WO2016064225A1 - 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a cooling air flow control system and method of a battery system for cooling a battery system including a plurality of battery modules, and is connected to an outlet for discharging cooling air of an air conditioning system to form a path through which cooling air flows.
  • a pipe wherein the pipe comprises a plurality of module cooling holes corresponding to each of the plurality of battery modules and allowing cooling air to pass through each battery module through each module cooling hole to cool the plurality of battery modules
  • the present invention relates to a cooling air flow control system and method of a battery system capable of minimizing the loss of cold air in cooling air and supplying each battery module to reduce energy consumption of an air conditioning system for constant temperature of the battery system.
  • the present invention relates to a cooling air flow control system and method of a battery system which can reduce fan driving power consumption and fan installation cost without installing a fan for forced cooling air circulation (FAN) installed in battery racks of a conventional container class battery system.
  • FAN forced cooling air circulation
  • the present invention controls the opening and closing of the air supply of the plurality of battery modules according to the temperature of each battery module of the plurality of battery modules included in the battery system, thereby reducing the temperature deviation between the battery modules included in the battery system of the battery system
  • the present invention relates to a cooling air flow control system and method of a battery system capable of maintaining or maximizing a depth of discharge (DOD) and reducing variation in state of health (SOH) between battery modules.
  • DOD depth of discharge
  • SOH state of health
  • a conventional general air conditioning system used in a battery system such as a battery container for an energy storage system (ESS), which is composed of a plurality of battery racks
  • the battery may be stored according to the position of the battery rack and the battery module. Temperature variations between modules inevitably occur.
  • a conventional general air conditioning method in a battery system is to cool the surface of the battery module while moving cold cooling air from the floor (or ceiling) to the ceiling (or floor).
  • the temperature of the battery module near the cold air is lower than the battery module located at the opposite end, where the cooling air enters after lowering the temperature of the entire battery system. This is because the temperature of the air itself rises as the cooling air passes through the surfaces of the battery modules one by one.
  • the temperature variation between battery modules according to the position in the conventional general air conditioning system greatly affects two parts.
  • the first is the reduction in depth of discharge (DOD) due to the temperature deviation diagnostics of the battery system.
  • the battery system uses its own temperature deviation diagnosis function to adjust the temperature deviation of the battery module to a certain level during charging and discharging. Accordingly, if temperature deviation between the battery modules of the battery system exceeds a certain level because the temperature deviation cannot be adjusted quickly, the temperature deviation diagnosis function of the battery system is activated so that the battery system does not sufficiently charge and discharge and stop charging and discharging. The situation may arise. This results in damage to the battery system's DOD.
  • the SOH (State of Health [%]) deviation occurs between battery modules included in the battery system.
  • Lithium ion cells (Cells) which are the main components of lithium ion battery modules, which are mainly used in power storage, have different characteristics of SOH depending on operating temperature. For example, as the charge and discharge are repeated for a long time at a high temperature rather than at room temperature, the deterioration rate is faster. Accordingly, if the temperature deviation between the battery modules due to the limit of the temperature deviation resolution of the conventional general air conditioning system of the battery system is long-lasting, the difference in the SOH between the battery modules can be increased.
  • the SOC diagnosis function or the voltage diagnosis function may be activated to stop the charging and discharging of the battery system, so that the DOD may be damaged.
  • An object of the present invention includes a pipe connected to an outlet for discharging cooling air of an air conditioning system to form a path through which cooling air flows, wherein the pipe includes a plurality of module cooling holes corresponding to each of the plurality of battery modules. Cooling air passes through each of the battery modules through each module cooling port to cool the plurality of battery modules, thereby minimizing the loss of cooling air and supplying the battery modules to each battery module.
  • an object of the present invention the cooling air flow of the battery system that can save the fan driving power consumption and the fan installation cost without having to install a cooling fan forced circulation fan (FAN) installed in the battery rack of the conventional container-class battery system It is to provide a control system and method.
  • FAN cooling fan forced circulation fan
  • another object of the present invention is to control the opening and closing of the air supply of the plurality of battery modules according to the temperature of each battery module of the plurality of battery modules included in the battery system, between the battery modules included in the battery system Cooling air flow control system of the battery system to reduce or eliminate temperature deviation to maintain or maximize the depth of discharge (DOD) of the battery system, and to reduce the deviation of state of health [%] (SOH) between battery modules And a method.
  • DOD depth of discharge
  • SOH state of health
  • a cooling air flow control system of a battery system for cooling a battery system including a plurality of battery modules includes: an outlet for discharging cooling air for lowering temperatures of the plurality of battery modules; An air conditioning system including a suction port configured to lower the temperature of the plurality of battery modules and then suck cooling air having a raised temperature; And a plurality of module cooling holes connected to the discharge port, in which cooling air flows and corresponding to each of the plurality of battery modules, wherein the cooling air discharged through the discharge holes is discharged through each module cooling hole. And a pipe configured to pass through the module to cool the plurality of battery modules.
  • the cooling air flow control system of the battery system may include the plurality of battery modules. At this time, each battery module, the air supply for receiving the cooling air flowing from the module cooling port; And it may include an exhaust port for discharging the cooling air after the temperature of the battery module is lowered.
  • the air supply port may be formed on one surface of the battery module, and the exhaust port may be formed on the other surface of the battery module facing the one surface of the battery module.
  • the air supply port may be fastened to the module cooling port, and the size of the air supply port may be larger than that of the module cooling port.
  • the battery module may further include an opening and closing device for opening and closing the air supply.
  • the opening and closing device the opening and closing plate which is formed in the vicinity of the air supply opening and closing the air supply opening;
  • a servo motor providing power to open and close the opening and closing plate;
  • a disc connected to the servo motor;
  • a connecting rod connecting the disc and the opening and closing plate and converting the rotational motion of the servo motor into a linear movement of the opening and closing plate by transmitting the power of the servo motor transmitted to the original plate to the opening and closing plate.
  • the battery module may further include a module controller which controls the opening and closing of the air supply port by the opening and closing device to control the amount of cooling air flowing into the battery module.
  • the cooling air flow control system of the battery system further includes a system controller for controlling opening and closing of the air supply holes of the plurality of battery modules based on temperatures of the respective battery modules measured by each module control unit of the plurality of battery modules. It may include.
  • the system controller may be configured to correspond to the temperature of each battery module when the temperature deviation between the battery module having the highest temperature and the battery module having the lowest temperature exceeds a predetermined temperature deviation reference value among the plurality of battery modules.
  • the opening and closing of the air supply can be controlled individually.
  • the system controller may sequentially arrange temperatures of the plurality of battery modules, group the plurality of battery modules into a plurality of groups according to the sorted temperatures, and then correspond to the groups belonging to the respective battery modules. Assigning the opening and closing degree of the mechanism, the module control unit of each battery module, it is possible to control the opening and closing of the air supply of the corresponding battery module according to the opening and closing degree of the assigned air supply.
  • the system controller may be configured to lower the average temperature of all of the plurality of battery modules when the temperature deviation between the battery module having the highest temperature and the battery module having the lowest temperature is less than or equal to a predetermined temperature deviation reference value among the plurality of battery modules. Opening and closing of the air supply port of the whole battery module can be controlled collectively.
  • the system controller collectively opens and closes the air supply holes of the entire plurality of battery modules to increase the average temperature of the entire plurality of battery modules when the average temperature of the plurality of battery modules is equal to or less than a predetermined average temperature reference value. Can be controlled.
  • a cooling air flow control method of a battery system for cooling a battery system including a plurality of battery modules, the air conditioning system cooling for lowering the temperature of the plurality of battery modules through the outlet Venting air; Cooling air discharged through the outlet port is connected to the outlet port to form a flow path for cooling air and includes a plurality of module cooling holes corresponding to each of the plurality of battery modules. Cooling the plurality of battery modules by passing through modules; And lowering the temperatures of the plurality of battery modules through the inlet and sucking the cooling air having the elevated temperature.
  • Each battery module of the plurality of battery modules the air supply for receiving the cooling air flowing from the module cooling port;
  • An exhaust port for discharging cooling air after the temperature of the battery module is lowered;
  • An opening and closing device for opening and closing the air supply;
  • a module controller configured to control opening and closing of the air supply port by the opening and closing device to control an amount of cooling air flowing into the battery module.
  • the system control unit controls the opening and closing of the air supply of the plurality of battery modules based on the temperature of each battery module measured by each module control unit of the plurality of battery modules. It may further include.
  • the controlling of opening and closing of the air supply holes of the plurality of battery modules may include: wherein the system control unit has a temperature deviation between the battery module having the highest temperature and the battery module having the lowest temperature among the plurality of battery modules exceeding a predetermined temperature deviation reference value.
  • the system control unit may include the step of individually controlling the opening and closing of the air supply of the respective battery module corresponding to the temperature of the battery module.
  • the controlling of opening and closing of the air supply of the plurality of battery modules may include: when the temperature deviation between the battery module having the highest temperature and the battery module having the lowest temperature is lower than a predetermined temperature deviation reference value among the plurality of battery modules, the system controller. And collectively controlling opening and closing of the air supply holes of the entire plurality of battery modules to lower the average temperature of the entire plurality of battery modules.
  • the controlling of the opening and closing of the air supply holes of the plurality of battery modules may include: increasing the average temperature of the entire plurality of battery modules when the average temperature of the plurality of battery modules is less than a predetermined average temperature reference value. And collectively controlling opening and closing of the air supply holes of the battery module as a whole.
  • a pipe is connected to an outlet for discharging cooling air of an air conditioning system to form a path through which cooling air flows, and the pipe includes a plurality of module cooling holes corresponding to each of the plurality of battery modules.
  • the pipe includes a plurality of module cooling holes corresponding to each of the plurality of battery modules.
  • the temperature deviation between the battery modules included in the battery system Cooling air flow control system and method of the battery system to reduce or maintain the depth of discharge (DOD) of the battery system, and to reduce the deviation of the state of health [%] (SOH) between battery modules by reducing the Can be provided.
  • DOD depth of discharge
  • SOH state of health
  • FIG. 1 is a view schematically illustrating a battery management system that may be applied to a cooling air flow control system of a battery system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing an air conditioning system of a conventional battery system.
