KR20170142053A - 에너지 저장 시스템 및 그것의 온도 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 저장 시스템 및 그것의 온도 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템은, 각각 적어도 하나의 배터리 모듈 및 적어도 하나의 냉각팬을 구비하는 복수개의 섹션을 포함하는 제1 배터리 그룹; 상기 제1 배터리 그룹에 적어도 하나 이상 결합되고, 상기 제1 배터리 그룹에 포함된 배터리 모듈의 온도값을 섹션별로 모니터링하고, 상기 섹션별로 모니터링된 온도값을 포함하는 제1 온도 정보를 생성하는 제1 슬레이브 BMS; 상기 제1 온도 정보를 미리 정해진 규칙에 따라 전송하는 마스터 BMS; 및 상기 마스터 BMS로부터 전송되는 상기 제1 온도 정보를 기초로, 상기 복수개의 섹션 중 적어도 하나에 구비된 적어도 하나의 냉각팬의 회전 속도를 조절하기 위한 제1 제어신호를 출력하는 제어기;를 포함한다.

Description

에너지 저장 시스템 및 그것의 온도 제어 방법{ENERGY STORAGE SYSTEM AND TEMPERATURE CONTROL METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 에너지 저장 시스템 내의 온도 편차를 저감하도록 구성된 에너지 저장 시스템 및 그것의 온도 제어 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
배터리 모듈은 통상적으로 복수 개의 단위 셀(cell)이 상호 직렬 또는 병렬로 연결되는 기본적 구조를 가진다. 근래 에너지 저장원으로서의 활용을 비롯하여 대용량 구조에 대한 필요성이 높아지면서, 복수 개의 배터리 모듈이 직렬 또는 병렬 등으로 연결되는 구조를 가지는 배터리 시스템이 보편적으로 이용되고 있다. 예컨대, 배터리 시스템은 대규모의 전력을 저장 및 운송하기 위한 에너지 저장 시스템에 탑재될 수 있다.
이러한 배터리 시스템은 다양한 형태로 구현될 수 있는데, 제어의 효율성을 향상시키기 위하여, 배터리 시스템은 이에 포함되는 복수 개의 배터리 모듈 각각의 제어를 담당하는 복수 개의 BMS와 결합 가능한 구조를 가질 수 있다.
종래 기술에 따른 배터리 시스템은, 이에 포함되는 배터리 모듈의 구동부하(예, 모터)에 대한 전력 공급 제어, 충방전 시의 온도, 전류 및 전압 등과 같은 특성값 측정, 전압의 평활화(equalization) 제어, SOC(State Of Charge)의 추정 등을 위한 알고리즘이 적용되어 단위 셀의 상태를 모니터링하고 제어하는 복수개의 BMS(Battery Management System)을 추가적으로 포함할 수 있다.
에너지 저장 시스템 등에 탑재되는 배터리 시스템은 그 자체의 구동(예, 충방전)이나 외부의 환경 등으로 인해, 이에 포함되는 배터리 모듈들의 온도가 적정 범위를 벗어나는 상황이 빈번히 발생하게 되며, 이는 배터리 모듈의 수명을 단축하고 배터리 시스템의 전반적인 성능 저하를 초래한다는 문제가 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해, 냉각팬을 이용하여 배터리 모듈을 냉각하는 방식의 종래 기술이 개시된바 있다. 하지만 이러한 종래 기술은, 배터리 모듈 자체의 온도만을 낮추는 것은 가능하지만, 복수의 배터리 모듈들 간의 온도 편차를 저감하는 것은 불가능하다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 에너지 저장 시스템에 구비되는 각각의 배터리 그룹 자체의 섹션별 온도 편차를 저감하는 에너지 저장 시스템 및 그것의 온도 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 에너지 저장 시스템에 복수의 배터리 그룹들이 구비되는 경우, 배터리 그룹들 간의 온도 편차를 저감하고자 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 에너지 저장 시스템은, 각각 적어도 하나의 배터리 모듈 및 적어도 하나의 냉각팬을 구비하는 복수개의 섹션을 포함하는 제1 배터리 그룹; 상기 제1 배터리 그룹에 적어도 하나 이상 결합되고, 상기 제1 배터리 그룹에 포함된 배터리 모듈의 온도값을 섹션별로 모니터링하고, 상기 섹션별로 모니터링된 온도값을 포함하는 제1 온도 정보를 생성하는 제1 슬레이브 BMS; 상기 제1 온도 정보를 미리 정해진 규칙에 따라 전송하는 마스터 BMS; 및 상기 마스터 BMS로부터 전송되는 상기 제1 온도 정보를 기초로, 상기 복수개의 섹션 중 적어도 하나에 구비된 적어도 하나의 냉각팬의 회전 속도를 조절하기 위한 제1 제어신호를 출력하는 제어기;를 포함한다.
실시예에 따라, 상기 제어기는, 상기 마스터 BMS로부터 전송되는 상기 제1 온도 정보를 기초로, 상기 제1 배터리 그룹에 형성된 온도 편차를 산출하고, 상기 온도 편차를 기초로, 상기 제1 제어신호를 출력할 수 있다.
이때, 상기 온도 편차는, 상기 제1 온도 정보에 포함된 온도값들 중 최대 온도값과 최소 온도값 간의 차이일 수 있다.
또한, 상기 제1 배터리 그룹은 적어도 하나의 배터리 랙을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 각각의 배터리 랙은, 수직방향으로 적층되는 복수개의 수납 케이스를 포함하되, 상기 각각의 수납 케이스에는 적어도 하나의 배터리 모듈 및 적어도 하나의 냉각팬이 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1 제어신호는, 상기 최대 온도값이 모니터링된 배터리 모듈을 구비하는 수납 케이스에 구비된 냉각팬의 회전 속도에 대한 가속 명령 및 상기 최소 온도값이 모니터링된 배터리 모듈을 구비하는 수납 케이스에 구비된 냉각팬의 회전 속도에 대한 감속 명령 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 에너지 저장 시스템은, 복수개의 배터리 모듈 및 복수개의 냉각팬을 포함하는 제2 배터리 그룹; 및 상기 제2 배터리 그룹에 적어도 하나 이상 결합되고, 상기 제2 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 모니터링하고, 상기 제2 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 포함하는 제2 온도 정보를 생성하는 제2 슬레이브 BMS;를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 에너지 저장 시스템은, 복수개의 배터리 모듈 및 복수개의 냉각팬을 포함하는 제3 배터리 그룹; 및 상기 제3 배터리 그룹에 적어도 하나 이상 결합되고, 상기 제3 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 모니터링하고, 상기 제3 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 포함하는 제3 온도 정보를 생성하는 제3 슬레이브 BMS;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 마스터 BMS는, 상기 제1 온도 정보, 상기 제2 온도 정보 및 상기 제3 온도 정보를 미리 정해진 규칙에 따라 상기 제어기로 전송할 수 있다.
또한, 상기 제어기는, 상기 마스터 BMS로부터 전송된 상기 제1 온도 정보, 상기 제2 온도 정보 및 상기 제3 온도 정보를 기초로, 상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 간의 온도 편차를 산출할 수 있다. 또한, 상기 제어기는, 상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 간의 온도 편차를 기초로, 상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 각각에 구비된 복수개의 냉각팬 중 적어도 하나의 회전 속도를 조절하기 위한 제2 제어신호를 출력할 수 있다.
