KR20240062306A

KR20240062306A - 에너지 저장장치

Info

Publication number: KR20240062306A
Application number: KR1020220142262A
Authority: KR
Inventors: 장희중; 양동근; 우형석
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2024-05-09

Abstract

본 발명의 에너지 저장장치는 에너지 저장장치는, 수조; 수조 내부에 배치되고 냉각수에 의해 액침되는 배터리팩; 냉각수펌프; 전력변환기를 포함하여 냉각수를 가열하는 발열부; 냉각수를 방열하는 방열부를 포함하므로, 배터리를 필요에 따라 냉각 또는 예열하여 적정 온도로 관리함으로써 배터리의 성능을 최적화할 수 있고, 방열부 및 발열부의 방열 용량 및 발열 용량을 조절하여 배터리의 온도를 더욱 정밀하게 관리할 수 있으며, 전력변환기의 폐열을 회수함으로써 에너지 효율을 상승시킬 수 있다.

Description

에너지 저장장치{Energy Storage Apparatus}

본 발명은 에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각수에 의해 배터리가 액침되는 에너지 저장장치에 관한 것이다.

풍력, 태양광발전과 같은 신재생에너지 발전 규모가 지속적으로 증가하면서, 안정적으로 지속 가능한 전력계통 운영이 당면 과제로 부상하고 있다.

이에 대한 해결책으로 에너지 저장장치(ESA; Energy Storage Apparatus)가 주목을 받고 있다. 에너지 저장장치는 신재생에너지 또는 분산전원에서 발생되는 다양한 전압/전류를 제어하여 필요에 따라 전력계통에 연결하거나 유휴에너지를 저장하여 에너지 효율을 높이는 시스템이다.

구체적으로, 에너지 저장장치는, 전력 계통으로부터 송전되는 전기를 저장하거나, 설치 공간으로 저장된 전력을 공급할 수 있다.

에너지 저장장치는, 내부에 배치되는 배터리, 배터리로 공급되는 전력을 변화시키거나 안정화시키는 전력변환기 등이 배치될 수 있다. 에너지 저장장치 내부에 배치되는 배터리나 전력변환기는 자체에서 열이 발생함에 따라 이러한 온도를 낮추기 위한 냉각수단을 포함할 수 있다.

에너지 저장장치의 냉각수단 중 특히 냉각수를 통한 냉각장치는, 냉각수를 유동시키는 냉각수펌프와, 온도가 증가된 냉각수의 온도를 낮추는 방열장치를 포함할 수 있다.

종래 KR 등록공고 10-1997180 (2019. 07. 08)에 따른 냉각수단을 포함하는 에너지 저장장치는, 냉각 효율을 향상시키기 위하여 수냉식 냉각수단을 구비할 수 있었다. 그러나, 상기 종래 에너지 저장장치는 냉각수와 배터리간의 열교환 효율이 충분치 못해 배터리의 발열이 과도한 경우에는 배터리의 온도를 관리할 수 없다는 문제점이 있었다.

이에, 종래 KR 등록공고 10-2206706 (2021.01.22)에 따른 냉각수단을 포함하는 에너지 저장장치는, 강제 냉각의 대상이 되는 발열유니트들이 잠기도록 냉각액을 채울 수 있는 밀폐된 내부공간을 갖는 다수개의 냉각챔버와, 상기 냉각챔버로부터 이격된 장소에서 상기 냉각액을 냉각시켜 주는 열교환모듈과, 상기 냉각챔버에서 상기 열교환모듈로 냉각액을 이송하는 통합이송관과, 상기 열교환모듈에서 각 냉각챔버로 냉각액을 반송하는 통합반송관을 포함하여 구성되는 액침형 냉각 시스템을 개시한다.

그러나, 상기 종래 에너지 저장장치는, 배터리의 온도가 과열된 경우에만 유효적절할 뿐, 배터리의 온도가 과냉되어 배터리의 성능이 저하될 경우에는 배터리의 온도를 상승시킬 수단을 구비하지 못하였다는 문제점이 있었다.

선행 1 KR 등록공고 10-1997180 (2019.07.08) 선행 2 KR 등록공고 10-2206706 (2021.01.22)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 액침형 냉각수단을 구비하면서 배터리의 온도를 더욱 정밀하게 관리할 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전력변화기를 포함하는 발열부의 폐열을 회수하여 배터리를 예열시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 별도의 발열 수단을 추가하지 않더라도 배터리를 예열시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 내구성 및 안전성이 향상된 에너지 저장장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치는, 내부에 냉각수가 채워지는 수조; 수조 내부에 배치되고, 냉각수에 의해 액침되고, 복수의 배터리셀을 포함하는 배터리팩; 배관을 통해 냉각수가 유동하도록 냉각수를 가압하는 냉각수펌프; 냉각수를 가열하는 발열부; 냉각수를 방열하는 방열부를 포함한다.

따라서, 배터리팩이 냉각수에 의해 액침됨으로써, 냉각수와의 열교환율을 현저히 상승시키고, 냉각수의 온도 관리를 통하여 배터리팩의 온도를 관리할 수 있게하여 에너지 저장장치의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 발열부는, 배터리팩의 충방전을 위해 전기의 특성을 변환하는 전력변환기를 포함한다. 또한, 발열부는, 냉각수와 열교환되고 전류의 급격한 변화를 안정화시키는 리액터를 더 포함할 수 있다.

따라서, 이와 같이 발열부를 구성함으로서, 에너지 저장장치의 폐열을 냉각수 가열에 활용하도록하여 에너지 저장장치의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, PCS뿐만 아니라 리액터 또한 발열부로 활용하여, PCS와 함께 리액터의 발열을 관리하여 에너지 저장장치의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 배터리 예열모드에서 발열 인자를 추가함으로써 배터리의 예열 속도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치는 방열부, 수조, 발열부를 순환하면서 냉각수가 유동하도록하는 복수개의 배관(예를 들어, 제1 내지 제3 배관)을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치는 냉각수가 방열부를 바이패스하도록 하는 방열 바이패스배관; 방열 바이패스배관을 개폐하는 방열 삼방밸브를 더 포함할 수 있다. 이때, 제어부는 냉각수의 온도가 소정의 과냉 온도 미만일 경우 방열 삼방밸브를 절환하여 방열 바이패스배관을 개방할 수 있다. 또한, 제어부는 방열 바이패스배관을 개방할 경우, 전력변환기에 임의로 전류를 인가하여 전력변환기가 발열하도록 할 수 있다.

따라서 냉각수가 과냉되어 배터리의 충방전에 의한 발열만으로 배터리가 적정 온도 범위까지 도달하는 것이 어렵거나 극히 비효율적인 경우라도, 방열부를 폐쇄하고 발열부의 발열량을 배터리로 공급함으로써 에너지 저장장치를 신속히 정상화시킬 수 있다. 나아가, 배터리 사용(즉, 배터리의 충방전)이 예약된 경우 사용에 앞서 미리 배터리를 예열시켜 배터리 사용 초기부터 배터리의 성능이 최대로 발휘되도록 할 수 있다.

또한, 별도의 비상용 발열 수단을 추가로 구비하지 않고도 에너지 저장장치 내 이미 구비된 발열부를 활용하여 배터리를 예열하는데 활용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치는 냉각수가 배터리를 바이패스하도록 하는 배터리 바이패스배관; 배터리 바이패스배관을 개폐하는 배터리 삼방밸브를 더 포함할 수 있다.

이때, 제어부는 전력변환기의 온도를 소정의 과열 온도 이상일 경우 배터리 삼방밸브를 절환하여 배터리 바이패스배관을 개방할 수 있다.

따라서, 전력변환기의 주요 소자가 발열로 인해 성능이 저하되거나 고장날 우려가 있는 경우 방열부의 방열 용량을 발열부에 집중시켜 전력변환기를 냉각함으로써 에너지 저장장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.

이때, 제어부는 냉각수의 온도가 소정의 과냉 온도 이상이면서 소정의 적정 하한 온도 미만일 경우 배터리 삼방밸브를 절환하여 배터리 바이패스배관을 개방할 수 있다.

