KR20240053785A - 에너지 저장장치 - Google Patents

Abstract

본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치는, 복수의 배터리팩, 각 배터리팩에 대응하여 배치되는 복수의 배터리냉각판, 상기 복수의 배터리냉각판으로 냉각수를 유동시키는 펌프를 포함하는 냉각 모듈, 상기 냉각수가 유입되는 제1 유입유로, 시수(tap water)가 흐르는 수도관의 냉수배관에서 분지되는 냉수분지관, 상기 냉수배관에 흐르는 냉수를 상기 냉수분지관으로 유동시키는 냉수밸브, 상기 냉수와 상기 냉각수를 열교환시키는 냉수열교환기, 상기 수도관의 온수배관에서 분지되는 온수분지관, 상기 온수배관에 흐르는 온수를 상기 온수분지관으로 유동시키는 온수밸브, 상기 온수와 상기 냉각수를 열교환시키는 온수열교환기, 및, 상기 냉수열교환기 또는 상기 온수열교환기에서 열교환된 냉각수를 배출하는 제1 배출유로를 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 냉각을 위한 냉각수 온도를 안정적으로 제어하여 냉각 성능의 신뢰성을 향상할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

본 개시의 또 다른 과제는, 건물 내 사용중인 냉수 및 온수배관의 냉수 및 온수를 활용하여 냉각수의 온도를 효율적으로 제어할 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 실시 예들에 따른 에너지 저장장치는, 복수의 배터리팩, 각 배터리팩에 대응하여 배치되는 복수의 배터리냉각판, 상기 복수의 배터리냉각판으로 냉각수를 유동시키는 펌프를 포함하는 냉각 모듈, 상기 냉각수가 유입되는 제1 유입유로, 시수(tap water)가 흐르는 수도관의 냉수배관에서 분지되는 냉수분지관, 상기 냉수배관에 흐르는 냉수를 상기 냉수분지관으로 유동시키는 냉수밸브, 상기 냉수와 상기 냉각수를 열교환시키는 냉수열교환기, 상기 수도관의 온수배관에서 분지되는 온수분지관, 상기 온수배관에 흐르는 온수를 상기 온수분지관으로 유동시키는 온수밸브, 상기 온수와 상기 냉각수를 열교환시키는 온수열교환기, 및, 상기 냉수열교환기 또는 상기 온수열교환기에서 열교환된 냉각수를 배출하는 제1 배출유로를 포함한다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 제1 유입유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 상기 냉수열교환기와 상기 온수열교환기 측으로 유동시키는 제2 유입유로, 상기 제1 유입유로와 상기 제1 배출유로를 연결하는 열교환부 바이패스유로, 및, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수가 상기 제2 유입유로 또는 상기 열교환부 바이패스유로에 선택적으로 공급되도록하는 열교환부삼방밸브를 더 포함할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 냉수배관에 배치되는 냉수온도센서, 상기 냉수배관에 배치되는 냉수유량계, 상기 온수배관에 배치되는 온수온도센서, 상기 온수배관에 배치되는 온수유량계를 더 포함할 수 있다.

상기 열교환부삼방밸브는, 배터리 냉각을 위한 냉각 모드에서, 상기 냉수온도센서와 상기 냉수유량계의 센싱 데이터에 기초하여, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로 또는 상기 열교환부 바이패스유로에 공급하고, 배터리 예열을 위한 예열 모드에서, 상기 온수온도센서와 상기 온수유량계의 센싱 데이터에 기초하여, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로 또는 상기 열교환부 바이패스유로에 공급할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 제2 유입유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 상기 냉수열교환기로 공급하는 제3 유입유로, 상기 제2 유입유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 상기 온수열교환기로 공급하는 제4 유입유로, 상기 제1 배출유로와 상기 열교환부 바이패스유로에 연결되는 제2 배출유로, 상기 냉수열교환기에서 열교환된 냉각수를 상기 제2 배출유로로 공급하는 제3 배출유로, 상기 온수열교환기에서 열교환된 냉각수를 상기 제2 배출유로로 공급하는 제4 배출유로를 더 포함할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 제2 유입유로의 냉각수가 상기 제3 유입유로 또는 상기 제4 유입유로에 선택적으로 공급되도록하는 냉온삼방밸브를 더 포함할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 제1 배출유로와 상기 제2 배출유로와 상기 열교환부 바이패스유로가 만나는 위치에 배치되는 T형 커넥터를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각 모듈은, 상기 펌프에 의해 유동하는 냉각수를 공기와 열교환시키는 열교환기와 상기 열교환기로 외부공기를 공급하는 방열팬을 포함할 수 있다.

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 열교환기의 입구 및 상기 제1 배출유로에 연결되는 제1 열교환기유로, 상기 열교환기의 출구에 연결되는 제2 열교환기유로, 상기 제1 열교환기유로 및 상기 제2 열교환기유로에 연결되는 제7 냉각수순환유로, 상기 제2 열교환기유로, 및, 상기 제7 냉각수순환유로에 연결되어 상기 냉각수를 상기 펌프로 유동시키는 제8 냉각수순환유로를 더 포함하고, 상기 제1 유입유로는, 상기 배터리냉각판, 및, 상기 바이패스유로에 연결될 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 제1 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로와 상기 제3 냉각수순환유로로 분배하는 제1 삼방밸브, 및, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수가 상기 제5 냉각수순환유로 또는 상기 바이패스유로에 선택적으로 공급되도록하는 제2 삼방밸브를 더 포함할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 상기 제7 냉각수순환유로에 배치되어 상기 제7 냉각수순환유로를 개폐하는 바이패스밸브, 및, 상기 제1 열교환기유로에 배치되어 상기 제1 열교환기유로를 개폐하는 열교환기밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각 모드에서, 상기 냉수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하고, 상기 냉각수의 온도가 제1 기준온도 미만이면, 상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 바이패스유로에 공급하고, 상기 열교환부삼방밸브는, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로에 공급하고, 상기 바이패스밸브는 상기 제7 냉각수순환유로를 열고, 상기 열교환기밸브는 상기 제1 열교환기유로를 닫을 수 있다.

상기 냉각 모드에서, 상기 냉수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하고, 상기 냉수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하고, 상기 냉각수의 온도가 상기 제1 기준온도 이상이면, 상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 바이패스유로에 공급하고, 상기 열교환부삼방밸브는, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로에 공급하고, 상기 바이패스밸브는 상기 제7 냉각수순환유로를 닫고, 상기 열교환기밸브는 상기 제1 열교환기유로를 열고, 상기 방열팬이 온(on) 제어될 수 있다.

