WO2021085866A1 - 에너지저장시스템(ess)에 포함된 배터리 모듈의 냉각 시스템 및 그 방법 - Google Patents

에너지저장시스템(ess)에 포함된 배터리 모듈의 냉각 시스템 및 그 방법 Download PDF

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WO2021085866A1
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Definitions

  • the present invention relates to a cooling system for a battery module and a method thereof, and more particularly, to a cooling system for a battery module and a method thereof by controlling a cooling fan of a battery module constituting an energy storage system (ESS).
  • ESS energy storage system
  • a plurality of battery cells are connected in series/parallel to form a battery module, and a plurality of battery modules are loaded and electrically connected to each other through a bus bar, and one battery rack (Battery Rack). ), and a number of such battery racks are gathered and installed in the same place as a container to build an energy storage system (ESS).
  • ESS energy storage system
  • each battery module constituting the energy storage system (ESS) is provided with a cooling fan for cooling the battery cells whose temperature is increased.
  • each battery module The cooling fans provided in each battery module are connected to a separate external power cable connected to one external power supply source, through which the cells are cooled in a manner that is driven by power from an external power supply source.
  • Patent Document 1 KR10-2013-0051102 A
  • the present invention is to solve the above-described problem, and more specifically, it is possible to individually control a corresponding cooling fan in consideration of the temperature and voltage state of each battery module included in the energy storage system (ESS).
  • the present invention relates to a cooling system for a battery module that does not require a separate external power cable to be connected to each cooling fan for driving, and a method thereof.
  • the cooling system of a battery module is an energy storage system (ESS) comprising at least one battery rack including at least two or more battery modules, wherein each battery module is connected in series/parallel. Battery cells; A cooling fan that operates by using voltages of the battery cells as driving power; A battery management system (BMS) for controlling whether or not the cooling fan is turned on/off according to the temperature and voltage state of the battery module; It consists of including.
  • ESS energy storage system
  • BMS battery management system
  • the battery management system includes a temperature measuring unit that measures the temperature of the battery module at predetermined periodic intervals; A voltage measuring unit that measures the voltage of the battery module at predetermined periodic intervals; A communication unit for connecting communication with other battery modules; A DC/DC converter that receives voltage from the battery cells, converts it into a voltage that drives the cooling fan, and outputs it; A cooling fan control unit that determines whether the cooling fan is turned on or off according to the state of the module temperature and the module voltage measured by the temperature measurement unit and the voltage measurement unit; It characterized in that it is configured to include.
  • the cooling fan control unit includes: a module information transmission unit that transmits the module temperature and module voltage of the respective battery module measured by the temperature measurement unit and the voltage measurement unit to other battery modules communicatively connected through the communication unit; A module information receiving unit for receiving module information from other battery modules communicatively connected through the communication unit; A first determination unit comparing the module temperature measured by the temperature measuring unit with a predetermined temperature reference value, and determining whether the cooling fan of the battery module is turned on or off according to the comparison result; Based on the module information of other battery modules received by the module information receiving unit, the temperature of the adjacent module of the adjacent battery module adjacent to the battery module is compared with a predetermined temperature reference value, and according to the comparison result, the temperature of the battery module is A second determination unit that determines whether the cooling fan operates on or off; Based on the module voltage measured by the voltage measuring unit and the module information of other battery modules received by the module information receiving unit, it is compared whether the module voltage of this battery module is higher than the module voltage of other battery modules. A third determination unit that determines whether
  • the first determination unit outputs a fan operation signal for operating the cooling fan of the battery module when the module temperature of the battery module is equal to or higher than a predetermined temperature reference value, and the module temperature is a predetermined temperature reference value. If it is less than, a fan stop signal is output so that the cooling fan of the battery module does not operate.
  • the second determination unit when the module temperature of the adjacent battery module is higher than a predetermined temperature reference value, outputs a fan operation signal for operating the cooling fan of the battery module, and the module temperature of the adjacent battery module is predetermined. If the temperature is less than the reference value of, a fan stop signal is output so that the cooling fan of the battery module does not operate.
  • the third determination unit may include a module voltage deviation calculator configured to calculate a difference between a module voltage measured by the voltage measuring unit and a module voltage included in module information of other battery modules received by the module information receiving unit;
  • a module voltage deviation comparison unit comparing whether a value exceeding a predetermined deviation reference value exists among the calculated module voltage deviations; It characterized in that it is configured to include.
  • the module voltage deviation comparison unit when a module voltage deviation exceeding a predetermined deviation reference value exists as a result of the comparison, outputs a fan operation signal for operating the cooling fan to discharge the battery module. do.
  • the DC/DC converter adjusts a voltage level upward to drive the cooling fan and outputs it to the cooling fan, and when the fan stop signal is output, the cooling fan is driven. It is characterized in that it outputs to the cooling fan by lowering the level of the voltage so that it does not.
