KR20240009566A - 에너지 저장장치 - Google Patents

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KR20240009566A
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양동근
우형석
장희중
손상혁
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상하방향으로 배치되는 복수의 배터리팩, 내부에 적어도 상기 복수의 배터리팩이 수용되는 공간을 형성하는 케이싱, 상기 케이싱 내측에 배치되고, 각 배터리팩에 대응하여 배치되는 복수의 배터리냉각판, 상기 케이싱 내측에 배치되고, 상기 복수의 배터리냉각판으로 냉각수를 유동시키는 펌프와, 상기 펌프에 의해 유동하는 냉각수를 공기와 열교환시키는 열교환기를 포함하는 냉각 모듈, 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수가 공급되는 저수조, 상기 저수조의 일측에 배치되는 펠티어(Peltier) 소자, 상기 펠티어 소자의 일면에 접촉하고 상기 저수조의 내부에 수용되는 내부 히트싱크, 및, 상기 펠티어 소자의 타면에 접촉하는 외부 히트싱크를 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.
배터리의 온도가 고온일 때, 폭발, 발화 가능성이 증가한다. 또한, 배터리의 온도가 고온으로 상승한 상태에서 지속적으로 사용되면 배터리 수명이 감소한다. 또한, 배터리의 온도가 저온에서 사용될 경우 내부저항이 높아져 효율성이 떨어지고 고출력이 어렵다. 따라서, 배터리의 온도를 적정 수준에서 관리하는 것이 효율과 안전 측면에서 바람직하다.
선행문헌 US8557414(2011.02.25)는, 공랭식으로 배터리를 냉각하는 방식이다. 선행문헌의 공랭식은, 공기를 압축하기 위한 압축기, 이를 저장하기위한 탱크 등 압축공기를 활용하기 위한 구성이 필요하며, 배터리 내 폐열을 균등하게 회수하는데 어려움이 있다.
본 개시가 해결하고자 하는 과제는, 배터리 온도를 안정적으로 관리할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는, 배터리팩들의 온도 편차를 효과적으로 감소시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는, 배터리팩들의 냉각을 위한 냉각수 온도를 안정적으로 제어하여 냉각 성능의 신뢰성을 향상할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는, 운전 조건에 따라 시스템의 온도를 보다 안정적으로 제어함으로써, 시스템의 전체 효율과, 배터리의 수명, 충/방전 속도 및 효율 등이 향상할 수 있는 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 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상하방향으로 배치되는 복수의 배터리팩, 내부에 적어도 상기 복수의 배터리팩이 수용되는 공간을 형성하는 케이싱, 상기 케이싱 내측에 배치되고, 각 배터리팩에 대응하여 배치되는 복수의 배터리냉각판, 상기 케이싱 내측에 배치되고, 상기 복수의 배터리냉각판으로 냉각수를 유동시키는 펌프와, 상기 펌프에 의해 유동하는 냉각수를 공기와 열교환시키는 열교환기를 포함하는 냉각 모듈, 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수가 공급되는 저수조, 상기 저수조의 일측에 배치되는 펠티어(Peltier) 소자, 상기 펠티어 소자의 일면에 접촉하고 상기 저수조의 내부에 수용되는 내부 히트싱크, 및, 상기 펠티어 소자의 타면에 접촉하는 외부 히트싱크를 포함한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조 또는 상기 펌프에 선택적으로 공급되도록하는 저수조 삼방밸브;를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 저수조의 냉각수가 흡입되는 흡입 배관;과 상기 흡입 배관과 상기 펌프 사이 유로에 배치되는 펠티어 밸브;를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 냉각수 온도를 감지하는 온도 센서;를 더 포함하고, 상기 온도 센서에서 감지되는 냉각수 온도에 기초하여, 상기 저수조 삼방밸브는 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 펌프 또는 상기 저수조에 공급하고, 냉각 모드에서 상기 저수조에 냉각수가 공급되면, 상기 펠티어 소자의 일면이 흡열 반응하고, 예열 모드에서 상기 저수조에 냉각수가 공급되면, 상기 펠티어 소자의 일면이 발열 반응할 수 있다.
상기 펠티어 소자는, 상기 저수조의 상부에 배치되는 상부 펠티어 소자와 상기 저수조의 하부에 배치되는 하부 펠티어 소자를 포함하고, 상기 흡입 배관은, 상기 상부 펠티어 소자에 대응하는 상부 흡입 배관과 상기 하부 펠티어 소자에 대응하는 하부 흡입 배관을 포함하고, 상기 펠티어 밸브는, 상기 상부 흡입 배관과 상기 하부 흡입 배관으로 흡입된 냉각수를 상기 펌프로 공급하는 삼방밸브일 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 냉각수 온도를 감지하는 온도 센서;를 더 포함하고, 상기 온도 센서에서 감지되는 냉각수 온도에 기초하여, 상기 상부 펠티어 소자와 상기 하부 펠티어 소자가 선택적으로 동작할 수 있다.
상기 냉각수의 온도가 제1 기준온도 미만이면, 상기 저수조 삼방밸브는 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 펌프에 공급하고, 상기 냉각수의 온도가 제1 기준온도 이상이면, 상기 저수조 삼방밸브는 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조에 공급하고, 상기 하부 펠티어 소자의 일면이 흡열 반응하며, 상기 냉각수의 온도가 제1 기준온도보다 높은 제2 기준온도 이상이면, 상기 저수조 삼방밸브는 상기 냉각수를 상기 저수조에 공급하고, 상기 상부 펠티어 소자와 상기 하부 펠티어 소자의 일면이 흡열 반응할 수 있다.
예열 모드에서, 상기 저수조 삼방밸브는 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조에 공급하고, 상기 상부 펠티어 소자와 상기 하부 펠티어 소자의 일면이 발열 반응할 수 있다.
상기 냉각 모듈은, 상기 열교환기로 외부공기를 공급하는 방열팬을 더 포함하고, 상기 방열팬은, 상기 냉각수의 온도에 대응하여 회전수가 가변될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 펌프에서 상기 냉각수가 공급되는 제1 냉각수순환유로; 상기 제1 냉각수순환유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 전력변환기 워터 블록으로 공급하는 제2 냉각수순환유로; 상기 제1 냉각수순환유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 상기 배터리냉각판으로 공급하는 제3 냉각수순환유로; 상기 전력변환기 워터 블록에서 배출되는 냉각수가 유동하는 제4 냉각수순환유로; 상기 제4 냉각수순환유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 상기 배터리냉각판으로 공급하는 제5 냉각수순환유로; 상기 제4 냉각수순환유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 상기 열교환기로 공급하는 바이패스유로; 상기 배터리냉각판의 출구유로, 및, 상기 바이패스유로에 연결되는 제6 냉각수순환유로; 상기 열교환기의 입구 및 상기 제6 냉각수순환유로에 연결되는 제1 열교환기유로; 상기 제6 냉각수순환유로 및 상기 제1 열교환기유로에 연결되는 제7 냉각수순환유로; 상기 열교환기의 출구 및 상기 제7 냉각수순환유로에 연결되는 제2 열교환기유로; 상기 제7 냉각수순환유로 및 상기 제2 열교환기유로에 연결되는 저수조유로; 상기 저수조유로에 연결되는 제8 냉각수순환유로;를 포함하고, 상기 저수조유로에는 상기 저수조 삼방밸브가 배치될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 제8 냉각수순환유로에 배치되는 제1 온도센서; 상기 제6 냉각수순환유로에 배치되는 제2 온도센서;를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 저수조유로에 배치되는 저수조 온도센서;를 더 포함하고, 상기 저수조 온도센서에서 측정되는 냉각수 온도에 기초하여, 상기 저수조 삼방밸브는 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조 또는 상기 펌프에 공급할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 제1 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로와 상기 제3 냉각수순환유로로 분배하는 제1 삼방밸브; 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수가 상기 제5 냉각수순환유로 또는 상기 바이패스유로에 선택적으로 공급되도록하는 제2 삼방밸브;를 더 포함할 수 있다.