상기 냉각 모드에서, 상기 냉수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하지 않으면, 상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 바이패스유로에 공급하고, 상기 열교환부삼방밸브는, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 열교환부 바이패스유로에 공급하고, 상기 바이패스밸브는 상기 제7 냉각수순환유로를 닫고, 상기 열교환기밸브는 상기 제1 열교환기유로를 열 수 있다.

상기 예열 모드에서, 상기 온수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하지 않으면, 상기 제1 삼방밸브는, 상기 펌프에서 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로에 공급하며, 상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 제5 냉각수순환유로에 공급하고, 상기 열교환부삼방밸브는, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 열교환부 바이패스유로에 공급하고, 상기 바이패스밸브는 상기 제7 냉각수순환유로를 열고, 상기 열교환기밸브는 상기 제1 열교환기유로를 닫을 수 있다.

상기 예열 모드에서, 상기 온수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하면, 상기 제1 삼방밸브는, 상기 펌프에서 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로에 공급하며, 상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 제5 냉각수순환유로에 공급하고, 상기 열교환부삼방밸브는, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로에 공급하고, 상기 바이패스밸브는 상기 제7 냉각수순환유로를 열고, 상기 열교환기밸브는 상기 제1 열교환기유로를 닫을 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 냉각을 위한 냉각수 온도를 안정적으로 관리하여 냉각 성능의 신뢰성을 향상할 수 있다.

또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 건물 내 사용중인 냉수 및 온수배관의 냉수 및 온수를 활용하여 냉각수의 온도를 효율적으로 제어할 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 시수를 이용하는 열 관리 시스템의 개념도이다.
도 5 내지 도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 냉각 모드에 관한 설명에 참조되는 도면으로, 냉수를 활용한 냉각수 냉각 제어에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 8과 도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 냉각 모드에 관한 설명에 참조되는 도면으로, 냉수 유량이 없는 경우의 냉각수 냉각 제어에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 10은 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 예열 모드에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 11은 온수 유량이 없는 경우의 예열 모드에 관한 설명에 참조되는 도면이고, 도 12는 온수 유량이 있는 경우의 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(5) 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. 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*(5,9), 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(5,9) 및 태양광 발전기(3)과 연결된다. 또한, 상기 계통(5,9)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(5,9)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(198)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 배터리셀(101)을 포함하는 적어도 하나의 배터리모듈(100a, 100b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리팩(10)은, 서로 전기적으로 연결되고, 물리적으로 고정된 2개의 배터리모듈(100a, 100b)로 구성된 배터리모듈 어셈블리(100)를 포함할 수 있다. 배터리모듈 어셈블리는 서로 마주하게 배치되는 제1 배터리모듈(100a)과 제2 배터리모듈(100b)을 포함할 수 있다. 상기 제1,2 배터리모듈(100a, 100b)은 각각 복수의 배터리셀(101)의 정보를 감지하는 센싱기판(미도시)을 포함하고, 배터리팩 회로기판은 상기 센싱기판으로부터 상기 제1,2 배터리모듈(100a, 100b)의 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 열 관리 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.

시스템 내 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 예열 모드이다. PCS 냉각 및 배터리 예열 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, 열 관리 시스템을 상세히 설명한다.

도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 시수를 이용하는 열 관리 시스템의 개념도로, 상수도관에 흐르는 시수(tap water)를 이용하는 시수열교환부(400)를 예시한다.

도 3과 도 4를 참조하면, 에너지 저장장치(1)는, 복수의 배터리팩(10), 배터리팩(10)에 대응하여 배치되는 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.

시수열교환부(400)는, 적어도 일부 구성이 빌딩 내 상수도관에 흐르는 시수 배관 측에 배치되고, 냉각수를 이용한 메인 열 관리 시스템에 연결될 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따른 열 관리 시스템은, 빌딩 내에서 사용중인 냉/온수 배관(401, 402)에 흐르는 시수(냉수/온수)를 이용하여, 냉각수 온도를 더 효과적으로 관리할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 시수열교환부(400)는, 열 관리 시스템 내에서 순환되는 냉각수가 유입되는 제1 유입유로(558), 시수(tap water)가 흐르는 수도관의 냉수배관(401)에서 분지되는 냉수분지관(434), 상기 냉수배관(401)에 흐르는 냉수를 상기 냉수분지관(434)으로 유동시키는 냉수밸브(431), 상기 냉수와 상기 냉각수를 열교환시키는 냉수열교환기(430), 및, 상기 냉수열교환기(430)에서 열교환된 냉각수를 배출하는 제1 배출유로(567)를 포함한다. 본 개시에 따르면, 빌딩 내 냉수배관(401)의 냉수를 냉각수의 온도를 하강시키는 데 활용할 수 있다.

또한, 상기 시수열교환부(400)는, 상기 수도관의 온수배관(402)에서 분지되는 온수분지관(444), 상기 온수배관(402)에 흐르는 온수를 상기 온수분지관(444)으로 유동시키는 온수밸브(441), 상기 온수와 상기 냉각수를 열교환시키는 온수열교환기(440)를 더 포함한다. 상기 제1 배출유로(567)는, 상기 온수열교환기(440)에서 열교환된 냉각수를 배출한다. 본 개시에 따르면, 빌딩 내 온수배관(402)의 온수를 냉각수의 온도를 상승시키는 데 활용할 수 있다.

상기 냉수배관(401)에는 상기 냉수분지관(434)이 배치된다. 상기 냉수분지관(434)은, 상기 냉수배관(401)의 냉수를 상기 냉수열교환기(430) 측으로 유동시켜, 냉각수와 열교환시킨 후, 상기 냉수배관(401)으로 다시 돌려보낼 수 있다.

상기 냉수배관(401)의 입구(401a) 측에,‘Y’형 제1 냉수분지관(434a)가 배치되고, 상기 냉수배관(401)의 출구(401b) 측에,‘Y’형 제2 냉수분지관(434b)가 배될 수 있다.

상기 냉수밸브(431)는 상기 냉수배관(401) 또는 상기 냉수분지관(434)이 배치되어, 상기 냉수배관(401)의 냉수가 상기 냉수분지관(434)으로 흐르도록 동작할 수 있다. 예를 들어, 상기 냉수밸브(431)는 상기 냉수배관(401)에 배치될 수 있다. 이 경우에, 상기 냉수밸브(431)가 상기 냉수배관(401)을 닫으면 상기 냉수는 상기 냉수분지관(434)으로 흐르게 된다.

상기 온수배관(402)에는 상기 온수분지관(444)이 배치된다. 상기 온수분지관(444)은, 상기 온수배관(402)의 온수를 상기 온수열교환기(440) 측으로 유동시켜, 냉각수와 열교환시킨 후, 상기 온수배관(402)으로 다시 돌려보낼 수 있다.

상기 온수배관(402)의 입구(402a) 측에,‘Y’형 제1 온수분지관(444a)가 배치되고, 상기 온수배관(402)의 출구(402b) 측에,‘Y’형 제2 온수분지관(444b)가 배될 수 있다.

