KR20240011505A - 에너지 저장장치 - Google Patents

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KR20240011505A
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김태준
유기정
우형석
양동근
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 복수의 배터리셀(101)을 포함하는 복수의 배터리팩, 서로 인접한 복수의 배터리팩의 사이에 배치되어, 상기 복수의 배터리팩과 열교환하는 냉매가 흐르는 냉매유로를 포함하는 적어도 하나의 배터리 열교환기 및 상기 배터리 열교환기에 냉매를 공급하는 냉매 공급장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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.
전체 배터리 용량을 증가시키기 위해, 배터리셀들을 연결시켜 사용할 수 있다. 배터리셀들은, 화학적, 물성적으로 다를 수 있고, 이에 따라 용량 차이가 있을 수 있다.
또한, 추운지방에서 배터리 셀 온도가 0oC이하에서는 배터리 충전이 되지 않는 문제와 고온의 환경에서는 배터리 셀의 온도가 높기 때문에 배터리 수명이 영구적으로 감소되는 단점을 극복하기 위해, 배터리를 공냉식 또는 수냉식으로 냉각하게 된다.
종래 기술은 배터리를 다양한 방법으로 냉각하게 되지만, 배터리 셀의 숫자가 증가할수록 균등한 냉각을 하지 못하거나, 냉각 용량이 부족한 문제가 존재한다.
예를 들면, 미국공개특허 제US20150244036호는 L형상 히트 파이프를 이용하여 배터리 셀을 냉각 하는 방법 관련 특허이다. 이 특허의 동작원리는 배터리 셀의 양극 / 음극부분에 히트 파이프를 부착하여 방열하게 한다.
그러나, 이 기술은 히트파이프 자체가 공냉식 보다는 방열량이 높지만 수냉식 보다는 방열량은 낮아서, 발열량이 적은 문제점이 존재하고, 히트파이프는 열원 중심으로 부터 어느정도의 열 에너지를 분산시켜 줄 수 있지만 히트파이프가 커버 할 수 있는 방열량을 넘어 갈 경우 열 에너지를 분산 시켜주지 못하여 방열효율이 저하되는 문제점이 존재하며, 히트파이프 시스템은 수냉식 방열 시스템과 같이 순환 시스템이 없기 때문에 허용 방열량을 넘을 경우, 방열을 하지 못한다는 문제점이 발생한다.
또한, 미국 공개 특허 2016/0233559 A1 에서는 배터리 사이에 유동이 흐를 수 있는 유로를 만들어 수냉식 배터리 쿨링시스템을 구성하였는데, 배터리팩이 일체형으로 제작되어야 하기 때문에 배터리 교체가 어렵고, 배터리 문제가 생기면 제품 전체 교체를 하거나 냉각수 회수를 하려면 외부펌프가 필요한 문제점이 존재한다.
본 개시가 해결하고자 하는 과제는 배터리 교체 시에 펌프가 필요 없고 냉각수의 손실이 없는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 개시가 해결하고자 하는 다른 과제는 배터리팩 모듈의 두께를 크게 늘리지 않으면서, 방열 효율은 우수한 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는 추운 지방에서 배터리셀의 온도다 너무 낮아져서 발생하는 배터리 미충전과, 배터리 효율 저하를 방지하는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는 배터리팩 사이에 배터리 열교환기를 용이하게 얼라이먼트하고 결합할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는 배터리팩 모듈의 전자장비에서 발생하는 열을 재활용하여서, 배터리의 효율 저하를 방지하는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는, 다양한 환경에서 다양한 모드로 작동하여서, 배터리팩과, 전장 부품을 모두 적당한 온도로 냉각하거나 가열할 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 실시 예들에 따른 에너지 저장장치는, 배터리 열교환기와, 상기 배터리 열교환기에 냉매를 공급하는 냉매 공급장치에 리시버를 설치하는 것이다.
구체적으로, 본 개시의 일 실시예는 복수의 배터리셀을 포함하는 복수의 배터리팩, 상기 복수의 배터리팩과 열교환하는 냉매가 흐르는 냉매유로를 포함하는 배터리 열교환기 및 상기 배터리 열교환기에 냉매를 공급하는 냉매 공급장치를 포함하고, 상기 냉매 공급장치는 상기 배터리 열교환기의 냉매유로와 연결되는 냉매 배관, 상기 냉매 배관과 연결되어 외기와 상기 냉매 배관 내의 냉매를 열교환하는 냉매 열교환기, 상기 냉매 열교환기에서 토출된 냉매의 적어도 일부를 저장하는 리시버 및 상기 냉매 배관의 냉매를 유동시키는 냉매 펌프를 포함한다.
상기 냉매 공급장치는, 상기 리시버로 공급되는 냉매를 단속하는 유입 밸브와, 상기 리시버에서 토출되는 냉매를 단속하는 토출 밸브를 더 포함할 수 있다.
냉각수 회수 모드에서, 상기 유입 밸브는 개방되고, 상기 토출 밸브는 폐쇄되며, 상기 냉매 펌프는 온될 수 있다.
상기 리시버는 냉매가 저장되는 냉매 저장부, 상기 냉매 열교환기와 연결되어 냉매가 상기 냉매 저장부로 유입되게 하는 리시버 유입부 및 상기 냉매 저장부의 냉매가 토출되게 하는 리시버 토출부를 포함할 수 있다.
상기 리시버 토출부는 상기 냉매 펌프와 연결될 수 있다.
상기 리시버 유입부는 상기 리시버 토출부 보다 높게 위치될 수 있다.
상기 냉매 저장부는, 냉매를 저장하고 상부가 개방된 저장부 본체, 저장부 본체의 상부를 커버하는 저장부 커버 및 저장부 커버를 관통하여 상기 냉매 저장부의 공기가 배출되는 공기 배출구를 포함할 수 있다.
