KR20190124482A - 고전압 배터리 랙 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상호 전기적으로 연결된 복수개의 배터리 모듈; 및 상기 복수개의 배터리 모듈을 제어하는 랙 제어기;를 포함하고, 상기 복수개의 배터리 모듈 각각은, 외부 단자; 및 조작됨에 따라 상기 외부 단자로의 전압 인가 여부를 결정하는 MSD모듈을 포함하는 고전압 배터리 랙에 관한 것이다.

Description

고전압 배터리 랙{High Voltage Battery Rack}
본 발명의 실시예들은 고전압 배터리 랙에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템 ESS(Energy Storage System)은 다수의 배터리 셀로 이루어진 모듈(트레이(tray)) 단위의 배터리 모듈이 복수개 적층되어 배터리 랙(rack)을 이루게 되고, 이러한 배터리 랙 복수개를 다시 전기적으로 연결하여 하나의 배터리 시스템을 구축한 것으로, 수 많은 배터리 셀 및 배터리 모듈 간의 직렬 연결 방식에 따라 매우 높은 고전압이 인가되는 특징이 존재한다.
위와 같이, 일반적인 전기자동차, 하이브리드 자동차 등에 내장되는 배터리 팩(pack)과는 달리 수 배 내지 수십 배의 고전압이 인가되며, 화재나 폭발 시 그 위험성 및 피해 규모 역시 배터리 팩에 비해 현저히 커지는 바, 안정성에 대한 주의가 더욱 더 요구되고 있다.
특히, ESS의 배터리 랙 설치 간 배터리 모듈 단위로 운송 및 설치가 이루어지는 경우가 많은데, 이 때, 배터리 모듈의 외부 단자에는 고전압이 인가되어 있는 상태로서 단락 및 지락 등의 사고 위험이 존재하고 있다.
나아가, 종래의 고전압 배터리 랙 같은 경우, 일반적으로 배터리 모듈 각각에서 모듈 단위 단락 사고를 방지하기 위하여 고가의 별도 퓨즈(fuse)를 사용하였으나, 이 경우, 배터리 모듈 내에 많은 공간을 차지하게 되어 에너지 효율이 저하되며, 제조 비용이 상승하는 문제가 존재하였다.
한국등록특허공보 제10-1584295호 (2016.01.25)
본 발명의 실시예들은 배터리 모듈 단위의 운송, 설치 및 유지보수 간 외부 단자로의 고전압 인가여부를 결정함으로써 작업자의 안전 환경을 확보할 수 있는 ESS용 고전압 배터리 랙 및 배터리 모듈을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 배터리 모듈 외부 단자의 고전압 인가 여부를 수동으로 쉽게 조작할 수 있고, 이를 육안으로 확인할 수 있어 배터리 모듈 운송 및 설치 작업 간 작업자의 안전성을 향상시킬 수 있는 ESS용 고전압 배터리 랙 및 배터리 모듈을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 배터리 모듈에서 외부 단자로의 고전압 노출 시 MSD모듈의 개방(open)으로 전체 랙 제어기의 컨택터를 차단할 수 있어 2중의 안전장치를 구비한 ESS용 고전압 배터리 랙 및 배터리 모듈을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 배터리 모듈 각각에서 버스바와 퓨즈 역할을 동시에 할 수 있는 퓨징 버스바를 구비함으로써 내부 단락 또는 과전류 발생 시 안전사고를 방지하기 위한 별도의 고가 퓨즈를 구비하지 않을 수 있는 ESS용 고전압 배터리 랙 및 배터리 모듈을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 퓨징 버스바의 파단 이후 발생할 수 있는 2차 단락 사고를 방지할 수 있는 ESS용 고전압 배터리 랙 및 배터리 모듈을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 퓨징 버스바의 파단 상태를 육안으로 확인할 수 있어 관리의 편의성 및 안전성을 증대시킬 수 있는 ESS용 고전압 배터리 랙 및 배터리 모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상호 전기적으로 연결된 복수개의 배터리 모듈; 및 상기 복수개의 배터리 모듈을 제어하는 랙 제어기;를 포함하고, 상기 복수개의 배터리 모듈 각각은, 외부 단자; 및 조작됨에 따라 상기 외부 단자로의 전압 인가 여부를 결정하는 MSD모듈을 포함하는, 고전압 배터리 랙을 제공할 수 있다.
상기 MSD모듈은 사용자에 의해 수동 조작될 수 있다.
상기 MSD모듈은 상기 배터리 모듈의 외부로 노출될 수 있다.
상기 복수개의 배터리 모듈 각각은 상호 적층된 복수개의 배터리 셀을 포함할 수 있다.
상기 복수개의 배터리 모듈 각각은 상기 복수개의 배터리 셀 상호 간을 전기적으로 연결하는 셀 연결부를 포함하고, 상기 셀 연결부는, 적어도 일부에 개구가 형성된 파단부를 포함하고 상기 복수개의 배터리 모듈 각각에서 단락이 일어나는 경우 상기 파단부가 파단되는 퓨징 버스바를 포함할 수 있다.