  • a method of controlling cooling of a battery module comprises: a communication connection step of connecting communication between a plurality of battery modules included in a battery rack; A module state data measuring step of measuring module temperature and module voltage of the battery module at predetermined periodic intervals; A module information transmitting/receiving step of transmitting module information including the measured module temperature and module voltage of the respective battery module to the other battery module connected to the communication, and receiving the module information from the other battery module connected to the communication; Cooling to determine whether the cooling fan of the battery module is operated based on the module temperature and module voltage of the battery module measured in the module status data measurement step, and module information of other battery modules received in the module information transmission/reception step Determining whether the fan is operating; A cooling fan driving power applying step of adjusting the magnitude of the voltage applied from the battery cells and outputting the voltage to the cooling fan according to a determination result of the determining whether the cooling fan is operating or not; Consists of including.
  • the step of determining whether the cooling fan is operating includes comparing the module temperature of the battery module measured in the module state data measuring step with a predetermined temperature reference value, and the operation of the cooling fan of the battery module according to the comparison result.
  • a first cooling operation determining step of determining whether or not Among the module temperatures of the other battery modules received in the module information transmission/reception step, the module temperature of the adjacent battery module and the adjacent battery module is compared with a predetermined temperature reference value, and the operation of the cooling fan of the battery module according to the comparison result
  • a second cooling operation determining step of determining whether or not It compares whether the module voltage of the per battery module measured in the module status data measurement step is higher than the module voltage of the other battery modules received in the module information transmission/reception step, and the cooling fan of the battery module according to the comparison result
  • a third cooling operation determination step of determining whether or not the operation is performed; It characterized in that it is configured to include.
  • a fan operation signal for operating the cooling fan of the battery module is output, and the module temperature is If the temperature is less than the reference value, a fan stop signal is output so that the cooling fan of the battery module does not operate.
  • the second cooling operation determining step if the module temperature of the adjacent battery module is higher than a predetermined temperature reference value, a fan operation signal for operating the cooling fan of the battery module is output, and the module of the adjacent battery module When the temperature is less than a predetermined temperature reference value, a fan stop signal is output so that the cooling fan of the battery module does not operate.
  • a module voltage for calculating a difference between a module temperature of the respective battery module measured in the module state data measuring step and a module voltage of other battery modules received in the module information transmission/reception step a module voltage for calculating a difference between a module temperature of the respective battery module measured in the module state data measuring step and a module voltage of other battery modules received in the module information transmission/reception step.
  • Deviation calculation step A module voltage deviation comparing step of comparing whether a value exceeding a predetermined deviation reference value exists among the calculated module voltage deviations; It characterized in that it is configured to include.
  • a fan operation signal for operating the cooling fan to discharge the battery module is output. It is done.
  • the cooling fan driving power when the fan operation signal is output, a voltage level is increased to drive the cooling fan and output to the cooling fan, and when the fan stop signal is output, the cooling fan It is characterized in that the voltage level is lowered so as not to be driven and output to the cooling fan.
  • the cooling fan can be individually controlled according to the temperature state of each battery module, the heat generation of the battery modules can be more stably and efficiently managed, and further, the energy of the entire energy storage system (ESS) can be efficiently Can be managed.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the overall configuration of a cooling system for a battery module according to the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for controlling cooling of a battery module according to the present invention.
  • Cooling system of battery module according to the present invention
  • ESS energy storage system
  • a plurality of battery cells are connected in series/parallel form to form a battery module, and a plurality of battery modules are connected to a bus bar.
  • the present invention relates to a cooling system of a plurality of battery modules constituting one battery rack in an energy storage system (ESS) made in this form, and includes the following configuration Can be.
  • ESS energy storage system
  • Each battery module 100 constituting one battery rack may include a plurality of battery cells 110, a cooling fan 120, and a battery management system (BMS) 130.
  • BMS battery management system
  • the battery module 100 may be configured to include a plurality of battery cells 110 connected in series/parallel form. As described above, the battery cells 110 constitute one battery module 100, and a plurality of such battery modules 100 are gathered and interconnected through the bus bar 200 to form one battery rack. Is to constitute.
  • the cooling fan 120 may perform a cooling operation for the corresponding battery module 120 by receiving and driving the voltage of the battery module 120 as driving power.
  • the cooling fan 120 is a battery cell applied through the DC/DC converter 134 provided in the battery management system (BMS, 130) to be described later according to the temperature and voltage state of the corresponding battery module 100 By driving with the voltages of the (110), it is possible to perform a cooling operation for cooling the corresponding battery cells (110).
  • the battery management system (BMS, 130) measures the temperature and voltage state of the battery module 100 and adjusts the magnitude of the voltage output to the cooling fan 120 by the DC/DC converter 134 accordingly, The operation of the cooling fan 120 can be controlled.