상기 온수밸브(441)는 상기 온수배관(402) 또는 상기 온수분지관(444)이 배치되어, 상기 온수배관(402)의 온수가 상기 온수분지관(444)으로 흐르도록 동작할 수 있다. 예를 들어, 상기 온수밸브(441)는 상기 온수배관(402)에 배치될 수 있다. 이 경우에, 상기 온수밸브(441)가 상기 온수배관(402)을 닫으면 상기 냉수는 상기 온수분지관(444)으로 흐르게 된다.

상기 분지관(434, 444)의 한쪽에는 유량 제어를 위한 1Way 밸브(431, 441)가 배치되고, 상기 분지관(434, 444)의 반대쪽면에는 열교환기(430, 440)가 배치될 수 있다. 1Way 밸브(431, 441)는 배관내 흐르는 유량을 제어하여 열교환기(430, 440) 측으로 공급되는 유량을 가변할 수 있고, 열교환기(430, 440)는 ESS 열 관리 시스템 내 냉각수와 시수간 열교환을 통해 냉각수의 폐열을 회수하거나, 공급한다.

본 개시에 따르면, 상기 냉수배관(401) 및 상기 온수배관(402) 측 Y분지관(434, 444)을 통해 시수를 열교환기(430, 440)에 공급할 수 있으며, 공급된 시수는 열교환기(430, 440) 내 냉각수와 열교환함으로써, 냉각수 온도를 원하는 온도로 더 빠르게 조절할 수 있다. 여름철에는 공기온도 대비 시수의 온도가 더 낮아 시스템 내 냉각수를 보다 효율적으로 냉각할 수 있고, 겨울철에는 공기온도 대비 시수의 온도가 더 높아 시스템 내 냉각수의 온도를 보다 효율적으로 예열할 수 있다.

도 4를 참조하면, 제2 유입유로(404)는, 상기 제1 유입유로(558)에서 분지되어, 상기 냉각수를 상기 냉수열교환기(430)와 상기 온수열교환기(440) 측으로 유동시킨다.

한편, 열교환부 바이패스유로(403)는, 상기 제1 유입유로(558)와 상기 제1 배출유로(567)를 연결하고, 상기 제1 유입유로(558)가 상기 열교환부 바이패스유로(403)와 상기 제2 유입유로(404)가 만나는 위치에는 열교환부삼방밸브(410)가 배치된다. 상기 열교환부삼방밸브(410)는, 상기 제1 유입유로(558)를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로(404) 또는 상기 열교환부 바이패스유로(403)에 선택적으로 공급한다.

상기 냉수배관(401)의 입구(401a)에는 냉수온도센서(433)와 냉수유량계(Flowmeter)(432)가 배치되고, 상기 온수배관(402)의 입구(402a)에는 온수온도센서(443)와 온수유량계(442)가 배치될 수 있다.

상기 열교환부삼방밸브(410)는, 상기 냉수온도센서(433)와 상기 냉수유량계(432)의 센싱 데이터에 기초하여, 상기 제1 유입유로(558)를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로(404) 또는 상기 열교환부 바이패스유로(403)에 공급할 수 있다.

도 5 내지 도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 냉각 모드에 관한 설명에 참조되는 도면으로, 냉수를 활용한 냉각수 냉각 제어에 관한 설명에 참조되는 도면이다.

도 5를 참조하면, 배터리 냉각을 위한 냉각 모드에서, 상기 냉수온도센서(433)와 상기 냉수유량계(432)의 센싱 데이터가 기설정된 냉각 모드 열교환 가능 조건을 만족하면, 상기 열교환부삼방밸브(410)는, 상기 제1 유입유로(558)를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로(404)에 공급할 수 있다. 이에 따라, 냉수의 온도와 유량이 충분할 때, 냉각수의 냉각에 사용하여, 더 효과적으로 냉각수를 냉각시킬 수 있다. 상기 냉각 모드 열교환 가능 조건을 만족되지 않으면, 상기 열교환부삼방밸브(410)는, 상기 제1 유입유로(558)를 유동하는 냉각수를 상기 열교환부 바이패스유로(403)에 공급하여, 시수열교환부(400)를 이용하지 않는다.

배터리 예열을 위한 예열 모드에서, 상기 온수온도센서(443)와 상기 온수유량계(442)의 센싱 데이터가 기설정된 예열 모드 열교환 가능 조건을 만족하면, 상기 열교환부삼방밸브(410)는, 상기 제1 유입유로(558)를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로(404)에 공급할 수 있다. 이에 따라, 온수의 온도와 유량이 충분할 때, 냉각수의 온도 상승에 사용하여, 더 효과적으로 배터리를 예열시킬 수 있다.

한편, 상기 예열 모드 열교환 가능 조건을 만족되지 않으면, 상기 열교환부삼방밸브(410)는, 상기 제1 유입유로(558)를 유동하는 냉각수를 상기 열교환부 바이패스유로(403)에 공급하여, 시수열교환부(400)를 이용하지 않는다.

사용자가 항시 시수를 사용하지는 않기 때문에, 유량이 사용하는 운전 조건에서 이용가능한 지 판별하기 위해, 각 배관(401, 402)에 유량계(432, 442)를 배치할 수 있다. 또한, 배관(401, 402) 내 온도센서(433, 443)를 적용하여, 냉각수와 열교환을 위한 시수의 온도를 판단하여 열교환을 통해 냉각수 온도가 제어가 가능한지 여부를 판단한다.

본 개시의 실시 예에 따르면, 시수를 활용한 열교환에 있어 유량계(432, 442)와 온도센서(433, 443)에서 측정되는 유량과 온도로 냉각수와의 열교환 가능 여부를 판단하여, 열교환기(430, 440)측으로 냉각수 공급 여부를 결정할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 제2 유입유로(404)에서는 제3 유입유로(405)와 제4 유입유로(406)가 분지된다. 상기 제2 유입유로(404)에서 상기 제3 유입유로(405)와 제4 유입유로(406)가 분지되는 위치에 냉온삼방밸브(420)가 배치될 수 있다.

상기 냉온삼방밸브(420)는, 상기 제2 유입유로(404)의 냉각수가 상기 제3 유입유로(405) 또는 상기 제4 유입유로(406)에 선택적으로 공급할 수 있다. 상기 제3 유입유로(405)는 상기 냉각수를 상기 냉수열교환기(430)로 공급할 수 있고, 상기 제4 유입유로(406)는 상기 냉각수를 상기 온수열교환기(440)로 공급할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 냉수열교환기(430)에서 열교환된 냉각수는 제3 배출유로(407)를 거쳐 제2 배출유로(409)에 공급되고, 상기 온수열교환기(440)에서 열교환된 냉각수는 제4 배출유로(408)를 거쳐 상기 제2 배출유로(409)에 공급된다. 상기 제3 배출유로(407)와 상기 제4 배출유로(408)가 만나는 위치에 T형 커넥터(451)가 배치될 수 있다.

