KR20230175253A - 냉각 시스템을 가지는 배터리 저장 파워 플랜트 - Google Patents

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KR20230175253A
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토마스 뤼스
로렌즈 렌하르트
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보이트 파텐트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 배터리 저장 파워 플랜트에 관한 것이며, 상기 배터리 저장 파워 플랜트는 레덕스 플로우 유형의 복수의 배터리 모듈들(1)을 포함하며, 배터리 모듈들은 병렬로 연결되는 복수의 배터리 스트랜드들(7)에 배치되며, 각각의 배터리 스트랜드는 직렬로 연결되는 복수의 배터리 모듈을 포함하며; 배터리 저장 파워 플랜트는 냉각 유체를 배터리 모듈들의 열 교환기들(5)을 공급하기 위한 냉각 시스템을 포함하며; 모든 배터리 모듈들은 냉각 회로의 이송부 및 복귀부에 연결되어, 냉각 회로는 모든 배터리 모듈들의 병렬 회로를 형성하며; 냉각 시스템은, 각각의 배터리 모듈을 위해, 적어도 하나의 밸브(6)를 포함하며, 이 밸브는, 이 밸브가 연관된 배터리 모듈의 열 교환기를 통해 유동하는 냉각 유체의 체적 유량을 제어할 수 있도록 배치되며; 그리고 냉각 시스템은 제어 디바이스(11)를 포함하며, 이 제어 디바이스는, 이 제어 디바이스가 온도 센서들(4, 12)에 의해 측정되는 측정 값들을 처리할 수 있고 그리고 배터리 저장 파워 플랜트의 효율을 개선시키기 위해 밸브들 및 3-웨이 밸브(8)의 포지션들을 제어할 수 있도록 설계된다.

Description

냉각 시스템을 가지는 배터리 저장 파워 플랜트
본 발명은 냉각 시스템(cooling system)을 갖는 배터리 파워 플랜트(battery power plant)에 관한 것이며, 배터리 파워 플랜트는 전기 에너지를 수용하거나 운반하기 위해 서로 전기적으로 연결되는 복수의 별도 배터리 에너지 저장 디바이스들을 포함한다. 본 발명은 레독스 플로우 배터리들로서 설계되는, 배터리 에너지 저장 디바이스들을 갖는 배터리 파워 플랜트에 관한 것이다.
배터리 모듈들로서 또한 지칭되는 복수의 별도의 배터리 에너지 저장 디바이스들을 갖는 이러한 유형의 배터리 파워 플랜트들은 종래 기술로부터 공지되어 있다. WO 2014/170373 A2는 수개의 직렬로 연결된 배터리 스트링들을 가지는 배터리 파워 플랜트를 개시하며, 배터리 스트링들은 직렬로 연결되는 수개의 직류 배터리 모듈들을 각각 포함한다.
게다가, 개별적인 레독스 플로우 배터리 모듈들에 냉각 디바이스가 제공될 수 있는 것이 종래 기술로부터 공지되어 있다. 이를 위해, 이러한 유형의 배터리 모듈은 하나 또는 수개의 열 교환기들을 포함하며, 이 열 교환기들로 배터리 모듈의 전해질이 냉각될 수 있다. 이에 의해, 열 교환기들은 배터리 모듈의 다양한 위치들에, 예를 들어, 전해질 탱크들 안에서 또는 그 상에, 또는 탱크들 중 하나의 탱크 상에, 배터리 모듈의 셀들에서 또는 전해질이 순환되는 파이프 시스템 상에 각각 배열될 수 있다. 이러한 점에서, 문헌들 WO 2019/126381 A1, US 9,774,044 B2, 및 WO 2019/139566 A1에 대한 참조가 이루어진다.
본 발명의 목적은 배터리 파워 플랜트의 효율을 개선시키기 위해 적합한 배터리 에너지 저장 디바이스들을 갖는 레독스 플로우 유형 배터리 파워 플랜트를 인용하는 것이다.
본 발명에 따르면, 본 목적은 독립항에 따른 설계에 의해 충족된다. 본 목적은 독립적인 프로세스 청구항에 따른 작동 방법에 의해 추가적으로 충족된다. 본 발명의 부가의 유리한 실시예들은 종속항들에서 발견된다.
본 발명은 도면들을 참조로 하여 아래에서 설명된다. 하기의 상세들이 예시된다:
도 1은 배터리 모듈 ─ 유형 레독스 플로우(Redox Flow)를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 파워 플랜트를 도시한다.
도 3은 배터리 파워 플랜트의 전기적 구조를 도시한다.
배터리 모듈, 유형 레독스 플로우의 개략도가 도 1의 좌측 상에 있다. 배터리 모듈은 식별 번호 1을 갖는다. 배터리 모듈은 셀 배열체(2) 및 탱크 디바이스(tank device)(3)를 포함한다. 셀 배열체(2)는 무작위로 배열될 수 있는 다수의 레독스 플로우 셀들로 구성되는 배열체이다. 예를 들어, 이는 단일 셀 스택(다시 말해, 다수의 레독스 플로우 셀들의 직렬 연결), 직렬 연결의 다수의 스택들, 병렬 연결의 다수의 스택들, 또는 직렬 및 병렬 연결의 다수의 스택들의 조합일 수 있다. 탱크 디바이스(3)는, 전해질을 저장하고 그리고 셀 배열체(2)에 전해질을 공급하는 역할을 한다. 이러한 목적을 위해, 탱크 디바이스(3)는 ─ 약간의 예외들을 제외하고 ─ 적어도 2개의 탱크들, 탱크들을 셀 배열체(2)에 연결시키기 위한 파이프 시스템, 및 전해질을 운반하기 위한 펌프들을 포함한다. 도 1은 2개의 별도의 펌프들을 도시한다. 전해질은 또한 더블-헤드 펌프(double-head pump)에 의해, 다시 말해, 공통 모터에 의해 구동되는 2개의 펌프들에 의해 운반될 수 있다. 탱크 디바이스(3)는, 탱크 디바이스가 셀 배열체(2)의 모든 셀들에 전해질을 공급할 수 있는 방식으로 설계된다. 펌프들이 전해질을 운반한다면, 전해질은 셀 배열체(2)의 모든 셀들을 통해 유동한다.
