KR20230167637A - 하이브리드 에너지 저장 시스템 및 화재 방호 운용 방법 - Google Patents

하이브리드 에너지 저장 시스템 및 화재 방호 운용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 화재 방호 운용 방법은, 배터리 모듈 및 슈퍼 커패시터 모듈을 구비하는 하이브리드 ESS 시스템의 화재 발생 또는 화재 직전으로 추정되는, 이상 온도 또는 이상 운전 상태를 감지하는 단계; 상기 배터리 모듈을 상기 하이브리드 ESS 시스템에서 분리시키는 단계; 및 상기 슈퍼 커패시터 모듈을 이용하여 상기 하이브리드 ESS 시스템의 운용을 유지하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 에너지 저장 시스템 및 화재 방호 운용 방법{Hybrid Energy Storage System and Fire-Protection Operation Method}
본 발명은 리튬이온 배터리와 슈퍼 커패시터(Battery-SC) 조합 형태의 하이브리드 ESS(Energy Storage System)가 “화재 방호 시스템”과 함께 사용될 때의 운용 방안에 관한 것이다.
리튬이온 배터리 등 리튬계 배터리(Li battery)는 분산전원의 간헐성을 극복하기 위해 분산전원연계 ESS(Energy Storage System)로 전력산업분야에 이용되고 있다.
그런데, 리튬계 배터리(이하, 리튬배터리, Li battery로 약칭하기도 함)는 셀간 전압불균형, 충/방전 속도의 제한성, 사이클릭 수명제한사항(이천~삼천사이클) 등에서 장시간 안정적인 운용이 요구되는 ESS 상에서 문제점을 보이며 이를 보완하기 위하여, 슈퍼 커패시터(Super Capacitor)를 병렬연결시키는 구조가 이용되기도 한다.
슈퍼 커패시터(이하, 슈퍼캡이라고 약칭하기도 함) 사용을 통하여, 리튬베터리의 셀간 전압 불균형, 충/방전 속도의 제한성, 사이클릭 수명의 제한성 등을 보완 혹은 보충하고 있다. 한편, 슈퍼 커패시터만으로 ESS를 구성하는 구조로 이용되는데, Super Capacitor만으로 ESS를 구성할 경우, 충방전 수명이 거의 무한대이고, 충/방전 속도 또한 무제한이나, 에너지 밀도가 낮아 제한된 건물 공간에 설치할 수 있는 용량이 상당히 줄어들게 된다.
슈퍼캡만의 ESS 구성사례로는, “슈퍼캡전기버스”를 들 수 있다. 이미, 유럽연합에서 사용중이며 버스 정거장 마다 슈퍼캡 충전기가 있어서 굉장히 짧은 승객 승하차 시간에 단번에 충전할 수 있으나, 2~3정거장을 지난후에는 슈퍼캡전기버스를 반드시 재충전해야 한다.
도요타 자동차의 “프리우스” 하이브리드 자동차 역시 슈퍼캡을 사용하고 있으며 브레이크 회생제동에너지를 “가속폐달”의 에너지로 실시간 사용하고 있는 것도 좋은 “슈퍼캡 ESS"의 사례이다. 슈퍼캐퍼시터(supercapacitor), 혹은 슈퍼캡(supercap, SC)은 에너지 밀도가 작은 단점이 있지만 충방전 속도가 배터리에 비해 월등히 우수하며, 또한 화재염려가 없는 장점이 있다.
그래서, 슈퍼캡(SC)과 배터리는 전기 자동차 등에서, “하이브리드” 형태(리튬배터리와 슈퍼캐퍼시터가 병렬 연결된 Battery-SC 조합 형태)로도 널리 사용되어 왔다.
그런데, 최근에 연이어 발생한 “배터리 화재” 문제로 “하이브리드 시스템” 가동은 “화재 방호 시스템”과 더불어 사용되고 있다. 이 경우, 종래 기술에 따른 화재 방호 운용 방법을 적용하면, “화재 방호 시스템” 동작시 ESS는 “화재 방호”를 위해 운영 중단되며, “분산 전원 연계 ESS 시스템”은 배터리, 슈퍼캡 모두 이용이 중단된다.