또한, 상기 제어기는, 상기 제1 온도 정보에 포함된 온도값들을 평균하여 제1 평균값을 산출하고, 상기 제2 온도 정보에 포함된 온도값들을 평균하여 제2 평균값을 산출하며, 상기 제3 온도 정보에 포함된 온도값들을 평균하여 제3 평균값을 산출할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 간의 온도 편차는, 상기 제1 내지 제3 평균값 중 최대 평균값과 최소 평균값 간의 차이를 나타내는 것일 수 있다.
또한, 상기 제2 제어 신호는, 상기 최대 평균값에 대응하는 배터리 그룹에 구비된 복수개의 냉각팬 중 적어도 하나에 대한 가속 명령 및 상기 최소 평균값에 대응하는 배터리 그룹에 구비된 복수개의 냉각팬 중 적어도 하나에 대한 감속 명령 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 온도 제어 방법은, 복수개의 배터리 모듈 및 복수개의 냉각팬을 포함하는 제1 배터리 그룹, 제1 슬레이브 BMS, 마스터 BMS 및 제어기를 포함하는 에너지 저장 시스템을 위한 것이다.
상기 온도 제어 방법은, 상기 제1 슬레이브 BMS가 상기 제1 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 포함하는 제1 온도 정보를 생성하는 단계; 상기 마스터 BMS가 상기 제1 온도 정보를 미리 정해진 규칙에 따라 상기 제어기로 전송하는 단계; 및 상기 제어기가 상기 마스터 BMS로부터 전송된 상기 제1 온도 정보를 기초로, 상기 제1 배터리 그룹에 포함된 복수개의 냉각팬 중 적어도 하나의 회전 속도를 조절하기 위한 제1 제어신호를 출력하는 단계;를 포함한다.
실시예에 따라, 상기 에너지 저장 시스템은, 복수개의 배터리 모듈 및 복수개의 냉각팬을 을 포함하는 제2 배터리 그룹, 복수개의 배터리 모듈 및 복수개의 냉각팬을 포함하는 제3 배터리 그룹, 상기 제2 배터리 그룹에 결합되는 적어도 하나 이상의 제2 슬레이브 BMS 및 상기 제3 배터리 그룹에 결합되는 적어도 하나 이상의 제3 슬레이브 BMS를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제2 슬레이브 BMS가 상기 제2 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 포함하는 제2 온도 정보를 생성하는 단계; 상기 제3 슬레이브 BMS가 상기 제3 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 포함하는 제3 온도 정보를 생성하는 단계; 상기 마스터 BMS가 상기 제1 온도 정보, 상기 제2 온도 정보 및 상기 제3 온도 정보를 미리 정해진 규칙에 따라 전송하는 단계; 상기 제어기가 상기 마스터 BMS로부터 전송된상기 제1 온도 정보, 상기 제2 온도 정보 및 상기 제3 온도 정보를 기초로, 상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 간의 온도 편차를 산출하는 단계; 및 상기 제어기가 상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 간의 온도 편차를 기초로, 상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 각각에 구비된 복수개의 냉각팬 중 적어도 하나의 회전 속도를 조절하기 위한 제2 제어신호를 출력하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 에너지 저장 시스템에 구비되는 각각의 배터리 그룹 자체의 섹션별 온도 편차를 저감할 수 있다. 특히, 열 대류 현상으로 인한 섹션별 온도 편차를 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 에너지 저장 시스템에 복수의 배터리 그룹들이 구비되는 경우, 배터리 그룹들 간의 온도 편차를 저감할 수 있다. 특히,
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 전반적인 기능적 구성을 도시한 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 배터리 그룹, 슬레이브 BMS 및 제어기 간의 연결 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3c은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템이 컨테이너형으로 구현된 모습을 도시한 것이고, 도 4는 도 3의 배터리 랙의 구성을 도시한 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3a 내지 도 3b에 도시된 에너지 저장 시스템이 배터리 그룹(G)별 온도 편차를 저감하는 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 6은 도 5의 에너지 저장 시스템에 포함된 구성들 간에 송수신되는 신호들을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서 복수개의 배터리 랙이 케이스의 서로 다른 영역에 배치된 모습을 보여주는 평면도이다.
도 8 및 9는 도 7에 도시된 각 영역별 형성되는 온도 편차를 저감하는 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템을 위한 온도 제어 방법을 보여주는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 시스템을 위한 온도 제어 방법을 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <제어 유닛>과 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 어느 한 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치에 대해 설명하도록 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1)의 전반적인 기능적 구성을 도시한 블록도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 에너지 저장 시스템(1)은 배터리 시스템(100), 복수개의 슬레이브 BMS(200), 마스터 BMS(300) 및 제어기(400)를 포함할 수 있다.
배터리 시스템(100)은 적어도 하나의 배터리 그룹(G)을 포함할 수 있다. 이 경우, 각각의 배터리 그룹(G)은 적어도 하나의 배터리 모듈(120) 및 적어도 하나의 냉각팬(P)을 포함할 수 있다.
각각의 슬레이브 BMS(이하, 'S-BMS'라고 칭함)(200)는 적어도 하나의 배터리 모듈(120)에 결합될 수 있다. 배터리 그룹(G)별로 하나 또는 둘 이상의 S-BMS(200)가 결합될 수 있다. 또한, 배터리 시스템(100)의 어느 한 배터리 모듈(120)은 복수개의 S-BMS(200) 중 어느 하나와만 결합될 수 있다. 각각의 S-BMS(200)는 자신과 결합된 어느 한 배터리 그룹(G)에 포함된 배터리 모듈(110)의 상태 정보를 생성한다. 배터리 그룹(G)의 상태 정보란, 배터리 그룹(G)에 포함된 배터리 모듈(120)의 동작 상태를 나타내는 정보로서, 배터리 모듈(120)의 전압값, 충방전 전류값, 온도값, 충전량 추정값 및 퇴화도 추정값 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상태 정보에는 기본적으로 온도 정보가 포함될 수 있다. 구체적으로, 각각의 슬레이브 BMS는 자신과 결합된 배터리 그룹(G)에 포함된 각각의 배터리 모듈(120)의 온도값을 모니터할 수 있다. 각각의 슬레이브 BMS는 자신과 결합된 배터리 그룹(G)에 포함된 각각의 배터리 모듈(120)의 온도값을 포함하는 온도 정보를 생성할 수 있다.
각각의 S-BMS(200)는 후술할 마스터 BMS의 제어 명령에 의해서 또는 미리 정해진 주기에 따라 자신이 관리하는 배터리 모듈(120)의 상태 정보를 생성한 후 신호 라인을 통해 마스터 BMS에게 제공할 수 있다. 예컨대, 통신망은 CAN(Controller Area Network)일 수 있다.
마스터 BMS(이하, 'M-BMS(300)'라고 칭함)는 복수개의 S-BMS(200)로부터 제공되는 온도 정보를 수집하고, 수집된 각각의 온도 정보를 가공할 수 있다. 이 경우, M-BMS(300)는 각각의 배터리 그룹(G)으로부터 온도 정보를 수신할 수 있다. 바람직하게는, M-BMS(300)는 특정 슬레이브 BMS로부터 온도 정보가 제공되는 경우, 상기 특정 S-BMS(200)의 식별자를 포함하는 식별 정보를 상기 온도 정보에 할당할 수 있다. 복수개의 S-BMS(200)의 식별자는 M-BMS(300)에 내장된 저장매체에 미리 저장된 것이거나, 복수개의 S-BMS(200)로부터 온도 정보와 함께 제공되는 것일 수 있다.
