을 방출함에 따라 액화되는 것이다. 상기 열교환매체(20)는 상기 유동부(3)의 내부에서 상기 유동부(3)를 따라 유동한다. 상기 유동부(3)는 열전도율(Thermal Conductivity)이 높은 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 유동부(3)는 알루미늄으로 형성될 수 있다.
상기 유동부(3)는 상기 배터리하우징(2)에 설치된다. 상기 유동부(3)는 상기 배터리(11)에 접촉되도록 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 배터리(11)가 작동함에 따라 열이 발생하면, 상기 열교환매체(20)는 상기 배터리(11)에서 발생하는 열을 흡수하면서 증발하여 기화된다. 이에 따라, 상기 배터리(11)는 상기 열교환매체(20)에 열을 빼앗김에 따라 온도가 낮아지게 된다. 따라서, 상기 열교환매체(20)는 상기 배터리(11)를 냉각시킬 수 있다. 상기 열교환매체(20)는 증발영역에서 증발하여 기체로 되고, 응축영역에서 응축하여 액체로 될 수 있다.
상기 냉각부(4)는 상기 열교환매체(20)를 액화시키기 위한 냉각매체(30)가 유동하는 것이다. 상기 냉각매체(30)는 상기 배터리(11)에서 발생하는 열에 의해 기화된 열교환매체(20)를 액화시킨다. 상기 냉각매체(30)는 기화된 열교환매체(20)로부터 열을 흡수한다. 이에 따라, 기화된 열교환매체(20)는 상기 냉각매체(30)에 열을 빼앗김에 따라 응축하여 액화된다. 따라서, 상기 냉각매체(30)는 상기 열교환매체(20)를 냉각시킴으로써 액화시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)에 있어서, 상기 열교환매체(20)는 상기 배터리(11)를 냉각시킴에 따라 기화되고, 기화된 상태에서 상기 냉각부(4) 쪽으로 유동한다. 그리고, 기화된 열교환매체(20)는 상기 냉각매체(30)에 의해 냉각됨에 따라 다시 액화된다. 그 후, 액화된 열교환매체(20)는 다시 상기 배터리(11) 쪽으로 이동하여 상기 배터리(11)를 냉각시키게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 상기 열교환매체(20)를 상기 유동부(3)의 내부에서 순환하여 유동시킴으로써, 상기 배터리(11)의 가동 과정에서 발생하는 열을 해소할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.
본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 상기 배터리(11)의 온도를 조절할 수 있도록 구현됨으로써, 상기 배터리(11)에 대한 방전 효율과 충전 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 냉기(冷氣)를 이용하여 상기 배터리(11)의 주변을 냉각시켜서 상기 배터리(11)를 간접적으로 냉각시키는 공냉방식과 대비할 때, 상기 배터리(11)를 직접적으로 냉각시키도록 구현됨으로써 상기 배터리(11)의 온도를 더 빠르게 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 상기 배터리(11)를 냉각시키기 위한 냉각시간을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 상기 배터리(11)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있으므로, 상기 배터리(11)에 대한 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 열교환매체(20)를 이용하여 상기 배터리(11)의 온도를 조절하도록 구현됨으로써, 상기 배터리(11)의 온도를 조절하기 위한 전력 소모를 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 에너지 절감 및 운용비용 절감에 기여할 수 있다.
본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 상술한 공냉방식과 대비할 때, 동일한 크기의 배터리하우징(2)에 더 많은 개수의 배터리(11)를 설치할 수 있다. 공냉방식의 경우 배터리(11)들 사이로 냉기가 통과하기 위한 통풍공간이 반드시 필요하지만, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 열교환매체(20)를 이용하므로, 통풍공간을 생략할 수 있기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 설치공간 대비 더 많은 전력을 저장할 수 있으므로, 전력 밀도를 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 출력전압을 증대시킬 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 상기 냉각부(4)는 냉각부재(41)를 포함할 수 있다.