대한민국 공개공보 10-2020-0033462호
본 발명은 리튬배터리와 슈퍼캐퍼시터가 병렬 연결된 형태의 “하이브리드 시스템”이 “화재 방호 시스템”과 함께 사용될 때, “화재 방호 시스템” 동작시 배터리 연계 ESS는 “화재방호”를 위해 운영 중단되나, “분산 전원 연계 ESS 시스템”은 운영될 수 있는 화재 방호 운용 방법 및 하이브리드 에너지 저장 시스템을 제공하고자 한다. 보다 구체적으로 “화재방호시스템” 동작시 “분산 전원 연계 ESS 시스템”은 운영되도록 슈퍼 커패시터 이용을 유지하거나, 또는 EV 배터리 등 다른 배터리를 추가하는 방안을 제시한다.
본 발명의 일 측면에 따른 화재 방호 운용 방법은, 배터리 모듈 및 슈퍼 커패시터 모듈을 구비하는 하이브리드 ESS 시스템의 화재 발생 또는 화재 직전으로 추정되는, 이상 온도 또는 이상 운전 상태를 감지하는 단계; 상기 배터리 모듈을 상기 하이브리드 ESS 시스템에서 분리시키는 단계; 및 상기 슈퍼 커패시터 모듈을 이용하여 상기 하이브리드 ESS 시스템의 운용을 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 하이브리드 ESS 시스템의 운용을 유지하는 단계에서는, 상기 배터리 모듈을 상기 하이브리드 ESS 시스템에서 분리한 시점부터 이동식 에너지 저장 장치의 추가시까지, 상기 슈퍼 커패시터 모듈을 이용하여 충방전 운용을 유지할 수 있다.
여기서, 화재가 예상되는 상태로 감지하면, 상기 슈퍼 커패시터 모듈을, 단독 운용을 위한 충방전 상태가 되도록 운용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 배터리 모듈을 분리하여 운용하는 경우의 스케쥴을 구성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 배터리 모듈을 분리하는 조건을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템은, 화학적 변환 형태로 전력을 저장하는 배터리 모듈; 전기장 형태로 전력을 저장하는 슈퍼 커패시터 모듈; 전력계통을 위하여 상기 배터리 모듈 및/또는 상기 슈퍼 커패시터 모듈에 충방전을 수행할 수 있도록 전력을 변환하는 전력 변환부; 상기 배터리 모듈에 의한 화재 발생 가능성을 감시하는 화재 감시부; 상기 전력 변환부와 상기 슈퍼 커패시터 모듈의 연결을 유지시킨체, 상기 배터리 모듈과 상기 전력 변환부를 차단하는 모듈 차단부; 상기 화재 발생 가능성에 따라 상기 배터리 모듈을 차단하고, 전력계통을 위하여 상기 슈퍼 커패시터 모듈로의 충방전 수행을 제어하는 운용 제어부; 및 상기 배터리 모듈을 분리하여 운용하는 경우의 스케쥴을 구성하거나, 상기 배터리 모듈을 분리하는 조건을 설정하는 알고리즘 설정부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전력 변환부는, 전력 계통의 교류 전력과 DC 노드의 직류 전력을 양방향으로 변환하는 양방향 DC/AC 인버터; 및 상기 DC 노드의 직류 전력과 상기 배터리 모듈 및 상기 슈퍼 커패시터 모듈의 직류 전력을 양방향으로 변환하는 양방향 DC/DC 컨버터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 운용 제어부는, 부하 종류별로 설정된 슈퍼 커패시터 모듈 단독 운영시 지원 기간을 반영하여, 설정된 지원 기간이 경과하면 해당 부하는 차단하도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 운용 제어부는, 이동식 에너지 저장 장치의 접속을 인지하면, 상기 이동식 에너지 저장 장치의 배터리 환산 용량을 확인하고, 상기 배터리 환산 용량에 따라 부하들을 지원할 수 있다.