따라서, 냉각수(내지 배터리)의 온도가 적정 온도 범위보다 낮을 지라도, 배터리의 충방전 성능이 일정 수준 보장되는 온도 수준으로 판단될 경우, 배터리의 충방전에 따른 자체적인 발열량에 의하여 배터리가 적정 온도 범위까지 가열되도록 할 수 있다. 나아가, 배터리를 가열하기위해 무조건적으로 방열부를 폐쇄하거나 전력변환기에 임의로 전력을 인가하지않으면서도, 배터리의 충방전에 따른 자체적인 발열량에 의해 배터리가 적정 온도 범위까지 가열되도록 할 수 있어, 에너지 저장장치의 소비 전력이 비대화를 예방하고 발열부에 임의로 전력이 빈번하게 가해짐에 따른 발열부 소자의 수명 감소를 예방할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치는 냉각수가 발열부를 바이패스하도록 하는 발열 바이패스배관; 발열 바이패스배관을 개폐하는 발열 삼방밸브를 더 포함할 수 있다.

이때, 제어부는 냉각수의 온도가 소정의 적정 상한 온도 이상이면 발열 삼방밸브를 절환하여 발열 바이패스배관을 개방할 수 있다.

따라서, 배터리가 과열될 경우 에너지 저장장치 내 냉각 대상을 배터리로만 한정함으로써 냉각수 온도(내지 배터리 온도)를 적정 온도 범위까지 신속하게 낮추어 에너지 저장장치의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 수조의 내부 공간은 냉각수로 액침되는 액침영역을 포함하고, 수조로부터 냉각수를 토출시키는 토출 배관은 액침영역의 하부와 연통되는 하부 토출배관과, 액침영역의 상부와 연통되는 상부 토출배관으로 분지되어 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치는 하부 토출배관과 상부 토출배관이 합지되는 부위에 배치되는 토출 삼방밸브를 더 포함할 수 있다.

이때, 제어부는 냉각수의 온도가 소정의 적정 하한 온도보다 크고 소정의 적정 상한 온도보다 작으면, 토출 삼방밸브의 하부 토출배관측 개도량과 상부 토출배관측 개도량을 서로 상반되게 제어할 수 있다. 구체적으로, 냉각수의 온도가 적정 하한 온도에 가까울수록 토출 삼방밸브의 하부 토출배관측 개도량을 증가시키고, 냉각수의 온도가 적정 상한 온도에 가까울수록 토출 삼방밸브의 상부 토출배관측 개도량을 증가시킬 수 있다.

따라서, 액침된 냉각수의 상부와 하부 각각에 연결된 토출배관의 개도량을 필요에 따라 조절하여 수조로부터 토출되는 냉각수의 온도를 정밀하게 제어함으로써, 냉각수와 방열부의 열교환량(내지 냉각수의 냉각 정도)를 정밀하게 제어하여, 배터리 온도를 적정 온도 범위 내로 안정적으로 유지하여 에너지 저장장치의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 방열부는 냉각수가 유동하는 라디에이터와, 라디에이터 주위로 외부 공기를 유동시키는 방열팬을 포함할 수 있다. 이때, 제어부는, 냉각수의 온도에 따라 방열팬의 회전수를 제어할 수 있다. 따라서, 필요에 따라 방열부의 방열 용량을 조절하여, 소비 전력을 저감하면서도 에너지 저장장치의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 배터리팩은 단수개의 프레임 내부에 복수개의 배터리셀을 포함하는 배터리모듈을 복수개 포함한다. 이때, 수조로 냉각수를 공급하는 배관은 복수개의 배터리모듈 각각의 내부 공간으로 분지되는 공급 분지배관으로 형성될 수 있다.

따라서, 배터리팩이 전체적으로 냉각수에 의해 액침되는 구조에서, 방열부로부터 공급되는 차가운 냉각수가 공급 분지배관을 통해 복수개의 배터리모듈 각각의 내부 공간으로 직접적으로 공급되도록하여, 배터리의 냉각 효율을 최대화할 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 에너지 저장장치에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.

첫째,　냉각수에 의해 액침된 배터리팩의 배터리모듈 내부 공간으로 직접 저온의 냉각수를 공급하거나, 수조의 토출수의 온도를 정밀하게 조절함으로써 더욱 정밀하게 배터리팩의 온도를 관리할 수 있는 에너지 저장장치를 제공할 수 있다.

둘째, 배터리가 과냉된 경우 전력변화기를 포함하는 발열부의 폐열을 배터리로 공급하여 배터리를 예열할 수 있는 에너지 저장장치를 제공할 수 있다.

셋째, 방열부의 방열 용량 및/또는 발열부의 발열량을 정밀하게 조절하여 온도 관리의 정밀성을 현저히 향상시킬 수 있는 에너지 저장장치를 제공할 수 있다.

넷째, 수냉식 냉각수단을 구비하더라도 소비 전력을 저감시켜 경제적인 에너지 저장장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 배관도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 배터리 단독 냉각모드에서의 유동흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 전력변환기 단독 냉각모드 및 배터리 냉각 바이패스모드에서의 유동흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 정상 운전모드에서의 유동흐름도이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 배터리 예열모드에서의 유동흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 제어흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치의 제어부의 연결관계도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 배관이 분지되거나 합지되는 곳에는 도면상 별도로 도시가 되어 있지 않았더라도, Y자 분지 배관이 배치될 수 있음은 당연하다.

이하 서술에 있어, 특정 구성으로 냉각수를 공급하거나 특정 구성으로부터 냉각수를 토출시킨다고 함은, 열교환에 관한 별도 구성에 대한 서술이 없더라도, 수냉식으로 특정 구성을 냉각수와 열교환시키기 위한 구조가 마련되어 있음을 전제로 하는 것은 당연하다. 특정 구성을 수냉식으로 열교환시키기 위한 구조는 일반적 기술사항으로서, 이에 관한 설명은 생략하도록 한다.

이하, 예를 들어, 도번 '2'가 도번 '2a' 및/또는 도번 '2b'를 포함하는 의미일 수 있음은 당연하다.

본 발명에 따른 에너지 저장장치(1)는 수조(2), 수조(2) 내 냉각수에 의해 액침되는 배터리팩(4), 냉각수펌프(62), 냉각수와 열교환되는 전력변환기(20a)를 포함하는 발열부(20), 냉각수를 외부 공기와 열교환시키는 방열부(10)를 포함한다. 이하 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치(1)의 구조에 대해 설명한다.

외부하우징(3)은 내부 공간을 형성하여, 내부에 방열부(10), 발열부(20), 수조(2), 및 배터리팩(4)을 수용할 수 있다. 외부하우징(3)은 방열부(10), 발열부(20), 수조(2), 및 배터리팩(4)을 수용하면서도 공간 효율성을 향상시키기에 적합한 형태로 변형될 수도 있다.

예를 들어, 외부하우징(3)은 직육면체 형상일 수 있다. 외부하우징(3)의 내부 공간은 막 구조물에 의해 상부 공간과 하부 공간으로 구획될 수 있다. 외부하우징(3)의 하부 공간은 후술할 수조(2)로 이해될 수도 있다. 외부하우징(3)의 하부 공간에는 배터리팩(4)이 수용될 수 있다. 외부하우징(3)의 상부 공간에는 발열부(20) 및 방열부(10)가 수용될 수 있다.

수조(2)는 내부에 냉각수가 채워진다. 수조(2)는 내부가 중공으로 형성될 수 있다. 수조(2)는 냉각수가 유출입되는 유입구와 토출구를 구비할 수 있다. 수조(2)는 에너지 저장장치(1)의 하우징, 예를 들어, 외부하우징(3)의 내부에 배치될 수 있다.

수조(2)는 후술할 제1 배관(30)(제1 배관(30)의 공급 분지배관(30a))에 의해 냉각수를 공급받을 수 있다. 수조(2)의 내부 공간은 냉각수로 액침되는 액침영역(2a)을 포함할 수 있다. 액침영역(2a)을 제외한 수조(2) 내부 공간의 나머지 영역을 비액침영역(2b)(2a)으로 지칭할 수도 있다. 별도의 비액침영역(2b)(2a)이 없도록, 수조(2) 내부 공간을 냉각수로 가득 체울수도 있음은 당연하다. 수조(2)는 후술할 토출 배관(하부 토출배관(40ab), 상부 토출배관(40aa))을 통해 냉각수를 토출할 수 있다.