  • Such a battery management system (BMS, 130) may be configured including the following detailed configuration.
  • the temperature measurement unit 131 is a component that measures the temperature of the battery module 100 at predetermined periodic intervals, and uses a known technology such as a method of using a temperature sensor (not shown). 100) can be measured.
  • the temperature of the battery module 100 measured by the temperature measuring unit 131 will be referred to as the module temperature and will be described.
  • the voltage measurement unit 132 is a component that measures the voltage of the corresponding battery module 100 at predetermined periodic intervals, and may measure the voltage of the battery module 100 using a known technique.
  • the voltage of the corresponding battery module 100 measured by the voltage measuring unit 132 will be referred to as a module voltage.
  • the communication unit 133 is a component that connects communication with other battery modules that are electrically interconnected through a bus bar 200.
  • a plurality of battery modules 100 constituting one battery rack are connected to each other in communication, and the corresponding battery module 100 transmits its own module information to other battery modules 100. ) And receive the module information from the other battery module 100.
  • the module information may identify the module temperature and module voltage of the corresponding battery module 100 measured by the temperature measurement unit 131 and the voltage measurement unit 132 described above, and the corresponding battery module 100. It can be configured to include a module identification number.
  • the DC/DC converter 134 is a configuration that receives voltage from the battery cells 110 included in the corresponding battery module 100, converts it to a voltage suitable for the cooling fan 120, and outputs it, which will be described later. Under the control of the cooling fan controller 135, the voltage applied from the battery cells 110 may be converted into a voltage suitable for driving the cooling fan 120 and output to the cooling fan 120. Accordingly, the operation of the cooling fan 120 may be controlled.
  • the DC/DC converter 134 may adjust and output a voltage level so that the cooling fan 120 can be driven. . Accordingly, the cooling fan 120 is operated by the power input from the DC/DC converter 134.
  • a voltage level may be adjusted so that the cooling fan 120 is not driven and output. Accordingly, the cooling fan 120 does not operate.
  • the DC/DC converter 134 controls the on/off of the cooling fan 120 operation by adjusting the voltage level according to the control of the cooling fan controller 135 and outputting the voltage to the cooling fan 120 It is to do.
  • the cooling fan control unit 135 controls the operation of the cooling fan 120 according to the module temperature and module voltage of the corresponding battery module 100 measured by the temperature measurement unit 131 and the voltage measurement unit 132. It can be a configuration.
  • the cooling fan control unit 135 may be configured to include the following detailed configurations.
  • the module information transmission unit 1351 transmits its own module information including the module temperature and module voltage measured by the temperature measurement unit 131 and the voltage measurement unit 132, and a module identification number through the communication unit 133. It may be a configuration for transmitting to the other battery module 100 connected to communication.
  • the module information receiving unit 1352 may be configured to receive module information from other battery modules 100 that are communicatively connected through the communication unit 133.
  • the module information transmission unit 1351 and the module information receiving unit 1352 may exchange module information between a plurality of battery modules 100 constituting one battery rack.
  • module information includes a module identification number indicating the corresponding battery module 100
  • module information for each battery module can be classified using this.
  • the first determination unit 1352 may compare the module temperature measured by the temperature measurement unit 131 with a predetermined temperature reference value, and determine whether or not the cooling fan 120 is operated according to the comparison result.
  • the DC/DC converter 134 increases the output voltage to the cooling fan 120 to cause the cooling fan 120 to operate, so that the cooling fan 120 cools the battery cells 110 to achieve a temperature state. Can lower.
  • the corresponding battery module may determine that cooling is not necessary, and may output a fan stop signal so that the cooling fan 120 does not operate. Accordingly, the DC/DC converter 134 lowers the output voltage to the cooling fan 120 so that the cooling fan 120 does not operate, so that the temperature of the battery cells 110 does not drop more than necessary. have.
  • the second determination unit 1354 compares the module temperature of the battery module adjacent to itself with a predetermined temperature reference value based on the module information of other battery modules received from the module information receiving unit 1352 Thus, it may be determined whether the cooling fan 120 of the corresponding battery module is operated according to the comparison result.
  • the battery module adjacent to itself is referred to as the adjacent battery module
  • the module temperature is referred to as the adjacent module temperature, which is adjacent to itself using the corresponding module identification number included in the module information. It is possible to obtain a module temperature value for the battery module at the location.
  • a fan operation signal so that the cooling fan 120 of the battery module can operate in order to minimize the influence of the battery module due to heat generation of the adjacent battery module.
  • the DC/DC converter 134 may increase the output voltage to the cooling fan 120 so that the cooling fan 120 operates. The reason is, for example, if the temperature state of the battery module adjacent to itself is high, the temperature of the battery module 100 may rise due to the heat generation, so to prevent such a situation in advance.