예열 모드에서, 상기 제1 삼방밸브는, 상기 펌프에서 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로에 공급하며, 상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 제5 냉각수순환유로에 공급하고, 상기 저수조 삼방밸브는 상기 제7 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 저수조에 공급하고, 상기 상부 펠티어 소자와 상기 하부 펠티어 소자의 일면이 발열 반응할 수 있다.
냉각 모드에서, 상기 제1 삼방밸브는, 상기 펌프에서 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로와 상기 제3 냉각수순환유로로 분배하며, 상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 바이패스유로에 공급하고, 상기 저수조 삼방밸브는 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조 또는 상기 펌프에 공급하고, 상기 저수조에 냉각수가 공급되면, 상기 펠티어 소자의 일면이 흡열 반응할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 리액터; 상기 리액터에 접촉하는 리액터 워터 블록; 상기 제2 냉각수순환유로에 배치되어 상기 냉각수를 상기 리액터 워터 블록으로도 분배하는 T형 커넥터;를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 온도를 안정적으로 관리할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리팩들의 온도 편차를 효과적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리팩들의 냉각을 위한 냉각수 온도를 안정적으로 관리하여 냉각 성능의 신뢰성을 향상할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 운전 조건에 따라 시스템의 온도를 보다 안정적으로 제어함으로써, 시스템의 전체 효율과, 배터리의 수명, 충/방전 속도 및 효율 등이 향상할 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 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 복수의 배터리팩을 포함하는 에너지 저장장치의 분해사시도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 냉각수 온도 조절 시스템의 개념도이다.
도 5와 도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 제1 냉각 모드에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 7과 도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 제2 냉각 모드에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 9와 도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 제3 냉각 모드에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 11과 도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 예열 모드에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 동작방법의 순서도이다.
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 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)에 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 시스템의 개념도이다.
도 2를 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 전*(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 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 복수의 배터리팩을 포함하는 에너지 저장장치의 분해사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는, 상하방향으로 배치되는 복수의 배터리팩(10), 복수의 배터리팩(10)이 배치되는 공간을 형성하는 케이싱(12), 케이싱(12)의 전면을 개폐하는 도어(28)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)를 포함할 수 있다. 케이싱후방벽(14)에는, 상기 배터리팩(10)과 체결되도록 형성된 팩체결부(16)를 포함한다.
한 쌍의 케이싱측벽(20) 중 하나에는, 에너지 저장장치(1)의 전원을 온/오프하는 스위치(22a, 22b)가 배치될 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에서는, 제1스위치(22a)와 제2스위치(22b)가 배치되고, 제1,2 스위치(22a, 22b) 스위칭 조합으로만 전원이 온되어 에너지 저장장치(1)의 안전성을 강화할 수 있다.
상기 케이싱(12)의 내부에는, 배터리의 충전 또는 방전을 위해 전기의 특성을 변환시키는 전력변환기(32)(PCS : Power Conditioning System), 배터리팩(10) 및/또는 배터리팩(10)에 포함되는 배터리셀의 전류, 전압, 온도 등의 정보를 모니터링하는 배터리관리기(BMS : Battery Management System)가 배치될 수 있다.
전력변환기(32)는, 회로기판(33)과, 회로기판(33)(이하, PCS 보드)의 일측에 배치되고 전력 변환을 수행하는 스위칭소자(33a)(예를 들어, Insulated gate bipolar transistor; IGBT)를 포함할 수 있다.
배터리관리기(34)는, 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각에 배치되는 배터리팩 회로기판(미도시)과 케이싱(12) 내부에 배치되고 복수의 배터리팩 회로기판과 통신선(미도시)으로 연결되는 메인회로기판(34a)을 포함할 수 있다.
메인회로기판(34a)은, 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각에 배치되는 배터리팩 회로기판(220)과 통신선으로 연결될 수 있다. 메인회로기판(34a)은, 배터리팩(10)으로부터 연장되는 파워선(미도시)과 연결될 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(10) 각각은, 케이싱(12)에 고정되게 배치된다. 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각은 케이싱후방벽(14)에 배치되는 팩체결부(16)에 체결된다.
각 배터리팩(10)은, 직병렬로 연결되는 복수의 배터리셀을 포함하는 적어도 하나의 배터리모듈(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리팩(10)은, 서로 전기적으로 연결되고, 물리적으로 고정된 2개의 배터리모듈(미도시)로 구성된 배터리모듈 어셈블리(미도시)를 포함할 수 있다. 배터리모듈 어셈블리는 서로 마주하게 배치되는 제1배터리모듈과 제2배터리모듈을 포함할 수 있다. 상기 제1,2 배터리모듈은 각각 복수의 배터리셀의 정보를 감지하는 센싱기판(미도시)을 포함하고, 배터리팩 회로기판은 상기 센싱기판으로부터 상기 제1,2 배터리모듈의 센싱정보를 수집하고 상기 배터리관리기(34)에 전달할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는, 전기를 저장할 수 있는 배터리(35)와, 배터리(35)의 입출력을 담당하는 전력 변환기(32)와, 배터리(35) 등 내부 부품의 온도를 조절하기 위한 열 관리 시스템을 포함한다.
본 개시의 실시 예에 따른 ESS 열 관리 시스템은, 시스템 구동시 배터리(35), 전력 변환기(32), 리액터 등에서 발생하는 폐열을 회수하며, 회수된 폐열을 외부로 방출하여, 배터리(35), 전력 변환기(32)의 온도를 저감시킴으로써, 시스템의 효율을 향상시키기 위한 수랭식 온도 제어 시스템이다. 기존 공랭식 열 관리 시스템을 사용할 경우 열 회수 효율이 낮아 시스템 내 각 부품의 온도가 높게 형성될 수 있다. 배터리 충전 및 방전시 배터리의 온도를 일정 온도 범위내로 안정적으로 유지시킬 경우, 배터리내 충전 및 방전 속도가 증가하여 배터리 사용 효율이 증가되는 장점이 있다.
본 개시에 따르면, 열 관리 시스템으로써, 에너지 저장장치(1)는 상기 배터리팩(10), 상기 PCS 보드(33) 등 내부 구성을 냉각시키는 냉각 모듈(40)을 포함한다. 본 개시의 실시 예에 따르면, 냉각 모듈(40)은 수랭식 냉각 방식으로 상기 배터리팩(10), 상기 PCS 보드(33) 등을 냉각시킬 수 있다.
예를 들어, 각 배터리팩(10)에 대응하여 배터리냉각판(50)이 배치되고, 냉각수가 냉각수 유로(60)를 따라 냉각 모듈(40)과 배터리냉각판(50) 사이를 순환하면서 배터리팩(10)을 냉각시킬 수 있다. 냉각수 유로(60)는, 냉각 모듈(40)로부터 냉각수가 배터리냉각판(50)으로 유입되는 입구유로(60b)와 배터리냉각판(50)으로부터 냉각수가 냉각 모듈(40)로 배출되는 출구유로(60a)를 포함할 수 있다.
냉각수 공급 및 누설의 문제점을 고려하여 절연성능을 가지는 냉각수를 적용하며, 저온에도 사용가능한 냉각수가 더 바람직하다.
