KR20230052358A - 에너지 저장장치 - Google Patents

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Abstract

본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 수신되는 전기 에너지를 직류형태로 저장하거나, 저장되어 있는 전기 에너지를 출력하는 배터리, 및, 상기 배터리의 상태 정보를 모니터링하는 배터리관리기를 포함하고, 상기 배터리관리기는, 상기 복수의 배터리팩 각각에 배치되고, 각 배터리팩에 포함되는 복수의 배터리셀의 상태 정보를 획득하는 배터리팩 회로기판들과 상기 배터리팩 회로기판들과 통신선으로 연결되고, 상기 배터리팩 회로기판들로부터 각 배터리팩에서 획득된 상태 정보를 수신하는 메인회로기판을 포함한다.

Description

에너지 저장장치{Energy Storage System}
본 개시는 에너지 저장장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 기반의 에너지 저장장치 및 그 동작방법에 관한 것이다.
에너지 저장장치는, 외부로부터의 전원을 저장 또는 충전하였다가, 외부로 저장된 전원을 출력 또는 방전하는 장치이다. 이를 위해, 에너지 저장장치는 배터리를 구비하며, 배터리로의 전원 공급 또는 배터리로부터의 전원 출력 등을 위해 전력변환기가 사용된다.
에너지 저장장치는 폭발, 발화, 가스배출 등의 사고 발생 가능성이 있어 안전성 향상을 위한 다양한 기술들이 제안되고 있다. 예를 들어, 한국공개특허 제2006-0059680호는 단락, 과전압으로부터 회로 및 배터리 셀을 보호하는 회로를 개시하고 있고, 한국공개특허 제2018-0103212호는 배터리 및 배터리에 인접한 보호 회로를 개시하고 있다.
이러한 배터리 보호 회로는 과전압, 과전류 등의 상황에서 보호 동작하나, 센싱, 보호 동작이 다중화되어 있지 않아 보호 동작 실패 가능성이 있다. 또한, 재기동을 위해서는 사용자의 수동 입력이 필요하다.
한편, 파워온시 배터리로부터 내부 회로로 순간적인 돌입전류 혹은 서지(surge)가 유입되어 회로가 손상받거나 오동작할 수 있다. 또한, 파워온시, 설치자의 부주의로 고전압, 과전류 등으로 쇼트(Short) 등 안전 문제가 발생할 수 있다. 또한, 사용자의 부주의, 어린이의 호기심 등 다양한 원인에 의한 의도치 않은 파워 버튼(button) 눌림시, 불필요한 에너지 손실이 발생하거나 동작상태를 인지 못한 상태에서 동작할 때 여러 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 통제 불가능한 외부 요인 등으로 인한 단락, 과전압 등 다양한 상황으로부터 제품의 안전성을 확보할 수 있는 다중화 보호 기술이 요구된다.
본 개시가 해결하고자 하는 과제는 복수의 배터리셀이 안정적으로 배치되는 구조의 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는 배터리팩 내부 문제로부터 제어 회로를 보호할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는 컴팩트(compact)하고 안정적으로 설계된 회로기판들을 포함하는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는 다중적으로 안전장치를 구비하여 전체 안전성을 대폭 향상할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는 동일한 안전장치를 복수개 구비함으로써, 어느 하나에 문제가 발생하더라도 안전 제어를 이상없이 수행있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는 릴레이 고장 여부를 정확하게 판별할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는 과전압, 과전류 발생시, 소프트웨어적인 판단과정없이 하드웨어적으로 즉각 대응할 수 있는 수단들을 다중적으로 구비하는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는 파워 온/오프(ON/OFF)시 안전성이 강화된 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치는, 다중적으로 안전 장치를 구비하여 안전성을 향상할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치는, 주요 회로 구성이 분리되어 배터리팩 내부 문제로부터 제어 회로를 보호할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치는, 소프트웨어적인 안전 장치와 하드웨어적인 안전 장치를 복합적으로 구비하여 안전성을 향상할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치는, 주요 회로 구성이 분리되어 배터리팩 내부 문제로부터 제어 회로를 보호할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치는, 파워 온(Power ON)시에, 멀티 스텝(Multi-step) 제어 설계로, 배터리로부터의 순간적인 돌입전류, 서지 등으로 인한 배터리관리기를 보호할수 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치는, 파워 오프(Power OFF)시에, 원 스텝(One-Step) 제어 설계로 위험상황 발생시 즉각 오프(OFF)될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 수신되는 전기 에너지를 직류형태로 저장하거나, 저장되어 있는 전기 에너지를 출력하는 배터리, 상기 배터리의 충전 또는 방전을 위해 전기적 특성을 변환시키는 전력변환기, 및, 상기 배터리의 상태 정보를 모니터링하는 배터리관리기를 포함하고, 상기 배터리는, 각각 복수의 배터리셀을 포함하는 복수의 배터리팩을 포함한다.
상기 배터리관리기는, 상기 복수의 배터리팩 각각에 배치되고, 각 배터리팩에 포함되는 복수의 배터리셀의 상태 정보를 획득하는 배터리팩 회로기판들과 상기 배터리팩 회로기판들과 통신선으로 연결되고, 상기 배터리팩 회로기판들로부터 각 배터리팩에서 획득된 상태 정보를 수신하는 메인회로기판을 포함한다.
상기 복수의 배터리팩은 파워선으로 직렬연결되고, 상기 파워선은 상기 메인회로기판에 연결될 수 있다.
상기 배터리관리기는, 상기 배터리의 양극과 상기 전력변환기의 양극 사이에 배치되는 제1릴레이, 상기 배터리의 음극과 상기 전력변환기의 음극 사이에 배치되는 제2릴레이, 상기 제1릴레이와 상기 전력변환기 사이 제1노드의 전압을 감지하는 제1전압센서, 상기 제1릴레이와 상기 배터리의 양극 사이 제2노드의 전압을 감지하는 제2전압센서, 및, 싱기 제1전압센서와 상기 제2전압센서에서 감지되는 전압 데이터에 기초하여, 상기 제1릴레이와 상기 제2릴레이를 제어하는 마이컴 유닛을 포함할 수 있다.
상기 제1릴레이, 상기 제2릴레이, 싱기 제1전압센서, 상기 제2전압센서, 및 상기 마이컴 유닛은 상기 메인회로기판에 실장(mounting)될 수 있다.
상기 배터리관리기는, 상기 배터리의 양극과 상기 전력변환기의 양극 사이에 배치되는 제1전류센서, 및, 상기 배터리의 음극과 상기 전력변환기의 음극 사이에 배치되는 제2전류센서를 더 포함할 수 있다.
상기 제1노드의 전압이 기준치 이상이면, 상기 제1,2릴레이가 오프되고, 상기 제1노드의 전압이 기준치 미만이면, 상기 제1,2릴레이가 온될 수 있다.
상기 마이컴 유닛은, 상기 제1릴레이를 오프시켰을 때, 상기 제1노드의 전압이 하이(high)이면, 상기 제1릴레이 고장으로 판별하고, 상기 제1릴레이를 온시켰을 때, 상기 제1노드의 전압이 로우(low)이면, 상기 제1릴레이 고장으로 판별할 수 있다.
상기 배터리관리기는, 상기 제1전압센서와 상기 마이컴 유닛 사이에 배치되는 고전압감지기를 더 포함하고, 상기 고전압감지기의 출력은 상기 마이컴 유닛의 외부 인터럽트 핀(External Interrupt Pin)에 연결되며, 상기 외부 인터럽트 핀에 소정 신호가 입력되면, 상기 제1,2릴레이가 오프될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 제1릴레이와 상기 배터리의 양극 사이에 배치되는 서킷 브레이커(circuit breaker)를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 제2릴레이와 상기 배터리의 음극 사이에 배치되는 퓨즈(fuse)를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리관리기는, 상기 제2전압센서와 상기 마이컴 유닛 사이에 배치되는 고전압감지기를 더 포함하고, 상기 고전압감지기의 출력은 상기 마이컴 유닛의 외부 인터럽트 핀(External Interrupt Pin)에 연결되며, 상기 외부 인터럽트 핀에 소정 신호가 입력되면, 상기 제1,2릴레이가 오프될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 제1릴레이와 상기 배터리의 양극 사이에 배치되는 서킷 브레이커(circuit breaker), 상기 제2릴레이와 상기 배터리의 음극 사이에 배치되는 퓨즈(fuse)를 더 포함할 수 있다.
상기 마이컴 유닛은, 싱기 제1전압센서와 상기 제2전압센서에서 감지되는 전압 데이터, 및, 상기 배터리팩 회로기판들로부터에 수신되는 전압 데이터에 기초하여, 상기 제1릴레이와 상기 제2릴레이를 제어할 수 있다.
상기 상태 정보는 전류, 전압, 온도 데이터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 배터리팩은 상기 복수의 배터리셀이 직렬과 병렬로 연결되는 배터리모듈들을 포함하고, 상기 배터리모듈들은 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 배터리모듈들이 2개 결합하여 배터리모듈 어셈블리를 형성하고, 상기 배터리팩 회로기판은 상기 배터리모듈 어셈블리의 상측에 배치될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 복수의 배터리팩이 배치되는 공간을 형성하는 케이싱, 상기 전력변환기는, 상기 케이싱 내측에 배치될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 전력변환기를 제어하는 전력관리기를 더 포함하고, 상기 전력관리기는 상기 케이싱 외부의 외함(enclosures)에 배치될 수 있다.
상기 외함에는, 계통 전원 및 태양광 전원과 연결되고 상기 계통에 정전이 발생하면, 상기 태양광 전원에서 생산되거나 상기 배터리에 저장된 전기 에너지가 소정 부하로 공급되도록 스위칭되는 자동전환스위치(Auto transfor switch)가 배치될 수 있다.
상기 전력관리기는, 계통 전원 및 태양광 전원과 연결되고, 상기 계통에 정전이 발생하면, 상기 태양광 전원에서 생산되거나 상기 배터리에 저장된 전기 에너지가 소정 부하로 공급되도록 제어할 수 있다.
본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 복수의 배터리셀 및 회로들이 안정적으로 배치될 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리팩 내부 문제로부터 제어 회로를 보호할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 다중 안전 설계 기술을 적용하여 통제 불가능한 외부 요인 등으로 인한 단락, 과전압으로부터 제품의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 다중적으로 안전장치를 구비하여 전체 안전성을 대폭 향상할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 동일한 안전장치를 복수개 구비함으로써, 어느 하나에 문제가 발생하더라도 안전 제어를 이상없이 수행할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 릴레이 고장 여부를 정확하게 판별할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 과전압, 과전류 발생시, 소프트웨어적인 판단과정 없이 하드웨어적으로 즉각 대응할 수 있는 수단들을 다중적으로 구비할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 파워 온(Power ON)의 경우에, 멀티 스텝(Multi-step) 제어 설계로, 배터리로부터의 순간적인 돌입전류, 서지 등으로 인한 배터리관리기를 보호할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 파워 오프(Power OFF)의 경우에, 원 스텝(One-Step) 제어 설계로 위험상황 발생시 즉각 오프(OFF)될 수 있다.
한편, 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 개시의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1a와 도 1b는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치를 포함하는 에너지 공급 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치를 포함하는 홈 에너지 서비스 시스템의 개념도이다.
도 3a와 도 3b는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치 설치 유형을 도시한 도면이다.
도 4는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치를 포함하는 홈 에너지 서비스 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 복수의 배터리팩을 포함하는 에너지 저장장치의 분해사시도이다.
도 6은 도어가 제거된 상태의 에너지 저장장치 정면도이다.
도 7은 도 6의 일측 단면도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 사시도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 분해도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈의 사시도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈의 분해도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈의 정면도이다.
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈과 센싱기판의 분해사시도이다.
도 14는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈 및 배터리팩회로기판의 사시도이다.
도 15a는 도 14이 결합된 상태의 일측면도이다.
도 15b는 도 14이 결합된 상태의 타측면도이다.
도 16은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩 및 배터리관리기의 연결에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 17은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리관리기의 회로 블록도이다.
도 18은 본 개시의 일 실시 예에 따른 릴레이 고장 진단에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 19는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리관리기의 동작 방법에 관한 순서도이다.
도 20은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리관리기의 회로 블록도이다.
도 21은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리관리기의 회로 블록도이다.
도 22는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리관리기의 회로 블록도이다.
도 23은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리관리기의 회로 블록도이다.
도 24는 본 개시의 일 실시 예에 따른 전원 공급 시퀀스(sequence)를 예시한 도면이다.
도 25는 본 개시의 일 실시 예에 따른 전원 스위치에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 26, 도 27a, 도 27b는 도 23에서 예시된 블록의 구현예들을 도시한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 개시는 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 개시를 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
한편, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용된다.
도면들에서 사용되는 상(U), 하(D), 좌(Le), 우(Ri), 전(F), 후(R)는 배터리팩과 배터리팩을 포함하는 에너지저장장치를 설명하기 위한 것으로, 기준에 따라 다르게 설정될 수 있다.
도 10 내지 도 13에서 사용되는 배터리모듈의 높이방향(h+, h-), 길이방향(l+, l-), 폭방향(w+, w-)은, 배터리모듈을 설명하기 위한 것으로, 기준에 따라 다르게 설정될 수 있다.
도 1a와 도 1b는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치를 포함하는 에너지 공급 시스템의 개념도이다.