  • FIG 3 is a view showing an air conditioning system and a pipe of the cooling air flow control system of the battery system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view illustrating a state in which a battery rack is fastened to a pipe of a cooling air flow control system of a battery system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a rear surface of a battery module of a cooling air flow control system of a battery system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view illustrating a front surface of a battery module of a cooling air flow control system of a battery system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view illustrating a state in which a battery module of a cooling air flow control system of a battery system according to an embodiment of the present invention is fastened to a pipe.
  • FIG. 8 and 9 illustrate an opening and closing device of a battery module of a cooling air flow control system of a battery system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing the opening and closing operation of the opening and closing device of the battery module of the cooling air flow control system of the battery system according to an embodiment of the present invention.
  • 11 to 14 are tables for explaining an example of controlling the temperature of the battery module by controlling the temperature of the battery module in the cooling air flow control system and method of the battery system according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a flowchart illustrating a process of controlling a temperature of a battery module in a cooling air flow control system and method of a battery system according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a flowchart illustrating a process of controlling a temperature deviation between battery modules in a cooling air flow control system and method of a battery system according to an embodiment of the present invention.
  • 17 to 20 are tables for explaining an example of controlling the temperature deviation between the battery modules by the process of controlling the temperature deviation between the battery modules in the cooling air flow control system and method of the battery system according to an embodiment of the present invention. admit.
  • ... unit described in the specification means a unit for processing one or more functions or operations, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software.
  • the temperature factor to be controlled is the 'average temperature' of the battery module and the 'temperature deviation' between the battery module.
  • Two factors affect 'State of Health (%)' and 'Depth of Discharge (DOD)' as shown in Table 1 below.
  • the deterioration rate of the battery is increased in the order of low temperature-high temperature-room temperature based on the average temperature of the battery module. Therefore, in order to increase the life of the battery module, it is necessary to maintain the average temperature of the battery module at room temperature in the battery system.
  • the depth of discharge is influenced by the temperature deviation diagnosis result between the battery modules. Therefore, it is necessary to reduce the temperature deviation between the battery modules in order to diagnose a warning or fault in the temperature diagnosis result of the battery system so that the battery system does not stop charging or discharging the battery.
  • FIG. 1 is a view schematically illustrating a battery management system that may be applied to a cooling air flow control system of a battery system according to an embodiment of the present invention.
  • a battery management system may be installed in a battery system such as a battery container, and may have a three-layer structure.
  • MBMS Module Battery Management System (1) is provided in the battery module, serves to monitor the status of the battery module and transmit it to the rack battery management system (RBMS) (2).
  • the MBMS 1 may be provided by the number N M of lower battery modules belonging to the corresponding battery rack.
  • the RBMS 2 is provided in the battery rack and performs a diagnosis or protection operation based on the status of the lower battery modules belonging to the battery rack and the rack level status information such as current and voltage applied to the battery rack. do. In addition, the RBMS 2 transmits the status information of the battery module and the battery rack to the bank battery management system (BBMS) 3.
  • the RBMS 2 may be provided by the number N R of battery racks belonging to the corresponding battery container.
  • the BBMS 3 is provided in the battery container, and determines the optimal battery system operating method and takes appropriate measures based on the transmission data of the lower battery racks.
  • the BBMS 3 also transmits battery system status information (general information) to the PCS (Power Control System).
  • the MBMS 1 and the RBMS 2 and the RBMS 2 and the BBMS 3 are connected by controller area network (CAN) communication, they can exchange signals with each other.
  • CAN controller area network
  • the battery management system having such a structure is applied to the cooling air flow control system and method of the battery system according to an embodiment of the present invention, and can control the average temperature and temperature deviation of the battery module.
  • FIG. 2 is a view showing an air conditioning system of a conventional battery system.
  • the conventional battery system 10 receives cooling air from the air conditioning system 11 to cool the battery rack 12 and the battery modules 12-1 and 12-2 in the battery system 10. Let's do it.
  • the cooling air is delivered at a similar flow rate to the entire battery modules 12-1 and 12-2 so that the battery modules 12-1 and 12-2 installed in the battery system 10 are discharged.
  • the average temperature can be lowered, but there is a limit to reducing the temperature deviation between the battery modules 12-1 and 12-2.
  • the flow of cooling air by the air conditioning system 11 in the conventional battery system 10 is largely divided into a rising flow from the bottom to the ceiling or a descending flow from the ceiling to the floor. In both of these flows, the cooling air rises or falls as the battery modules 12-1 and 12-2 of the stacked structure cool down one by one. By the time the cooling air reaches the last battery module 12-2, The temperature will be higher than when the first battery module 12-1 was reached. Therefore, in the conventional air conditioning system 11 in the battery system 10, it is not only easy to reduce the temperature deviation between the battery modules 12-1 and 12-2, but rather the battery module 12-1. , 12-2) may increase the temperature deviation.
  • a cooling air flow control system 100 of a battery system includes an air conditioning system 110, a pipe 120, and a plurality of battery modules 130. Can be configured.
  • the cooling air flow control system 100 of the battery system shown in FIGS. 3 to 10 is in accordance with one embodiment, and its components are not limited to the embodiment shown in FIGS. Some components may be added, changed or deleted.
  • the cooling air flow control system 100 of the battery system may be implemented in the battery system, or may be implemented in the battery system itself.
  • FIG 3 is a view showing an air conditioning system and a pipe of the cooling air flow control system of the battery system according to an embodiment of the present invention.
  • the air conditioning system 110 lowers the temperatures of the outlet 111 and the plurality of battery modules 130 for discharging cooling air to lower the temperatures of the plurality of battery modules 130. It may be configured to include a suction port 112 for sucking the elevated cooling air.
  • Pipe 120 is connected to the outlet 111 of the air conditioning system 110 to form a path through which the cooling air flow, and includes a plurality of module cooling holes 121 corresponding to each of the plurality of battery modules 130, The cooling air discharged through the outlet 111 passes through each battery module 130 through each module cooling port 121 to cool the plurality of battery modules 130.
  • the cooling air passing through the air conditioning system 110 reaches the rear of each battery module 130 past the pipe 120. Cooling air arriving at the rear of the battery module 130 flows into the battery module 130 through the air supply 131 at the rear of the battery module 130 to lower the temperature inside the battery module 130, and then the front of the module. Through the exhaust port 132 in the portion is discharged to the outside of the battery module 130 flows back to the air conditioning system (110).
  • FIG. 4 is a view illustrating a state in which a battery rack is fastened to a pipe of a cooling air flow control system of a battery system according to an embodiment of the present invention.
  • the pipe 120 of the cooling air flow control system 100 of the battery system is fastened to the rear of each battery module 130 included in the battery rack 130 ' do.
  • the temperature of the cooling air arriving at the rear of all the battery modules 130 installed in the battery rack 130 ′ in the battery system is maintained at a constant level. It is possible to reduce the temperature deviation between the battery modules 130.
  • the air conditioning system 110 includes a temperature measuring unit 113 for measuring the temperature of the cooled air entering the inlet 112 and an exhaust port 132 at the front of the battery module 130. It may further include an air conditioning control unit 114 for controlling the temperature and the air flow rate of the cooling air supplied to the battery system corresponding to the temperature of the cooling air coming out through.
  • the air conditioning system 110 may adjust cooling air by itself through the temperature measuring unit 113 and the air conditioning controller 114. In this case, communication between the air conditioning system 110 and the BMS is not necessary.
  • the air conditioning system 110 may adjust the cold air based on the temperature of the battery system (container) measured by the temperature measuring unit 113.
  • the cooling air generated by the air conditioning system 110 is elevated in temperature as it passes through the battery module 130, and the temperature-cooled cooling air is sucked back into the air conditioning system 130.
  • FIG. 5 is a view showing the rear of the battery module of the cooling air flow control system of the battery system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a cooling air flow control system of the battery system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a front surface of a battery module
  • FIG. 7 is a view illustrating a state in which a battery module of a cooling air flow control system of a battery system is fastened to a pipe.
  • cooling air flow control system 100 of the battery system according to an embodiment of the present invention may be included in the battery system, or may be implemented in the battery system itself, in this case, Cooling air flow control system 100 of the battery system according to an embodiment of the present invention may include a battery module 130.
  • the battery module 130 of the cooling air flow control system 100 of the battery system according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
  • the battery module 130 of the cooling air flow control system 100 of the battery system is cooled from the module cooling port 121 of the pipe 120. It may include an air supply port 131 for receiving the air and an exhaust port 132 for discharging the cooling air after the temperature of the battery module 130 is lowered.
  • the battery module 130 has an air supply 131 is formed on one surface of the battery module 130 in order to maintain the flow of cooling air in one direction
  • the exhaust port 132 is formed of the battery module 130 It may be formed on the other surface opposite to one surface.
  • 5 and 6 illustrate an example in which an air supply port 131 is formed on the rear surface of the battery module 130 and an exhaust port 132 is formed on the front surface of the battery module 130.
  • the exhaust port 132 is not formed on the top, bottom and side surfaces of the battery module. This allows the cooling air to reach the battery cells (135 in FIG. 9) located in the front of the battery module 130, thereby allowing the temperature between the battery cells (135 in FIG. 9) in the battery module 130 to be reached. This is to reduce the deviation.
  • the air supply 131 is fastened to the module cooling port 121 of the pipe 120, as shown in Figures 5 and 7, the size of the air supply 131 is a module cooling port ( 121) may be formed larger than the size.
  • the module cooling port 121 of the pipe is fastened to enter the air supply 131, so that cooling air can flow into the battery module 130 without loss.
  • FIG 8 and 9 are views showing the opening and closing device of the battery module of the cooling air flow control system of the battery system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 10 is a cooling air of the battery system according to an embodiment of the present invention It is a figure which shows the opening and closing operation
  • the battery module 130 of the cooling air flow control system of the battery system includes an opening and closing device 133 that opens and closes the air supply 131 to control the flow rate of cooling air in the battery module 130. It may further include.
  • the opening and closing device 133, the opening and closing plate 133-1 is formed in the vicinity of the air supply port 131 to open and close the opening and closing plate 133-1 for opening and closing the air supply 131.
  • Servo motor 133-2 which provides power to open and close the plate 133-1, a disc 133-3 and a disc 133-3 connected to the servo motor 133-2, and an opening and closing plate 133- 1) is connected, and transmits the power of the servo motor 133-2 transmitted to the disc 133-3 to the opening and closing plate 133-1 to transmit the rotational movement of the servo motor 133-2 to the opening and closing plate 133.