여기서, 상기 DC 노드에 대한 멀티 콘센트 또는 멀티 소켓으로서, 이동식 에너지 저장 장치가 부가될 수 있는 이동식 ESS 접속부를 더 포함할 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템 및/또는 화재 방호 운용 방법을 실시하면, 화재 방호 동작시에도 ESS의 운용을 유지할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 하이브리드 에너지 저장 시스템 및/또는 화재 방호 운용 방법은, 화재 방호 장치 동작시(abnormal situation), 혹은 상시(normal situation) 리튬배터리 차단시에 캐퍼시터를 통한 분산전원의 지속적 활용이 가능한 이점이 있다.
본 발명의 하이브리드 에너지 저장 시스템 및/또는 화재 방호 운용 방법은, 화재 방호 장치 동작시, 혹은 상시 전기버스, 이동식 비상급전차, 전기차 등을 통한 분산전원의 지속적 활용을 지원하는 이점이 있다.
도 1은 ESS 배터리 화재 발생 과정을 설명하기 위한 개념도.
도 2는 본 발명의 사상에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템의 화재 방호 운용 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 3은 본 발명의 사상에 따른 화재 방호 운용 방법의 원리를 Battery-SC 조합 형태의 하이브리드 ESS 시스템의 관점에서 나타낸 블록도.
도 4는 이동식 ESS들을 적용하는 형태를 개시한 개념도.
도 5는 본 발명의 사상에 따른 화재 방호 운용 방법을 수행할 수 있는 하이브리드 에너지 저장 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 ESS 배터리 화재 발생 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1에서는, 리튬배터리에서 덴드라이트(dendrite)가 형성되고 이것이 분리막(seperator)을 뚫고, 양극(cathode), 음극(anode) 사이에 단락(short)을 형성하며, 연기가 발생한 후 열폭주 현상이 발생하는 현상, 즉 배터리 화재 현상을 설명하고 있다. 그런데, 캐퍼시터는 이러한 덴드라이트 형성, 단락, 화재 메카니즘을 갖고 있지 않을 뿐더러, “열폭주” 현상을 전혀 겪지 않는다. 배터리는 화학적 에너지 저장(chemical energy storage) 과정이며 캐퍼시터는 전기적 에너지 저장(electrical energy storage)로 메카니즘 자체가 상이하다. 즉, 화학적 에너지 저장은 리튬 원자가 움직이어야 하는 열적 활성화 과정(mass transfer)이며, 온도가 올라갈수록 반응속도가 커진다.
반면에 캐퍼시터는 전기적 에너지 저장과정(energy transfer)이며, 질량을 갖은 퀀텀(quantum)의 이동을 수반하지 않는다. 즉, 화재발생위험이 없다. 분명히, 화재가 시작하는 부분은 리튬배터리이며 캐퍼시터에서는 시작하지 않는다. 즉 Li Battery가 단락되어 화재방호 시스템이 동작한다 하더라도 캐퍼시터는 분리해서 사용할 수 있다는 것이다.
종래 기술과 같이, 리튬배터리와 캐퍼시터를 모두 화재방호시스템에서 차단할 경우 ESS를 전혀사용할 수 없다. 반면에, 리튬배터리만을 화재방호시스템에서 차단하면, 캐퍼시터를 ESS로 계속 사용할 수 있어서, 분산전원 연계 ESS로 슈퍼 커패시터를 계속적으로 활용할 수 있다.
본 발명은 Battery-SC 조합 형태의 “하이브리드 시스템”이 “화재 방호 시스템”과 함께 사용될 때, “화재 방호 시스템” 동작시 ESS는 “화재 방호”를 위해 운영 중단되나, “분산 전원 연계 ESS 시스템”은 슈퍼캡 이용을 유지하고, EV 배터리 등 다른 배터리를 추가하는 방안을 제시한다. 즉, 화재 방호에 따라 Li battery가 빠지게 되면서 겪게되는 ESS의 용량 부족 문제는 “추가로” 슈퍼캡을 삽입하여 해결한다.