상기 리시버 토출부는 상기 저장부 본체의 바닥에서 상부로 이격되어 위치될 수 있다.
상기 리시버는, 상기 냉매 펌프 보다 높게 위치될 수 있다.
상기 배터리 열교환기는, 서로 인접한 복수의 배터리팩들 사이에 배치될 수 있다.
상기 냉매 공급 장치는, 상기 냉매 열교환기에 외기를 공급하는 냉매팬, 상기 냉매 열교환기와 열교환된 공기를 상기 배터리팩에서 멀어지는 방향으로 가이드하는 가이드 덕트를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예는 상기 배터리팩, 상기 배터리 열교환기 및 상기 냉매 공급장치를 수용하는 케이싱을 더 포함하고, 상기 가이드 덕트는, 상기 냉매 열교환기와 열교환된 공기를 상기 케이싱의 외부로 가이드할 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예는 상기 배터리팩, 상기 배터리 열교환기 및 상기 냉매 공급장치를 수용하는 케이싱을 더 포함하고, 상기 리시버는 케이싱의 상부에 위치될 수 있다.
본 개시의 다른 실시예는 복수의 배터리셀을 포함하는 복수의 배터리팩, 상기 복수의 배터리팩과 열교환하는 냉매가 흐르는 냉매유로를 포함하는 복수의 배터리 열교환기, 상기 배터리셀의 충전 또는 방전을 위해 전기적 특성을 변환시키는 전력변환기, 상기 냉매를 공급받아 상기 전력변환기와 열교환하는 PCS 냉각기 및 상기 배터리 열교환기 및 상기 PCS 냉각기와 연결되고, 상기 냉매를 외기와 열교환하는 냉매 열교환기를 포함하고, 상기 냉매 공급장치는 상기 배터리 열교환기의 냉매유로와 연결되는 냉매 배관, 상기 냉매 배관과 연결되어 외기와 상기 냉매 배관 내의 냉매를 열교환하는 냉매 열교환기, 상기 냉매 열교환기에서 토출된 냉매의 적어도 일부를 저장하는 리시버 및 상기 냉매 배관의 냉매를 유동시키는 냉매 펌프를 포함한다.
또한, 본 개시의 다른 실시예는 상기 냉매 배관에 배치되어 냉매의 유동을 전환하는 절환장치를 더 포함할 수 있다.
상기 냉매 공급장치는, 상기 리시버로 공급되는 냉매를 단속하는 유입 밸브와, 상기 리시버에서 토출되는 냉매를 단속하는 토출 밸브를 더 포함할 수 있다.
냉각수 회수 모드에서, 상기 유입 밸브는 개방되고, 상기 토출 밸브는 폐쇄되며, 상기 냉매 펌프는 온될 수 있다.
상기 절환장치는, 냉각수 회수 모드에서, 상기 배터리 열교환기를 통과한 냉매와 상기 PCS 냉각기를 통과한 냉매가 상기 냉매 열교환기로 유동되도록 절환할 수 있다.
상기 절환장치는 전체 냉각 모드에서, 상기 배터리 열교환기를 통과한 냉매와 상기 PCS 냉각기를 통과한 냉매가 상기 냉매 열교환기로 유동되도록 절환하고, 상기 유입 밸브 및 상기 토출 밸브는 개방될 수 있다.
상기 절환장치는 저온 운전 모드에서, 상기 PCS 냉각기를 통과한 냉매가 상기 배터리 열교환기로 유동되도록 절환하고, 상기 유입 밸브 및 상기 토출 밸브는 개방될 수 있다.
본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 냉매배관에 리시버를 설치하여서, 배터리 교체 시에 펌프가 필요 없고 냉각수의 손실이 없으며, 배터리 모듈의 교체 시간 및 정비 시간을 단출할 수 있고, 냉각수를 외부의 용기에 보관 시에 발생하는 오염의 염려가 없는 이점이 있다.
또한, 본 개시에 의하면, 리시버의 구조가 리시버 유입부는 상기 리시버 토출부 보다 높게 위치되거나, 리시버 자체가 케이싱의 상부에 위치되어서, 중력에 의해 리시버에 저장된 냉매가 토출되므로 별도의 펌프가 필요 없는 이점이 있다.
본 개시에 의하면, 배터리 열교환기가 2개의 판이 냉매유로를 정의하고, 배터리팩 사이에 위치되어서, 배터리 팩 모듈의 두께를 크게 늘리지 않고, 냉매유로를 통해 냉매(물)이 공급되므로 수냉식 방열을 하므로, 방열 효율이 우수하며, 배터리를 빠르게 낮은 온도까지 냉각할 수 있으므로, 더욱 높은 용량을 가진 배터리를 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 개시에 의하면, 추운 지방에서 배터리셀의 온도다 너무 낮아진 경우, PCS 에서 발생되는 열을 재활용하여서, 배터리팩을 가열하므로, 폐열을 재활용하고, 낮은 온도에서 발생하는 배터리 미충전과, 배터리 효율 저하를 방지하는 장점이 있다.
또한, 본 개시에 의하면, 쿨링 플레이트에 결합홀이 형성되어서, 배터리팩에 형성된 결합돌기가 삽입되므로, 배터리팩 모듈의 조립 시에 조립이 신속하고 용이하며, 쿨링 플레이트가 이탈되는 것을 방지하는 이점이 있다.
또한, 본 개시에 의하면, 다양한 환경에서 다양한 모드로 작동하여서, 배터리팩과, 전장 부품을 모두 적당한 온도로 냉각하거나 가열할 수 있어서, 다양한 환경에 효율적인 작동 및 냉각이 가능한 이점이 있다.
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 8a은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩과 배터리 열교환기의 사시도이다.
도 8b는 8a의 분해도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 다른 배터리 열교환기의 단면도이다.