도 1a와 도 1b를 참조하면, 에너지 공급 시스템은, 전기 에너지가 저장되는 배터리(35) 기반의 에너지 저장장치(1), 전력 수요처인 부하(7), 및 외부의 전력공급원으로 제공되는 계통(9)을 포함할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는, 계통(9) 등으로부터 받은 전기 에너지를 직류(DC) 형태로 저장(충전)하거나 저장되어 있는 전기 에너지를 계통(9) 등에 출력(방전)하는 배터리(35), 상기 배터리(35)의 충전 또는 방전을 위해 전기적 특성(예를 들어, AC/DC 상호변환, 주파수, 전압)을 변환시키는 전력변환기(32)(PCS : Power Conditioning System), 배터리(35)의 전류, 전압, 온도 등의 정보를 모니터링하고 관리하는 배터리관리기(34)(BMS : Battery Management System)를 포함한다.
상기 계통(9)은 전력을 생산하는 발전설비, 송전선로 등을 포함할 수 있다. 상기 부하(7)는, 전력을 소비하는 수요처로, 냉장고, 세탁기, 에어컨, TV, 로봇 청소기, 로봇 등의 홈 어플라이언스, 차량, 드론 등의 이동형 전자 기기 등을 포함할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는, 외부로부터의 전원을 배터리(35) 저장하였다가, 외부로 전원을 출력할 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장장치(1)는, 외부로부터의 직류 전원 또는 교류 전원을 입력받아, 배터리(35)에 저장하였다가, 외부로 직류 전원 또는 교류 전원을 출력할 수 있다.
한편, 배터리(35)는 주로 직류 전원을 저장하므로, 에너지 저장장치(1)는, 직류 전원을 입력받거나 입력받은 교류 전원을 직류 전원으로 전환하여 배터리(35)에 저장하고, 배터리(35)에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 계통(9) 또는 부하(7)에 공급할 수 있다.
이때, 에너지 저장장치(1) 내의 전력변환기(32)가, 전력 변환을 수행하고, 배터리(35)로 전압 충전하거나, 배터리(35)에 저장된 직류 전원을 계통(9) 또는 부하(7)에 공급할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는 계통으로부터 공급되는 전원에 기초하여 배터리(35)를 충전하고, 필요시 배터리(35)를 방전할 수 있다. 예를 들어, 정전과 같은 비상상황, 계통(9)에서 공급되는 전기 에너지의 요금이 비싼 시간대, 날짜, 계절에, 배터리(35)에 저장된 전기 에너지를 부하(7)에 공급할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는, 태양광 등 신재생에너지원으로부터 발전된 전기 에너지를 저장함으로써 신재생에너지 발전의 안전성 및 편의성을 향상할 수 있고, 비상전원으로 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 에너지 저장장치(1)를 이용하면, 시간대 및 계절별 변동이 큰 부하를 평준화(Load Leveling)시킬 수 있고, 에너지 소비 및 비용을 절약할 수 있다.
상기 배터리관리기(34)는 상기 배터리(35)의 온도, 전류, 전압, 충전량 등을 측정하고, 상기 배터리(35)의 상태를 모니터링 할 수 있다. 또한, 상기 배터리관리기(34)는 상기 배터리(35)의 상태 정보에 기초하여 상기 배터리(35)의 동작 환경을 최적화되도록 제어하고 관리할 수 있다.
한편, 에너지 저장장치(1)는, 상기 전력변환기(32)를 제어하는 전력관리기(31a)(PMS: Power Management System)을 포함할 수 있다.
전력관리기(31a)는 상기 배터리(35) 및 상기 전력변환기(32) 상태에 대한 모니터링과 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 전력관리기(31a)는 에너지 저장장치(1)의 전반적인 동작을 제어하는 컨트롤러(contoller)일 수 있다.
상기 전력변환기(32)는, 상기 전력관리기(31a)의 제어지령에 따라 상기 배터리(35)의 전력분배를 제어할 수 있다. 상기 전력변환기(32)는, 계통(9), 태양광 등 연결된 발전 수단, 상기 배터리(35)와 부하(7)의 연결상태에 따라서 전력을 변환할 수 있다.
한편, 상기 전력관리기(31a)는, 상기 배터리관리기(34)로부터 상기 배터리(35)의 상태 정보를 전달받을 수 있다. 상기 전력변환기(32) 및 상기 배터리관리기(34)에 제어지령을 전송할 수 있다.
상기 전력관리기(31a)는 와이파이 통신모듈 등 통신수단과, 메모리를 포함할 수 있다. 상기 메모리에는 에너지 저장장치(1)의 동작에 필요한 다양한 정보가 저장될 수 있다. 실시 예에 따라서, 상기 전력관리기(31a)는, 복수의 스위치를 포함하고, 전력 공급 경로를 제어할 수 있다.
상기 전력관리기(31a) 및/또는 상기 배터리관리기(34)는 적류 적산법, 개방회로전압(OCV : Open Circuit Voltage)를 기반으로 한 충전량(SOC: State Of Charge) 산출법 등 이미 공지된 다양한 방식의 SOC 산출 기법을 사용하여 상기 배터리(35)의 SOC를 산출할 수 있다. 배터리(35)는 충전량이 최대충전량을 넘어서는 경우에 배터리가 과열되고 불가역적으로 동작할 수 있다. 마찬가지로 상기 충전량이 최소충전량 이하가 되는 경우에는 배터리가 열화하고 회복 불능의 상태가 될 수 있다. 상기 전력관리기(31a) 및/또는 상기 배터리관리기(34)는 상기 배터리(35)의 내부 온도와 충전량 등을 실시간으로 모니터링하여 최적의 사용영역과 최대 입출력 파워를 제어할 수 있다.
상기 전력관리기(31a)는 상위 제어기인 에너지관리기(31b)(EMS: Energy Management System)의 제어에 따라 동작할 수 있다. 상기 전력관리기(31a)는 상기 에너지관리기(31b)의 지령을 받아 에너지 저장장치(1)를 제어할 수 있고, 에너지 저장장치(1)의 상태를 상기 에너지관리기(31b)에 전달할 수 있다. 상기 에너지관리기(31b)는 에너지 저장장치(1)에 구비되거나 에너지 저장장치(1)의 상위 시스템에 구비될 수 있다.
상기 에너지관리기(31b)는 요금정보, 전력 사용량, 및 환경정보 등을 정보를 수신하고, 사용자의 에너지 생산, 저장, 및 소비 패턴에 따라 상기 에너지 저장장치(1)를 제어할 수 있다. 상기 에너지관리기(31b)는 상기 전력관리기(31a)를 모니터링하고 제어하기 위한 운영시스템으로 제공될 수 있다.
에너지 저장장치(1)의 전반적인 동작을 제어하는 컨트롤러는 상기 전력관리기(31a) 및/또는 상기 에너지관리기(31b)를 포함할 수 있다. 실시 예에 따라서, 상기 전력관리기(31a)와 상기 에너지관리기(31b)는, 어느 하나가 나머지 하나의 기능도 수행할 수 있다. 또한, 상기 전력관리기(31a)와 상기 에너지관리기(31b)는 하나의 제어기로 통합되어 일체로 제공될 수 있다.
한편, 에너지 저장장치(1)의 설치 용량은 고객의 설치 조건에 따라 다르며, 상기 전력변환기(32)와 배터리(35)를 복수개 연결하여 필요한 용량까지 확대할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는 계통(9)과 별도로 적어도 하나의 발전 장치(도 2의 3 참조)와 연결될 수 있다. 발전 장치(3)는, 직류 전원을 출력하는 풍력 발전 장치, 수력을 이용하여 직류 전원을 출력하는 수력 발전 장치, 조력을 이용하여 직류 전원을 출력하는 조력 발전 장치, 또는 지열 등의 열을 이용하여 직류 전원을 출력하는 열 발전 장치 등을 포함할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 발전 장치(3)로 태양광 발전장치를 중심으로 기술한다.
도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치를 포함하는 홈 에너지 서비스 시스템(home energy service system)의 개념도이다.
본 개시의 실시 예에 따른 홈 에너지 서비스 시스템은, 에너지 저장장치(1)를 포함하고, 통합 에너지 서비스 관리를 위한 클라우드(5) 기반의 지능형 에너지 서비스 플랫폼으로 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 홈 에너지 서비스 시스템은 주로 가정에 구현되어, 가정 내의 에너지(전력) 공급, 소비, 저장 등을 관리할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는, 발전소(8) 등 계통(9), 태양광 발전기(3) 등 발전 장치, 다수의 부하들(7a 내지 7g). 센서들(미도시)과 연결되어, 홈 에너지 서비스 시스템을 구성할 수 있다.
부하들(7a 내지 7g)은 히트펌프(7a), 식기세척기(7b), 세탁기(7c), 보일러(7d), 에어컨(7e), 온도조절기(7f), EV 충전기(7g)(electric vehicle charger), 스마트 라이팅(7h) 등일 수 있다.
홈 에너지 서비스 시스템은, 도 2에서 예시된 스마트 기기들 외에도 다른 부하를 포함할 수 있다. 예를 들어, 홈 에너지 서비스 시스템은 통신모듈을 하나 이상 구비하는 스마트 라이팅(7h)외에도 여러 조명을 포함할 수 있다. 또한, 홈 에너지 서비스 시스템은, 통신모듈을 구비하지 않는 홈 어플라이언스도 포함할 수 있다.
상기 부하들(7a 내지 7g) 중 일부는 필수부하로 설정되어, 정전 발생시, 에너지 저장장치(1)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 냉장고, 적어도 일부 조명 장치가 정전시 백업이 필요한 필수부하로 설정될 수 있다.
한편, 에너지 저장장치(1)는, 기기들(7a 내지 7g). 센서들과 근거리 무선 통신 모듈을 통해 통신할 수 있다. 예를 들어, 근거리 무선 통신 모듈은 블루투스, 와이파이, 지그비 중 적어도 하나일 수 있다. 또한, 에너지 저장장치(1), 기기들(7a 내지 7g). 센서들은 인터넷 네트워크에 연결될 수 있다.
에너지관리기(31b)는 인터넷 네트워크, 근거리 무선 통신으로 에너지 저장장치(1), 기기들(7a 내지 7g). 센서들, 클라우드(5)와 통신할 수 있다.
에너지관리기(31b) 및/또는 클라우드(5)는 에너지 저장장치(1), 기기들(7a 내지 7g). 센서들에서 수신되는 정보 및 수신된 정보를 이용하여 판별된 정보 등을 단말기(6)로 전송할 수 있다. 단말기(6)는 스마트폰, PC, 노트북, 태블릿 PC 등으로 구현될 수 있다. 실시 예에 따라서, 홈 에너지 서비스 시스템의 동작을 제어하기 위한 애플리케이션이 단말기(6)에 설치되어 실행될 수 있다.
홈 에너지 서비스 시스템은 미터기(2)를 포함할 수 있다. 미터기(2)는 발전소(8) 등 전력 계통(9)과 에너지 저장장치(1) 사이에 구비될 수 있다. 미터기(2)는 발전소(8)로부터 가정으로 공급되어 소모된 전력의 사용량을 측정할 수 있다. 또한, 미터기(2)는 에너지 저장장치(1) 내부에 구비될 수도 있다. 미터기(2)는 에너지 저장장치(1)로부터 방전되는 전력량을 측정할 수 있다. 에너지 저장장치(1)로부터 방전되는 전력량은,에너지 저장장치(1)로부터 전력 계통(9)으로 공급(판매)되는 전력량, 및 에너지 저장장치(1)로부터 기기들(7a 내지 7g)로 공급되는 전력량을 포함할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는, 태양광 발전기(2) 및/또는 발전소(8)로부터 공급된 전력, 또는 상기 공급된 전력이 소비된 후 남는 잔여 전력을 저장할 수 있다.
한편, 미터기(2)는 스마트 미터기(smart meter)로 구현될 수 있다. 스마트 미터기는 클라우드(5) 및/또는 에너지관리기(31b)로 전력 사용량에 관한 정보를 전송하기 위한 통신 모듈을 포함할 수 있다.
도 3a와 도 3b는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치 설치 유형을 도시한 도면이다.
가정용 에너지 저장장치(1)는 설치 유형에 따라 AC 커플드(Coupled) ESS(도 3a 참조)와 DC 커플드(Coupled) ESS(도 3b 참조)로 구분될 수 있다.
태양광 발전장치는 태양광 패널(3)을 포함한다. 태양광 설치 유형에 따라, 태양광 발전장치는 태양광 패널(3) 및 태양광 패널(3)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 PV(photovoltaic) 인버터(4)를 포함할 수 있다(도 3a 참조). 이에 따라, 기존 계통(9)과 독립적인 에너지 저장장치(1)를 사용할 수 있어 더 경제적으로 시스템 구현이 가능하다.
또한, 실시 예에 따라 에너지 저장장치(1)의 전력변환기(32)와 PV 인버터(4)가 일체의 전력 변환 장치로서 구현될수도 있다(도 3b 참조). 이 경우, 태양광 패널(3)로부터 출력되는 직류 전력은 전력변환기(32)로 입력된다. 직류 전력은 배터리(35)에 전달되어 저장될 수 있다. 또한, 전력변환기(32)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통(9)에 공급할 수 있다. 이에 따라, 더 효율적인 시스템 구현이 가능할 수 있다.
도 4는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치를 포함하는 홈 에너지 서비스 시스템의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 에너지 저장장치(1)는, 발전소(8) 등 계통(9), 태양광 발전기(3) 등 발전 장치, 다수의 부하들(7x1, 7y1)과 연결될 수 있다.