배터리 모듈(1)은, 배터리 모듈이 전해질 온도를 검출할 수 있도록 배열되는 적어도 하나의 온도 센서를 포함한다. 이러한 2개의 센서들이 도 1에서 예시되며; 2개의 센서들 중 하나의 센서는 4로 식별된다. 도 1에 따른 실시예에서, 온도 센서들(4)은 탱크 디바이스(3)에 위치된다. 그러나, 온도 센서들은, 전해질 온도를 캡처할(capture) 수 있는 배터리 모듈(1)의 임의의 다른 적합한 위치 상에 마찬가지로 용이하게 배열될 수 있다.
게다가, 배터리 모듈(1)은, 배터리 모듈이 배터리 모듈(1)의 전해질과 열을 교환할 수 있는 방식으로 배열되고 그리고 설계되는 적어도 하나의 열 교환기를 포함하며, 이는, 배터리 모듈이 전해질로부터 열을 끌어올 수 있거나 전해질에 열을 공급할 수 있는 것을 의미한다. 2개의 이러한 열 교환기들은 도 1에 예시되며, 이 열 교환기들 중 하나의 열 교환기는 5로 식별된다. 도 1에 따른 실시예에서, 열 교환기들(5)은 탱크 디바이스(3)에 배열된다. 그러나, 열 교환기들은, 열 교환기들이 전해질과의 열 교환을 용이하게 할 수 있는 배터리 모듈(1)의 임의의 다른 적합한 위치에 용이하게 배열될 수 있다. 열 교환기(5)가 그의 기능을 수행하기 위해, 열 교환기는, 이를 통해 유동하는 냉각 유체를 가져야 하며, 이 냉각 유체는 배터리 모듈(1)의 외부로부터 열 교환기(5)로 공급된다. 적합한 공급 라인들이 이러한 목적을 위해 제공되어야 한다. 도 1에서, 공급 라인들은, 도시된 2개의 열 교환기들(5)이 직렬로 연결되는 방식으로 설계되며; 다시 말해, 냉각 유체는 우선적으로 하나의 열 교환기(5)를 통해 그리고 그 후 다른 열 교환기를 통해 유동한다. 열 교환기들(5)은 용이하게 병렬로 연결될 수 있거나 열 교환기들에는 서로 별도로 냉각 유체가 공급될 수 있다.
바나듐에 기초하는 레독스 플로우 배터리 모듈들에서, 2개의 전해질들(양 및 음 전해질)은 상이한 열 거동을 나타낸다. 따라서, 열 교환기들의 직렬 연결에서, 냉각 유체의 유동 방향은, 냉각 유체가 우선적으로 양 전해질과 접촉하는 열 교환기를 통해 유동하고 그리고 그 후 단지, 음 전해질과 접촉하는 열 교환기를 통해 유동하는 방식으로 선택될 것이다.
관련된 열 교환기(5)를 통한 냉각 유체의 유동이 제어될 수 있는 적어도 하나의 밸브는 열 교환기들(5)에 냉각 유체를 공급하기 위한 공급 라인들에 배열된다. 도 1은 2개의 이러한 밸브들을 도시하며, 밸브들 중 하나의 밸브는 6으로 식별된다. 도 1에서 도시되는 실시예의 기능을 보장하기 위해, 2개의 밸브들(6) 중 하나의 밸브가 충분할 것이다. 2개의 밸브들(6)이 제공된다면, 본 발명에 따른 배터리 파워 플랜트에서 배터리 모듈(1)의 설치 또는 교체를 용이하게 하는데, 왜냐하면 논의 중인 배터리 모듈이 냉각 회로로부터 완전히 커플해제될 수 있기 때문이다. 도 1은 배터리 모듈(1)의 외부에 있는 밸브들(6)을 도시한다. 그러나, 밸브들은 또한 배터리 모듈(1)의 일부일 수 있으며, 다시 말해, 이 밸브들은 파선 프레임 내에 배열될 수 있다.
도 1의 우측면 상에서, 배터리 모듈(1)의 상징적인 표현이 도시된다. 배터리 모듈(1)의 예시된 내부는 적어도 하나의 온도 센서(4) 및 적어도 하나의 열 교환기(5)로 감소된다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 파워 플랜트를 도시한다. 배터리 파워 플랜트는 다수의 별도의 배터리 모듈들(1)을 포함하며, 배터리 모듈들(1)은 병렬로 연결되는 수개의 배터리 스트링들에 배열되며, 그리고 배터리 스트링은 직렬로 연결되는 수개의 배터리 모듈들(1)을 각각 포함한다. 도 2는 파선 프레임에 의해 각각 표시되는 2개의 이러한 배터리 스트링들을 도시한다. 본원에 도시되는 배터리 스트링들 중 하나는 7로 표시된다.
본 발명에 따른 배터리 파워 플랜트는 배터리 모듈들(1)의 열 교환기들(5)에 냉각 유체를 공급하기 위한 냉각 시스템을 포함한다. 냉각 시스템은 공급부 및 복귀부를 포함한다. 배터리 파워 플랜트의 모든 배터리 모듈들(1)은 공급부 및 복귀부와 연결되며; 다시 말해, 냉각 시스템의 냉각 회로는 배터리 파워 플랜트의 모든 배터리 모듈들(1)의 병렬 연결을 형성한다. 각각의 배터리 모듈(1)을 위해, 적어도 하나의 밸브(6)가 제공되며, 이 밸브로, 관련 배터리 모듈(1)의 열 교환기(들)(5)를 통한 냉각 유체 유동이 제어될 수 있다.