상기 복수개의 배터리 모듈 각각은, 절연재질로 형성되어 상기 퓨징 버스바의 외면에 위치된 퓨징 버스바 커버를 더 포함할 수 있다.
상기 복수개의 배터리 모듈 각각은, 상기 퓨징버스바의 최외측에 위치되고, 외부에서 상기 퓨징 버스바의 상태를 확인 가능하며 2차 단락을 방지하는 노출부가 형성된 후면 커버부재를 더 포함할 수 있다.
상기 퓨징 버스바 및 상기 복수개의 배터리 셀 사이에는 상기 퓨징 버스바의 파단으로부터 상기 배터리 셀을 보호하는 셀 커버부재가 위치될 수 있다.
상기 퓨징 버스바는 상기 복수개의 배터리 모듈 각각에서 상기 복수개의 배터리 셀이 적층되는 방향 중 일측에 위치될 수 있다.
상기 랙 제어기는, 상기 복수개의 배터리 모듈과 외부 전력 변환 시스템 간의 전류 경로를 연결하는 컨택터(contactor)를 포함할 수 있다.
상기 MSD모듈이 상기 외부 단자로의 전압 인가를 차단하는 경우, 상기 랙 제어기의 상기 컨택터는 상기 복수개의 배터리 모듈과 상기 외부 전력 변환 시스템 간의 전류 경로를 차단할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수개의 배터리 셀이 구비된 ESS용 배터리 모듈에 있어서, 외부 단자; 상기 외부 단자에 연결되어 조작됨에 따라 상기 외부 단자로의 전압 인가 여부를 결정하는 MSD모듈; 상기 외부 단자와 상기 복수개의 배터리 셀 중 적어도 일부 또는 상기 복수개의 배터리 셀 간을 연결하는 퓨징 버스바; 및 상기 MSD모듈에 연결된 BMS모듈;을 포함하는, 배터리 모듈을 제공할 수 있다.
상기 배터리 모듈 복수개가 적층되어 배터리 랙이 형성되고, 상기 BMS모듈은 상기 배터리 랙에 위치된 랙 제어기와 연결되어 상기 MSD모듈이 개방되는 경우 상기 배터리 랙과 외부 장치의 전류 경로를 연결하는 컨택터(contactor)의 전기적 연결을 차단할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 배터리 모듈 단위의 운송, 설치 및 유지보수 간 외부 단자로의 고전압 인가여부를 결정함으로써 작업자의 안전 환경을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 배터리 모듈 외부 단자의 고전압 인가 여부를 수동으로 쉽게 조작할 수 있고, 이를 육안으로 확인할 수 있어 배터리 모듈 운송 및 설치 작업 간 작업자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 배터리 모듈에서 외부 단자로의 고전압 노출 시 MSD모듈의 개방(open)으로 전체 랙 제어기의 컨택터를 차단할 수 있어 2중의 안전장치를 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 배터리 모듈 각각에서 버스바와 퓨즈 역할을 동시에 할 수 있는 퓨징 버스바를 구비함으로써 내부 단락 또는 과전류 발생 시 안전사고를 방지하기 위한 별도의 고가 퓨즈를 구비하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 퓨징 버스바의 파단 이후 발생할 수 있는 2차 단락 사고를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 퓨징 버스바의 파단 상태를 육안으로 확인할 수 있어 관리의 편의성 및 안전성을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙을 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙에 포함되는 배터리 모듈의 전방 측 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙의 전기적 연결 관계의 일례를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙에 포함되는 배터리 모듈의 내부 구성을 전방 사시측에서 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예예 따른 고전압 배터리 랙에 포함되는 배터리 모듈의 후면이 분해된 모습을 후방 사시측에서 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 일 실시에예 따른 고전압 배터리 랙에 포함되는 배터리 모듈의 내부 구성을 후방 사시측에서 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 일 실시예예 따른 고전압 배터리 랙에 포함되는 배터리 모듈의 전기적 연결 관계의 일례를 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙의 랙 제어기의 내부 구성을 나타낸 도면
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)에 포함되는 배터리 모듈(10)의 전방 측 사시도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)은 상호 전기적으로 연결된 복수개의 배터리 모듈(10) 및 복수개의 배터리 모듈(10)을 제어하는 랙 제어기(30)를 포함할 수 있다. 복수개의 배터리 모듈(10)은 하우징(40) 내에 적층되어 위치될 수 있다.
이 때, 상술한 복수개의 배터리 모듈(10) 각각은 외부 단자(12)를 포함할 수 있고, 복수개의 배터리 모듈(10) 상호 간은 상술한 외부 단자(12)에 연결되어 고전압 연결을 가능케 하는 연결부재(20)에 의해 전기적으로 연결 될 수 있으며, 바람직하게는, 직렬 또는 병렬 연결됨으로써 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압의 배터리 랙(1)을 구성할 수 있다. 이 때, 상술한 연결부재(20)는 케이블(cable) 방식일 수도 있으나 이에 한정되지 않고 버스바(busbar)로 형성될 수도 있고, 케이블 및 버스바가 혼용될 수도 있다.