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 다른 실시 예에 따른 배터리모듈의 단면도이다.
도 15는 본 개시의 일 실시 예에 따른 리시버의 사시도이다.
도 16는 본 개시의 일 실시예에 따른 전체 냉각 모드에서 작동을 도시한 도면이다.
도 17은 본 개시의 일 실시예에 따른 저온 운전 모드에서 작동을 도시한 도면이다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 모드에서 작동을 도시한 도면이다.
도 19은 본 개시의 일 실시예에 따른 PCS 냉각 모드에서 작동을 도시한 도면이다.
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 전류 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 통신선으로 연결되는 메인회로기판(34a)을 포함할 수 있다.
메인회로기판(34a)은, 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각에 배치되는 배터리팩 회로기판(220)과 통신선(미도시)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. 케이싱(12)은 후술하는 배터리 열교환기, 냉매 공급장치, PCS 냉각기, 절환장치, 펌프, 냉매 배관을 수용한다.
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.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는 배터리 열교환기(360)와 냉매 공급장치를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는 배터리 열교환기(360)와, PCS 냉각기(340)를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는 배터리팩(10)을 수냉식으로 냉각할 수도 있고, 수냉식과 공냉식으로 함께 냉각할 수도 있다.
배터리 열교환기(360)는 서로 인접한 복수의 배터리팩(10)의 사이에 배치되어, 복수의 배터리팩(10)과 열교환한다. 배터리 열교환기(360)는 복수의 배터리팩(10)의 적어도 일면과 접촉되게 배치되어서 복수의 배터리팩(10)과 열교환한다.
배터리 열교환기(360) 내부에 냉매가 흐르는 냉매유로(364)가 형성된다. 배터리 열교환기(360)는 냉매를 통해 배터리팩(10)을 냉각한다.
배터리 열교환기(360)는 배터리팩(10)의 개수과 동일한 개수가 설치될 수 있다. 배터리 열교환기(360)는 배터리팩(10)과 교대로 적층될 수 있다.
구체적으로, 배터리 열교환기(360)들은 배터리팩(10)의 상부와 하부에 배치되고, 배터리팩(10)의 상면 및 배터리팩(10)의 하면과 접촉될 수 있다.
배터리 열교환기(360)는 배터리셀의 중심 보다 배터리셀의 양극단자(101a) 또는 음극단자(101b)에 가깝게 위치될 수 있다. 배터리셀(101)의 양극단자(101a)와 음극단자(101b)에서 열이 많이 발생하기 때문에 배터리 열교환기(360)를 양극단자(101a) 또는 음극단자(101b)에 가깝게 배치하는 것이다.
더욱 구체적으로, 배터리 열교환기(360)는 제1 배터리 열교환기(360a), 제2 배터리 열교환기(360b), 제3 배터리 열교환기(360c), 제4 배터리 열교환기(360d)를 포함하고, 제1 배터리 열교환기(360a)는 제1 배터리팩(10)과 제2 배터리팩(10) 사이에 위치되고, 제2 배터리 열교환기(360b)는 제2 배터리팩(10)과 제3 배터리팩(10) 사이에 위치되며, 제3 배터리 열교환기(360c)는 제3 배터리팩(10)과 제4 배터리팩(10) 사이에 위치되고, 제4 배터리 열교환기(360d)는 제4 배터리팩(10)의 상부에 위치될 수 있다.
따라서, 배터리 열교환기(360)의 일면은 복수의 배터리팩(10) 중 어느 하나의 일면에 접촉되고, 배터리 열교환기(360)의 타면은 복수의 배터리팩(10) 중 다른 하나의 일면에 접촉된다.
배터리 열교환기(360)의 열은 냉매를 통해 냉매 열교환기(320)에 전달되어 방열될 수 있다. 배터리 열교환기(360)의 상세한 구조에 대해서는 후술한다.
PCS 냉각기(340)는 냉매 공급장치에서 냉매를 공급받아 전력변환기(32)와 열교환한다. PCS 냉각기(340)는 적어도 전력변환기(32)의 전력변환소자(33a)와 접촉될 수 있다.
PCS 냉각기(340)의 열은 냉매를 통해 냉매 열교환기(320)에 전달되어 방열된다. PCS 냉각기(340)의 열은 냉매를 통해 배터리 열교환기(360)에 전달되어 방열된다. 전력변환기(32)는 냉매에 의해 냉각되고, 배터리팩(10)을 가열할 수도 있다.
PCS 냉각기(340)는 냉매 배관(357)에 의해 배터리 열교환기(360), 냉매 열교환기(320)와 연결된다.
냉매 공급장치는 배터리 열교환기(360)에 냉매를 공급한다. 구체적으로, 냉매 공급장치는 냉매 배관(357), 냉매 열교환기(320), 냉매 펌프(355), 리시버(400)를 포함할 수 있다. 냉매 공급장치는 냉매팬(310) 및 가이드 덕트(330)를 더 포함할 수 있다.
냉매 공급장치는 냉매를 외기와 열교환하고, 냉각된 냉매를 배터리 열교환기(360) 또는/및 PCS 냉각기(340)에 공급한다.
냉매 배관(357)은 배터리 열교환기(360)의 냉매유로(364)와 연결된다. 냉매 배관(357)은 배터리 열교환기(360), 냉매 열교환기(320), 냉매 펌프(355), PCS 냉각기(340), 리시버(400)와 연결된다.
냉매 열교환기(320)는 냉매 배관(357)과 연결되어 외기와 냉매 열교환기(320) 내의 냉매를 열교환한다. 또한, 냉매 열교환기(320)는 배터리 열교환기(360) 및 PCS 냉각기(340)와 연결된다.
냉매 열교환기(320)는 케이싱(12) 내에서 배터리팩(10)과 구별된 별도의 공간에 위치될 수 있다. 냉매 열교환기(320)는 배터리팩(10) 보다 상부에 위치된다. 냉매팬(310)은 냉매 열교환기(320)에 외기를 공급한다.