  • It may include a connecting table (133-4) for converting the linear motion of -1).
  • the opening and closing device 133 of the battery module 130 of the cooling air flow control system of the battery system rotates the servomotor 133-2 in a clockwise direction to supply air supply.
  • the opening and closing degree of the 131 may be increased or rotated in the counterclockwise direction 133-3 to reduce the opening and closing degree of the air supply 131.
  • FIG. 10A illustrates a case where the air supply 131 is completely closed, that is, the opening and closing degree is 0%
  • FIG. 10B illustrates a case where the air supply 131 is half open, that is, the opening and closing degree is 10 (c) shows the case where the air supply 131 is completely opened, that is, the opening and closing degree is 100%.
  • the opening and closing device 133 may be controlled by the module controller 134 included in the battery module 130.
  • the module control unit 134 may control the opening and closing of the cooling air flowing into the battery module 130 by controlling the opening and closing of the air supply 131 by the opening and closing device 133.
  • the module controller 134 may correspond to an MBMS (1 in FIG. 1) for controlling each battery module.
  • the cooling air flow control system 100 of the battery system may be configured to measure each of the battery modules 130 measured by each module control unit 134 of the battery modules 130.
  • the system controller 140 may further include opening and closing the air supply 130 of the plurality of battery modules 130 based on the temperature.
  • the system control unit 140 controls the battery rack and the lower battery modules belonging to the corresponding battery rack (BB 2 of FIG. 1) or the battery container and the BBMS 3 controlling the entire lower battery rack and the battery modules belonging to the battery container. It may correspond to (3 of FIG. 1).
  • the switching device 133 provided in the plurality of battery modules 130 which may be performed by the system control unit 140 of the cooling air flow control system 100 of the battery system according to an embodiment of the present invention.
  • the detailed process for controlling the average temperature of the battery module 130 and the temperature deviation between the battery module 130 and an example thereof will be described.
  • 11 to 14 are tables for explaining an example of controlling the temperature of the battery module by controlling the temperature of the battery module in the cooling air flow control system and method of the battery system according to an embodiment of the present invention.
  • the process of controlling the temperature of the battery module is largely 'module temperature deviation control section', 'module average temperature control section' and 'module temperature control stop' Section ".
  • the module temperature deviation control section is a section for individually controlling the opening and closing degree of the air supply 131 of each battery module 130 in order to lower the temperature deviation between the battery modules 130 below a certain level.
  • the 'module temperature deviation control section' may be a section that lowers the temperature deviation between the battery modules 130 to less than 2.0 ° C.
  • the opening and closing of the air supply 131 of each battery module 130 may be individually controlled according to the temperature of the battery module 130.
  • 'Module average temperature control section' is to open and close the air supply 131 of all battery modules 130 in order to equally lower the temperature of all the battery module 130, that is to lower the average temperature of the plurality of battery modules 130. This section controls the accuracy to 100%.
  • Opening and closing of the air supply 131 of the plurality of battery modules 130 may be collectively controlled to lower the average temperature of the entire battery module 130.
  • the module temperature control stop section is a section for controlling the opening and closing degree of the air supply 131 of all the battery modules 130 to 0% in order to prevent the average temperature of the battery module 130 from becoming too low.
  • the system controller 140 increases the average temperature of the plurality of battery modules 130 when the average temperature of the plurality of battery modules 130 is less than or equal to a predetermined average temperature reference value. Opening and closing of the air supply holes 131 of the plurality of battery modules 130 may be collectively controlled.
  • the temperature for each battery module 130 before the process of controlling the temperature of the battery module by the cooling air flow control system and method of the battery system according to an embodiment of the present invention is disclosed.
  • . MT stands for Module Temperature of each battery module 130
  • N R stands for the number of battery racks 130 'in the battery system
  • N M stands for the number of battery modules in the battery rack 130'. do.
  • the temperature deviation between the battery module 130 having the highest temperature and the lowest temperature in the battery rack 130 ′ is as small as 4.8 ° C. to 7.3 ° C.
  • the 'module temperature deviation control interval' is performed to each battery module 130
  • An example of individually controlling the opening and closing degree of the air supply 131 of the () is shown.
  • the battery module 130 having a module temperature MT of 37 ° C. or higher in FIG. 11 controls the opening / closing degree of the air supply 131 to 100%, and the battery module 130 of 36 ° C. or higher and less than 37 ° C.
  • the opening and closing degree of the mechanism 131 is controlled to 75%, and the battery module 130 of 35 ° C or more and less than 36 ° C controls the opening and closing degree of the air supply mechanism 131 to 50%, and the battery is 31 ° C or more and less than 35 ° C.
  • the module 130 controls the opening and closing degree of the air supply 131 to 25%, and the battery module 130 less than 31 ° C controls the opening and closing degree of the air supply 131 to 0%, thereby increasing the module temperature of the battery module. According to MT, an example of individually controlling the opening and closing degree of the air supply 131 may be confirmed.
  • the temperature deviation between the battery modules 130 is constant.
  • An example controlled below the level is shown. 13 it can be seen that the temperature deviation between the battery module 130 having the highest temperature and the lowest temperature in the battery rack 130 ′ is controlled to be less than 2 ° C. from 1.3 ° C. to 1.9 ° C. to 1.9 ° C.
  • a 'module average temperature control interval' is performed to perform all battery modules 130.
  • the air supply 131 of all the battery modules 130 is opened at 100% to lower the average temperature of all the battery modules 130. You can see an example.
  • FIG. 15 a flowchart of a process of controlling a temperature of a battery module in a cooling air flow control system and method of a battery system according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
  • 15 is a flowchart illustrating a process of controlling a temperature of a battery module in a cooling air flow control system and method of a battery system according to an embodiment of the present invention.
  • the process of controlling the temperature of the battery module disclosed in FIG. 15 may be performed by the system controller 140 of the cooling air flow control system 100 of the battery system according to an embodiment of the present invention.
  • the processing cycle of the process of controlling the temperature of the battery module of FIG. 15 may be 1 second.
  • an air inlet status maintenance counter (ISMC) is first used. ) Is set to 0 (S1501).
  • the ISMC is a counter value that determines how long the opening and closing degree of the air supply port 132 is maintained.
  • Step S1503 may be performed through an RBMS provided for each battery rack 130 ′.
  • the average temperature MT_avg of the module temperature MT of the entire battery module is obtained, and the average temperature MT_avg is compared with the average temperature reference value B (S1504).
  • the average temperature reference value (B) should perform the 'module average temperature control stop interval' whether the corresponding average temperature (MT_avg) value corresponds to the value to perform the 'module average temperature control interval' or 'module temperature deviation control interval'. It is a reference value for determining whether it corresponds to a value, and may be set as an initial value as an optimal value according to a battery system operating environment or as a value that may be set by a user, for example, 30 ° C.
  • step S1504 If the average temperature MT_avg of the module temperature MT of the entire battery module is greater than the average temperature reference value B in step S1504, it is determined whether the ISMC is 0 (S1505). It subtracts by 1 (S1506), and returns to step S1502, and when 0, goes to the next step (S1507).
  • the temperature deviation MT_dev between the battery modules 130 is compared with the temperature deviation reference value A (S1507).
  • the temperature deviation reference value (A) is a reference value for determining whether the corresponding temperature deviation (MT_dev) value corresponds to a value that should perform the 'module average temperature control interval' or a value that should perform the 'module temperature deviation control interval'. It may be set to an initial value as an optimal value according to the battery system operating environment, or as a value that can be set by a user, for example, 5 ° C.
  • the average temperatures of the plurality of battery modules 130 as a whole are collectively set so as to lower the weight (S1509).
  • the opening and closing degree of the air supply holes 131 of the entire battery modules 130 may be set to 100%.
  • the ISMC After passing through step S1508 or step S1509, the ISMC is set to the air supply opening and closing state holding time C (S1510).
  • the air supply opening / closing state maintenance time (C) is a time (C) for maintaining the air supply opening / closing state for temperature control of the battery module. As a possible value, it may be set to, for example, 60 seconds or 600 seconds.
  • the plurality of battery modules 130 may be performed to perform the 'module temperature control stop section'.
  • opening and closing of the air supply port 131 is collectively set (S1511). In this case, the opening and closing degree of the air supply holes 131 of the entire battery modules 130 may be set to 0%.
  • step S1512 After going through step S1511, the ISMC is set to 0 (S1512).
  • the air supply unit for each of the determined battery modules 130 ( The opening and closing degree of the 131 is transmitted to each module control unit 134 via the system control unit 140 (S1513), and each battery module 130 opens and closes the opening and closing device 133 according to the opening and closing degree of the corresponding air supply 131. Control to open and close the air supply 131.
  • FIGS. 17 to 20 illustrate one embodiment of the present invention. Tables for explaining an example of controlling the temperature deviation between the battery module by the process of controlling the temperature deviation between the battery module in the cooling air flow control system and method of the battery system according to.
  • the process illustrated in FIG. 16 specifically describes the process corresponding to step S1508 of FIG. 15.
  • the temperature of the entire battery module 130 in the battery system is sorted in ascending order (S1601).
  • 17 illustrates a temperature of each battery module 130 before the process of controlling the temperature deviation between the battery modules by the cooling air flow control system and method of the battery system according to an embodiment of the present invention is performed.
  • 18 illustrates an example in which the temperatures of the battery modules 130 illustrated in FIG. 17 are arranged in ascending order.
  • N R denotes the number of battery racks 130 'in the battery system
  • N M denotes the number of battery modules in the battery rack 130'.
  • the RBMS ID refers to an identification number of the RBMS of the battery rack 130 ′ to which the corresponding battery module 130 belongs
  • the MBMS ID refers to an identification number of the MBMS of the corresponding battery module 130.
  • the plurality of battery modules 130 are grouped into a plurality of groups according to the sorted temperatures (S1602). 19 shows an example in which the sorted temperatures are grouped into five groups from low to high temperature.
  • the opening and closing degree of the air supply port is allocated to correspond to the group belonging to each of the grouped battery modules (S1603).
  • 20 shows an example of assigning 0%, 25%, 50%, 75%, and 100% to a group belonging to each battery module grouped into each group.