도 2는 본 발명의 사상에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템의 화재 방호 운용 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도시한 화재 방호 운용 방법은, 배터리 모듈 및 슈퍼 커패시터 모듈을 구비하는 Battery-SC 조합 형태의 하이브리드 ESS 시스템의 화재 발생 또는 화재 직전으로 추정되는, 이상 온도 또는 이상 운전 상태를 감지하는 단계(S120); 상기 배터리 모듈을 상기 하이브리드 ESS 시스템에서 분리시키는 단계(S140); 및 상기 슈퍼 커패시터 모듈을 이용하여 상기 하이브리드 ESS 시스템의 운용을 유지하는 단계(S160)를 포함할 수 있다.
구현에 따라, 화재 발생/가능성에 따라 상기 배터리 모듈을 분리한 후, 분리된 배터리 모듈에 의한 저장 용량 감소를 보완하기 위해, 이동식 ESS 등과 같은 부가 에너지 저장 모듈을 상기 하이브리드 ESS 시스템에 연결할 수 있다.
이 경우, 도시한 운용 유지 단계(S160)는, 상기 배터리 모듈을 상기 하이브리드 ESS 시스템에서 분리한 시점부터 부가 에너지 저장 모듈의 추가시까지, 상기 슈퍼 커패시터 모듈을 이용하여 충방전 운용을 유지하는 단계; 및 추가된 부가 에너지 저장 모듈 및 상기 슈퍼 커패시터 모듈을 이용하여 충방전 운용을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 S120 단계에서는, 배터리 셀 온도, 배터리 셀 단락이 추정되는 전류 증가, 전압 감소의 발생, 배터리 셀 저항 급변이 추정하는 전류/전압의 빠른 변동의 발생시, 화재 발생 또는 화재 직전으로 추정할 수 있다.
구현에 따라, 상기 S120 단계에서는 화재 발생 또는 화재 직전으로 추정되는 상태 뿐만 아니라, 상당 가능성으로 가까운 미래에 화재가 예상되는 상태도 확인할 수 있다. 이 경우, 상기 S120 단계에서 화재가 예상되는 상태로 감지하면, 상기 슈퍼 커패시터 모듈을, 단독 운용을 위한 충방전(SoC) 상태가 되도록 운용하는 단계를 더 수행할 수 있다. 즉, 상기 배터리 모듈을 차단하기 전에, 미리 상기 슈퍼 커패시터 모듈을 단독 운용에 적합한 SoC 상태로 만드는 것이다.
도시한 흐름도에 따른 도시한 화재 방호 운용 방법은, 상기 이상 온도 또는 이상 운전 상태를 감지하는 단계(S120) 이전에, 분리 차단 동작 알고리즘을 설정하는 단계(S110)를 더 수행할 수 있다.
상기 S110 단계는 상기 배터리 모듈을 분리하여 운용하는 경우의 스케쥴을 구성하는 단계의 방식 및/또는 상기 배터리 모듈을 분리하는 조건을 설정하는 단계의 방식으로 적용될 수 있다.
예컨대, 분리 운용 스케쥴로서, 부하 종류별로 설정된 슈퍼 커패시터 단독 운영시 지원 기간(시간 or SoC 변동간격)을 반영하여 설정된 지원 기간이 경과하면 해당 부하는 차단하는 방안 등을 적용할 수 있다.
예컨대, 분리 조건으로서, 화재 발생/직전 판정의 온도 기준값, 전류/전압 변동율 기준값, 전류/전압 절대값 기준값 등이 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 사상에 따른 화재 방호 운용 방법의 원리를 Battery-SC 조합 형태의 하이브리드 ESS 시스템의 관점에서 나타낸 블록도이다.
종래의 일반적인 화재 방호 방법에 따른 도 3의 왼편 구성에서는, 화재 방호 시스템이 동작할 경우 전체 ESS가 차단되어서 분산전원 연계 ESS를 사용할 수 없다.
반면, 본 발명의 사상에 따른 도 3의 오른쪽 구성에서는, 화재 방호 시스템이 동작할 경우, Super Capacitor(슈퍼캡)을 ESS(Energy Storage System)으로서 사용을 유지할 수 있다. 즉, 화재 방호 시스템이 동작함에 따라, 배터리 모듈로서 Li 배터리와 Super capacitor 사이에 차단기를 두어 화재조짐을 감지하는 경우(S120), 배터리와 슈퍼 커패시터 모듈을 분리하며(S140), 기존의 dc/dc 혹은 대기 하고 있던 별도의 dc/dc 모듈로 슈퍼캡을 동작시켜 SC ESS로서 운용한다(S160).