가이드 덕트(330)는 냉매 열교환기(320)와 열교환된 공기를 배터리팩(10)에서 멀어지는 방향으로 가이드한다. 가이드 덕트(330) 때문에, 냉매 열교환기(320)에서 가열된 공기가 다시 배터리팩(10)을 가열하지 않게 된다.
구체적으로, 가이드 덕트(330)는 케이싱(12)의 내부에 설치되어 냉매 열교환기(320)와 열교환된 공기를 케이싱(12)의 외부로 가이드한다. 케이싱(12)에는 가이드 덕트(330)의 출구와 대응되는 홀(미도시)이 형성될 수 있다.
냉매 펌프(355)는 냉매 배관(357), 냉매 열교환기(320), PCS 냉각기(340)를 유동하는 냉매를 가압하여 냉매에 유동력을 제공한다.
리시버(400)는 냉매 열교환기(320)에서 토출된 냉매의 적어도 일부를 저장한다. 리시버(400)는 배터리 교체 작업 시에 냉매를 저장하여서 배터리 교체 작업 후에 별도로 냉매를 공급을 할 필요가 없게 한다.
리시버(400)에서 토출된 냉매를 냉매 펌프(355)로 유동된다. 바람직하게는, 리시버(400)는 냉매 열교환기(320) 및 냉매 펌프(355)와 연결된다. 리시버(400)의 구조에 대해서는 도 15에서 후술한다.
본 발명은 냉매 배관(357)에 배치되어 냉매의 유동을 전환하는 절환장치를 더 포함할 수 있다. 절환장치는 유로를 변경하여서, 다양한 모드로 냉각장치가 작동되게 한다.
예를 들면, 절환장치는 전체 냉각 모드에서, 배터리 열교환기(360)를 통과한 냉매와 PCS 냉각기(340)를 통과한 냉매가 냉매 열교환기(320)로 유동되도록 절환할 수 있다.
다른 예를 들면, 절환장치는 저온 운전 모드에서, PCS 냉각기(340)를 통과한 냉매가 배터리 열교환기(360)로 유동되도록 절환할 수 있다.
또 다른 예를 들면, 절환장치는 배터리 냉각 모드에서, 배터리 열교환기(360)를 통과한 냉매가 냉매 열교환기(320)로 유동되도록 절환할 수 있다.
또 다른 예를 들면, 절환장치는 PCS 냉각 모드에서, PCS 냉각기(340)를 통과한 냉매가 냉매 열교환기(320)로 유동되도록 절환할 수 있다. 여기서, 냉매는 물이 사용되는 것이 보통이다.
각 모드에서 작동과 냉매 배관(357)의 구성 및 절환장치의 구성은 도 16 이하에서 후술한다.
도 8a은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩(10)과 배터리 열교환기(360)의 사시도, 도 8b는 8a의 분해도이다.
본 개시의 에너지 저장장치(1)는, 복수의 배터리셀(101)(101)이 직렬과 병렬로 연결되는 배터리팩(10)을 포함할 수 있다. 에너지 저장장치(1)는, 복수의 배터리팩(10)(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)(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(10) 회로기판(220), 상부고정브라켓(200)의 상측에 배치되고, 배터리팩(10) 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.
배터리 열교환기(360)는 배터리팩(10)의 상면 및 하면에 접촉되어 위치된다. 구체적으로, 배터리 열교환기(360)는 탑커버(230)의 상면에 접촉되고, 하부고정브라켓(210)의 하면에 접촉된다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 다른 배터리 열교환기(360)의 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하여 배터리 열교환기(360)의 구조에 대해 상술한다.
배터리 열교환기(360)는 판상으로 형성되어서 복수의 배터리팩(10) 사이에 위치된다.
구체적으로, 배터리 열교환기(360)는 냉매유로(364)가 형성되는 쿨링 플레이트(361)(361), 냉매유로(364)의 일단과 연결되는 냉매 유입부(365) 및 냉매유로(364)의 타단과 연결되는 냉매 유출부(357)를 포함할 수 있다.
냉매유로(364)는 주기적으로 방향이 전환되어서 지그재그 형상으로 형성되어서 배터리팩(10)과 열교환량을 향상시킬 수 있다. 냉매유로(364)의 높이(H)는 냉매유로(364)의 폭(W) 보다 작은 것이 바람직하다. 이는 냉매유로(364)의 높이가 너무 높게 되면, 에너지 저장장치(1)의 두께가 증가되기 때문이다.
쿨링 플레이트(361)는 상부 플레이트(362)와 상부 플레이트(362)와 결합되어 냉매유로(364)를 정의하는 하부 플레이트(363)를 포함할 수 있다. 상부 플레이의 상면과, 하부 플레이트(363)의 하면이 배터리팩(10)과 접촉하게 된다.
배터리 열교환기(360)는 쿨링 플레이트(361)를 관통하여 형성되어 배터리팩(10)의 결합돌기가 삽입되는 결합홀(347)을 포함한다.
냉매 유입부(365)와 냉매 유출부(357)는 쿨링 플레이트(361)의 일단에 위치되어서, 냉매 배관(357)과 냉매 유입부(365) 및 냉매 유출부(357)의 연결을 용이하게 할 수 있다. 구체적으로, 냉매 유입부(365)와 냉매 유출부(357)는 쿨링 플레이트(361)의 길이 방향의 일단(후단)에 위치될 수 있다.
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)(101), 복수의 배터리셀(101)(101)의 하부를 고정하는 제1프레임(110), 복수의 배터리셀(101)(101)의 상부를 고정하는 제2프레임(130), 제1프레임(110)의 하측에 배치되고, 배터리셀(101)(101)에서 발생되는 열을 방열하는 방열플레이트(124), 제2프레임(130) 상측에 배치되고 복수의 배터리셀(101)(101)을 전기적으로 연결하는 복수의 버스바, 및 제2프레임(130) 상측에 배치되고 복수의 배터리셀(101)(101)의 정보를 감지하는 센싱기판(190)을 포함한다.