상기 제2 배출유로(409)와 상기 열교환부 바이패스유로(403)는 상기 제1 배출유로(567)와 연결될 수 있다. 상기 제1 배출유로(567)와 상기 제2 배출유로(409)와 상기 열교환부 바이패스유로(403)가 만나는 위치에 T형 커넥터(452)가 배치될 수 있다.

컨트롤러는 시수의 유량 및 온도로 열교환을 가능 여부를 판단하여 상기 열교환부삼방밸브(410)를 제어할 수 있다. 열교환이 가능한 조건일 경우, 상기 열교환부삼방밸브(410)는, 열 관리 시스템 내 배터리팩(10) 및 PCS(32) 측에서 출수된 냉각수가 시수와의 열교환될 수 있도록, 냉각수 유량을 상기 냉온삼방밸브(420)로 공급한다. 열교환이 가능하지 않은 조건일 경우, 컨트롤러는 냉각수가 냉온 열교환기(430, 440)를 바이패스하여 라디에이터(43, 44)측으로 공급되도록 상기 열교환부삼방밸브(410)를 제어한다.

상기 냉온삼방밸브(420)는 상기 열교환부삼방밸브(410)로부터 공급된 냉각수를 열관리 시스템의 운전 조건에 따라 상기 냉수열교환기(430) 또는 상기 온수열교환기(440)로 공급한다.

냉각 모드일 경우, 상기 냉온삼방밸브(420)는 상기 냉수열교환기(430) 측으로 냉각수를 공급하여 냉각수를 냉각한다. 예열 모드인 경우, 상기 냉온삼방밸브(420)는 상기 온수열교환기(440) 측으로 냉각수를 공급하여 냉각수를 예열한다. 상기 열교환기(430, 440)를 통해 냉각 또는 예열된 냉각수는, 운전 조건에 따라 라디에이터(43, 44)로 공급되어 추가적으로 냉각되거나, PCS(32)로 공급되어 예열된다.

본 개시의 실시 예에 따르면, 냉각수와 냉수 배관(401) 내 시수의 1차 열교환을 통해 폐열을 버리고, 이후 라디에이터(43, 44)로 냉각수를 공급하여 2차 냉각한다. 이를 통해 시스템 내 냉각수의 온도를 최저 대기온도 대비 최대 10도 이내로 관리할 수 있어 시스템내 냉각수의 온도가 너무 상승되는 것을 예방할 수 있다.

또한, 배터리팩(10) 예열시, 실내 온수배관(402)의 온수 유량에 따라 온수를 활용하여 빠르게 배터리 모듈을 예열할 수 있어 시스템 구동을 보다 빠르고 원활하게 할 수 있다.

도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 제1 냉각 모드(low)에 관한 설명에 참조되는 도면이다. 도 3 내지 도 6을 참조하여 전체 열 관리 시스템 및 제1 냉각 모드에 대해 상세히 설명한다.

냉각 모듈(40)은, 상기 냉각수를 유동시키는 펌프(42)를 포함한다. 또한, 냉각 모듈(40)은, 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)의 동작에 따라, 냉각수는, 제1 냉각수순환유로(501)를 따라 공급되고, 상기 제1 냉각수순환유로(501)에서 분지되는 제2 냉각수순환유로(552, 553)과 제3 냉각수순환유로(551)으로 분배될 수 있다.

상기 제2 냉각수순환유로(552, 553)는, 냉각수를 전력변환기(32) 측으로 공급하는 유로로써, 전력변환기(32) 측 워터 블록(520)에 연결된다. 상기 펌프(43)에서 토출되는 냉각수는, 상기 제1 냉각수순환유로(501), 상기 제2 냉각수순환유로(552, 553)를 거쳐 상기 전력변환기(32) 측 워터 블록(520)에 공급될 수 있다. 한편, 상기 전력변환기(32) 측 워터 블록(520)에서 토출되는 냉각수는 PCS 유로(563)로 유동한다.

한편, 상기 제3 냉각수순환유로(551)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(531, 532)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장장치(1)는, 교류전원에서 인가되는 전류의 급격한 변화를 안정화시키는 제1 리액터(531), 배터리팩(10)으로부터 인가되는 전류의 급격한 변화를 안정화시키는 제2 리액터(532)를 포함할 수 있다.

또한, 에너지 저장장치(1)는, 상기 리액터(531, 532)를 냉각시키는 리액터 워터 블록(541, 542)을 포함할 수 있다. 리액터 워터 블록(541, 542)는 상기 리액터(531, 532)에 접촉하여 냉각 모듈(40)로부터 공급되는 냉각수로 상기 리액터(531, 532)를 냉각시킬 수 있다. 상기 리액터 워터 블록(541, 542)의 냉각수는 다시 리액터 유로(565, 564)로 배출될 수 있다.

상기 제2 냉각수순환유로(552, 553)에는 T형 커넥터(571)가 배치되어 상기 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로(553)와 상기 리액터 워터 블록(541, 542) 측 유로(554)로도 분배할 수 있다.

제1 리액터(531)와 제2 리액터(532)를 구비하는 경우에, 에너지 저장장치(1)는, 냉각수를 다시 제1 리액터(531)와 제2 리액터(532)로 균등하게 분배하는 T형 커넥터(572)를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 PCS 유로(563)와 상기 리액터 유로(565, 564)에는 T형 커넥터(591, 592)가 배치되고, 상기 PCS 유로(563)와 상기 리액터 유로(565, 564)는, 상기 제4 냉각수순환유로(555)로 합지될 수 있다. 따라서, 상기 전력변환기 워터 블록(520)와 상기 리액터 워터 블록(541, 542)에서 배출되는 냉각수는, 상기 제4 냉각수순환유로(555)로 유동된다.

한편, 상기 제4 냉각수순환유로(555)는 제5 냉각수순환유로(556)와 바이패스유로(557)로 분지된다. 상기 제5 냉각수순환유로(556)는 냉각수를 상기 배터리팩(10) 측 배터리냉각판(50)으로 공급하는 유로이고, 상기 바이패스유로(557)는 냉각수를 상기 배터리팩(10) 측을 거치지 않고 상기 열교환기(43) 측으로 유동시키는 유로이다.

상기 제3 냉각수순환유로(551)와 상기 제5 냉각수순환유로(556)가 만나는 위치에는 T형 커넥터(573)가 배치될 수 있다.