태양광 발전기(3)에서 생성된 전기 에너지는 PV 인버터(4)에서 변환되어 계통(9), 에너지 저장장치(1), 부하들(7x1, 7y1)에 공급될 수 있다. 도 3을 참조하여 설명한 것과 같이, 설치 유형에 따라 태양광 발전기(3)에서 생성된 전기 에너지는 에너지 저장장치(1)에서 변환되어 계통(9), 에너지 저장장치(1), 부하들(7x1, 7y1)에 공급될 수도 있다.
한편, 에너지 저장장치(1)는 하나 이상의 무선 통신 모듈을 구비하고, 단말기(6)와 통신할 수 있다. 사용자는 단말기(6)를 통하여 에너지 저장장치(1) 및 홈 에너지 서비스 시스템의 상태를 모니터링하고 제어할 수 있다. 또한, 홈 에너지 서비스 시스템은 클라우드(5) 기반의 서비스를 제공할 수 있다. 사용자는 장소에 구애받지 않고 단말기(6)를 통하여 클라우드(5)와 통신하며 홈 에너지 서비스 시스템의 상태를 모니터링하고 제어할 수 있다
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 상술한 배터리(35), 배터리관리기(34), 전력변환기(32)는 하나의 케이싱(12) 내부에 배치될 수 있다. 이렇게 하나의 케이싱(12)에 통합 배치되는 배터리(35), 배터리관리기(34), 전력변환기(32)는 전력의 저장과 변환을 수행할 수 있어 올인원 에너지 저장장치(1a)로 명명할 수 있다.
또한, 상기 케이싱(12) 외부의 별도의 외함(enclosures)(1b)에는 전력관리기(31a), 자동전환스위치(ATS: Auto transfor switch), 스마트 미터, 스위치 등 전력 분배를 위한 구성, 단말기(6), 클라우드(5) 등과의 통신을 위한 통신 모듈이 배치될 수 있다. 이렇게 하나의 외함(1)에 전력 분배 및 관리와 관련된 구성이 통합된 구성은 스마트 에너지 박스(1b)로 명명될 수 있다.
상기 스마트 에너지 박스(1b)에는 상술한 전력관리기(31a)가 수용될 수 있다. 상기 스마트 에너지 박스(1b)에 에너지 저장장치(1)의 전반적인 전원 공급 연결을 제어하는 컨트롤러가 배치될 수 있다. 상기 컨트롤러는 상술한 전력관리기(31a)일 수 있다.
또한, 상기 스마트 에너지 박스(1b)에는 스위치들이 수용되어, 연결된 계통 전원(8,9), 태양광 발전기(3), 올인원 에너지 저장장치(1a)의 배터리(35), 부하들(7x1, 7y1)의 연결 상태를 제어할 수 있다. 부하들(7x1, 7y1)은 부하 패널(7x2, 7y2)들을 통하여 상기 스마트 에너지 박스(1b)에 연결될 수 있다.
한편, 상기 스마트 에너지 박스(1b)에는 계통 전원(8,9) 및 태양광 발전기(3)과 연결된다. 또한, 상기 계통(8,9)에 정전이 발생하면, 상기 태양광 발전기(3)에서 생산되거나 상기 배터리(35)에 저장된 전기 에너지가 소정 부하(7y1)로 공급되도록 스위칭되는 자동전환스위치(ATS)가 상기 스마트 에너지 박스(1b)에 배치될 수 있다.
또는, 상기 전력관리기(31a)가 상기 자동전환스위치(ATS) 기능을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 상기 전력관리기(31a)는 상기 계통(8,9)에 정전이 발생하면, 상기 태양광 발전기(3)에서 생산되거나 또는 상기 배터리(35)에 저장된 전기 에너지가 소정 부하(7y1)로 공급되도록 릴레이 등 스위치를 제어할 수 있다.
한편, 각 전류 공급 경로에는 전류 센서, 스마트 미터 등이 배치될 수 있다. 에너지 저장장치(1)와 태양광 발전기(3)를 통해 생산된 전기는, 스마트 미터(적어도 전류센서)를 통해 전력량이 측정되고 관리될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는, 적어도 올인원 에너지 저장장치(1a)를 포함한다. 또한, 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는 올인원 에너지 저장장치(1a)와 스마트 에너지 박스(1b)를 포함함으로써, 전력의 저장, 공급, 분배, 통신, 제어를 간편하고 효율적으로 수행할 수 있는 통합 서비스를 제공할 수 있다.
한편, 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는 복수의 운전모드로 동작할 수 있다. PV 자가소비(self consumption) 모드는, 태양광 발전 전력을 부하에서 먼저 사용하고, 남는 전력을 에너지 저장장치(1)에 저장한다. 예를 들어, 낮에 태양광 발전기(3)에서 부하들(7x1, 7y1)의 사용량보다 많은 전력이 생성되면, 배터리(35)를 충전한다.
요금제 기반 충방전 모드는, 시간대 4개를 설정 입력하고, 전기 요금이 비싼 시간대에는 배터리(35)를 방전시키고 전기 요금이 싼 시간대에서는 배터리(35)를 충전시킬 수 있다. 에너지 저장장치(1)는 요금제 기반 충방전 모드로 사용자의 전기 요금 절약에 도움을 줄 수 있다.
백업온리모드는, 정전 등 비상상황을 대비한 모드로, 일기예보로 태풍이 예상되거나, 기타 정전 가능성이 있을 때, 배터리(35)를 최대치까지 충전하고, 비상시 필수부하(7y1)로 공급하는 것을 최우선순위로 동작할 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하여, 본 개시의 에너지 저장장치(1)의 구조를 설명한다. 더욱 상세하게는 도 5 내지 도 7에는 올인원 에너지 저장장치(1a)의 상세 구조가 개시된다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 복수의 배터리팩을 포함하는 에너지 저장장치의 분해사시도이고, 도 6은 도어가 제거된 상태의 에너지 저장장치 정면도이며, 도 7은 도 6의 일측 단면도이다.
도 5을 참조하면, 에너지 저장장치(1)는, 적어도 하나의 배터리팩(10), 적어도 하나의 배터리팩(10)이 배치되는 공간을 형성하는 케이싱(12), 케이싱(12)의 전면을 개폐하는 도어(28), 케이싱(12) 내측에 배치되고 배터리의 충전 또는 방전을 위해 전기의 특성을 변환시키는 전력변환기(32)(PCS : Power Conditioning System), 배터리셀(101)의 전류, 전압, 온도 등의 정보를 모니터링하는 배터리관리기(BMS : Battery Management System)를 포함한다.
케이싱(12)은, 전방이 개구된 형태를 가질 수 있다. 케이싱(12)은 후방을 커버하는 케이싱후방벽(14)과, 케이싱후방벽(14)의 양측단에서 전방으로 연장되는 한 쌍의 케이싱측벽(20), 케이싱후방벽(14)의 상단에서 전방으로 연장되는 케이싱탑벽(24), 및 케이싱후방벽(14)의 하단에서 전방으로 연장되는 케이싱베이스(26)을 포함할 수 있다. 케이싱후방벽(14)에는, 배터리팩(10)과 체결되도록 형성된 팩체결부(16)와 배터리팩(10)의 방열플레이트(124)와 접촉하도록 전방으로 돌출된 접촉플레이트(18)를 포함한다.
도 5를 참조하면, 접촉플레이트(18)는 케이싱후방벽(14)으로부터 전방으로 돌출되게 배치될 수 있다. 접촉플레이트(18)는 방열플레이트(124)의 일측과 접촉하도록 배치될 수 있다. 따라서, 배터리팩(10) 내부에 배치된 복수의 배터리셀(101)에서 방출되는 열이 방열플레이트(124)와 접촉플레이트(18)를 통해 외부로 방출될 수 있다.
한 쌍의 케이싱측벽(20) 중 하나에는, 에너지 저장장치(1)의 전원을 온/오프하는 스위치(22a, 22b)가 배치될 수 있다. 본 개시에서는, 제1스위치(22a)와 제2스위치(22b)가 배치되어, 에너지 저장장치(1)의 전원의 안전성 또는 동작의 안전성을 강화할 수 있다.
전력변환기(32)는, 회로기판(33)과, 회로기판(33)의 일측에 배치되고 전력 변환을 수행하는 전력변환소자(33a)(Insulated gate bipolar transistor; IGBT)를 포함할 수 있다.
배터리관리기는, 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각에 배치되는 배터리팩 회로기판(220)과 케이싱(12) 내부에 배치되고 복수의 배터리팩 회로기판(220)과 통신선(36)으로 연결되는 메인회로기판(34a)을 포함할 수 있다.
메인회로기판(34a)은, 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각에 배치되는 배터리팩 회로기판(220)과 통신선(36)으로 연결될 수 있다. 메인회로기판(34a)은, 배터리팩(10)으로부터 연장되는 파워선(198)과 연결될 수 있다.
케이싱(12) 내부에는 적어도 하나의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d)이 배치될 수 있다. 케이싱(12) 내부에는 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d)이 배치된다. 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d)은 상하방향으로 배치될 수 있다.
복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d)은 각각의 사이드브라켓(250)의 상단과 하단이 접촉되도록 배치될 수 있다. 이때, 상하로 배치되는 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각은 배터리모듈(100a, 100b)과 탑커버(230)가 접촉되지 않도록 배치된다.
복수의 배터리팩(10) 각각은, 케이싱(12)에 고정되게 배치된다. 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각은 케이싱후방벽(14)에 배치되는 팩체결부(16)에 체결된다. 즉, 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각의 고정브라켓(270)이 팩체결부(16)에 체결된다. 팩체결부(16)는, 접촉플레이트(18)와 같이 케이싱후방벽(14)으로부터 전방으로 돌출되게 배치될 수 있다.
접촉플레이트(18)는, 케이싱후방벽(14)으로부터 전방으로 돌출되게 배치될 수 있다. 따라서, 접촉플레이트(18)는, 배터리팩(10)에 포함된 하나의 방열플레이트(124)와 접촉되도록 배치될 수 있다.
하나의 배터리팩(10)에는, 2개의 배터리모듈(100a, 100b)이 포함된다. 따라서, 하나의 배터리팩(10)에는 2개의 방열플레이트(124)가 배치된다. 배터리팩(10)에 포함된 하나의 방열플레이트(124)는 케이싱후방벽(14)을 마주하도록 배치되고, 다른 하나의 방열플레이트(124)는 도어(28)를 향하도록 배치된다.
하나의 방열플레이트(124)는 케이싱후방벽(14)에 배치되는 접촉플레이트(18)와 접촉하도록 배치되고, 다른 하나의 방열플레이트(124)는 도어(28)와 이격되게 배치된다. 다른 하나의 방열플레이트(124)는 케이싱(12) 내부를 유동하는 공기에 의해 냉각될 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 사시도이고, 도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 분해도이다.
본 개시의 에너지 저장장치는, 복수의 배터리셀(101)이 직렬과 병렬로 연결되는 배터리팩(10)을 포함할 수 있다. 에너지 저장장치는, 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d, 도 5 참조)을 포함할 수 있다.
먼저, 도 8 내지 도 9를 참조하여, 하나의 배터리팩(10)의 구성을 설명한다.
배터리팩(10)은, 복수의 배터리셀(101)이 직렬과 병렬로 연결되는 적어도 하나의 배터리모듈(100a, 100b), 배터리모듈(100a, 100b)의 상부에 배치되고 배터리모듈(100a, 100b)의 배치를 고정시키는 상부고정브라켓(200), 배터리모듈(100)의 하부에 배치되고 배터리모듈(100a, 100b)의 배치를 고정시키는 하부고정브라켓(210), 배터리모듈(100a, 100b)의 양 측면에 배치되고 배터리모듈(100a, 100b)의 배치를 고정시키는 한 쌍의 사이드브라켓(250a, 250b), 배터리모듈(100a, 100b)의 양 측면에 배치되고, 냉각홀(242a)이 형성된 한 쌍의 사이드커버(240a, 240b), 배터리모듈(100a, 100b)의 일측면에 배치되고 배터리모듈(100a, 100b) 내부의 공기유동을 형성하는 냉각팬(280), 상부고정브라켓(200)의 상측에 배치되고 배터리모듈(100a, 100b)의 센싱정보를 수집하는 배터리팩 회로기판(220), 상부고정브라켓(200)의 상측에 배치되고, 배터리팩 회로기판(220)의 상측을 커버하는 탑커버(230)를 포함한다.
배터리팩(10)은 적어도 하나의 배터리모듈(100a, 100b)을 포함한다. 도 9를 참조하면, 본 개시의 배터리팩(10)은 서로 전기적으로 연결되고, 물리적으로 고정된 2개의 배터리모듈(100a, 100b)로 구성된 배터리모듈 어셈블리(100)를 포함한다. 배터리모듈 어셈블리(100)는 서로 마주하게 배치되는 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)를 포함한다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈의 사시도이고, 도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈의 분해도이다
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈의 정면도이고, 도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈과 센싱기판의 분해사시도이다.
이하에서는, 도 10 내지 도 13을 참조하여, 본 개시의 제1배터리모듈(100a)을 설명한다. 이하에서 설명되는 제1배터리모듈(100a)의 구성 및 형태는 제2배터리모듈(100b)에도 적용될 수 있다.