제1프레임(110)과 제2프레임(130)은 복수의 배터리셀(101)(101)의 배치를 고정할 수 있다. 제1프레임(110)과 제2프레임(130)은, 복수의 배터리셀(101)(101)을 서로 이격되게 배치시킨다. 복수의 배터리셀(101)(101)은 서로 이격되게 배치되므로, 이하에서 설명할 냉각팬(280)의 작동으로 복수의 배터리셀(101)(101) 사이 공간으로 공기가 유동할 수 있다.
제1프레임(110)은 배터리셀(101)(101)의 하단부를 고정한다. 제1프레임(110)은 복수의 배터리셀(101)홀(112a)이 형성된 하부플레이트(112)와, 하부플레이트(112)의 상부면에서 상측으로 돌출되고, 배터리셀(101)(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)(101)은 제2측벽(136)과 제1측벽(116) 사이로 형성되는 공간으로 유동하는 공기에 의해 냉각될 수 있다.
복수의 배터리셀(101)(101)은, 제2프레임(130)과 제1프레임(110)에 고정되게 배치된다. 복수의 배터리셀(101)(101)은 직렬과 병렬로 배치된다. 복수의 배터리셀(101)(101)은, 제1프레임(110)의 제1고정돌기(114)와 제2프레임(130)의 제2고정돌기(134)에 의해 고정되게 배치된다.
도 12를 참조하면, 복수의 배터리셀(101)(101)은, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)과 폭방향(w+, w-)으로 이격배치된다.
복수의 배터리셀(101)(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)(101)이 일직선 상에 배치되는 제1셀어레이(102), 복수의 행과 열로 배치되는 제2셀어레이(103)를 포함할 수 있다.
제1배터리모듈(100a)은 복수의 배터리셀(101)(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-) 좌우로 복수의 배터리셀(101)(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)(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)(101)이 배치되는 방향에 수직한 방향으로 이격배치된다.
도 12를 참조하면, 제1셀어레이(102)와 제2셀어레이(103) 각각은 9개의 병렬로 연결되는 배터리셀(101)(101)이 배치된다. 도 12를 참조하면, 제1셀어레이(102)는 9개의 배터리셀(101)(101)이 배터리모듈의 길이방향으로 이격배치된다. 제2셀어레이(103)는, 9개의 배터리셀(101)이 복수의 행과 복수의 열로 이격배치된다. 도 12를 참조하면, 제2셀어레이(103)는, 배터리모듈의 폭방향으로 이격배치된 3개의 배터리셀(101)(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)(101) 사이에 배치되고, 복수의 배터리셀(101)(101)을 전기적으로 연결하는 복수의 버스바를 포함한다. 복수의 버스바 각각은, 인접하게 배치되는 셀어레이에 포함된 복수의 배터리셀(101)을 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)(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 폭방향(w+, w-) 전방에 배치되는 제1셀어레이(102)의 배터리셀(101)(101) 각각의 양극단자(101a)(101a)와 전기적으로 연결되고, 제1버스바(150)를 기준으로 배터리모듈의 폭방향(w+, w-) 후방에 배치되는 제1셀어레이(102)의 배터리셀(101)(101) 각각의 음극단자(101b)(101b)와 전기적으로 연결된다.
도 12를 참조하면, 배터리셀(101)(101)은, 상단부에서 양극단자(101a)(101a)와 음극단자(101b)(101b)가 구획되어 배치된다. 배터리셀(101)(101)은, 원형으로 형성된 상단면을 중앙에 양극단자(101a)(101a)가 배치되고, 양극단자(101a)(101a)의 둘레부분에서 음극단자(101b)(101b)가 배치된다. 복수의 배터리셀(101)(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)(101)의 양극단자(101a)에 연결되고, 타측에 배치되는 제1셀어레이(102)에 포함된 복수의 배터리셀(101)(101)의 음극단자(101b)에 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 제2연결바(156)와 배터리셀(101)의 서로 다른 전극단자에 연결될 수 있다. 도 12를 참조하면, 제1연결바(154)는 제1셀어레이(102)에 포함된 배터리셀(101)(101)의 양극단자(101a)(101a)와 연결되고, 제2연결바(156)는 제2셀어레이(103)에 포함된 배터리셀(101)(101)의 음극단자(101b)(101b)와 연결된다. 다만, 이는 하나의 실시예에 따른 것으로 서로 반대의 전극단자와 연결되는 것도 가능하다.
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)(101)의 일측에 배치될 수 있다. 제2연결바(156)는 제2셀어레이(103)에 포함되는 복수의 배터리셀(101)(101)의 사이에 배치될 수 있다. 제2연결바(156)는, 배터리모듈의 폭방향(w+, w-)으로 연장되며, 일측 또는 양측에 배치되는 배터리셀(101)(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)(101)의 사이에 배치되고, 제2-2연결바(156b)는 복수의 배터리셀(101)(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)(101)은 제1수직바(162)와 제2연결바(156) 사이에 배치될 수 있다. 마찬가지로, 제2셀어레이(103)에 포함된 배터리셀(101)(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)(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)(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 다른 실시 예에 따른 배터리모듈의 단면도이다.
다른 실시예의 배터리모듈의 경우, 도 8의 실시예와 다르게, 배터리셀(101)과 배터리 열교환기(360)가 직접 접촉하거나, 다른 부재에 의해 간접적으로 접촉할 수도 있다.
구체적으로, 배터리셀(101)의 일단은 배터리 열교환기(360)와 결합된다. 배터리셀(101)이 일단에는 양극단자(101a)와 음극단자(101b)가 위치된다.