한편, 상기 제1 냉각수순환유로(501)에는 제1 삼방밸브(511)가 배치된다. 상기 제1 삼방밸브(511)는 상기 제1 내지 제3 냉각수순환유로(501, 553, 551)이 만나는 위치에 배치되고, 상기 제1 냉각수순환유로(501)의 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로(553)와 상기 제3 냉각수순환유로(551)로 분배할 수 있다.

상기 제4 냉각수순환유로(555)에는 제2 삼방밸브(513)가 배치된다. 상기 제2 삼방밸브(513)는, 상기 제4 냉각수순환유로(555), 상기 제5 냉각수순환유로(556), 상기 바이패스유로(557)가 만나는 위치에 배치되고, 상기 제4 냉각수순환유로(555)의 냉각수가 상기 제5 냉각수순환유로(556) 또는 상기 바이패스유로(557)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(557)가 만나는 위치에는 T형 커넥터(574)가 배치되고, 싱기 제1 유입유로(558)는 상기 배터리냉각판(50)의 출구유로(92)와 상기 바이패스유로(557)에 연결된다. 상기 출구유로(92)와 상기 바이패스유로(557)는 상기 제1 유입유로(558)로 합지된다.

상기 열교환기(43)의 입구에는 제1 열교환기유로(561)가 연결되고, 상기 열교환기(43)의 출구에는 제2 열교환기유로(562)가 연결된다. 상기 제1 열교환기유로(561)는 상기 제1 배출유로(567)에 연결되고, 상기 제2 열교환기유로(562)는 제8 냉각수순환유로(559)릍 통하여 상기 펌프(52)로 연결된다.

제7 냉각수순환유로(503)는 일단이 상기 제1 배출유로(567)와 상기 제1 열교환기유로(561) 사이에 연결되고, 타단이 상기 제2 열교환기유로(562)와 상기 펌프(52) 사이에 연결될 수 있다.

또한, 제8 냉각수순환유로(559)는, 상기 제2 열교환기유로(562)와 상기 제7 냉각수순환유로(503)에 연결되어 상기 냉각수를 상기 펌프(42)로 유동시킬 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 바이패스유로구조는, 상기 제1 열교환기유로(561), 상기 제1 배출유로(567), 상기 제7 냉각수순환유로(503)가 만나는 위치에 배치되는 삼방밸브(미도시)를 포함할 수 있다.

또는, 바이패스유로구조는, 상기 제7 냉각수순환유로(503)에 배치되어, 상기 제7 냉각수순환유로(503)를 개폐하는 바이패스밸브(510)를 포함할 수 있다.

상기 열교환기(43) 입구 측의 상기 제1 열교환기유로(561)에서 상기 펌프(52) 측 제8 냉각수순환유로(559) 사이에 제7 냉각수순환유로(503)를 만들고, 바이패스밸브(510)의 온/오프 제어로 상기 제7 냉각수순환유로(503)를 통한 냉각수 유동을 제어할 수 있다. 상기 제7 냉각수순환유로(503)를 열어(open), 냉각수를 외부와 열교환하는 열교환기(43) 측이 아닌 펌프(42) 측으로 보내 열 손실을 저감할 수 있다.

더 바람직하게는, 상기 제1 열교환기유로(561)에는 열교환기밸브(515)가 배치되고, 상기 열교환기밸브(515)의 온/오프 제어로 상기 제1 열교환기유로(561)를 개폐할 수 있다. 상기 바이패스밸브(510)와 상기 열교환기밸브(515)는, 삼방밸브, 사방밸브보다 저렴한 1way 밸브로 구성되어 전체 제조비용을 감소시킬 수 있다.

상기 바이패스유로구조는, 상기 제1 배출유로(567), 상기 제1 열교환기유로(561), 상기 제7 냉각수순환유로(503)가 만나는 위치에 배치되는 T형 커넥터(517), 및, 상기 제7 냉각수순환유로(503), 상기 제2 열교환기유로(562), 상기 펌프(42)가 만나는 위치에 배치되는 T형 커넥터(575)를 더 포함할 수 있다.

에너지 저장장치(1)는, 냉각수 온도를 감지하는 온도 센서(581, 582)를 더 포함하고, 상기 온도 센서(581, 582)에서 감지되는 냉각수 온도에 기초하여, 냉각 모드를 결정할 수 있다.

한편, 컨트롤러는 온도센서(581, 582)에서 감지되는 냉각수 온도에 기초하여 열 관리 시스템을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 제8 냉각수순환유로(559)에는 제1 온도센서(581)가 배치되고, 상기 제1 유입유로(558)에는 제2 온도센서(582)가 배치되어, 냉각수 온도를 감지할 수 있다. 컨트롤러는 제1 온도센서(581) 및/또는 제2 온도센서(582)에서 센싱되는 냉각수 온도에 기초하여 열 관리 시스템을 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러는 제1 온도센서(581)와 제2 온도센서(582)에서 센싱되는 냉각수 온도의 차이에 기초하여 열 관리 시스템을 제어할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 열 관리시스템은, 다양한 상황에 적절하게 전체 시스템 및 배터리 열 관리가 가능하다.

에너지 저장장치(1)는, 충전 및 방전등 정상 운전에 돌입하면 PCS(32) & Reactor(531, 532)와 배터리팩(10) 등이 발열하는데, 냉각수 제어를 통해 PCS(32) & Reactor(531, 532)와 배터리팩(10)을 냉각시켜 안정적으로 운전될 수 있도록 해야 한다.

도 6을 참조하면, 상기 펌프(42)가 동작하고, 냉각수는 상기 제1 냉각수순환유로(501)로 공급된다. 냉각 모드에서, 상기 제1 삼방밸브(511)는, 상기 펌프(42)에서 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로(552, 553)와 상기 제3 냉각수순환유로(551)로 분배할 수 있다.

냉각 모드에서, 상기 냉수배관(401)에 흐르는 냉수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하는 경우, PCS(32) & Reactor(531, 532)와 배터리팩(10) 측에서 토출되는 고온의 냉각수를 상기 냉수열교환기(430)로 공급하여 냉각수를 냉각하는 제어를 수반하게 된다.

이를 위해, 상기 제2 삼방밸브(513)는, 상기 제4 냉각수순환유로(555)의 냉각수를 상기 바이패스유로(557)에 공급하고, 상기 열교환부삼방밸브(410)는, 상기 제1 유입유로(558)를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로(404)에 공급한다.

또한, 라디에이터(43, 44)는 사용하지 않으므로, 상기 바이패스밸브(510)는 상기 제7 냉각수순환유로(503)를 열고, 상기 열교환기밸브(515)는 상기 제1 열교환기유로(561)를 닫을 수 있다.