제어기(400)는 M-BMS(300)로부터 제공되는 가공된 온도 정보를 기초로, 각각의 배터리 그룹(G)에 포함된 복수개의 냉각팬(P) 중 적어도 하나의 회전 속도를 조절하기 위한 제어신호를 출력할 수 있다. 제어기(400)는 간접 제어 방식 및 직접 제어 방식 중 적어도 하나를 통해 각각의 배터리 그룹(G)에 포함된 복수개의 냉각팬(P) 중 적어도 하나의 회전 속도를 조절할 수 있다.
도 1a를 참조하면, 간접 제어 방식 하에서, 제어기(400)는 제어신호를 배터리 그룹(G)으로 직접 전송하는 대신, M-BMS(300)와 S-BMS(200)를 통해 전송한다. 도 1b를 참조하면, 직접 제어 방식 하에서, 제어기(400)는 제어신호를 M-BMS(300)와 S-BMS(200)를 통해 전송하는 대신, 배터리 그룹(G)으로 직접 전송할 수 있다.
전술한 제어기(400)는 하드웨어적으로, ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 제어기(400)는 PLC(Progammable Logic Controller)의 형태로 구현되는 것일 수 있다.
제어기(400)에는 메모리(410)가 구비될 수 있다. 메모리(410)는 에너지 저장 시스템(1)의 온도 제어와 관련된 전반적인 동작에 요구되는 각종 데이터들 및 명령어를 저장할 수 있다. 예컨대, 메모리(410)는 플래시 메모리(410) 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
메모리(410)에는 제어기(400)와 직접 또는 간접적으로 연결되는 다른 구성요소에 의해 처리되는 정보 또는 이들과 관련된 데이터가 일시적 또는 영구적으로 저장될 수도 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 배터리 그룹(G), S-BMS(200) 및 제어기(400) 간의 연결 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 이해를 돕기 위해, 제1 배터리 그룹(G)을 기준으로 설명하기로 한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 에너지 저장 시스템(1)에 구비되는 어느 한 배터리 그룹(G-1)은 적어도 하나의 배터리 모듈(120) 및 적어도 하나의 냉각팬(P)을 포함한다. 바람직하게는, 배터리 그룹(G-1)에 포함되는 각각의 배터리 모듈(120)의 냉각을 위한 냉각팬(P)이 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1 배터리 그룹(G-1)은 m개의 배터리 모듈(120-1~120-m)과 m개의 냉각팬(P-1~P-m)을 포함한다고 가정하자. 이 경우, m개의 냉각팬(P-1~P-m)은 순서대로 m개의 배터리 모듈(120-1~120-m)의 개별적인 냉각을 위한 것일 수 있다.
도 2a는 도 1a에 따른 간접 제어 방식을 통해 복수개의 냉각팬(P-1~P-m)의 회전 속도를 선택적으로 조절하기 위한 연결 구조를 예시한다. 도 2a를 참조하면, 제1 배터리 그룹(G-1)에 결합된 S-BMS(200-1)는 복수개의 배터리 모듈(120-1~120-m)은 물론 복수개의 냉각팬(P-1~P-m)과 신호 라인 등을 통해 동작 가능하도록 연결될 수 있다. S-BMS(200-1)는 제어기(400)로부터 M-BMS(300)를 통해 전송된 제어신호에 응답하여, 복수개의 냉각팬(P-1~P-m) 중 적어도 하나의 회전 속도를 가속 또는 감속할 수 있다.
도 2b는 도 1b에 따른 직접 제어 방식을 통해 복수개의 냉각팬(P-1~P-m)의 회전 속도를 선택적으로 조절하기 위한 연결 구조를 예시한다. 도 2b를 참조하면, 제1 배터리 그룹(G-1)에 결합된 S-BMS(200-1)는 복수개의 배터리 모듈(120-1~120-m)과 신호 라인 등을 통해 동작 가능하도록 연결됨과 동시에, 제어기(400)는 별도의 신호 라인 등을 통해 복수개의 냉각팬(P-1~P-m)과 동작 가능하도록 연결될 수 있다. 즉, S-BMS(200-1)는 복수개의 배터리 모듈(120)의 상태 정보를 수집하는 역할은 담당하고, 제어기(400)로부터 출력되는 제어신호의 중계 역할은 담당하지 않을 수 있다. 이때, 제어기(400)로부터 직접적으로 전송되는 제어신호에 따라, 복수개의 냉각팬(P-1~P-m) 중 적어도 하나의 회전 속도가 조절될 수 있다. 한편, 도 2a 및 도 2b에는 단일의 배터리 그룹(G-1)과 단일의 S-BMS(200-1)을 기준으로 도시되어 있으나, 나머지 배터리 그룹(G-2~G-n)과 S-BMS(200-2~200-n)도 전술한 방식과 동일하게 구현될 수 있다.
도 1a 내지 도 2b에는 구성요소들 중 어느 하나가 적어도 하나의 연결 라인을 통해 다른 하나와 연결되는 것으로 도시되어 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 에너지 저장 시스템(1)에 포함되는 구성요소들 간의 실제적인 구현은, 도 1a 내지 도 2b에 도시된 연결 라인에 의해 한정되는 것으로 이해되어서는 안된다.
또한, 도 1a 및 도 1b에 도시된 에너지 저장 시스템(1)은 위에서 열거된 구성요소들 보다 적은 구성요소들을 가지거나, 위에서 열거되지 않은 추가적인 구성요소를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 에너지 저장 시스템(1)은 배터리 시스템(100)과 결합되는 배전반 등을 추가적으로 더 포함할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1)이 컨테이너형으로 구현된 모습을 도시한 것이고, 도 4는 도 3의 배터리 랙(110)의 구성을 도시한 개략적으로 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 3a는 에너지 저장 시스템(1)의 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 에너지 저장 시스템(1)의 평면도이며, 도 3c는 도 3a의 에너지 저장 시스템(1)의 측단면도이다. 설명의 편의를 위해, 도 1a 내지 도 2b를 참조하여 전술한 S-BMS(200) 및 M-BMS(300)는 생략하였다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 에너지 저장 시스템(1)의 하우징(10) 내부에 배터리 시스템(100) 및 제어기(400)가 수용되도록 구성될 수 있다. 경우에 따라, 하우징(10)은 적어도 하나의 공조 장치(131)로 이루어진 HVAC 시스템(130)을 더 수용하도록 구성될 수 있다.
하우징(10)은, 에너지 저장 시스템(1)의 다른 구성들을 수용할 수 있는 내부 공간을 제공하며, 상기 다른 구성들이 외부로 직접 노출되지 않도록 하는 역할을 담당한다. 하우징(10)은 에너지 저장 시스템(1)에 사용되는 분야에 따라, '컨테이너'라고 명명될 수도 있다. 이러한 하우징(10)의 일 부분에는 사용자나 배터리 랙(110) 등의 출입을 위한 도어가 마련될 수 있다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 하우징(10)의 길이 방향의 일측과 타측에 각각 도어(11, 12)가 마련될 수 있다.