배터리셀(6)(Battery Cell)은 전기에너지를 충방전해 사용할 수 있는 배터리의 기본 단위로서, 양극 및 음극 등을 포함할 수 있다. 복수개의 배터리셀(6)은 단수개의 배터리모듈(eg. 5a, 5b, 5c, 5d)을 구성할 수 있다. 배터리모듈(eg. 5a, 5b, 5c, 5d)(Battery Module)은 복수개의 배터리셀(6)을 외부 충격과 진동, 열 등으로부터 보호하기 위하여 일정한 개수로 묶어 프레임에 넣은 배터리 조립체(Assembly)일 수 있다. 이하 배터리모듈(eg. 5a, 5b, 5c, 5d)의 프레임을 모듈프레임(eg. 5aa, 5ba, 5ca, 5da)으로 지칭할 수 있다. 단수개의 모듈프레임(eg. 5aa, 5ba, 5ca, 5da) 내부에는 복수개의 배터리셀(6)이 포함될 수 있다. 모듈프레임(eg. 5aa, 5ba, 5ca, 5da)은 내부에 냉각수가 유동하는 공간을 형성할 수 있다. 복수개의 배터리모듈(eg. 5a, 5b, 5c, 5d)은 단수개의 배터리팩(4)을 구성할 수 있다. 예를 들어, 제1 배터리모듈(5a), 제2 배터리모듈(5b), 제3 배터리모듈(5c), 및 제4 배터리모듈(5d)이 단수개의 배터리팩(4)을 구성할 수 있다.

배터리팩(4)(Battery Pack)은 에너지 저장장치(1)에 장착되는 배터리 시스템의 최종형태를 지칭할 수 있다. 배터리팩(4)은 복수개의 배터리모듈(eg. 5a, 5b, 5c, 5d)(Battery Module)에 BMS(Battery Management System), 및 각종 제어 보호 시스템을 장착한 형태를 의미할 수 있다.

배터리팩(4)의 크기는 배터리셀(6) 및/또는 배터리모듈(eg. 5a, 5b, 5c, 5d)의 갯수 내지 용량에 따라 유동적으로 변경될 수 있다. 배터리팩(4)의 형태는 복수개의 배터리셀(6) 및/또는 복수개의 배터리모듈(eg. 5a, 5b, 5c, 5d)을 적층하는 방식에 따라 변형될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따를 때, 수조(2)의 제한된 내부 공간에서 배터리팩(4)이 효과적으로 액침되도록, 배터리팩(4)은 수조(2)의 내부 공간의 형상에 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 수조(2)가 상하로 길게 형성된 직육면체 형상일 경우, 배터리팩(4) 또한 상하로 길게 형성된 직육면체 형상일 수 있다. 이때, 제1 내지 제4 배터리모듈(5a, 5b, 5c, 5d)은 하측으로부터 상측으로 적층될 수 있다.

배터리팩(4)은 수조(2) 내부에 배치된다. 배터리팩(4)은 냉각수에 의해 액침된다. 즉, 배터리팩(4)은 수조(2) 내 액침영역(2a)에 잠길 수 있다. 배터리팩(4)은 수조(2)에 고정될 수 있다. 배터리팩(4)은, 하중을 안정적으로 지탱하기 위하여 수조(2)의 바닥면에 고정될 수도 있다.

배터리팩(4)이 냉각수에 의해 액침됨으로써, 냉각수와의 열교환율을 현저히 상승시키고, 냉각수의 온도 관리를 통하여 배터리팩(4)의 온도를 관리할 수 있게하여 에너지 저장장치(1)의 성능을 향상시킬 수 있다.

한편, 배터리모듈(eg. 5a, 5b, 5c, 5d)의 프레임(즉, 모듈프레임(eg. 5aa, 5ba, 5ca, 5da))은 냉각수가 배터리모듈(eg. 5a, 5b, 5c, 5d)의 내부 공간과 수조(2)의 내부 공간 사이를 유동할 수 있는 다공성 격막(미도시)을 포함할 수 있다. 모듈프레임(eg. 5aa, 5ba, 5ca, 5da)은 적어도 일면에 다공성 격막(미도시)을 구비할 수 있다. 모듈프레임(eg. 5aa, 5ba, 5ca, 5da) 내부로 유입된 냉각수는 다공성 격막(미도시)을 통해 배터리모듈(eg. 5a, 5b, 5c, 5d)로부터 토출될 수 있다.

냉각수펌프(62)는 배관을 통해 냉각수가 유동하도록 냉각수를 가압한다. 냉각수펌프(62)는 에너지 저장장치(1) 전체에 있어서 냉각수의 압력 손실을 최소화할 수 있는 적절한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 냉각수펌프(62)는 후술할 제2 배관(40)에 배치될 수 있다.

발열부(20)는, 냉각수를 가열할 수 있다. 발열부(20)는 에너지 저장장치(1)를 구성하는 부위 중 에너지 저장장치(1)의 작동에 따라 발열하는 부위를 포함할 수 있다. 예를 들어, 발열부(20)는 전력변환기(20a)를 포함한다.

전력변환기(20a)(PCS, Power Conversion System)는, 배터리팩(4)의 충방전을 위해 전기의 특성(예를 들어, 주파수, 전압, 직교류 여부 등)을 변환한다. 전력변환기(20a)는 전기의 특성을 변환하는 과정에서 발열할 수 있다. 전력변환기(20a)는 냉각수와 열교환된다. 즉, 전력변환기(20a)와 열교환되는 냉각수는 가열될 수 있다.

전력변환기(20a)는 전기의 특성을 변환하는 기능 외에도, 에너지 저장장치(1)의 감시 및 제어, 독립 운전기능, 계통연계 보호 기능 등을 수행할 수도 있다. 이 외 전력변환기(20a)에 관한 자세한 서술은 생략하도록 한다.

발열부(20)는, 전력변환기(20a) 외에도, 에너지 저장장치(1) 내 구비되는 다양한 발열 인자를 포함하는 개념일 수 있다. 예를 들어, 발열부(20)는, 전류의 급격한 변화를 안정화시키는 리액터를 더 포함할 수 있다. 리액터는, 냉각수와 열교환될 수 있다. 리액터는 역률 개선, 고조파 전류의 억제, 직류 전류의 평활화 등에 사용되는 수동소자일 수 있다. 다량의 전류를 취급할 수록 리액터는 쉽게 발열될 수 있다.

리액터는 복수개로 구비될 수 있다. 예를 들어, 리액터는 제1 리액터(20b) 및 제2 리액터(20c)를 포함할 수 있다. 복수개의 리액터는 서로 병렬로 연결될 수 있다. 리액터와 전력변환기(20a)는 병렬로 연결될 수 있다. 그러나 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되어야 하는 것은 아니며, 복수개의 리액터 또는 리액터와 전력변환기(20a)가 직렬로 연결되더라도 무방할 수 있다.

이와 같이 발열부(20)를 구성함으로서, 에너지 저장장치(1)의 폐열을 냉각수 가열에 활용하도록하여 에너지 저장장치(1)의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, PCS뿐만 아니라 리액터 또한 발열부(20)로 활용하여, PCS와 함께 리액터의 발열을 관리하여 에너지 저장장치(1)의 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 배터리 예열모드에서 발열 인자를 추가함으로써 배터리의 예열 속도를 향상시킬 수 있다.

방열부(10)는 냉각수를 냉각할 수 있다. 방열부(10)는 냉각수를 외부 공기와 열교환시킨다.

이때, 외부 공기라함은 에너지 저장장치(1)를 기준으로 에너지 저장장치(1)의 내부가 아닌 외부에 존재하는 공기를 지칭한다. 예를 들어, 에너지 저장장치(1)가 실내에 설치될 경우, 외부 공기란 해당 실내 공기를 의미할 수 있다.