즉, 화재방호시스템이 동작하면, Li Battery와 Super capacitor 사이에 차단기가 동작하여 배터리와 슈퍼캡이 분리된다.
그리고, 개선된 구현에서는, 화재방호시스템 동작으로 운영중지(shutdown)된 Li battery에 의한 ESS의 용량 부족 문제를 해결하기 위하여, “추가로” 슈퍼 커패시터 혹은 배터리를 이동식으로 이동시키어 접속(삽입, 연결)할 수 있다.
도 4는 이동식 ESS들을 적용하는 형태를 개시한 개념도이다. 이동식 ESS란 전기차, 비상급전차, 전기버스와 같은 것이다.
특히, EV의 배터리들 집합을 이동식 ESS로서 이용하는 등의 경우, 비상시(화재방호시 emergency situation)가 아니더라도 상시(Normal situation)에, 이동식 SC(슈퍼캡) 혹은 이동식 배터리(전기차 EV)를 사용할 수도 있다.
다시 말하면, 본 특허에서는 화재방호시스템의 차단범위를 재설정하여 리튬배터리만 차단 하고, 캐퍼시터는 차단하지 않으며, 차단기 및 dc/dc 충전부를 추가하며, 리튬배터리가 빠지면서 발생하는 "ESS 용량부족" 문제를 해결하기 위하여 DC/DC충전부-SC(Supercap) 모듈을 필요한 수량(n개) 만큼을 추가로 삽입한다. 혹은 신규 배터리를 필요한 수량 만큼 이동식으로 구성하여 삽입한다. 이는 EV, 전기버스, 전기트럭 같은 형태가 될 수 있다.
ESS의 고정식 배터리 모듈에서 화재발생/임박시 배터리 모듈만 차단하고, 슈퍼 커패시터 모듈은 계속 ESS로서 이용하되, 용량 부족은 이동식 에너지 저장 장치를 추가하는 것으로 해결한다. 구현에 따라, 화재 방호 시스템의 shutdown 범위를 이동식 에너지 저장 장치까지 재설정하고, 유사시 에너지 이동식 저장 장치를 분리하기 위한 차단기 등 추가 구성요소들을 구비할 수 있다.
상기 이동식 에너지 저장 장치의 추가(접속) 수단으로서, DC Link 멀티 콘센트 혹은 멀티 소켓을 적용하여 고정식 + 이동식의 하이브리드 배터리 모듈들을 구성할 수 있다. 다른 구현에서는 이동식 에너지 저장 장치로서, 슈퍼 커패시터를 적용하거나, 신규 설비의 배터리로서 EV, 전기버스, 전기트럭 등 비상급전차를 적용할 수도 있다. 이동식 비상급전차 혹은 전기버스로 SC(Super Capacitor)를 활용한다면, 슈퍼캡의 추가 삽입시 발생할 수 있는“공간문제”를 해결할 수 있다.
리튬배터리는 에너지밀도가 높아서 작은공간에 고에너지를 저장할 수 있으나 슈퍼캡혹은 캐퍼시터는 공간적 제약사항이 발생하여 일정공간에 SC모듈을 집어넣는데 한계상황에 봉착할 수 있다. 이경우 SC모듈을 트럭에 탑재하여, 건물밖에 대기시키어 놓았다가 차례로 삽입시키면서 분산전원 자원의 지속적 활용을 도모할 수 있다.
그런데, 이러한 분산전원연계 이동식 ESS(전기버스, 비상급전차, 전기차 등)의 이용은 화재방호장치가 동작하는 비상시(abnormal situation)에 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 상시(normal situation)에도 이용할 수 있다. 상시 이용시 충전용량의 다양성(variability)를 증가시킬 수 있으며, 에너지자원의 활용도(전기차 활용 등) flexibility를 높힐 수 있다.
상술한 이동식 에너지 저장 장치의 ESS로의 삽입(접속) 방안을 예시하면 다음과 같은 다양한 방식을 도입할 수 있다.