상기 제1 냉각 모드는, 냉수배관(401) 내 냉수가 조건을 만족하였을 경우 사용되며, 해당 조건에서는 라디에이터(43, 44)를 사용하지 않음으로 시스템 내 소비 전력을 저감시키고 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

한편, 열 관리 시스템은, 냉각수 온도가 제1 기준온도 미만이면, 제1 냉각 모드로 동작할 수 있고, 냉각수 온도가 제1 기준온도 이상이면, 제2 냉각 모드로 동작할 수 있다.

도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 제2 냉각 모드(high)에 관한 설명에 참조되는 도면이다

도 7을 참조하면, 상기 펌프(42)가 동작하고, 냉각수는, 상기 제1 냉각수순환유로(501)로 공급된다. 제2 냉각 모드에서, 상기 제1 삼방밸브(511)는, 상기 펌프(42)에서 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로(552, 553)와 상기 제3 냉각수순환유로(551)로 분배할 수 있다. 상기 제2 삼방밸브(513)는, 상기 제4 냉각수순환유로(555)의 냉각수를 상기 바이패스유로(557)에 공급한다.

상기 냉각수의 온도가 상기 제1 기준온도 이상이면, 상기 방열팬(44)을 온 제어한다. 에너지 저장장치(1) 운전중 냉각수의 온도가 제1 기준온도 이상으로 상승되면, 상기 제1 냉각 모드에서 제2 냉각 모드에 진입하게 된다. 에너지 저장장치(1)는 상기 제1 냉각 모드와 동일하게 운전되며, 상기 방열팬(44)을 추가적으로 동작시킴으로써, 냉각 성능을 높인다.

운전 중 운전 부하가 상승하게 될 경우, 시스템의 운전 효율을 향상시키며, 냉각수의 온도를 더 안정적으로 제어하기 위해, 상기 제2 냉각 모드로 진입한다. 상기 제2 냉각 모드는, 냉수배관(401) 내 냉수 유량 및 온도가 기준을 만족하는 경우로,

이에 따라, PCS(32) & Reactor(531, 532)와 배터리팩(10)에서 출수되는 고온의 냉각수는 상기 열교환부삼방밸브(410)를 통해 상기 냉온삼방밸브(420)로 공급된다. 상기 열교환부삼방밸브(410)는, 상기 제1 유입유로(558)를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로(404)에 공급한다. 상기 냉온삼방밸브(420)는 상기 냉수열교환기(430) 측으로 고온의 냉각수를 공급함으로 냉각수의 온도를 저감시키는 1차 냉각이 수행된다.

한편, 상기 바이패스밸브(510)는 상기 제7 냉각수순환유로(503)를 닫고, 상기 열교환기밸브(515)는 상기 제1 열교환기유로(561)를 열고, 상기 방열팬(44)이 온(on) 제어된다. 이에 따라, 상기 냉수열교환기(430)에서 출수된 다소 냉각된 냉각수는 라디에이터(43, 44)로 공급되어 공기 냉각으로 2차 냉각된다. 이에 따라, 에너지 저장장치(1)의 온도를 더 효과적으로 관리할 수 있다.

도 8과 도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 냉각 모드에 관한 설명에 참조되는 도면으로, 냉수 유량이 없는 경우의 냉각수 냉각 제어에 관한 설명에 참조되는 도면이다.

도 8과 도 9를 참조하면, 냉각 모드에서, 상기 냉수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하지 않으면, 시수열교환부(400)에서 열교환을 수행하지 않는다.

도 8과 도 9를 참조하면, 상기 제2 삼방밸브(513)는, 상기 제4 냉각수순환유로(555)의 냉각수를 상기 바이패스유로(537)에 공급하고, 상기 열교환부삼방밸브(410)는, 상기 제1 유입유로(558)를 유동하는 냉각수를 상기 열교환부 바이패스유로(403)에 공급한다. 이에 따라, 냉각수는 열교환없이, 상기 제1 배출유로(567)로 배출된다.

냉각 모드에서, 상기 냉수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하지 않으면, 라디에이터(43, 44)에서 냉각수를 냉각시켜야한다. 이를 위해, 상기 바이패스밸브(510)는 상기 제7 냉각수순환유로(503)를 닫고, 상기 열교환기밸브(515)는 상기 제1 열교환기유로(561)를 열 수 있다.

상기 제1 냉각 모드 또는 상기 제2 냉각 모드 운전중, 냉수 시수의 온도 및 유량 조건이 만족되지 않을 경우에 제3 냉각 모드 운전에 진입한다. 통상적으로 온도보다는 유량의 조건이 만족하지 않는 경우의 발생 가능성이 높을 것이다.

냉수를 통한 냉각수 냉각이 어려우면, 상기 열교환부삼방밸브(410) 절환 제어가 수반되어야 한다. PCS(32) & Reactor(531, 532)와 배터리팩(10)에서 출수되는 고온의 냉각수는 상기 열교환부삼방밸브(410)를 통해 라디에이터(43, 44)측으로 바이패스된다. 라디에이터(43, 44)로 공급된 고온의 냉각수는 방열팬(44)의 제어를 통해 공기냉각된다. 이후 냉각된 냉각수는 다시 펌프(42) 측으로 공급되어 PCS(32) & Reactor(531, 532)와 배터리팩(10) 내 폐열을 회수하고 시스템을 냉각하는데 사용된다.

도 10은 본 개시의 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 10을 참조하면, 예열 모드에서, 상기 온수온도센서(443)와 상기 온수유량계(442)의 센싱 데이터가 기설정된 예열 모드 열교환 가능 조건을 만족하면, 상기 열교환부삼방밸브(410)는, 상기 제1 유입유로(558)를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로(404)에 공급할 수 있다. 이에 따라, 온수의 온도와 유량이 충분할 때, 온수를 냉각수의 온도 상승에 사용하여, 더 효과적으로 배터리를 예열시킬 수 있다.

도 11은 온수 유량이 없는 경우의 제1 예열 모드(low)에 관한 설명에 참조되는 도면이고, 도 12는 온수 유량이 있는 경우의 제2 예열 모드(high)에 관한 설명에 참조되는 도면이다.

도 11과 도 12를 참조하면, 상기 예열 모드에서, 상기 펌프(42)가 동작하고, 상기 제1 삼방밸브(511)는 상기 제1 냉각수순환유로(501)로 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로(552, 553)에 공급할 수 있다. 즉, 상기 펌프(42)를 통해 공급되는 냉각수는 상기 제1 삼방밸브(511)를 통해 PCS(32) & Reactor(531, 532) 측으로 냉각수가 전부 공급된다.