냉각 모듈(40)은, 냉각수 순환을 위한 펌프, 시스템 운전 중 회수한 폐열을 공기측과 열교환으로 방출시키는 열교환기 및 팬을 포함함으로써, 폐열 회수에 따라 가열된 냉각수를 최저 대기온도까지 냉각시켜 순환시킬 수 있다.
냉각 모듈(40)은, 플레이트(41)로 지지되고, 플레이트(41)를 통하여 PCS 보드 등과 접촉할 수 있다.
열 관리 시스템은, 냉각 모듈(40) 외 각부 냉각을 위해 배터리측 워터 블록(배터리냉각판(50)), PCS측 워터 블록, 리액터측 워터 블록 등을 포함한다.
배터리측 워터 블록은 배터리 모듈 적용 개수에 따라 비례하여 증가하도록 구성되고, 평상시 냉각수 유량이 각 워터 블록에 균등하게 공급되도록 구성하고 있다.
각 발열체 부품별로 구성되어진 워터 블록은 내부에 냉각수가 흐르며, 발열체와 면접촉을 통해 폐열을 회수하도록 구성하고 있다. 그리고 열 관리 시스템을 효율적으로 운용하기 위해 각 부품별 워터 블록 후단부에 온도센서가 배치되어 출수 온도를 감지한다.
또한, 열 관리 시스템은, 냉각수의 유로를 필요에 따라 절환할 수 있도록 밸브를 적용하고, 각 발열부에 공급하는 유체의 유량이 가변하며, 그에 따라 발열부의 온도를 목표 온도 범위내로 유지할 수 있도록 제어할 수 있다.
상기 전력관리기(31a) 또는 상기 배터리관리기(34)가 열관리 시스템도 제어하는 컨트롤러일 수 있다. 또는 열 관리 시스템은 별도의 컨트롤러를 구비할 수 있다. 컨트롤러로 온도 센서 등 센싱 정보가 전달되고, 컨트롤러는 열 관리 시스템의 운전 모드, 펌프, 팬, 밸브의 동작(개폐, 개도 조절)을 제어할 수 있다.
시스템내 부품의 예열을 하기 위한 조건일 경우, 열교환기의 냉각수 입구 측에 배치되는 개폐 밸브(ex, 1Way 밸브) 제어를 통해, 열교환기를 사용하지 않고, PCS의 무효전력 제어로 일부 전력을 소모함으로써 열을 발생시키고, 이때 발생된 폐열을 회수하여 배터리를 예열하게 된다. 해당 제어를 통해 예열된 배터리는 배터리 충전 가능량 및 충전 속도가 증가되어 ESS 시스템을 더욱 효율적은 운용할 수 있다. 이와 같이 ESS 열 관리 시스템을 통해 고온 조건에서는 냉각, 저온 조건에서는 예열을 통해 배터리 운전 범위 및 충전 속도를 향상시켜 시스템은 운용 범위를 확장시킬 수 있다.
가정용 ESS 제품의 경우 운전 조건에 따라 크게 4가지의 운전 모드를 구성할 수 있다.
첫번째 운전 모드는 PCS 및 배터리 냉각 모드이다. PCS 및 배터리 냉각 모드는 ESS 배터리 사용으로 PCS 및 배터리, 리액터에서 발열이 발생하는 경우로 각 발열부에서 발생한 폐열은 회수 후 열교환기에서 대기중으로 방출할 수 있다.
두번째 운전 모드는 저외기온 운전 및 대기 상태로서 PCS의 발열을 통해 가열된 냉각수로 배터리를 냉각하기 위한 PCS 냉각 및 배터리 가열 모드이다. PCS 냉각 및 배터리 가열 모드에서는 열교환기를 사용하지 않는다.
세번째 운전 모드는 정상 운전 종료 후 PCS만 냉각 되어진 경우 배터리 모듈을 냉각함으로써 배터리 효율을 향상시키기 위한 배터리 단독 냉각 모드이다. 배터리 단독 냉각 모드는 시스템 운전 종료시 Thermal Mass가 적은 PCS만 조기 냉각되었을 경우 추가적으로 배터리를 냉각하기 위한 운전 모드이다.
네번째 운전 모드는 PCS 단독 냉각 모드이다. PCS 단독 냉각 모드는 운전 시간이 짧거나 출력이 적어 배터리 발열은 거의 없으나 PCS만 발열이 높은 경우 PCS를 주로 냉각하기 위한 운전 모드이다.
이하에서는, 도면들을 참조하여, 냉각수 온도 조절 시스템을 포함하는 열 관리 시스템을 상세히 설명한다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 냉각수 온도 조절 시스템의 개념도이다.
도 3과 도 4를 참조하면, 에너지 저장장치(1)는, 상하방향으로 배치되는 복수의 배터리팩(10), 각 배터리팩(10)에 대응하여 배치되는 복수의 배터리냉각판(50), 및, 냉각 모듈(40)을 포함한다.
케이싱(12)은 내부에 각종 부품을 수용하는 공간을 형성하다. 상기 배터리팩(10), 상기 배터리냉각판(50), 및, 상기 냉각 모듈(40)은 상기 케이싱(12) 내부에 배치된다.
냉각 모듈(40)은, 상기 냉각수를 유동시키는 펌프(42)와 상기 펌프(42)에 의해 유동하는 냉각수를 공기와 열교환시키는 열교환기(43)를 포함한다. 또한, 냉각 모듈(40)은, 상기 열교환기(43)로 외부공기를 공급하는 방열팬(44)을 포함할 수 있다.
펌프(42)의 동작으로 상기 냉각수는 유로(60)를 따라 배터리냉각판(50)에 유입되고, 배터리팩(10)에서 발생하는 열을 흡수한다. 배터리냉각판(50)을 통과한 냉각수는 열교환기(43)에서 열교환되고, 열이 대기 중으로 방출된다.
컨트롤러는 필요에 따라 펌프(42)를 동작시켜 냉각수를 순환시킨다. 배터리팩(10)에서 발생된 열을 냉각수와 열교환하여 흡수하고 열교환기(43)와 방열팬(44)을 이용하여 대기와 다시 열교환하는 방식으로 열을 방출한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는, 수냉식으로 냉각수를 이용하여 배터리팩(10) 등 내부 발열체의 과열을 방지한다. 따라서, 냉각수의 온도를 안정적으로 관리할수록 전체 냉각 성능도 향상할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는, 냉각수 온도 조절 시스템을 포함한다. 에너지 저장장치(1)는, 상기 열교환기(43)에서 배출되는 냉각수가 공급되는 저수조(400), 상기 저수조(400)의 일측에 배치되는 펠티어(Peltier) 소자(420), 상기 펠티어 소자(420)의 일면에 접촉하고 상기 저수조(400)의 내부에 수용되는 내부 히트싱크(410), 및, 상기 펠티어 소자(420)의 타면에 접촉하는 외부 히트싱크(430)를 포함한다.
상기 외부 히트싱크(430)는 케이싱(12) 측면에 고정될 수 있고, 상기 내부 히트싱크(410)는 저수조(400) 내 측면에 고정될 수 있다.
냉각수 온도 조절 시스템은, 열관리 시스템에서 사용되는 냉각수의 온도 제어를 보조하는 수단으로서, 열관리 시스템에 포함되며, 상기 펠티어 소자(420) 및 상기 저수조(400)를 통해 냉각수를 냉각/가열할 수 있다.