- 기존 DC/DC 충방전 포트에 이동식 ESS를 삽입
- 신규 DC/DC 충방전 포트에 이동식 ESS를 삽입(이는 멀티 콘센트, 혹은 멀티 소켓에 비유할 수 있음)
- EV V1G, V2G 연계 방안 : 상기 이동식 ESS 삽입시 V1G 운전모드 및 V2G 운전모드를 EMS에 결합하는 방안(EMS 운영의 경제성 향상 방안)
전기차(EV, Electric Vehicle)은 대표적 이동식 ESS(Energy Storage System)으로 볼 수 있다. V1G 운전모드란 전기차 충전시 요금이 저렴한 심야시간대에 심야충전을 하는 것을 의미한다. 이는 저부하 시간대에 충전하는 경제충전을 의미한다. V2G는 고부하 시간대에 전력수요가 급증하는 시간대에 전기차 배터리를 방전하는 것을 의미한다. 전기차의 이러한 운전모드를 ESS EMS(Energy Management System) Controller에 접목하면 분산전원연계 ESS의 경제성을 대폭 향상시킬 수 있다.
앞서 도 2는 배슈분리차단기 동작 및 슈퍼캡과 이동식 ESS 하이브리드 시스템 운영방안에 대한 알고리즘을 나타낸 것이다. 고정식 ESS(=슈퍼캡+배터리)에서 이상온도, 이상전류, 이상전압 등이 감지되어 화재방호시스템이 동작된다면 배슈분리차단기(배터리-슈퍼캡 분리차단기)가 동작된다. 도 3에서 설명하듯이 기존에는 고정식 ESS가 전면차단되었는데, 본 발명의 사상에 따른 배슈분리차단기의 동작으로 슈퍼캡은 여전히 ESS로 활용할 수 있다. 고정식 ESS의 배터리가 탈락됨으로써 줄어드는 ESS 용량은 추가로 이동식으로 보충하는데 슈퍼캡만으로 연이어서 보충할 수도 있고 신규 배터리로 보충할 수도 있다. 이런 보충을 위해서 전기버스, 전기트럭, EV 등이 활용될 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 화재 방호 운용 방법을 일반적인 화재 방호 방법과 차별되는 내용으로만 요약하면, 본 발명에서 제안하는 “고정식 ESS 화재방호시 배터리 슈퍼캡 분리차단기 도입을 통한 슈퍼캡의 지속적 활용과 이동식 ESS 추가를 통한 전체 ESS 용량 회복 방안”이란 다음과 같이 3가지 방안으로 정리할 수 있다.
① 화재방호시스템의 차단범위 재설정(리튬배터리만 차단, 캐퍼시터는 차단하지 않음. 화재는 리튬배터리에서 발생)
② 이를 이해, 배터리-슈퍼캡 분리차단기 및 이동식 ESS의 구성요소 추가
③ 화재방호로 기존 리튬배터리가 빠지면 "ESS 용량 부족" 문제가 생기므로 DC/DC충방전부에 신규 이동식 ESS(Supercap, 혹은 신규배터리 등) 모듈을 필요한 수량(n개) 만큼을 추가로 삽입(이동식 ESS란, 비상급전차, 전기버스, 전기차와 같은 사례를 들 수 있음)
도 5는 본 발명의 사상에 따른 화재 방호 운용 방법을 수행할 수 있는 하이브리드 에너지 저장 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도시한 하이브리드 에너지 저장 시스템은, 화학적 변환 형태로 전력을 저장하는 배터리 모듈(120); 전기장 형태로 전력을 저장하는 슈퍼 커패시터 모듈(150); 전력계통을 위하여 상기 배터리 모듈(120) 및/또는 상기 슈퍼 커패시터 모듈(150)에 충방전을 수행할 수 있도록 전력을 변환하는 전력 변환부(200); 상기 배터리 모듈(120)에 의한 화재 발생 가능성을 감시하는 화재 감시부(140); 상기 전력 변환부와 상기 슈퍼 커패시터 모듈의 연결을 유지시킨체, 상기 배터리 모듈과 상기 전력 변환부를 차단하는 모듈 차단부(130); 상기 화재 발생 가능성에 따라 상기 배터리 모듈(120)을 차단하고, 전력계통을 위하여 상기 슈퍼 커패시터 모듈(150)로의 충방전 수행을 제어하는 운용 제어부(420); 및 상기 배터리 모듈(120)을 분리하여 운용하는 경우의 스케쥴을 구성하거나, 상기 배터리 모듈(120)을 분리하는 조건을 설정하는 알고리즘 설정부(440)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전력 변환부(200)는 도 3에 도시한 바와 같이, 전력 계통의 교류 전력과 DC 노드(DC Link일 수 있음)의 직류 전력을 양방향으로 변환하는 양방향 DC/AC 인버터(220); 및 상기 DC 노드의 직류 전력과 상기 배터리 모듈(120) 및 상기 슈퍼 커패시터 모듈(150)의 직류 전력을 양방향으로 변환하는 양방향 DC/DC 컨버터(240)를 포함할 수 있다. 추가적으로 상기 DC 노드(DC Link)의 특성을 유지시키기 위한 커패시터 수단을 더 포함할 수 있다.