일반적으로, 하우징(10)은 대략 직육면체의 형태로 제작될 수 있는데, 하우징(10)의 각 면은 일체로 형성되거나, 적어도 두개의 부분으로 분리 가능한 구조를 가질 수 있다.
이러한 하우징(10)의 내부 공간에 수용되는 배터리 시스템(100)은 복수개의 배터리 모듈(120)을 적재할 수 있는 적어도 하나의 배터리 랙(110)을 더 포함할 수 있다.
각각의 배터리 모듈(120)은 복수개의 단위 셀들이 집합된 형태로 구현될 수 있다. 이때, 단위 셀의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 재충전이 가능한 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등의 이차 전지로 구성할 수 있다. 배터리 모듈(120)별로 포함되는 단위 셀의 개수는 배터리 모듈(120)에 요구되는 출력 전압 및 용량에 따라 다양할 수 있음은 자명하다.
각각의 배터리 랙(110)에는 복수개의 배터리 모듈(120)이 수납될 수 있다. 바람직하게는, 각각의 배터리 랙(110)은, 수직방향으로 적층되는 복수개의 수납 케이스(111)를 포함할 수 있다. 이때, 각각의 수납 케이스(111)에는 적어도 하나의 배터리 모듈(120) 및 적어도 하나의 냉각팬(P)이 구비될 수 있다. 예컨대, 각각의 수납 케이스(111)에는 배터리 모듈(120) 및 냉각팬(P)이 각각 하나씩 구비될 수 있다. 이때, 배터리 랙(110)의 수납되는 어느 한 배터리 모듈(120)과 다른 배터리 모듈(120)이 수납 높이는 서로 상이할 수 있다.
배터리 시스템(100)에 포함되는 배터리 모듈(120)이 복수개인 경우, 각각의 배터리 모듈(120)은 배터리 랙(110)의 형태와 위치에 따라 개별적으로 적재된 후, 케이블 등을 통해 상호 병렬 또는 직렬 연결될 수 있다. 예를 들어, 어느 한 배터리 랙(110)에 수납된 배터리 모듈(120)은 동일한 배터리 랙(110)에 수납된 다른 배터리 모듈(120)과 연결되거나, 다른 배터리 랙(110)에 수납된 또 다른 배터리 모듈(120)과 연결될 수 있다. 배터리 랙(110)의 개수는 배터리 시스템(100)에 포함되는 배터리 모듈(120)의 개수에 따라 적절히 정해질 수 있다.
도 3b 및 도 3c를 참조하면, 다수의 배터리 랙(110)들은 하우징(10)의 길이 방향을 따라, 통로 영역(A)을 사이에 두고 양쪽에 정해진 순서로 배치될 수 있다. 이하에서는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템(100)에 포함되는 배터리 랙(110)의 개수는 총 18개이고, 통로 영역(A)을 기준으로 9개씩 하우징(10)의 길이 방향을 따라 배치되는 것으로 가정한다.
각각의 배터리 랙(110)에는 그것에 수납되는 배터리 모듈(120)의 충방전 동작 등을 제어하기 위한 S-BMS(200)가 결합될 수 있다. 이때, S-BMS(200)는 배터리 모듈(120)에 포함되는 것이거나, 배터리 모듈(120)과는 별도로 제작된 후, 신호 라인 등을 통해 연결되는 것일 수 있다. S-BMS(200)는 각 배터리 모듈(120)마다 구비되거나, 두 이상의 배터리 모듈(120)로 이루어진 배터리 그룹(G)별로 하나씩 구비될 수도 있다. 본 발명에서는 배터리 랙(110)별로 S-BMS(200)가 하나씩 결합되는 것으로 가정한다. S-BMS(200)는 배터리 모듈(120)에 내장된 온도 센서로부터 제공되는 데이터를 기초로, 자신과 결합된 배터리 랙(110)에 구비되는 모든 배터리 모듈(120) 각각의 온도값 또는 대표값(예, 평균값, 중앙값)을 나타내는 온도 정보를 실시간 또는 주기적으로 생성할 수 있다.
한편, 하우징(10)의 내부 공간에 배터리 시스템(100)이 구비되는 경우, 배터리 시스템(100)에 포함된 배터리 모듈(120) 간에 온도 편차가 발생할 수 있음은 전술한 바와 같다. 이러한 온도 편차는, 각각의 배터리 모듈(120)을 구성하는 복수 개 단위 셀들 사이의 SOC(State Of Charge) 차이, 충방전 동작, 전극 간 절연 저항의 차이, 스웰링 현상, 단위 셀들 간의 퇴화도 차이 등 배터리 모듈(120) 자체에 기인한 것일 수 있다. 또는, 온도 편차는, 에너지 저장 시스템(1)이 설치되는 사용 환경 또는 하우징(10) 내부 공간의 열 대로 현상 등 배터리 모듈(120) 외부의 영향에 기인하는 것일 수 있다. 예를 들어, 하우징(10) 내에서, 배터리 모듈(120)로부터 방출되는 열로 인해 상대적으로 온도가 높은 공기가 상승하게 되므로, 동일 배터리 랙(110)의 하단에 적재된 배터리 모듈(120)보다 상단에 적재된 배터리 모듈(120)의 온도가 더 높을 수 있다.
HVAC 시스템(130)은, 냉각 매체(예, 공기)를 이용하여, 하우징(10) 내부 공간을 적어도 부분적으로 가열, 냉각 또는 환기시키는 역함을 담당한다. 이러한 HVAC 시스템(130)은, 적어도 하나의 공조 장치(131)를 포함한다.
HVAC 시스템(130)에 복수개의 공조 장치(131)가 포함되는 경우, 어느 한 공조 장치(131)는 나머지 공조 장치(131) 중 적어도 하나와 직간접적으로 동작 가능하게 연결될 수 있다. 예컨대, 어느 한 공조 장치(131)는 소정의 통신 방식을 통해 다른 공조 장치(131)와 공조 정보를 상호 교환할 수 있다. 또한, 각 공조 장치(131)는 하우징(10)의 길이방향, 폭방향 또는 높이방향을 따라, 인접한 다른 공조 장치(131)로부터 대략 동일한 간격을 두고 설치될 수 있다. 예컨대, 공조 장치(131)는 도 3a 내지 도 3c와 같이, 하우징(10)의 루프 측에 장착될 수 있다. 바람직하게는, 공조 장치(131)는 하우징(10)의 루프의 전체 영역 중, 통로 영역(A)과 상하로 대향하는 영역에 배치될 수 있다. 다만, 공조 장치(131)들이 하우징(10)에 장착되는 위치와 공조 장치(131)들 간의 배열 관계가 도 3a 내지 도 3c에 도시된 예시로 제한되는 것은 아니다.
도 4를 참조하면, 각각의 배터리 랙(110)은 복수개의 수납 케이스(111) 및 복수개의 냉각팬(P)를 포함할 수 있다. 복수개의 수납 케이스(111)는 배터리 모듈(120)을 수직 방향으로 적층할 수 있도록 상하로 배치될 수 있다. 각각의 배터리 랙(110)에 포함되는 수납 케이스(111)의 개수는 에너지 저장 시스템(1)이 사용되는 분야 등에 따라 얼마든지 변경이 가능하다.