상기 냉각부재(41)는 상기 배터리하우징(2)에 설치된다. 상기 냉각부재(41)는 상기 유동부(3)에 접촉되게 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 냉각매체(30)는 상기 냉각부재(41)의 내부에서 상기 냉각부재(41)를 따라 유동하면서 상기 유동부(3)의 내부에 위치한 열교환매체(20)를 냉각시킬 수 있다. 상기 냉각부재(41)는 열전도율이 높은 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 냉각부재(41)는 알루미늄으로 형성될 수 있다.
상기 냉각부재(41)는 상기 냉각매체(30)가 상기 배터리(11)의 상측에서 유동하도록 상기 배터리(11)의 상측에 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 유동부(3)는 상기 냉각부재(41)의 하측에 설치된다. 이에 따라, 상기 열교환매체(20)는 상기 배터리(11)에서 발생하는 열에 의해 기화되면, 기체의 특성상 상기 냉각부재(41) 쪽으로 상승하게 된다. 상기 냉각부재(41) 쪽으로 상승한 열교환매체(20)는, 상기 냉각부재(41)를 따라 유동하는 냉각매체(30)에 의해 액화되면, 중력에 의해 하강하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 상기 열교환매체(20)를 순환 유동시키기 위해 별도의 전원공급을 필요로 하지 않으므로, 운영 비용을 더 절감할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 상기 냉각부(4)는 냉각기구(42)를 포함할 수 있다. 상기 냉각기구(42)는 상기 냉각부재(41)로부터 열교환매체(20)를 냉각시킨 냉각매체(30)를 회수한다. 상기 냉각기구(42)는 회수한 냉각매체(30)를 냉각시킨 후에 다시 상기 냉각부재(41)로 공급한다. 상기 냉각기구(42)는 칠러(Chiller)일 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 상기 냉각부(4)는 연결부재(43, 도 4에 도시됨)를 포함할 수 있다. 상기 연결부재(43)는 상기 냉각부재(41) 및 상기 냉각기구(42)를 연결한다. 상기 연결부재(43)는 냉각매체(30)가 흐를 수 있는 배관 등일 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 상기 유동부(3)의 배치에 따라 다양한 실시예를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에 대해 첨부된 도면을 참조하여 순차적으로 살펴보면 다음과 같다.
우선, 도 3을 참고하면, 제1실시예에 따른 유동부(3)는 상기 배터리(11)를 수용하도록 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 유동부(3)는 상기 배터리(11)의 외부에 위치한다. 이에 따라, 상기 배터리(11)는 상기 유동부(3)의 내부에 위치하도록 설치된다. 상기 열교환매체(20)는 상기 배터리(11)의 외측에서 상기 유동부(3)를 따라 유동하면서 상기 배터리(11)에서 발생하는 열을 흡수한다. 따라서, 제1실시예에 따른 유동부(3)는 상기 열교환매체(20)가 상기 배터리(11)의 표면 전체로부터 열을 흡수할 수 있도록 구현됨으로써, 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 냉각부재(41)는 상기 유동부(3)의 상측에 위치할 수 있다. 상기 냉각매체(30)는 상기 냉각부재(41)를 따라 유동하고, 결과적으로 상기 유동부(3)의 상측에서 유동된다. 제1실시예에 따른 유동부(3)는 상기 배터리하우징(2)이 설치되는 바닥면에 대해 직교하는 수직방향을 향하도록 설치될 수 있다.
제1실시예에 따른 유동부(3)는 전체적으로 내부가 비어 있는 직방체 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 배터리(11)를 내부에 수용할 수 있고 상기 배터리(11)의 외측에서 열교환매체(20)가 유동할 수 있는 형태이면 다른 형태로 형성될 수도 있다.
제1실시예에 따른 유동부(3)에 있어서, 상기 유동부(3)는 상기 배터리(11)가 복수개 포함되는 배터리셀을 수용하도록 구현될 수도 있다. 이 경우, 상기 배터리셀은 상기 유동부(3)의 내부에 위치하도록 설치된다.