배터리셀(101)과 배터리 열교환기(360)는 접착제에 의해 접착될 수 있다. 접착제(367, 368)는 엑폭시 및 레진 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
배터리 열교환기(360)는 베터리셀 사이에는 열전도를 돕는 보조 플레이트(369)가 위치될 수 있다. 보조 플레이트(369)는 스테인레스 스틸을 포함할 수 있다. 배터리 열교환기(360)의 재질은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 15는 본 개시의 일 실시 예에 따른 리시버(400)의 사시도이다.
도 15를 참조하면, 리시버(400)는 냉매가 저장되는 냉매 저장부(410), 냉매 열교환기(320)와 연결되어 냉매가 냉매 저장부(410)로 유입되게 하는 리시버 유입부(430) 및 냉매 저장부(410)의 냉매가 토출되게 하는 리시버 토출부(440)를 포함할 수 있다.
냉매 저장부(410)는 냉매를 저장하고 상부가 개방된 저장부 본체(410), 저장부 본체(410)의 상부를 커버하는 저장부 커버(420) 및 저장부 커버(420)를 관통하여 냉매 저장부(410)의 공기가 배출되는 공기 배출구(421)를 포함할 수 있다.
저장부 본체(410)는 냉매를 저장하는 공간을 정의한다. 예를 들면, 저장부 본체(410)는 상하로 개방된 측면부(411)와 측면부(411)의 하부를 커버하는 바닥부(413)를 포함할 수 있다.
저장부 커버(420)는 측면부(411)의 상부를 커버한다. 공기 배출구(421)는 저장부 본체(410)의 공기가 배출되게 하여서, 냉매 배관에 공기를 배출하게 된다.
리시버 토출부(440)는 냉매 펌프(355)와 연결된다. 리시버 토출부(440)는 저장부 본체(410)의 바닥부(413)에서 상부로 이격되어 위치된다. 리시버 토출부(440)의 바닥부(413)에서 이격거리는 저장부 본체(410)의 높이의 10% 내지 20% 인 것이 바람직하다.
리시버 토출부(440)가 저장부 본체(410)의 바닥에서 이격되어서, 이물질이 바닥에 침전되게 하므로, 이물질이 냉매배관으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
리시버 유입부(430)는 리시버 토출부(440) 보다 높게 위치된다. 리시버 유입부(430)가 리시버 토출부(440) 보다 높게 위치되어서 저장부 본체(410)로 유입된 냉매가 중력에 의해 리시버 토출부(440)로 토출될 수 있게 한다.
리시버 유입부(430)는 저장부 커버(420) 보다 낮게 위치되는 것이 바람직하다. 리시버 유입부(430)와 저장부 커버(420)의 이격거리는 저장부 본체(410)의 높이의 10% 내지 20% 가 바람직하다.
리시버(400)는, 냉매 펌프(355) 보다 높게 위치될 수 있다. 구체적으로, 리시버(400)의 저장부 본체(410)의 중심의 높이가 냉매 펌프(355) 보다 높게 위치될 수 있다. 리시버(400)가 냉매 펌프(355) 보다 높게 위치되면, 중력에 의해 냉매가 냉매 펌프(355)로 공급되기 쉽고 냉매 펌프(355)의 부담을 줄일 수 있다.
리시버(400)는 케이싱의 상부에 위치될 수 있다. 리시버(400)는 케이싱의 내부에 위치될 수도 있지만, 냉매 공급의 편의성을 향상하고, 토출되는 냉매에 압력을 위해 케이싱의 상부에 위치되는 것이 바람직하다.
이하, 각 모드에서 에너지 저장장치(1)의 작동을 설명한다.
도 16는 본 개시의 일 실시예에 따른 전체 냉각 모드에서 작동을 도시한 도면이다.
도 16를 참조하여, 먼저 에너지 저장장치(1)의 냉각 시스템의 구성을 설명한다.
절환장치는 제1 절환밸브(351), 제2 절환밸브(353), 제1 단속밸브(352), 제2 단속밸브(354)를 포함한다. 제1 절환밸브(351)는 냉매 열교환기(320)에서 토출된 냉매를 선택적으로 PCS 냉각기(340)로 안내하거나, 배터리 열교환기(360)로 안내한다.
제2 절환밸브(353)는 PCS 냉각기(340)에서 토출된 냉매를 선택적으로 냉매 열교환기(320)로 안내하거나, 배터리 열교환기(360)로 안내한다.
냉매 열교환기(320)와 배터리 열교환기(360)는 제1 냉매 배관(357)에 의해 연결된다. 제1 냉매 배관(357)에는 제1 단속밸브(352)가 설치된다. 냉매 열교환기(320)와 PCS 냉각기(340)는 제2 냉매 배관(357b)에 의해 연결된다. 제2 냉매 배관(357b)에는 냉매 펌프(355)와 리시버(400)가 위치된다.
제2 냉매 배관(357b)은 냉매 열교환기(320)와 리시버(400)의 리시버 유입부(430)를 연결하는 리시버(400) 유입배관(357b1)과 냉매 펌프(355)와 리시버(400)의 리시버 토출부(440)를 연결하는 리시버(400) 토출배관(357b2)를 포함할 수 있다.
냉매 공급장치는 리시버(400)로 공급되는 냉매를 단속하는 유입 밸브(450)와, 리시버(400)에서 토출되는 냉매를 단속하는 토출 밸브(460)를 더 포함할 수 있다.
유입 밸브(450)는 리시버(400) 유입배관(357b1)에 설치되고, 토출 밸브(460)는 리시버(400) 토출배관(357b2)에 설치된다.
PCS 냉각기(340)와 제1 냉매 배관(357a)은 제3 냉매 배관(357c)에 의해 연결된다.