방열부(10)는 당업자가 도출할 수 있는 다양한 방열 수단으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 방열부(10)는 냉각수가 유동하는 라디에이터(10a)와, 라디에이터(10a) 주위로 외부 공기를 유동시키는 방열팬(10b)을 포함할 수 있다. 이때, 제어부(68)는 필요한 방열량을 고려하여 팬의 회전수를 조절할 수 있다.

방열부(10)는 외부 공기의 유동을 원활히하기 위하여 별도의 방열 통로(10c)를 더 구비할 수 있다. 예를 들어, 외부하우징(3)의 모서리단에 양단이 외부와 연통되는 유선형의 방열 통로(10c)를 구비하고, 방열 통로(10c)에 라디에이터(10a)와 방열팬(10b)을 배치할 수 있다.

상술한 방열부(10), 배터리, 발열부(20)는 상호간의 직병렬 여부를 달리하여 연결될 수 있고, 각각의 갯수를 달리하여 에너지 저장장치(1)를 구성할 수도 있다. 허나 본 서술의 편의상, 이하 방열부(10), 배터리, 발열부(20)가 각각 단수개로 구비되고, 방열부(10), 배터리, 발열부(20)가 순차적으로 직렬로 연결되는 경우를 예시로 서술하도록 한다.

제1 배관(30)을 통해 방열부(10)로부터 수조(2)로 냉각수가 유동할 수 있다. 제1 배관(30)은 방열부(10)와 수조(2)를 연결할 수 있다.

제1 배관(30)은 수조(2)와 연결되는 부위가 복수개의 배터리모듈(eg. 5a, 5b, 5c, 5d) 각각의 내부 공간으로 분지되는 공급 분지배관(30a)으로 형성될 수 있다. 제1 배관(30)의 공급 분지배관(30a)은 복수개의 배터리모듈(eg. 5a, 5b, 5c, 5d) 각각의 내부 공간으로 방열부(10)로부터 토출된 냉각수를 직접적으로 공급할 수 있다.

배터리팩(4)이 전체적으로 냉각수에 의해 액침되는 구조에서, 방열부(10)로부터 공급되는 차가운 냉각수가 공급 분지배관(30a)을 통해 복수개의 배터리모듈(eg. 5a, 5b, 5c, 5d) 각각의 내부 공간으로 직접적으로 공급된 뒤 다공성 격막(미도시)을 통해 수조(2)의 내부 공간으로 토출되도록하여, 배터리의 냉각 효율을 최대화할 수 있다.

이와 달리, 별도의 분지배관 없이 수조(2) 내부 공간으로 냉각수를 곧바로 토출하도록 형성될 수도 있음은 당연하다.

제2 배관(40)을 통해 수조(2)로부터 발열부(20)로 냉각수가 유동할 수 있다. 제2 배관(40)은 수조(2)와 발열부(20)를 연결할 수 있다. 제2 배관(40) 중 수조(2)와 연결되는 부위는 후술하는 하부 토출배관(40ab)과 상부 토출배관(40aa)이 분지된 형태일 수 있다.

수조(2)의 냉각수를 토출하는 토출 배관은, 액침영역(2a)의 하부와 연통되는 하부 토출배관(40ab)과, 액침영역(2a)의 상부와 연통되는 상부 토출배관(40aa)을 포함할 수 있다. 하부 토출배관(40ab)은 액침영역(2a)의 하부에 저장되는 냉각수를 수조(2)의 외부로 토출할 수 있다. 상부 토출배관(40aa)은 액침영역(2a)의 상부에 저장되는 냉각수를 수조(2)의 외부로 토출할 수 있다. 하부 토출배관(40ab) 및 상부 토출배관(40aa)은 제2 배관(40)의 일부로 이해될 수 있다.

수조(2) 내부 공간에 저장되는 냉각수는 온도차에 따른 밀도차에 의하여 액침영역(2a)의 상하부로 분리될 수 있다. 액침영역(2a)의 하부에는 주로 상대적으로 저온인 냉각수가 위치할 수 있고, 액침영역(2a)의 상부에는 주로 상대적으로 고온인 냉각수가 위치할 수 있다. 따라서, 하부 토출배관(40ab)을 통해 토출되는 냉각수는 상대적으로 저온인 냉각수일 수 있고, 상부 토출배관(40aa)을 통해 토출되는 냉각수는 상대적으로 고온인 냉각수일 수 있다. 이러한 토출 배관을 전제로, 후술할 토출 삼방밸브(42)의 제어를 통해 수조(2)로부터 토출되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.

제2 배관(40) 중 발열부(20)와 연결되는 부위는 발열부(20)를 구성하는 복수개의 발열 소자(예를 들어, 전력변환기(20a), 제1 리액터(20b), 및/또는 제2 리액터(20c)) 각각으로 분지되는 공급 분지배관(40b)으로 형성될 수 있다. 제2 배관(40)의 공급 분지배관(40b)은 복수개의 발열 소자 각각으로 수조(2)로부터 토출된 냉각수를 공급할 수 있다.

제3 배관(50)을 통해 발열부(20)로부터 방열부(10)로 냉각수가 유동할 수 있다. 제3 배관(50)은 발열부(20)와 방열부(10)를 연결할 수 있다.

제3 배관(50) 중 발열부(20)와 연결되는 부위는 발열부(20)를 구성하는 복수개의 발열 소자(예를 들어, 전력변환기(20a), 제1 리액터(20b), 및/또는 제2 리액터(20c)) 각각으로 분지되는 토출 분지배관(50a)으로 형성될 수 있다. 제3 배관(50)의 토출 분지배관(50a)은 복수개의 발열 소자 각각으로부터 냉각수를 토출시킬 수 있다.

방열 바이패스배관(52)은 제3 배관(50)으로부터 분지되어 제1 배관(30)으로 합지될 수 있다. 발열부(20)로부터 토출되어 제3 배관(50)을 유동하는 냉각수는 방열 바이패스배관(52)을 통해 방열부(10)를 바이패스하여 곧바로 제1 배관(30)으로 공급될 수 있다.

방열 삼방밸브(54)는 제3 배관(50) 중 방열 바이패스배관(52)이 분지되는 부위에 배치될 수 있다. 방열 삼방밸브(54)는 방열 바이패스배관(52)측으로 개도되거나 방열부(10)측으로 개도될 수 있다. 방열 삼방밸브(54)가 방열부(10)측으로 개도될 경우, 방열 바이패스배관(52)은 폐쇄되고, 제3 배관(50)을 통해 방열 삼방밸브(54)로 유입된 냉각수는 방열부(10)로 유동할 수 있다. 방열 삼방밸브(54)가 방열 바이패스배관(52) 측으로 개도될 경우, 제3 배관(50) 중 방열 삼방밸브(54)와 방열부(10)를 연결하는 부위는 폐쇄되고, 제3 배관(50)을 통해 방열 삼방밸브(54)로 유입된 냉각수는 방열부(10)를 바이패스하여 곧바로 제1 배관(30)으로 유동할 수 있다.

배터리 바이패스배관(32)는 제1 배관(30)으로부터 분지되어 제2 배관(40)으로 합지될 수 있다. 방열부(10)로부터 토출되어 제1 배관(30)을 유동하는 냉각수는 배터리 바이패스배관(32)을 통해 수조(2)(내지 배터리팩(4))을 바이패스하여 곧바로 제2 배관(40)으로 공급될 수 있다.

배터리 삼방밸브(34)는 제1 배관(30) 중 배터리 바이패스배관(32)이 분지되는 부위에 배치될 수 있다. 배터리 삼방밸브(34)는 배터리 바이패스배관(32)측으로 개도되거나 수조(2)(내지 배터리팩(4). 이하 동일.)측으로 개도될 수 있다. 배터리 삼방밸브(34)가 수조(2)측으로 개도될 경우, 배터리 바이패스배관(32)은 폐쇄되고, 제1 배관(30)을 통해 배터리 삼방밸브(34)로 유입된 냉각수는 수조(2)로 유동할 수 있다. 배터리 삼방밸브(34)가 배터리 바이패스배관(32) 측으로 개도될 경우, 제1 배관(30) 중 배터리 삼방밸브(34)와 수조(2)를 연결하는 부위는 폐쇄되고, 제1 배관(30)을 통해 배터리 삼방밸브(34)로 유입된 냉각수는 수조(2)를 바이패스하여 곧바로 제2 배관(40)으로 유동할 수 있다.