다음, 도 5를 참고하면, 제2실시예에 따른 유동부(3)는 상기 배터리들(11, 11') 사이에 위치하도록 설치된다. 이 경우, 상기 배터리하우징(2)에는 상기 배터리(11)가 복수개 설치되고, 각 배터리들(11, 11')은 일정 간격으로 이격되도록 설치된다. 상기 열교환매체(20)는 상기 배터리들(11, 11') 사이에서 상기 유동부(3)를 따라 유동하면서 상기 배터리들(11, 11')에서 발생하는 열을 흡수한다. 이에 따라, 제2실시예에 따른 유동부(3)는 상기 열교환매체(20)가 2개의 배터리들(11, 11')로부터 열을 흡수하도록 구현됨으로써, 상기 배터리하우징(2)에서 배터리(11)를 설치하기 위한 공간을 증대시킬 수 있다. 상기 배터리하우징(2)에서 상기 유동부(3)가 차지하는 공간의 크기를 감소시킬 수 있기 때문이다. 상기 냉각부재(41)는 상기 냉각매체(30)가 상기 유동부(3)의 상측에서 유동하도록 상기 유동부(3)의 상측에서 상기 배터리하우징(2)에 설치될 수 있다. 제2실시예에 따른 유동부(3)는 상기 배터리하우징(2)이 설치되는 바닥면에 대해 직교하는 수직방향을 향하도록 설치될 수 있다.
제2실시예에 따른 유동부(3)는 전체적으로 사각판형으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 양측에 위치한 배터리들(11, 11')에 접촉될 수 있는 형태이면 다른 형태로 형성될 수도 있다. 제2실시예에 따른 유동부(3)는 상기 배터리(11)에 비해 얇은 두께로 형성될 수 있다.
제2실시예에 따른 유동부(3)에 있어서, 상기 배터리하우징(2)에는 상기 배터리(11)가 복수개 포함되는 배터리셀들이 일정 간격 이격되도록 위치될 수도 있다. 이 경우, 제2실시예에 따른 유동부(3)는 상기 이격 위치된 배터리셀들 사이에 설치된다.
다음, 도 6을 참고하면, 제3실시예에 따른 유동부(3)는 상기 배터리(11)의 상측에 위치하도록 상기 배터리하우징(2)에 설치된다. 상기 열교환매체(20)는 상기 배터리(11)의 상측에서 상기 유동부(3)를 따라 유동하면서 상기 배터리(11)에서 발생하는 열을 흡수한다. 이에 따라, 제3실시예에 따른 유동부(3)는 상기 배터리하우징(2)에서 배터리(11)를 설치하기 위한 공간을 증대시킬 수 있다. 상기 배터리하우징(2)에 배터리(11)가 복수개 설치되는 경우, 제3실시예에 따른 유동부(3)는 상기 배터리들(11, 11')의 상측을 지나도록 상기 배터리하우징(2)에 설치될 수 있다. 상기 냉각부재(41)는 상기 냉각매체(30)가 상기 유동부(3)의 상측에서 유동하도록 상기 유동부(3)의 상측에서 상기 배터리하우징(2)에 설치될 수 있다. 제3실시예에 따른 유동부(3)는 상기 배터리하우징(2)이 설치되는 바닥면에 대해 평행한 수평방향을 향하도록 설치될 수 있다.
제3실시예에 따른 유동부(3)는 전체적으로 사각판형으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 다른 형태로 형성될 수도 있다. 제3실시예에 따른 유동부(3)는 상기 배터리하우징(2)에서 상기 배터리들(11, 11')이 배치되는 방향을 따라 긴 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 본체(100)를 포함할 수 있다.