  • the number of groups may be determined according to the requirements of the precision of temperature control. The more, the higher precision temperature control is possible.
  • FIGS. 17 to 20 it is assumed that the number of groups is 5, but this is according to an exemplary embodiment, and the number of groups may be adjusted as necessary.

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Abstract

복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 시스템을 냉각 시키기 위한 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템은, 상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 하강시키기 위한 냉각 공기를 배출하는 배출구와 상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 하강시킨 후 온도가 상승된 냉각 공기를 흡입하는 흡입구를 포함하는 공조 시스템; 및 상기 배출구에 연결되어 냉각 공기가 흐르는 경로를 형성하고 상기 복수의 배터리 모듈의 각각에 대응하는 복수의 모듈 냉각구를 포함하여, 상기 배출구를 통해 배출된 냉각 공기가 각 모듈 냉각구를 통해 각 배터리 모듈을 통과하도록 하여 상기 복수의 배터리 모듈을 냉각시키는 파이프를 포함한다.

Description

배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법
본 출원은 2014년 10월 22일자 한국 특허 출원 제10-2014-0143658호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 시스템을 냉각 시키기 위한 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 공조 시스템의 냉각 공기를 배출하는 배출구에 연결되어 냉각 공기가 흐르는 경로를 형성하는 파이프를 포함하되, 파이프가 복수의 배터리 모듈의 각각에 대응하는 복수의 모듈 냉각구를 포함하고 냉각 공기가 각 모듈 냉각구를 통해 각 배터리 모듈을 통과하도록 하여 복수의 배터리 모듈을 냉각시키도록 함으로써, 냉각 공기의 냉기의 손실을 최소화하여 각 배터리 모듈에 공급할 수 있어, 배터리 시스템의 항온을 위한 공조 시스템의 에너지 소모량을 줄일 수 있는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더불어 종래의 컨테이너급 배터리 시스템의 배터리 랙들에 설치된 냉각 공기 강제 순환용 팬(FAN)을 설치하지 않아도 되어서 팬 구동 전원 소모량과 팬 설치비를 절약할 수 있는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 배터리 시스템에 포함된 복수의 배터리 모듈의 각 배터리 모듈의 온도에 따라 복수의 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어함으로써, 배터리 시스템에 포함된 배터리 모듈간의 온도 편차를 줄여 배터리 시스템의 방전 심도(Depth of Discharge, DOD)를 유지 또는 극대화할 수 있고, 배터리 모듈간의 SOH(State of Health)의 편차를 줄일 수 있는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
다수의 배터리 랙(rack)으로 구성된 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS)용 배터리 컨테이너(container)와 같은 배터리 시스템에서 사용되는 종래의 일반적인 공조 시스템의 경우, 배터리 랙과 배터리 모듈의 위치에 따라서 배터리 모듈간의 온도 편차가 필연적으로 발생하게 된다.
구체적으로 설명하면, 배터리 모듈간의 온도 편차에는 충방전을 통한 자체적인 온도 상승분 외에도 공조 방식에 의한 위치에 따른 온도 편차 분이 존재한다. 배터리 시스템에서의 종래의 일반적인 공조 방식은 바닥(또는 천장)에서 천장(또는 바닥)으로 차가운 냉각 공기를 이동시키면서 배터리 모듈의 표면을 냉각시키는 방식이다. 이 방식의 경우에는 차가운 공기가 나오는 곳에서 가까운 배터리 모듈의 온도가 반대편 끝 즉, 배터리 시스템 전체의 온도를 하강시킨 후의 냉각 공기가 들어가는 곳에 위치한 배터리 모듈보다 낮게 된다. 이는 냉각 공기가 배터리 모듈들의 표면을 하나씩 지나가면서 공기 자체의 온도가 상승하기 때문이다.
이러한 종래의 일반적인 공조 시스템에서의 위치에 따른 배터리 모듈간 온도 편차는 크게 두 가지 부분에 나쁜 영향을 미친다.
첫번째로 배터리 시스템의 온도 편차 진단 기능으로 인한 방전 심도(Depth of Discharge, DOD)의 감소이다. 배터리 시스템은 자체 온도 편차 진단 기능을 통해 충방전 과정에서 배터리 모듈의 온도 편차가 일정 수준을 넘지 않도록 조절한다. 이에 따라, 온도 편차 조절을 빠르게 못하게 되어 배터리 시스템의 배터리 모듈간의 온도 편차가 일정 수준을 넘게 되는 경우에는 배터리 시스템의 온도 편차 진단 기능이 작동하게 되어 배터리 시스템이 충분한 충방전을 하지 못하고 충방전을 중지시키는 상황이 발생할 수 있다. 이는 결국 배터리 시스템의 DOD의 손해를 불러오게 된다.
두번째로 배터리 시스템에 포함된 배터리 모듈간 SOH(State of Health[%]) 편차 발생이다. 전력 저장 분야에서 주로 사용되고 있는 리튬 이온 배터리 모듈의 주요 구성품인 리튬 이온 셀(Cell)은 운용되는 온도에 따라 SOH가 다른 양상을 보이는 특성이 있다. 예를 들어 상온보다는 고온에서 오랜 시간 충방전을 반복할수록 퇴화 속도는 빨라진다. 이에 따라, 배터리 시스템의 종래의 일반적인 공조 시스템의 온도 편차 해소의 한계로 인한 배터리 모듈간의 온도 편차가 장기간 지속되면, 배터리 모듈간의 SOH의 차이가 커질 수 있다. 그리고 랙간/모듈간 SOH 편차가 클수록, 충방전시 SOH가 작은 랙/모듈(더 정확히는 특정 셀)의 배터리 용량(State of Charge, SOC) 또는 전압이 다른 랙/모듈보다 먼저 충방전 한계치(SOC 0% 또는 100%)에 도달하게 된다. 따라서, 이 경우에도 배터리 시스템은 SOC 진단 기능이나 전압 진단 기능이 작동하게 되어 배터리 시스템의 충방전을 중지시키는 경우가 발생할 수 있으므로 DOD의 손해를 볼 수 있다.
본 발명의 목적은, 공조 시스템의 냉각 공기를 배출하는 배출구에 연결되어 냉각 공기가 흐르는 경로를 형성하는 파이프를 포함하되, 파이프가 복수의 배터리 모듈의 각각에 대응하는 복수의 모듈 냉각구를 포함하고 냉각 공기가 각 모듈 냉각구를 통해 각 배터리 모듈을 통과하도록 하여 복수의 배터리 모듈을 냉각시키도록 함으로써, 냉각 공기의 냉기의 손실을 최소화하여 각 배터리 모듈에 공급할 수 있어, 배터리 시스템의 항온을 위한 공조 시스템의 에너지 소모량을 줄일 수 있는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 더불어 본 발명의 목적은, 종래의 컨테이너급 배터리 시스템의 배터리 랙들에 설치된 냉각 공기 강제 순환용 팬(FAN)을 설치하지 않아도 되어서 팬 구동 전원 소모량과 팬 설치비를 절약할 수 있는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 본 발명은 배터리 시스템에 포함된 복수의 배터리 모듈의 각 배터리 모듈의 온도에 따라 복수의 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어함으로써, 배터리 시스템에 포함된 배터리 모듈간의 온도 편차를 줄여 배터리 시스템의 방전 심도(Depth of Discharge, DOD)를 유지 또는 극대화할 수 있고, 배터리 모듈간의 SOH(State of Health[%])의 편차를 줄일 수 있는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 시스템을 냉각 시키기 위한 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템은, 상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 하강시키기 위한 냉각 공기를 배출하는 배출구와 상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 하강시킨 후 온도가 상승된 냉각 공기를 흡입하는 흡입구를 포함하는 공조 시스템; 및 상기 배출구에 연결되어 냉각 공기가 흐르는 경로를 형성하고 상기 복수의 배터리 모듈의 각각에 대응하는 복수의 모듈 냉각구를 포함하여, 상기 배출구를 통해 배출된 냉각 공기가 각 모듈 냉각구를 통해 각 배터리 모듈을 통과하도록 하여 상기 복수의 배터리 모듈을 냉각시키는 파이프를 포함하여 구성된다.
상기 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템은, 상기 복수의 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 이 때, 각 배터리 모듈은, 상기 모듈 냉각구로부터 유입되는 냉각 공기를 공급받는 급기구; 및 상기 배터리 모듈의 온도를 하강시키고 난 후의 냉각 공기를 배출하는 배기구를 포함할 수 있다.
상기 급기구는, 상기 배터리 모듈의 일면에 형성되고, 상기 배기구는, 상기 배터리 모듈의 일면에 대향하는 타면에 형성될 수 있다.
상기 급기구는, 상기 모듈 냉각구와 체결되되, 상기 급기구의 크기는 상기 모듈 냉각구의 크기보다 크게 형성될 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 급기구를 개폐하는 개폐 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 개폐 장치는, 상기 급기구의 부근에 형성되어 상기 급기구를 개폐하는 개폐판; 상기 개폐판을 열고 닫는 동력을 제공하는 서보모터; 상기 서보모터에 연결되는 원판; 및 상기 원판 및 상기 개폐판을 연결하고, 상기 원판에 전달된 상기 서보모터의 동력을 상기 개폐판에 전달하여 상기 서보모터의 회전운동을 상기 개폐판의 직선운동으로 변환하는 연결대를 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은, 상기 개폐 장치에 의한 상기 급기구의 개폐를 제어하여 상기 배터리 모듈에 유입되는 냉각 공기의 유입량을 제어하는 모듈 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템은, 상기 복수의 배터리 모듈의 각 모듈 제어부에서 측정된 상기 각 배터리 모듈의 온도에 기반하여, 상기 복수의 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어하는 시스템 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 시스템 제어부는, 상기 복수의 배터리 모듈 중 최고 온도를 가진 배터리 모듈 및 최저 온도를 가진 배터리 모듈간의 온도 편차가 소정의 온도 편차 기준값 초과인 경우, 상기 각 배터리 모듈의 온도에 대응하여 상기 각 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 개별적으로 제어할 수 있다.
상기 시스템 제어부는, 상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 순차적으로 정렬하고, 정렬된 온도에 따라 상기 복수의 배터리 모듈을 복수의 그룹으로 그룹화한 다음, 상기 각 배터리 모듈에게 소속된 그룹에 대응하여 상기 급기구의 개폐 정도를 할당하며, 상기 각 배터리 모듈의 모듈 제어부는, 할당된 상기 급기구의 개폐 정도에 따라 해당 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어할 수 있다.