냉각 시스템의 총 파이프 길이를 가능한 한 짧게 유지하기 위해, 다수의 배터리 모듈들의 열 교환기들이 소위 냉각 스트링을 형성하는 방식으로 냉각 시스템을 설계하는 것이 유리하다. 냉각 스트링은 2개의 평행한 라인들을 포함하며, 냉각 스트링에 속하는 각각의 배터리 모듈(1)은 2개의 라인들로 연결된다. 예를 들어, 배터리 스트링에 속하는 모든 배터리 모듈들이 냉각 스트링을 형성하는 것이 제안된다. 배터리 스트링의 배터리 모듈들의 전기적 상호연결과는 대조적으로, 배터리 모듈들의 연관된 열 교환기들(5)은, 열 교환기들이 병렬 연결부를 형성하는 방식으로 냉각 스트링에서 연결된다. 냉각 스트링은 또한, 하나 초과의 배터리 스트링의 배터리 모듈들을 연결시킬 수 있다. 도 2는 일 예로서 2개의 배터리 스트링들을 도시하며, 각각의 배터리 스트링의 배터리 모듈들은 연관된 냉각 스트링을 통해 연결된다. 냉각 스트링의 2개의 평행 라인들은 각각, 도 2의 우측 상에 배열되고 이후에 주요 냉각 스트링으로 지칭되는 냉각 스트링으로 유동한다. 냉각 스트링들 및 주요 냉각 스트링은 냉각 회로를 형성한다.
게다가, 냉각 시스템은 적어도 하나의 재순환 펌프를 포함하며, 이 재순환 펌프로, 냉각 유체는 냉각 회로에서 재순환될 수 있다. 냉각 시스템이 단지 하나의 재순환 펌프를 포함한다면, 이 재순환 펌프는 편리하게는 주요 냉각 스트링에 위치되어야 한다. 도 2에서, 예시된 재순환 펌프는 10으로 식별된다. 냉각 시스템은 공급부 및 복귀부를 포함하며, 개별적인 배터리 모듈들의 열 교환기들은 도 2에서 예시되는 바와 같이, 공급부 및 복귀부와 각각 연결된다.
게다가, 냉각 시스템은, 9로 식별되고 그리고 공급부 및 복귀부와 연결되는 적어도 하나의 냉각 디바이스를 포함한다. 이러한 냉각 디바이스(9)는, 예를 들어, 열 교환기 및 벤틸레이터(ventilator)를 포함할 수 있으며, 열 교환기는 액체/가스 열 교환기로서 설계된다. 벤틸레이터는 시원한 외부 공기가 열 교환기를 통해 유동하는 것을 허용해서, 열 교환기를 통해 유동하는 냉각 유체가 냉각된다.
냉각 시스템은 적어도 하나의 3-웨이 밸브를 포함한다. 도 2에서, 총 3개의 3-웨이 밸브들이 예시되며, 3-웨이 밸브들 중 하나의 3-웨이 밸브는 8로 식별된다. 3-웨이 밸브들 중 하나는, 이 3-웨이 밸브가 냉각 디바이스(9)를 통해 유동하는 냉각 유체의 체적 유동을 제어할 수 있는 방식으로 배열된다. 이러한 3-웨이 밸브(8)로, 주요 냉각 스트링에서의 공급부와 복귀부 사이의 온도 차이 및 이에 따른 냉각 시스템의 냉각 능력이 영향을 받을 수 있다. 냉각 디바이스(9)를 통해 유동하는 체적 유동이 증가된다면, 주요 냉각 스트링에서의 공급부와 복귀부 사이의 온도 차이가 증가한다. 1개 초과의 냉각 디바이스(9)가 제공된다면, 연관된 3-웨이 밸브(8)는 제공된 냉각 디바이스들(9) 각각을 위해 제공될 수 있다. 선택적으로, 3-웨이 밸브(8)는 또한 각각의 냉각 스트링을 위해 제공될 수 있으며, 이 3-웨이 밸브는 개개의 냉각 스트링을 통해 유동하는 냉각 유체의 체적 유동을 제어할 수 있는 방식으로 배열되며, 다시 말해, 이 냉각 유체는 냉각 스트링의 2개의 평행 라인들을 통해 유동한다. 이러한 부가의 3-웨이 밸브들(8)의 경우, 각각의 냉각 스트링의 공급부와 복귀부 사이의 온도 차이가 영향을 받을 수 있다. 도 2에서, 이러한 3-웨이 밸브(8)는 각각 예시된 냉각 스트링에 배열된다. 필요하다면, 추가 펌프가 냉각 스트링들 각각에 배열될 수 있어서, 개개의 냉각 스트링의 냉각 유체의 충분한 순환이 연관된 3-웨이 밸브의 각각의 설정에서 여전히 보장된다.
개별적인 배터리 모듈들(1)의 온도 센서들(4) 이외에도, 냉각 시스템은 배터리 모듈들(1) 외부에 추가 온도 센서들을 포함한다. 요약적인 표현은 도 2에서 2개의 센서 심볼들에 의해 도시되며, 이 센서 심볼들 중 하나는 12로 라벨링된다. 이들은 냉각 회로에서 공급부 및 복귀부의 온도를 검출하기 위한 적어도 센서들(12)이다. 부가 센서들(12)은 또한 선택적으로, 개별 냉각 스트링들의 공급부 및 복귀부에서 온도를 검출할 수 있다. 게다가, 온도 센서들(12)은 이들 위치들에서 온도를 검출하기 위해 배터리 파워 플랜트의 상이한 위치들에 선택적으로 배열될 수 있다.