상기 본체(100)는 내부에 상기 배터리(11)가 설치된다. 상기 배터리(11)는 상기 배터리하우징(2)에 설치된 상태로 상기 본체(100)의 내부에 설치될 수 있다. 상기 배터리하우징(2)에는 상기 배터리(11)가 복수개 설치될 수 있다. 복수개의 배터리(11)가 배터리셀을 구성하는 경우, 상기 배터리하우징(2)에는 상기 배터리셀이 복수개 설치될 수 있다. 상기 배터리하우징(2)은 배터리랙(12)을 통해 상기 본체(100)의 내부에 설치될 수 있다.
상기 배터리랙(12)은 복수개의 배터리하우징(2)를 수납할 수 있다. 상기 배터리랙(12)은 전체적으로 직방체 형태로 형성될 수 있다. 상기 배터리하우징(2)들은 소정의 배터리 트레이(Tray)에 설치된 상태로, 상기 배터리랙(12)에 설치될 수도 있다.
상기 본체(100)는 내부에 상기 배터리랙(12)이 복수개 설치될 수도 있다. 이 경우, 상기 배터리랙(12)들은 하나의 열을 따라 서로 인접하게 배치됨으로써 배터리랙그룹을 이루도록 설치된다. 도 1에는 상기 배터리랙그룹에 속하는 배터리랙(12)이 하나의 열을 따라 4개가 설치되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 배터리랙그룹에 속하는 배터리랙(12)은 하나의 열을 따라 하나 이상이 설치될 수 있다.
상기 본체(100)는 내부에 상기 배터리랙그룹이 서로 다른 열을 이루며 복수개 설치될 수도 있다. 이 경우, 상기 배터리랙그룹들은 서로 이격되게 설치될 수 있다. 도 1에는 2개의 배터리랙그룹들이 2개의 열을 이루며 설치되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 본체(100)의 내부에는 하나 이상의 배터리랙그룹이 설치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 본체(100)에 상기 배터리랙(12)이 복수개 설치되는 경우, 상기 배터리랙(12)들 각각에 수납된 배터리하우징(2)들에는 냉각부재(41)가 설치된다. 상기 냉각기구(42, 도 4에 도시됨)는 상기 연결부재(43, 도 4에 도시됨)를 통해 복수개의 냉각부재(41)들에 연결될 수 있다.
상기 본체(100)는 컨테이너 구조로 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 선박, 항공기 등과 같은 운송수단에 컨테이너를 하역(Cargo-Working)하기 위해 기존에 구축되어 있는 운송설비 등에 의해 상기 운송수단에 하역될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 별도의 운송설비를 새롭게 마련할 필요가 없으므로, 운송설비를 새롭게 마련하는데 드는 구축비용을 절감할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 운송상태 그대로 설치되어 사용될 수 있도록 구현됨으로써, 운송 및 설치에 대한 용이성을 향상시킬 수 있다. 상기 본체(100)는 20 FT 컨테이너 구조 또는 40 FT 컨테이너 구조일 수 있다. 상기 본체(100)에는 화재를 진압하기 위한 소방설비 등이 추가로 설치될 수 있다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)에 있어서, 상기 냉각부(4)는 제1냉각부재(411, 도 7에 도시됨) 및 제2냉각부재(412, 도 7에 도시됨)를 포함한다. 상기 제1냉각부재(411)는 상기 냉각매체(30)가 상기 배터리(11)의 상측에서 유동하도록 상기 배터리(11)의 상측에 설치된다. 상기 제2냉각부재(412)는 상기 냉각매체(30)가 상기 배터리(11)의 하측에서 유동하도록 상기 배터리(11)의 하측에 설치된다. 따라서, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 상기 배터리(11)에 대한 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 상기 제1냉각부재(411) 및 상기 제2냉각부재(412)는 각각 상기 냉각기구(42)에 연결된다. 상기 제1냉각부재(411) 및 상기 제2냉각부재(412)는 각각 상기 배터리하우징(2)에 설치된다.
