WO2020149545A1 - 배터리 랙 및 이를 포함하는 전력 저장 장치 - Google Patents

배터리 랙 및 이를 포함하는 전력 저장 장치 Download PDF

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WO2020149545A1
WO2020149545A1 PCT/KR2019/018306 KR2019018306W WO2020149545A1 WO 2020149545 A1 WO2020149545 A1 WO 2020149545A1 KR 2019018306 W KR2019018306 W KR 2019018306W WO 2020149545 A1 WO2020149545 A1 WO 2020149545A1
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battery
battery rack
rack
base plate
coupled
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이승윤
김용일
최용석
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a battery rack and a power storage device including the same, and more particularly, to a battery rack having enhanced seismic performance and a power storage device including the same.
  • Secondary batteries are attracting attention as a new energy source for eco-friendliness and energy efficiency enhancement, in that they not only generate by-products due to the use of energy, as well as a primary advantage that can dramatically reduce the use of fossil fuels.
  • the power storage device is a system that stores power at normal times and then supplies it at a time when power is required, such as a power outage or power shortage, and has a structure in which a plurality of secondary batteries are integrated to secure an appropriate operating voltage and charging capacity.
  • a power storage device is provided in a form in which a plurality of batteries are stacked in a predetermined row in a tower-type battery rack placed on a floor provided in a power room or the like.
  • Examples of conventional battery racks are disclosed in Korean Patent Registration No. KR 10-1278506 B1 and Korean Patent Publication No. KR 10-2015-0113688 A.
  • the present invention was devised in consideration of the above problems, and provides a battery rack and a power storage device including the battery rack capable of enhancing seismic performance while reducing or maintaining weight compared to a conventional battery rack.
  • a battery rack includes a base plate forming a bottom surface; A main frame coupled to the base plate and extending in a height direction to form a wall to support both side portions of the battery modules; And a top plate coupled to an uppermost portion of the main frame to form a ceiling, and at least one of the top plate and the base plate may be provided in a plate-like shape with a bead.
  • the top plate and the base plate are rectangular plate-shaped bodies, and the beads may be formed in an X shape crossing the square plate-shaped bodies.
  • the main frame includes a pair of first main frames and second main frames that are spaced apart from each other by the width of the battery modules, and the first main frame and the second main frame are each lengths from the base plate.
  • a pair of vertical beams spaced apart from each other and extending in the height direction, respectively;
  • a plurality of guide beams coupled to the pair of vertical beams at equal intervals along the height direction and provided to support the bottom edge area of the battery module.
  • the base plate and the top plate are square plate-shaped and have a lateral protrusion formed more protruding in the width direction than the other portions in the corner area, and the vertical beam is provided in a cross section with a "d" shape to surround the lateral protrusion. Both ends may be coupled to the plate and the top plate.
  • a wall mount member may be further coupled to at least one of the vertical beams in the first and second main frames.
  • the wall mount member may be integrally coupled to the vertical beam and the lateral protrusion in a “c” shape.
  • the wall mount member may include an elastic body to elastically support the main frame with respect to a wall surface.
  • the wall mount member may include a spring corresponding to the elastic body; A rack fixing part coupled to one end of the spring and having a thread formed therein; and a wall surface fixing part having fastening means coupled to the other end of the spring and screwable to the wall surface, wherein the vertical beam Silver may further include a wall mount fastening portion that is screw-coupled to the rack fixing portion on one side.
  • the rack fixing part and the wall fixing part may be provided to be rotatable relative to the spring.
  • a power storage device including the above-described battery rack and a plurality of battery modules stacked in multiple stages in the battery rack may be provided.
  • a battery rack having enhanced seismic performance and an electric power storage device including the battery rack may be provided without increasing weight compared to a conventional battery rack.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a power storage device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a combined perspective view of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a view showing the top plate of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 2.
  • FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 4 and is a view of a battery rack employing a wall mount member according to another embodiment of the present invention.
  • 6 and 7 are cross-sectional views illustrating an example of the installation of the wall mount member of FIG. 5.
  • the power storage device described below may be a device that stores excessively produced power in a photovoltaic or power plant, or transmits it when a power peak occurs.
  • the power storage device may use physical energy or chemical energy as an energy source.
  • it will be described as limited to using a secondary battery as a chemical energy source.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a power storage device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a combined perspective view of FIG. 1
  • FIG. 3 is a view showing the top plate of FIG. 1.
  • the power storage device includes battery modules 100 and a battery rack 200 provided to stack the battery modules 100 in layers.
  • the battery modules 100 are not shown in detail for convenience of drawing, but each include a battery cell and a module case.
  • the battery cell is a secondary battery, and may be provided in a plurality of at least one or more, and any of a pouch type secondary battery, a prismatic secondary battery and a cylindrical secondary battery may be employed.
  • This embodiment is a battery module in which pouch-type secondary cells that are easy to stack and easily increase energy density are stored in a module case.
  • the module case may be provided with a metal material having good mechanical rigidity to protect the battery cells from external impact, and an air inlet and an air outlet may be provided.
  • the air inlet may be provided on one front side of the module case, and external air may be guided into the module case to cool the battery cells through the air inlet.