상기 제2 삼방밸브(513)는, 상기 제4 냉각수순환유로(555)의 냉각수를 상기 제5 냉각수순환유로(556)에 공급한다. 예열 모드에서, 펌프(42) 구동을 통해 유동하는 냉각수가 배터리냉각판(50)을 거쳐 저온 상태 토출된다. 저온의 냉각수는 상기 제3 삼방밸브(594)를 통해 상기 열교환기(43)로 공급되지 않고 상기 제7 냉각수순환유로(503)로 바이패스된다. 이는 상기 열교환기(43)로 냉각수가 공급되면 낮은 외기온도로 인해 냉각수의 온도가 더욱 저감되기 때문이다.

상기 제1 예열 모드에서, 상기 온수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하지 않으면, 도 11과 같이, 상기 열교환부삼방밸브(410)는, 상기 제1 유입유로(558)를 유동하는 냉각수를 상기 열교환부 바이패스유로(403)에 공급하고, 상기 바이패스밸브(510)는 상기 제7 냉각수순환유로(503)를 열고, 상기 열교환기밸브(515)는 상기 제1 열교환기유로(561)를 닫는다. 이에 따라, 열교환에 불충분한 상기 온수배관(4l02)의 온수를 사용하지 않고 통상적인 예열 운전을 수행할 수 있다.

상기 제1 예열 모드에서 온수배관(402)의 유량이 부족하면, 온수배관(402)측 온수열교환기(440)나 라디에이터(43, 44) 측으로 냉각수가 공급되어 열손실이 발생하지 않도록 제어하며, PCS(32) 무효전력 제어를 통해 저온의 냉각수를 가열한다. 가열된 냉각수는 배터리팩(10) 측으로 공급되어 배터리팩(10)을 예열함으로써 배터리 모듈의 신뢰성이 저감되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 상기 제2 예열 모드에서, 상기 온수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하면, 도 12와 같이, 상기 열교환부삼방밸브(410)는, 상기 제1 유입유로(558)를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로(404)에 공급하고, 상기 바이패스밸브(510)는 상기 제7 냉각수순환유로(503)를 열고, 상기 열교환기밸브(515)는 상기 제1 열교환기유로(561)를 닫는다. 이에 따라,열교환에 충분한 상기 온수배관(4l02)의 온수를 사용하여 통상적인 예열 운전보다 더 빠르고 효과적인 예열 운전을 수행할 수 있다.

상기 제1 예열 모드 운전 중에 온수배관(402) 내 유량이 감지될 경우 시스템은 상기 제2 예열 모드로 진입할 수 있다. 상기 제2 예열 모드는 냉각수를 상기 온수배관(402) 측 온수열교환기(440)와 PCS(32)를 통해 냉각수를 보다 빠르게 예열함으로써 배터리팩(10)도 더 빠르게 예열할 수 있다. 이에 따라, 배터리 예열에 필요한 총 에너지를 저감시킬 수 있다.

상기 배터리팩(10)의 배터리냉각판(50) 측에서 출수되는 저온의 냉각수는 상기 온수열교환기(440) 측으로 공급되어 저온의 냉각수와 온수간 열교환을 통해 저온의 냉각수를 1차적으로 가열할 수 있다. 1차적으로 가열된 냉각수는 상기 PCS(32)로 공급되어 2차적으로 가열된다. 상기 온수열교환기(440)와 상기 PCS(32)를 통해 2차례 가열된 냉각수로 상기 배터리팩(10)을 빠르게 예열함으로써, 상기 PCS(32)는 무효전력 운전 모드를 보다 빠르게 탈출할 수 있어 전력 사용을 저감시킬 수 있다.

도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 동작방법의 순서도이다.

에너지 저장장치(1)의 전원이 켜진 상태에서(S1305), 컨트롤러는 운전조건을 확인하고(S1310 내지 S1335), 온도센서(581, 582)에서 감지되는 냉각수 온도를 분석한다(S1330).

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. 전기 요금이 비싸고, 부하가 큰 주간에는 배터리(35)가 방전하는 에너지 공급 모드로 운전 제어될 수 있다.

컨트롤러는 에너지 저장장치(1)의 운전조건에 기초한 열 관리 시스템 운전 모드로 진입하고(S1320), 온도센서(581, 582)에서 감지되는 냉각수 온도를 분석한다(S1325). 컨트롤러는 냉각수 온도에 기초하여 열 관리 시스템 운전 모드를 선택할 수 있다(S1330).

냉각이 필요한 경우에, 컨트롤러는 열 관리 시스템을 냉각 모드로 제어할 수 있다(S1335). 냉각 모드에서(S1335), 컨트롤러는, 상기 냉수온도센서(433)와 상기 냉수유량계(432)의 센싱 데이터가 기설정된 냉각 모드 열교환 가능 조건을 만족하는 지 판별할 수 있다(S1340).

상기 냉각 모드 열교환 가능 조건을 만족하면(S1340), 상기 컨트롤러는, 시스템 운전 부하량을 판별할 수 있다(S1345). 시스템 부하량이 기준치 이상 높으면(S1345), 에너지 저장장치(1)는, 상술한 제2 냉각 모드로 동작할 수 있다(S1350). 시스템 부하량이 높지 않으면(S1345), 에너지 저장장치(1)는, 상술한 제1 냉각 모드로 동작할 수 있다(S1355).

한편, 냉수의 유량, 온도가 기 냉각 모드 열교환 가능 조건을 만족하지 않으면(S1340), 에너지 저장장치(1)는, 상술한 제3 냉각 모드로 동작할 수 있다(S1360).

열 관리 시스템은 배터리(35) 예열을 위한 예열 모드로 동작할 수도 있다(S1365). 예열 모드(S1365)에서, 컨트롤러는, 상기 온수온도센서(443)와 상기 온수유량계(442)의 센싱 데이터가 기설정된 예열 모드 열교환 가능 조건을 만족하는 지 판별할 수 있다(S1370).

예열 모드 열교환 가능 조건이 만족되면(S1370), 에너지 저장장치(1)는, 상술한 제2 예열 모드로 동작할 수 있다(S1375). 예열 모드 열교환 가능 조건이 만족되지 않으면(S1370), 에너지 저장장치(1)는, 상술한 제2 예열 모드로 동작할 수 있다(S1380).