도 10 내지 도 13에서 설명되는 배터리모듈은, 배터리모듈의 높이방향(h+, h-)을 기준으로 상하방향으로 설명될 수 있다. 도 10 내지 도 13에서 설명되는 배터리모듈은, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)을 기준으로 좌우방향으로 설명될 수 있다. 도 10 내지 도 13에서 설명되는 배터리모듈은, 배터리모듈의 폭방향(w+, w-)을 기준으로 전후방향으로 설명될 수 있다. 도 10 내지 도 13에서 사용되는 배터리모듈의 방향설정은, 다른 도면에서 설명되는 배터리팩(10) 구조에서의 방향설정과 다를 수 있다. 도 10 내지 도 13에서 설명되는 배터리모듈은, 배터리모듈의 폭방향(w+, w-)을 제1방향으로, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)을 제2방향으로 설명될 수 있다.
제1배터리모듈(100a)은, 복수의 배터리셀(101), 복수의 배터리셀(101)의 하부를 고정하는 제1프레임(110), 복수의 배터리셀(101)의 상부를 고정하는 제2프레임(130), 제1프레임(110)의 하측에 배치되고, 배터리셀(101)에서 발생되는 열을 방열하는 방열플레이트(124), 제2프레임(130) 상측에 배치되고 복수의 배터리셀(101)을 전기적으로 연결하는 복수의 버스바, 및 제2프레임(130) 상측에 배치되고 복수의 배터리셀(101)의 정보를 감지하는 센싱기판(190)을 포함한다.
제1프레임(110)과 제2프레임(130)은 복수의 배터리셀(101)을 배치를 고정할 수 있다. 제1프레임(110)과 제2프레임(130)은, 복수의 배터리셀(101)을 서로 이격되게 배치시킨다. 복수의 배터리셀(101)은 서로 이격되게 배치되므로, 이하에서 설명할 냉각팬(280)의 작동으로 복수의 배터리셀(101) 사이 공간으로 공기가 유동할 수 있다.
제1프레임(110)은 배터리셀(101)의 하단부를 고정한다. 제1프레임(110)은 복수의 배터리셀홀(112a)이 형성된 하부플레이트(112)와, 하부플레이트(112)의 상부면에서 상측으로 돌출되고, 배터리셀(101)의 배치를 고정하는 제1고정돌기(114)와, 하부플레이트(112)의 양측단에서 상측으로 돌출되는 한 쌍의 제1측벽(116)과, 하부플레이트(112)의 양단에서 상측으로 돌출되고 한 쌍의 제1측벽(116)의 양단을 연결하는 한 쌍의 제1단부벽(118)을 포함한다.
한 쌍의 제1측벽(116)은 이하에서 설명하는 제1셀어레이(102)와 평행하게 배치될 수 있다. 한 쌍의 제1단부벽(118)은, 한 쌍의 제1측벽(116)에 수직하게 배치될 수 있다.
도 13을 참조하면, 제2프레임(130)과 제1프레임(110)이 결합된 상태에서, 제2측벽(136)와 제1측벽(116)은 상하방향으로 이격배치된다. 따라서, 제2측벽(136)과 제1측벽(116) 사이로 공기가 유동하는 공간이 형성될 수 있다. 즉, 제2측벽(136)와 제1측벽(116)에 인접하게 배치되는 배터리셀(101)은 제2측벽(136)과 제1측벽(116) 사이로 형성되는 공간으로 유동하는 공기에 의해 냉각될 수 있다.
복수의 배터리셀(101)은, 제2프레임(130)과 제1프레임(110)에 고정되게 배치된다. 복수의 배터리셀(101)은 직렬과 병렬로 배치된다. 복수의 배터리셀(101)은, 제1프레임(110)의 제1고정돌기(114)와 제2프레임(130)의 제2고정돌기(134)에 의해 고정되게 배치된다.
도 12를 참조하면, 복수의 배터리셀(101)은, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)과 폭방향(w+, w-)으로 이격배치된다.
복수의 배터리셀(101)은 하나의 버스바에 병렬로 연결된 셀어레이를 포함한다. 셀어레이는 하나의 버스바에 전기적으로 병렬로 연결된 집합을 의미할 수 있다.
제1배터리모듈(100a)은 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 셀어레이(102, 103)를 포함할 수 있다. 복수의 셀어레이(102, 103)는 서로 전기적으로 직렬로 연결된다. 제1배터리모듈(100a)은 복수의 셀어레이(102, 103)가 직렬로 연결된다.
복수의 셀어레이(102, 103)는 복수의 배터리셀(101)이 일직선 상에 배치되는 제1셀어레이(102), 복수의 행과 열로 배치되는 제2셀어레이(103)를 포함할 수 있다.
제1배터리모듈(100a)은 복수의 배터리셀(101)이 일직선 상에 배치되는 제1셀어레이(102), 복수의 행과 열로 배치되는 제2셀어레이(103)를 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, 제1셀어레이(102)는, 제1배터리모듈(100a)의 길이방향(l+, l-) 좌우으로 복수의 배터리셀(101)이 배치된다. 복수의 제1셀어레이(102)는 제1배터리모듈(100a)의 폭방향(w+, w-) 전후로 배치된다.
도 12를 참조하면, 제2셀어레이(103)는, 제1배터리모듈(100a)의 폭방향(w+, w-)과 길이방향(l+, l-)으로 이격된 복수의 배터리셀(101)을 포함한다.
제1배터리모듈(100a)은, 복수의 제1셀어레이(102)가 평행하게 배치되는 제1셀그룹(105)과, 적어도 하나의 제2셀어레이(103)를 포함하고 제1셀그룹(105)의 일측에 배치되는 제2셀그룹(106)을 포함한다.
제1배터리모듈(100a)은, 복수의 제1셀어레이(102)가 직렬로 연결되는 제1셀그룹(105)과, 복수의 제1셀어레이(102)가 직렬로 연결되고, 제1셀그룹(105)과 이격배치되는 제3셀그룹(107)을 포함한다. 제2셀그룹은, 제1셀그룹(105)과 제3셀그룹(107) 사이에 배치된다.
제1셀그룹(105)은, 복수의 제1셀어레이(102)가 직렬로 연결된다. 제1셀그룹(105)은, 복수의 제1셀어레이(102)가 배터리모듈의 폭방향으로 이격배치된다. 제1셀그룹(105)에 포함된 복수의 제1셀어레이(102)는, 각각의 제1셀어레이(102)에 포함된 복수의 배터리셀(101)이 배치되는 방향에 수직한 방향으로 이격배치된다.
도 12를 참조하면, 제1셀어레이(102)와 제2셀어레이(103) 각각은 9개의 병렬로 연결되는 배터리셀(101)이 배치된다. 도 12를 참조하면, 제1셀어레이(102)는 9개의 배터리셀(101)이 배터리모듈의 길이방향으로 이격배치된다. 제2셀어레이(103)는, 9개의 배터리셀이 복수의 행과 복수의 열로 이격배치된다. 도 12를 참조하면, 제2셀어레이(103)는, 배터리모듈의 폭방향으로 이격배치된 3개의 배터리셀(101)들이 배터리모듈의 길이방향으로 이격배치된다. 여기서, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)을 열방향, 배터리모듈의 폭방향(w+, w-)을 행방향으로 설정할 수 있다.
도 12를 참조하면, 제1셀그룹(105)과 제3셀그룹(107) 각각은, 6개의 제1셀어레이(102)가 직렬로 연결되도록 배치된다. 제1셀그룹(105)과 제3셀그룹(107) 각각은, 6개의 제1셀어레이(102)가 배터리모듈의 폭방향으로 이격배치된다.
도 12를 참조하면, 제2셀그룹(106)은, 2개의 제2셀어레이(103)를 포함한다. 2개의 제2셀어레이(103)는 배터리모듈의 길이방향으로 이격배치된다. 2개의 제2셀어레이(103)는 서로 병렬로 연결된다. 2개의 제2셀어레이(103) 각각은, 이하에서 설명한 제3버스바(160)의 수평바(166)를 기준으로 서로 대칭되게 배치된다.
제1배터리모듈(100a)은 복수의 배터리셀(101) 사이에 배치되고, 복수의 배터리셀(101)을 전기적으로 연결하는 복수의 버스바를 포함한다. 복수의 버스바 각각은, 인접하게 배치되는 셀어레이에 포함된 복수의 배터리셀을 병렬로 연결한다. 복수의 버스바 각각은, 인접하게 배치되는 2개의 셀어레이를 직렬로 연결할 수 있다.
복수의 버스바는, 2개의 제1셀어레이(102)를 직렬로 연결하는 제1버스바(150), 제1셀어레이(102)와 제2셀어레이(103)를 직렬로 연결하는 제2버스바(152), 2개의 제2셀어레이(103)를 직렬로 연결하는 제3버스바(160)를 포함한다.
복수의 버스바는, 하나의 제1셀어레이(102)와 직렬로 연결되는 제4버스바(170)를 포함한다. 복수의 버스바는, 하나의 제1셀어레이(102)와 직렬로 연결되고 동일 배터리팩(10)에 포함되는 다른 배터리모듈(100b)과 연결되는 제4버스바(170)와, 하나의 제1셀어레이(102)와 직렬로 연결되고 다른 배터리팩(10)에 포함되는 하나의 배터리모듈과 연결되는 제5버스바(180)를 포함한다. 제4버스바(170)와 제5버스바(180)는 서로 동일한 형태를 가질 수 있다.
제1버스바(150)는 배터리모듈의 길이방향으로 이격배치되는 2개의 제1셀어레이(102) 사이에 배치된다. 제1버스바(150)는, 하나의 제1셀어레이(102)에 포함된 복수의 배터리셀(101)을 병렬로 연결한다. 제1버스바(150)는, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)으로 배치되는 2개의 제1셀어레이(102)를 직렬로 연결한다.
도 12를 참조하면, 제1버스바(150)를 기준으로 배터리모듈의 길이방향(l+, l-) 전방에 배치되는 제1셀어레이(102)의 배터리셀(101) 각각의 양극단자(101a)와 전기적으로 연결되고, 제1버스바(150)를 기준으로 배터리모듈의 길이방향(l+, l-) 후방에 배치되는 제1셀어레이(102)의 배터리셀(101) 각각의 음극단자(101b)와 전기적으로 연결된다.
도 12를 참조하면, 배터리셀(101)은, 상단부에서 양극단자(101a)와 음극단자(101b)가 구획되어 배치된다. 배터리셀(101)은, 원형으로 형성된 상단면을 중앙에 양극단자(101a)가 배치되고, 양극단자(101a)의 둘레부분에서 음극단자(101b)가 배치된다. 복수의 배터리셀(101) 각각은 셀커넥터(101c, 101d)로 복수의 버스바 각각에 연결될 수 있다.
제1버스바(150)는, 직선바 형태를 가진다. 제1버스바(150)는, 2개의 제1셀어레이(102) 사이에 배치된다. 제1버스바(150)는, 일측에 배치되는 제1셀어레이(102)에 포함된 복수의 배터리셀(101)의 양극단자에 연결되고, 타측에 배치되는 제1셀어레이(102)에 포함된 복수의 배터리셀(101)의 음극단자에 연결된다.
제1버스바(150)는, 제1셀그룹(105)과 제3셀그룹(107)에 배치되는 복수의 제1셀어레이(102) 사이에 배치된다.
제2버스바(152)는, 제1셀어레이(102)와 제2셀어레이(103)를 직렬로 연결한다. 제2버스바(152)는, 제1셀어레이(102)와 연결되는 제1연결바(154)와, 제2셀어레이(103)와 연결되는 제2연결바(156)를 포함한다. 제2버스바(152)는, 제1연결바(154)와 수직하게 배치된다. 제2버스바(152)는, 제1연결바(154)로부터 연장되고, 제2연결바(156)와 연결되는 연장부(158)를 포함한다.
제1연결바(154)는 제1셀어레이(102)의 일측에 배치된다. 제1연결바(154)는, 배터리모듈의 길이방향으로 연장되는 직선바 형태를 가진다. 연장부(158)는, 제1연결바(154)가 연장되는 방향으로 연장되는 직선바 형태를 가진다.
제2연결바(156)는, 제1연결바(154)와 수직하게 배치된다. 제2연결바(156)는 배터리모듈의 폭방향(w+, w-)으로 연장되는 직선바 형태를 가진다. 제2연결바(156)는 제2셀어레이(103)에 포함되는 복수의 배터리셀(101)의 일측에 배치될 수 있다. 제2연결바(156)는 제2셀어레이(103)에 포함되는 복수의 배터리셀(101)의 사이에 배치될 수 있다. 제2연결바(156)는, 배터리모듈의 폭방향(w+, w-)으로 연장되며, 일측 또는 양측에 배치되는 배터리셀(101)과 연결된다.
제2연결바(156)는, 제2-1연결바(156a)와, 제2-1연결바(156a)에 이격되게 배치되는 제2-2연결바(156b)를 포함한다. 제2-1연결바(156a)는 복수의 배터리셀(101)의 사이에 배치되고, 제2-2연결바(156b)는 복수의 배터리셀(101)의 일측에 배치된다.
제3버스바(160)는, 서로 이격되게 배치되는 2개의 제2셀어레이(103)를 직렬로 연결한다. 제3버스바(160)는, 복수의 제2셀어레이(103) 중 하나의 셀어레이에 연결되는 제1수직바(162), 복수의 제2셀어레이(103) 중 다른 하나의 셀어레이에 연결되는 제2수직바(164), 복수의 제2셀어레이(103) 사이에 배치되고, 제1수직바(162)와 제2수직바(164)가 연결되는 수평바(166)를 포함한다. 제1수직바(162)와 제2수직바(164)는 수평바(166)를 기준으로 서로 대칭되게 배치될 수 있다.