  • the air outlet may be provided on one side of the rear of the module case, and hot air and heat may be discharged from the inside of the module case through the air outlet.
  • the air inlet and the air outlet may be implemented by forming a plurality of perforation holes in the module case, and a fan is installed in at least one of these air inlets or air outlets to force external air into and out of the module case. I can do it.
  • the battery modules 100 may be stacked in multiple stages in a battery rack 200 provided in a tower shape, as shown in FIG. 2.
  • the battery rack 200 may be a structure for safely storing and storing the battery module 100.
  • the battery rack 200 of the present invention it is configured to secure sufficient seismic performance without increasing the thickness of the battery rack 200 by applying an advantageous geometry to secure seismic performance, including beads 240 Therefore, the overall weight is less than that of other existing battery racks 200 having the same level of seismic performance, and accordingly, transport and installation can be facilitated and material costs can be reduced.
  • the battery rack 200 includes a base plate 210, a main frame 220, a top plate 230, and a wall mount member 250.
  • the base plate 210 is a portion forming the bottom surface of the battery rack 200 and may be a plate-like body having an area substantially larger than the battery module 100.
  • the base plate 210 serves to support the loads of the battery modules 100 and the battery rack 200, and thus has a metal plate shape to secure rigidity, and a bead 240 is applied to the plate surface.
  • the bead 240 is preferably X-shaped. Additional description of the X-shaped bead 240 will be described later.
  • the main frame 220 is coupled to the base plate 210 and extends in the height direction to form a wall to support both side portions of the battery modules 100.
  • the internal space of the battery rack 200 may be limited to the main frame 220.
  • the main frame 220 is spaced apart from each other, and includes both the first main frame 220a and the second main frame 220b disposed on two sides of the base plate 210, that is, two long sides of the base plate 210. do.
  • the distance between the first main frame 220a and the second main frame 220b corresponds to the width of the battery module 100.
  • the battery modules 100 may be interposed between the first main frame 220a and the second main frame 220b and stacked with both side portions supported.
  • first main frame 220a and the second main frame 220b are a pair of vertical beams 221 that are spaced apart from each other in the longitudinal direction in the base plate 210 and extend in the height direction, respectively.
  • a plurality of guide beams 223 coupled to the pair of vertical beams 221 at equal intervals along the height direction and provided to support the bottom edge area of the battery module 100.
  • the guide beams 223 are substantially “L” in cross section, and one surface is coupled to a pair of vertical beams 221 and supports the bottom edge area of the battery module 100 on the other surface.
  • the spacing of the plurality of guide beams 223 corresponds to the thickness of the battery module 100.
  • the battery modules 100 may be inserted one by one and disposed in a layered manner.
  • the top plate 230 is a component that is coupled to the top end of the main frame 220 to form the ceiling of the battery rack 200 covering the upper space of the battery modules 100.
  • the top plate 230 of the present embodiment like the base plate 210, is provided with beads 240 on the plate surface for enhanced seismic performance.
  • the beads 240 on the base plate 210 and the top plate 230 described above are X-shaped.
  • the base plate 210 and the top plate 230 have a rectangular plate surface, and the beads 240 may be formed in an X shape that crosses the entire area of the rectangular plate surface.
  • the shape of the bead 240 may be formed in various patterns such as a circular shape, an oval shape, and a honeycomb shape.
  • the bead 240 on the base plate 210 and the top plate 230 as in the present embodiment is most preferably X-shaped.
  • the base plate 210 and the top plate 230 can be said to be structures having a constant spacing between the first main frame 220a and the second main frame 220b.
  • the base plate 210 and the top plate 230 are deformed by vibration or shock, the first main frame 220a and the second main frame 220b connected therebetween are naturally twisted. From this point of view, it can be seen that whether the structural rigidity of the base plate 210 and the top plate 230 affects the seismic performance of the battery rack 200 is large.
  • the battery rack 200 is often fixedly installed on the wall (W), but when the battery rack (200) is fixed to the wall (W) and subjected to vibration tests, the stress in the base plate (210) and the top plate (230) is X-shaped. It is observed that it is highly distributed in the form. Accordingly, the present embodiment is based on the X-shaped stress distribution in which stress is concentrated in the base plate 210 and/or the top plate 230 as described above, the X-shaped beads 240 in the base plate 210 and the top plate 230 ) The shape is applied. Therefore, the X-shaped bead 240 may be more advantageous in securing rigidity and lowering the strain rate of the base plate 210 and the top plate 230 compared to other bead 240 shapes.
  • the base plate 210 and the top plate 230 of this embodiment each have side projections 232.
  • the lateral protrusion 232 refers to a portion that is formed to protrude in the width direction more than the other portions in the four corner regions of the top plate 230, as shown in FIG.
  • the vertical beam 221 is provided in a cross-sectional shape of "d", and the vertical beam 221 is formed on the side (thickness side) of the base plate 210 and the top plate 230 in a form surrounding the lateral protrusion 232. It is in close contact, and a bolt (B) may be fastened to the close contact surface.
  • the vertical beams 221 are configured to be assembled in a shape-fitted manner to the base plate 210 and the top plate 230, respectively, and assembly is easy. After assembly, even if an external force is applied, play does not occur with respect to each other.