또한, 상술한 복수개의 배터리 모듈(10) 각각은 사용자 또는 작업자에 의해 조작됨에 따라 외부 단자(12)로의 전압 인가 여부를 결정하는 MSD모듈(11)(MSD : Manual Service Device)을 더 포함할 수 있다.
이 때, 상술한 MSD모듈(11)은 사용자 또는 작업자에 의해 수동으로 조작될 수 있고, 후술할 고전압 연결부재(도 4에 도시됨)에 전기적으로 연결되어 고전압 연결부재(410)의 전기적 연결을 차단할 수 있는 모듈 스위치부(도 4에 도시됨)에 장착된 상태에서 고전압 연결부재(410)의 외부 단자(12)로의 전압 인가를 허용할 수 있다. 고전압 연결부재(410) 및 모듈 스위치부(11a)에 대한 구체적인 내용은 후술하도록 한다.
한편, 상술한 MSD모듈(11)은 배터리 모듈(10)의 외부로 노출될 수 있다. 이를 통해, 사용자는 배터리 모듈(10)의 MSD모듈(11) 개폐 상태를 육안으로 쉽게 확인할 수 있는 바, 배터리 모듈(10)의 외부 단자(12)로의 고전압 인가 상태를 직관적으로 확인할 수 있고, 배터리 모듈(10) 운반 및 설치 작업 간 고전압 노출에 의한 안전사고 위험을 최소화 할 수 있다.
또한, 상술한 MSD모듈(11)은 배터리 모듈(10)로부터 쉽게 탈착 가능한 탈착식으로 형성될 수 있다. 이를 통해, 사용자 및 작업자는 MSD모듈(11)을 직관적이고 쉽게 조작할 수 있고, 단순히 MSD모듈(11)의 탈착 상태 확인을 통해 배터리 모듈(10) 외부 단자(12)의 전압 인가 여부를 인지할 수 있는 바, 안전사고의 발생 가능성을 최소화 할 수 있다. 다만, 상술한 MSD모듈(1)의 탈착 방식은 예시적인 것으로 이에 한정되지 않고, 스위치 방식으로 형성되는 등 사용자 및 작업자가 직관적으로 개폐 상태를 확인할 수 있고 쉽게 조작할 수 있는 방식이면 충분하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙(1)의 배터리 모듈(10)은 MSD모듈(11)을 포함하는 바, 사용자 및 작업자는 배터리 모듈(10) 단위 또는 배터리 랙(1) 단위의 운송, 설치 또는 유지보수 시 MSD모듈(11)의 간단한 조작을 통해 ESS시스템의 고전압 연결상태를 차단할 수 있고, 고전압 노출로 인한 단락 또는 지락 사고를 방지할 수 있다.
또한, 복수개의 배터리 모듈(10)을 포함하는 배터리 랙(1) 단위에서 후술할 외부 전력 관리부 또는 타 고전압 배터리 랙 등의 외부 장치(도 3에 도시됨)와의 연결 시 DC선로(DC line)의 안정성에 대한 확인 없이 충/방전되거나 혹은 인접한 타 고전압 배터리 랙과의 연계로 인한 사고 위험을 방지할 수 있다. 나아가, 사용자 및 작업자는 상술한 MSD모듈(11)을 통해 노출된 고전압 단자 사고 및 DC선로 무결성(DC Line Integrity)을 확인하고 동작할 수 있다.
한편, 복수개의 배터리 모듈(10) 각각은 내측에 위치된 복수개의 배터리 셀(110)을 외부 이물질 등으로부터 보호하기 위해 보호 커버부(200)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 복수개의 배터리 셀(110)이 적층되는 방향에 위치한 전면 커버부(210), 후면 커버부(220) 및 후술할 복수개의 버스바부재(310)가 위치된 측면을 보호하는 측면 커버부(230)를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)의 전기적 연결 관계의 일례를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)의 랙 제어기(30)는 복수개의 배터리 모듈(10) 측의 모듈 단자(33) 측과 외부의 전력 관리부(PCS : Power Conditioning System) 또는 타 고전압 배터리 랙 등의 외부 장치(2)를 연결하기 위한 랙 단자(34)를 상호 전기적으로 연결할 수 있는 컨택터(32)(contactor)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상술한 컨택터(32)는 스위치(switch)와 같이 형성될 수 있고, 평소에는 모듈 단자(33) 측과 랙 단자(34) 측 모두에 접촉되어 상호 간을 전기적으로 연결할 수 있다(컨택터(32) 닫힘 상태).
반면, 모듈 단자(33) 측 및 랙 단자(34) 측 중 어느 일측에서라도 상술한 컨택터(32)의 접촉 상태가 해제되는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)은 외부 전력 관리부 또는 타 고전압 배터리 랙 등의 외부 장치(2) 어느 것과도 연결되지 않은 고립상태로 유지될 수 있다(컨택터(32) 열림 상태).
이를 통해, 작업자는 고전압 배터리 랙(1) 간의 연결 또는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)과 외부 전력 관리부와의 연결 과정에서 오결선으로 인한 안전사고 발생 위험 등을 미연에 차단할 수 있다.