상기 시스템 제어부는, 상기 복수의 배터리 모듈 중 최고 온도를 가진 배터리 모듈 및 최저 온도를 가진 배터리 모듈간의 온도 편차가 소정의 온도 편차 기준값 이하인 경우, 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 평균 온도를 하강시키도록 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 급기구의 개폐를 일괄적으로 제어할 수 있다.
*상기 시스템 제어부는, 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 평균 온도가 소정의 평균 온도 기준값 이하인 경우, 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 평균 온도를 상승시키도록 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 급기구의 개폐를 일괄적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 시스템을 냉각 시키기 위한 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 방법은, 공조 시스템이 배출구를 통해 상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 하강시키기 위한 냉각 공기를 배출하는 단계; 상기 배출구에 연결되어 냉각 공기가 흐르는 경로를 형성하고 상기 복수의 배터리 모듈의 각각에 대응하는 복수의 모듈 냉각구를 포함하는 파이프가 상기 배출구를 통해 배출된 냉각 공기가 각 모듈 냉각구를 통해 각 배터리 모듈을 통과하도록 하여 상기 복수의 배터리 모듈을 냉각시키는 단계; 및 상기 공조 시스템이 상기 흡입구를 통해 상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 하강시킨 후 온도가 상승된 냉각 공기를 흡입하는 단계를 포함하여 구성된다.
상기 복수의 배터리 모듈의 각 배터리 모듈은, 상기 모듈 냉각구로부터 유입되는 냉각 공기를 공급받는 급기구; 상기 배터리 모듈의 온도를 하강시키고 난 후의 냉각 공기를 배출하는 배기구; 상기 급기구를 개폐하는 개폐 장치; 및 상기 개폐 장치에 의한 상기 급기구의 개폐를 제어하여 상기 배터리 모듈에 유입되는 냉각 공기의 유입량을 제어하는 모듈 제어부를 포함할 수 있다.
상기 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 방법은, 시스템 제어부가 상기 복수의 배터리 모듈의 각 모듈 제어부에서 측정된 상기 각 배터리 모듈의 온도에 기반하여, 상기 복수의 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어하는 단계는, 상기 시스템 제어부가 상기 복수의 배터리 모듈 중 최고 온도를 가진 배터리 모듈 및 최저 온도를 가진 배터리 모듈간의 온도 편차가 소정의 온도 편차 기준값 초과인 경우, 상기 시스템 제어부가 상기 각 배터리 모듈의 온도에 대응하여 상기 각 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 개별적으로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 각 배터리 모듈의 온도에 대응하여 상기 각 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 개별적으로 제어하는 단계는, 상기 시스템 제어부가 상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 순차적으로 정렬하는 단계; 상기 시스템 제어부가 정렬된 온도에 따라 상기 복수의 배터리 모듈을 복수의 그룹으로 그룹화하는 단계; 상기 시스템 제어부가 상기 각 배터리 모듈에게 소속된 그룹에 대응하여 상기 급기구의 개폐 정도를 할당하는 단계; 및 할당된 상기 급기구의 개폐 정도에 따라 해당 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어하는 단계는, 상기 복수의 배터리 모듈 중 최고 온도를 가진 배터리 모듈 및 최저 온도를 가진 배터리 모듈간의 온도 편차가 소정의 온도 편차 기준값 이하인 경우, 상기 시스템 제어부가 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 평균 온도를 하강시키도록 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 급기구의 개폐를 일괄적으로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어하는 단계는, 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 평균 온도가 소정의 평균 온도 기준값 이하인 경우, 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 평균 온도를 상승시키도록 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 급기구의 개폐를 일괄적으로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 공조 시스템의 냉각 공기를 배출하는 배출구에 연결되어 냉각 공기가 흐르는 경로를 형성하는 파이프를 포함하되, 파이프가 복수의 배터리 모듈의 각각에 대응하는 복수의 모듈 냉각구를 포함하고 냉각 공기가 각 모듈 냉각구를 통해 각 배터리 모듈을 통과하도록 하여 복수의 배터리 모듈을 냉각시키도록 함으로써, 냉각 공기의 냉기의 손실을 최소화하여 각 배터리 모듈에 공급할 수 있어, 배터리 시스템의 항온을 위한 공조 시스템의 에너지 소모량을 줄일 수 있는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법을 제공할 수 있다. 더불어 종래의 컨테이너급 배터리 시스템의 배터리 랙들에 설치된 냉각 공기 강제 순환용 팬(FAN)을 설치하지 않아도 되어서 팬 구동 전원 소모량과 팬 설치비를 절약할 수 있는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 배터리 시스템에 포함된 복수의 배터리 모듈의 각 배터리 모듈의 온도에 따라 복수의 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어함으로써, 배터리 시스템에 포함된 배터리 모듈간의 온도 편차를 줄여 배터리 시스템의 방전 심도(Depth of Discharge, DOD)를 유지 또는 극대화할 수 있고, 배터리 모듈간의 SOH(State of Health[%])의 편차를 줄일 수 있는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템에 적용될 수 있는 배터리 관리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 배터리 시스템의 공조 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 공조 시스템 및 파이프를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 파이프에 배터리 랙이 체결된 모습을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 배터리 모듈의 후면을 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 배터리 모듈의 전면을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 배터리 모듈을 파이프에 체결한 모습을 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 배터리 모듈의 개폐 장치를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 배터리 모듈의 개폐 장치의 개폐 동작을 도시한 도면이다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에서 배터리 모듈의 온도를 제어하는 과정에 의해 배터리 모듈의 온도를 제어하는 예를 설명하기 위한 표들이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에서 배터리 모듈의 온도를 제어하는 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에서 배터리 모듈간의 온도 편차를 제어하는 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 17 내지 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에서 배터리 모듈간의 온도 편차를 제어하는 과정에 의해 배터리 모듈간의 온도 편차를 제어하는 예를 설명하기 위한 표들이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부"의 용어는 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에 대해 설명하기에 앞서, 배터리 시스템의 온도의 제어 필요성에 대해서 설명하도록 한다.
배터리 시스템 운영의 효율성 측면에서 제어되어야 할 온도 요소는 배터리 모듈의 '평균 온도'와 배터리 모듈간의 '온도 편차'이다. 두 가지 요소는 아래 표 1과 같이 'SOH(State of Health[%])'와 '방전 심도(Depth of Discharge, DOD)'에 영향을 미친다.
SOH DOD
배터리 모듈의 평균 온도 영향도: 大 영향도: 小
배터리 모듈간의 온도 편차 영향도: 거의 없음(배터리 모듈간 퇴화도 편차에는 큰영향을 미침) 영향도: 大
SOH에 있어서, 배터리 모듈의 평균 온도를 기준으로 저온 - 고온 - 상온 순으로 배터리 퇴화 속도가 빨라진다. 따라서, 배터리 모듈의 수명을 늘리기 위해서는 배터리 시스템에서 배터리 모듈의 평균 온도를 상온으로 유지하는 것이 필요하다.
그리고 DOD에 있어서, 방전 심도는 배터리 모듈간의 온도 편차 진단 결과에 영향을 받는다. 따라서, 배터리 시스템의 온도 진단 결과 시 경고(warning)나 고장(fault)으로 진단하여 배터리 시스템이 배터리의 충방전을 중지하는 상황이 발생하지 않도록 하기 위해서는 배터리 모듈간의 온도 편차를 줄이는 것이 필요하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템에 적용될 수 있는 배터리 관리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)은 배터리 컨테이너와 같은 배터리 시스템에 설치될 수 있으며, 3계층 구조로 이루어 질 수 있다.
MBMS(Module Battery Management System)(1)는 배터리 모듈에 구비되고, 배터리 모듈의 상태를 모니터링하여 RBMS(Rack Battery Management System)(2)에 전송하는 역할을 수행한다. MBMS(1)는 해당 배터리 랙에 속하는 하위 배터리 모듈의 개수(NM)만큼 구비될 수 있다.
RBMS(2)는 배터리 랙에 구비되고, 해당 배터리 랙에 속하는 하위 배터리 모듈의 상태와 해당 배터리 랙에 인가되는 전류, 전압 등의 랙 레벨(rack level)의 상태 정보를 토대로 진단 또는 보호 동작을 수행한다. 또한, RBMS(2)는 배터리 모듈과 배터리 랙의 상태 정보를 BBMS(Bank Battery Management System)(3)에 전송하는 역할을 수행한다. RBMS(2)는 해당 배터리 컨테이너에 속하는 배터리 랙의 개수(NR)만큼 구비될 수 있다.
BBMS(3)는 배터리 컨테이너에 구비되고, 하위 배터리 랙들의 전송 데이터를 토대로 최적의 배터리 시스템 운영 방법을 결정하며 적절한 조치를 취한다. 또한, BBMS(3)는 PCS(Power Control System)에 배터리 시스템 상태 정보(종합 정보)를 전송한다.
MBMS(1)와 RBMS(2)간 그리고 RBMS(2)와 BBMS(3)간에는 CAN(Controller Area Network) 통신으로 연결되어 있어 서로 신호를 주고 받을 수 있다.
이와 같은 구조로 이루어진 배터리 관리 시스템은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에 적용되어, 배터리 모듈의 평균 온도 및 온도 편차를 제어할 수 있다.
도 2는 종래의 배터리 시스템의 공조 시스템을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 배터리 시스템(10)은 공조 시스템(11)으로부터 냉각 공기를 전달 받아 배터리 시스템(10) 내의 배터리 랙(12) 및 배터리 모듈(12-1, 12-2)을 냉각시킨다.
하지만, 종래의 배터리 시스템(10)에서 냉각 공기는 전체 배터리 모듈(12-1, 12-2)에 유사한 유량으로 전달되므로 배터리 시스템(10) 내에 설치된 배터리 모듈(12-1, 12-2)들의 평균 온도는 낮출 수 있지만, 배터리 모듈(12-1, 12-2)간 온도 편차를 줄이는데는 한계가 있다.