  • the vertical beams 221 in a “d” shape in cross section, the overall weight of the battery rack 200 may be lowered while maintaining rigidity of a predetermined level or higher.
  • the battery rack 200 may further include a wall mount member 250.
  • the battery rack 200 may be fixedly installed on the floor and the wall W.
  • the entire battery rack 200 may be housed in an external cabinet (not shown) and the external cabinet may be fixedly installed on the wall W.
  • the battery rack 200 itself is relatively
  • the wall mount member 250 can be used as a means for fixing to water.
  • the wall mount member 250 may be coupled to the rear side vertical beams 221 of the battery rack 200 in the first main frame 220a and the second main frame 220b, as shown in FIG. 4. .
  • the wall mount member 250 of the present embodiment is substantially “U” shaped, and one side is integrally coupled to the vertical beam 221 and the lateral protrusions 232 and the other side can be coupled to the wall surface W.
  • the wall mount member 250 may be applied to at least one or more along the height direction of the battery rack 200.
  • the battery rack 200 may be fixed in a state spaced apart from the wall surface W through the wall mount member 250. This is to secure some space between the battery rack 200 and the wall (W) to dissipate heat generated by the battery module 100 and to bypass materials such as wires to the rear of the battery rack 200 There is also.
  • FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 4, which is a view of the battery rack 200 employing the wall mount member 250 according to another embodiment of the present invention
  • FIGS. 6 and 7 are wall mount members 250 of FIG. 5 ) Are sectional views for explaining an installation example.
  • FIGS. 5 to 7 The same member number as the above-described embodiment represents the same member, and duplicate description of the same member will be omitted and the difference from the above-described embodiment will be mainly described.
  • the wall mount member 250 of the above-described embodiment is composed of a "c" shaped bracket, while the wall mount member 250' of the present embodiment includes the elastic body to the main frame 220 with respect to the wall W. ) Is elastically supported.
  • the wall mount member 250 is coupled to one end of the spring 251 corresponding to the elastic body and the spring 251, and a thread is formed inside. It includes a rack fixing portion 252 and a wall fixing portion 253 having a fastening means coupled to the other end of the spring 251 and screwed to the wall W.
  • Wall mount fastening for coupling with the rack fixing part 252 of the wall mount member 250' to the vertical beams 221 disposed on the rear sides of the first main frame 220a and the second main frame 220b.
  • a portion 221a may be further provided.
  • the wall mount fastening part 221a may be implemented in a protrusion shape having a screw thread on the outer periphery of the rack fixing part 252 and screwing.
  • the wall mount member 250 may further include a rotating plate 254 to rotate the rack fixing portion 252 and the wall fixing portion 253 relative to the spring 251, respectively.
  • both ends of the spring 251 are fixed to the rotating plate 254, and the rack fixing portion 252 may be assembled to be rotated relative to the rotating plate 254.
  • the wall fixing part 253 may be assembled so as to be rotatable relative to the rotating plate 254 like the rack fixing part 252.
  • the wall mount member 250' is fixed to the wall surface W.
  • the wall mount member 250 may be installed on the wall W by turning the wall fixing part 253 clockwise.
  • the battery rack 200 is transported and positioned near the wall W, and as shown in FIG. 7, the rack fixing part 252 is inserted into the wall mount fastening part 221a and turned clockwise to turn the rack fixing part ( 252) and the wall mount fastening portion 221a.
  • the wall fixing member 252 and the wall mount fastening part 221a are first coupled to the wall surface of the battery rack 200 with the wall mount member 250 mounted on the battery rack 200. (W) After being transported close, the wall fixing portion 253 may be coupled to the wall W.
  • the spring of the wall mount member 250' during vibration or other external impact due to earthquake or the like Since the 251 absorbs the load, stress concentration in the base plate 210, the main frame 220, and the top plate 230 constituting the battery rack 200 structure can be prevented.
  • a seismic performance-enhanced battery rack 200 may be provided, and the battery module 200 in the battery rack 200 ( 100) and each battery module 100 is equipped with a battery protection system 110 for monitoring and controlling the operation of charging and discharging, heating, etc., and constructing a power storage device, so that the current power storage device must be equipped with earthquake resistance. Design strength requirements can be fully met.

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 배터리 랙은 바닥면을 형성하는 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트에 결합되고 높이 방향으로 연장되어 상기 배터리 모듈들의 양쪽 측면부를 지지할 벽체를 형성하는 메인 프레임; 및 상기 메인 프레임의 상단부에 결합되어 천장을 형성하는 탑 플레이트를 포함하며, 상기 탑 플레이트 및 베이스 플레이트 중 적어도 어느 하나는 비드를 구비한 판상체 형상으로 마련될 수 있다.

Description

배터리 랙 및 이를 포함하는 전력 저장 장치
본 발명은 배터리 랙 및 이를 포함하는 전력 저장 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 내진 성능이 강화된 배터리 랙과 이를 포함하는 전력 저장 장치에 관한 것이다.
본 출원은 2019년 01월 17일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2019-0006391호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목받고 있다.