한편, 상술한 컨택터(32)는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)에서 복수개의 배터리 모듈(10) 각각에 위치된 MSD모듈(11)이 개방(open)되는 경우, 모듈 단자(33) 측 및 랙 단자(34) 측 중 적어도 일측과의 접촉 상태가 해제되어 닫힘 상태에서 열림 상태로 전환될 수 있다.
구체적으로, 복수개의 배터리 모듈(10) 각각은 상술한 배터리 모듈(10) 각각을 제어할 수 있는 BMS모듈(420)(BMS : Battery Management System)을 포함할 수 있고, 복수개의 BMS모듈(420) 각각은 상호 연결될 수 있다. 이 때, 복수개의 BMS모듈(420)은 랙 제어기(30)에 연결되어 전기적 제어 신호를 상호 송수신 할 수 있는데, BMS모듈(420) 각각은 각각의 배터리 모듈(10)에 위치된 MSD모듈(11)에 케이블 등을 통해 연결될 수 있고, MSD모듈(11)의 개폐 상태를 확인하여 랙 제어기(30)에 MSD모듈(11) 의 개폐 여부에 관한 개폐 신호를 송신할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1) 설치 및 외부 배터리 랙 또는 전력 관리부와의 연결 과정에서 작업자는 단순히 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)의 복수개의 배터리 모듈(10) 중 어느 하나의 MSD모듈(11)을 배터리 모듈(10)로부터 떼어내거나 스위치를 개방 할 수 있고, 배터리 모듈(10)의 BMS모듈(420)은 이를 모니터링(monitoring)하여 MSD모듈(11)에 대한 상태 정보를 랙 제어기(30)로 송신함으로써 컨택터(32)의 접촉 상태를 해제하고 랙 단자(34)로의 전압 인가를 차단할 수 있다.
위와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)은 어느 하나의 배터리 모듈(10)에 위치된 MSD모듈(11)이 조작되는 경우, 단순히 해당 배터리 모듈(10)의 고전압 인가가 차단되는 것이 아니라, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)의 랙 단자(34)로의 전압 인가 역시 차단되는 바, 2중의 안전구조를 구축할 수 있게 되고, 고전압에 의한 사고 발생 확률이 높은 고전압 배터리 랙(1)의 설치 및 관리 간 안전 사고 발생 가능성을 최소화 할 수 있다.
한편, 상술한 전력 관리부는 외부 계통(발전소, 변전소, 송전선 등)에 전력을 공급하거나, 계통으로부터 공급되는 전력을 이용하여 복수개의 배터리 모듈(10)을 충전할 수 있다. 또한, 이를 위해 전력의 충방전을 제어하는 전력 변환부(PCU : Power Conversion Unit)를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)에 포함되는 배터리 모듈(10)의 내부 구성을 전방 사시측에서 나타낸 도면이다. 한편, 도 4에서는 이해의 편의를 위해, 전면 커버부(210), 후면 커버부(220) 및 배터리 모듈(10) 내부의 복수개의 배터리 셀(110) 및 냉각부재(120)를 고정하기 위한 프레임 구성 등은 도시를 생략하였다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)의 복수개의 배터리 모듈(10) 각각은 상호 적층되고 전기적으로 연결된 복수개의 배터리 셀(110)을 포함할 수 있다. 이 때, 복수개의 배터리 모듈(10) 각각은 상술한 복수개의 배터리 셀(110) 상호 간을 전기적으로 연결하는 셀 연결부(300)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상술한 배터리 모듈(10)은 적어도 두 개의 배터리 셀(110)이 냉각부재(120)를 사이에 두고 군집되어 형성된 복수개의 배터리 서브모듈(100)을 포함할 수 있다. 이 때, 하나의 배터리 서브모듈(100)에서 적어도 두 개의 배터리 셀(110) 간은 상호 병렬 연결될 수 있다.
또한, 상술한 셀 연결부(300)는 복수개의 배터리 서브모듈(100) 중 인접한 두 개의 배터리 서브모듈(100) 간을 전기적으로 연결하는 복수개의 버스바부재(310)를 포함할 수 있으며, 이를 통해, 복수개의 배터리 서브모듈(100) 상호 간은 직렬 또는 병렬 연결됨으로써 하나의 배터리 모듈(10)을 구성할 수 있다. 도 4는 복수개의 배터리 서브모듈(100) 간이 버스바부재(310)에 의해 상호 직렬 연결된 모습을 나타내고 있다. 이 때, 상술한 버스바부재(310)는 배터리 서브모듈(100)에서 적어도 두 개의 배터리 셀(110)의 전극 탭에 접촉되어 연결되는 바, 복수개의 버스바부재(310)는 복수개의 배터리 셀(110)이 적층되는 방향을 기준으로 양측에 위치될 수 있다. 즉, 복수개의 배터리 셀(110)은 배터리 모듈(10) 양측 각각에서 일렬로 배치되어 상호 전기적으로 연결될 수 있고, 두 개의 배터리 그룹(1000)을 형성할 수 있다.
