KR20160142878A - 배터리 어레이에서의 온도 관리 - Google Patents

Abstract

어레이는 배터리를 구비하며, 이 어레이에서 물리적 구조상 상위 레벨에 있는 배터리들은, 하위 레벨에 있는 배터리들보다, 서로 더 멀리 이격되어 있다. 이로써, 어레이에 걸쳐서 온도를 보다 고르게 유지할 수 있게 된다.

Description

배터리 어레이에서의 온도 관리{TEMPERATURE MANAGEMENT IN BATTERY ARRAYS}

본 발명은 에너지 저장 배터리의 어레이에서의 온도 관리에 관한 것이다.

전력 생산에 있어서의 근대의 발전을 통해, 에너지 저장에 대한 요구가 커지고 있다. 풍력 터빈 및 광전 태양광 시스템 등과 같은 많은 형태의 재생 가능 에너지가, 다양한 방식으로 에너지를 생산한다. 예를 들어, 위치상 바람이 적절한 경우에는, 풍력 터빈이 상대적으로 다량의 전력을 생산하고, 바람이 멈춘 경우에는, 아무것도 생산하지 않는다.

이는, 가변 부하 수요, 풍력 발전기의 지리적 다양성 및 대체 발전기에의 접근성 등과 같은 인자에 의해, 전체적으로 그리드에서 보충될 수 있다. 그러나 이는, 가격이 최적화되어 있는 경우에, 풍력 발전기가 제어 가능하게 송전하는 것을 허용하지 않는다. 또한, 분단위 시간틀에서도 전력 출력을 매끄럽게 하는 능력이 없어, 특히 풍력 발전기가 그리드에 있어서 대부분의 전기 소비자에 대하여 원거리에 배치될 수 있다는 것을 고려하면, 그리드 오퍼레이터가 적절하게 안정화된 전력을 제공하기가 어렵다.

이에 따라, 여러 종류의 에너지 저장 시스템이 보다 넓은 고려 대상에 들어오게 되었고, 그 결과 출력이 매끄러워질 수 있거나, 이후의 재판매 또는 재사용을 위해 저장될 수 있다. 에너지 저장 배터리 어레이는 통상적으로, 재생 가능 에너지 생산과 관련이 있는 에너지 저장 시스템에 이용될 수 있다.

이러한 어레이는, 일 형태에서, 수백 개의 납 산 배터리로 구성될 수 있다. 배터리 어레이는 일반적으로 구조물 또는 캐비닛에 수용된다. 대규모 시설에서, 배터리들은 20개 정도씩 그룹지어서 배치될 수 있는데, 이를 줄(string)이라고도 하며, 전체 설비를 제공하도록 연결된다.

어레이의 작동은, 특히 충방전 중에, 필연적으로 열을 발생시킨다. 납 산 배터리의 동작 수명은 납 산 배터리의 동작 온도와 직접적인 연관이 있다. 특히, 납 산 배터리의 동작 온도의 상승은 포지티브 그리드의 부식을 증가시키는 경향이 있다. 다른 배터리 기술에서도 유사한 부정적인 영향이 존재한다. 따라서, 상기한 어레이에서는, 온도 관리에 대해서 세심한 주의가 요구된다.

한 가지 기법은, 에어컨, 열교환기 및 부수적인 팬을 이용하여 능동 냉각을 제공하는 것이다. 그러나, 이러한 능동 냉각은, 냉각 시스템을 작동하기 위해 추가적인 배터리 용량을 제공하는 것을 필요로 하므로, 실질적으로 저장 시스템에 대해 기생 부하가 된다. 또한, 이러한 기법은 필연적으로 자본 비용을 증대시켜, 저장 시스템의 효율 및 효과를 저하시킨다.

다른 중요한 제약은 점유 면적이다. 배터리들이 임의적으로 큰 거리를 두고 이격될 수 있다면, 냉각 문제는 쉽게 해결될 수 있다. 그러나, 실제 시설에서, 바닥 면적은 한정된 자원이다. 배터리들 사이의 연결부의 길이(및 이에 따른 비용)와, 안전성과, 배터리들의 보호, 그리고 걸려 넘어질 위험의 방지를 추가적으로 고려하면, 상기한 해결 방안은 실용적이지 않게 된다.