발열 바이패스배관(44)는 제2 배관(40)으로부터 분지되어 제3 배관(50)으로 합지될 수 있다. 수조(2)로부터 토출되어 제2 배관(40)을 유동하는 냉각수는 발열 바이패스배관(44)을 통해 발열부(20)를 바이패스하여 곧바로 제3 배관(50)으로 공급될 수 있다.

발열 삼방밸브(46)는 제2 배관(40) 중 발열 바이패스배관(44)이 분지되는 부위에 배치될 수 있다. 발열 삼방밸브(46)는 발열 바이패스배관(44)측으로 개도되거나 발열부(20)측으로 개도될 수 있다. 발열 삼방밸브(46)가 발열부(20)측으로 개도될 경우, 발열 바이패스배관(44)은 폐쇄되고, 제2배관을 통해 발열 삼방밸브(46)로 유입된 냉각수는 발열부(20)로 유동할 수 있다. 발열 삼방밸브(46)가 발열 바이패스배관(44) 측으로 개도될 경우, 제2배관 중 발열 삼방밸브(46)와 발열부(20)를 연결하는 부위는 폐쇄되고, 제2배관을 통해 방열 삼방밸브(54)로 유입된 냉각수는 발열부(20)를 바이패스하여 곧바로 제3배관으로 유동할 수 있다.

토출 삼방밸브(42)는 제2 배관(40) 중 하부 토출배관(40ab) 및 상부 토출배관(40aa)이 분지되는 부위에 배치될 수 있다. 토출 삼방밸브(42)는 하부 토출배관(40ab)측 개도량과 상부 토출배관(40aa)측 개도량을 서로 상반되게 조절할 수 있다. 예를 들어, 토출 삼방밸브(42)가 하부 토출배관(40ab)측으로 30% 개도된 경우, 토출 삼방밸브(42)는 상부 토출배관(40aa)측으로 70% 개도될 수 있다. 토출 삼방밸브(42)의 하부 토출배관(40ab)측 개도량 및 상부 토출배관(40aa)측 개도량을 적절히 조절함으로써, 수조(2)로부터 토출되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.

한편, 도시된 바와 달리, 배터리 바이패스배관(32)이 토출 삼방밸브(42)에 직접 연결되고, 하부 토출배관(40ab)과 상부 토출배관(40aa) 각각이 토출 삼방밸브(42)에 직접 연결되어, 토출 삼방밸브(42)가 사방밸브로 구성되어도 무방함은 당연하다. 그러나, 바람직하게는, 배관을 간소화하기 위하여는 도시된 바와 같이, 배터리 바이패스배관(32)이 상부 토출배관(40aa)에 합지되고, 토출 삼방밸브(42)에는 하부 토출배관(40ab) 및 상부 토출배관(40aa)이 각각 연결될 수 있다.

제어부(68)는 에너지 저장장치(1)에 구비되는 센서(예를 들어, 냉각수 온도센서(60), 전력변환기 온도센서(64), 및/또는 배터리 온도센서(66))들과 전기적으로 연결되어 정보를 송신받거나, 구성들(삼방밸브, 방열팬(10b), 전력변환기(20a), 및/또는 냉각수펌프(62))의 동작을 제어할 수 있다.

냉각수 온도센서(60)는 배관을 유동하는 냉각수의 온도를 감지할 수 있다. 예를 들어, 냉각수 온도센서(60)는, 제2 배관(40)에 배치되는 제1 온도센서(60a)와 제3 배관(50)에 배치되는 제2 온도센서(60b)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 온도센서(60a)가 감지한 온도값과 제2 온도센서(60b)가 감지한 온도값은 제어부(68)로 송신된 뒤, 제어부(68)에 의해 계산되는 두 온도값의 산술평균이 냉각수의 온도로 치부될 수 있다.

전력변환기 온도센서(64)는 전력변환기(20a)의 온도를 감지할 수 있다. 예를 들어, 전력변환기 온도센서(64)는 전력변환기(20a)에 내장될 수 있다.

배터리 온도센서(66)는 배터리팩(4)의 온도를 감지할 수 있다. 예를 들어, 배터리 온도센서(66)는 배터리팩(4)에 내장되는 BMS(Battery Management System)의 일부일 수 있다.

이하 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장장치(1)의 제어방법에 대해 설명한다.

이하, 별도의 설명이 없더라도, 냉각수의 온도는 냉각수가 유동하는 부위에 배치되는 냉각수 온도센서(60)에 의해 감지되어 제어부(68)로 송신된 값임을 전제로 서술한다.

이하, 별도의 설명이 없더라도, 에너지 저장장치(1)의 운전자는 냉각수의 온도를 관리함으로써 배터리팩(4)의 온도를 관리할 수 있음을 전제로 서술한다. 수조(2) 내 냉각수에 의해 액침된 상태가 유지되는 배터리팩(4)은 일반적으로 냉각수와 온도가 같거나 유사한 것으로 이해될 수 있기 때문이다.

에너지 저장장치(1)는 열관리 운전 모드에 진입할 수 있다. (S1) 에너지 저장장치(1)는, 열관리 운전 모드를 통해 냉각수, 배터리팩(4), 및/또는 발열부(20)의 온도를 관리할 수 있다. 열관리 운전 모드에 진입하면, 제어부(68)는 상술한 냉각수 온도센서(60) 및 전력변환기 온도센서(64)로부터 온도를 송신할 수 있다.

열관리 운전 모드에 진입하면, 제어부(68)는 전력변환기(20a)의 온도가 소정의 과열 온도 미만인지 판단한다. (S21) 전력변환기(20a)는 배터리의 충방전을 위해 전류의 특성을 변환하면서 쉽게 발열할 수 있다. 전력변환기(20a)의 주요 소자가 발열로 인해 성능이 저하되거나 고장날 경우 에너지 저장장치(1) 성능 전반에 치명적인 영향을 줄 수 있으므로, 열관리 운전 모드에서 제어부(68)는 전력변환기(20a)의 과열 여부를 우선적으로 판단할 수 있다.

이때, 소정의 과열 온도란, 전력변환기(20a)의 성능이 저하되거나, 내장된 부품의 고장이 우려되는 정도의 온도로서, 실험에 의해 미리 설정되어 제어부(68)에 저장된 온도값일 수 있다.

전력변환기(20a)의 온도가 과열 온도 이상이면, 에너지 저장장치(1)는 전력변환기(20a) 단독 냉각모드를 실행할 수 있다. (S35) 전력변환기(20a) 단독 냉각모드란, 과열 상태의 전력변환기(20a)를 단독으로 냉각하는 모드일 수 있다.

전력변환기(20a) 단독 냉각모드에서는, 방열팬(10b)을 작동시키고, 방열팬(10b)의 회전수를 최대 회전수로 제어하여 방열량을 최대로 설정할 수 있다. 이에 따라, 과열 상태의 전력변환기(20a)를 신속하게 정상 온도로 냉각시킬 수 있다.

전력변환기(20a) 단독 냉각모드에서는, 배터리 삼방밸브(34)를 배터리 바이패스배관(32)측으로 절환할 수 있다. 전력변환기(20a) 단독 냉각모드에서는, 토출 삼방밸브(42)를 상부 토출배관(40aa)측으로 절환할 수 있다. 전력변환기(20a) 단독 냉각모드에서는, 발열 삼방밸브(46)를 발열부(20)측으로 절환할 수 있다. 또한, 전력변환기(20a) 단독 냉각모드에서는, 방열 삼방밸브(54)를 방열부(10)측으로 절환할 수 있다.