상기 펠티어 소자(420)는 인가되는 전압에 따라 일면이 흡열하거나 발열하고, 반대측 일면은 반대로 발열하거나 흡열한다. 예를 들어, 상기 펠티어 소자(420)에 정전압이 인가되면, 상기 펠티어 소자(420)의 일면은 흡열 반응하고, 반대측 타면은 발열 반응한다. 또한, 상기 펠티어 소자(420)에 정전압과 반대되는 방향의 역전압이 인가되면, 상기 펠티어 소자(420)의 일면은 발열 반응하고, 반대측 타면은 흡열 반응한다.
이에 따라, 상기 펠티어 소자(420)에 정전압 인가시, 외부 히트싱크(430)에는 발열되고 내부 히트싱크(410)에는 냉각된다. 상기 펠티어 소자(420)에 역전압 인가시, 내부 히트싱크(410)에는 발열되며 외부 히트싱크(430)에는 냉각된다.
본 개시에 따르면, 펠티어 소자(420)의 제벡 효과를 통해 저수조(400)의 냉각수를 냉각하거나 가열할 수 있다. 본 개시에 따르면, 펠티어 소자(420) 및 상기 펠티어 소자(420) 양면에 배치되는 히트싱크(410, 430)를 사용하여 저수조(400)의 냉각수를 냉각하거나 가열할 수 있다.
본 개시에 따른 열관리 시스템은, 상기 열교환기(43)에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조(400) 또는 상기 펌프(42)에 선택적으로 공급되도록하는 저수조 삼방밸브(441)를 포함한다. 저수조 삼방밸브(441)를 통해 냉각수가 저수조(400)로 공급되거나 시스템으로 바이패스 될 수 있다. 저수조 삼방밸브(441)는 공급배관(465)을 통하여 상기 냉각수가 저수조(400)로 공급되도록 할 수 있다. 또한, 저수조 삼방밸브(441)는 저수조 바이패스유로(465)를 통하여 상기 냉각수가 저수조(400)로 공급되지 않고 펌프(42)로 순환되도록 할 수 있다.
본 개시에 따른 열관리 시스템은, 상기 저수조(400)의 냉각수가 흡입되는 흡입 배관(463, 464), 및, 상기 흡입 배관(463, 464)과 상기 펌프(42) 사이 흡입유로(462)에 배치되는 펠티어 밸브(442)를 더 포함한다. 예를 들어, 펠티어 밸브(442)도 삼방밸브일 수 있다. 펠티어 밸브(442)의 동작 및 상기 흡입 배관(463, 464)을 통해, 상기 내부 히트싱크(410) 측에서 냉각 또는 가열된 냉각수가 열관리 시스템으로 공급될 수 있다.
상기 저수조 바이패스유로(461)와 상기 흡입유로(462)는 T형 커넥터(450)를 통하여 냉각수가 펌프(42)로 순환되는 제8 냉각수 순환류로(466)에 합지될 수 있다.
더 바람직하게, 상기 펠티어 소자(420)는, 상기 저수조(400)의 상부에 배치되는 상부 펠티어 소자(420a)와 상기 저수조의 하부에 배치되는 하부 펠티어 소자(420b)를 포함할 수 있다. 또한, 상부 펠티어 소자(420a)와 하부 펠티어 소자(420b)의 양면에는 각각 내부 히트싱크(410)와 외부 히트싱크(430)이 배치될 수 있다. 이 경우에, 상기 흡입 배관(463, 464)은, 상기 상부 펠티어 소자(420a)에 대응하는 상부 흡입 배관(463)과 상기 하부 펠티어 소자(420b)에 대응하는 하부 흡입 배관(464)을 포함할 수 있다.
상하부 흡입 배관(463, 464)은 각각 상하부 펠티어 소자(420b)(420)의 내부 히트싱크(410)측에 접하고 있어 펠티어 소자(420) 구동에 따라 내부 히트싱크(410) 주변의 냉수 및 열수를 시스템에 공급할 수 있다. 상기 펠티어 밸브(442)는, 상기 상부 흡입 배관(463)과 상기 하부 흡입 배관(464)으로 흡입된 냉각수를 상기 펌프(42)로 공급하는 삼방밸브일 수 있다. 상기 펠티어 밸브(442)의 제어를 통해 상하부 펠티어 소자(420b)(420)의 내부 히트싱크(410)측에서 냉각 또는 가열된 냉각수를 흡입하여 시스템으로 공급하게 된다.
에너지 저장장치(1)는, 냉각수 온도를 감지하는 온도 센서(도 6 등의 883)를 더 포함하고, 상기 온도 센서(883)에서 감지되는 냉각수 온도에 기초하여, 상기 저수조 삼방밸브(441)는 상기 열교환기(43)에서 배출되는 냉각수를 상기 펌프(42) 또는 상기 저수조(400)에 공급할 수 있다.
냉각 모드에서 상기 저수조(400)에 냉각수가 공급되면, 상기 펠티어 소자(420)의 일면이 흡열 반응하고, 예열 모드에서 상기 저수조(400)에 냉각수가 공급되면, 상기 펠티어 소자(420)의 일면이 발열 반응할 수 있다.
또한, 상부 펠티어 소자(420a)와 상기 하부 펠티어 소자(420b)가 구비되는 경우에, 상기 온도 센서(883)에서 감지되는 냉각수 온도에 기초하여, 상기 상부 펠티어 소자(420a)와 상기 하부 펠티어 소자(420b)가 선택적으로 동작할 수 있다.
본 개시에 따른 에너지 저장장치(1)는, 정상적인 운전 조건에서 저온의 냉각수는 배터리팩(10), PCS(32) & Reactor(831, 832)로 공급되며, 배터리팩(10), PCS(32) & Reactor(831, 832)에서 토출되는 냉각수는 폐열 회수에 따라 가열된다.
가열된 냉각수는 열교환기(43)로 공급되어 1차적으로 공기 냉각되며, 추가적인 냉각이 필요할 경우 저수조(400) 측으로 냉각수를 공급함으로써 냉각수의 온도를 더욱 저감시킬 수 있다.
상기 냉각수의 온도가 제1 기준온도 미만이면, 상기 저수조 삼방밸브(441)는 상기 열교환기(43)에서 배출되는 냉각수를 상기 펌프(42)에 공급한다. 이에 따라, 가열된 냉각수는 열교환기(43)에서만 열교환된다.
상기 냉각수의 온도가 제1 기준온도 이상으로, 추가적인 냉각이 필요하다면, 상기 저수조 삼방밸브(441)는 상기 열교환기(43)에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조(400)에 공급하고, 상기 하부 펠티어 소자(420b)의 일면이 흡열 반응함으로써, 냉각수의 2차 냉각이 수행된다.
상기 냉각수의 온도가 제1 기준온도보다 높은 제2 기준온도 이상이면, 상기 저수조 삼방밸브(441)는 상기 열교환기(43)에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조(400)에 공급하고, 상기 상부 펠티어 소자(420a)와 상기 하부 펠티어 소자(420b)의 일면이 흡열 반응함으로써, 2차 냉각을 더 강하게 수행할 수 있다.
본 개시에 따른 에너지 저장장치(1)는, 저온에 방치되어 냉각수의 온도가 많이 저감되었을 경우, 정상운전을 하기 위해 배터리팩(10)을 예열할 수 있다.
열교환기(43)를 사용하지 않고 저수조(400)측으로 냉각수를 공급하고, 펠티어 소자(420)에 역전압을 인가하여, 저수조(400) 내 냉각수를 가열함으로써 냉각수의 온도를 1차적으로 상승시킬 수 있다. 또한, PCS(32) & Reactor(831, 832) 측으로 공급된 냉각수는 2차적으로 가열된다. 이후 배터리팩(10)으로 공급된 냉각수는 배터리팩(10)을 예열한다.