이하에서는, 각각의 배터리 랙(110)에 9개의 수납 케이스(111)와 9개의 냉각팬(P)이 포함되며, 각각의 수납 케이스(111)에 의해 하나의 배터리 모듈(120)이 수납되는 것으로 가정한다. 또한, 각각의 수납 케이스(111)마다 하나의 냉각팬(P)이 구비될 수 있다. 또한, 각각의 배터리 랙(110)은 적어도 상단부(U) 및 하단부(L)를 포함하는 복수의 섹션으로 구분될 수 있다. 예컨대, 각각의 배터리 팩은 상단부(U), 중앙부(M) 및 하단부(L)로 이루어진 3개의 섹션으로 구분될 수도 있다.
이하에서는, 배터리 랙(110)의 상측에 구비된 3개의 배터리 모듈(120-1~120-3) 및 3개의 냉각팬(P-1~P-3)은 상단부(U)에 속하고, 하측에 구비된 3개의 배터리 모듈(120-7~120-9) 및 3개의 냉각팬(P-7~P-9)은 하단부(L)에 속하며, 나머지 3개의 배터리 모듈(120-4~120-6) 및 3개의 냉각팬(P-4~P-6)은 중앙부(M)에 속하는 것으로 가정한다.
도 5는 도 3a 내지 도 3b에 도시된 에너지 저장 시스템(1)이 배터리 그룹(G)별 온도 편차를 저감하는 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이고, 도 6은 도 5의 에너지 저장 시스템(1)에 포함된 구성들 간에 송수신되는 신호들을 보여준다. 도 5 및 도 6에서는, 설명의 편의를 위해, 에너지 저장 시스템(1)은 직접 제어 방식으로 냉각팬(P)을 제어하고, 각각의 배터리 그룹(G)은 하나의 배터리 랙(110)으로 구성되는 것으로 가정한다. 예컨대, 배터리 랙(110)과 배터리 그룹(G)은 서로 동일한 것일 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 S-BMS(200-1)는 이와 결합된 제1 배터리 랙(110-1)에 포함된 배터리 모듈(120)의 온도값을 모니터링한다. 바람직하게는, 제1 S-BMS(200-1)는 이와 결합된 제1 배터리 랙(110-1)에 포함된 배터리 모듈(120)의 온도값을 섹션(U, M, L)별로 모니터링할 수 있다.
도시된 바와 같이, 제1 S-BMS(200-1)는 제1 배터리 랙(110-1)의 상단부(U)에 포함된 배터리 모듈(120)로부터 제공되는 신호, 중앙부(M)에 포함된 배터리 모듈(120)로부터 제공되는 신호 및 하단부(L)에 포함된 배터리 모듈(120)로부터 제공되는 신호를 기초로, 제1 배터리 랙(110-1)에 포함된 각각의 배터리 모듈(120)의 온도값을 모니터링할 수 있다.
도 6에서, 신호(T1a)가 나타내는 온도값은 제1 배터리 랙(110-1의 상단부(U)에 속하는 3개의 배터리 모듈(120)의 온도값의 평균값이고, 신호(T1b)가 나타내는 온도값은 제1 배터리 랙(110)의 중앙부(M)에 속하는 3개의 배터리 모듈(120)의 온도값의 평균값이며, 신호(T1c)가 나타내는 온도값은 제1 배터리 랙(110-1)의 하단부(L)에 속하는 3개의 배터리 모듈(120)의 온도값의 평균값일 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이고, 평균값 대신, 제1 배터리 랙(110-1)에 포함된 모든 배터리 모듈(120) 각각의 온도값이 신호들(T1a~T1c)에 포함될 수도 있다.
또한, 제1 S-BMS(200-1)는 제1 배터리 랙(110-1)에 포함된 복수개의 배터리 모듈(120)에 대한 모니터링의 결과에 대응하는 제1 온도 정보(X1)를 생성하고, 생성된 제1 온도 정보(X)를 M-BMS(300)에게 전송할 수 있다. 제2 내지 제18 S-BMS(200-1~200-18)도 제2 내지 제18 배터리 랙(110-2~200-18) 각각의 온도 정보 신호(X2~X18)를 생성할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
M-BMS(300)는 제1 내지 제18 S-BMS(200-1~200-18)로부터 제공되는 온도 정보(X1~X18)를 수집하고, 수집된 온도 정보(X1~X18)를 미리 정해진 규칙에 따라 제어기(400)로 전송할 수 있다. 예컨대, M-BMS(300)는 일정 주기마다, 제1 온도 정보(X1) 내지 제18 온도 정보(X18)를 순차적으로 전송할 수 있다. 구현예에 따라, M-BMS(300)는 각각의 온도 정보에 고유의 식별 정보를 할당한 후, 제어기(400)로 전송할 수 있다.
바람직하게는, M-BMS(300)는 제1 온도 정보(X1)에 제1 S-BMS(200)에 연관된 식별자를 할당할 수 있다. 예를 들어, 제어기(400)는 제1 온도 정보(X1)에 할당된 식별자를 참조하여, 제1 온도 정보(X1)가 제1 배터리 랙(110-1)으로부터 모니터링된 것임을 용이하게 판단하고, 제1 온도 정보(X1)를 기초로 제1 배터리 랙(110-1)에 구비된 복수개의 냉각팬(P) 중 적어도 일부를 선택적으로 구동하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.
제어기(400)는 제1 내지 제18 S-BMS(200-1~200-18)로부터 제공되는 온도 정보(X1~X18)를 기초로, 제1 내지 제18 배터리 랙(110-1~110-18)에 구비된 냉각팬(P)들을 선택적으로 구동하기 위한 제어신호(Z1~Z18)를 출력할 수 있다. 구체적으로, 제어기(400)는 온도 정보(X1~X18)를 기초로, 각각의 배터리 랙(110)에 형성된 온도 편차를 산출할 수 있다.
제어기(400)는 제1 온도 정보(X1)를 기초로, 제1 배터리 랙(110-1)에 형성된 온도 편차를 산출할 수 있다. 바람직하게는, 제어기(400)는 제1 배터리 랙(110-1)을 이루는 3개의 섹셕들(U, M, L) 간의 온도 편차를 산출할 수 있다. 도 6을 참조하면, 제1 배터리 랙(110-1)에 형성된 온도 편차는, 제1 온도 정보(X1)에 포함된 섹션별 온도값들 중 최대 온도값과 최소 온도값 간의 차이인 20℃일 수 있다.
제어기(400)는 특정 배터리 랙(110)에 형성된 온도 편차가 미리 주어지는 제1 임계값(예, 10℃)를 넘어서는 경우, 해당 배터리 랙(110)에 포함된 적어도 하나의 냉각팬(P)의 속도를 조절하기 위한 제어신호를 출력할 수 있다. 바람직하게는, 제어기(400)는 동일한 배터리 랙(110)에 포함된 복수개의 냉각팬(P)을 3개의 섹션(U, M, L)별로 구동시키는 제어신호를 출력할 수 있다.
예를 들어, 제어기(400)는 제1 임계값을 초과하는 온도 편차가 형성된 제1 배터리 랙(110-1)에 대하여, 최대 온도값이 모니터링된 상단부(U)에 속하는 3개의 냉각팬(P)의 회전 속도에 대한 가속 명령(Z1a) 및 최소 온도값이 모니터링된 상하단부(L)에 속하는 3개의 냉각팬(P)의 회전 속도에 대한 감속 명령(Z1c)을 포함하는 제1 제어 신호(Z1)를 출력할 수 있다. 이때, 제1 제어 신호(Z1)에는 중앙부(M)에 속하는 3개의 냉각팬(P)의 회전 속도에 대한 유지 명령(Z1b)이 더 포함될 수 있다.