  • the DC/DC converter 134 may lower the output voltage to the cooling fan 120 so that the cooling fan 120 does not operate.
  • the third determination unit 1355 compares the module voltage of the corresponding battery module measured by the voltage measurement unit 132 with the module voltages of other battery modules received by the module information receiving unit 1351, and the comparison result Accordingly, it may be determined whether the corresponding cooling fan 120 is operating.
  • the third determination unit 1355 may include a module voltage deviation calculator (not shown) and a module voltage deviation comparison unit (not shown) as a detailed configuration thereof.
  • the module voltage deviation calculation unit calculates a deviation between the module voltage of the corresponding battery module measured by the temperature measuring unit 131 and the module voltage of other battery modules received by the module information receiving unit 1351. can do.
  • a difference between a module voltage of a corresponding battery module and a module voltage of another battery module calculated by the module voltage deviation calculator (not shown) will be referred to as a module voltage deviation.
  • the module voltage deviation comparison unit 135b compares each module voltage deviation, which is a voltage difference between the corresponding battery module and other battery modules, calculated by the module voltage deviation calculation unit (not shown) with a predetermined deviation reference value, and compares the difference. According to the result, it may be determined whether the cooling fan 120 of the corresponding battery module is operated.
  • the cooling fan 120 of the corresponding battery module A fan operation signal can be output to enable this operation.
  • a fan stop signal may be output so that the corresponding cooling fan 120 does not operate.
  • the cooling fan 120 is configured to use the voltage of the battery cells 110 included in the corresponding battery module as a driving power rather than a separate external power source. Accordingly, when the voltage state of the corresponding battery module is higher than that of other battery modules, the cooling fan 120 is driven to discharge the battery cells 110 to achieve voltage balancing with other battery modules.
  • the bus bar 200 is a configuration that interconnects a plurality of battery modules 100 constituting one battery rack, and a plurality of battery modules 100 are electrically connected to each other through the bus bar 200. Can be connected to.
  • Cooling control method of the battery module included in the energy storage system according to the present invention (see Fig. 2)
  • the method of controlling the cooling operation of the battery module according to the present invention may include the following steps.
  • the communication connection step (S100) is a step of connecting communication between a plurality of battery modules 100 constituting a battery rack, which is applied to the battery management system (BMS, 130) of each battery module 100. It can be performed by the provided above-described communication unit 133.
  • the module status data measurement step is a step of measuring the temperature and voltage of the corresponding battery module 100 at predetermined periodic intervals, wherein the measured temperature and voltage values of the battery module 100 are converted into module temperature and module voltage, respectively. It will be described by referring to it.
  • the module information transmission/reception step the module information including the module temperature and module voltage of itself (per battery module) measured in the module state data measuring step (S200) is transmitted to the other battery module connected to the communication, and the other battery module connected to the communication is transmitted. It may be a step of receiving module information including the module temperature and module voltage from the battery module.
  • the module information includes a module temperature and a module voltage measured in the module state measurement step (S200), and a module identification number for identifying a corresponding battery module.
  • the step of determining whether the cooling fan is operating includes the module temperature and module voltage of the corresponding battery module measured in the module state data measuring step (S200), the module temperature of the other battery modules received through the module information transmitting/receiving step (S300), and A step of determining whether the cooling fan 120 of the corresponding battery module is operated based on the module voltage, and may be configured including the following detailed steps.
  • the module temperature of the corresponding battery module measured in the module state data measurement step (S200) is compared with a predetermined temperature reference value, and the cooling fan 120 of the battery module according to the comparison result It is possible to determine whether or not to operate.
  • the fan operation signal is output so that the cooling fan 120 is operated.
  • a fan stop signal may be output.
  • a fan stop signal is output to prevent the cooling fan 120 from operating.
  • This step may be performed by the above-described first determination unit 1352.
  • the second cooling operation determination step is a step of determining whether or not the cooling fan 120 of the corresponding battery module is operated based on the module temperature of the other battery module received in the module information transmission/reception step (S300).
  • a module temperature (adjacent module temperature) of an adjacent battery module adjacent to itself is compared with a predetermined temperature reference value, and the cooling fan of each battery module ( 120) can be determined.
  • a fan operation signal may be output to allow the cooling fan 120 to operate. This is because, if the temperature state of the battery module, that is, the adjacent battery module adjacent to it is high, the temperature of the battery module increases to its own temperature due to the effect of heat generation. In order to prevent such a situation in advance, It outputs a fan operation signal so that its own cooling fan 120 operates.
  • Stop signal can be output.
  • Such an operation may be performed by the second determination unit 1354 described above.
  • the third cooling operation determination step according to a difference between the module voltage of the corresponding battery module measured in the module state data measurement step (S200) and the module voltage of other battery modules received through the module information transmission/reception step (S300), It may be determined whether the cooling fan 120 of the corresponding battery module is operating.