본 발명은, 능동 냉각에 대한 필요성을 줄이고(또는 없애고), 저장 시스템의 비용 효율성을 개선하는, 배터리 어레이의 배치 구성을 제공하는 것을 목적으로 한다.

제1 광의적 형태에서, 본 발명은, 배터리의 어레이를 제공하는데, 이 어레이에서 물리적 구조상 상위 레벨에 있는 배터리들은, 하위 레벨에 있는 배터리들보다, 서로 더 멀리 이격되어 있다. 적절한 구현에서, 이는 어레이에 걸쳐서 온도가 보다 고르게 유지되는 것을 허용한다.

일 양태에 따르면, 본 발명은, 배터리의 어레이를 포함하는 전기 저장 유닛으로서, 어레이에 있어서의 배터리들은 서로에 대해 서로 다른 높이에 배치되어 있고, 상위 레벨에 있는 배터리들 사이의 평균 간격이 하위 레벨에 있는 배터리들 사이의 평균 간격보다 크며, 어레이는 공기가 대류를 통해 배터리들을 지나 유동하도록 배치되어 있는 것인 전기 저장 유닛을 제공한다.

일 형태에서, 배터리들은 침니(chimney) 구조를 갖는 캐비닛에 수용되어, 공기는 하위 배터리들의 주위로부터, 상위 배터리 레벨을 지나, 침니의 밖으로 인출된다.

이에 따라, 본 발명은, 추가 전력을 필요로 하지 않는 어레이의 수동 냉각을 가능하게 하고, 더 나아가 적절한 구현에서는 전체 배터리의 어레이에 걸쳐서 온도가 상대적으로 일정하게 유지될 것이다.

이제 첨부 도면을 참조로 하여 본 발명의 예시적인 구현을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태를 보여주는 정면도이고;
도 2는 상기 본 발명의 일 실시형태의 측면도이며;
도 3은 도 1의 실시형태의 부분 단면 배면도이다.

납 산 배터리의 구현, 보다 구체적으로는 납 산 울트라배터리의 관하여, 본 발명의 일 실시형태를 주로 설명한다. 그러나, 본 발명의 원리는 다른 화학 저장 시스템, 예를 들어 리튬 폴리머, 리튬 이온, 황화나트륨, 니켈 카드뮴, 또는 이러한 임의의 다른 화학 시스템 등에 적용될 수 있다. 비교적 많은 수의 개별 셀 또는 배터리가 존재하고, 이들 개별 셀 또는 배터리의 작동이 바람직하지 않은 열을 발생시키는, 임의의 저장 어레이에 적용 가능하다. 발명의 상세한 설명 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 용어 배터리가 사용되는 경우, 배터리는, 문맥에서 별도로 밝히지 않는 한, 예컨대 백업 전력 공급 장치에 제한되지 않는 것과 같은, 전술한 타입의 배터리 및 저장 시스템까지 포괄하도록 의도되어 있다.

설치시에, 다수의 배터리가 줄지어 배치되고 캐비닛에 장착되는 것이 일반적이다. 이들 배터리는 연결되어 함께 관리된다. 전체 저장 설비를 제공하기 위해, 다수의 줄이 연결될 수 있다.

제공된 실시예들은 본 발명의 구현을 예시하는 것으로 의도되어 있고, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되어서는 안 되는 것으로 이해될 것이다. 당업자에게는 명백한 바와 같이, 다수의 대안적인 구현이 가능하다.

본원의 발명자들은, 어레이의 모든 배터리를 거의 동일한 온도로 유지하는 것이 매우 바람직하다는 것을 확인하였다. 어느 한 배터리가 이웃하는 배터리들과 동등한 상태가 아닌 경우, 이는 줄 전체에 악영향을 미친다.

특히, 본원의 발명자들은, 어레이의 온도를, 특정 변동 범위 내로, 바람직하게는 줄에 걸쳐서 3℃ 이하의 범위 내로 유지하도록 노력하는 것이 바람직하다는 것을 확인하였다. 이는, 강제 냉각에 대한 요건을 최소화하도록 대류 기류를 최대한 이용함으로써 바람직하게 달성된다. 본 발명은 특정 온도 변동 목표값으로 제한되지 않고, 이러한 온도 변동 목표값은 제한이 아닌 예로서 주어지는 것으로 이해될 것이다.