이러한 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기차량(EV, Electric Vehicle), 전력 저장 장치(ESS, Energy Storage System) 등에 보편적으로 응용되고 있다.
특히, 전력 저장 장치는 평상시 전력을 저장해 두었다가 정전이나 전력부족 등 전력이 필요한 시기에 공급하는 시스템으로서, 적정 동작전압 및 충전 용량이 확보되도록 이차 전지가 다수 집적된 구조를 갖는다.
일반적으로, 전력 저장 장치는 전력실 등에 구비되어 있는 플로어(floor) 상에 놓여지는 타워형의 배터리 랙에 다수의 배터리들이 소정의 열을 이루며 적재된 형태로 제공된다. 종래 배터리 랙들에 관한 실시 예들은 대한민국 등록특허 KR 10-1278506 B1과 대한민국 공개특허 KR 10-2015-0113688 A 등에 개시되어 있다.
한편, 최근 전력 저장 장치가 널리 보급되면서 일정 수준이상의 발화 방지 성능과 내진 성능 등이 전력 저장 장치에 필수적으로 갖추어 질 것이 요구되고 있다.
그런데 종래 전력 저장 장치의 발화 방지 성능과 관련해서는 당업계에서 활발화하게 연구 개발된 결과, 다양한 발화 방지 방법과 해결수단이 공개되어 있으나, 상대적으로 내진 성능 확보 방안과 관련해서는 그 해결 방안과 수단이 미흡한 실정이다.
예컨대 기존의 전력 저장 장치의 내진 성능 강화 방법을 살펴보면, 배터리 랙을 구성하는 프레임을 강도가 높은 금속 합금 소재로 제작하거나 그 두께를 늘리는 방식이 대다수이다. 그러나 이 경우 배터리 랙의 무게가 증가하고 생산 비용면에서도 경제적이지 못한 단점이 있다. 상기 대안으로 배터리 랙에 강도 보강재를 덧대는 방안도 있으나 이는 공간 효율성 면에서 마이너스 요인으로 작용하고 비용면에서도 경제적이 못한 것은 마찬가지이다.
따라서 별개 소재 사용과 중량을 줄이거나 유지하면서 전력 저장 장치의 내진 성능을 강화할 수 있는 새로 방안이 요청되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 기존의 배터리 랙대비 중량을 줄이거나 유지하면서도 내진 성능을 강화할 수 있는 배터리 랙 및 이를 포함하는 전력 저장 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 랙은 바닥면을 형성하는 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트에 결합되고 높이 방향으로 연장되어 상기 배터리 모듈들의 양쪽 측면부를 지지할 벽체를 형성하는 메인 프레임; 및 상기 메인 프레임의 최상단부에 결합되어 천장을 형성하는 탑 플레이트를 포함하며, 상기 탑 플레이트 및 베이스 플레이트 중 적어도 어느 하나는 비드를 구비한 판상체 형상으로 마련될 수 있다.
상기 탑 플레이트와 상기 베이스 플레이트는 직사각 판상체이고, 상기 비드는 상기 사각 판상체를 가로지르는 X자형으로 형성될 수 있다.
상기 메인 프레임은, 상기 배터리 모듈들의 너비만큼 상호 이격 배치되는 한 쌍의 제1 메인 프레임과 제2 메인 프레임을 포함하고, 상기 제1 메인 프레임과 상기 제2 메인 프레임은 각각, 상기 베이스 플레이트에서 길이 방향으로 상호 이격 배치되고 각각 높이 방향으로 연장되는 한 쌍의 버티컬 빔; 및 상기 한 쌍의 버티컬 빔에 높이 방향을 따라 등 간격으로 결합되고 상기 배터리 모듈의 저면 모서리 영역을 떠받힐 수 있게 마련되는 복수 개의 가이드 빔들을 포함할 수 있다.
상기 베이스 플레이트와 상기 탑 플레이트는 사각 판형으로 코너 영역에 다른 부분보다 폭 방향으로 더 돌출 형성된 측방 돌출부를 구비하고, 상기 버티컬 빔은 횡단면이 "ㄹ" 형상으로 마련되어 상기 측방 돌출부를 감싸는 형태로 상기 베이스 플레이트와 상기 탑 플레이트에 양단부가 결합될 수 있다.
상기 제1 및 제2 메인 프레임에서 상기 버티컬 빔들 중 적어도 하나에 월 마운트 부재가 더 결합될 수 있다.
상기 월 마운트 부재는 "ㄷ" 자형으로 상기 버티컬 빔과 상기 측방 돌출부에 일체로 결합될 수 있다.
상기 월 마운트 부재는 벽면에 대해 상기 메인 프레임을 탄성적으로 지지할 수 있게 탄성체를 구비할 수 있다.
상기 월 마운트 부재는, 상기 탄성체에 해당하는 스프링; 상기 스프링의 일단부에 결합되고 내측에 나사산이 형성되어 있는 랙 고정부;와 상기 스프링의 타단부에 결합되고 벽면에 스크류 결합될 수 있는 체결수단을 구비한 벽면 고정부를 포함하며, 상기 버티컬 빔은 일측에 상기 랙 고정부와 스크류 결합하는 월 마운트 체결부를 더 구비할 수 있다.