  • a module voltage deviation which is the difference between the module voltage of the corresponding battery module measured in the module state data measurement step S200 and the module voltage of each other battery module received in the module information transmission/reception step S300, can be calculated. have. This may be performed by a module voltage deviation calculator (not shown) of the third determination unit 1355.
  • the calculated deviation of each module voltage may be compared with a predetermined deviation reference value.
  • the cooling fan 120 of the corresponding battery module operates. It can output a fan operation signal to do so.
  • the module voltage deviation is less than a predetermined deviation reference value, it is determined that the voltage balance state between the corresponding battery module and the other battery module is within the normal range, and the fan stops so that the cooling fan 120 of the corresponding battery module does not operate. You can output a signal.
  • the cooling fan 120 is configured to use the voltage of the battery cells 110 included in the corresponding battery module as a driving power rather than a separate external power source. Accordingly, when the voltage state of the corresponding battery module is higher than that of other battery modules, the cooling fan 120 is driven to discharge the battery cells 110 to lower the voltage of the current state higher than that of the other battery modules. It is to achieve balancing.
  • Such an operation may be performed by the module voltage deviation comparison unit (not shown) of the third determination unit 1355 described above.
  • the voltage of the battery cells 110 is applied from the DC/DC converter 134 to the cooling fan 120 according to a control signal output in the cooling fan operation control step (S400). Thus, it is a step of controlling the operation of the cooling fan 120.
  • the DC/DC converter 134 uses the voltage applied from the battery cells 110 to drive the cooling fan 120. You can print it by adjusting its size. Accordingly, the cooling fan 120 receiving a voltage input through the DC/DC converter 134 is driven to perform a cooling operation for the corresponding battery module 100.
  • the DC/DC converter 134 may output the lowered output voltage. Accordingly, the cooling fan 120 does not operate, so that the cooling operation for the corresponding battery module 100 is not performed (S600).

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Abstract

본 발명은 배터리 모듈의 냉각 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 에너지저장시스템(ESS)에 포함된 각 배터리 모듈의 온도, 전압 상태를 고려하여 해당 냉각 팬을 개별 제어하는 것이 가능하며, 냉각 팬의 구동을 위해 각 냉각 팬마다 별도의 외부 전원 케이블을 연결해줘야 하는 작업을 필요로 하지 않는 배터리 모듈의 냉각 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

에너지저장시스템(ESS)에 포함된 배터리 모듈의 냉각 시스템 및 그 방법
본 발명은 배터리 모듈의 냉각 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 에너지저장시스템(ESS)을 구성하는 배터리 모듈의 냉각 팬 제어를 통한 배터리 모듈의 냉각 시스템과 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 다수의 배터리 셀(Battery Cell)들이 직/병렬로 연결되어 배터리 모듈을 구성하고, 다수의 배터리 모듈(battery Module)들이 적재되어 버스 바를 통해 서로 전기적으로 연결되며 하나의 배터리 랙(Battery Rack)을 구성하며, 이러한 배터리 랙(Battery Rack)이 컨테이너와 같은 곳에 다수로 모여 설치되어 에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)을 구축하게 된다.
상기 배터리 셀들은 충/방전을 통해 발열이 발생하기 때문에, 상기 에너지저장시스템(ESS)을 구성하는 각각의 배터리 모듈에는 온도가 상승된 배터리 셀의 냉각을 위한 냉각 팬이 구비된다.
각 배터리 모듈에 구비되는 냉각 팬들은, 하나의 외부 전원 공급원과 연결되는 별도의 외부 전원 케이블에 연결되어, 이를 통해 외부 전원 공급원으로부터의 전원에 의해 구동하는 방식으로 셀들의 냉각을 수행하였다.
그러나, 이와 같이 외부 전원 공급원에 의한 구동 방식은, 각 배터리 모듈마다의 온도 상태에 고려하지 못한 채 모든 냉각 팬들이 동시에 구동되기 때문에, 모든 배터리 모듈의 발열 상태를 안정적으로 관리하기에 어려움이 있으며, 많은 전기적 에너지가 비효율적으로 소모된다는 문제점을 가진다.
또한, 배터리 랙(Battery Rack) 구성 시, 적재되는 배터리 모듈들의 각 냉각 팬마다 별도의 외부 전원 케이블을 연결하는 작업이 수행되어야 하는 번거로움도 존재한다.