도 1을 참조해 보면, 본 발명의 일 실시형태가 예시되어 있다. 캐비닛(10)은, 배터리(20)들의 간격에 의해 형성되는 공기 입구 벤트를 제외하고는, 전반적으로 밀봉된 인클로저를 제공된다. 캐비닛(10)은 측면(14)과, 캐비닛의 상단 부근에 위치해 있는 제어 전자 장치(13)를 구비한다. 이하에 더 설명되는 바와 같이, 침니(12)는 기저부까지 내리 연장되어 있고, 배터리(20)의 각 레벨에 통해 있다.

공기가 열원의 위에 올라갈 때, 대류 기류가 발생한다. 침니(12)의 내부와 외부 사이의 온도차가, 자연 통풍 또는 대류 흐름을 일으킨다. 캐비닛(10)의 안에 있는 배터리(20)들이 열원이다. 침니(12)는 상승 기류를 일으킨다. 공기 입구만이 배터리(20)들 사이의 간극이므로, 보다 저온인 외부 공기가 배터리(20)들의 측면을 지나 인입되어 냉각 효과를 일으킨다. 서로 다른 열(列)에 있는 배터리(20)들 사이의 틈들이 서로 달라서, 배터리(20)를 지나 인입될 수 있는 공기의 양이 서로 다르다. 이는, 넓은 간격을 갖는 배터리(20)들이 좁은 간격을 갖는 배터리들보다 큰 냉각 효과를 경험한다는 것을 의미한다. 배터리(20)들은 또한 주위의 배터리들에 의해, 특히 그 아래에 있는 배터리들에 의해 가열되므로 [이러한 이유로 일반적으로 맨 위에 있는 배터리(20)들이 바닥에 있는 배터리들보다 따뜻하므로], 상기한 공기 흐름에서의 차이는, 캐비닛 내의 모든 배터리(20)들에 걸쳐서 온도를 보다 고르게 할 수 있게 한다.

도 3을 참조해 보면, 후측 커버가 제거되어 있는 상태인 캐비닛(10)의 배면도가 도시되어 있다. 캐비닛(10)의 배면측에 있는 침니(12) 내에서, 배플(31, 32, 33, 34)이 기저부(28)로부터 상측 선반의 상단(29) 위로 연장되어 있는 것을 확인할 수 있다. 배플(31, 32, 33, 34)은 선반(25, 26, 27)과 인접해 있다. 이에 따라, 배플은, 배터리간 간극을 분리하고, 배터리(20)들의 사이와 주위에서 침니(30)로 향해 가는 대류 기류를 위한 통로를 제공하도록 작용한다.

도시된 실시형태에서는, 16개의 동일한 배터리(20)들이 있다. 기저부(28)와 선반(25, 26, 27)들은 레벨(21, 22, 23, 24)들을 각각 획정한다. 선반(25, 26, 27)은 임의의 적절한 타입일 수 있지만, 중실형인 것이 바람직하다. 각 레벨에는 4개의 배터리(20)가 있다. 본 실시예에서의 배터리들은 약 175 ㎜폭 × 260 ㎜높이 × 450 ㎜깊이의 치수를 갖는다. 배터리들 사이의 간격은 서로 다르고, 보다 상위의 선반에서 증가된다. 구체적으로, 레벨 21에서는 배터리들이 20 ㎜의 간격을 두고 있고; 레벨 22에서는 25 ㎜의 간격을 두고 있으며; 레벨 23에서는 35 ㎜의 간격을 두고 있고; 레벨 24에서는 50 ㎜의 간격을 두고 있다.

상기한 간격은 이러한 특정 실시형태의 경우에 선택된 간격이라는 것과, 본 발명은 치수, 용례 및 특정 용례에서의 배터리의 타입 및 역할에 적절한 다른 간격으로 구현될 수 있는 것으로 이해될 것이다.