상단부(U)에 속하는 3개의 냉각팬(P)은 가속 명령(Z1a)에 응답하여, 자신의 회전 속도를 500rpm까지 증가시킬 수 있다. 또한, 중앙부(M)에 속하는 3개의 냉각팬(P)은 가속 명령(Z1b)에 응답하여, 자신의 회전 속도를 200rpm로 유지할 수 있다. 하단부(L)에 속하는 3개의 냉각팬(P)은 가속 명령(Z1ac에 응답하여, 자신의 회전 속도를 50rpm까지 감소시킬 수 있다.
도 5 및 도 6에 따르면, 제어기(400)는 배터리 시스템(100)에 포함된 특정 배터리 그룹(G)의 섹션들 간에, 지면에 수직한 방향으로 제1 임계값 이상의 온도 편차가 발생한 경우, 상기 특정 배터리 그룹(G)에 포함된 복수개의 냉각팬(P)의 회전 속도를 개별적으로 제어함으로써, 온도 편차를 신속하고 효과적으로 저감할 수 있다. 결과적으로, 케이스(10)의 내부에서 일어나는 열 대류 현상으로 인한, 상부와 하부 간의 온도 불균형을 억제할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1)에서 복수개의 배터리 랙(110)이 케이스(111)의 서로 다른 영역에 배치된 모습을 보여주는 평면도이고, 도 8 및 9는 도 7에 도시된 각 영역별 형성되는 온도 편차를 저감하는 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 설명의 편의를 위해, 도 7에는 전술한 바와 같이 하우징(10)의 내부 공간에 총 18개의 배터리 랙(110-1~110-18)이 미리 정해진 형태로 배열되는 것으로 도시하였다. 또는, 도 7에는 S-BMS(200), M-BMS(300) 및 제어기(400)의 도시를 생략하였음을 미리 밝혀둔다.
도 7을 참조하면, 하우징(10)은 좌측 도어(11)로부터 우측 도어(12)로 이어지는 길이 방향을 따라 복수개의 영역으로 구획될 수 있다. 도시된 바와 같이, 하우징(10)의 내부 공간은 제1 내지 제3 영역으로 구획될 수 있는데, 이들 중 제1 영역은 좌측 도어(11)에 가장 근접한 영역이고, 제3 영역은 우측 도어(12)에 가장 근접한 영역이며, 제2 영역은 제1 영역과 제3 영역 사이의 영역일 수 있다. 각각의 영역에는 배터리 랙(110)이 6개씩 배치된다고 가정한다. 이 경우, 동일한 영역에 배치되는 모든 배터리 랙(110)은 하나의 배터리 그룹(G)을 이룰 수 있다.
즉, 도 7에서, 제1 영역에 배치되는 제1 내지 제6 배터리 랙(110-1~110-6)은 제1 배터리 그룹(G-a)을 구성하고, 제2 영역에 배치되는 제7 내지 제12 배터리 랙(110-7~110-12)은 제2 배터리 그룹(G-b)을 구성하며, 제3 영역에 배치되는 제13 내지 18 배터리 랙(110-13~110-18)은 제3 배터리 그룹(G-c)을 구성할 수 있다. 물론, 각 영역별 또는 각 배터리 그룹(G)별로 배치되는 배터리 랙(110)의 개수는 서로 동일하지 않을 수 있고, 그 밖에 다양한 방식으로 정해질 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
한편, 하우징(10)의 영역들 간에는 온도 편차가 발생할 수 있다. 예를 들어, 하우징(10) 내의 모든 배터리 모듈(120)이 서로 동일하게 충전 또는 방전되더라도, 제2 영역에 배치되는 배터리 모듈(120)은 제1 영역 및 제3 영역에 배치되는 배터리 모듈(120)로부터 방출되는 열로 인해 상대적으로 더 높은 온도를 가질 수 있다. 다른 예를 들어, 도시된 바와 같이 하우징(10)의 양측에는 각각 도어(11, 12)가 구비될 수 있는데, 각 도어(11,12)의 개폐 여부에 따라 제1 영역 및 제3 영역에 배치된 배터리 모듈(120)은 제2 영역에 배치된 배터리 모듈(120)보다 외부 온도에 큰 영향을 받을 수 있다. 그 밖에 다양한 원인으로 인해, 제1 내지 제3 영역 간에는 온도 편차가 발생할 수 있다.
도 8을 참조하면, M-BMS(300)는 제1 영역에 배치되는 제1 내지 제6 S-BMS(200-1~200-6)로부터 온도 정보(TA)를 제공받고, 제2 영역에 배치되는 제7 내지 제12 S-BMS(200-7~200-12)로부터 온도 정보(TB)를 제공받으며, 제3 영역에 배치되는 제13 내지 제18 S-BMS(200-13~200-18)로부터 온도 정보(TC)를 제공받는다.
온도 정보(TA)는 제1 영역에 배치되는 제1 내지 제6 배터리 랙(110-1~110-6)에 포함된 복수개의 배터리 모듈(120)의 온도값을 포함할 수 있다. 온도 정보(TB)는 제2 영역에 배치되는 제7 내지 제12 배터리 랙(110-7~110-12)에 포함된 복수개의 배터리 모듈(120)의 온도값을 포함할 수 있다. 온도 정보(TC)는 제3 영역에 배치되는 제13 내지 제18 배터리 랙(110-13~110-18)에 포함된 복수개의 배터리 모듈(120)의 온도값을 포함할 수 있다.
만약, 전술한 바와 같이, 각각의 배터리 랙(110)에 의해 수납되는 배터리 모듈(120)의 개수가 9개인 경우, 각각의 온도 정보(TA, TB, TC)에는 54(= 6 × 9)개의 온도값이 포함될 수 있음을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
M-BMS(300)는 각각의 영역에 대하여 제공받은 온도 정보(TA, TB, TC)를 미리 정해진 규칙에 따라 제어기(400)로 전송할 수 있다. 예컨대, M-BMS(300)는 일정 주기마다, TA → TB → TC의 순서로 온도 정보를 전송할 수 있다.
제어기(400)는 M-BMS(300)로부터 전송된 제1 온도 정보(TA), 제2 온도 정보(TB) 및 제3 온도 정보(TC)를 기초로, 제1 내지 제3 배터리 그룹(G-a~G-c) 간의 온도 편차를 산출할 수 있다. 즉, 제어기(400)는 제1 내지 제3 영역 간에 어느 정도의 온도 편차가 발생한 상태인지 분석할 수 있다.
구체적으로, 제어기(400)는 제1 온도 정보(TA)에 포함된 온도값들을 평균하여 제1 평균값을 산출할 수 있다. 이와 동시에 또는 별개로, 제어기(400)는 제2 온도 정보(TB)에 포함된 온도값들을 평균하여 제2 평균값을 산출할 수 있다. 이와 동시에 또는 별개로, 제어기(400)는 제3 온도 정보(TC)에 포함된 온도값들을 평균하여 제3 평균값을 산출할 수 있다. 제1 내지 제3 평균값은 각각 제1 내지 제3 배터리 그룹(G-a~G-c)의 온도를 대표하는 값일 수 있다.