또한, 상술한 셀 연결부(300)는 복수개의 버스바부재(310)를 둘러싸는 버스바 프레임(320)을 더 포함할 수 있고, 상술한 버스바 프레임(320)은 플라스틱 등의 절연재질로 형성되어 버스바부재(310) 간의 단락 가능성을 차단할 수 있다.
한편, 상술한 배터리 모듈(10)은 복수개의 배터리 서브모듈(100)과 연결되어 복수개의 배터리 서브모듈(100)의 전압과 온도 상태를 측정 및 확인할 수 있는 회로부(430)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 회로부(430)에서 복수개의 배터리 서브모듈(100)과 연결되는 부위 각각에는 서브모듈 퓨즈 및 온도 센서가 형성될 수 있다.
또한, 회로부(430)는 복수개의 배터리 셀(110)이 적층되는 방향을 기준으로 양측(즉, 배터리 모듈(10)의 측면)에 위치될 수 있고, 나아가, 상술한 BMS모듈(420)과 연결됨으로써 측정된 배터리 서브모듈(100)의 전압 상태 정보 등은 BMS모듈(420) 및 랙 제어기(30)로 송신될 수 있다.
한편, 상술한 MSD모듈(11)은 배터리 모듈(10)의 전방 또는 후방 중 일측에 위치될 수 있다. 즉, 복수개의 배터리 셀(110)이 적층되는 방향 중 일측에 위치될 수 있고, 바람직하게는 배터리 모듈(10)의 전방에 위치됨으로써 작업자들이 MSD모듈(11)의 상태를 용이하게 확인하고 조작할 수 있다.
이 때, 배터리 모듈(10) 전방에는 상술한 MSD모듈(11)이 배터리 모듈(10) 양측의 회로부(430)와 연결된 상태로 위치될 수 있고, 나아가, 배터리 모듈(10) 양측 각각에서 복수개의 배터리 모듈(10)이 상호 직렬 연결되는 경우, 배터리 모듈(10) 양측 두 개의 배터리 그룹(1000) 중 어느 하나의 일측과 연결되어 나머지 배터리 그룹(1000) 측으로 연장 형성된 고전압 연결부재(410)가 위치될 수 있다.
예를 들어, 배터리 모듈(10)의 외부 단자(12)는 상호 상이한 전극의 제1 단자(12a) 및 제2 단자(12b)를 포함할 수 있고, 배터리 모듈(10) 양측의 배터리 그룹(1000) 중 어느 하나에 위치된 복수개의 배터리 셀(110)의 양극 부분이 배터리 모듈(10)의 전방에 위치된 제1 단자(12a)로 연결될 수 있으며, 배터리 모듈(10) 양측의 배터리 그룹(1000) 중 나머지 하나에 위치된 복수개의 배터리 셀(110)의 음극 부분이 고전압 연결부재(410)를 통해 제2 단자(12b)로 연결될 수 있다.
즉, 상술한 고전압 연결부재(410)를 통해, 배터리 모듈(10) 각각에서 서로 상이한 전극을 가진 두 개의 외부 단자(12)는 배터리 모듈(10)의 전면 일측에 함께 위치될 수 있고, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)의 설치 및 복수개의 배터리 모듈(10) 연결 간 작업이 용이해질 수 있다.
또한, 배터리 모듈(10)의 전방 고전압 연결부재(410) 적어도 일부에는 고전압 연결부재(410) 상에 위치되어 고전압 연결부재(410)에 연결된 제2 단자(12b)로의 전압 인가여부를 결정할 수 있는 모듈 스위치부(11a)가 형성될 수 있다.
나아가, 모듈 스위치부(11a)에는 상술한 MSD모듈(11)이 탈착식으로 부착 가능하게 위치되어 MSD모듈(11)이 모듈 스위치부(11a)에 부착되는 경우 고전압 연결부재(410)의 제2 단자(12b)로의 전압 인가가 허용되고, 반대로 MSD모듈(11)이 모듈 스위치에서 떼어진 경우 고전압 연결부재(410)의 제2 단자(12b)로의 전압 인가는 차단될 수 있다.
구체적으로, 모듈 스위치부(11a)에는 MSD모듈(11)이 삽입 및 장착될 수 있는 장착구(미도시 됨)가 형성될 수 있고, 장착구의 내주면의 적어도 일부에 장착구 단자(미도시 됨)가 형성될 수 있다. 이 때, MSD모듈의 모듈 스위치부(11a) 측 적어도 일부에서 상술한 장착구 단자에 대응되는 위치에는 MSD단자(미도시 됨)가 형성될 수 있고, MSD모듈이 모듈 스위치부(420)의 장착구에 삽입되고 소정 각도 회전되어 모듈 스위치부(420)에 장착됨에 따라 장착구 단자 및 MSD 단자가 접촉됨으로써 고전압 연결부재(410)의 제2 단자(12b)로의 전압 인가가 허용될 수 있다(모듈 스위치부(11a) 닫힘 상태). 이 때, MSD모듈(11)이 장착구에서 이탈됨에 따라 상술한 전압 인가는 차단될 수 있다(모듈 스위치부(11a) 개방 상태).