상기 월 마운트 부재에서 상기 랙 고정부와 상기 벽면 고정부는 상기 스프링에 대해 상대 회전 가능하게 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 의하면, 상술한 배터리 랙 및 상기 배터리 랙 내에 다단으로 적재되는 복수 개의 배터리 모듈을 포함하는 전력 저장 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기존의 배터리 랙 대비 중량이 증가하지 않으면서도 내진 성능이 강화된 배터리 랙 및 이러한 배터리 랙을 포함하는 전력 저장 장치가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 결합 사시도이다.
도 3은 도 1의 탑 플레이트를 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 부분 확대도이다.
도 5는 도 4에 대응하는 도면으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 월 마운트 부재를 채용한 배터리 랙의 도면이다.
도 6 및 도 7은 도 5의 월 마운트 부재의 설치 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서 설명하는 전력 저장 장치는, 태양광 또는 발전소 등에서 과잉 생산된 전력을 저장하거나 또는 전력 피크 시 이를 송전하는 장치일 수 있다. 상기 전력 저장 장치는 에너지원으로서, 물리적 에너지 또는 화학적 에너지를 이용할 수 있다. 이하, 본 실시예에서는, 화학적 에너지원으로서, 이차 전지를 이용하는 것으로 한정하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치의 분해 사시도, 도 2는 도 1의 결합 사시도, 도 3은 도 1의 탑 플레이트를 도시한 도면이다.
이들 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치는 배터리 모듈(100)들과 상기 배터리 모듈(100)들을 층상으로 적재시킬 수 있게 마련된 배터리 랙(200)을 포함한다.
배터리 모듈(100)들은, 도면의 편의상 자세히 도시하지 않았으나, 각각 배터리 셀 및 모듈 케이스를 포함한다.
배터리 셀은 이차 전지로서, 적어도 하나 또는 그 이상의 복수 개로 마련될 수 있으며, 파우치형 이차 전지, 각형 이차 전지 및 원통형 이차 전지 중 어떠한 것이 채용되어도 좋다. 본 실시예는 적층이 용이하고 에너지 밀도를 높이기 쉬운 파우치형 이차 전지들을 모듈 케이스에 수납한 배터리 모듈이다.
상기 모듈 케이스는 외부 충격으로부터 배터리 셀들을 보호할 수 있도록 기계적 강성이 좋은 금속 재질로 마련될 수 있으며, 공기 유입부 및 공기 배출부가 구비될 수 있다. 예컨대, 공기 유입부는 모듈 케이스의 전방 일측에 마련될 수 있으며, 상기 공기 유입부를 통해 외부 공기가 모듈 케이스 내부로 안내되어 배터리 셀들을 냉각시킬 수 있다. 공기 배출부는 모듈 케이스의 후방 일측에 마련될 수 있으며, 상기 공기 배출부를 통해 모듈 케이스 내부에서 더운 공기와 열기가 외부로 배출될 수 있다.
상기 공기 유입부 및 공기 배출부는 모듈 케이스에 복수 개의 타공홀을 형성함으로써 구현될 수 있고 이들 공기 유입부 또는 공기 배출부 중 적어도 어느 한 곳에 팬을 장착하여 외부 공기를 모듈 케이스 내외로 강제 유입 및 유출시킬 수 있다.
상기 배터리 모듈(100)들은, 도 2에 도시한 바와 같이, 타워형으로 제공되는 배터리 랙(200)에 다단으로 적재될 수 있다. 배터리 랙(200)은 배터리 모듈(100)을 안전하게 수납하여 보관하기 위한 구조물이라 할 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 랙(200)의 경우, 비드(240)를 비롯한 내진 성능 확보에 유리한 기하학적 구조를 적용함으로써 배터리 랙(200)의 두께를 증가시키지 않고도 충분한 내진 성능을 확보할 수 있게 구성되어 있어, 동일한 수준의 내진 성능을 갖는 기존의 다른 배터리 랙(200)보다 전체 중량이 적게 나가고 이에 따라 그 운반과 설치가 수월해질 수 있고 자재비용을 절감할 수 있다.
이하에서 이러한 배터리 랙(200)의 구성을 살펴보면, 배터리 랙(200)은, 베이스 플레이트(210), 메인 프레임(220), 탑 플레이트(230), 그리고 월 마운트 부재(250)를 포함한다.
베이스 플레이트(210)는 배터리 랙(200)의 바닥면을 형성하는 부분으로 대략 배터리 모듈(100)보다 큰 면적을 갖는 판상체일 수 있다. 상기 베이스 플레이트(210)는 배터리 모듈(100)들과 배터리 랙(200)의 하중을 지지하는 역할을 하므로 강성 확보를 위해 금속 판형이고 그 판면에 비드(240)가 적용된다. 상기 비드(240)는 X 자형이 바람직하다. X 자형 비드(240)에 관한 추가 설명은 후술하기로 한다.
메인 프레임(220)은 베이스 플레이트(210)에 결합되고 높이 방향으로 연장되어 배터리 모듈(100)들의 양쪽 측면부를 지지할 벽체를 형성한다. 배터리 랙(200)의 내부 공간은 상기 메인 프레임(220)으로 한정될 수 있다.