추가적으로, 태양광 설비 등 직류 분산전원의 전력을 상기 DC 노드로 공급하기 위한 단방향 DC/DC 컨버터(260); 및/또는 풍력 발전 설비, 내연/외연 기관 발전기 등 교류 분산전원의 전력을 상기 DC 노드로 공급하기 위한 단방향 AC/DC 컨버터를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈(120)은 리튬 이온(폴리머) 배터리 등 리튬계 2차 전지 모듈인 경우가 일반적이지만, 이에 한정하지 않고, 니켈수소배터리, 전고체 배터리 등 다양한 화학적 방식의 배터리가 적용될 수 있다.
예컨대, 상기 운용 제어부(420)는, 부하 종류별로 설정된 슈퍼 커패시터 단독 운영시 지원 기간(시간 or SoC)을 반영하여, 설정된 지원 기간이 경과하면 해당 부하는 차단하도록 제어할 수 있다.
예컨대, 상기 운용 제어부(420)는, 이동식 에너지 저장 장치의 접속을 인지하면, 상기 이동식 에너지 저장 장치의 배터리 환산 용량을 확인하고, 상기 배터리 환산 용량에 따라 부하들을 지원할 수 있다. 이는 상기 이동식 에너지 저장 장치가 일반적인 배터리 모듈이 아닌 경우, 동등하다고 추정되는 배터리 모듈로 치환하여, 제어를 용이하게 하기 위함이다.
예컨대, ESS에 대한 접속/해제가 유동적인 다수의 EV들로 상기 이동식 에너지 저장 장치를 구현한 경우, 평균적으로 접속한 EV들의 배터리 용량 합 등으로 환산 용량을 구할 수 있다.
예컨대, PV-수소에너지 시스템으로 상기 이동식 에너지 저장 장치를 구현한 경우, PV의 평균 발전량으로 방전 환산 용량을 구하고, 수소 에너지 저장량으로 충전 환산 용량을 구할 수 있다.
구현에 따라, 상기 DC 노드에 대한 멀티 콘센트 또는 멀티 소켓으로서, 이동식 에너지 저장 장치가 부가될 수 있는 이동식 ESS 접속부를 더 포함할 수 있다. 상기 이동식 ESS 접속부는 상기 도 4에 도시하고 해당 설명에서 표현한 형태로 구현될 수 있다.
구현에 따라, 상기 화재 감시부(140) 및 모듈 차단부(130)는 상술한 화재 방호 시스템의 일부가 될 수 있다. 그러나, 본 발명의 사상에 따른 화재 방호 제어를 수행하는 구성요소인 바, 본 발명의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 구성요소로서 표현한다.