종래의 배터리 시스템(10)에서의 공조 시스템(11)에 의한 냉각 공기의 흐름은 크게 바닥에서 천장 방향의 상승 흐름 또는 천장에서 바닥 방향의 하강 흐름으로 나뉜다. 이러한 두 흐름 방식 모두 냉각 공기가 적층 구조의 배터리 모듈(12-1, 12-2)을 하나씩 식히면서 상승하거나 하강하는데, 냉각 공기가 마지막 배터리 모듈(12-2)에 도달할 쯤에는 냉각 공기 자체의 온도가 첫번째 배터리 모듈(12-1)에 도달했을 때에 비해 높아져 있을 것이다. 따라서, 종래의 배터리 시스템(10)에서의 공조 시스템(11)에 의한 방식으로는 배터리 모듈(12-1, 12-2)간 온도 편차를 줄이는 것이 쉽지 않을 뿐 아니라, 오히려 배터리 모듈(12-1, 12-2)간의 온도 편차를 가중시키는 원인이 될 수 있다.
이하에서 이러한 종래의 배터리 시스템(10)의 공조 시스템(11)에 의한 방식의 문제점을 해결한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법을 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 3 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템(100)은 공조 시스템(110), 파이프(120) 및 복수의 배터리 모듈(130)을 포함하여 구성될 수 있다. 도 3 내지 도 10에 도시된 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템(100)은 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 3 내지 도 10에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템(100)은 배터리 시스템에 포함되어 구현될 수도 있고, 배터리 시스템 그 자체로 구현될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 공조 시스템 및 파이프를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 공조 시스템(110)은 복수의 배터리 모듈(130)의 온도를 하강시키기 위한 냉각 공기를 배출하는 배출구(111)와 복수의 배터리 모듈(130)의 온도를 하강시킨 후 온도가 상승된 냉각 공기를 흡입하는 흡입구(112)를 포함하여 구성될 수 있다.
파이프(120)는 공조 시스템(110)의 배출구(111)에 연결되어 냉각 공기가 흐르는 경로를 형성하고 복수의 배터리 모듈(130)의 각각에 대응하는 복수의 모듈 냉각구(121)를 포함하여, 배출구(111)를 통해 배출된 냉각 공기가 각 모듈 냉각구(121)를 통해 각 배터리 모듈(130)을 통과하도록 하여 복수의 배터리 모듈(130)을 냉각시킨다.
일 실시예에서, 공조 시스템(110)을 통과한 냉각 공기는 파이프(120)를 지나서 각 배터리 모듈(130)의 후면에 도달하게 된다. 배터리 모듈(130)의 후면부에 도착한 냉각 공기는 배터리 모듈(130) 후면에 있는 급기구(131)을 통해서 배터리 모듈(130) 내부로 흘러 들어가서 배터리 모듈(130) 내부의 온도를 낮춘 다음에 모듈 전면부에 있는 배기구(132)를 통해 배터리 모듈(130) 외부로 배출되어 다시 공조 시스템(110)으로 흘러 들어간다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 파이프에 배터리 랙이 체결된 모습을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템(100)의 파이프(120)는 배터리 랙(130')에 포함된 각 배터리 모듈(130)의 후면에 체결된다. 이와 같이, 파이프(120)를 이용하여 냉각 공기의 흐름을 제어할 경우, 배터리 시스템 내의 배터리 랙(130')에 설치된 모든 배터리 모듈(130)의 후면에 도착한 냉각 공기의 온도를 일정한 수준으로 유지하는 것이 가능해지므로 배터리 모듈(130)간의 온도 편차를 줄이는 것이 가능하다.
또한, 냉각 공기의 온도 손실을 최소화하여 배터리 모듈(130)의 평균 온도 및 배터리 모듈(130)간의 온도 편차를 줄이는데 소모되는 에너지의 양을 줄임으로써 에너지를 절약할 수 있다.
일 실시예에서, 공조 시스템(110)은 흡입구(112)로 들어오는 상기 온도가 상승된 냉각 공기의 온도를 측정하는 온도 측정부(113) 및 배터리 모듈(130)의 전면부에 있는 배기구(132)를 통해 나오는 냉각 공기의 온도에 대응하여 상기 배터리 시스템에 공급되는 냉각 공기의 온도와 풍량을 제어하는 공조 제어부(114)를 더 포함할 수 있다. 공조 시스템(110)은 온도 측정부(113) 및 공조 제어부(114)를 통해 자체적으로 냉각 공기를 조절할 수 있으며, 이 경우 공조 시스템(110)과 BMS간의 통신은 필요 없게 된다. 예를 들어, 공조 시스템(110)은 온도 측정부(113)를 통해 측정된 배터리 시스템(컨테이너) 내기 온도를 기준으로 냉기 조절을 하면 된다. 공조 시스템(110)에서 생성된 냉각 공기는 배터리 모듈(130) 내부를 지나면서 온도 상승되고, 온도 상승된 냉각 공기는 다시 공조 시스템(130)으로 빨려 들어가게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 배터리 모듈의 후면을 도시한 도면이고, 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 배터리 모듈의 전면을 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 배터리 모듈을 파이프에 체결한 모습을 도시한 도면이다.
상기 기술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템(100)은 배터리 시스템에 포함되어 구현될 수도 있고, 배터리 시스템 그 자체로 구현될 수도 있으며, 이러한 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템(100)은 배터리 모듈(130)을 포함할 수 있다. 이하에서는 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템(100)의 배터리 모듈(130)에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템(100)의 배터리 모듈(130)은 파이프(120)의 모듈 냉각구(121)로부터 유입되는 냉각 공기를 공급받는 급기구(131) 및 배터리 모듈(130)의 온도를 하강시키고 난 후의 냉각 공기를 배출하는 배기구(132)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 배터리 모듈(130)은 냉각 공기의 흐름을 한 방향으로 유지하기 위해서 급기구(131)가 배터리 모듈(130)의 일면에 형성되고, 배기구(132)가 배터리 모듈(130)의 일면에 대향하는 타면에 형성될 수 있다. 도 5 및 도 6에는 급기구(131)가 배터리 모듈(130)의 후면에 형성되고, 배기구(132)가 배터리 모듈(130)의 전면에 형성된 예가 도시되어 있다. 이 경우 배터리 모듈의 윗면, 아랫면과 양 옆면에는 배기구(132)를 형성하지 않는다. 이는 도 7에 도시된 바와 같이 냉각 공기가 배터리 모듈(130)의 전면부에 위치한 배터리 셀들(도 9의 135)까지 도달하게 함으로써, 배터리 모듈(130) 내 배터리 셀들(도 9의 135) 간의 온도 편차를 줄이도록 하기 위한 것이다.
일 실시예에서, 급기구(131)는, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 파이프(120)의 모듈 냉각구(121)와 체결되되, 급기구(131)의 크기는 모듈 냉각구(121)의 크기보다 크게 형성될 수 있다. 이를 통해, 파이프의 모듈 냉각구(121)가 급기구(131) 안으로 들어가게 체결됨으로써, 냉각 공기가 손실 없이 배터리 모듈(130)로 흘러 들어 갈 수 있게 된다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 배터리 모듈의 개폐 장치를 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 배터리 모듈의 개폐 장치의 개폐 동작을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 배터리 모듈(130)은 배터리 모듈(130) 내 냉각 공기의 유입량 제어를 위하여 급기구(131)를 개폐하는 개폐 장치(133)를 더 포함할 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 개폐 장치(133)는 개폐판(133-1)은 급기구(131)의 부근에 형성되어 급기구(131)를 개폐하는 개폐판(133-1), 개폐판(133-1)을 열고 닫는 동력을 제공하는 서보모터(133-2), 서보모터(133-2)에 연결되는 원판(133-3) 및 원판(133-3) 및 개폐판(133-1)을 연결하고, 원판(133-3)에 전달된 서보모터(133-2)의 동력을 개폐판(133-1)에 전달하여 서보모터(133-2)의 회전운동을 개폐판(133-1)의 직선운동으로 변환하는 연결대(133-4)를 포함할 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템의 배터리 모듈(130)의 개폐 장치(133)는 서보모터(133-2)를 시계 방향으로 회전시켜 급기구(131)의 개폐 정도를 증가시키거나, 반시계 방향(133-3)으로 회전시켜 급기구(131)의 개폐 정도를 감소시킬 수 있다. 도 10의 (a)는 급기구(131)가 완전히 닫힌 경우, 즉 개폐 정도가 0%인 경우를 나타내고, 도 10의 (b)는 급기구(131)가 반 정도 열린 경우, 즉 개폐 정도가 50%인 경우를 나타내며, 도 10의 (c)는 급기구(131)가 완전히 열린 경우, 즉 개폐 정도가 100%인 경우를 나타낸다.
이와 같은 개폐 장치(133)는 배터리 모듈(130)에 포함된 모듈 제어부(134)의 제어를 받을 수 있다. 일 실시예에서, 모듈 제어부(134)는 개폐 장치(133)에 의한 급기구(131)의 개폐를 제어하여 배터리 모듈(130)에 유입되는 냉각 공기의 유입량을 제어할 수 있다. 또한, 모듈 제어부(134)는 각 배터리 모듈을 제어하는 MBMS(도 1의 1)에 해당할 수 있다.
다시 도 4로 돌아와서, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템(100)은 복수의 배터리 모듈(130)의 각 모듈 제어부(134)에서 측정된 각 배터리 모듈(130)의 온도에 기반하여, 복수의 배터리 모듈(130)의 급기구(130)의 개폐를 제어하는 시스템 제어부(140)를 더 포함할 수 있다. 시스템 제어부(140)는 배터리 랙 및 해당 배터리 랙에 속하는 하위 배터리 모듈을 제어하는 RBMS(도 1의 2) 또는 배터리 컨테이너 및 해당 배터리 컨테이너에 속하는 하위 배터리 랙 및 배터리 모듈 전체를 제어하는 BBMS(3)(도 1의 3)에 해당할 수 있다.
이하에서는, 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템(100)의 시스템 제어부(140)에 의해 수행될 수 있는, 복수의 배터리 모듈(130)에 구비된 개폐 장치(133)를 제어하여 배터리 모듈(130)의 평균 온도 및 배터리 모듈(130)간의 온도 편차를 제어하는 구체적인 과정 및 그 예에 대해서 설명하도록 한다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에서 배터리 모듈의 온도를 제어하는 과정에 의해 배터리 모듈의 온도를 제어하는 예를 설명하기 위한 표들이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에서 배터리 모듈의 온도를 제어하는 과정은 크게 '모듈 온도 편차 제어 구간', '모듈 평균 온도 제어 구간' 및 '모듈 온도 제어 중지 구간'으로 나눌 수 있다.