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 (17)

1. 복수의 배터리팩;
   각 배터리팩에 대응하여 배치되는 복수의 배터리냉각판;
   상기 복수의 배터리냉각판으로 냉각수를 유동시키는 펌프를 포함하는 냉각 모듈;
   상기 냉각수가 유입되는 제1 유입유로;
   시수(tap water)가 흐르는 수도관의 냉수배관에서 분지되는 냉수분지관;
   상기 냉수배관에 흐르는 냉수를 상기 냉수분지관으로 유동시키는 냉수밸브;
   상기 냉수와 상기 냉각수를 열교환시키는 냉수열교환기;
   상기 수도관의 온수배관에서 분지되는 온수분지관;
   상기 온수배관에 흐르는 온수를 상기 온수분지관으로 유동시키는 온수밸브;
   상기 온수와 상기 냉각수를 열교환시키는 온수열교환기; 및,
   상기 냉수열교환기 또는 상기 온수열교환기에서 열교환된 냉각수를 배출하는 제1 배출유로;를 포함하는 에너지저장장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 유입유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 상기 냉수열교환기와 상기 온수열교환기 측으로 유동시키는 제2 유입유로;
   상기 제1 유입유로와 상기 제1 배출유로를 연결하는 열교환부 바이패스유로; 및,
   상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수가 상기 제2 유입유로 또는 상기 열교환부 바이패스유로에 선택적으로 공급되도록하는 열교환부삼방밸브를 더 포함하는 에너지저장장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 냉수배관에 배치되는 냉수온도센서;
   상기 냉수배관에 배치되는 냉수유량계;
   상기 온수배관에 배치되는 온수온도센서;
   상기 온수배관에 배치되는 온수유량계;를 더 포함하는 에너지저장장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 열교환부삼방밸브는,
   배터리 냉각을 위한 냉각 모드에서, 상기 냉수온도센서와 상기 냉수유량계의 센싱 데이터에 기초하여, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로 또는 상기 열교환부 바이패스유로에 공급하고,
   배터리 예열을 위한 예열 모드에서, 상기 온수온도센서와 상기 온수유량계의 센싱 데이터에 기초하여, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로 또는 상기 열교환부 바이패스유로에 공급하는 에너지저장장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제2 유입유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 상기 냉수열교환기로 공급하는 제3 유입유로;
   상기 제2 유입유로에서 분지되어, 상기 냉각수를 상기 온수열교환기로 공급하는 제4 유입유로;
   상기 제1 배출유로와 상기 열교환부 바이패스유로에 연결되는 제2 배출유로;
   상기 냉수열교환기에서 열교환된 냉각수를 상기 제2 배출유로로 공급하는 제3 배출유로;
   상기 온수열교환기에서 열교환된 냉각수를 상기 제2 배출유로로 공급하는 제4 배출유로;를 더 포함하는 에너지 저장장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제2 유입유로의 냉각수가 상기 제3 유입유로 또는 상기 제4 유입유로에 선택적으로 공급되도록하는 냉온삼방밸브;를 더 포함하는 에너지 저장장치.
7. 제5항에 있어서,
   상기 제1 배출유로와 상기 제2 배출유로와 상기 열교환부 바이패스유로가 만나는 위치에 배치되는 T형 커넥터;를 더 포함하는 에너지 저장장치.
8. 제4항에 있어서,
   상기 냉각 모듈은,
   상기 펌프에 의해 유동하는 냉각수를 공기와 열교환시키는 열교환기와 상기 열교환기로 외부공기를 공급하는 방열팬을 포함하는 에너지 저장장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 방열팬은, 상기 냉각수의 온도에 대응하여 회전수가 가변되는 에너지저장장치.
10. 제8항에 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 열교환기의 입구 및 상기 제1 배출유로에 연결되는 제1 열교환기유로;
    상기 열교환기의 출구에 연결되는 제2 열교환기유로;
    상기 제1 열교환기유로 및 상기 제2 열교환기유로에 연결되는 제7 냉각수순환유로;
    상기 제2 열교환기유로, 및, 상기 제7 냉각수순환유로에 연결되어 상기 냉각수를 상기 펌프로 유동시키는 제8 냉각수순환유로;를 더 포함하고,
    상기 제1 유입유로는, 상기 배터리냉각판, 및, 상기 바이패스유로에 연결되는 에너지 저장장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로와 상기 제3 냉각수순환유로로 분배하는 제1 삼방밸브; 및,
    상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수가 상기 제5 냉각수순환유로 또는 상기 바이패스유로에 선택적으로 공급되도록하는 제2 삼방밸브;를 더 포함하는 에너지 저장장치.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제7 냉각수순환유로에 배치되어 상기 제7 냉각수순환유로를 개폐하는 바이패스밸브; 및,
    상기 제1 열교환기유로에 배치되어 상기 제1 열교환기유로를 개폐하는 열교환기밸브;를 더 포함하는 에너지 저장장치.
13. 제12항에 있어서,
    상기 냉각 모드에서, 상기 냉수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하고, 상기 냉각수의 온도가 제1 기준온도 미만이면,
    상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 바이패스유로에 공급하고,
    상기 열교환부삼방밸브는, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로에 공급하고,
    상기 바이패스밸브는 상기 제7 냉각수순환유로를 열고,
    상기 열교환기밸브는 상기 제1 열교환기유로를 닫는 에너지 저장장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 냉각 모드에서, 상기 냉수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하고, 상기 냉수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하고, 상기 냉각수의 온도가 상기 제1 기준온도 이상이면,
    상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 바이패스유로에 공급하고,
    상기 열교환부삼방밸브는, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로에 공급하고,
    상기 바이패스밸브는 상기 제7 냉각수순환유로를 닫고,
    상기 열교환기밸브는 상기 제1 열교환기유로를 열고,
    상기 방열팬이 온(on) 제어되는 에너지 저장장치.
15. 제12항에 있어서,
    상기 냉각 모드에서, 상기 냉수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하지 않으면,
    상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 바이패스유로에 공급하고,
    상기 열교환부삼방밸브는, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 열교환부 바이패스유로에 공급하고,
    상기 바이패스밸브는 상기 제7 냉각수순환유로를 닫고,
    상기 열교환기밸브는 상기 제1 열교환기유로를 여는 에너지 저장장치.
16. 제12항에 있어서,
    상기 예열 모드에서, 상기 온수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하지 않으면,
    상기 제1 삼방밸브는, 상기 펌프에서 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로에 공급하며,
    상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 제5 냉각수순환유로에 공급하고,
    상기 열교환부삼방밸브는, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 열교환부 바이패스유로에 공급하고,
    상기 바이패스밸브는 상기 제7 냉각수순환유로를 열고,
    상기 열교환기밸브는 상기 제1 열교환기유로를 닫는 에너지 저장장치.
17. 제12항에 있어서,
    상기 예열 모드에서, 상기 온수의 온도와 유량이 열교환 가능 조건을 만족하면,
    상기 제1 삼방밸브는, 상기 펌프에서 공급되는 냉각수를 상기 제2 냉각수순환유로에 공급하며,
    상기 제2 삼방밸브는, 상기 제4 냉각수순환유로의 냉각수를 상기 제5 냉각수순환유로에 공급하고,
    상기 열교환부삼방밸브는, 상기 제1 유입유로를 유동하는 냉각수를 상기 제2 유입유로에 공급하고,
    상기 바이패스밸브는 상기 제7 냉각수순환유로를 열고,
    상기 열교환기밸브는 상기 제1 열교환기유로를 닫는 에너지 저장장치.
    

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