게다가, 냉각 시스템은 도 2에서 11로 식별되는 제어 디바이스를 포함한다. 제어 디바이스(11)는 센서들(4 및 12)에 의해 획득된 측정 값들을 처리한다. 제어 디바이스(11)는, 배터리 파워 플랜트의 효율이 개선될 수 있는 방식으로 밸브들(6 및 8)의 포지션들을 제어한다. 언급된 효율은, 예를 들어, 냉각 시스템의 폐열에 대한 에너지 효율일 수 있다. 그러나, 이는 또한, 아래의 설명들로부터 명백해지는 바와 같이, 배터리 파워 플랜트의 전기 효율일 수 있다.
제어 디바이스는 또한 유리하게는, 설명된 제어의 범위에 추가 인자들을 포함할 수 있다. 이러한 추가 인자들은, 예를 들어, 날씨 또는 날씨 예측, 또는 배터리 파워 플랜트의 역사적인 그리고 예측된 로드 프로파일이다.
제어 디바이스는 명백하게는 또한, 배터리 모듈들의 열적 거동을 제어 관리로 포함시킨다. 일반적으로, 레독스 플로우 유형의 배터리 모듈은, 배터리 모듈이 더워질 때, 배터리 모듈이 내부 전기 저항을 감소시키기 때문에, 전기적으로 더 효율적이 된다. 그러나, 배터리 모듈의 온도는, 임의의 상황들에서 회피되어야 하는, 임계 온도가 초과될 때 파괴 프로세스들이 시작하기 때문에, 너무 높게 되지 않아야 한다. 이는, 제어 디바이스를 통한 제어가 일반적으로, 배터리 모듈들을 열적으로 파괴하지 않고 가능한 한 따뜻한 상태로 유지되는 방식으로 설계되어야 한다는 것을 의미한다.
바나듐계 레독스 플로우 유형 배터리 모듈들에서, 충전은 흡열 반응에서 발생하며, 그리고 방전은 발열 반응에서 발생한다. 이는, 외부 열 공급부 또는 열 소산부 없이, 이러한 배터리가 충전 동안에 냉각되고 그리고 방전될 때 가열되는 것을 의미한다.
제어 디바이스(11)는 중앙에 설계될 수 있다. 그러나, 제어 디바이스(11)는 또한 분산된 방식으로 배열되는 서브-제어 유닛(sub-control unit)들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 배터리 모듈(1)은 각각의 배터리 모듈에 위치되는 온도 센서들(4)에 의해 획득된 측정된 값들을 처리하고 그리고 관련 배터리 모듈과 연관되는 밸브들(6)을 제어하는 서브-제어 유닛을 포함할 수 있다. 이렇게 할 때, 서브-제어 유닛들은 자율적으로 적어도 부분적으로 작용한다. 제어 유닛(11)과의 임의의 서브-제어 유닛들, 센서들(4 및 12), 및 밸브들(6 및 8) 사이의 연결은 또한 무선일 수 있다.
발명자들은, 본 발명에 따른 배터리 파워 플랜트가 종래의 배터리 파워 플랜트와 비교하여 파워 플랜트의 에너지 효율을 개선시킬 수 있는 것을 인식하였다. 이에 의해, 에너지 효율의 개선은 배터리 파워 플랜트로부터 폐열을 감소시킴으로써 달성된다. 발명자들은, 레독스 플로우 유형의 배터리 모듈들로 배터리 파워 플랜트를 작동시킬 때, 하나 이상의 배터리 모듈들이 가능한 한 빠르게 최적의 작동 범위에 도달하기 위해, 다시 말해, 내부 저항을 감소시키고 그리고 전기 효율을 증가시키기 위해, 냉각될 필요가 없거나 심지어 가열될 필요가 없는 상황들이 반복적으로 발생한다는 것을 인식하였다.
따라서, 작동 일시정지(대기) 상태에 있거나 충전되고 있는 배터리 모듈들은, 이러한 조건들 하에서, 배터리 모듈들이 스스로 냉각되기 때문에, 냉각을 요구하지 않는다. 파워 플랜트에 새롭게 통합되거나 서비스되어 있는 배터리 모듈들은 또한 최적 작동 온도에 도달하기 위해 열을 요구한다. 다른 한편으로, 방전되고 있는 배터리 모듈들은 열을 생성하고, 그리고 이에 따라 냉각되어야 한다. 본 발명에 따른 배터리 파워 플랜트로, 이러한 발견은 배터리 파워 플랜트의 폐열을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 파워 플랜트의 작동 방법은, 적어도 하나의 배터리 모듈이 냉각 회로에서 순환하는 냉각 유체를 통해 열을 흡수하는 방식으로 밸브들(6) 및 3-웨이 밸브(8)가 제어되는 적어도 하나의 작동 상태를 포함하며, 이 열은 다른 배터리 모듈에 의해 냉각 유체로 전달된다. 다시 말해, 열을 흡수하는 배터리 모듈들은, 열을 방출하는 배터리 모듈들을 위한 냉각기들로서 작용한다.