다만, 이는 예시적인 것으로, MSD모듈(11)이 부착 또는 이탈됨에 따른 모듈 스위치부(11a)의 인가 여부는 반대로 이루어 질 수도 있고, MSD모듈(11)이 스위치 등의 소자를 통하여 개방(open)되거나 폐쇄(close)됨에 따라 제2 단자(12b)로의 전압 인가 여부는 차단되거나 허용 될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예예 따른 고전압 배터리 랙(1)에 포함되는 배터리 모듈(10)의 후면이 분해된 모습을 후방 사시측에서 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시에예 따른 고전압 배터리 랙(1)에 포함되는 배터리 모듈(10)의 내부 구성을 후방 사시측에서 나타낸 도면이다. 한편, 도 6에서는 이해의 편의를 위해, 전면 커버부(210), 후면 커버부(220) 및 배터리 모듈(10) 내부의 복수개의 배터리 셀(110) 및 냉각부재(120)를 고정하기 위한 프레임 구성 등은 도시를 생략하였다.
도 5 및 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)의 배터리 모듈(10) 각각은 복수개의 배터리 셀(110) 상호 간을 전기적으로 연결하는 셀 연결부(300)를 포함할 수 있고, 상술한 셀 연결부(300)는 배터리 모듈(10) 양측의 배터리 그룹(1000) 간을 전기적으로 연결하는 퓨징 버스바(330)를 포함할 수 있다. 즉, 퓨징 버스바(330)는 배터리 모듈(10)에서 복수개의 배터리 셀(110)이 적층되는 방향을 기준으로 양측에 나뉘어 위치된 배터리 그룹(1000) 간을 전기적으로 연결할 수 있다.
이 때, 상술한 퓨징 버스바(330)는 적어도 일부에 개구가 형성된 파단부(331)를 포함할 수 있다. 이를 통해, 복수개의 배터리 모듈(10) 각각에서 단락 또는 과전류가 발생하는 경우 파단부(331)가 파단됨으로써 배터리 모듈(10)의 전기적 연결관계를 끊어줄 수 있고, 단락에 의한 화재 또는 폭발 등의 사고를 방지할 수 있다.
한편, 퓨징 버스바(330)는 배터리 모듈(10)의 전방 또는 후방 중 일측에 위치될 수 있고, 배터리 모듈(10) 각각에서 상술한 MSD모듈(11)이 위치된 측의 반대측 혹은 같은 측에 위치될 수 있다. 즉, 위와 같이 상술한 MSD모듈(11)이 배터리 모듈(10) 전방에 위치된 경우, 퓨징 버스바(330)는 배터리 모듈(10)의 후방(배면) 측에 위치되거나 전방에 위치 될 수 있다.
구체적으로, 배터리 모듈(10)의 후면 커버부(220)는 복수개의 배터리 셀(110) 측에 위치되어 퓨징 버스바(330)의 파단 시 배터리 모듈(10)의 후방에 위치된 배터리 셀(110)을 보호할 수 있고 전면 커버부(210)와 함께 복수개의 배터리 셀(110)을 고정 및 지지하는 셀 커버부재(221) 및 배터리 모듈(10)의 후방 최외측에 위치되어 외부 이물질 등으로부터 퓨징 버스바(330)를 보호하는 후면 커버부재(222)를 포함할 수 있다. 즉, 셀 커버부재(221) 및 후면 커버부재(222)는 퓨징 버스바(330)를 사이에 두며 형성될 수 있다.
또한, 상술한 후면 커버부(220)는 퓨징 버스바(330)를 감싸도록 형성되어 후면 커버부재(222) 및 퓨징 버스바(330) 사이에 위치된 퓨징 버스바 커버(223)를 포함할 수 있다. 이 때, 퓨징 버스바 커버(223)는 플라스틱 등의 절연재질로 형성될 수 있다.
이를 통해, 배터리 모듈(10)의 단락 발생 시 퓨징 버스바(330)의 파단부(331)가 녹아 외측의 후면 커버부재(222)에 달라붙어 발생할 수 있는 2차 단락 사고를 방지할 수 있다.
또한, 퓨징 버스바 커버(223)는 퓨징 버스바 커버(223)의 적어도 일부가 후면 커버부재(222) 측으로 돌출 형성된 돌출부(2230)를 포함할 수 있고, 이에 대응하여 후면 커버부재(222)의 적어도 일부에는 상술한 돌출부(2230)가 착탈될 수 있도록 노출부(2220)가 관통되어 형성될 수 있다. 이 때, 상술한 돌출부(2230) 및 노출부(2220)는 퓨징 버스바(330)의 파단부(331)가 형성된 위치에 대응하여 형성될 수 있다. 나아가, 후면 커버부재(222)에 노출부(2220)가 형성됨으로써 내부 단락 또는 과전류로 인한 퓨징 버스바(330) 파단 시 파단된 퓨징 버스바(330) 일부가 후면 커버부재(222)에 접촉되거나 퓨징 버스바(330) 파단으로 인한 퓨징 버스바 커버(223)의 변형으로 인해 발생할 수 있는 2차 단락 사고를 예방할 수 있다. 즉, 후면 커버부재(222)에 노출부(2220)가 형성됨으로써 후면 커버부재(222)로의 퓨징 버스바(230) 접촉 및 2차 단락 사고를 방지할 수 있다.