본 발명의 변형된 실시예에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)에 있어서, 상기 유동부(3)는 제1유동부(31, 도 7에 도시됨) 및 제2유동부(32, 도 7에 도시됨)를 포함한다.
상기 제1유동부(31)는 상기 제1냉각부재(411) 및 상기 제2냉각부재(412) 사이에 위치되게 상기 배터리하우징(2)에 설치된다. 상기 제1유동부(31)는 상기 제1냉각부재(411)에 접촉되도록 위치된다. 이에 따라, 상기 제1유동부(31)의 내부에서 유동하는 열교환매체(20)는, 상기 배터리(11)에서 발생하는 열을 흡수하면서 증발하여 기화된 후에 상기 제1냉각부재(411)를 따라 유동하는 냉각매체(30)에 의해 액화된다. 상기 제1유동부(31)는 상기 제1냉각부재(411)에 접촉되도록 위치됨과 동시에 상기 제2냉각부재(412)로부터 이격되게 위치될 수 있다. 이 경우, 상기 제1유동부(31)가 상기 제2냉각부재(412)로부터 이격되게 위치되므로, 상기 제2냉각부재(412)를 따라 유동하는 냉각매체(30)는 상기 제1유동부(31)의 내부에서 유동하는 열교환매체(20)로부터 흡수하는 열의 양이 감소된다.
상기 제2유동부(32)는 상기 제1냉각부재(411) 및 상기 제2냉각부재(412) 사이에 위치되게 상기 배터리하우징(2)에 설치된다. 상기 제2유동부(32)는 상기 제2냉각부재(412)에 접촉되도록 위치된다. 이에 따라, 상기 제2유동부(32)의 내부에서 유동하는 열교환매체(20)는, 상기 배터리(11)에서 발생하는 열을 흡수하면서 증발하여 기화된 후에 상기 제2냉각부재(412)에 의해 액화된다. 상기 제2유동부(32)는 상기 제2냉각부재(412)에 접촉됨과 동시에 상기 제1냉각부재(411)로부터 이격되게 위치될 수 있다. 이 경우, 상기 제2유동부(32)가 상기 제1냉각부재(411)로부터 이격되게 위치되므로, 상기 제1냉각부재(411)를 따라 유동하는 냉각매체(30)는 상기 제2유동부(32)의 내부에서 유동하는 열교환매체(20)로부터 흡수하는 열의 양이 감소된다.
따라서, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 상기 제1유동부(31) 및 상기 제2유동부(32) 각각을 따라 유동하는 열교환매체(20)를 하나의 제1냉각부재(411)만을 이용하여 액화시키는 것과 대비할 때, 다음과 같은 장점을 갖는다.
우선, 하나의 제1냉각부재(41)만을 이용하여 상기 제1유동부(31) 및 상기 제2유동부(32) 각각을 따라 유동하는 열교환매체(20)를 액화시키는 경우, 상기 제1냉각부재(41)를 따라 유동하는 냉각매체(30)는 상기 제1유동부(31)를 따라 유동하는 열교환매체(20)를 액화시킨 후에 상기 제2유동부(32)를 따라 유동하는 열교환매체(20)를 액화시키게 된다. 이에 따라, 상기 냉각매체(30)는 상기 제1유동부(31)를 따라 유동하는 열교환매체(20)를 액화시키면서 온도가 높아진 후에 상기 제2유동부(32)를 따라 유동하는 열교환매체(20)를 액화시키게 된다. 따라서, 상기 냉각매체(30)가 상기 제1유동부(31)를 따라 유동하는 열교환매체(20)를 액화시키는 액화성능 및 상기 냉각매체(30)가 상기 제2유동부(32)를 따라 유동하는 열교환매체(20)를 액화시키는 액화성능 간에 편차가 발생할 수 있다. 이로 인해, 상기 배터리(11)에 대한 상기 제1유동부(31)의 냉각 성능 및 상기 제2유동부(32)의 냉각 성능 간에 편차가 발생할 수 있다. 상기 배터리하우징(2)에 상기 유동부(3)가 복수개 설치되는 경우, 상기 냉각매체(30)가 유동하는 방향으로 후단에 위치하는 유동부(3)일수록 열교환매체(20)에 대한 액화성능 및 배터리(11)에 대한 냉각 성능이 저하될 수 있다.