예컨대, 상기 알고리즘 설정부(440)는, ESS가 지원하는 전력계통에 대하여,비교적 장기간에 걸쳐 수집된 전력 수요/공급 정보들을 바탕으로하여, 배터리 모듈을 분리 운용하는 스케쥴을 구성하거나, 상기 배터리 모듈을 분리하는 조건을 설정할 수 있다. 또한, 상기 수집된 전력 수요/공급 정보들을 기록하고, 상기 조건에 대한 값이나 상기 스케쥴 정보를 저장하기 위한 저장수단을 구비할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
120 : 배터리 모듈
130 : 모듈 차단부
140 : 화재 감시부
150 : 슈퍼 커패시터 모듈
200 : 전력 변환부
420 : 운용 제어부
440 : 알고리즘 설정부

Claims (10)

  1. 배터리 모듈 및 슈퍼 커패시터 모듈을 구비하는 하이브리드 ESS 시스템의 화재 발생 또는 화재 직전으로 추정되는, 이상 온도 또는 이상 운전 상태를 감지하는 단계;
    상기 배터리 모듈을 상기 하이브리드 ESS 시스템에서 분리시키는 단계; 및
    상기 슈퍼 커패시터 모듈을 이용하여 상기 하이브리드 ESS 시스템의 운용을 유지하는 단계
    를 포함하는 화재 방호 운용 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드 ESS 시스템의 운용을 유지하는 단계에서는,
    상기 배터리 모듈을 상기 하이브리드 ESS 시스템에서 분리한 시점부터 이동식 에너지 저장 장치의 추가시까지, 상기 슈퍼 커패시터 모듈을 이용하여 충방전 운용을 유지하는 화재 방호 운용 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    화재가 예상되는 상태로 감지하면, 상기 슈퍼 커패시터 모듈을, 단독 운용을 위한 충방전 상태가 되도록 운용하는 단계
    를 더 포함하는 화재 방호 운용 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈을 분리하여 운용하는 경우의 스케쥴을 구성하는 단계
    를 더 포함하는 화재 방호 운용 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈을 분리하는 조건을 설정하는 단계
    를 더 포함하는 화재 방호 운용 방법.
  6. 화학적 변환 형태로 전력을 저장하는 배터리 모듈;
    전기장 형태로 전력을 저장하는 슈퍼 커패시터 모듈;
    전력계통을 위하여 상기 배터리 모듈 및/또는 상기 슈퍼 커패시터 모듈에 충방전을 수행할 수 있도록 전력을 변환하는 전력 변환부;
    상기 배터리 모듈에 의한 화재 발생 가능성을 감시하는 화재 감시부;
    상기 전력 변환부와 상기 슈퍼 커패시터 모듈의 연결을 유지시킨체, 상기 배터리 모듈과 상기 전력 변환부를 차단하는 모듈 차단부;
    상기 화재 발생 가능성에 따라 상기 배터리 모듈을 차단하고, 전력계통을 위하여 상기 슈퍼 커패시터 모듈로의 충방전 수행을 제어하는 운용 제어부; 및
    상기 배터리 모듈을 분리하여 운용하는 경우의 스케쥴을 구성하거나, 상기 배터리 모듈을 분리하는 조건을 설정하는 알고리즘 설정부
    를 포함하는 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전력 변환부는,
    전력 계통의 교류 전력과 DC 노드의 직류 전력을 양방향으로 변환하는 양방향 DC/AC 인버터; 및
    상기 DC 노드의 직류 전력과 상기 배터리 모듈 및 상기 슈퍼 커패시터 모듈의 직류 전력을 양방향으로 변환하는 양방향 DC/DC 컨버터
    를 포함하는 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 운용 제어부는,
    부하 종류별로 설정된 슈퍼 커패시터 모듈 단독 운영시 지원 기간을 반영하여, 설정된 지원 기간이 경과하면 해당 부하는 차단하도록 제어하는 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 운용 제어부는,
    이동식 에너지 저장 장치의 접속을 인지하면, 상기 이동식 에너지 저장 장치의 배터리 환산 용량을 확인하고, 상기 배터리 환산 용량에 따라 부하들을 지원하는 하이브리드 에너지 저장 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 DC 노드에 대한 멀티 콘센트 또는 멀티 소켓으로서, 이동식 에너지 저장 장치가 부가될 수 있는 이동식 ESS 접속부
    를 더 포함하는 하이브리드 에너지 저장 시스템.
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