상기 메인 프레임(220)은 상호 이격되어 상기 베이스 플레이트(210)의 양쪽 사이드, 다시 말하면 베이스 플레이트(210)의 장변 2곳에 배치되는 제1 메인 프레임(220a)과 제2 메인 프레임(220b)을 포함한다. 상기 제1 메인 프레임(220a)과 제2 메인 프레임(220b) 사이의 거리는 배터리 모듈(100)의 너비에 대응한다. 배터리 모듈(100)들은, 도 2와 같이, 이러한 제1 메인 프레임(220a)과 제2 메인 프레임(220b) 사이에 끼워 넣어지고 양쪽 측면부가 지지된 상태로 적층될 수 있다.
더 구체적으로 말하면, 상기 제1 메인 프레임(220a)과 제2 메인 프레임(220b)은, 상기 베이스 플레이트(210)에서 길이 방향으로 상호 이격 배치되고 각각 높이 방향으로 연장되는 한 쌍의 버티컬 빔(221)과 상기 한 쌍의 버티컬 빔(221)에 높이 방향을 따라 등 간격으로 결합되고 상기 배터리 모듈(100)의 저면 모서리 영역을 떠받힐 수 있게 마련되는 복수 개의 가이드 빔(223)들을 포함한다.
상기 가이드 빔(223)들은 대략 단면이 "L" 형으로 일면은 한 쌍의 버티컬 빔(221)에 결합되고 타면으로 배터리 모듈(100)의 저면 모서리 영역을 지지한다. 상기 복수 개의 가이드 빔(223)들의 간격은 배터리 모듈(100)의 두께에 대응한다. 이러한 가이드 빔(223)들 사이 사이에 배터리 모듈(100)들이 하나씩 끼워 넣어져 층상으로 배치될 수 있다.
탑 플레이트(230)는 상기 메인 프레임(220)의 최상단부에 결합되어 배터리 모듈(100)들의 상부 공간을 커버하는 배터리 랙(200)의 천장을 형성하는 구성 요소이다. 특히, 본 실시예의 탑 플레이트(230)는 베이스 플레이트(210)와 마찬가지로 내진 성능 강화를 위해 판면에 비드(240)를 구비한다.
상술한 베이스 플레이트(210)와 탑 플레이트(230) 상의 비드(240)는 X 자형이다. 다시 말하면, 베이스 플레이트(210)와 탑 플레이트(230)는 직사각 판면을 가지며, 비드(240)는 상기 직사각 판면 면적 전체를 가로지르는 X 자형으로 형성될 수 있다. 물론 비드(240)의 형상은 원형, 타원형, 허니콤형 등 다양한 패턴으로 형성될 수도 있을 것이다. 그러나 본 실시예와 같이 베이스 플레이트(210)와 탑 플레이트(230) 상의 비드(240)는 X 자형이 가장 바람직하다.
이에 대해 부연하면, 베이스 플레이트(210)와 탑 플레이트(230)는 제1 메인 프레임(220a)과 제2 메인 프레임(220b)의 간격이 일정하게 이들을 지탱시켜 주는 구조체라 할 수 있다. 이러한 베이스 플레이트(210)와 탑 플레이트(230)가 진동이나 충격으로 변형되면, 이들 사이에 연결되어 있는 제1 메인 프레임(220a)과 제2 메인 프레임(220b)도 당연히 뒤틀리게 된다. 이러한 관점에서 베이스 플레이트(210)와 탑 플레이트(230)의 구조적 강성 여부가 배터리 랙(200)의 내진 성능에 미치는 영향이 크다고 볼 수 있다.
배터리 랙(200)은 벽면(W)에 고정 설치되는 예가 많은데 배터리 랙(200)을 벽면(W)에 고정시킨 후 진동 테스트를 하면 베이스 플레이트(210)와 탑 플레이트(230)에서 응력이 X 자 형태로 높게 분포함이 관찰된다. 이에 본 실시예는 상기와 같이 베이스 플레이트(210) 및/또는 탑 플레이트(230)에서 응력이 집중되는 X 자형 응력 분포에 기초해 베이스 플레이트(210) 및 탑 플레이트(230)에 X 자형 비드(240) 형상을 적용한 것이다. 따라서 상기 X자형 비드(240)는 다른 비드(240) 형상에 비해 베이스 플레이트(210) 및 탑 플레이트(230)의 강성 확보와 변형율을 낮추는데 더 유리할 수 있다.