예열 모드에서, 상기 저수조 삼방밸브(441)는 상기 열교환기(43)에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조(400)에 공급하고, 상기 상부 펠티어 소자(420a)와 상기 하부 펠티어 소자(420b)의 일면이 발열 반응할 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 의하면, 운전 조건에 따라 열교환기(43)외 냉각수의 냉각 능력을 추가적으로 확보할 수 있으며, 냉각수 예열시 PCS(32) & Reactor(831, 832)의 무효전력 제어외 추가적인 예열 수단을 확보함으로써, 시스템의 냉각수 온도를 보다 효과적으로 제어할 수 있고, 시스템 전체 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5와 도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 제1 냉각 모드에 관한 설명에 참조되는 도면이다. 도 5는 저수조(400), 펠리어 소자(420)를 활용한 냉각수 온도 조절 시스템을 확대하여 도시한 것으로 도 4를 설명한 구성과 동일하다. 도 6은 도 5의 구성을 포함하는 열 관리 시스템을 도시한 것이다.
도 5와 도 6을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)의 열 관리 시스템은, 냉각수를 유동시키는 펌프(42)와, 상기 펌프(42)에 의해 유동하는 냉각수를 공기와 열교환시키는 열교환기(43)와, 상기 열교환기(43)로 외부공기를 공급하는 방열팬(44)을 포함할 수 있다. 실시 예에 따라서, 상기 방열팬(44)은 제1 방열팬(44a)과 제2 방열팬(44b)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 방열팬(44)은, 상기 냉각수의 온도에 대응하여 회전수가 가변될 수 있다.
상기 펌프(42)가 동작하면, 상기 냉각수는, 제1 냉각수순환유로(801)를 따라 공급되고, 상기 제1 냉각수순환유로(801)에서 분지되는 제2 냉각수순환유로(852, 853)과 제3 냉각수순환유로(851)으로 분배될 수 있다.
상기 제2 냉각수순환유로(852, 853)는, 냉각수를 전력변환기(32) 측으로 공급하는 유로로써, 전력변환기(32) 측 워터 블록(820)에 연결된다. 상기 펌프(43)에서 토출되는 냉각수는, 상기 제1 냉각수순환유로(801), 상기 제2 냉각수순환유로(852, 853)를 거쳐 상기 전력변환기(32) 측 워터 블록(820)에 공급될 수 있다. 한편, 상기 전력변환기(32) 측 워터 블록(820)에서 토출되는 냉각수는 PCS 유로(863)로 유동한다.
한편, 상기 제3 냉각수순환유로(851)는 냉각수를 배터리팩(10) 측으로 공급하는 유로이다. 더 상세하게 냉각수는 배터리측 워터 블록인 배터리냉각판(50)으로 공급될 수 있다.
한편, 에너지 저장장치(1)는, 전압/전류 안정화를 위한 하나 이상의 리액터(831, 832)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장장치(1)는, 교류전원에서 인가되는 전류의 급격한 변화를 안정화시키는 제1 리액터(831), 배터리팩(10)으로부터 인가되는 전류의 급격한 변화를 안정화시키는 제2 리액터(832)를 포함할 수 있다.
또한, 에너지 저장장치(1)는, 상기 리액터(831, 832)를 냉각시키는 리액터 워터 블록(841, 842)을 포함할 수 있다. 리액터 워터 블록(841, 842)는 상기 리액터(831, 832)에 접촉하여 냉각 모듈(40)로부터 공급되는 냉각수로 상기 리액터(831, 832)를 냉각시킬 수 있다. 상기 리액터 워터 블록(841, 842)의 냉각수는 다시 리액터 유로(865, 864)로 배출될 수 있다.
상기 제2 냉각수순환유로(852, 853)에는 T형 커넥터(871)가 배치되어 상기 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로(853)와 상기 리액터 워터 블록(841, 842) 측 유로(854)로도 분배할 수 있다.
제1 리액터(831)와 제2 리액터(832)를 구비하는 경우에, 에너지 저장장치(1)는, 냉각수를 다시 제1 리액터(831)와 제2 리액터(832)로 균등하게 분배하는 T형 커넥터(872)를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 PCS 유로(863)와 상기 리액터 유로(865, 864)에는 T형 커넥터(891, 892)가 배치되고, 상기 PCS 유로(863)와 상기 리액터 유로(865, 864)는, 상기 제4 냉각수순환유로(855)로 합지될 수 있다. 따라서, 상기 전력변환기 워터 블록(820)와 상기 리액터 워터 블록(841, 842)에서 배출되는 냉각수는, 상기 제4 냉각수순환유로(855)로 유동된다.
한편, 상기 제4 냉각수순환유로(855)는 제5 냉각수순환유로(856)와 바이패스유로(857)로 분지된다. 상기 제5 냉각수순환유로(856)는 냉각수를 상기 배터리팩(10) 측 배터리냉각판(50)으로 공급하는 유로이고, 상기 바이패스유로(857)는 냉각수를 상기 배터리팩(10) 측을 거치지 않고 상기 열교환기(43) 측으로 유동시키는 유로이다.
상기 제3 냉각수순환유로(851)와 상기 제5 냉각수순환유로(856)가 만나는 부위에는 T형 커넥터(873)가 배치될 수 있다.
한편, 상기 제1 냉각수순환유로(801)에는 제1 삼방밸브(811)가 배치된다. 상기 제1 삼방밸브(811)는 상기 제1 내지 제3 냉각수순환유로(801, 853, 851)이 만나는 부위에 배치되고, 상기 제1 냉각수순환유로(801)의 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로(853)와 상기 제3 냉각수순환유로(851)로 분배할 수 있다.
상기 제4 냉각수순환유로(855)에는 제2 삼방밸브(813)가 배치된다. 상기 제2 삼방밸브(813)는, 상기 제4 냉각수순환유로(855), 상기 제5 냉각수순환유로(856), 상기 바이패스유로(857)가 만나는 부위에 배치되고, 상기 제4 냉각수순환유로(855)의 냉각수가 상기 제5 냉각수순환유로(856) 또는 상기 바이패스유로(857)에 선택적으로 공급되도록 동작한다.
한편, 상기 배터리냉각판(50)은 입구유로(91)를 통하여 냉각수를 공급받고 출구유로(92)를 통하여 냉각수를 배출한다. 상기 배터리냉각판(50)의 출구유로(92)와 상기 바이패스유로(857)가 만나는 위치에는 T형 커넥터(874)가 배치되고, 상기 배터리냉각판(50)의 출구유로(92)와 상기 바이패스유로(857)는 제6 냉각수순환유로(858)로 합지된다.
상기 열교환기(43)의 입구에는 제1 열교환기유로(861)가 연결되고, 상기 열교환기(43)의 출구에는 제2 열교환기유로(862)가 연결된다. 상기 제1 열교환기유로(861)는 상기 제6 냉각수순환유로(858)에 연결되고, 상기 제2 열교환기유로(862)는, 저수조유로(802)에 연결된다.
한편, 상기 제2 열교환기유로(862), 상기 제7 냉각수순환유로(803), 저수조유로(802)가 만나는 위치에 T형 커넥터(893)가 배치될 수 있다. 상기 제1 열교환기유로(861), 상기 제6 냉각수순환유로(858), 상기 제7 냉각수순환유로(803)가 만나는 위치에 제3 삼방밸브(894)가 배치될 수 있다. 예열 모드시, 상기 제3 삼방밸브(894)는 냉각수가 열교환기(42)를 통과하지 않도록 동작할 수 있다.