제1 절환밸브(351)는 제2 냉매 배관(357b)에 설치된다. 제1 절환밸브(351)는 제4 냉매 배관(357d)에 의해 배터리 열교환기(360)와 연결된다. 제1 절환밸브(351)는 냉매 열교환기(320)에서 토출된 냉매를 PCS 냉각기(340)에만 제공하거나, 배터리 열교환기(360)에만 제공하거나, PCS 냉각기(340) 및 배터리 열교환기(360)에 제공할 수 있다.
제2 절환밸브(353)는 제3 냉매 배관(357c)에 설치되고, 제4 냉매 배관(357d)과 제5 냉매 배관(357e)으로 연결된다. 제2 절환밸브(353)는 PCS 냉각기(340)에서 토출된 냉매를 배터리 열교관기를 바이패스하여 냉각 열교환기로 안내하거나, 배터리 열교환기(360)로 안내한다.
제1 냉매 배관(357a)과 제2 냉매 배관(357b)은 바이패스 배관에 의해 연결된다. 바이패스 배관은 배터리 열교환기(360)에서 토출된 냉매를 냉매 열교환기(320)를 바이패스하게 한다. 바이패스 배관에는 제2 단속밸브(354)(354)가 설치된다.
전체 냉각 모드에서, 절환장치는, 배터리 열교환기(360)를 통과한 냉매와 PCS 냉각기(340)를 통과한 냉매가 냉매 열교환기(320)로 유동되도록 절환한다. 전체 냉각 모드에서, 유입 밸브(450)와 토출 밸브(460)는 개방된다.
구체적으로, 전체 냉각 모드에서, 제1 단속 밸브는 개방되고, 제2 단속 밸브는 폐쇄되며, 냉매 펌프(355)는 온되고, 제1 절환밸브(351)는 냉매 열교환기(320)에서 토출된 냉매를 PCS 냉각기(340) 및 배터리 열교환기(360)로 안내하며, 제2 절환밸브(353)는 PCS 냉각기(340)에서 토출된 냉매를 제1 냉매 배관(357a)으로 안내한다.
전체 냉각 모드에서, 냉매 열교환기(320)에서 냉각된 냉매에 의해 배터리팩(10)과, 전력변환기(32)가 냉각된다.
냉각수 회수 모드에서, 유입 밸브(450)는 개방되고, 토출 밸브(460)는 폐쇄되며, 냉매 펌프(355)는 온되며, 절환장치는, 배터리 열교환기(360)를 통과한 냉매와 PCS 냉각기(340)를 통과한 냉매가 냉매 열교환기(320)로 유동되도록 절환한다.
따라서, 냉각수 회수 모드에서, 냉매는 리시버(400)에 저장되게 된다.
도 17은 본 개시의 일 실시예에 따른 저온 운전 모드에서 작동을 도시한 도면이다.
저온 운전 모드에서, 절환장치는, PCS 냉각기(340)를 통과한 냉매가 배터리 열교환기(360)로 유동되도록 절환한다.
구체적으로, 저온 운전 모드에서, 제1 단속 밸브는 폐쇄되고, 제2 단속 밸브는 개방되며, 냉매 펌프(355)는 온되고, 제1 절환밸브(351)는 배터리 열교환기(360)에서 토출된 냉매를 PCS 냉각기(340)에만 안내하며, 제2 절환밸브(353)는 PCS 냉각기(340)에서 토출된 냉매를 배터리 열교환기(360)로 안내한다.
저온 온전 모드는 실외온도가 시 설정된 온도 보다 낮을 때 실행된다.
저온 운전 모드에서, PCS 냉각기(340)에서 전력변환기(32)를 냉각시키고 가열된 냉매는 배터리 열교환기(360)로 공급되어 배터리 열교환기(360)를 가열하게 된다. 따라서, 저온 상황에서 배터리팩(10)의 온도가 너무 낮게 유지되어서, 배터리의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
냉매 열교환기(320)에서 냉각된 냉매에 의해 배터리팩(10)과, 전력변환기(32)가 냉각된다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 따른 배터리 냉각 모드에서 작동을 도시한 도면이다.
절환장치는, 배터리 냉각 모드에서, 배터리 열교환기(360)를 통과한 냉매가 냉매 열교환기(320)로 유동되도록 절환한다.
구체적으로, 배터리 냉각 모드에서, 제1 단속 밸브는 개방되고, 제2 단속 밸브는 폐쇄되며, 냉매 펌프(355)는 온되고, 제1 절환밸브(351)는 냉매 열교환기(320)에서 토출된 냉매를 배터리 열교환기(360)로 안내하며, 제2 절환밸브(353)는 냉매가 유입되지 않아 어떠한 경우도 상관이 없다.
배터리 냉각 모드에서, 냉매 열교환기(320)에서 냉각된 냉매에 의해 배터리팩(10)이 냉각된다.
도 19은 본 개시의 일 실시예에 따른 PCS 냉각 모드에서 작동을 도시한 도면이다.
PCS 냉각 모드에서, 절환장치는 PCS 냉각기(340)를 통과한 냉매가 냉매 열교환기(320)로 유동되도록 절환한다.
구체적으로, PCS 냉각 모드에서, 제1 단속 밸브는 개방되고, 제2 단속 밸브는 폐쇄되며, 냉매 펌프(355)는 온되고, 제1 절환밸브(351)는 냉매 열교환기(320)에서 토출된 냉매를 PCS 냉각기(340)로만 안내하며, 제2 절환밸브(353)는 PCS 냉각기(340)에서 토출된 냉매를 제1 냉매 배관(357a)으로 안내한다.
PCS 냉각 모드에서, 냉매 열교환기(320)에서 냉각된 냉매에 의해 전력변환기(32)가 냉각된다.