제1수직바(162)는, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)으로 이격된 복수개가 배치될 수 있다. 도 12를 참조하면, 제1수직바(162)는, 제1-1수직바(162a)와, 제1-1수직바(162a)와 배터리모듈의 길이방향으로 이격배치되는 제1-2수직바(162b)를 포함할 수 있다.
제2수직바(164)는, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)으로 이격된 복수개가 배치될 수 있다. 도 12를 참조하면, 제2-1수직바(164a)와, 제2-1수직바(164a)와 배터리모듈 길이방향으로 이격되는 제2-2수직바(164b)를 포함할 수 있다.
제1수직바(162) 또는 제2수직바(164)는 제2버스바(152)의 제2연결바(156)와 평행하게 배치될 수 있다. 제2셀어레이(103)에 포함된 배터리셀(101)은 제1수직바(162)와 제2연결바(156) 사이에 배치될 수 있다. 마찬가지로, 제2셀어레이(103)에 포함된 배터리셀(101)은 제2수직바(164)와 제2연결바(156) 사이에 배치될 수 있다.
제1배터리모듈(100a)은 동일 배터리팩(10)에 포함되는 제2배터리모듈(100b)과 연결되는 제4버스바(170)와, 다른 배터리팩(10)에 포함되는 하나의 배터리모듈과 연결되는 제5버스바(180)를 포함한다.
제4버스바(170)는 동일 배터리팩(10)에 포함된 다른 하나의 배터리모듈인 제2배터리모듈(100b)과 연결된다. 즉, 제4버스바(170)는 이하에서 설명할 대전류버스바(196)를 통해 동일 배터리팩(10)에 포함된 제2배터리모듈(100b)과 연결된다.
제5버스바(180)는 다른 배터리팩(10)과 연결된다. 즉, 제5버스바(180)는 이하에서 설명할 파워선(198)을 통해 다른 배터리팩(10)에 포함된 배터리모듈과 연결될 수 있다.
제4버스바(170)는, 제1셀어레이(102)의 일측에 배치되고, 제1셀어레이(102)에 포함된 복수의 배터리셀(101)을 병렬로 연결하는 셀연결바(172)와, 셀연결바(172)에서 수직하게 절곡되어 제2프레임(130)의 단부벽을 따라 연장되는 추가연결바(174)를 포함한다.
셀연결바(172)는, 제2프레임(130)의 제2측벽(136)에 배치된다. 셀연결바(172)는, 제2측벽(136)의 외둘레 일부를 감싸도록 배치될 수 있다. 추가연결바(174)는, 제2프레임(130)의 제2단부벽(138)의 외측으로 배치된다.
추가연결바(174)는, 대전류버스바(196)가 연결되는 연결걸이(176)를 포함한다. 연결걸이(176)는, 상측으로 개구된 홈(178)이 형성된다. 대전류버스바(196)는 홈(178)을 통해 연결걸이(176)에 안착될 수 있다. 대전류버스바(196)는 연결걸이(176)에 안착된 상태에서 별도의 체결나사를 통해 연결걸이(176)에 고정되게 배치될 수 있다.
제5버스바(180)는 제4버스바와 동일한 구성 및 형태를 가질 수 있다. 즉, 제5버스바(180)는, 셀연결바(182)와 추가연결바(184)를 포함한다. 제5버스바(180)의 추가연결바(184)는, 파워선(198)의 단자(198a)가 연결되는 연결걸이(186)를 포함한다. 연결걸이(186)는 파워선(198)의 단자(198a)가 삽입되는 홈(188)이 형성된다.
센싱기판(190)은 제1배터리모듈(100a) 내부에 배치되는 복수의 버스바와 전기적으로 연결된다. 센싱기판(190)은 복수의 제1버스바(150), 복수의 제2버스바(152), 제3버스바(160), 및 복수의 제4버스바(170) 각각과 전기적으로 연결될 수 있다. 센싱기판(190)은 복수의 버스바 각각과 연결되어, 복수의 셀어레이에 포함된 복수의 배터리셀(101)의 전압, 전류값 등의 정보를 파악할 수 있다.
센싱기판(190)은, 사각형의 링형상을 가질 수 있다. 센싱기판(190)은 제1셀그룹(105)과 제3셀그룹(107) 사이에 배치될 수 있다. 센싱기판(190)은 제2셀그룹(106)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 센싱기판(190)은 제2버스바(152)와 일부 중첩되도록 배치될 수 있다.
도 14는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈들 및 배터리팩회로기판의 분해사시도이고, 도 15a는 도 14이 결합된 상태의 일측면도이며, 도 15b는 도 14이 결합된 상태의 타측면도이다.
도 14 내지 도 15b를 참조하면, 배터리팩(10)은, 배터리모듈(100a, 100b)의 상부에 배치되고, 배터리모듈(100a, 100b)을 고정시키는 상부고정브라켓(200), 배터리모듈(100)의 하부에 배치되고, 배터리모듈(100a, 100b)을 고정시키는 하부고정브라켓(210), 상부고정브라켓(200)의 상측에 배치되고 배터리모듈(100a, 100b)의 센싱정보를 수집하는 배터리팩 회로기판(220), 배터리팩 회로기판(220)을 상부고정브라켓(200)으로부터 이격시키는 스페이서(222)를 포함한다.
상부고정브라켓(200)은, 배터리모듈(100a, 100b)의 상측에 배치된다. 상부고정브라켓(200)은, 배터리모듈(100a, 100b)의 상측의 적어도 일부를 커버하는 어퍼보드(202), 어퍼보드(202)의 전방단부에서 하측방향으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 전방부와 접촉하게 배치되는 제1어퍼홀더(204a), 어퍼보드(202)의 후방단부에서 하측방향으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 후방부와 접촉하게 배치되는 제2어퍼홀더(204b), 어퍼보드(202)의 일측단부에서 하측으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 일측과 결합되는 제1어퍼마운터(206a), 어퍼보드(202)의 타측단부에서 하측으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 타측과 결합되는 제2어퍼마운터(206b), 어퍼보드(202)의 후방단부에서 상측으로 절곡되는 후방밴더(208)를 포함한다.
어퍼보드(202)는 배터리모듈(100a, 100b)의 상측에 배치된다. 제1어퍼마운터(206a)와 제2어퍼마운터(206b) 각각은 배터리모듈(100a, 100b)의 전방과 후방을 감싸도록 배치된다. 따라서, 제1어퍼마운터(206a)와 제2어퍼마운터(206b)은, 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)이 결합된 상태를 유지시킬 수 있다.
어퍼보드(202)의 일측단부에는 전후방향으로 이격된 한 쌍의 제1어퍼마운터(206a)가 배치된다. 어퍼보드(202)의 타측단부에는 전후방향으로 이격된 한 쌍의 제2어퍼마운터(206b)가 배치된다.
한 쌍의 제1어퍼마운터(206a)는 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)에 형성되는 제1체결홀(123)에 결합된다. 한 쌍의 제1어퍼마운터(206a) 각각에는 제1체결홀(123)에 대응하는 위치에서 제1어퍼마운터홀(206ah)이 형성된다. 마찬가지로, 한 쌍의 제2어퍼마운터(206b)는 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)에 형성되는 제1체결홀(123)에 결합되고, 제1체결홀(123)에 대응하는 위치에서 제2어퍼마운터홀(206bh)이 형성된다.
제1어퍼홀더(204a), 제2어퍼홀더(204b), 제1어퍼마운터(206a), 및 제2어퍼마운터(206b)에 의해 상부고정브라켓(200)이 배터리모듈(100a, 100b)의 상측에서 위치가 고정될 수 있다. 즉, 상기의 구조에 의해, 상부고정브라켓(200)이 배터리모듈(100a, 100b)의 구조를 유지시킬 수 있다.
상부고정브라켓(200)은 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b) 각각의 제1프레임(110)에 고정된다. 상부고정브라켓(200)의 제1어퍼마운터(206a)와 제2어퍼마운터(206b) 각각은, 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b) 각각의 제1프레임(110)에 형성된 제1체결홀(123)에 고정된다.
후방밴더(208)는, 이하에서 설명될 탑커버(230)를 고정할 수 있다. 후방밴더(208)는 탑커버(230)의 후방벽(234)에 고정될 수 있다. 후방밴더(208)는 탑커버(230)의 후방이동을 제한할 수 있다. 따라서, 탑커버(230)와 상부고정브라켓(200)의 체결을 용이하게 할 수 있다.
하부고정브라켓(210)은, 배터리모듈(100a, 100b)의 하측에 배치된다. 하부고정브라켓(210)은, 배터리모듈(100a, 100b)의 하부의 적어도 일부를 커버하는 로어보드(212), 로어보드(212)의 전방단부에서 상측방향으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 전방부와 접촉하게 배치되는 제1로어홀더(214a), 로어보드(212)의 후방단부에서 상측방향으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 후방부와 접촉하게 배치되는 제2로어홀더(214b), 로어보드(212)의 일측단부에서 상측으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 일측과 결합되는 제1로어마운터(216a), 로어보드(212)의 타측단부에서 상측으로 절곡되고 배터리모듈(100)의 타측과 결합되는 제2로어마운터(216b)를 포함한다.
제1로어마운터(216a)와 제2로어마운터(216b) 각각은 배터리모듈(100a, 100b)의 전방과 후방을 감싸도록 배치된다. 따라서, 제1로어마운터(216a)와 제2로어마운터(216b)은, 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)이 결합된 상태를 유지시킬 수 있다.
로어보드(212)의 일측단부에는 전후방향으로 이격된 한 쌍의 제1로어마운터(216a)가 배치된다. 로어보드(212)의 타측단부에는 전후방향으로 이격된 한 쌍의 제2로어마운터(216b)가 배치된다.
한 쌍의 제1로어마운터(216a)는 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)에 형성되는 제1체결홀(123)에 결합된다. 한 쌍의 제1로어마운터(216a) 각각에는 제1체결홀(123)에 대응하는 위치에서 제1로어마운터홀(216ah)이 형성된다. 마찬가지로, 한 쌍의 제2로어마운터(216b)는 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)에 형성되는 제1체결홀(123)에 결합되고, 제1체결홀(123)에 대응하는 위치에서 제2로어마운터홀(216bh)이 형성된다.
하부고정브라켓(210)은 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b) 각각의 제1프레임(110)에 고정된다. 하부고정브라켓(210)의 제1로어마운터(216a)와 제2로어마운터(216b) 각각은, 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b) 각각의 제1프레임(110)에 형성된 제1체결홀(123)에 고정된다.
배터리팩 회로기판(220)은, 상부고정브라켓(200)의 상측에 고정되게 배치될 수 있다. 배터리팩 회로기판(220)은 센싱기판(190), 버스바, 또는 이하에서 설명할 써미스터(미도시)와 연결되어 배터리팩(10) 내부에 배치되는 복수의 배터리셀(101)의 정보를 수신할 수 있다. 배터리팩 회로기판(220)은 복수의 배터리셀(101)의 정보를 이하에서 설명할 메인회로기판(34a)으로 전달할 수 있다.
복수의 배터리셀(101) 중 일부에는, 배터리셀(101)의 온도를 측정하는 써미스터와, 써미스터의 배치를 배터리셀(101)의 외둘레에 고정하는 장착고리(미도시)가 배치된다. 써미스터는 복수의 배터리셀(101) 중에서 주로 온도가 상승하는 부분에 배치되는 배터리셀(101)에 배치될 수 있다.
써미스터는 신호선(미도시)을 통해 배터리팩 회로기판(220)과 연결된다. 써미스터는 배터리팩 회로기판(220)으로 배터리셀(101)에서 감지된 온도정보를 송신할 수 있다. 배터리팩(10)은 써미스터(224)로부터 파악되는 온도정보를 바탕으로 냉각팬(280)의 회전속도를 조절할 수 있다.
배터리팩 회로기판(220)은 상부고정브라켓(200)으로부터 상측으로 이격배치될 수 있다. 배터리팩 회로기판(220)과 상부고정브라켓(200) 사이에는, 배터리팩 회로기판(220)을 상부고정브라켓(200)으로부터 상측으로 이격시키는 복수의 스페이서(222)가 배치된다. 복수의 스페이서(222)는 배터리팩 회로기판(220)의 엣지부분에 배치될 수 있다.
도 16은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩 및 배터리관리기의 연결에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 16을 참조하면, 수신되는 전기 에너지를 직류형태로 저장하거나, 저장되어 있는 전기 에너지를 출력하는 배터리(35)는 복수의 배터리팩(10)을 포함할 수 있다. 각 배터리팩(10)은, 직병렬로 연결된 복수의 배터리셀(101)을 포함한다.
상기 배터리팩(10)은 상기 복수의 배터리셀(101)이 직렬과 병렬로 연결되는 배터리모듈들(100a, 100b)을 포함하고, 상기 배터리모듈들(100a, 100b)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
배터리셀(101)을 직렬로 연결하여 전압을 증가시키고 병렬로 연결하여 용량을 증가시킬 수 있다. 전압과 용량을 모두 증가시키기 위해, 배터리셀(101)을 직병렬로 연결할 수 있다.