(특허문헌 1) KR10-2013-0051102 A
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 구체적으로는 에너지저장시스템(ESS)에 포함된 각 배터리 모듈의 온도, 전압 상태를 고려하여 해당 냉각 팬을 개별 제어하는 것이 가능하며, 냉각 팬의 구동을 위해 각 냉각 팬마다 별도의 외부 전원 케이블을 연결해줘야 하는 작업을 필요로 하지 않는 배터리 모듈의 냉각 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 배터리 모듈의 냉각 시스템은, 적어도 둘 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 랙을 하나 이상 포함하여 구성되는 에너지저장시스템(ESS)에 있어서, 각 배터리 모듈은, 직/병렬로 연결되는 다수의 배터리 셀; 상기 배터리 셀들의 전압을 구동 전원으로 사용하여 동작하는 냉각 팬; 배터리 모듈의 온도 및 전압 상태에 따라, 상기 냉각 팬의 온/오프 동작 여부를 제어하는 배터리관리시스템(BMS); 을 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 배터리관리시스템(BMS)은, 소정의 주기 간격으로, 배터리 모듈의 온도를 측정하는 온도 측정부; 소정의 주기 간격으로, 배터리 모듈의 전압을 측정하는 전압 측정부; 타 배터리 모듈과의 통신을 연결하는 통신부; 상기 배터리 셀들로부터 전압을 인가 받아, 상기 냉각 팬을 구동하는 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터; 상기 온도 측정부 및 전압 측정부에서 측정된 모듈 온도 및 모듈 전압의 상태에 따라 상기 냉각 팬의 온/오프 동작 여부를 판단하는 냉각 팬 제어부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각 팬 제어부는, 상기 온도 측정부 및 전압 측정부에서 측정된 당 배터리 모듈의 모듈 온도 및 모듈 전압을, 상기 통신부를 통해 통신 연결된 타 배터리 모듈들로 송신하는 모듈 정보 송신부; 상기 통신부를 통해 통신 연결된 타 배터리 모듈들로부터 그 모듈 정보를 수신하는 모듈 정보 수신부; 상기 온도 측정부에서 측정된 모듈 온도를 소정의 온도 기준 값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬의 온/오프 동작 여부를 판단하는 제1 판단부; 상기 모듈 정보 수신부에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 정보를 바탕으로, 당 배터 리 모듈과 인접하는 인접 배터리 모듈의 인접 모듈 온도를 소정의 온도 기준 값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬의 온/오프 동작 여부를 판단하는 제2 판단부; 상기 전압 측정부에서 측정된 모듈 전압과 상기 모듈 정보 수신부에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 정보를 바탕으로 하여, 당 배터리 모듈의 모듈 전압이 타 배터리 모듈의 모듈 전압보다 높은 상태인지를 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬의 온/오프 동작 여부를 판단하는 제3 판단부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 판단부는, 상기 당 배터리 모듈의 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 이상이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬을 동작시키기 위한 팬 동작 신호를 출력하고, 상기 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 미만이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬이 동작하지 않도록 팬 중지 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제2 판단부는, 상기 인접 배터리 모듈의 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 이상이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬을 동작시키기 위한 팬 동작 신호를 출력하고, 상기 인접 배터리 모듈의 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 미만이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬이 동작하지 않도록 팬 중지 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제3 판단부는, 상기 전압 측정부에서 측정된 모듈 전압과, 상기 모듈 정보 수신부에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 정보에 포함된 모듈 전압의 차이를 각각 산출하는 모듈 전압 편차 산출부; 상기 산출된 모듈 전압 편차들 중 소정의 편차 기준 값을 초과하는 값이 존재하는지를 비교하는 모듈 전압 편차 비교부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 모듈 전압 편차 비교부는, 비교 결과, 소정의 편차 기준 값을 초과하는 모듈 전압 편차가 존재하는 경우, 당 배터리 모듈의 방전을 위하여 냉각 팬을 동작시키기 위한 팬 동작 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 DC/DC 컨버터는, 상기 팬 동작 신호가 출력되면, 상기 냉각 팬이 구동하도록 전압의 크기를 상향 조절하여 상기 냉각 팬에 출력하고, 상기 팬 중지 신호가 출력되면, 상기 냉각 팬이 구동하지 않도록 전압의 크기를 하향 조절하여 상기 냉각 팬에 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 배터리 모듈의 냉각을 제어하는 방법은, 배터리 랙 내에 포함된 다수의 배터리 모듈들 간의 통신을 연결하는 통신 연결단계; 소정의 주기 간격으로, 배터리 모듈의 모듈 온도 및 모듈 전압을 측정하는 모듈 상태 데이터 측정단계; 상기 측정한 당 배터리 모듈의 모듈 온도 및 모듈 전압을 포함하는 모듈 정보를 상기 통신 연결된 타 배터리 모듈로 송신하고, 상기 통신 연결된 타 배터리 모듈로부터 그 모듈 정보를 수신하는 모듈 정보 송수신단계; 상기 모듈 상태 데이터 측정단계에서 측정한 당 배터리 모듈의 모듈 온도 및 모듈 전압과, 상기 모듈 정보 