위와 같이 퓨징 버스바 커버(223)는 후면 커버부재(222)에 결합되어 그 위치가 고정 및 지지되는 바, 배터리 모듈(10) 이송 및 설치 등의 작업 간 퓨징 버스바(330) 등으로부터 이탈되는 문제를 방지할 수 있다.
한편, 퓨징 버스바 커버(223)는 투명하게 형성될 수 있다.
이를 통해, 사용자 또는 작업자는 배터리 모듈(10)의 단락 발생 시 후면 커버부재(222)에 형성된 노출부를 통해 퓨징 버스바(330)의 직접적인 파단 상태나 퓨징 버스바(330)의 파단으로 인한 퓨징 버스바 커버(223)의 변형 여부를 육안으로 곧바로 확인 가능하고, 배터리 모듈(10)의 단락 발생을 직관적으로 확인할 수 있는 바, 배터리 모듈(10) 내부 단락으로 인한 안전 사고 발생 가능성을 최소화 할 수 있다.
한편, 아래 표 1은 배터리 모듈(10) 내의 복수개의 배터리 셀(110)이 직렬 연결된 경우, 전류량에 따른 퓨징 버스바(330)의 파단부(331)에 대한 바람직한 단면적 크기를 알 수 있다. 즉, 배터리 모듈(10) 단위의 0 내지 1(kA)의 정격전류와 0.1 내지 100(kA)의 단락전류에 따라 퓨징 버스바(330)의 단면적 크기가 선택될 수 있고, 예를 들어, 93(A)의 전류가 흐르는 배터리 모듈(10)의 경우, 퓨징 버스바(330)의 파단부(331) 단면적은 14(mm2)로 결정될 수 있다.
파단부(331) 단면적(mm2) 최대 정격전류(A) 최대 단락전류(A)
6 55 3300
8 70 4200
10 85 5100
16 120 7200
25 150 9000
35 195 11700
50 250 15000
70 300 18000
95 360 21600
120 420 25200
150 480 28800
185 570 34200
240 670 40200
300 780 46800
400 950 57000
500 1100 66000
628 1300 78000
800 1500 90000
1000 1800 108000
도 7은 본 발명의 일 실시예예 따른 고전압 배터리 랙(1)에 포함되는 배터리 모듈(10)의 전기적 연결 관계의 일례를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 상술한 복수개의 배터리 셀(110)은 상호 직렬 연결되어 하나의 배터리 그룹(1000)을 형성할 수 있고, 두 개의 배터리 그룹(1000)은 퓨징 버스바(330)에 의해 상호 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 제2 단자(12b) 측에는 MSD모듈(11)이 형성되어 조작됨에 따라 배터리 모듈(10)의 전기적 연결을 차단할 수 있고, 외부 단자(12)로의 고전압 인가 여부를 결정할 수 있다. 한편, MSD모듈(11)의 개폐여부는 BMS모듈(420)에 의해 모니터링 될 수 있고, 상술한 바와 같이, MSD모듈(11)에 대한 개폐 정보는 랙 제어기(30)로 송신되어 랙 제어기(30)의 컨택터(32)의 접촉 상태를 해제할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)의 랙 제어기(30)의 내부 구성을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)의 랙 제어기(30)는 복수개의 배터리 모듈(10)을 냉각시키는 냉각팬(36)(fan), 상술한 컨택터(32), 배터리 모듈(10) 측과 전기적으로 연결되기 위한 모듈 단자(33) 및 외부 장치(2)와 전기적 연결을 위한 랙 단자(34)를 포함할 수 있다.
이 때, 상술한 랙 제어기(30)는 냉각팬(36), 컨택터(32), 모듈 단자(33) 측 및 랙 단자(34) 측 각각과 상호 연결되어 제어신호를 송수신할 수 있는 랙 제어모듈(35)을 더 포함할 수 있다.
뿐만 아니라, 상술한 랙 제어기(30)는 모듈 단자(33) 측과 컨택터(32) 측을 전기적으로 연결하기 위한 랙 퓨즈(31)(fuse)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 랙 퓨즈(31)는 전체 고전압 배터리 랙(1) 내부에 단락이 발생하는 경우, 파단됨으로써 화재나 폭발 등의 단락 사고 위험을 방지할 수 있다.