한편, 상기 제6 냉각수순환유로(858) 및 상기 제1 열교환기유로(861)에는 제7 냉각수순환유로(803)가 연결된다. 상기 제2 열교환기유로(862)는, 상기 열교환기(43)의 출구 및 상기 제7 냉각수순환유로(803)에 연결된다. 상기 저수조유로(802)는, 상기 제7 냉각수순환유로(803) 및 상기 제2 열교환기유로(862)에 연결된다. 냉각수는, 상기 제1 열교환기유로(861)를 통하여 상기 열교환기(43)로 유입되고, 상기 제2 열교환기유로(862)를 통하여 상기 열교환기(43)에서 배출된다.
상기 저수조유로(802)에는 제8 냉각수순환유로(466)가 연결되고, 상기 저수조유로(802)에는 상기 저수조 삼방밸브(441)가 배치될 수 있다.
이에 따라, 저수조 삼방밸브(441)는, 냉각 모드에서, 상기 열교환기(43)에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조(400) 또는 상기 펌프(42)에 선택적으로 공급할 수 있다.
한편, 컨트롤러는 온도센서(881, 882)에서 감지되는 냉각수 온도에 기초하여 열 관리 시스템을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 제8 냉각수순환유로(859)에는 제1 온도센서(881)가 배치되고, 상기 제6 냉각수순환유로(858)에는 제2 온도센서(882)가 배치되어, 냉각수 온도를 감지할 수 있다.
한편, 상기 저수조유로(802)에는 저수조 온도센서(883)가 배치되고, 컨트롤러는, 상기 저수조 온도센서(883)에서 측정되는 냉각수 온도에 기초하여, 상기 저수조 삼방밸브(441)를 제어할 수 있다. 냉각 모드에서, 상기 저수조 삼방밸브(441)는, 상기 컨트롤러의 제어에 따라, 상기 열교환기(43)에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조(400) 또는 상기 펌프(42)에 공급할 수 있다.
상기 저수조 온도센서(883)에서 측정되는 냉각수 온도가 제1 기준온도 미만이면, 열관리 시스템은, 제1 냉각 모드로 동작할 수 있다.
도 5와 도 6을 참조하면, 상기 펌프(42)가 동작하고, 냉각수는, 상기 제1 냉각수순환유로(801)로 공급된다. 냉각 모드에서, 상기 제1 삼방밸브(811)는, 상기 펌프(42)에서 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로(852, 853)와 상기 제3 냉각수순환유로(851)로 분배할 수 있다.
한편, 상기 제2 삼방밸브(813)는, 상기 제4 냉각수순환유로(855)의 냉각수를 상기 바이패스유로(857)에 공급하고, 상기 저수조 삼방밸브(441)는 상기 열교환기(43)에서 배출되는 냉각수를 저수조(400)를 거치지 않고 상기 펌프(42)에 공급한다. 이에 따라, 냉각수 온도가 낮아 추가 냉각이 필요없을 때에는, 냉각수를 저수조(400)를 우회하여 바로 펌프(42)로 순환시킬 수 있고, 소비 전력을 저감할 수 있다.
에너지 저장장치(1) 초기운전시 등 냉각수의 온도가 높지 않을 경우, 제1 냉각 모드로 진입하게 된다. 제1 냉각 모드에서, 펌프(42)를 통해 공급되는 저온의 냉각수는 배터리팩(10)과 PCS(32) & Reactor(831, 832)를 통해 가열되며, 가열된 냉각수는 열교환기(43)와 방열팬(44)을 통해 회수한 폐열을 대기중으로 방출하게된다. 라디에이터(열교환기(43)와 방열팬(44))의 동작만으로 냉각수 온도 관리가 충분할 경우, 저수조(400) 측으로 냉각수를 공급하지 않고 펌프(42) 측으로 바이패스하게 된다.
한편, 상기 저수조 온도센서(883)에서 측정되는 냉각수 온도가 제1 기준온도 이상이면, 열관리 시스템은, 제2 냉각 모드로 동작할 수 있다.
도 7과 도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 제2 냉각 모드에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 7과 도 8을 참조하면, 상기 펌프(42)가 동작하고, 냉각수는, 상기 제1 냉각수순환유로(801)로 공급된다. 제2 냉각 모드에서, 상기 제1 삼방밸브(811)는, 상기 펌프(42)에서 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로(852, 853)와 상기 제3 냉각수순환유로(851)로 분배할 수 있다. 상기 제2 삼방밸브(813)는, 상기 제4 냉각수순환유로(855)의 냉각수를 상기 바이패스유로(857)에 공급한다.
상기 냉각수의 온도가 제1 기준온도 이상이면, 상기 저수조 삼방밸브(441)는 열교환기(43)의 1차 냉각 후 상기 열교환기(43)에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조(400)에 공급하고, 상기 하부 펠티어 소자(420b)(420)의 일면이 흡열 반응함으로써, 2차 냉각을 수행할 수 있다.
에너지 저장장치(1) 운전중 냉각수의 온도가 제1 기준온도 이상으로 상승되면, 상기 제1 냉각 모드에서 제2 냉각 모드에 진입하게 된다. 에너지 저장장치(1)는 이전 운전 상태와 동일하게 운전되며, 상기 저수조 삼방밸브(441)가 절환 제어됨에 따라, 냉각수가 저수조(400)로 공급된다.
저수조(400) 내 냉각수의 냉각을 위해 하부측 펠티어 소자(420)에 정전압을 인가하여 냉각수를 냉각한다. 하부측 냉수를 흡입하여 시스템에 공급하기 위해 펠티어 밸브(442)는 개도를 하부측 냉각수를 흡입하기 위한 개도로 절환 제어하게된다. 해당 제어를 통해 냉각수를 온도를 더욱 저감시킴으로써, 배터리팩(10)과 PCS(32) & Reactor(831, 832)의 온도를 효과적으로 저감시킬 수 있다.
한편, 상기 저수조 온도센서(883)에서 측정되는 냉각수 온도가 제2 기준온도 이상이면, 열관리 시스템은, 제3 냉각 모드로 동작할 수 있다.
도 9와 도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 제3 냉각 모드에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
에너지 저장장치(1) 운전중 냉각수의 온도가 상기 제1 기준온도보다 높게 설정된 상기 제2 기준온도 이상으로 상승되면, 상기 제2 냉각 모드에서 제3 냉각 모드에 진입하게 된다.
에너지 저장장치(1)는 이전 운전 상태와 동일하게 운전되며, 제3 냉각 모드에 진입시 저수조(400) 내 상부 펠티어 소자(420a)에도 정전압을 인가하고, 상부 및 하부의 내부 히트싱크(410)는 흡열반응을 하게된다. 이에 따라 저수조(400) 내 냉각수의 온도를 더욱 빨리 저감시킬 수 있다.
펠티어 밸브(442)는 저수조(400) 내 내부 히트싱크(410)의 상부 및 하부측 냉각수를 분배하여 흡입할 수 있도록 개도량을 제어하며, 흡입된 저온의 냉각수는 시스템으로 공급되어 배터리팩(10)과 PCS(32) & Reactor(831, 832)의 온도를 저감 시킬 수 있다.
도 11과 도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 예열 모드에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
냉각수 온도가 일정 온도 이하일 경우, 배터리팩(10)의 정상 운전 불가능하거나, 배터리의 수명, 효율 등 악영향을 초래할 수 있기 때문에, 배터리팩(10)을 예열하는 운전 모드로 제어된다.