한편, 상기 배터리(35)의 상태 정보를 모니터링하는 배터리관리기(34)는, 상기 복수의 배터리팩(10) 각각에 배치되고, 각 배터리팩(10)에 포함되는 복수의 배터리셀(101)의 상태 정보를 획득하는 배터리팩 회로기판들(220)과 상기 배터리팩 회로기판들(220)과 통신선(36)으로 연결되고, 상기 배터리팩 회로기판들(220)로부터 각 배터리팩(10)에서 획득된 상태 정보를 수신하는 메인회로기판(34a)을 포함한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는, 수신되는 전기 에너지를 직류형태로 저장하거나, 저장되어 있는 전기 에너지를 출력하는 배터리(35), 상기 배터리(35)의 충전 또는 방전을 위해 전기적 특성을 변환시키는 전력변환기(32), 및, 상기 배터리(35)의 상태 정보를 모니터링하는 배터리관리기(34)를 포함하고, 상기 배터리(35)는, 각각 복수의 배터리셀(101)을 포함하는 복수의 배터리팩(10)을 포함하며, 상기 배터리관리기(34)는, 상기 복수의 배터리팩(10) 각각에 배치되고, 각 배터리팩(10)에 포함되는 복수의 배터리셀(101)의 상태 정보를 획득하는 배터리팩 회로기판들(220), 및, 상기 배터리팩 회로기판들(220)과 통신선으로 연결되고, 상기 배터리팩 회로기판들(220)로부터 각 배터리팩(10)에서 획득된 상태 정보를 수신하는 메인회로기판(34a)을 포함한다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 배터리(35) 관리를 위한 구성(특히 안전 제어를 위한 구성)을 포함하는 제어 회로(34a)와 배터리셀 센싱 회로(220)를 분리하여 설계함으로써, 배터리관리기(34)의 주요 기능을 수행하고, 복수의 배터리팩(10)을 관리하는 제어 회로(34a)를 보호할 수 있다.
배터리관리기(34)는 안전 제어를 위한 회로 중 마이컴 유닛(1780)을 포함한 주요 부품으로 구성한 회로는 별도로 구성할 수 있다. 예를 들어, 4개의 배터리팩(10)이 연결되어 구성되는 경우에, 배터리관리기(34)는 마이컴 유닛(1780)을 포함하는 1개의 제어회로부 블록(34a)과 4개의 배터리부 블록(220)으로 설계될 수 있다.
배터리팩(10) 내부 문제로 인한 단락시 배터리셀(101)과 직접 연결되는 배터리부 블록(220)은 데미지를 입을 수 있다. 그러나 안전 제어 회로(34a)는 독립 설계되어 데미지없이 보호될 수 있다.
또한, 제어 회로(34a)와 배터리셀 센싱 회로(220)를 분리하여 구성함으로써, 각 회로기판(34a, 220)을 더 작게 만들 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 배터리팩 회로기판들(220)에서 상기 메인회로기판(34a)으로 전달되는 상태 정보는 전류, 전압, 온도 데이터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 상태 정보 중 일부는 상기 메인회로기판(34a)에 실장된 센서에서 측정될 수도 있다.
상기 배터리팩 회로기판들(220)은, 배터리셀(101)의 전압, 전류, 온도에 대한 센싱 및 인터페이스 보드로, 상기 배터리팩 회로기판들(220)에는, 복수의 배터리셀(101)의 전압, 전류, 온도 데이터를 획득하는 부품과 상기 메인회로기판(34a)으로 획득된 데이터를 전달하기 위한 인터페이스 부품이 실장될 수 있다. 복수의 배터리셀(101)의 전압, 전류, 온도 데이터는, 상기 배터리팩 회로기판들(220)에 실장된 센서에서 직접 획득되거나, 상기 배터리셀(101) 측에 배치되는 센서로부터 상기 배터리팩 회로기판들(220)에 전달될 수 있다.
상기 복수의 배터리팩(10)은 파워선(198)으로 직렬연결된다. 상기 파워선(198)은 상기 메인회로기판(34a)에 연결된다. 즉, 상기 복수의 배터리팩(10)과 상기 메인회로기판(34a)은 파워선(198)으로 연결되고, 상기 메인회로기판(34a)에는 상기 복수의 배터리팩(10)의 전압들이 합쳐져서 인가된다. 예를 들어, 4kWh인 배터리팩이 복수개 직렬로 연결되어 케이싱(12) 내부에 배치될 수 있다. 4kWh인 배터리팩(10)을 2개 연결하여 8kWh, 3개 연결하여 12kWh, 4개 연결하여 16kWh의 조합을 구현할 수 있다.
상기 배터리모듈들(100a, 100b)이 2개 결합하여 배터리모듈 어셈블리(100)를 형성하고, 상기 배터리팩 회로기판(220)은 상기 배터리모듈 어셈블리(100)의 상측에 배치될 수 있다.
한편, 상기 메인회로기판(34a)의 상측에는 상기 배터리(35)의 충전 또는 방전을 위해 전기적 특성을 변환시키는 전력변환기(32)가 배치될 수 있다.
도 17은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리관리기의 회로 블록도로, 안전 제어와 관련된 회로 부품들을 도시한 것이다.
도 17을 참조하면, 배터리관리기(34)는, 배터리(35)의 양극(BAT+)과 상기 전력변환기(32)의 양극(PCS+) 사이에 배치되는 제1릴레이(RELAY+)(1720)와 상기 배터리(35)의 음극(BAT-)과 상기 전력변환기(32)의 음극(PCS-) 사이에 배치되는 제2릴레이(RELAY-)(1710)를 포함할 수 있다. 릴레이들(1710, 1720)을 2개 구비함으로써, 어느 하나에 문제가 발생하더라도 릴레이들(1710, 1720) 중 적어도 하나를 오프시켜 나머지 회로를 보호하는 안전 제어를 이상없이 수행할 수 있다.
한편, 배터리관리기(34)는, 상기 제1릴레이(1720)와 상기 전력변환기(32)의 양극(PCS+) 사이 제1노드(A)의 전압을 감지하는 제1전압센서(1760)와 상기 제1릴레이(1720)와 상기 배터리(35)의 양극(BAT+) 사이 제2노드(B)의 전압을 감지하는 제2전압센서(1750)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제1노드(A)의 전압이 기준치 이상이면, 상기 제1,2릴레이(1720, 1710)가 오프되고, 상기 제1노드(A)의 전압이 기준치 미만이면, 상기 제1,2릴레이가 온(1720, 1710)될 수 있다.
즉, 과전압으로 판정하는 과전압 기준치가 설정되고, 상기 마이컴 유닛(1780)은, 상기 제1노드(A)의 전압이 기준치 이상이면, 상기 제1,2릴레이(1720, 1710)를 모두 오프시킴으로써, 안전하게 과전압을 차단할 수 있다.
한편, 어느 한 전압센서(1750, 1760)가 고장이 나더라도 나머지 하나가 해당 노드의 전압을 감지할 수 있다. 이에 따라, 마이컴 유닛(1780)은 각 노드(A,B)에 설정된 과전압 기준치 도달여부에 따라 릴레이들(1720, 1710)을 오프시키는 안전 제어를 수행할 수 있다.
한편, 배터리관리기(34)는 전반적인 동작을 제어하는 마이컴 유닛(1780)을 포함할 수 있다. 상기 마이컴 유닛(1780)은, 싱기 제1전압센서(1760)와 상기 제2전압센서(1750)에서 감지되는 전압 데이터에 기초하여, 상기 제1릴레이(1720)와 상기 제2릴레이(1710)를 제어할 수 있다.
한편, 상기 마이컴 유닛(1780)과 전압센서들(1750, 1760) 사이에는 신호 증폭을 위한 OP AMP들(1755, 1765)이 배치될 수 있다.
상기 제1릴레이(1720), 상기 제2릴레이(1710), 싱기 제1전압센서(1760), 상기 제2전압센서(1750), 및 상기 마이컴 유닛(1750)은 상기 메인회로기판(34a)에 실장(mounting)될 수 있다.
한편, 상기 배터리관리기(34)는, 상기 배터리(35)의 양극(BAT+)과 상기 전력변환기(32)의 양극(PCS+) 사이에 배치되는 제1전류센서(1740), 및, 상기 배터리(35)의 음극(BAT-)과 상기 전력변환기(32)의 음극(PCS-) 사이에 배치되는 제2전류센서(1730)를 더 포함할 수 있다. 전류센서들(1740, 1730)은 각각 배치된 라인의 전류량을 측정할 수 있다. 이에 따라, 어느 한 전류센서(1730, 1740)가 고장이 나더라도 나머지 하나가 해당 라인에 흐르는 전류를 감지함으로써, 마이컴 유닛(1780)은 안전 제어를 수행할 수 있다.
도 18은 본 개시의 일 실시 예에 따른 릴레이 고장 진단에 관한 설명에 참조되는 도면이다. 도 18은 제1릴레이(1720) 동작시, 제1노드(A)에서 센싱되는 전압(relay OUT)과 제2노드(B)에서 센싱되는 전압(relay IN)에 따른 판단(State, Note) 예를 테이블 형태로 도시한 것이다.
도 18을 참조하면, 상기 마이컴 유닛(1780)은 과전압 기준치(예를 들어, 500V, 460V) 이상의 과전압이 제1모드(A)에서 발생하게 되면 폴트(Fault)로 감지할 수 있다.
도 18을 참조하면, 상기 마이컴 유닛(1780)은, 상기 제1릴레이(1720)를 오프시켰을 때, 상기 제1노드(A)의 전압(relay OUT)이 하이(high)이면, 상기 제1릴레이(1720) 고장으로 판별할 수 있다.
또한, 상기 마이컴 유닛(1780)은, 상기 제1릴레이(1720)를 온시켰을 때, 상기 제1노드(A)의 전압이 로우(low)이면, 상기 제1릴레이(1720) 고장으로 판별할 수 있다.
상기 제1릴레이(1720)를 오프시키면, 상기 제2노드(B)에만 전압이 발생되어야 한다. 따라서, 상기 제1노드(A)에 전압이 발생된다면 릴레이 고장으로 판단할 수 있다.
상기 제1릴레이(1720)를 오프시켜 상기 제2노드(B)에만 전압이 발생되고 상기 제1노드(A)에는 전압이 발생 되지 않는다면 릴레이 정상 동작으로 판별할 수 있다.
상기 제1릴레이(1720)를 온시켰을 때, 상기 제1,2노드(A,B) 모두 전압이 발생한다면 정상 동작으로 판별할 수 있다.
상기 제1릴레이(1720)를 온시켰을 때, 상기 제1,2노드(A,B) 모두 전압이 발생 되야 하지만 상기 제2노드(B)에만 전압이 발생되면 릴레이 고장으로 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 마이컴 유닛(1780)은, 상기 제2노드(B)가 로우인 경우에는 뒷단(C)에 문제가 있는 것으로 판별하고 폴트(fault)를 생성할 수 있다. 한편, 배터리(35)의 출력 전압(C)은 배터리팩회로기판(220)에서 센싱되어 전달되거나, 메인회포기판(34a)의 파워 입력단에서 센싱될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 상기 마이컴 유닛(1780)은, 싱기 제1전압센서(1760)와 상기 제2전압센서(1750)에서 감지되는 전압 데이터, 및, 상기 배터리팩 회로기판들(220)로부터에 수신되는 전압 데이터에 기초하여, 상기 제1릴레이(1720)와 상기 제2릴레이(1710)를 제어할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 싱기 전압센서(1760, 1750), 싱기 전류센서(1740, 1730)의 센싱 데이터가 설정된 정상 범위를 벗어나면, 제품 보호를 위하여 제1,2릴레이(1720, 1710)이 오프되어 전력선을 차단시킨다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 전력선이 차단된 상태에서, 노드들(A, B, C)의 전압 센싱을 통해 안전상태 확인 후 다시 제1,2릴레이(1720, 1710)를 온시켜, 자동 복귀(Automatic recovery )할 수 있다.
도 19는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리관리기의 동작 방법에 관한 순서도이다.
도 19를 참조하면, 과전류(or 단락), 과전압 등 이상 상황이 발생하면(S1910), 보호(Protection) 동작으로써, 마이컴 유닛(1780)은 제1,2릴레이(1720, 1710)를 오프시킨다(S1920). 즉, 센서들(1730, 1740, 1750, 1760)에서 센싱되는 데이터가 설정된 정상 범위를 벗어나면(S1910), 제품 보호를 위하여 제1,2릴레이(1720, 1710)이 오프되어 전력선을 차단시킨다(S1920).
한편, 마이컴 유닛(1780)은 제1,2전압센서(1760, 1750)에서 감지되는 전압을 모니터링한다(S1930).
마이컴 유닛(1780)은, 외부 요인의 안정 상태를 모니터링하여(S1930), 문제가 없으면(S1940), 제1,2릴레이(1720, 1710)를 다시 온시킬 수 있다. 이는 일시적인 단락 혹은 과전압으로 인한 불량 발생시, 정상동작을 위한 서비스 신청을 하지 않고도, 자동 복귀하는 기능이다. 이에 따라, 순간적인 이상이 해소된 경우에, 작업자가 파견되어 직접 제품을 다시 동작시킬 필요없이 에너지 저장장치(1)는 자동으로 정상 동작으로 복귀할 수 있다.
도 20은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리관리기의 회로 블록도이다. 도 20은, 도 17을 참조하여 설명한 실시 예에 추가적인 안전 설계가 추가된 것으로, 이하에서는 차이점을 위주로 설명한다.