이는 수개의 방식들로 달성될 수 있다. 간략화를 위해, 제1 배터리 모듈(B1)이 냉각을 요구하지 않으며, 그리고 B1의 전해질 온도가 T1인 것이 추정된다. 게다가, 제2 배터리 모듈(B2)이 냉각을 요구하고 그리고 B2의 전해액 온도가 T2일 것인 것이 추정된다. 그 후, 이는 T1 < T2일 것이다. B2로부터 B1로의 요망되는 열 유동을 달성하기 위해, 냉각 디바이스와 연관된 3-웨이 밸브는, 유동 온도(TV)가 T1 < TV < T2가 되도록 조절되는 방식으로 제어될 수 있다. 냉각 디바이스가 이제 (일시적으로) 냉각 회로 밖으로 전환된다면, B2로부터 B1로의 요망되는 열 유동은 불가피하게 발생한다. 다른 가능성은, 약간의 시간 동안, 단지 B2가 냉각 회로에 연결되는 반면에, B1이 냉각 회로로부터 연결해제되며 ─ 그 후, B2가 냉각 유체로 열을 방출하고, 그리고 후속하여, 단지 B1이 약간의 시간 동안 연결되는 반면, B2는 냉각 회로로부터 연결해제되며 ─ 그 후, B1은 냉각 유체로부터 열을 흡수한다. 배터리 모듈들과 연관된 밸브들(6)은 냉각 회로로 전환하고 그리고 냉각 회로 밖으로 전환하기 위해 사용된다. 제2 옵션에서, 냉각 디바이스는 또한, 요망되는 열 유동의 시간 동안 (연관된 3-웨이 밸브(8)에 의해) 냉각 회로 밖으로 전환된다.
냉각을 필요로 하지 않는 다수의 배터리 모듈들을 갖는 그리고 냉각될 필요가 있는 다수의 배터리 모듈들을 갖는 일반적인 배열은, 유동 온도(TV)가 배터리 모듈들의 평균 전해질 온도에 가깝도록 냉각 디바이스의 3-웨이 밸브(8)가 제어되는 방식으로 설명될 수 있다. 또한, 배터리 모듈들의 밸브들(6)은, 연관된 배터리 모듈들이 냉각 회로 안으로 또는 밖으로 주기적으로 전환되도록 제어되며, 이에 의해 교번(alternation)의 길이는 개개의 모듈들의 냉각 요건 또는 열 요건에 따른다.
개별 냉각 스트링들을 위한 선택적인 3-웨이 밸브들(8)은, 이 밸브들이 개별 냉각 스트링들의 유동 온도들을 개별적으로 조절하는 데 사용될 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 배터리 파워 플랜트의 작동을 위한 추가의 자유도들을 허용한다. 또한, 이 밸브들은 개별 냉각 스트링들을 냉각 회로 내로 또는 냉각 회로 밖으로 완전히 전환하는 데 사용될 수 있다. 이는, 이들의 전체에서의 하나 이상의 냉각 스트링들이 다른 냉각 스트링들과 상이한 냉각 요건들을 가지는 경우, 유리하다. 이는, 예를 들어, 하나 이상의 냉각 스트링들의 배터리 모듈들이 상이한 주변 온도가 존재하는 파워 플랜트의 지점들에 배열되는 경우일 수 있다. 이는, 예를 들어, 배터리 모듈들이 파워 플랜트에서 서로 포개어져 적층될 때의 경우이다. 최상부에 위치되는 배터리 모듈들은 보다 높은 공기 온도에 노출되는데, 왜냐하면 상부 공기 층이 아래에 위치되는 배터리 모듈들로부터의 폐열로 인해 가열되기 때문이다. 그 후, 상이한 수직 레벨들의 배터리 모듈들이 냉각 스트링들로 조합되는 것이 유리하다. 냉각 스트링들과 연관된 3-웨이 밸브들의 도움으로, 냉각 스트링들의 유동 온도는, 보다 높게 위로 위치되는 냉각 스트링들에 대한 유동 온도가 낮은 위치에 배열되는 냉각 스트링들의 유동 온도보다 더 낮도록 조절될 수 있다.
발명자들은, 이러한 배터리 파워 플랜트가 종종 부분적인 부하 작동으로 작동해야 하는 것을 고려하여, 추가의 유리한 작동 모드들이 본 발명에 따른 배터리 파워 플랜트를 위해 인용될 수 있는 것을 인식하였다. 부분 부하 작동은 수개의 방식들로 구현될 수 있다. 거의 모든 가능한 구현 모드들을 위해, 이러한 배터리 파워 플랜트의 효율이 본 발명에 따라 증가될 수 있는 작동 모드들이 특정될 수 있다. 이러한 작동 모드들을 설명하기 위해, 이러한 배터리 파워 플랜트의 전기적 구조는 아래에서 더 상세히 설명된다.
도 3은 매우 간소화된 표현으로 배터리 파워 플랜트의 전기적 구조를 도시한다. 좌측면에서, 배터리 스트링들은 배터리 모듈들의 직렬 연결로 표시된다. 각각의 배터리 스트링은 파선 직사각형에 의해 둘러싸인다. 각각의 배터리 모듈은 스위치들의 쌍의 도움으로 배터리 스트링 안으로 또는 밖으로 전환될 수 있다. 각각의 배터리 스트링은 DC-DC 레귤레이터에 연결된다. DC-DC 레귤레이터들 중 하나는 13으로 식별된다. 수개의 배터리 스트링들 각각은 DC 버스바를 통해 서로 연결되고, 그리고 이에 따라 각각 배터리 스트링 그룹을 형성한다. DC-DC 액추에이터들은 연관된 DC 버스바와 배터리 스트링들 사이에 배열된다. 각각의 배터리 스트링 그룹은 DC-AC 컨버터를 통해 배터리 파워 플랜트의 AC 버스바에 연결된다. DC-AC 컨버터들 중 하나는 15로 식별된다. 도 3에서, 3개의 배터리 스트링들은 배터리 스트링 그룹을 각각 형성한다. 그러나, 배터리 스트링 그룹당 배터리 스트링들의 수는 임의적일 수 있고, 그리고 단지 사용되는 DC-AC 컨버터들의 용량 및 배터리 스트링들의 공칭 용량에 의존한다. AC 버스바는 변압기(transformer)를 통해 전송 네트워크(transmission network)에 연결된다.