다음, 상기 제1냉각부재(411) 및 상기 제2냉각부재(412)를 이용하여 상기 제1유동부(31) 및 상기 제2유동부(32) 각각을 따라 유동하는 열교환매체(20)를 액화시키는 경우, 상기 제1냉각부재(411) 및 상기 제2냉각부재(412)는 상기 제1유동부(31) 및 상기 제2유동부(32) 각각을 따라 유동하는 열교환매체(20)를 분담하여 액화시킨다. 이에 따라, 상기 냉각매체(30)가 상기 제1유동부(31)를 따라 유동하는 열교환매체(20)를 액화시키는 액화성능 및 상기 냉각매체(30)가 상기 제2유동부(32)를 따라 유동하는 열교환매체(20)를 액화시키는 액화성능 간에 편차를 감소시킬 수 있다. 이로 인해, 상기 배터리(11)에 대한 상기 제1유동부(31)의 냉각 성능 및 상기 제2유동부(32)의 냉각 성능 간에 편차를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 상기 배터리(11)들 간에 온도 편차를 감소시킴으로써, 상기 배터리(11)들에 대한 온도 균일성을 향상시킬 수 있다.
상기 배터리하우징(2)에 상기 제1유동부(31) 및 상기 제2유동부(32)가 각각 복수개 설치되는 경우, 상기 제1유동부(31)들은 상기 제1냉각부재(411)에 접촉됨과 동시에 상기 제2냉각부재(412)로부터 이격되게 위치되고, 상기 제2유동부(32)들은 상기 제2냉각부재(412)에 접촉됨과 동시에 상기 제1냉각부재(411)로부터 이격되게 위치될 수 있다. 상기 제1유동부(31) 및 상기 제2유동부(32)는 상술한 제1실시예에 따른 유동부(3) 또는 제2실시예에 따른 유동부(3)로 구현될 수 있다.
상기 제1유동부(31) 및 상기 제2냉각부재(412) 사이에는 제1단열부재(51)가 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2냉각부재(412)를 따라 유동하는 냉각매체(30)가 상기 제1유동부(31)의 내부에서 유동하는 열교환매체(20)로부터 흡수하는 열의 양을 감소시킬 수 있다. 상기 제2유동부(32) 및 상기 제1냉각부재(411) 사이에는 제2단열부재(52)가 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1냉각부재(411)를 따라 유동하는 냉각매체(30)가 상기 제2유동부(32)의 내부에서 유동하는 열교환매체(20)로부터 흡수하는 열의 양을 더 감소시킬 수 있다.