다음, 제어기(400)는 제1 내지 제3 평균값 중 최대 평균값과 최소 평균값 간의 차이를 산출할 수 있다. 이때, 최대 평균값과 최소 평균값 간의 차이가 바로 제1 내지 제3 배터리 그룹(G-a~G-c) 간의 온도 편차일 수 있다.
제어기(400)는 제1 내지 제3 배터리 그룹(G-a~G-c) 간의 온도 편차를 기초로, 제1 내지 제3 배터리 그룹(G-a~G-c)에 포함된 복수개의 냉각팬(P)을 선택적으로 구동하기 위한 제어신호를 출력할 수 있다. 다시 말해, 제어기(400)는 제1 내지 제3 배터리 그룹(G-a~G-c) 중 적어도 하나에 구비된 복수개의 냉각팬(P) 중 적어도 하나의 회전 속도를 조절하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.
바람직하게는, 제어기(400)는 최대 평균값에 대응하는 배터리 그룹(G)에 구비된 복수개의 냉각팬(P) 중 적어도 하나에 대한 가속 명령 및 최소 평균값에 대응하는 배터리 그룹(G)에 구비된 복수개의 냉각팬(P) 중 적어도 하나에 대한 감속 명령 중 적어도 하나를 포함하는 제어 신호를 출력할 수 있다.
가령, 제1 평균값이 30℃이고, 제2 평균값이 52℃이며, 제3 평균값이 45℃라고 가정해보자. 이 경우, 제어기(400)에 의해 산출되는 제1 내지 제3 영역 간의 최대 온도 편차는 22℃(=52℃ - 30℃)일 것이다. 제어기(400)는 제1 내지 제3 영역 간의 온도 편차가 미리 주어지는 제2 임계값(예, 15℃)를 넘어서는 경우, 최대 평균값이 산출된 배터리 그룹(G-b)에 포함된 적어도 하나의 냉각팬(P)의 회전 속도에 대한 가속 명령 및 최소 평균값이 산출된 배터리 그룹(G-a)에 포함된 적어도 하나의 냉각팬(P)의 회전 속도에 대한 가속 명령 중 적어도 하나를 포함하는 제어신호를 출력할 수 있다. 일 예로, 제어기(400)는 동일한 영역에 배치된 복수개의 냉각팬(P)을 동일한 회전 속도로 구동시킬 것을 명령하는 제어신호를 출력할 수 있다.
도 9를 참조하면, 제어기(400)는 최대 평균값을 가지는 제2 배터리 그룹(G-b)에 속하는 모든 냉각팬(P)의 회전 속도에 대한 가속 명령(ZB) 및 최소 평균값이 산출된 제1 배터리 그룹(G-a)에 속하는 모든 냉각팬(P)의 회전 속도에 대한 감속 명령(ZA)을 포함하는 제어 신호를 출력할 수 있다. 이때, 제어 신호에는 제3 배터리 그룹(G-c)에 속하는 모든 냉각팬(P)의 회전 속도를 조절하기 위한 명령(ZC)이 더 포함될 수 있다.
제1 배터리 그룹(G-a)에 속하는 모든 냉각팬(P)은 가속 명령(ZA)에 응답하여, 자신의 회전 속도를 400rpm로 조절할 수 있다. 제2 배터리 그룹(G-b)에 속하는 모든 냉각팬(P)은 가속 명령(ZB)에 응답하여, 자신의 회전 속도를 700rpm로 조절할 수 있다. 제3 배터리 그룹(G-c)에 속하는 모든 냉각팬(P)은 가속 명령(ZC)에 응답하여, 자신의 회전 속도를 600rpm로 조절할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1)을 위한 온도 제어 방법을 보여주는 순서도이다.
도 10을 참조하면, 단계 S1010에서, S-BMS(200)는 하우징(10) 내에 배치되는 각 배터리 그룹(G)의 섹션별 온도 정보를 생성한다. 예컨대, 각각의 배터리 그룹(G)은 높이를 기준으로 상단부(U), 중앙부(M) 및 하단부(L)로 구분되는 3개의 섹션으로 이루어질 수 있고, 각각의 섹션에는 적어도 하나의 배터리 모듈(120)이 구비될 수 있다. 또한, 각각의 배터리 그룹(G)은 적어도 하나의 S-BMS(200)와 결합되고, 복수개의 배터리 모듈(120)과 복수개의 냉각팬(P)을 구비할 수 있다. 이 경우, 각각의 S-BMS(200)는 자신과 결합된 배터리 그룹(G)을 이루는 각각의 섹션에 포함된 각각의 배터리 모듈(120)의 온도값을 모니터링하고, 모니터링된 온도값을 포함하는 온도 정보를 생성할 수 있다.
단계 S1020에서, M-BMS(300)는 S-BMS(200)에 의해 생성된 섹션별 온도 정보를 미리 정해진 규칙에 따라 제어기(400)에 전송할 수 있다. 단계 S1030에서, 제어기(400)는 M-BMS(300)로부터 전송된 섹션별 온도 정보를 기초로, 동일한 배터리 그룹(G)을 이루는 섹션 간의 온도 편차를 산출할 수 있다.
단계 S1040에서, 제어기(400)는 산출된 온도 편차가 미리 주어진 임계값 보다 큰지 판단할 수 있다. 만약, 단계 S1040의 결과값이 'YES'인 경우, 단계 S1050이 수행될 수 있다.
단계 S1050에서, 제어기(400)는 복수개의 섹션 중 적어도 하나의 섹션에 구비된 냉각팬(P)의 회전 속도를 조절하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다. 제어기(400)로부터 출력된 제어 신호는 직접적 또는 간접적으로 배터리 그룹(G)을 이루는 적어도 하나의 섹션에 포함된 냉각팬(P)으로 전송될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1)을 위한 온도 제어 방법을 보여주는 순서도이다.
도 11을 참조하면, 단계 S1110에서, 에너지 저장 시스템(1)에 포함된 복수개의 S-BMS(200)이 복수개의 배터리 그룹(G) 각각에 대한 온도 정보를 생성할 수 있다. 복수개의 배터리 그룹(G)은 하우징(10)의 영역별로 구분되는 것일 수 있다. 이때, 각각의 배터리 그룹(G)은 적어도 하나의 S-BMS(200)와 결합되고, 복수개의 배터리 모듈(120)과 복수개의 냉각팬(P)을 구비할 수 있다. 이 경우, 각각의 S-BMS(200)는 자신과 결합된 배터리 그룹(G)에 포함된 배터리 모듈(120)의 온도값을 모니터링하고, 모니터링된 온도값을 포함하는 온도 정보를 생성할 수 있다. 다시 말해, 각각의 배터리 그룹(G)별로 온도 정보가 생성될 수 있다.
단계 S1120에서, M-BMS(300)는 복수개의 S-BMS(200)에 의해 생성된 배터리 그룹(G)별 온도 정보를 미리 정해진 규칙에 따라 제어기(400)에 전송할 수 있다. 단계 S1130에서, 제어기(400)는 M-BMS(300)로부터 전송된 배터리 그룹(G)별 온도 정보를 기초로, 배터리 그룹(G) 간의 온도 편차를 산출할 수 있다.
단계 S1140에서, 제어기(400)는 산출된 온도 편차가 미리 주어진 임계값 보다 큰지 판단할 수 있다. 만약, 단계 S1140의 결과값이 'YES'인 경우, 단계 S1150이 수행될 수 있다.