본 실시예의 베이스 플레이트(210)와 상기 탑 플레이트(230)는 각각 측방 돌출부(232)를 구비한다. 이를테면 상기 측방 돌출부(232)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 탑 플레이트(230)의 4개의 코너 영역에 다른 부분보다 폭 방향으로 더 돌출 형성된 부분을 말한다. 버티컬 빔(221)은 횡단면이 "ㄹ" 형상으로 마련되어, 상기 버티컬 빔(221)이 상기 측방 돌출부(232)를 감싸는 형태로 베이스 플레이트(210)와 탑 플레이트(230)의 측면(두께면)에 밀착되며, 상기 밀착면에 볼트(B) 체결이 이루어질 수 있다. 이때 상기 볼트(B)를 버티컬 빔(221) 중에서 측방 돌출부(232)를 감싸는 부분과 이웃한 ⓐ 공간 속에서 체결함으로써 볼트(B)가 버티컬 빔(221) 밖으로 드러나지 않게 숨길 수 있는 장점도 있다.(도 6 참조)
이처럼 버티컬 빔(221)들이 각각 베이스 플레이트(210)와 탑 플레이트(230)에 형상 맞춤식으로 조립되게 구성됨으로써 조립이 쉽고, 조립 후에는 외력이 가해져도 상대물에 대해 서로 유격이 발생하지 않는다. 또한, 버티컬 빔(221)들을 그 횡단면이 "ㄹ" 형상으로 마련함으로써 일정 수준 이상의 강성으로 유지하면서 배터리 랙(200)의 전체 중량을 낮출 수 있다.
본 실시예에 따른 배터리 랙(200)은 월 마운트 부재(250)를 더 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이 배터리 랙(200)은 바닥과 벽면(W)에 고정되게 설치될 수 있다. 다른 예로써, 도시하지 않았으나, 배터리 랙(200) 전체를 외장 캐비닛(미도시) 속에 수납하고 상기 외장 캐비닛을 벽면(W)에 고정 설치할 수도 있다. 배터리 랙(200)을 직접 벽면(W)에 고정 설치하거나 배터리 랙(200)을 외장 캐비닛 속에 수납하고 외장 캐비닛을 벽면(W)에 고정 설치하는 2가지 경우 모두, 배터리 랙(200) 자체를 상대물에 고정시키기 위한 수단으로서 월 마운트 부재(250)가 사용될 수 있다.
월 마운트 부재(250)는, 도 4에 도시한 바와 같이 제1 메인 프레임(220a) 및 제2 메인 프레임(220b)에서 배터리 랙(200)의 후방 측 버티컬 빔(221)들에 결합될 수 있다. 본 실시예의 월 마운트 부재(250)는 대략 "ㄷ" 자형으로 일측은 버티컬 빔(221)과 측방 돌출부(232)에 일체로 결합되고 타측은 벽면(W)에 결합될 수 있다. 상기 월 마운트 부재(250)는 배터리 랙(200)의 높이 방향을 따라 적어도 하나 이상 적용될 수 있다. 배터리 랙(200)은 이러한 월 마운트 부재(250)를 매개로 벽면(W)과 소정 간격 이격된 상태로 고정될 수 있다. 이는 배터리 랙(200)과 벽면(W) 사이에 약간의 공간을 확보하여 배터리 모듈(100)에서 발생하는 열을 방열시키기 위함과 전선 등의 자재를 배터리 랙(200)의 후방으로 우회시키기 위한 목적도 있다.
도 5는 도 4에 대응하는 도면으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 월 마운트 부재(250)를 채용한 배터리 랙(200)의 도면이고, 도 6 및 도 7은 도 5의 월 마운트 부재(250)의 설치 예를 설명하기 위한 단면도들이다.
이어서 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 설명한다. 전술한 실시예와 동일한 부재 번호는 동일한 부재를 나타내며, 동일한 부재에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하고 전술한 실시예와의 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
전술한 실시예의 월 마운트 부재(250)는 "ㄷ" 자형의 브라켓으로 구성되어 있는 반면에, 본 실시예의 월 마운트 부재(250')는 탄성체를 포함하여 벽면(W)에 대해 상기 메인 프레임(220)을 탄성적으로 지지할 수 있게 마련된다.
구체적으로 도 6과 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 월 마운트 부재(250)는 상기 탄성체에 해당하는 스프링(251)과, 상기 스프링(251)의 일단부에 결합되고 내측에 나사산이 형성되어 있는 랙 고정부(252)와 상기 스프링(251)의 타단부에 결합되고 벽면(W)에 스크류 결합될 수 있는 체결수단을 구비한 벽면 고정부(253)를 포함한다.
제1 메인 프레임(220a)과 제2 메인 프레임(220b)의 후방 측에 배치되는 버티컬 빔(221)들에는 상기 월 마운트 부재(250')의 랙 고정부(252)와 결합하기 위한 월 마운트 체결부(221a)가 더 구비될 수 있다. 상기 월 마운트 체결부(221a)는 랙 고정부(252)와 스크류 결합이 가능한 외측 둘레에 나사산을 구비한 돌기 형상으로 구현될 수 있다.
상기 월 마운트 부재(250)는 랙 고정부(252)와 벽면 고정부(253)를 각각 스프링(251)에 대해 상대 회전시킬 수 있게 회전판(254)을 더 포함할 수 있다. 이를테면, 스프링(251)의 양단은 회전판(254)에 고정되고, 랙 고정부(252)는 회전판(254)에 상대 회전 가능하게 조립될 수 있다. 벽면 고정부(253)도 랙 고정부(252)와 마찬가지로 회전판(254)에 상대 회전 가능하게 조립될 수 있다.
이러한 월 마운트 부재(250')를 이용한 배터리 랙(200)의 벽면(W) 설치 방법을 간략히 설명하면 다음과 같다.