제2 배관(40)을 유동하는 냉각수는 발열부(20)로 공급되어 발열부(20)의 열을 흡수할 수 있다. 발열부(20)의 열을 흡수한 냉각수는 제3 배관(50)을 통해 방열부(10)로 공급되어 열을 배출할 수 있다. 방열부(10)에서 방열된 냉각수는 제1 배관(30) 및 배터리 바이패스배관(32)을 통해 수조(2)(내지 배터리)를 바이패스하고 곧바로 제2 배관(40)으로 유동할 수 있다.

이와 같이, 냉각수가 배터리를 바이패스하도록 함으로써 필요에 따라 방열부(10)의 방열 용량을 발열부(20)에 집중시킴으로써, 에너지 저장장치(1)의 전력변환기(20a)의 주요 소자가 발열로 인해 성능이 저하되거나 고장나는 것을 예방하여 에너지 저장장치(1)의 내구성을 향상시킬 수 있다.

전력변환기(20a)의 온도가 소정의 과열 온도 미만이면, 제어부(68)는 냉각수의 온도가 소정의 적정 온도 범위 내에 있는지 판단할 수 있다. (S22)

이때, 소정의 적정 온도 범위란, 적정 하한 온도를 하한값으로 하고 적정 상한 온도를 상한값으로하는 온도 범위로서, 실험에 의해 미리 설정되어 제어부(68)에 저장된 범위값일 수 있다. 소정의 적정 온도 범위란, 배터리의 SoC(%)와 온도(°C)에 따라 배터리의 성능값(Battery Power)을 대응시켜놓은 테이블(이하, 편의상 '배터리 파워 테이블'로 지칭할 수 있다.)에서, 현재 배터리의 SoC(%)에 따라 배터리가 최대의 성능값을 갖는 온도(°C) 범위를 의미할 수 있다. 예를 들어, 충전시를 기준으로, 배터리의 SoC(%)가 8% 내지 65%일 경우, 배터리의 성능값은 0°C 내지 44°C 범위에서 최대값을 갖을 수 있다. 예를 들어, 방전시를 기준으로, 배터리의 SoC(%)가 45% 내지 100% 일 경우, 배터리의 성능값은 10°C 내지 54°C 범위에서 최대값을 갖을 수 있다. 이때, 적정 온도 범위 설정의 전제가 되는 배터리 파워 테이블은 에너지 저장장치(1)의 환경 조건, 배터리 종류 및 성능 등에 따라 달라질 수 있음은 당연하다.

냉각수의 온도가 소정의 적정 온도 범위 미만이면, 제어부(68)는 냉각수의 온도가 소정의 과냉 온도 미만인지 판단할 수 있다. (S23)

냉각수의 과냉 온도란, 상술한 배터리 파워 테이블에서 배터리의 충방전이 불가능하거나 불가능에 가까울 정도로 배터리의 성능이 저하되는 낮은 온도 범위의 상한값으로서, 제어부(68)에 미리 설정되어 저장된 값일 수 있다.

일반적으로 외기 온도가 영하로 낮아지는 겨울철에 배터리가 상당 기간 충방전되지 않을 경우 냉각수(내지 배터리)의 온도는 과냉 온도 미만으로 떨어질 수 있다. 이 경우, 배터리의 충방전에 의한 발열만으로 배터리가 적정 온도 범위까지 도달하는 것은 어렵거나 극히 비효율적이므로, 에너지 저장장치(1)의 신속한 정상화를 위하여 임의로 냉각수(내지 배터리)의 온도를 상승시킬 필요가 있다.

냉각수의 온도가 소정의 과냉 온도 미만이면, 에너지 저장장치(1)는 배터리 예열모드를 실행할 수 있다. (S33) 배터리 예열모드란, 방열부(10)를 폐쇄하고, 발열부(20)를 임의로 작동하여 냉각수 내지 배터리의 온도를 예열하는 모드일 수 있다.

배터리 예열모드에서, 제어부(68)는 발열부(20)(전력변환기(20a) 등)에 임의로 전류을 인가할 수 있다. 즉, 배터리가 충방전 중이 아닐 경우라도, 임의로 발열부(20)(전력변환기(20a) 등)에 전력을 인가하여 발열부(20)가 발열하도록 할 수 있다. 이에 따라, 별도의 비상용 발열 수단을 추가로 구비하지 않고도 에너지 저장장치(1) 내 이미 구비된 발열부(20)를 활용하여 배터리를 예열할 수 있다.

배터리 예열모드에서, 제어부(68)는 배터리 삼방밸브(34)를 수조(2)(내지 배터리)측으로 절환할 수 있다. 배터리 예열모드에서, 제어부(68)는 발열 삼방밸브(46)를 발열부(20)측으로 절환할 수 있다. 배터리 예열모드에서, 제어부(68)는 방열 삼방밸브(54)를 방열 바이패스배관(52)측으로 절환할 수 있다.

제2 배관(40)을 유동하는 냉각수는 발열부(20)로 공급되어 발열부(20)의 열을 흡수할 수 있다. 발열부(20)의 열을 흡수한 냉각수는 제3 배관(50)을 유동할 수 있다. 제3 배관(50)을 유동하는 냉각수는 방열부(10)를 바이패스하고 방열 바이패스배관(52)을 통해 곧바로 제1 배관(30)으로 유동할 수 있다. 제1 배관(30)을 유동하는 냉각수는 수조(2)(내지 배터리팩(4))로 공급되어 수조(2)(내지 배터리팩(4))을 예열한 뒤 제2 배관(40)으로 토출될 수 있다.

따라서, 발열부(20)를 임의로 발열시키고 방열부(10)를 폐쇄하여 수조(2)(내지 배터리)를 가열함으로써, 배터리 사용(즉, 배터리의 충방전)이 예약된 경우 사용에 앞서 미리 배터리를 예열시켜 배터리 사용 초기부터 배터리의 성능이 최대로 발휘되도록 할 수 있으며, 또한, 겨울철 등 환경 조건에 의해 냉각수(내지 배터리)가 과냉되어 배터리의 정상적인 작동이 어려운 경우라도 신속하게 배터리 온도를 정상 수준으로 상승시켜 배터리의 정상 작동이 가능하도록 하여, 에너지 저장장치(1)의 성능 및 사용 편의성을 향상시킬 수 있다.

배터리 예열모드에서, 제어부(68)는 토출 삼방밸브(42)를 하부 토출배관(40ab)측으로 절환할 수 있다. 토출 삼방밸브(42)가 하부 토출배관(40ab)측으로 절환됨에 따라, 수조(2) 내 액침영역(2a)의 하부에 존재하는 상대적으로 저온인 냉각수가 수조(2)로부터 토출될 수 있다. 이에 따라, 수조(2)로부터 토출되어 제2 배관(40)을 통해 발열부(20)로 유동된 냉각수는, 발열부(20)와의 큰 온도차에 의해 더욱 효과적으로 가열될 수 있다.

한편, 배터리 예열모드에서, 제어부(68)는 방열팬(10b)을 정지시킬 수 있다. 이에 따라, 에너지 저장장치(1)의 불필요한 전력 소모를 방지할 수 있다.

냉각수(내지 배터리)의 온도가 적정 온도 범위보다 낮을 지라도, 배터리의 충방전 성능이 일정 수준 보장되는 온도 수준으로 판단될 경우, 배터리의 충방전에 따른 자체적인 발열량을 감안하여 상술한 배터리 예열모드가 아닌, 이하의 배터리 냉각 바이패스모드를 실행할 수도 있다.

냉각수의 온도가 소정의 과냉 온도 이상이면서 소정의 적정 하한 온도 미만이면 에너지 저장장치(1)는 배터리 냉각 바이패스모드를 실행할 수 있다. (S34) 배터리 냉각 바이패스모드란, 냉각수가 수조(2)(내지 배터리)를 바이패스하도록하여 배터리가 냉각되지 않도록하면서 배터리의 자체 발열을 활용하여 배터리를 적정 온도 범위까지 가열시키는 모드일 수 있다.

배터리 냉각 바이패스모드에서 제어부(68)는 방열팬(10b)의 회전수를 발열부(20)의 발열량에 대응시켜 적절하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 배터리의 발열량에 비해 일반적으로 적은 발열부(20)의 발열량에 대응하는 수준으로만 방열부(10)의 방열 용량을 설정함으로써, 소비 전력을 절감하고 발열부(20)가 과도하게 냉각되는 것을 방지할 수 있다.