도 20은 응답성이 빠른 안전장치 추가로 안전성을 높인 구조로, 배터리관리기(34)는 도 17의 이중 전압 센싱 구조(1750, 1760)에 고전압감지기(Voltage Detector)(2010)를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리관리기(34)는, 상기 제2전압센서(1750)와 상기 마이컴 유닛(1780) 사이에 배치되는 고전압감지기(2010)를 더 포함하고, 상기 고전압감지기(2010)의 출력은 상기 마이컴 유닛(1780)의 외부 인터럽트 핀(External Interrupt Pin)에 연결될 수 있다. 상기 외부 인터럽트 핀에 소정 신호가 입력되면, 상기 제1,2릴레이(1720, 1710)가 오프될 수 있다.
고전압감지기(2010)는 마이컴 유닛(1780)의 한 핀에 연결되고, 상기 고전압감지기(2010)가 연결된 핀은, 마이컴 유닛(1780)의 판단 과정이 필요없는 외부 인터럽트 핀(External Interrupt Pin)으로 사용될 수 있다.
상기 고전압감지기(2010)가 연결된 핀을 활용하여 하드웨어(HW)적인 전압 센싱 구조 추가로 이상 발생 소프트웨어(SW) 처리로 인한 지연(Delay) 시간보다 빠르게 처리할 수 있다.
외부 인터럽트 핀은, 마이컴 유닛(1780)을 재부팅할 때 에러를 판단할 수 있는 핀이다. 예를 들어, 외부 인터럽트 핀의 디폴트(default) 상태는 하이(high)로, 과전압시 로우 신호가 입력된다. 외부 인터럽트 핀에 로우 신호가 입력되면, 소프트웨어적인 고장 판단을 생략하고, 즉시 상기 제1,2릴레이(1720, 1710)가 오프될 수 있다.
한편, 상기 마이컴 유닛(1780)과 고전압감지기(2010) 사이에는 신호 증폭을 위한 OP AMP(2015)가 배치될 수 있다.
도 21은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리관리기의 회로 블록도로, 배터리관리기(34)는 도 17의 이중 전압 센싱 구조(1750, 1760)에 고전압감지기(2110)를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리관리기(34)는, 상기 제1전압센서(1760)와 상기 마이컴 유닛(1780) 사이에 배치되는 고전압감지기(2010)를 더 포함하고, 상기 고전압감지기(2110)의 출력은 상기 마이컴 유닛(1780)의 외부 인터럽트 핀(External Interrupt Pin)에 연결될 수 있다. 상기 외부 인터럽트 핀에 소정 신호가 입력되면, 상기 제1,2릴레이(1720, 1710)가 오프될 수 있다.
고전압감지기(2010)는 마이컴 유닛(1780)의 한 핀에 연결되고, 상기 고전압감지기(2010)가 연결된 핀은, 마이컴 유닛(1780)의 판단 과정이 필요없는 외부 인터럽트 핀(External Interrupt Pin)으로 사용될 수 있다.
외부 인터럽트 핀은, 마이컴 유닛(1780)을 재부팅할 때 에러를 판단할 수 있는 핀으로, 소정 신호가 입력되면, 소프트웨어적인 고장 판단을 생략하고, 즉시 상기 제1,2릴레이(1720, 1710)가 오프될 수 있다.
한편, 상기 마이컴 유닛(1780)과 고전압감지기(2110) 사이에는 신호 증폭을 위한 OP AMP(2115)가 배치될 수 있다.
도 22는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리관리기의 회로 블록도이다. 배터리관리기(34)는 도 22의 실시 예에 물리적 안전장치(2210, 2220)를 더 포함할 수 있다.
도 22를 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는, 상기 제1릴레이(1720)와 상기 배터리(35)의 양극(BAT+) 사이에 배치되는 서킷 브레이커(circuit breaker)(2220)를 더 포함할 수 있다. 과전압이 발생하게 되면 서킷 브레이커(2220)가 오프됨으로써, 과전압 방지가 가능하다.
도 22를 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는, 상기 제2릴레이(1710)와 상기 배터리(35)의 음극(BAT-) 사이에 배치되는 퓨즈(fuse)(2210)를 더 포함할 수 있다. 퓨즈(2210)는 과전류가 발생하게 되면 단락됨으로써, 소프트웨어적인 판단 과정없이 빠르게 보호 동작이 수행될 수 있다.
이와 같이, 과전압/과전류 보호 장치(2210, 22)를 추가하여 안전성을 더욱 높일 수 있다.
도 23은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리관리기의 회로 블록도로, 파워(power) 온(on)과 관련된 회로 부품들을 도시한 것이다. 도 24는 본 개시의 일 실시 예에 따른 전원 공급 시퀀스(sequence)를 예시한 도면이다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 수신되는 전기 에너지를 직류형태로 저장하거나, 저장되어 있는 전기 에너지를 출력하는 배터리(35), 상기 배터리(35)의 충전 또는 방전을 위해 전기적 특성을 변환시키는 전력변환기(32), 및, 상기 배터리(35)의 상태 정보를 모니터링하는 배터리관리기(34)를 포함하고, 상기 배터리관리기(34)로 기설정된 복수의 입력이 있으면, 상기 전력변환기(32)로 전원이 공급되고, 상기 배터리관리기(34)로 기설정된 하나의 입력이 있으면, 상기 전력변환기(32)로의 전원 공급이 차단된다. 즉, 파워 온은 멀티 스텝(multi step)으로 수행되고, 파워 오프는 원 스텝(one step)으로 수행될 수 있다.
도 23을 참조하면, 배터리(35)의 출력은 배터리괸리기(34) 내부 부품의 구동 전압 공급을 위한 파워 서플라이(2330)에 연결될 수 있다. 파워 서플라이(2330)는 입력 전압을 강하하여 출력하는 SMPS(Switching Mode Power Supply)일 수 있다.
한편, 배터리(35)는 복수의 배터리팩(10)이 직렬로 연결될 수 있다. 예들 들어, 4개의 배터리팩(10)이 직렬로 연결되어 300 내지 500V의 dc 전압을 출력할 수 있다. 도 23에서는 배터리(35)는 360V dc전압을 출력하고, 파워 서플라이(2330)는 16.4V dc전압을 전원 스위치들(SW1, SW2)로 출력할 수 있다(S1).
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 배터리관리기(34)로 기설정된 복수의 입력이 있으면, 상기 전력변환기(23)로 전원이 공급되고, 상기 배터리관리기(34)로 기설정된 하나의 입력이 있으면, 상기 전력변환기(32)로의 전원 공급이 차단된다.
즉, 안전을 위해, 파워 온은, 멀티 스텝(multi step)으로 수행될 수 있다. 안전을 위해, 파워 오프는 원 스텝(one step)으로 수행될 수 있다.
파워 온/오프와 관련된 스텝(step)은 스위치(SW1, SW2) 조작을 수행될 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는 복수의 전원 스위치(SW1, SW2)를 포함할 수 있다.
도 25는 본 개시의 일 실시 예에 따른 전원 스위치들에 대한 설명에 참조되는 도면이다. 도 25를 참조하면, 복수의 전원 스위치(22a(SW1), 22b(SW2))가 배터리(35), 배터리관리기(34), 전력변환기(32)가 배치되는 공간을 형성하는 케이싱(12)의 양측벽 중 하나(10)에 배치될 수 있다.
파워 온을 위한 상기 기설정된 복수의 입력은 상기 복수의 스위치(SW1, SW2)를 순서대로 하나씩 누르는 입력일 수 있다. 또한, 파워 오프를 위한 상기 기설정된 하나의 입력은 상기 복수의 스위치(SW1, SW2)를 중 어느 하나를 누르는 입력일 수 있다.
많은 전자 제품에서 파워 제어 설계와 관련하여 통상적으로 원 버튼(one button(Single Power control))을 통해 파워가 온/오프되도록 설계하였다, 하지만, 에너지 저장장치(1)는 화재 등 사고 발생의 위험이 있어 안전 설계가 다른 제품보다 중요하다. 설치자 또는 고객의 부주의 등으로 인해 파워 원 버튼이 눌리면 쇼트(Short) 등 안전상의 이슈가 발생될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 배터리관리기(34)의 파워 제어 설계를 멀티 스텝(multi step)으로 설계함으로써, 설치자 및 고객의 안전을 확보하고 배터리관리기(34)가 외부의 서지(Surge), 노이즈(Noise)로부터 손상받는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 안전성이 더욱 강화될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 파워 온(Power ON)의 경우에 멀티 스텝(multi step)으로 부주의로 인한 의도치 않은 파워 온을 방지할 수 있다. 또한, 파워 오프(Power OFF)의 경우에 원 스텝(One-Step) 제어설계로 위험상황 발생시 즉각 오프(OFF)되도록 구성할 수 있다.
한편, 더욱 바람직하게 상기 복수의 전원 스위치(SW1, SW2)는 서로 다른 특성을 가지는 스위치로 구성함으로써 고객의 부주의 혹은 의도치 않은 불안정한 전원 공급을 1차적으로 방지하고, 배터리관리기(34) 회로의 안정적인 동작을 보장할 수 있다.
따라서, 원 버튼 파워 온(One button Power on) 시스템 동작시 순간적인 서지(Surge) 혹은 전원 레벨(level)의 불안정으로부터 배터리관리기(34) 회로의 데미지를 방지할 수 있다.
상기 복수의 전원 스위치(SW1, SW2)는, 래치(latch) 타입(type)의 스위치(SW1)와 모멘터리(Momentary) 타입의 스위치(SW2)를 포함할 수 있다. 이 경우에, 파워 온을 위한 상기 기설정된 복수의 입력은 상기 래치 타입의 스위치(SW1)를 누른 후에 상기 모멘터리 타입의 스위치(SW2)를 누르는 것일 수 있다. 상기 모멘터리 타입의 스위치(SW2)는 소정 시간(예를 들어, 3초) 동안 눌러야하므로 안전성을 더욱 강화할 수 있다.
한편, 파워 오프를 위한 상기 기설정된 하나의 입력은 상기 래치 타입의 스위치(SW1)를 다시 누르는 입력일 수 있다. 이에 따라, 더욱 빠르게 파워 오프시킬 수 있다.
도 23을 참조하면, 배터리관리기(32)는, 배터리(35)의 양극(BAT+)과 상기 전력변환기(32)의 양극(PCS+) 사이에 배치되는 제1릴레이(RELAY+)(2320)와 상기 배터리(35)의 음극(BAT-)과 상기 전력변환기(32)의 음극(PCS-) 사이에 배치되는 제2릴레이(RELAY-)(2310)를 포함할 수 있다. 릴레이들(2310, 2320)을 2개 구비함으로써, 어느 하나에 문제가 발생하더라도 릴레이들(2310, 2320) 중 적어도 하나를 오프시켜 나머지 회로를 보호하는 안전 제어를 이상없이 수행할 수 있다.
또한, 배터리관리기(32)는, 상기 제1릴레이(2320)와 상기 제2릴레이(2310)를 제어하는 마이컴 유닛(2380)을 포함할 수 있다.
한편, 상기 마이컴 유닛(2380)은 상기 복수의 전원스위치(SW1, SW2)의 입력에 기초하여 상기 제1릴레이(2320)와 상기 제2릴레이(2310)를 온/오프시킬 수 있다.
한편, 상기 복수의 전원스위치(SW1, SW2)는 상기 케이싱(12)의 측벽(10)에 배치되는 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)에 대응할 수 있다,
파워 온을 위한 상기 기설정된 복수의 입력은 상기 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)를 순서대로 하나씩 누르는 입력일 수 있다.
도 23을 참조하면, 배터리관리기(32)는, 상기 배터리(35)의 출력전압을 변환하여 상기 제1,2스위치(SW1, SW2)로 출력하는 파워서플라이(2330), 상기 제1스위치(SW1)에 연결되는 제1입력단과 상기 제2스위치(SW2)에 연결되는 제2입력단을 포함하고, 상기 제1입력단과 상기 제2입력단에 입력이 있으면, 상기 마이컴 유닛(2380)으로 소정 전압을 출력하는 마이컴 전원 구동부(2350), 입력단이 상기 마이컴 유닛(2380)과 상기 제2스위치(SW2)에 연결되고 출력단이 상기 제2입력단에 연결되는 OR 게이트(2340)를 포함할 수 있다.
즉, 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는, 수신되는 전기 에너지를 직류형태로 저장하거나, 저장되어 있는 전기 에너지를 출력하는 배터리(35), 상기 배터리(35)의 충전 또는 방전을 위해 전기적 특성을 변환시키는 전력변환기(32), 및, 상기 배터리(35)의 양극과 상기 전력변환기(32)의 양극 사이에 배치되는 제1릴레이(2320), 상기 배터리(35)의 음극과 상기 전력변환기(32)의 음극 사이에 배치되는 제2릴레이(2310), 상기 제1릴레이(2320)와 상기 제2릴레이(2310)를 제어하는 마이컴 유닛(2380), 상기 배터리(35)의 출력전압을 변환하여 출력하는 파워서플라이(2330), 상기 파워서플라이(2330)의 출력에 연결되는 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2), 상기 제1스위치(SW1)에 연결되는 제1입력단과 상기 제2스위치(SW2)에 연결되는 제2입력단(2380)을 포함하고, 상기 제1입력단과 상기 제2입력단에 입력이 있으면, 상기 마이컴 유닛(2380)으로 소정 전압을 출력하는 마이컴 전원 구동부(2350), 입력단이 상기 마이컴 유닛(2380)과 상기 제2스위치(SW2)에 연결되고 출력단이 상기 제2입력단에 연결되는 OR 게이트(2340)를 포함하는 배터리관리기(32)를 포함한다.