송수신단계에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 정보를 바탕으로, 당 배터리 모듈의 냉각 팬 동작 여부를 판단하는 냉각 팬 동작 여부 판단단계; 상기 냉각 팬 동작여부 판단단계의 판단 결과에 따라, 상기 배터리 셀들로부터 인가 받은 전압의 크기를 조절하여 상기 냉각 팬으로 출력하는 냉각 팬 구동전원 인가단계; 를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 냉각 팬 동작 여부 판단단계는, 상기 모듈 상태 데이터 측정단계에서 측정한 당 배터리 모듈의 모듈 온도를 소정의 온도 기준 값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬의 동작 여부를 판단하는 제1 냉각 동작 판단단계; 상기 모듈 정보 송수신단계에서 수신한 타 배터리 모듈의 모듈 온도 중, 당 배터리 모듈과 인접한 인접 배터리 모듈의 모듈 온도를 소정의 온도 기준 값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬의 동작 여부를 판단하는 제2 냉각 동작 판단단계; 상기 모듈 상태 데이터 측정단계에서 측 정한 당 배터리 모듈의 모듈 전압이, 상기 모듈 정보 송수신단계에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 전압보다 높은 상태인지를 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬의 동작 여부를 판단하는 제3 냉각 동작 판단단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 냉각 동작 판단단계는, 상기 당 배터리 모듈의 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 이상이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬을 동작시키기 위한 팬 동작 신호를 출력하고, 상기 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 미만이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬이 동작하지 않도록 팬 중지 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제2 냉각 동작 판단단계는, 상기 인접 배터리 모듈의 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 이상이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬을 동작시키기 위한 팬 동작 신호를 출력하고, 상기 인접 배터리 모듈의 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 미만이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬이 동작하지 않도록 팬 중지 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제3 냉각 동작 판단단계는, 상기 모듈 상태 데이터 측정 단계에서 측정한 당 배터리 모듈의 모듈 온도와, 상기 모듈 정보 송수신단계에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 전압의 차이를 각각 산출하는 모듈 전압 편차 산출단계; 상기 산출된 모듈 전압 편차들 중 소정의 편차 기준 값을 초과하는 값이 존재하는지를 비교하는 모듈 전압 편차 비교단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 모듈 전압 편차 비교단계에서의 비교 결과, 소정의 편차 기준 값을 초과하는 모듈 전압 편차가 존재하는 경우, 당 배터리 모듈의 방전을 위하여 냉각 팬을 동작시키기 위한 팬 동작 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
이에, 상기 냉각 팬 구동전원 인가단계는, 상기 팬 동작 신호가 출력되면, 상기 냉각 팬이 구동하도록 전압의 크기를 상향 조절하여 상기 냉각 팬에 출력하고, 상기 팬 중지 신호가 출력되면, 상기 냉각 팬이 구동하지 않도록 전압의 크기를 하향 조절하여 상기 냉각 팬에 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 각 배터리 모듈 별 온도 상태에 따라 해당 냉각 팬을 개별 제어할 수 있으므로, 보다 안정적이고 효율적으로 배터리 모듈들의 발열을 관리할 수 있으며, 나아가 에너지저장시스템(ESS) 전체의 에너지를 효율적으로 관리할 수 있다.
또한, 배터리 랙 설치 시, 각 배터리 모듈의 냉각 팬마다 별도의 외부 전원 케이블을 연결하는 작업에 의한 번거로움이 해소되어, 기존 공정 대비 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 모듈의 냉각 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 모듈의 냉각 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
1. 본 발명에 따른 배터리 모듈의 냉각 시스템
일반적으로 에너지저장시스템(ESS)은, 다수의 배터리 셀(battery cell)들이 직/병렬 형태로 연결되어 배터리 모듈(battery module)을 구성하고, 다수 개의 배터리 모듈(battery module)이 버스 바(bus bar)를 통해 상호 연결되어 하나의 배터리 랙(battery rack)을 구성하여, 이와 같은 배터리 랙(battery rack)이 다수 모인 형태로 이루어진다.
본 발명은 이와 같은 형태로 이루어지는 에너지저장시스템(ESS)에서, 하나의 배터리 랙(battery rack)을 구성하는 다수 개의 배터리 모듈(battery module)의 냉각 시스템에 관한 것으로서, 하기와 같은 구성을 포함하여 구성될 수 있다.
도 1을 참조하여, 각 구성에 대하여 설명한다.
1.1. 배터리 모듈(100)
하나의 배터리 랙(battery rack)을 구성하는 각 배터리 모듈(100)은, 다수의 배터리 셀(110)들, 냉각 팬(120) 및 배터리관리시스템(BMS, 130)을 포함하여 구성될 수 있다.
가. 배터리 셀(110)
배터리 모듈(100)은, 직/병렬 형태로 연결된 다수의 배터리 셀(110)을 포함하여 구성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 배터리 셀(110)들이 하나의 배터리 모듈(100)을 구성하고, 이러한 배터리 모듈(100)이 다수로 모여 버스 바(200)를 통해 상호 연결되어 하나의 배터리 랙(battery rack)을 구성하는 것이다.