도 11과 도 12를 참조하면, 예열 모드에서, 상기 펌프(42)가 동작하고, 상기 제1 삼방밸브(811)는 상기 제1 냉각수순환유로(801)로 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로(852, 853)에 공급할 수 있다. 즉, 상기 펌프(42)를 통해 공급되는 냉각수는 상기 제1 삼방밸브(811)를 통해 PCS(32) & Reactor(831, 832) 측으로 냉각수가 전부 공급된다.
상기 제2 삼방밸브(813)는, 상기 제4 냉각수순환유로(855)의 냉각수를 상기 제5 냉각수순환유로(856)에 공급하고, 상기 저수조 삼방밸브(441)는 상기 냉각수를 상기 저수조(400)에 공급한다. 이때, 펠티어 소자(420)에는 역전압이 인가되어 저수조(400)를 향하는 일면이 발열 반응한다.
예열 모드에서, 펌프(42) 구동을 통해 유동하는 냉각수가 배터리냉각판(50)을 거쳐 저온 상태 토출된다. 저온의 냉각수는 상기 제3 삼방밸브(894)를 통해 상기 열교환기(43)로 공급되지 않고 바이패스된다. 이는 상기 열교환기(43)로 냉각수가 공급되면 낮은 외기온도로 인해 냉각수의 온도가 더욱 저감되기 때문이다.
바이패스된 냉각수는 상기 저수조 삼방밸브(441)를 통해 저수조(400)로 공급되며, 저수조(400) 내의 상부 및 하부측 펠티어 소자(420a, 420b)에는 역전압을 인가시킴으로써, 내부 히트싱크(410)에서 발열을 하게 된다. 이과정을 통해 배터리팩(10) 측에서 출수되는 저온의 냉각수가 1차로 가열된진다.
펠티어 밸브(442)는 저수조(400) 내측 두개의 배관(463, 464)에서 냉각수를 균등하게 분배 흡입하여 펌프(42) 및 제1 삼방밸브(811)로 공급한다.
상기 제1 삼방밸브(811)는 유입된 냉각수가 PCS(32) & Reactor(831, 832) 측으로 공급되도록 개도량 제어된다. PCS(32) & Reactor(831, 832)는 무효전력 제어로 발열하고 공급된 냉각수를 2차적으로 가열하게 된다. 이렇게 가열된 냉각수는 제2 삼방밸브(813)의 제어를 통해 배터리팩(10) 측으로 공급되며, 배터리팩(10)을 예열하고 난후 저온의 냉각수로 배출된다. 이후 냉각수 및 배터리팩(10)의 온도가 목표온도 이상으로 상승되었을 경우 시스템은 정상운전 모드에 진입하게 된다.
본 개시의 실시 예들에 따르면, 운전 조건에 따라 시스템의 온도를 보다 안정적으로 제어함으로써, 시스템의 전체 효율과, 배터리의 수명, 충/방전 속도 및 효율 등이 향상할 수 있다.
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 동작방법의 순서도이다.
도 13을 참조하면, 에너지 저장장치(1)의 전원이 켜진 상태에서(S1305), 컨트롤러는 운전조건을 확인하고(S1310 내지 S1335), 저수조 온도센서(883)에서 감지되는 냉각수 온도를 분석한다(S1340).
에너지 저장장치(1)의 운전조건은 제조사, 사용자에 의해 다양한 로직과 조건이 적용될 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러는, 배터리(35)의 저장 용량을 분석하고(S1310), 배터리(35)의 저장 용량, 부하에 기초하여 전력 수요 관리 모드로 진입할 수 있다(S1315). 전력 수요 관리 모드는, 상술한 요금제 기반 충방전 모드로 시간에 따른 운전 모드로 선택 제어될 수 있다(S1320). 전기 요금이 싼 심야 시간대에는, 에너지 저장 모드로 계통(9)에서 공급되는 전력으로 배터리(35)를 충전시키는 에너지 저장 모드로 운전 제어될 수 있다(S1325). 전기 요금이 비싸고, 부하가 큰 주간에는 배터리(35)가 방전하는 에너지 공급 모드로 운전 제어될 수 있다(S1330).
컨트롤러는 에너지 저장장치(1)의 운전조건에 기초한 열관리 시스템 운전 모드로 진입하고(S1335), 저수조 온도센서(883)에서 감지되는 냉각수 온도를 분석한다(S1340). 컨트롤러는 냉각수 온도에 기초하여 열관리 시스템 운전 모드를 선택할 수 있다(S1345). 냉각이 필요한 경우에, 컨트롤러는 열관리 시스템을 냉각 모드로 제어할 수 있다(S1350, S1355, S1360).
저수조 온도센서(883)에서 감지되는 냉각수 온도가 중저온 기준치인 제1 기준온도보다 작으면, 열관리 시스템은, 제1 냉각 모드로 동작할 수 있다(S1350). 냉각수 온도가 제1 기준온도 이상이면, 열관리 시스템은, 제2 냉각 모드로 동작할 수 있다(S1360).
제1 냉각모드(S1350)에서는, 도 5와 도 6에서 예시된 것과 같이, 열교환기(43)와 방열팬(44)을 동작시키고. 저수조 삼방밸브(441), 펠티어 밸브(442)는 냉각수가 저수조(400)를 통과하지 않도록 제어된다(S1370). 이에 따라, 제1 냉각모드(S1350)의 냉각 운전이 수행된다(S1395).
제2 냉각모드(S1355)에서는, 도 7과 도 8에서 예시된 것과 같이, 열교환기(43)와 방열팬(44)을 동작시키고. 저수조 삼방밸브(441), 펠티어 밸브(442)는 냉각수가 저수조(400)를 통과하도록 제어된다(S1375). 이때, 하부 펠티어 소자(420b)에만 정전압이 인가되어 일면에서 흡열반응이 일어나고(S1380), 제2 냉각모드(S1355)의 냉각 운전이 수행된다(S1395).
한편, 저수조 온도센서(883)에서 감지되는 냉각수 온도가 고온 기준치인 제2 기준온도 이상이면, 열관리 시스템은, 제3 냉각 모드로 동작할 수 있다(S1360). 제3 냉각모드(S1360)에서는, 도 9와 도 10에서 예시된 것과 같이, 열교환기(43)와 방열팬(44)을 동작시키고. 저수조 삼방밸브(441), 펠티어 밸브(442)는 냉각수가 저수조(400)를 통과하도록 제어된다(S1375). 이때, 상부 펠터어 소자(420a)와 하부 펠티어 소자(420b)에 모두 정전압이 인가되어 일면에서 흡열반응이 일어나고(S1390), 제3 냉각모드(S1360)의 냉각 운전이 수행된다(S1395).
열관리 시스템이 냉각 모드로 동작하는 상태에서, 에너지 저장장치(1)는 충전 또는 방전 정상 운전을 수행할 수 있다(S1395).
한편, 열관리 시스템은 배터리(35) 예열을 위한 가열 모드로 동작할 수도 있다.
가열 모드에서는, 도 11과 도 12에서 예시된 것과 같이, 펌프(42)는 켜지고, 밸브들(441, 442, 811, 813, 894)을 제어할 수 있다. 또한, 도 11과 도 12에서 예시된 것과 같이, 열교환기(43) 및 방열팬(44)을 포함하는 라디에이터를 제어할 수 있다(S1410). 또한, 상부 펠터어 소자(420a)와 하부 펠티어 소자(420b)에 역접압을 인가하여 발열 반응을 일으킬 수 있다.