도 6과 같이, 먼저 월 마운트 부재(250')를 벽면(W)에 고정시킨다. 이때 나사 체결 방식과 유사하게 벽면 고정부(253)를 시계 방향으로 돌려서 월 마운트 부재(250)를 벽면(W)에 설치할 수 있다. 그 다음, 배터리 랙(200)을 운반해서 벽면(W) 가까이 위치시키고 도 7과 같이, 랙 고정부(252)를 상기 월 마운트 체결부(221a)에 끼우고 이를 시계 방향으로 돌려서 랙 고정부(252)와 월 마운트 체결부(221a)를 결합시킨다.
물론, 상술한 방법과 반대로, 랙 고정부(252)와 월 마운트 체결부(221a)를 먼저 결합시켜 월 마운트 부재(250)를 배터리 랙(200)에 장착한 상태로 배터리 랙(200)을 벽면(W) 가까이 운반한 다음, 벽면 고정부(253)를 벽면(W)에 결합시켜도 무방하다.
본 실시예와 같은 월 마운트 부재(250')를 사용하여 배터리 랙(200)을 벽면(W)에 고정시킬 경우, 지진 등으로 인한 진동이나 기타 외부 충격시 상기 월 마운트 부재(250')의 스프링(251)이 하중을 흡수하게 되어 있어 배터리 랙(200) 구조물을 구성하는 베이스 플레이트(210), 메인 프레임(220), 탑 플레이트(230)에 응력이 집중되는 것을 막을 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 구성에 의하면 기존의 배터리 랙(200) 대비 중량이 증가하지 않으면서도 내진 성능이 강화된 배터리 랙(200)이 제공될 수 있고, 이러한 배터리 랙(200) 내에 배터리 모듈(100)들과 각 배터리 모듈(100)들의 충방전 상태, 발열 상태 등을 모니터링하고 운용을 제어하기 위한 배터리보호시스템(110) 등을 탑재하여 전력 저장 장치를 구성함으로써 현재 전력 저장 장치가 갖추어야 할 내진 설계 강도 요건을 충분히 충족시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

Claims (10)

  1. 복수의 배터리 모듈들을 다단으로 적재시킬 수 있는 배터리 랙에 있어서,
    바닥면을 형성하는 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트에 결합되고 높이 방향으로 연장되어 상기 배터리 모듈들의 양쪽 측면부를 지지할 벽체를 형성하는 메인 프레임; 및
    상기 메인 프레임의 최상단부에 결합되어 천장을 형성하는 탑 플레이트를 포함하며,
    상기 탑 플레이트 및 베이스 플레이트 중 적어도 어느 하나는 비드를 구비한 판상체 형상으로 마련된 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탑 플레이트와 상기 베이스 플레이트는 직사각 판상체이고, 상기 비드는 상기 직사각 판상체를 가로지르는 X자형으로 형성된 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메인 프레임은, 상기 배터리 모듈들의 너비만큼 상호 이격 배치되는 한 쌍의 제1 메인 프레임과 제2 메인 프레임을 포함하고,
    상기 제1 메인 프레임과 상기 제2 메인 프레임은 각각
    상기 베이스 플레이트에서 길이 방향으로 상호 이격 배치되고 각각 높이 방향으로 연장되는 한 쌍의 버티컬 빔; 및
    상기 한 쌍의 버티컬 빔에 높이 방향을 따라 등 간격으로 결합되고 상기 배터리 모듈의 저면 모서리 영역을 떠받힐 수 있게 마련되는 복수 개의 가이드 빔들을 포함하는 배터리 랙.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트와 상기 탑 플레이트는 사각 판형으로 코너 영역에 다른 부분보다 폭 방향으로 더 돌출 형성된 측방 돌출부를 구비하고,
    상기 버티컬 빔은 횡단면이 "ㄹ" 형상으로 마련되어 상기 측방 돌출부를 감싸는 형태로 상기 베이스 플레이트와 상기 탑 플레이트에 양단부가 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 메인 프레임에서 상기 버티컬 빔에 월 마운트 부재가 더 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 월 마운트 부재는 "ㄷ" 자형으로 상기 버티컬 빔과 상기 측방 돌출부에 일체로 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 월 마운트 부재는 벽면에 대해 상기 메인 프레임을 탄성적으로 지지할 수 있게 탄성체를 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 월 마운트 부재는,
    상기 탄성체에 해당하는 스프링; 상기 스프링의 일단부에 결합되고 내측에 나사산이 형성되어 있는 랙 고정부;와 상기 스프링의 타단부에 결합되고 벽면에 스크류 결합될 수 있는 체결수단을 구비한 벽면 고정부를 포함하며,
    상기 버티컬 빔은 일측에 상기 랙 고정부와 스크류 결합하는 월 마운트 체결부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 월 마운트 부재에서 상기 랙 고정부와 상기 벽면 고정부는 상기 스프링에 대해 상대 회전 가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
  10. 제1항 내지 제9항에 따른 배터리 랙; 및
    상기 배터리 랙 내에 다단으로 적재되는 복수 개의 배터리 모듈을 포함하는 전력 저장 장치.
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