상기 마이컨 전원 구동부(2350)는, 상기 제1입력단과 상기 제2입력단에 연결되는 DC/DC컨버터(2351)를 포함한다. 또한, 상기 마이컨 전원 구동부(2350)는, 상기 DC/DC컨버터(2351)의 출력에 연결되는 리니어 레귤레이터(2353a ... 2353n)를 더 포함할 수 있다. 상기 리니어 레귤레이터(2353a ... 2353n)는, 낮은 입출력 전위차에서도 동작하는 LDO(Low Dropout)일 수 있다.
상기 DC/DC컨버터(2351)는, 상기 제1입력단과 상기 제2입력단에 입력이 있으면, 상기 리니어 레귤레이터(2353a ... 2353n)로 제1전압을 출력하고, 상기 리니어 레귤레이터(2353a ... 2353n)는, 상기 제1전압이 입력되면 제2전압을 상기 마이컴 유닛(2380)으로 출력할 수 있다. 상기 제2전압은 상기 제1전압보다 낮을 수 있다.
제1스위치(SW1)가 눌러지면(S1), 파워서플라이(2330)의 10V 내지 20V(예를 들어, 12V, 16.4V) 출력이 상기 DC/DC컨버터(2351)로 공급된다(S2). 이후, 제2스위치(SW2)가 소정시간(예를 들어, 3초)이상 눌러지면(S1), OR 게이트(2340)가 하이(high) 신호를 출력하게 된다(S3). OR 게이트(2340)의 출력 신호는 상기 DC/DC컨버터(2351)의 제어신호로써, 제어 패스(path)를 열어준다.
상기 마이컨 전원 구동부(2350)는, 상기 제1입력단을 통하여 파워서플라이(2330) 출력이 입력되고(S2), 상기 제2입력단을 통하여 OR 게이트(2340)의 하이 신호가 입력되면(S3), 마이컴 유닛(2380)에 전원을 공급한다(S7).
마이컴 유닛(2380)은 릴레이들(2310, 2320)을 온시켜(S7), 배터리 전압이 전력변환기(32)에 공급됨으로써 파워 온 시퀀스가 완료될 수 있다(S7).
한편, 상기 마이컨 전원 구동부(2350)가 상기 리니어 레귤레이터(2353a ... 2353n)를 더 포함하는 실시 예에서, 상기 DC/DC컨버터(2351)는, 상기 제1입력단을 통하여 파워서플라이(2330) 출력이 입력되고(S2), 상기 제2입력단을 통하여 OR 게이트(2340)의 하이 신호가 입력되면(S3), 상기 리니어 레귤레이터(2353a ... 2353n)에 전원을 공급한다(S7).
상기 리니어 레귤레이터(2353a ... 2353n)는 마이컴 유닛(2380)에 전원을 공급하고(S5), 마이컴 유닛(2380)은 릴레이들(2310, 2320)을 온시켜(S7), 배터리 전압이 전력변환기(32)에 공급됨으로써 파워 온 시퀀스가 완료될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1), 상기 제1릴레이(2320)와 상기 전력변환기(32) 사이에 배치되는 서킷 브레이커(circuit breaker)(2390)를 더 포함할 수 있다. 이 경우에 서킷 브레이커(2390) 온 이후에 배터리 전압이 전력변환기(32)에 공급될 수 있다(S8). 이에 따라, 다중 안전 설계를 구현할 수 있다.
한편, 상기 마이컴 유닛(2380)은, 상기 마이컴 전원 구동부(2350)로부터의 입력이 있으면 상기 OR 게이트(2340)로 홀드 신호를 출력한다(S6). 이에 따라, 상기 OR 게이트(2340)는 하이 신호를 계속 출력할 수 있어, 제2스위치(SW2)의 푸쉬(push)가 끝나더라도 마이컴 전원 구동부(250)는 현재 상태를 유지할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 배터리관리기(34)에 복수의 전원 스위치(SW1,SW2)를 적용하여 파워 온 시퀀스를 멀티 스텝으로 구현함으로써 안전성을 강화할 수 있다. 파워온시 배터리(35)로부터 배터리관리기(34) 회로로의 순간적인 돌입전류 혹은 서지 등으로 인한 회로 오동작을 보호할수 있다. 한편, 배터리관리기(34) 케이싱(12) 외부에 2개의 전원제어 물리 스위치(22a, 22b)를 배치시킬 수 있다.
도 26, 도 27a, 도 27b는 도 23에서 예시된 블록의 구현예들을 도시한 것이다. 이하에서는, 도 23 내지 도 27b를 참조하여, 본 개시의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도면들을 참조하면, 배터리(35)로부터의 전원이 배터리관리기(34) 내 SMPS(2330) 블록(Block)으로 입력되고, SMPS(2330)의 출력인 +16.4V 출력이 제1스위치(SW1)와 제2스위치(SW2)로 입력될 수 있다(S1).
사용자가 래치 타입(latch type)의 제1스위치(SW1)를 누르면, 1차로 DC-DC 컨버터(2351)에 16.4V 전압이 입력될 수 있다(S2). 이때, DC-DC 컨버터(2351)의 이네이블 핀(Enable pin)이 동작되지 않기 때문에, DC-DC 컨버터(2351)의 출력은 없다.
이후, 사용자가 모멘터리 타입(momentary type)의 제2스위치(SW2)를 소정 시간 이상 누르면, DC-DC 컨버터(2351)에 제어신호를 입력시킴으로써, 출력을 온(ON) 시킬 수 있다(S3, S4). DC-DC 컨버터(2351)의 출력(S4)에 의해 마이컴 전원구동부(2350)가 모두 동작하여 마이컴 유닛(2380)을 부팅(Booting)시킬 수 있다(S5).
한편, 마이컴 유닛(2380)으로부터의 홀드(PS-HOLD) 신호를 통해 DC-DC 컨버터(2351) 제어를 수행하고 출력을 유지할 수 있다(S6).
마이컴 유닛(2380)의 릴레이(2310, 2320) 제어 이네이블(S7) 이후, 서킷 브레이커(2390)를 온(ON)함으로써 전력변환기(32)에 전원을 공급할 수 있다(S8).
오프(OFF) 시에는 안전을 위해 제1스위치(SW1)만 누르면 즉각 파워 오프(Power off)될 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 파워 온 시에는 멀티 스텝, 파워 오프시에는 원 스텝으로 제어할 수 있도록 회로 및 물리버튼을 구현할 수 있다.
배터리관리기(34)의 전원공급 스위치를 1차 전원스위치((Self-Lock Latch)와 2차 전원스위치(Non-Lock Momentary)로 단계별 설계 함으로써, 배터리관리기(34) 회로부의 안정적인 동작을 강화할 수 있다. 특히, 반드시 1차 스위치를 동작 시킨 후 2차 스위치를 일정 조건으로(3초이상 Push) 동작시켜야만 메인 시스템(Main system)이 동작할 수 있도록 구현될 수 있다.
또한, 고객이 원하는 시점, 안전상 문제 발생시 즉각 파워 오프되도록 원 스텝으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 1차 스위치 즉 래치 스위치만 누르면 파워 오프될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
1: 에너지 저장장치
10 : 배터리팩
12 : 케이싱
32 : 전력변환기
34 : 배터리관리기
100 : 배터리모듈 어셈블리
100a,100b : 배터리모듈
101 : 배터리셀

Claims (20)

  1. 수신되는 전기 에너지를 직류형태로 저장하거나, 저장되어 있는 전기 에너지를 출력하는 배터리;
    상기 배터리의 충전 또는 방전을 위해 전기적 특성을 변환시키는 전력변환기; 및,
    상기 배터리의 상태 정보를 모니터링하는 배터리관리기;를 포함하고,
    상기 배터리는,
    각각 복수의 배터리셀을 포함하는 복수의 배터리팩을 포함하며,
    상기 배터리관리기는,
    상기 복수의 배터리팩 각각에 배치되고, 각 배터리팩에 포함되는 복수의 배터리셀의 상태 정보를 획득하는 배터리팩 회로기판들과
    상기 배터리팩 회로기판들과 통신선으로 연결되고, 상기 배터리팩 회로기판들로부터 각 배터리팩에서 획득된 상태 정보를 수신하는 메인회로기판을 포함하는 에너지 저장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리팩은 파워선으로 직렬연결되고,
    상기 파워선은 상기 메인회로기판에 연결되는 에너지 저장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배터리관리기는,
    상기 배터리의 양극과 상기 전력변환기의 양극 사이에 배치되는 제1릴레이,
    상기 배터리의 음극과 상기 전력변환기의 음극 사이에 배치되는 제2릴레이,
    상기 제1릴레이와 상기 전력변환기 사이 제1노드의 전압을 감지하는 제1전압센서,
    상기 제1릴레이와 상기 배터리의 양극 사이 제2노드의 전압을 감지하는 제2전압센서, 및,
    싱기 제1전압센서와 상기 제2전압센서에서 감지되는 전압 데이터에 기초하여, 상기 제1릴레이와 상기 제2릴레이를 제어하는 마이컴 유닛을 포함하는 에너지 저장장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1릴레이, 상기 제2릴레이, 싱기 제1전압센서, 상기 제2전압센서, 및 상기 마이컴 유닛은 상기 메인회로기판에 실장(mounting)되는 에너지 저장장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배터리관리기는,
    상기 배터리의 양극과 상기 전력변환기의 양극 사이에 배치되는 제1전류센서, 및,
    상기 배터리의 음극과 상기 전력변환기의 음극 사이에 배치되는 제2전류센서를 더 포함하는 에너지 저장장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1노드의 전압이 기준치 이상이면, 상기 제1,2릴레이가 오프되고,
    상기 제1노드의 전압이 기준치 미만이면, 상기 제1,2릴레이가 온되는 에너지 저장장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 마이컴 유닛은,
    상기 제1릴레이를 오프시켰을 때, 상기 제1노드의 전압이 하이(high)이면, 상기 제1릴레이 고장으로 판별하고,
    상기 제1릴레이를 온시켰을 때, 상기 제1노드의 전압이 로우(low)이면, 상기 제1릴레이 고장으로 판별하는 에너지 저장장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 배터리관리기는,
    상기 제1전압센서와 상기 마이컴 유닛 사이에 배치되는 고전압감지기를 더 포함하고,
    상기 고전압감지기의 출력은 상기 마이컴 유닛의 외부 인터럽트 핀(External Interrupt Pin)에 연결되며,
    상기 외부 인터럽트 핀에 소정 신호가 입력되면, 상기 제1,2릴레이가 오프되는 에너지 저장장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1릴레이와 상기 배터리의 양극 사이에 배치되는 서킷 브레이커(circuit breaker);를 더 포함하는 에너지 저장장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2릴레이와 상기 배터리의 음극 사이에 배치되는 퓨즈(fuse);를 더 포함하는 에너지 저장장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 배터리관리기는,
    상기 제2전압센서와 상기 마이컴 유닛 사이에 배치되는 고전압감지기를 더 포함하고,
    상기 고전압감지기의 출력은 상기 마이컴 유닛의 외부 인터럽트 핀(External Interrupt Pin)에 연결되며,
    상기 외부 인터럽트 핀에 소정 신호가 입력되면, 상기 제1,2릴레이가 오프되는 에너지 저장장치.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 제1릴레이와 상기 배터리의 양극 사이에 배치되는 서킷 브레이커(circuit breaker);
    상기 제2릴레이와 상기 배터리의 음극 사이에 배치되는 퓨즈(fuse);를 더 포함하는 에너지 저장장치.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 마이컴 유닛은,
    싱기 제1전압센서와 상기 제2전압센서에서 감지되는 전압 데이터, 및, 상기 배터리팩 회로기판들로부터에 수신되는 전압 데이터에 기초하여, 상기 제1릴레이와 상기 제2릴레이를 제어하는 에너지 저장장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 상태 정보는 전류, 전압, 온도 데이터 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 배터리팩은 상기 복수의 배터리셀이 직렬과 병렬로 연결되는 배터리모듈들을 포함하고,
    상기 배터리모듈들은 서로 전기적으로 연결되는 에너지 저장장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 배터리모듈들이 2개 결합하여 배터리모듈 어셈블리를 형성하고,
    상기 배터리팩 회로기판은 상기 배터리모듈 어셈블리의 상측에 배치되는 에너지 저장장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리팩이 배치되는 공간을 형성하는 케이싱;
    상기 전력변환기는, 상기 케이싱 내측에 배치되는 에너지 저장장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전력변환기를 제어하는 전력관리기;를 더 포함하고,
    상기 전력관리기는 상기 케이싱 외부의 외함(enclosures)에 배치되는 에너지 저장장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 외함에는, 계통 전원 및 태양광 전원과 연결되고 상기 계통에 정전이 발생하면, 상기 태양광 전원에서 생산되거나 상기 배터리에 저장된 전기 에너지가 소정 부하로 공급되도록 스위칭되는 자동전환스위치(Auto transfor switch)가 배치되는 에너지 저장장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 전력관리기는,
    계통 전원 및 태양광 전원과 연결되고,
    상기 계통에 정전이 발생하면, 상기 태양광 전원에서 생산되거나 상기 배터리에 저장된 전기 에너지가 소정 부하로 공급되도록 제어하는 에너지 저장장치.
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