도 3의 우측면은 배터리 파워 플랜트와 연관된 제어 구조를 도시한다. 각각의 배터리 스트링은 자신의 제어기를 가지며, 배터리 스트링들 중 하나는 14로 식별된다. 결국, 각각의 배터리 스트링 그룹은 자신의 제어기를 가지며, 배터리 스트링들 중 하나는 16으로 식별된다. 배터리 파워 플랜트와 연관된 중앙 제어 시스템은 17로 식별된다. 종속 제어기들(14 및 16)은 별도로 설계될 수 있거나, 중앙 제어 시스템과 연관된 제어 디바이스로 통합될 수 있다. 동일한 것이 냉각 시스템과 연관된 디바이스(11)에 적용된다.
배터리 파워 플랜트의 부분 부하 작동의 실현을 위해, 다양한 가능성들이 이용가능하다:
A: 모든 배터리 모듈들이 부분 부하로 작동됨
B: 다수의 배터리 스트링들에서, 하나 이상의 배터리 모듈들이 개개의 배터리 스트링들 밖으로 전환되고 그리고 대기 모드로 진입함
C: 하나 이상의 배터리 스트링들이 부분 로드로 작동되거나 대기 모드로 진입함
D: 하나 이상의 배터리 스트링 그룹들이 부분 부하로 작동되거나 대기 모드로 진입함
부분 부하 작동 모드(A)는, 배터리 파워 플랜트가 균일한 상태를 유지할 수 있는 이점을 제공하는데, 왜냐하면 모든 배터리 모듈들은 균일하게 작동되며, 따라서 배터리 모듈들의 불균일한 충전 레벨을 가능한 한도까지 회피하기 때문이다. 그러나, 배터리 파워 플랜트의 효율을 증가시키는 것과 관련하여, 정확히 이러한 동질성 때문에, 이러한 작동 모드를 갖는 가능성이 전혀 없거나 단지 약간의 가능성들이 존재한다.
부분 부하 작동 모드들(B 내지 D)로, 배터리 모듈들의 불균일한 충전 상태가 적어도 일시적으로 초래되는데, 왜냐하면 적어도 일부 배터리 모듈들이 다른 배터리 모듈들과 비교하여 신속하게 충전되거나 방전되지 않거나 전혀 충전되거나 방전되지 않기 때문이다. 그러나, 영향을 받는 배터리 모듈들을 주기적으로 교체함으로써, 결과적인 불균형은 낮게 유지될 수 있거나 장기간에 걸쳐 심지어 회피될 수 있다. 다른 한편으로, 배터리 파워 플랜트의 효율의 증가와 관련하여 부분-부하 작동 모드들(B 내지 D)을 갖는 일부 이점들이 존재한다. 작동 모드들(C 및 D)에서, 연관된 DC-DC 제어기들 또는 DC-AC 컨버터들은 물론, 또한 대기 모드로 진입할 수 있으며, 이에 의해 에너지를 절약한다. 게다가, 전술된 바와 같이, 대기 상태인 배터리 모듈들은 열을 흡수하고, 그리고 이에 따라 나머지 배터리 모듈들을 위한 냉각기들의 역할을 할 수 있다. 이는, 논의 중인 부분 부하 작동 모드가 방전 프로세스인 경우, 유리한데, 왜냐하면 열이 방전 동안 발생되며, 이에 따라 냉각을 요구하기 때문이다. 이들 작동 모드들에서, 냉각 시스템의 제어 디바이스(11)가 밸브들(6) 및 3-웨이 밸브들(8)의 제어를 위해 배터리 모듈들의 개개의 현재 전기적 상태(대기, 방전, 충전)에 관한 정보를 사용하는 것이 명백하다.
설명된 긍정적인 효과는, 만약 논의 중인 배터리 스트링들 또는 배터리 스트링 그룹들이 대기 상태로 시프트되지 않지만 충전 상태로 전환된다면, 부분 부하 작동 모드들(C 및 D)에서의 방전 동안 추가적으로 증폭될 수 있다. 이는, 배터리 모듈들의 대부분이 방전되는 동안, 나머지 배터리 모듈들이 충전되는 것을 의미한다. 그 후, 배터리 파워 플랜트의 전력 출력은 2개의 배터리 모듈 그룹들 사이의 전력 차이에 의해 결정된다. 레독스 플로우 배터리의 충전이 흡열이기 때문에, 충전으로 전환되는 배터리 모듈들의 냉각 효과는 이에 대응하여 대기 모드에 비해 더 크다. 이는 대기를 사용하는 작동 모드들과 비교하여 효율의 증가를 초래하는지의 여부는 많은 인자들에 의존하고, 그리고 따라서 사례별로 고려되어야 한다. 때때로, 배터리 모듈들의 냉각 용량이 대기 시에 더 이상 충분하지 않다면, 냉각 디바이스(9)를 일시적으로 활성화시키는 것이 더 저렴할 것이다.
자동화된 방식으로 전술된 절차들을 실행하도록 설정될 배터리 파워 플랜트에 대해, 배터리 파워 플랜트는 컴퓨터 시스템을 포함한다. 용어 컴퓨터 시스템은 설명된 프로세스 단계들을 자동으로 실행하기에 적합한 모든 장비, 특히 이러한 목적을 위해 특별히 개발된 IC들 또는 마이크로제어기들뿐만 아니라, ASIC들(ASIC: application specific integrated circuit)을 지칭한다. 제어 디바이스(11) 또는 제어부들(14, 16) 자체는 적합한 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다. 대안적으로, 컴퓨터 시스템은 별도의 장비를 나타낼 수 있거나, 별도의 장비의 부품일 수 있다. 본 출원서는 또한, 배터리 파워 플랜트가 전술된 절차들을 구현하는 것을 유발시키는 명령들을 포함하는 컴퓨터 프로그램에 기초한다. 또한, 본 출원서는, 이러한 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터-판독가능한 매체에 기초한다.