'모듈 온도 편차 제어 구간'은 배터리 모듈(130)간의 온도 편차를 특정 수준밑으로 낮추기 위해 각 배터리 모듈(130)의 급기구(131)의 개폐 정도를 개별적으로 제어하는 구간이다. 예를 들어, '모듈 온도 편차 제어 구간'은 배터리 모듈(130)간의 온도 편차를 2.0℃ 미만까지 낮추는 구간일 수 있다. '모듈 온도 편차 제어 구간' 시, 시스템 제어부(140)는 복수의 배터리 모듈(130) 중 최고 온도를 가진 배터리 모듈 및 최저 온도를 가진 배터리 모듈간의 온도 편차가 소정의 온도 편차 기준값 초과인 경우, 각 배터리 모듈(130)의 온도에 대응하여 각 배터리 모듈(130)의 급기구(131)의 개폐를 개별적으로 제어할 수 있다.
'모듈 평균 온도 제어 구간'은 모든 배터리 모듈(130)의 온도를 균등하게 낮추기 위해, 즉 복수의 배터리 모듈(130)의 평균 온도를 낮추기 위해 모든 배터리 모듈(130)의 급기구(131)의 개폐 정도를 100%로 제어하는 구간이다. '모듈 평균 온도 제어 구간' 시, 시스템 제어부(140)는 복수의 배터리 모듈(130) 중 최고 온도를 가진 배터리 모듈 및 최저 온도를 가진 배터리 모듈간의 온도 편차가 소정의 온도 편차 기준값 이하인 경우, 복수의 배터리 모듈(130) 전체의 평균 온도를 하강시키도록 복수의 배터리 모듈(130) 전체의 급기구(131)의 개폐를 일괄적으로 제어할 수 있다.
'모듈 온도 제어 중지 구간'은 배터리 모듈(130)의 평균 온도가 너무 낮아지게 되는 것을 막기 위해 모든 배터리 모듈(130)의 급기구(131)의 개폐 정도를 0%로 제어하는 구간이다. '모듈 온도 제어 중지 구간' 시, 시스템 제어부(140)는 복수의 배터리 모듈(130) 전체의 평균 온도가 소정의 평균 온도 기준값 이하인 경우, 복수의 배터리 모듈(130) 전체의 평균 온도를 상승시키도록 복수의 배터리 모듈(130) 전체의 급기구(131)의 개폐를 일괄적으로 제어할 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에 의한 배터리 모듈의 온도를 제어하는 과정이 수행되기 이 전의 배터리 모듈(130)별 온도가 개시되어 있다. MT는 각 배터리 모듈(130)의 모듈 온도(Module Temperature)를 의미하고, NR은 배터리 시스템 내 배터리 랙(130')의 개수, NM은 배터리 랙(130') 내 배터리 모듈의 개수를 의미한다. 도 11에서는 배터리 랙(130') 내에서 최고 온도 및 최저 온도를 가진 배터리 모듈(130)간의 온도 편차가 적게는 4.8℃에서 크게는 7.3℃까지 나는 것을 확인할 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에 의한 배터리 모듈의 온도를 제어하는 과정에서 '모듈 온도 편차 제어 구간'이 수행되어 각 배터리 모듈(130)의 급기구(131)의 개폐 정도를 개별적으로 제어하는 예가 도시되어 있다. 도 12에서는 도 11에서 모듈 온도(MT)가 37℃ 이상의 배터리 모듈(130)은 급기구(131)의 개폐 정도를 100%로 제어하고, 36℃ 이상 37℃미만의 배터리 모듈(130)은 급기구(131)의 개폐 정도를 75%로 제어하고, 35℃ 이상 36℃미만의 배터리 모듈(130)은 급기구(131)의 개폐 정도를 50%로 제어하고, 31℃ 이상 35℃미만의 배터리 모듈(130)은 급기구(131)의 개폐 정도를 25%로 제어하고, 31℃미만의 배터리 모듈(130)은 급기구(131)의 개폐 정도를 0%로 제어함으로써, 배터리 모듈의 모듈 온도(MT)에 따라 급기구(131)의 개폐 정도를 개별적으로 제어하는 예를 확인할 수 있다.
도 13을 참조하면, 도 12에서와 같은 '모듈 온도 편차 제어 구간'의 수행을 통해 급기구(130)의 개폐 정도를 개별적으로 제어하여 일정 시간 유지함으로써, 배터리 모듈(130)간의 온도 편차가 일정 수준 미만으로 제어된 예가 도시되어 있다. 도 13에는 배터리 랙(130') 내에서 최고 온도 및 최저 온도를 가진 배터리 모듈(130)간의 온도 편차가 적게는 1.3℃에서 크게는 1.9℃까지로 2℃ 미만으로 제어된 것을 확인할 수 있다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에 의한 배터리 모듈의 온도를 제어하는 과정에서 '모듈 평균 온도 제어 구간'이 수행되어 모든 배터리 모듈(130)의 급기구(131)의 개폐 정도가 100%로 제어하는 예가 도시되어 있다. 도 14에서는 배터리 모듈(130)간의 온도 편차가 2℃미만으로 제어됐으므로 모든 배터리 모듈(130)의 평균 온도를 낮추기 위해 모든 배터리 모듈(130)의 급기구(131)를 100%로 열도록 제어하는 예를 확인할 수 있다.
이하 도 15를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에서 배터리 모듈의 온도를 제어하는 과정이 어떻게 이루어지는지 순서도를 통해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에서 배터리 모듈의 온도를 제어하는 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 15에 개시된 배터리 모듈의 온도를 제어하는 과정은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템(100)의 시스템 제어부(140)에 의해 수행될 수 있다. 그리고 도 15의 배터리 모듈의 온도를 제어하는 과정의 처리 주기는 1초일 수 있다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에서 배터리 모듈의 온도를 제어하는 과정이 시작되면, 먼저 급기구 상태 유지 카운터(airInlet Status Maintenance Counter, ISMC)를 0으로 설정한다(S1501). ISMC는 급기구(132)의 개폐 정도가 설정된 상태로 얼마나 유지될지를 결정하는 카운터 값이다.
그리고 배터리 랙(130')별 또는 배터리 모듈(130)별 모듈 온도(MT)를 수집한다(S1502). 그리고 나서 배터리 랙(130')별로 배터리 모듈 온도의 최대값(MT_max) 및 배터리 모듈 온도의 최소값(MT_min)의 차이값을 산출하여 배터리 모듈(130)간의 온도 편차(MT_dev)를 구한다(S1503). 단계(S1503)은 배터리 랙(130')별로 구비된 RBMS를 통해 수행될 수 있다.
그리고 배터리 모듈 전체의 모듈 온도(MT)의 평균 온도(MT_avg)를 구하여 이를 평균 온도 기준값(B)과 비교한다(S1504). 평균 온도 기준값(B)은 해당 평균 온도(MT_avg) 값이 '모듈 평균 온도 제어 구간' 또는 '모듈 온도 편차 제어 구간'을 수행해야 하는 값에 해당하는지, '모듈 평균 온도 제어 중지 구간'을 수행해야 하는 값에 해당하는지를 판단하기 위한 기준값이며, 배터리 시스템 운용 환경에 따라 최적값으로서 초기값으로 정해지거나, 사용자에 의해 설정될 수 있는 값으로서, 예를 들어, 30℃로 설정될 수 있다.
단계(S1504)에서 배터리 모듈 전체의 모듈 온도(MT)의 평균 온도(MT_avg)가 평균 온도 기준값(B) 초과인 경우에는, ISMC가 0인지를 확인하고(S1505), 0이 아닌 경우에는 ISMC를 1만큼 차감하고(S1506), 단계(S1502)로 되돌아 가고, 0인 경우에는 다음 단계(S1507)로 넘어간다.
그리고 배터리 모듈(130)간의 온도 편차(MT_dev)를 온도 편차 기준값(A)과 비교한다(S1507). 온도 편차 기준값(A)은 해당 온도 편차(MT_dev) 값이 '모듈 평균 온도 제어 구간'을 수행해야 하는 값에 해당하는지, '모듈 온도 편차 제어 구간'을 수행해야 하는 값에 해당하는지를 판단하기 위한 기준값이며, 배터리 시스템 운용 환경에 따라 최적값으로서 초기값으로 정해지거나, 사용자에 의해 설정될 수 있는 값으로서, 예를 들어, 5℃로 설정될 수 있다.
단계(S1507)에서 배터리 모듈(130)간의 온도 편차(MT_dev)가 온도 편차 기준값(A) 초과인 경우에는 '모듈 온도 편차 제어 구간'을 수행하기 위해, 각 배터리 모듈(130)의 온도에 대응하여 각 배터리 모듈(130)의 급기구의 개폐 정도를 개별적으로 설정한다(S1508).
그리고 단계(S1507)에서 배터리 모듈(130)간의 온도 편차(MT_dev)가 온도 편차 기준값(A) 이하인 경우에는 '모듈 평균 온도 제어 구간'을 수행하기 위해, 복수의 배터리 모듈(130) 전체의 평균 온도를 하강시키도록 복수의 배터리 모듈(130) 전체의 급기구(131)의 개폐를 일괄적으로 설정한다(S1509). 이 경우, 복수의 배터리 모듈(130) 전체의 급기구(131)의 개폐 정도를 100%로 설정할 수 있다.
단계(S1508) 또는 단계(S1509)을 거치고 난 후에는, ISMC를 급기구 개폐 상태 유지 시간(C)으로 설정한다(S1510). 급기구 개폐 상태 유지 시간(C)는 배터리 모듈의 온도 제어를 위해 급기구 개폐 상태를 유지하는 시간(C)이며, 배터리 시스템 운용 환경에 따라 최적값으로서 초기값으로 정해지거나, 사용자에 의해 설정될 수 있는 값으로서, 예를 들어, 60초 또는 600초로 설정될 수 있다.