단계 S1150에서, 제어기(400)는 복수개의 배터리 그룹(G) 중 적어도 하나의 배터리 그룹(G)에 구비된 냉각팬(P)의 회전 속도를 조절하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다. 제어기(400)로부터 출력된 제어 신호는 직접적 또는 간접적으로 배터리 그룹(G)에 포함된 냉각팬(P)으로 전송될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
100: 에너지 저장 시스템
200: 슬레이브 BMS
300: 마스터 BMS
400: 제어기

Claims (13)

  1. 각각 적어도 하나의 배터리 모듈 및 적어도 하나의 냉각팬을 구비하는 복수개의 섹션을 포함하는 제1 배터리 그룹;
    상기 제1 배터리 그룹에 적어도 하나 이상 결합되고, 상기 제1 배터리 그룹에 포함된 배터리 모듈의 온도값을 섹션별로 모니터링하고, 상기 섹션별로 모니터링된 온도값을 포함하는 제1 온도 정보를 생성하는 제1 슬레이브 BMS;
    상기 제1 온도 정보를 미리 정해진 규칙에 따라 전송하는 마스터 BMS; 및
    상기 마스터 BMS로부터 전송되는 상기 제1 온도 정보를 기초로, 상기 복수개의 섹션 중 적어도 하나에 구비된 적어도 하나의 냉각팬의 회전 속도를 조절하기 위한 제1 제어신호를 출력하는 제어기;
    를 포함하는, 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 마스터 BMS로부터 전송되는 상기 제1 온도 정보를 기초로, 상기 제1 배터리 그룹에 형성된 온도 편차를 산출하고,
    상기 온도 편차를 기초로, 상기 제1 제어신호를 출력하는, 에너지 저장 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 온도 편차는,
    상기 제1 온도 정보에 포함된 온도값들 중 최대 온도값과 최소 온도값 간의 차이인, 에너지 저장 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 배터리 그룹은 적어도 하나의 배터리 랙을 더 포함하고,
    상기 각각의 배터리 랙은, 수직방향으로 적층되는 복수개의 수납 케이스를 포함하되,
    상기 각각의 수납 케이스에는 적어도 하나의 배터리 모듈 및 적어도 하나의 냉각팬이 구비되는, 에너지 저장 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 제어신호는,
    상기 최대 온도값이 모니터링된 배터리 모듈을 구비하는 수납 케이스에 구비된 냉각팬의 회전 속도에 대한 가속 명령 및 상기 최소 온도값이 모니터링된 배터리 모듈을 구비하는 수납 케이스에 구비된 냉각팬의 회전 속도에 대한 감속 명령 중 적어도 하나를 포함하는, 에너지 저장 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    복수개의 배터리 모듈 및 복수개의 냉각팬을 포함하는 제2 배터리 그룹; 및
    상기 제2 배터리 그룹에 적어도 하나 이상 결합되고, 상기 제2 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 모니터링하고, 상기 제2 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 포함하는 제2 온도 정보를 생성하는 제2 슬레이브 BMS;
    를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    복수개의 배터리 모듈 및 복수개의 냉각팬을 포함하는 제3 배터리 그룹; 및
    상기 제3 배터리 그룹에 적어도 하나 이상 결합되고, 상기 제3 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 모니터링하고, 상기 제3 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 포함하는 제3 온도 정보를 생성하는 제3 슬레이브 BMS;
    를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 마스터 BMS는,
    상기 제1 온도 정보, 상기 제2 온도 정보 및 상기 제3 온도 정보를 미리 정해진 규칙에 따라 상기 제어기로 전송하는, 에너지 저장 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 마스터 BMS로부터 전송된 상기 제1 온도 정보, 상기 제2 온도 정보 및 상기 제3 온도 정보를 기초로, 상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 간의 온도 편차를 산출하고,
    상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 간의 온도 편차를 기초로, 상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 각각에 구비된 복수개의 냉각팬 중 적어도 하나의 회전 속도를 조절하기 위한 제2 제어신호를 출력하는, 에너지 저장 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 온도 정보에 포함된 온도값들을 평균하여 제1 평균값을 산출하고, 상기 제2 온도 정보에 포함된 온도값들을 평균하여 제2 평균값을 산출하며, 상기 제3 온도 정보에 포함된 온도값들을 평균하여 제3 평균값을 산출하되,
    상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 간의 온도 편차는, 상기 제1 내지 제3 평균값 중 최대 평균값과 최소 평균값 간의 차이인, 에너지 저장 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 제어 신호는,
    상기 최대 평균값에 대응하는 배터리 그룹에 구비된 복수개의 냉각팬 중 적어도 하나에 대한 가속 명령 및 상기 최소 평균값에 대응하는 배터리 그룹에 구비된 복수개의 냉각팬 중 적어도 하나에 대한 감속 명령 중 적어도 하나를 포함하는, 에너지 저장 시스템.
  12. 복수개의 배터리 모듈 및 복수개의 냉각팬을 포함하는 제1 배터리 그룹, 제1 슬레이브 BMS, 마스터 BMS 및 제어기를 포함하는 에너지 저장 시스템을 위한 온도 제어 방법에 있어서,
    상기 제1 슬레이브 BMS가 상기 제1 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 포함하는 제1 온도 정보를 생성하는 단계;
    상기 마스터 BMS가 상기 제1 온도 정보를 미리 정해진 규칙에 따라 상기 제어기로 전송하는 단계; 및
    상기 제어기가 상기 마스터 BMS로부터 전송된 상기 제1 온도 정보를 기초로, 상기 제1 배터리 그룹에 포함된 복수개의 냉각팬 중 적어도 하나의 회전 속도를 조절하기 위한 제1 제어신호를 출력하는 단계;
    를 포함하는, 에너지 저장 시스템을 위한 온도 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 에너지 저장 시스템은, 복수개의 배터리 모듈 및 복수개의 냉각팬을 을 포함하는 제2 배터리 그룹, 복수개의 배터리 모듈 및 복수개의 냉각팬을 포함하는 제3 배터리 그룹, 상기 제2 배터리 그룹에 결합되는 적어도 하나 이상의 제2 슬레이브 BMS 및 상기 제3 배터리 그룹에 결합되는 적어도 하나 이상의 제3 슬레이브 BMS를 더 포함하고,
    상기 제2 슬레이브 BMS가 상기 제2 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 포함하는 제2 온도 정보를 생성하는 단계;
    상기 제3 슬레이브 BMS가 상기 제3 배터리 그룹에 포함된 각각의 배터리 모듈의 온도값을 포함하는 제3 온도 정보를 생성하는 단계;
    상기 마스터 BMS가 상기 제1 온도 정보, 상기 제2 온도 정보 및 상기 제3 온도 정보를 미리 정해진 규칙에 따라 전송하는 단계;
    상기 제어기가 상기 마스터 BMS로부터 전송된상기 제1 온도 정보, 상기 제2 온도 정보 및 상기 제3 온도 정보를 기초로, 상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 간의 온도 편차를 산출하는 단계; 및
    상기 제어기가 상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 간의 온도 편차를 기초로, 상기 제1 내지 제3 배터리 그룹 각각에 구비된 복수개의 냉각팬 중 적어도 하나의 회전 속도를 조절하기 위한 제2 제어신호를 출력하는 단계;
    를 더 포함하는, 에너지 저장 시스템을 위한 온도 제어 방법.
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