상기 제1유동부(31) 및 상기 제2유동부(32)는 교번하여 각각 복수개가 상기 배터리하우징(2)에 설치될 수 있다. 즉, 상기 제2유동부(32)는 상기 제1유동부(31)들 사이에 설치될 수 있다. 따라서, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 상기 배터리(11)들 간에 온도 편차를 더 감소시킴으로써, 상기 배터리(11)들에 대한 온도 균일성을 더 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기 제1냉각부재(411) 및 상기 제2냉각부재(412)에는 각각 냉각매체(30)가 동일한 방향으로 유동하도록 구현될 수 있다. 상기 제1냉각부재(411) 및 상기 제2냉각부재(412)에는 각각 냉각매체(30)가 서로 반대되는 방향으로 유동하도록 구현될 수도 있다. 예컨대, 상기 제1냉각부재(411)에는 냉각매체(30)가 제1방향(A 화살표 방향, 도 7에 도시됨)으로 유동하고, 상기 제2냉각부재(412)에는 냉각매체(30)가 상기 제1방향(A 화살표 방향)에 대해 반대되는 제2방향(B 화살표 방향, 도 7에 도시됨)으로 유동할 수 있다. 이 경우, 상기 제1방향(A 화살표 방향)으로 후단 쪽에 위치한 배터리(11)는, 상기 제2방향(B 화살표 방향)으로는 전단 쪽에 위치하게 된다. 따라서, 상기 제1방향(A 화살표 방향)으로 후단 쪽에 위치한 배터리(11)에 대해, 상기 제1유동부(31)의 냉각 성능 저하가 상기 제2유동부(32)의 냉각 성능 강화로 보상될 수 있다. 또한, 상기 제2방향(B 화살표 방향)으로 후단 쪽에 위치한 배터리(11)에 대해, 상기 제2유동부(32)의 냉각 성능 저하가 상기 제1유동부(31)의 냉각 성능 강화로 보상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)는 상기 배터리(11)들 간에 온도 편차를 더 감소시킴으로써, 상기 배터리(11)들에 대한 온도 균일성을 더 향상시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 8은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 개략적인 블록도이다.
도 1 내지 도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 에너지 저장장치(200)는 배터리 조절장치(1) 및 전력 조절장치(300)를 포함한다. 상기 배터리 조절장치(1)는 상술한 본 발명에 따른 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치(1)와 동일하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 전력 조절장치(300)는 상기 배터리 조절장치(1) 및 계통 사이에서 전력 변환(AC/DC)을 수행하는 등 상기 배터리 조절장치(1)에 설치된 배터리(11)들의 전력을 관리하는 기능을 담당한다. 상기 전력 조절장치(300)는 전력변환부(310)를 포함한다.
상기 전력변환부(310)는 상기 배터리(11)들의 전력을 관리한다. 상기 전력변환부(310)는 주로 전력변환을 담당한다. 상기 전력변환부(310)는 상기 배터리 조절장치(1)로부터 공급되는 직류전력을 교류전력으로 변환한다. 상기 전력변환부(310)는 계통 또는 신재생 에너지원으로부터 공급되는 교류전력을 직류전력으로 변환한다.
상기 전력변환부(310)는 본체(미도시)의 내부에 설치된다. 상기 전력 조절장치(300)의 본체의 내부에는 상기 전력변환부(310)가 복수개 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 전력변환부(310)들은 하나의 열을 따라 서로 인접하게 배치됨으로써 전력변환그룹을 이루도록 설치된다. 상기 전력변환그룹에 속하는 전력변환부(310)는 하나의 열을 따라 하나 이상이 설치될 수 있다. 상기 전력 조절장치(300)의 본체(미도시)의 내부에는 상기 전력변환그룹이 서로 다른 열을 이루며 복수개가 설치될 수도 있다. 상기 전력 조절장치(300)의 본체는 내부에 화재를 진압하기 위한 소방설비, 승압과 강압을 담당하는 변압기, 및 계통에 대한 차단과 투입을 담당하는 스위치기어가 더 설치될 수도 있다. 상기 전력 조절장치(300)의 본체는 컨테이너 구조로 구현될 수 있다.