단계(S1504)에서 배터리 모듈 전체의 모듈 온도(MT)의 평균 온도(MT_avg)가 평균 온도 기준값(B) 이하인 경우에는 '모듈 온도 제어 중지 구간'을 수행하기 위해, 복수의 배터리 모듈(130) 전체의 평균 온도를 상승시키도록 복수의 배터리 모듈(130) 전체의 급기구(131)의 개폐를 일괄적으로 설정한다(S1511). 이 경우, 복수의 배터리 모듈(130) 전체의 급기구(131)의 개폐 정도를 0%로 설정할 수 있다.
단계(S1511) 을 거치고 난 후에는, ISMC를 0으로 설정한다(S1512).
*상기 설명한 바와 같이 '모듈 온도 편차 제어 구간', '모듈 평균 온도 제어 구간' 및 '모듈 온도 제어 중지 구간' 중 어느 하나의 구간을 수행하고 난 후에는, 결정된 배터리 모듈(130)별 급기구(131)의 개폐 정도를 시스템 제어부(140)를 거쳐 각 모듈 제어부(134)로 전송하여(S1513), 각 배터리 모듈(130)이 해당 급기구(131)의 개폐 정도에 따라 개폐 장치(133)를 제어하여 급기구(131)를 개폐할 수 있도록 한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에서 배터리 모듈간의 온도 편차를 제어하는 과정을 설명하기 위한 순서도이며, 도 17 내지 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에서 배터리 모듈간의 온도 편차를 제어하는 과정에 의해 배터리 모듈간의 온도 편차를 제어하는 예를 설명하기 위한 표들이다.
도 16에 도시된 과정은 도 15의 단계(S1508)에 해당하는 과정을 구체적으로 설명한 것이다.
배터리 모듈간의 온도 편차를 제어하는 과정이 시작되면, 먼저 배터리 시스템 내 복수의 배터리 모듈(130) 전체의 온도를 오름차순으로 정렬한다(S1601). 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에 의한 배터리 모듈간의 온도 편차를 제어하는 과정이 수행되기 이 전의 배터리 모듈(130)별 온도가 개시되어 있다. 그리고 도 18은 도 17에 도시된 배터리 모듈(130)별 온도를 오름차순으로 정렬한 일 예가 도시되어 있다. 도 18에서 NR은 배터리 시스템 내 배터리 랙(130')의 개수, NM은 배터리 랙(130') 내 배터리 모듈의 개수를 의미한다. RBMS ID는 해당 배터리 모듈(130)이 속하는 배러리 랙(130')의 RBMS의 식별 번호를 의미하고, MBMS ID는 해당 배터리 모듈(130)의 MBMS의 식별 번호를 의미한다.
도 18과 같이 배터리 시스템 내 전체 배터리 모듈(130)의 온도가 오름차순으로 정렬되고 나면, 정렬된 온도에 따라 복수의 배터리 모듈(130)을 복수의 그룹으로 그룹화한다(S1602). 도 19에는 정렬된 온도를 낮은 온도에서부터 높은 온도 순으로 5개 그룹으로 그룹화한 예가 도시된다.
그리고 나서, 그룹화된 각 배터리 모듈에게 소속된 그룹에 대응하여 급기구의 개폐 정도를 할당한다(S1603). 도 20에는 각 그룹으로 그룹화된 각 배터리 모듈에게 소속된 그룹에 대응하여 0%, 25%, 50%, 75%, 100%로 할당한 예가 도시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템 및 방법에서 그룹의 개수, 즉 급기구의 개폐 정도의 가지수는 온도 제어의 정밀도의 요구사항에 맞춰서 결정될 수 있으며, 그룹의 개수가 많을수록, 높은 정밀도의 온도 제어가 가능하다. 도 17 내지 도 20에서는 그룹의 개수가 5개인 경우로 가정하여 설명하였으나, 이는 일 실시예에 따른 것이며, 필요에 따라 그룹의 개수는 조정될 수 있다.
이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.

Claims (19)

  1. 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 시스템을 냉각 시키기 위한 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 하강시키기 위한 냉각 공기를 배출하는 배출구와 상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 하강시킨 후 온도가 상승된 냉각 공기를 흡입하는 흡입구를 포함하는 공조 시스템; 및
    상기 배출구에 연결되어 냉각 공기가 흐르는 경로를 형성하고 상기 복수의 배터리 모듈의 각각에 대응하는 복수의 모듈 냉각구를 포함하여, 상기 배출구를 통해 배출된 냉각 공기가 각 모듈 냉각구를 통해 각 배터리 모듈을 통과하도록 하여 상기 복수의 배터리 모듈을 냉각시키는 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈을 포함하되,
    각 배터리 모듈은,
    상기 모듈 냉각구로부터 유입되는 냉각 공기를 공급받는 급기구; 및
    상기 배터리 모듈의 온도를 하강시키고 난 후의 냉각 공기를 배출하는 배기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 급기구는,
    상기 배터리 모듈의 일면에 형성되고,
    상기 배기구는,
    상기 배터리 모듈의 일면에 대향하는 타면에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 급기구는,
    상기 모듈 냉각구와 체결되되, 상기 급기구의 크기는 상기 모듈 냉각구의 크기보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 급기구를 개폐하는 개폐 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 개폐 장치는,
    상기 급기구의 부근에 형성되어 상기 급기구를 개폐하는 개폐판;
    상기 개폐판을 열고 닫는 동력을 제공하는 서보모터;
    상기 서보모터에 연결되는 원판; 및
    상기 원판 및 상기 개폐판을 연결하고, 상기 원판에 전달된 상기 서보모터의 동력을 상기 개폐판에 전달하여 상기 서보모터의 회전운동을 상기 개폐판의 직선운동으로 변환하는 연결대를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 개폐 장치에 의한 상기 급기구의 개폐를 제어하여 상기 배터리 모듈에 유입되는 냉각 공기의 유입량을 제어하는 모듈 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈의 각 모듈 제어부에서 측정된 상기 각 배터리 모듈의 온도에 기반하여, 상기 복수의 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어하는 시스템 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는,
    상기 복수의 배터리 모듈 중 최고 온도를 가진 배터리 모듈 및 최저 온도를 가진 배터리 모듈간의 온도 편차가 소정의 온도 편차 기준값 초과인 경우, 상기 각 배터리 모듈의 온도에 대응하여 상기 각 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 개별적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는,
    상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 순차적으로 정렬하고, 정렬된 온도에 따라 상기 복수의 배터리 모듈을 복수의 그룹으로 그룹화한 다음, 상기 각 배터리 모듈에게 소속된 그룹에 대응하여 상기 급기구의 개폐 정도를 할당하며,
    상기 각 배터리 모듈의 모듈 제어부는,
    할당된 상기 급기구의 개폐 정도에 따라 해당 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는,
    상기 복수의 배터리 모듈 중 최고 온도를 가진 배터리 모듈 및 최저 온도를 가진 배터리 모듈간의 온도 편차가 소정의 온도 편차 기준값 이하인 경우, 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 평균 온도를 하강시키도록 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 급기구의 개폐를 일괄적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 시스템 제어부는,
    상기 복수의 배터리 모듈 전체의 평균 온도가 소정의 평균 온도 기준값 이하인 경우, 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 평균 온도를 상승시키도록 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 급기구의 개폐를 일괄적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 시스템.
  13. 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 시스템을 냉각 시키기 위한 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 방법에 있어서,
    공조 시스템이 배출구를 통해 상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 하강시키기 위한 냉각 공기를 배출하는 단계;
    상기 배출구에 연결되어 냉각 공기가 흐르는 경로를 형성하고 상기 복수의 배터리 모듈의 각각에 대응하는 복수의 모듈 냉각구를 포함하는 파이프가 상기 배출구를 통해 배출된 냉각 공기가 각 모듈 냉각구를 통해 각 배터리 모듈을 통과하도록 하여 상기 복수의 배터리 모듈을 냉각시키는 단계; 및
    상기 공조 시스템이 상기 흡입구를 통해 상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 하강시킨 후 온도가 상승된 냉각 공기를 흡입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈의 각 배터리 모듈은,
    상기 모듈 냉각구로부터 유입되는 냉각 공기를 공급받는 급기구;
    상기 배터리 모듈의 온도를 하강시키고 난 후의 냉각 공기를 배출하는 배기구;
    상기 급기구를 개폐하는 개폐 장치; 및
    상기 개폐 장치에 의한 상기 급기구의 개폐를 제어하여 상기 배터리 모듈에 유입되는 냉각 공기의 유입량을 제어하는 모듈 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    시스템 제어부가 상기 복수의 배터리 모듈의 각 모듈 제어부에서 측정된 상기 각 배터리 모듈의 온도에 기반하여, 상기 복수의 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어하는 단계는,
    상기 시스템 제어부가 상기 복수의 배터리 모듈 중 최고 온도를 가진 배터리 모듈 및 최저 온도를 가진 배터리 모듈간의 온도 편차가 소정의 온도 편차 기준값 초과인 경우, 상기 시스템 제어부가 상기 각 배터리 모듈의 온도에 대응하여 상기 각 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 개별적으로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 각 배터리 모듈의 온도에 대응하여 상기 각 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 개별적으로 제어하는 단계는,
    상기 시스템 제어부가 상기 복수의 배터리 모듈의 온도를 순차적으로 정렬하는 단계;
    상기 시스템 제어부가 정렬된 온도에 따라 상기 복수의 배터리 모듈을 복수의 그룹으로 그룹화하는 단계;
    상기 시스템 제어부가 상기 각 배터리 모듈에게 소속된 그룹에 대응하여 상기 급기구의 개폐 정도를 할당하는 단계; 및
    할당된 상기 급기구의 개폐 정도에 따라 해당 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어하는 단계는,
    상기 복수의 배터리 모듈 중 최고 온도를 가진 배터리 모듈 및 최저 온도를 가진 배터리 모듈간의 온도 편차가 소정의 온도 편차 기준값 이하인 경우, 상기 시스템 제어부가 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 평균 온도를 하강시키도록 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 급기구의 개폐를 일괄적으로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 모듈의 급기구의 개폐를 제어하는 단계는,
    상기 복수의 배터리 모듈 전체의 평균 온도가 소정의 평균 온도 기준값 이하인 경우, 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 평균 온도를 상승시키도록 상기 복수의 배터리 모듈 전체의 급기구의 개폐를 일괄적으로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 냉각 공기 흐름 제어 방법.
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