위와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 랙(1)은 복수개의 배터리 모듈(10) 각각에 위치된 퓨징 버스바(330)에 더하여 전체 고전압 배터리 랙(1)의 랙 제어기(30)에 위치된 랙 퓨즈(31)를 포함하는 바, 단락 사고에 대한 2중의 안전장치를 구비하고 있고, 일반 전기자동차용 배터리 팩 등에 비해 월등히 큰 고전압이 인가되는 고전압 배터리 랙(1) 특성상 단락 사고 발생 시 인명 피해가 커질 수 있는 바, 다중의 안전 장치를 구비함으로써 고전압 배터리 랙(1) 설치 또는 이용 간 발생할 수 있는 안전사고 가능성을 최소화 할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1 : 고전압 배터리 랙
2 : 외부 장치
10 : 배터리 모듈
11 : MSD모듈
11a : 모듈 스위치부
12 : 외부 단자
12a : 제1 단자
12b : 제2 단자
20 : 연결부재
30 : 랙 제어기
31 : 랙 퓨즈
32 : 컨택터
33 : 모듈 단자
34 : 랙 단자
35 : 랙 제어모듈
36 : 냉각팬
40 : 하우징
100 : 배터리 서브모듈
110 : 배터리 셀
120 : 냉각부재
1000 : 배터리 그룹
200 : 보호 커버부
210 : 전면 커버부
220 : 후면 커버부
221 : 셀 커버부재
222 : 후면 커버부재
2220 : 노출부
223 : 퓨징 버스바 커버
2230 : 돌출부
230 : 측면 커버부
300 : 셀 연결부
310 : 버스바부재
320 : 버스바 프레임
330 : 퓨징 버스바
331 : 파단부
410 : 고전압 연결부재
420 : BMS모듈
430 : 회로부

Claims (14)

  1. 상호 전기적으로 연결된 복수개의 배터리 모듈; 및
    상기 복수개의 배터리 모듈을 제어하는 랙 제어기;를 포함하고,
    상기 복수개의 배터리 모듈 각각은,
    외부 단자; 및
    조작됨에 따라 상기 외부 단자로의 전압 인가 여부를 결정하는 MSD모듈을 포함하는, 고전압 배터리 랙.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 MSD모듈은 사용자에 의해 수동 조작되는, 고전압 배터리 랙.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 MSD모듈은 상기 배터리 모듈의 외부로 노출된, 고전압 배터리 랙.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 랙 제어기는,
    상기 복수개의 배터리 모듈과 외부 장치와의 전류 경로를 연결하는 컨택터(contactor)를 포함하는, 고전압 배터리 랙.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 MSD모듈이 상기 외부 단자로의 전압 인가를 차단하는 경우,
    상기 랙 제어기의 상기 컨택터는 상기 복수개의 배터리 모듈과 상기 외부 장치 간의 전류 경로를 차단하는, 고전압 배터리 랙.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 배터리 모듈 각각은 상호 적층된 복수개의 배터리 셀을 포함하는, 고전압 배터리 랙.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수개의 배터리 모듈 각각은 상기 복수개의 배터리 셀 상호 간을 전기적으로 연결하는 셀 연결부를 포함하고,
    상기 셀 연결부는,
    적어도 일부에 개구가 형성된 파단부를 포함하고 상기 복수개의 배터리 모듈 각각에서 단락이 일어나는 경우 상기 파단부가 파단되는 퓨징 버스바를 포함하는, 고전압 배터리 랙.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 복수개의 배터리 모듈 각각은,
    절연재질로 형성되어 상기 퓨징 버스바의 외면에 위치된 퓨징 버스바 커버를 더 포함하는, 고전압 배터리 랙.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 복수개의 배터리 모듈 각각은,
    상기 퓨징 버스바의 최외측에 위치되고, 외부에서 상기 퓨징 버스바의 상태를 확인 가능하며 2차 단락을 방지하는 노출부가 형성된 후면 커버부재를 더 포함하는, 고전압 배터리 랙.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 퓨징 버스바 및 상기 복수개의 배터리 셀 사이에는 상기 퓨징 버스바의 파단으로부터 상기 배터리 셀을 보호하는 셀 커버부재가 위치된, 고전압 배터리 랙.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 퓨징 버스바는 상기 복수개의 배터리 모듈 각각에서 상기 복수개의 배터리 셀이 적층되는 방향 중 일측에 위치된, 고전압 배터리 랙.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 랙 제어기는,
    상기 복수개의 배터리 모듈과 외부 장치 간의 전류 경로 상에 위치된 랙 퓨즈를 포함하는, 고전압 배터리 랙.
  13. 복수개의 배터리 셀이 구비된 ESS용 배터리 모듈에 있어서,
    외부 단자;
    상기 외부 단자에 연결되어 조작됨에 따라 상기 외부 단자로의 전압 인가 여부를 결정하는 MSD모듈;
    상기 외부 단자와 상기 복수개의 배터리 셀 중 적어도 일부 또는 상기 복수개의 배터리 셀 간을 연결하는 퓨징 버스바; 및
    상기 MSD모듈에 연결된 BMS모듈;을 포함하는, 배터리 모듈.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 배터리 모듈 복수개가 적층되어 배터리 랙이 형성되고,
    상기 BMS모듈은 상기 배터리 랙에 위치된 랙 제어기와 연결되어 상기 MSD모듈이 개방되는 경우 상기 배터리 랙과 외부 장치의 전류 경로를 연결하는 컨택터(contactor)의 전기적 연결을 차단하는, 배터리 모듈.
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