결론적으로, 대형 배터리 파워 플랜트들은 또한 수개의 건물들을 포함할 수 있으며, 병렬로 연결되는 수개의 배터리 스트링들은 각각의 건물에 배열되는 것이 언급되어야 한다. 이에 의해, 별도의 냉각 시스템은 각각의 건물을 위해 제공될 수 있거나, 전체적인 냉각 시스템이 모든 건물들을 위해 총괄적으로 제공될 수 있다. 제1 경우에, 각각의 건물은 본 발명에 따른 배터리 파워 플랜트로서 고려될 것이다. 제2 경우에서, 건물들의 전체는 본 발명에 따른 배터리 파워 플랜트로서 고려될 것이다.
1 배터리 모듈
2 셀 배열체
3 탱크 장비
4 온도 센서
5 열 교환기들
6 밸브
7 배터리 스트링
8 3-웨이 밸브
9 냉각 디바이스
10 순환 펌프
11 냉각 시스템의 제어 디바이스
12 온도 센서
13 DC-DC 액추에이터들
14 배터리 스트링의 제어부
15 DC-AC 컨버터들
16 배터리 스트링 그룹의 제어부
17 배터리 파워 플랜트의 중앙 제어부

Claims (9)

  1. 레독스 플로우(Redox Flow) 유형의 복수의 배터리 모듈(battery module)들(1)을 포함하는 배터리 파워 플랜트(battery power plant)로서,
    상기 배터리 모듈들(1)은 병렬로 연결되는 수개의 배터리 스트링들(7)에 배열되며, 그리고 상기 배터리 스트링(7) 각각은 직렬로 연결되는 수개의 배터리 모듈들(1)을 포함하며, 그리고 상기 각각의 배터리 모듈(1)은 전해질을 저장하기 위한 탱크 디바이스(tank device)(3), 적어도 하나의 온도 센서(temperature sensor)(4), 및 적어도 하나의 열 교환기(5)를 포함하며, 상기 온도 센서(4)는, 상기 온도 센서가 전해질 온도를 검출할 수 있는 방식으로 배열되며, 그리고 상기 열 교환기(5)는, 상기 열 교환기가 전해질과 열을 교환할 수 있는 방식으로 배열되고 그리고 설계되며, 그리고 상기 배터리 파워 플랜트는 상기 배터리 모듈들(1)의 열 교환기들(5)에 냉각 유체를 공급하기 위한 냉각 시스템(cooling system)을 포함하며, 그리고 상기 냉각 시스템은, 공급부 및 복귀부를 갖는 냉각 회로, 적어도 하나의 냉각 디바이스(9) 및 상기 냉각 회로에서 상기 냉각 유체를 순환시키기 위한 적어도 하나의 순환 펌프(circulating pump)(10)를 포함하며, 그리고 상기 냉각 디바이스(9)는, 상기 냉각 디바이스가 유동부와 상기 복귀부 사이의 온도 차이에 영향을 줄 수 있는 방식으로 설계되며, 그리고 상기 냉각 시스템은 상기 유동부 및 복귀부의 온도를 검출하기 위한 적어도 2개의 다른 온도 센서들(12)을 포함하며, 모든 배터리 모듈들(1)은, 상기 냉각 회로가 상기 모든 배터리 모듈들(1)의 병렬 연결을 형성하는 방식으로 상기 냉각 회로의 유동부 및 복귀부에 연결되며, 그리고 상기 냉각 시스템은 적어도 하나의 3-웨이 밸브(three-way valve)(8)를 포함하며, 상기 3-웨이 밸브는, 상기 3-웨이 밸브가 상기 냉각 디바이스(9)를 통해 유동하는 상기 냉각 유체의 체적 유동을 제어할 수 있는 방식으로 배열되며, 상기 각각 배터리 모듈(1)을 위한 냉각 시스템은 적어도 하나의 밸브(6)를 포함하며, 상기 밸브는, 상기 밸브가 상기 연관된 배터리 모듈(1)의 열 교환기(5)를 통해 유동하는 상기 냉각 유체의 체적 유동을 제어할 수 있는 방식으로 배열되며, 그리고
    상기 냉각 시스템은 제어 디바이스(11)를 포함하며, 상기 제어 디바이스는, 상기 온도 센서들(4, 12)에 의해 측정되는 값들을 처리하고 그리고 상기 밸브들(6) 및 3-웨이 밸브(8)의 설정들을 제어하여, 상기 배터리 파워 플랜트의 효율을 개선시키도록 설계되는,
    배터리 파워 플랜트.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수개의 배터리 모듈들(1)은 냉각 스트링(cooling string)을 형성하며, 상기 냉각 스트링은 2개의 평행 라인(parallel line)들을 포함하며, 그리고 상기 냉각 스트링에 속하는 각각의 배터리 모듈은, 상기 배터리 모듈들이 병렬 연결을 형성하는 방식으로 상기 2개의 라인들에 연결되며, 그리고 3-웨이 밸브(8)는 상기 냉각 스트링을 위해 제공되며, 상기 3-웨이 밸브는, 상기 3-웨이 밸브가 상기 개개의 냉각 스트링을 통해 유동하는 상기 냉각 유체의 체적 유동을 제어할 수 있는 방식으로 배열되며, 그리고 상기 제어 디바이스(11)는, 상기 제어 디바이스가 상기 냉각 스트링에 속하는 상기 3-웨이 밸브(8)의 설정을 제어할 수 있는 방식으로 설계되는,
    배터리 파워 플랜트.