상기 전력 조절장치(300)는 상기 유동부(3) 및 상기 냉각부(4)를 통해 상기 전력변환부(310)가 가동하는 과정에서 발생하는 열을 해소하도록 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 유동부(3)는 상기 전력변환부(310)에 접촉되게 설치됨으로써, 상기 열교환매체(20)를 이용하여 상기 전력변환부(310)를 직접적으로 냉각시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 에너지 저장장치(200)는 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장장치(200)는 냉기를 이용하여 상기 전력변환부(310)의 주변을 냉각시켜서 상기 전력변환부(310)를 간접적으로 냉각시키는 공냉방식과 대비할 때, 상기 전력변환부(310)를 직접적으로 냉각시키도록 구현됨으로써 상기 전력변환부(310)의 온도를 더 빠르게 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 에너지 저장장치(200)는 상기 전력변환부(310)를 냉각시키기 위한 냉각시간을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 에너지 저장장치(200)는 상기 전력변환부(310)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있으므로, 상기 전력변환부(310)에 대한 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장장치(200)는 열교환매체(20)를 이용하여 상기 전력변환부(310)의 온도를 조절하도록 구현됨으로써, 상기 전력변환부(310)의 온도를 조절하기 위한 전력 소모를 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 에너지 저장장치(200)는 에너지 절감 및 운용비용 절감에 기여할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
1 : 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치
2 : 배터리하우징 3 : 유동부
4 : 냉각부 11 : 배터리
20 : 열교환매체 30 : 냉각매체
100 : 본체

Claims (12)

  1. 계통으로부터 제공되는 전력을 저장하기 위한 배터리가 설치되는 배터리하우징;
    상기 배터리하우징에 설치되고, 상기 배터리를 냉각시키기 위한 열교환매체가 유동하는 유동부; 및
    상기 배터리에서 발생하는 열에 의해 기화된 열교환매체를 액화시키기 위한 냉각매체가 유동하는 냉각부를 포함하는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 상기 유동부의 내부에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리하우징에는 상기 배터리가 복수개 포함되는 배터리셀들이 일정 간격 이격되도록 위치되고,
    상기 유동부는 상기 이격 위치된 배터리셀들 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유동부는 상기 배터리의 상측에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는 상기 냉각매체가 상기 배터리의 상측에서 유동하도록 상기 배터리의 상측에 설치되고,
    상기 유동부는 상기 배터리에 의해 기화되어 상승한 열교환매체가 액화되어 하강하도록 상기 냉각부의 하측에 설치되는 것을 특징으로 하는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는 상기 배터리하우징에 설치되는 냉각부재, 및 상기 냉각부재로부터 열교환매체를 액화시킨 냉각매체를 회수하여 냉각시킨 후에 상기 냉각부재로 공급하는 냉각기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리하우징이 복수개 설치되는 배터리랙, 및 상기 배터리랙이 복수개 설치되는 본체를 포함하고,
    상기 냉각부는 상기 배터리하우징들 각각에 설치되는 냉각부재, 열교환매체를 액화시킨 냉각매체를 냉각시키기 위한 냉각기구, 상기 냉각부재들과 상기 냉각기구를 연결하는 연결부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는 상기 냉각매체가 상기 배터리의 상측에서 유동하도록 상기 배터리의 상측에 설치되는 제1냉각부재, 및 상기 냉각매체가 상기 배터리의 하측에서 유동하도록 상기 배터리의 하측에 설치되는 제2냉각부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리하우징에는 상기 제1냉각부재에 접촉되도록 위치되는 제1유동부, 및 상기 제2냉각부재에 접촉되도록 위치되는 제2유동부가 설치되고,
    상기 제1유동부와 상기 제2유동부가 교번하여 설치되는 것을 특징으로 하는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1냉각부재에는 냉각매체가 제1방향으로 유동하고,
    상기 제2냉각부재에는 냉각매체가 상기 제1방향에 대해 반대되는 제2방향으로 유동하는 것을 특징으로 하는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 유동부는 상기 제1냉각부재에 접촉됨과 동시에 상기 제2냉각부재로부터 이격되게 위치되는 제1유동부, 및 상기 제2냉각부재에 접촉됨과 동시에 상기 제1냉각부재로부터 이격되게 위치되는 제2유동부를 포함하며,
    상기 배터리하우징에는 상기 제1유동부와 상기 제2유동부가 교번하여 각각 복수개가 설치되는 것을 특징으로 하는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치.
  12. 제9항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1유동부 및 상기 제2냉각부재 사이에는 제1단열부재가 설치되고,
    상기 제2유동부 및 상기 제1냉각부재 사이에는 제2단열부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 열교환매체를 이용한 에너지 저장장치용 배터리 조절장치.
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