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
100 : 배터리모듈 어셈블리
100a,100b : 배터리모듈
101 : 배터리셀(101)

Claims (20)

  1. 복수의 배터리셀을 포함하는 복수의 배터리팩;
    상기 복수의 배터리팩과 열교환하는 냉매가 흐르는 냉매유로를 포함하는 배터리 열교환기; 및
    상기 배터리 열교환기에 냉매를 공급하는 냉매 공급장치를 포함하고,
    상기 냉매 공급장치는,
    상기 배터리 열교환기의 냉매유로와 연결되는 냉매 배관;
    상기 냉매 배관과 연결되어 외기와 상기 냉매 배관 내의 냉매를 열교환하는 냉매 열교환기;
    상기 냉매 열교환기에서 토출된 냉매의 적어도 일부를 저장하는 리시버; 및
    상기 냉매 배관의 냉매를 유동시키는 냉매 펌프를 포함하는 에너지 저장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉매 공급장치는,
    상기 리시버로 공급되는 냉매를 단속하는 유입 밸브와,
    상기 리시버에서 토출되는 냉매를 단속하는 토출 밸브를 더 포함하는 에너지 저장장치.
  3. 제2항에 있어서,
    냉각수 회수 모드에서,
    상기 유입 밸브는 개방되고, 상기 토출 밸브는 폐쇄되며, 상기 냉매 펌프는 온되는 에너지 저장장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리시버는,
    냉매가 저장되는 냉매 저장부;
    상기 냉매 열교환기와 연결되어 냉매가 상기 냉매 저장부로 유입되게 하는 리시버 유입부; 및
    상기 냉매 저장부의 냉매가 토출되게 하는 리시버 토출부를 포함하는 에너지 저장장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 리시버 토출부는 상기 냉매 펌프와 연결되는 에너지 저장장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 리시버 유입부는 상기 리시버 토출부 보다 높게 위치되는 에너지 저장장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 냉매 저장부는,
    냉매를 저장하고 상부가 개방된 저장부 본체;
    저장부 본체의 상부를 커버하는 저장부 커버; 및
    저장부 커버를 관통하여 상기 냉매 저장부의 공기가 배출되는 공기 배출구를 포함하는 에너지 저장장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 리시버 토출부는 상기 저장부 본체의 바닥에서 상부로 이격되어 위치되는 에너지 저장장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 리시버는, 상기 냉매 펌프 보다 높게 위치되는 에너지 저장장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 열교환기는,
    서로 인접한 복수의 배터리팩들 사이에 배치되는 에너지 저장장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 냉매 공급 장치는,
    상기 냉매 열교환기에 외기를 공급하는 냉매팬;
    상기 냉매 열교환기와 열교환된 공기를 상기 배터리팩에서 멀어지는 방향으로 가이드하는 가이드 덕트를 더 포함하는 에너지 저장장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배터리팩, 상기 배터리 열교환기 및 상기 냉매 공급장치를 수용하는 케이싱을 더 포함하고,
    상기 가이드 덕트는, 상기 냉매 열교환기와 열교환된 공기를 상기 케이싱의 외부로 가이드하는 에너지 저장장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 배터리팩, 상기 배터리 열교환기 및 상기 냉매 공급장치를 수용하는 케이싱을 더 포함하고,
    상기 리시버는 케이싱의 상부에 위치되는 에너지 저장장치.
  14. 복수의 배터리셀을 포함하는 복수의 배터리팩;
    상기 복수의 배터리팩과 열교환하는 냉매가 흐르는 냉매유로를 포함하는 복수의 배터리 열교환기;
    상기 배터리셀의 충전 또는 방전을 위해 전기적 특성을 변환시키는 전력변환기;
    상기 냉매를 공급받아 상기 전력변환기와 열교환하는 PCS 냉각기; 및
    상기 배터리 열교환기 및 상기 PCS 냉각기와 연결되고, 상기 냉매를 외기와 열교환하는 냉매 열교환기를 포함하고,
    상기 냉매 공급장치는,
    상기 배터리 열교환기의 냉매유로와 연결되는 냉매 배관;
    상기 냉매 배관과 연결되어 외기와 상기 냉매 배관 내의 냉매를 열교환하는 냉매 열교환기;
    상기 냉매 열교환기에서 토출된 냉매의 적어도 일부를 저장하는 리시버; 및
    상기 냉매 배관의 냉매를 유동시키는 냉매 펌프를 포함하는 에너지 저장장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 냉매 배관에 배치되어 냉매의 유동을 전환하는 절환장치를 더 포함하는 에너지 저장장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 냉매 공급장치는,
    상기 리시버로 공급되는 냉매를 단속하는 유입 밸브와,
    상기 리시버에서 토출되는 냉매를 단속하는 토출 밸브를 더 포함하는 에너지 저장장치.
  17. 제16항에 있어서,
    냉각수 회수 모드에서,
    상기 유입 밸브는 개방되고, 상기 토출 밸브는 폐쇄되며, 상기 냉매 펌프는 온되는 에너지 저장장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 절환장치는,
    냉각수 회수 모드에서, 상기 배터리 열교환기를 통과한 냉매와 상기 PCS 냉각기를 통과한 냉매가 상기 냉매 열교환기로 유동되도록 절환하는 에너지 저장장치.
  19. 제16항에 있어서,
    전체 냉각 모드에서, 상기 절환장치는 상기 배터리 열교환기를 통과한 냉매와 상기 PCS 냉각기를 통과한 냉매가 상기 냉매 열교환기로 유동되도록 절환하고, 상기 유입 밸브 및 상기 토출 밸브는 개방되는 에너지 저장장치.
  20. 제16항에 있어서,
    저온 운전 모드에서, 상기 절환장치는 상기 PCS 냉각기를 통과한 냉매가 상기 배터리 열교환기로 유동되도록 절환하고, 상기 유입 밸브 및 상기 토출 밸브는 개방되는 에너지 저장장치.
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