배터리들이 보다 큰 높이에 배치되어 있을 때 증가하는 간격은, 배터리의 줄에 걸쳐서의 온도 변동을 보다 고르게 유지하도록 선택된다. 각 특정 배터리의 수명을 최적화도록 온도를 최소화하는 것에 대한 요구와, 줄에 있어서의 모든 배터리의 수명이 가능한 비슷하도록 전체 줄에 걸쳐서의 온도 변동을 상대적으로 작게 하는 것의 이점과의 절충이, 상기한 배치 구성을 통해 달성된다.

물론, 본 발명은 다른 많은 기하구조 및 배치 구성을 이용하여 구현될 수 있다. 4개의 레벨보다 많거나 적은 레벨이 존재할 수 있다. 간격은 부하에 따라 달라질 것이다. 본 발명의 원리는, 배터리들이 특정 평면에 배치되는 것을 필요로 하지 않지만, 구현하기에 편리한 것이다. 서로 다른 크기 및 타입의 배터리가 줄에서 혼합되어 있을 수 있지만, 이는 줄에 있어서의 각 배터리가 비슷한 실용 수명을 갖게 하는 것에 대한 요구의 관점에서 바람직하지 않다.

본 발명은, 예를 들어 팬, 에어컨, 열교환기 등을 이용한 강제 냉각의 동시 상용을 배제하지 않는다. 그러나, 본 발명의 용례는, 강제 냉각에 대한 요건을 최소화하는 데, 또는 경우에 따라서는 강제 냉각을 전적으로 제거하는 데 사용될 수 있다.

도 1과 도 2에 도시된 캐비닛의 구현은, 실제 시설에 있어서 다수의 유사 유닛들과 함께 작동하도록 의도되어 있다. 예를 들어, 도시된 복수의 줄은, 대규모 시설에 있어서 앞뒤로 또는 잇따라 연결될 수 있다. 그러나, 각 유닛 내에서의 배치 구성은 동일하게 유지될 수 있다.

본 발명은, 공기 흐름 및 온도 변동을 관리하기 위한, 배터리들의 기계적 및 물리적 배치에 관한 것으로 이해될 것이다. 당업자들에게 명백한 바와 같이, 배터리들은 임의의 적절한 방식으로 충전되고, 접속되며, 그리고 전기 관점에서 관리될 수 있다.

Claims (8)

1. 배터리 어레이로서:
   서로에 대해 서로 다른 높이 레벨에 배치되어 있는 배터리
   를 포함하고, 상위 레벨에 있는 배터리들 사이의 평균 간격이 하위 레벨에 있는 배터리들 사이의 평균 간격보다 크며, 어레이는 공기가 대류를 통해 배터리들을 지나 유동하도록 배치되어 있는 것인 배터리 어레이.
2. 제1항에 있어서, 침니를 구비하는 캐비닛으로서, 공기가 하위 레벨에 있는 배터리들의 주위로부터, 상위 레벨에 있는 배터리들을 지나, 침니(chimney)의 밖으로 인출될 수 있게 하는 것인 캐비닛을 더 포함하는 배터리 어레이.
3. 제2항에 있어서, 상기 배터리들은 서로 다른 높이에 배치된 선반 상에 배치되어 있고, 각 선반은 공기의 흐름을 제공하도록 침니와 연통되어 있는 것인 배터리 어레이.
4. 제3항에 있어서, 캐비닛의 기저부로부터 캐비닛의 상단을 향해 연장되어 있는 배플(baffle)을 더 포함하는 배터리 어레이.
5. 제4항에 있어서, 상기 배플은 상기 침니 내에 위치해 있는 것인 배터리 어레이.
6. 제5항에 있어서, 상기 배플은 상기 선반과 인접해 있는 것인 배터리 어레이.
7. 제1항에 있어서, 하위 레벨에 있는 배터리들은, 서로에 대해 제1 간격으로 배치되어 있는 것인 배터리 어레이.
8. 제7항에 있어서, 상위 레벨에 있는 배터리들은, 서로에 대해 제2 간격으로 배치되어 있고, 상기 제1 간격은 상기 제2 간격보다 작은 것인 배터리 어레이.

Images