열관리 시스템이 가열 모드로 동작하는 상태에서, PCS(32) & Reactor(831, 832)는 예열 모드 운전일 경우 무효전력 제어를 통해 발열 운전하고 냉각수가 순환하며 배터리(35)가 예열될 수 있다(S1420).
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 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

Claims (16)

  1. 상하방향으로 배치되는 복수의 배터리팩;
    내부에 적어도 상기 복수의 배터리팩이 수용되는 공간을 형성하는 케이싱;
    상기 케이싱 내측에 배치되고, 각 배터리팩에 대응하여 배치되는 복수의 배터리냉각판;
    상기 케이싱 내측에 배치되고, 상기 복수의 배터리냉각판으로 냉각수를 유동시키는 펌프와, 상기 펌프에 의해 유동하는 냉각수를 공기와 열교환시키는 열교환기를 포함하는 냉각 모듈;
    상기 열교환기에서 배출되는 냉각수가 공급되는 저수조;
    상기 저수조의 일측에 배치되는 펠티어(Peltier) 소자;
    상기 펠티어 소자의 일면에 접촉하고 상기 저수조의 내부에 수용되는 내부 히트싱크; 및,
    상기 펠티어 소자의 타면에 접촉하는 외부 히트싱크;를 포함하는 에너지 저장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조 또는 상기 펌프에 선택적으로 공급되도록하는 저수조 삼방밸브;를 더 포함하는 에너지 저장장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 저수조의 냉각수가 흡입되는 흡입 배관;과
    상기 흡입 배관과 상기 펌프 사이 유로에 배치되는 펠티어 밸브;를 더 포함하는 에너지 저장장치.
  4. 제3항에 있어서,
    냉각수 온도를 감지하는 온도 센서;를 더 포함하고,
    상기 온도 센서에서 감지되는 냉각수 온도에 기초하여, 상기 저수조 삼방밸브는 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 펌프 또는 상기 저수조에 공급하고,
    냉각 모드에서 상기 저수조에 냉각수가 공급되면, 상기 펠티어 소자의 일면이 흡열 반응하고,
    예열 모드에서 상기 저수조에 냉각수가 공급되면, 상기 펠티어 소자의 일면이 발열 반응하는 에너지 저장장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 펠티어 소자는, 상기 저수조의 상부에 배치되는 상부 펠티어 소자와 상기 저수조의 하부에 배치되는 하부 펠티어 소자를 포함하고,
    상기 흡입 배관은, 상기 상부 펠티어 소자에 대응하는 상부 흡입 배관과 상기 하부 펠티어 소자에 대응하는 하부 흡입 배관을 포함하고,
    상기 펠티어 밸브는, 상기 상부 흡입 배관과 상기 하부 흡입 배관으로 흡입된 냉각수를 상기 펌프로 공급하는 삼방밸브인 에너지 저장장치.
  6. 제5항에 있어서,
    냉각수 온도를 감지하는 온도 센서;를 더 포함하고,
    상기 온도 센서에서 감지되는 냉각수 온도에 기초하여, 상기 상부 펠티어 소자와 상기 하부 펠티어 소자가 선택적으로 동작하는 에너지 저장장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉각수의 온도가 제1 기준온도 미만이면, 상기 저수조 삼방밸브는 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 펌프에 공급하고,
    상기 냉각수의 온도가 제1 기준온도 이상이면, 상기 저수조 삼방밸브는 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조에 공급하고, 상기 하부 펠티어 소자의 일면이 흡열 반응하며,
    상기 냉각수의 온도가 제1 기준온도보다 높은 제2 기준온도 이상이면, 상기 저수조 삼방밸브는 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조에 공급하고, 상기 상부 펠티어 소자와 상기 하부 펠티어 소자의 일면이 흡열 반응하는 에너지 저장장치.
  8. 제6항에 있어서,
    예열 모드에서,
    상기 저수조 삼방밸브는 상기 냉각수를 상기 저수조에 공급하고, 상기 상부 펠티어 소자와 상기 하부 펠티어 소자의 일면이 발열 반응하는 에너지 저장장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 냉각 모듈은, 상기 열교환기로 외부공기를 공급하는 방열팬을 더 포함하고,
    상기 방열팬은, 상기 냉각수의 온도에 대응하여 회전수가 가변되는 에너지저장장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 펌프에서 상기 냉각수가 공급되는 제1 냉각수순환유로;
    상기 제1 냉각수순환유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 전력변환기 워터 블록으로 공급하는 제2 냉각수순환유로;
    상기 제1 냉각수순환유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 상기 배터리냉각판으로 공급하는 제3 냉각수순환유로;
    상기 전력변환기 워터 블록에서 배출되는 냉각수가 유동하는 제4 냉각수순환유로;
    상기 제4 냉각수순환유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 상기 배터리냉각판으로 공급하는 제5 냉각수순환유로;
    상기 제4 냉각수순환유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 상기 열교환기로 공급하는 바이패스유로;
    상기 배터리냉각판의 출구유로, 및, 상기 바이패스유로에 연결되는 제6 냉각수순환유로;
    상기 열교환기의 입구 및 상기 제6 냉각수순환유로에 연결되는 제1 열교환기유로;
    상기 제6 냉각수순환유로 및 상기 제1 열교환기유로에 연결되는 제7 냉각수순환유로;
    상기 열교환기의 출구 및 상기 제7 냉각수순환유로에 연결되는 제2 열교환기유로;
    상기 제7 냉각수순환유로 및 상기 제2 열교환기유로에 연결되는 저수조유로;
    상기 저수조유로에 연결되는 제8 냉각수순환유로;를 포함하고,
    상기 저수조유로에는 상기 저수조 삼방밸브가 배치되는 에너지 저장장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제8 냉각수순환유로에 배치되는 제1 온도센서;
    상기 제6 냉각수순환유로에 배치되는 제2 온도센서;를 더 포함하는 에너지 저장장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 저수조유로에 배치되는 저수조 온도센서;를 더 포함하고,
    상기 저수조 온도센서에서 측정되는 냉각수 온도에 기초하여, 상기 저수조 삼방밸브는 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조 또는 상기 펌프에 공급하는 에너지 저장장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로와 상기 제3 냉각수순환유로로 분배하는 제1 삼방밸브;
    상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수가 상기 제5 냉각수순환유로 또는 상기 바이패스유로에 선택적으로 공급되도록하는 제2 삼방밸브;를 더 포함하는 에너지 저장장치.
  14. 제13항에 있어서,
    예열 모드에서,
    상기 제1 삼방밸브는, 상기 펌프에서 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로에 공급하며,
    상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 제5 냉각수순환유로에 공급하고,
    상기 저수조 삼방밸브는 상기 제7 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 저수조에 공급하고, 상기 상부 펠티어 소자와 상기 하부 펠티어 소자의 일면이 발열 반응하는 에너지 저장장치.
  15. 제13항에 있어서,
    냉각 모드에서,
    상기 제1 삼방밸브는, 상기 펌프에서 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로와 상기 제3 냉각수순환유로로 분배하며,
    상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 바이패스유로에 공급하고,
    상기 저수조 삼방밸브는 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수를 상기 저수조 또는 상기 펌프에 공급하고,
    상기 저수조에 냉각수가 공급되면, 상기 펠티어 소자의 일면이 흡열 반응하는 에너지 저장장치.
  16. 제10항에 있어서,
    리액터;
    상기 리액터에 접촉하는 리액터 워터 블록;
    상기 제2 냉각수순환유로에 배치되어 상기 냉각수를 상기 리액터 워터 블록으로도 분배하는 T형 커넥터;를 더 포함하는 에너지 저장장치.
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