  3. 배터리 파워 플랜트의 작동을 위한 방법으로서,
    상기 배터리 파워 플랜트는 레독스 플로우 유형의 복수의 배터리 모듈들(1)을 포함하며, 그리고 상기 배터리 모듈들(1)은 병렬로 연결된 수개의 배터리 스트링들(7)에 배열되며, 그리고 상기 배터리 스트링(7)은, 직렬로 연결되는 수개의 배터리 모듈들(1)을 각각 포함하며, 그리고 상기 각각의 배터리 모듈(1)은 전해질을 저장하기 위한 탱크 디바이스(3), 적어도 하나의 온도 센서(4), 및 적어도 하나의 열 교환기(5)를 포함하며, 상기 온도 센서(4)는, 상기 온도 센서가 전해질 온도를 검출할 수 있는 방식으로 배열되며, 그리고 상기 열 교환기(5)는, 상기 열 교환기가 전해질과 열을 교환할 수 있는 방식으로 배열되고 그리고 설계되며, 그리고 상기 배터리 파워 플랜트에는 상기 배터리 모듈들(1)의 열 교환기(5)에 냉각 유체를 공급하기 위한 냉각 시스템이 설비되며, 그리고 상기 냉각 시스템은 공급부 및 복귀부를 갖는 냉각 회로, 적어도 하나의 냉각 디바이스(9), 및 상기 냉각 회로에서 상기 냉각 유체를 순환시키기 위한 적어도 하나의 순환 펌프(10)를 포함하며, 그리고, 상기 냉각 디바이스(9)는, 상기 냉각 디바이스가 유동부 및 상기 복귀부 사이의 온도 차이에 영향을 줄 수 있는 방식으로 설계되며, 그리고 상기 냉각 시스템은 상기 유동부 및 복귀부의 온도를 검출하기 위한 적어도 2개의 추가 온도 센서들(12)을 포함하며, 그리고 모든 배터리 모듈들(1)은, 상기 냉각 회로가 모든 배터리 모듈들의 병렬 연결을 형성하는 방식으로 상기 유동부 및 복귀부에 연결되며, 그리고 상기 냉각 시스템은 적어도 하나의 3-웨이 밸브를 포함하며, 상기 3-웨이 밸브는, 상기 3-웨이 밸브가 상기 냉각 디바이스(9)를 통해 유동하는 상기 냉각 유체의 체적 유동을 제어할 수 있는 방식으로 배열되며, 그리고 상기 각각의 배터리 모듈(1)을 위한 냉각 시스템은 적어도 하나의 밸브(6)를 포함하며, 상기 밸브는, 상기 밸브가 연관된 배터리 모듈(1)의 열 교환기(5)를 통해 유동하는 상기 냉각 유체의 체적 유동을 제어할 수 있는 방식으로 배열되며, 그리고 상기 냉각 시스템은 제어 디바이스(11)를 포함하며, 상기 제어 디바이스는, 상기 제어 디바이스가 상기 온도 센서들(4, 12)에 의해 측정되는 값들을 처리할 수 있고 그리고 상기 밸브들(6) 및 상기 3-웨이 밸브(8)의 설정들을 제어할 수 있는 방식으로 설계되며, 그리고 상기 방법은,적어도 하나의 배터리 모듈(1)이 다른 배터리 모듈(1)에 의해 상기 냉각 유체로 전달된 상기 냉각 회로에서 순환하는 상기 냉각 유체를 통해 열을 흡수하는 방식으로, 상기 밸브들(6) 및 상기 3-웨이 밸브(8)가 제어되는 적어도 하나의 작동 상태를 포함하는,
    배터리 파워 플랜트의 작동을 위한 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 수개의 배터리 모듈들(1)은 냉각 스트링을 형성하며, 상기 냉각 스트링은 2개의 평행 라인들을 포함하며, 그리고 상기 냉각 스트링에 속하는 각각의 배터리 모듈은, 상기 배터리 모듈들이 병렬 연결을 형성하는 방식으로 상기 2개의 라인들에 연결되며, 그리고 3-웨이 밸브(8)는 상기 냉각 스트링을 위해 제공되며, 상기 3-웨이 밸브는, 상기 3-웨이 밸브가 상기 개개의 냉각 스트링을 통해 유동하는 상기 냉각 유체의 체적 유동을 제어할 수 있는 방식으로 배열되며, 그리고 상기 제어 디바이스(11)는, 상기 제어 디바이스가 상기 냉각 스트링과 연관되는 상기 3-웨이 밸브(8)의 설정을 제어할 수 있는 방식으로 설계되는,
    배터리 파워 플랜트의 작동을 위한 방법.
  5. 제3 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 배터리 파워 플랜트는 적어도 하나의 작동 상태로 부분 부하에서 작동되며, 그리고 상기 냉각 회로에서 순환하는 상기 냉각 유체를 통해 열을 흡수하는 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(1)은 대기 모드(stand-by mode)에 있는,
    배터리 파워 플랜트의 작동을 위한 방법.
  6. 제3 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 배터리 파워 플랜트는 적어도 하나의 작동 상태로 부분 부하에서 작동되며, 그리고 상기 냉각 회로에서 순환하는 상기 냉각 유체를 통해 열을 흡수하는 상기 적어도 하나의 배터리 모듈(1)은 충전되는,
    배터리 파워 플랜트의 작동을 위한 방법.
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 배터리 파워 플랜트는 제3 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 따라 프로세스(process)를 자동으로 실행하도록 배열되는,
    배터리 파워 플랜트.
  8. 명령들을 포함하는 컴퓨터 프로그램(computer program)으로서,
    상기 명령들은 제7 항의 배터리 파워 플랜트가 제3 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하는 것을 유발시키는,
    컴퓨터 프로그램.
  9. 컴퓨터-판독가능한 매체로서,
    상기 컴퓨터-판독가능한 매체 상에, 제8 항에 따른 컴퓨터 프로그램이 저장되는,
    컴퓨터-판독가능한 매체.
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