배터리 냉각 바이패스모드에서 제어부(68)는 배터리 삼방밸브(34)를 배터리 바이패스측으로 절환할 수 있다. 배터리 냉각 바이패스모드에서 제어부(68)는 발열 삼방밸브(46)를 발열부(20)측으로 절환할 수 있다. 배터리 냉각 바이패스모드에서 제어부(68)는 방열 삼방밸브(54)를 방열부(10)측으로 절환할 수 있다.

방열부(10)로부터 냉각된 뒤 토출된 냉각수는 제1 배관(30)을 유동할 수 있다. 제1 배관(30)을 유동하는 냉각수는 배터리 바이패스배관(32)을 통해 수조(2)(내지 배터리)를 바이패스하고 곧바로 제2 배관(40)으로 유동될 수 있다. 제2 배관(40)을 유동하는 냉각수는 발열부(20)로 공급되어 발열부(20)의 열을 흡수할 수 있다. 발열부(20)의 열을 흡수한 냉각수는 제3 배관(50)을 통해 방열부(10)로 공급될 수 있다.

따라서, 냉각수(내지 배터리)의 온도가 적정 온도 범위보다 낮더라도 배터리의 사용(충방전)이 일정 수준 가능한 경우라면, 무조건적으로 배터리 예열모드를 실행할 것이 아니고 냉각수가 수조(2)(내지 배터리)를 바이패스하도록 하여 배터리 자체의 발열량을 활용하여 배터리 온도가 적정 온도 범위에 도달하도록 함으로써, 배터리 예열모드의 빈번한 실행에 따라 에너지 저장장치(1)의 소비 전력이 비대화를 예방하고 발열부(20)에 임의로 전력이 빈번하게 가해짐에 따른 발열부(20) 소자의 수명 감소를 예방할 수 있다.

한편, 배터리 냉각 바이패스모드에서 제어부(68)는 토출 삼방밸브(42)를 상부 토출배관(40aa)측으로 절환할 수 있다. 이는, 도면에 도시된 배관 구조상 배터리 바이패스배관(32)을 활성화시키기 위한 조치이며, 수조(2)의 냉각수가 토출되는 것은 아닐 것이다.

한편, 배터리 냉각 바이패스모드는 배터리팩(4)에 내장된 배터리 온도센서(66)에 의해 감지되는 배터리의 온도가 적정 온도 범위의 하한값에 도달했을 때 종료될 수 있다.

에너지 저장장치(1)의 운전 조건, 사용 시간 등에 따라 배터리는 적정 온도 이상으로 과열될 수 있다. 배터리가 적정 온도 이상으로 과열되면 배터리의 충방전 성능이 저하될 수 있다.

냉각수의 온도가 소정의 적정 상한 온도 이상이면 에너지 저장장치(1)는 배터리 단독 냉각모드를 실행할 수 있다. (S32) 배터리 단독 냉각모드란, 냉각수가 발열부(20)를 바이패스하도록 하여 방열부(10)의 방열 용량을 배터리에 집중시켜 배터리를 신속히 적정 온도 범위까지 냉각시키는 모드일 수 있다. 이때, 소정의 적정 상한 온도는 상술한 바와 같을 수 있다.

배터리 단독 냉각모드에서 제어부(68)는 발열 삼방밸브(46)를 발열 바이패스배관(44)측으로 절환할 수 있다. 배터리 단독 냉각모드에서 제어부(68)는 배터리 삼방밸브(34)를 수조(2)(내지 배터리)측으로 절환할 수 있다. 배터리 단독 냉각모드에서 제어부(68)는 방열 삼방밸브(54)를 방열부(10)측으로 절환할 수 있다.

방열부(10)로부터 토출되어 제1 배관(30)을 유동하는 냉각수는 수조(2)(내지 배터리팩(4))으로 공급될 수 있다. 수조(2)(내지 배터리팩(4))으로 공급된 냉각수는 배터리팩(4)을 냉각시킬 수 있다. 수조(2)(내지 배터리팩(4))으로부터 토출된 냉각수는 제2 배관(40)을 유동할 수 있다. 제2 배관(40)을 유동하는 냉각수는 발열 바이패스배관(44)을 통해 발열부(20)를 바이패스하고 곧바로 제3 배관(50)으로 유동할 수 있다. 제3 배관(50)을 유동하는 냉각수는 방열부(10)로 공급되어 냉각될 수 있다.

따라서, 냉각수 온도(내지 배터리 온도)가 과열된 경우 냉각수가 발열부(20)를 바이패스하고 수조(2)(내지 배터리팩(4))만을 통과하도록 하여, 에너지 저장장치(1) 내 냉각 대상을 배터리로만 한정함으로써 냉각수 온도(내지 배터리 온도)를 적정 온도 범위까지 신속하게 낮추어 에너지 저장장치(1)의 성능을 향상시킬 수 있다.

배터리 단독 냉각모드에서 제어부(68)는 방열팬(10b)을 작동시키고, 방열팬(10b)의 회전수를 최대 회전수로 제어하여 방열량을 최대로 설정할 수 있다. 이에 따라, 냉각수(내지 배터리)를 신속하게 적정 온도 범위까지 냉각시킬 수 있다.

배터리 단독 냉각모드에서 제어부(68)는 토출 삼방밸브(42)를 상부 토출배관(40aa)측으로 조절할 수 있다. 토출 삼방밸브(42)가 상부 토출배관(40aa)측으로 절환됨에 따라, 수조(2) 내 액침영역(2a)의 상부에 존재하는 상대적으로 고온인 냉각수가 수조(2)로부터 토출될 수 있다. 이에 따라, 수조(2)로부터 토출되어 방열부(10)로 유동된 냉각수는, 외기와의 큰 온도차에 의해 더욱 효과적으로 냉각될 수 있다.

냉각수의 온도가 소정의 적정 하한 온도보다 크고 소정의 적정 상한 온도보다 작으면, 에너지 저장장치(1)는 정상 운전모드를 실행할 수 있다. (S31) 정상 운전모드는 배터리의 온도가 적정 온도 범위 내에서 유지되도록 수조(2) 내 토출 냉각수의 온도를 정밀하게 조절하는 모드일 수 있다.

정상 운전모드에서 제어부(68)는 방열팬(10b)의 회전수를 냉각수(내지 배터리)의 온도에 비례하여 조절할 수 있다. 이에 따라, 에너지 저장장치(1)는 방열 용량을 정밀하게 조절하여 냉각수(내지 배터리)의 온도가 적정 온도 범위 내에서 안정적으로 유지되도록 제어할 수 있다.

정상 운전모드에서 제어부(68)는 배터리 삼방밸브(34)를 수조(2)(내지 배터리)측으로 절환할 수 있다. 정상 운전모드에서 제어부(68)는 발열 삼방밸브(46)를 발열부(20)측으로 절환할 수 있다. 정상 운전모드에서 제어부(68)는 방열 삼방밸브(54)를 방열부(10)측으로 절환할 수 있다.

방열부(10)로부터 냉각된 뒤 토출된 냉각수는 제1 배관(30)을 통해 수조(2)(내지 배터리팩(4))로 공급될 수 있다. 수조(2)(내지 배터리팩(4))으로 공급된 냉각수는 배터리의 열을 흡수하고 수조(2)로부터 토출될 수 있다. 수조(2)로부터 토출된 냉각수는 제2 배관(40)을 통해 발열부(20)로 공급될 수 있다. 발열부(20)로 공급된 냉각수는 발열부(20)의 열을 흡수할 수 있다. 발열부(20)의 열을 흡수한 냉각수는 제3 배관(50)을 통해 방열부(10)로 공급될 수 있다.

정상 운전모드에서 제어부(68)는 토출 삼방밸브(42)의 하부 토출배관(40ab)측 개도량과 상부 토출배관(40aa)측 개도량을 서로 상반되게 제어할 수 있다. 구체적으로, 정상 운전모드에서 제어부(68)는, 냉각수의 온도가 적정 하한 온도에 가까울수록 토출 삼방밸브(42)의 하부 토출배관(40ab)측 개도량을 증가시키고, 냉각수의 온도가 적정 상한 온도에 가까울수록 토출 삼방밸브(42)의 상부 토출배관(40aa)측 개도량을 증가시킬 수 있다.

예를 들어, 충전시를 기준으로, 현재 배터리의 SoC(%)가 약 8%~65%일 경우, 현재 배터리의 온도가 0°C에 가까울수록 토출 삼방밸브(42)의 하부 토출배관(40ab)측 개도량을 증가시키고, 현재 배터리의 온도가 44°C에 가까울수록 토출 삼방밸브(42)의 상부 토출배관(40aa)측 개도량을 증가시킬 수 있다.

또는, 예를 들어, 방전시를 기준으로, 현재 배터리의 SoC(%)가 약 100%~45%일 경우, 현재 배터리의 온도가 10°C에 가까울수록 토출 삼방밸브(42)의 하부 토출배관(40ab)측 개도량을 증가시키고, 현재 배터리의 온도가 54°C에 가까울수록 토출 삼방밸브(42)의 상부 토출배관(40aa)측 개도량을 증가시킬 수 있다.

따라서, 액침된 냉각수의 상부와 하부 각각에 토출 배관을 연결하고 각 배관의 개도량을 필요에 따라 조절하여 수조(2)로부터 토출되는 냉각수의 온도를 정밀하게 제어함으로써 냉각수와 방열부(10)의 열교환량(내지 냉각수의 냉각 정도)를 정밀하게 제어하여, 배터리 온도를 적정 온도 범위 내로 안정적으로 유지하여 에너지 저장장치(1)의 성능을 향상시킬 수 있다.

상술한 S31, S32, S33, S34, S35 중 어느 하나의 단계를 실행한 뒤, 제어부(68)는 다시 S1 단계로 회귀할 수 있다. 단, S31, S32, S33, S34, S35 중 어느 하나의 단계가 실행된 뒤 소정의 회귀 지연 시간이 경과한 뒤에 S1 단계로 회귀하도록 할 수도 있다. 이때, 소정의 회귀 지연 시간이란, 에너지 저장장치(1)의 열관리 제어의 적절한 빈도 고려하여 설정될 수 있다. S1 단계로 회귀하면, 제어부(68)는 다시 전력변환기(20a)의 온도 및 냉각수의 온도 등을 송신할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 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.

Claims

내부에 냉각수가 채워지는 수조;
상기 수조 내부에 배치되고, 상기 냉각수에 의해 액침되고, 복수의 배터리셀을 포함하는 배터리팩;
배관을 통해 상기 냉각수가 유동하도록 상기 냉각수를 가압하는 냉각수펌프;
상기 냉각수와 열교환되고, 상기 배터리팩의 충방전을 위해 전기의 특성을 변환하는 전력변환기를 포함하는 발열부; 및
상기 냉각수를 외부 공기와 열교환시키는 방열부를 포함하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는,
상기 방열부로부터 상기 수조로 상기 냉각수가 유동하는 제1 배관;
상기 수조로부터 상기 발열부로 상기 냉각수가 유동하는 제2 배관; 및
상기 발열부로부터 상기 방열부로 상기 냉각수가 유동하는 제3 배관을 더 포함하는 에너지 저장장치.
제2항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는,
상기 제3 배관으로부터 분지되어 상기 제1 배관으로 합지되는 방열 바이패스배관; 및
상기 제3 배관 중 상기 방열 바이패스배관이 분지되는 부위에 배치되는 방열 삼방밸브를 더 포함하는 에너지 저장장치.
제3항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는,
상기 냉각수의 온도가 소정의 과냉 온도 미만이면 상기 방열 삼방밸브를 상기 방열 바이패스배관측으로 절환하고, 상기 냉각수의 온도가 상기 과냉 온도 이상이면 상기 방열 삼방밸브를 상기 방열부측으로 절환하는 제어부를 더 포함하는 에너지 저장장치.
제4항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 냉각수의 온도가 상기 과냉 온도 미만이면 상기 전력변환기에 임의로 전류를 인가하여 상기 전력변환기가 발열하도록 하는 제어부인 에너지 저장장치.
제2항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는,
상기 제1 배관으로부터 분지되어 상기 제2 배관으로 합지되는 배터리 바이패스배관; 및
상기 제1 배관 중 상기 배터리 바이패스배관이 분지되는 부위에 배치되는 배터리 삼방밸브를 더 포함하는 에너지 저장장치.
제6항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는,
상기 전력변환기의 온도가 소정의 과열 온도 미만이면 상기 배터리 삼방밸브를 상기 배터리측으로 절환하고, 상기 전력변환기의 온도가 상기 과열 온도 이상이면 상기 배터리 삼방밸브를 상기 배터리 바이패스배관측으로 절환하는 제어부를 더 포함하는 에너지 저장장치.
제6항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는,
상기 냉각수의 온도가 소정의 과냉 온도 이상이면서 소정의 적정 하한 온도 미만이면 상기 배터리 삼방밸브를 상기 배터리 바이패스배관측으로 절환하는 제어부를 더 포함하는 에너지 저장장치.
제2항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는,
상기 제2 배관으로부터 분지되어 상기 제3 배관으로 합지되는 발열 바이패스배관; 및
상기 제2 배관 중 상기 발열 바이패스배관이 분지되는 부위에 배치되는 발열 삼방밸브를 더 포함하는 에너지 저장장치.
제9항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는,
상기 냉각수의 온도가 소정의 적정 상한 온도 이상이면 상기 발열 삼방밸브를 상기 발열 바이패스배관측으로 절환하는 제어부를 더 포함하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 수조의 내부 공간은 냉각수로 액침되는 액침영역을 포함하고,
상기 제2 배관은,
상기 수조와 연결되는 부위가 상기 액침영역의 하부와 연통되는 하부 토출배관과, 상기 액침영역의 상부와 연통되는 상부 토출배관으로 분지되어 형성되고,
상기 에너지 저장장치는,
상기 제2 배관 중 상기 하부 토출배관 및 상기 상부 토출배관이 분지되는 부위에 배치되는 토출 삼방밸브를 더 포함하는 에너지 저장장치.
제11항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는,
상기 냉각수의 온도가 소정의 적정 하한 온도보다 크고 소정의 적정 상한 온도보다 작으면, 상기 토출 삼방밸브의 상기 하부 토출배관측 개도량과 상기 상부 토출배관측 개도량을 서로 상반되게 제어하는 제어부를 더 포함하는 에너지 저장장치.
제12항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 냉각수의 온도가 상기 적정 하한 온도에 가까울수록 상기 토출 삼방밸브의 상기 하부 토출배관측 개도량을 증가시키고, 상기 냉각수의 온도가 상기 적정 상한 온도에 가까울수록 상기 토출 삼방밸브의 상기 상부 토출배관측 개도량을 증가시키는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 방열부는 냉각수가 유동하는 라디에이터와, 상기 라디에이터 주위로 외부 공기를 유동시키는 방열팬을 포함하는 에너지 저장장치.
제14항에 있어서,
상기 에너지 저장장치는,
상기 냉각수의 온도에 따라 상기 방열팬의 회전수를 제어하는 제어부를 더 포함하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 발열부는,
상기 냉각수와 열교환되고 전류의 급격한 변화를 안정화시키는 리액터를 더 포함하는 에너지 저장장치.
제1항에 있어서,
상기 배터리팩은 단수개의 프레임 내부에 복수개의 배터리셀을 수용하는 배터리모듈을 복수개 포함하고,
상기 제1 배관은 상기 수조와 연결되는 부위가 상기 복수개의 배터리모듈 각각의 내부 공간으로 분지되는 공급 분지배관으로 형성되는 에너지 저장장치.
제17항에 있어서,
상기 배터리모듈의 프레임은 상기 냉각수가 상기 배터리모듈의 내부 공간과 상기 수조의 내부 공간 사이를 유동할 수 있는 다공성 격막을 포함하는 에너지 저장장치.