나. 냉각 팬(120)
냉각 팬(120)은, 배터리 모듈(120)의 전압을 구동 전원으로서 공급받아 구동하여 해당 배터리 모듈(120)에 대한 냉각 동작을 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 냉각 팬(120)은, 해당 배터리 모듈(100)의 온도 및 전압 상태에 따라 후술하는 배터리관리시스템(BMS, 130)에 구비된 DC/DC 컨버터(134)를 통해 인가되는 배터리 셀(110)들의 전압으로 구동하여, 해당 배터리 셀(110)들을 냉각에 대한 냉각 동작을 수행할 수 있다.
다. 배터리관리시스템(BMS, 130)
배터리관리시스템(BMS, 130)은, 배터리 모듈(100)의 온도 및 전압 상태를 측정하여, 그에 따라 DC/DC 컨버터(134)가 냉각 팬(120)에 출력하는 전압의 크기를 조절하도록 하여, 냉각 팬(120)의 동작을 제어할 수 있다. 이와 같은 배터리관리시스템(BMS, 130)은, 하기의 세부 구성을 포함하여 구성될 수 있다.
1) 온도 측정부(131)
온도 측정부(131)는, 소정의 주기 간격으로 해당 배터리 모듈(100)의 온도를 측정하는 구성으로서, 예를 들어 온도 센서(미도시)를 이용하는 방식 등의 주지의 기술을 사용하여 배터리 모듈(100)의 온도를 측정할 수 있다. 이러한 온도 측정부(131)에서 측정되는 해당 배터리 모듈(100)의 온도를 모듈 온도로 지칭하여 설명한다.
2) 전압 측정부(132)
전압 측정부(132)는, 소정의 주기 간격으로 해당 배터리 모듈(100)의 전압을 측정하는 구성으로서, 주지의 기술을 사용하여 배터리 모듈(100)의 전압을 측정할 수 있다. 이러한 전압 측정부(132)에서 측정되는 해당 배터리 모듈(100)의 전압을 모듈 전압으로 지칭하여 설명한다.
3) 통신부(133)
통신부(133)는, 버스 바(bus bar, 200)를 통해 전기적으로 상호 연결된 타 배터리 모듈과의 통신을 연결하는 구성이다. 상기 통신부(133)에 의해, 하나의 배터리 랙(battery rack)을 구성하는 다수의 배터리 모듈(100)들은 상호 통신 연결되어, 해당 배터리 모듈(100)은, 자신의 모듈 정보를 타 배터리 모듈(100)로 송신할 수 있고, 타 배터리 모듈(100)로부터 그 모듈 정보를 수신할 수 있다.
여기서, 모듈 정보라 함은, 상술한 온도 측정부(131) 및 전압 측정부(132)에서 측정되는 해당 배터리 모듈(100)의 모듈 온도 및 모듈 전압, 그리고 해당 배터리 모듈(100)을 식별할 수 있는 모듈 식별번호를 포함하여 구성될 수 있다.
4) DC/DC 컨버터(134)
DC/DC 컨버터(134)는, 해당 배터리 모듈(100)에 포함된 배터리 셀(110)들로부터 전압을 인가 받아, 이를 상기 냉각 팬(120)에 적합한 전압으로 변환하여 출력하는 구성으로서, 이는 후술하는 냉각 팬 제어부(135)의 제어에 따라 배터리 셀(110)들로부터 인가 받은 전압을, 냉각 팬(120)의 구동에 적합한 전압으로 변환하여 냉각 팬(120)에 출력할 수 있다. 이에 따라, 냉각 팬(120)의 동작이 제어될 수 있다.
구체적으로, 상기 DC/DC 컨버터(134)는, 후술하는 냉각 팬 제어부(135)로부터 팬 동작 신호가 출력되면, 상기 냉각 팬(120)이 구동할 수 있도록 전압의 크기를 조절하여 출력할 수 있다. 이에, 냉각 팬(120)은 상기 DC/DC 컨버터(134)로부터 입력 받은 전원에 의해 동작하게 된다.
반면, 상기 냉각 팬 제어부(135)로부터 팬 중지 신호가 출력되면, 상기 냉각 팬(120)이 구동하지 않도록 전압의 크기를 조절하여 출력할 수 있다. 이에, 냉각 팬(120)은 동작하지 않게 된다.
즉, 상기 DC/DC 컨버터(134)는, 냉각 팬 제어부(135)의 제어에 따라 전압의 크기를 조절하여 냉각 팬(120)으로 출력함으로써, 해당 냉각 팬(120) 동작의 온/오프를 제어하는 것이다.
5) 냉각 팬 제어부(135)
냉각 팬 제어부(135)는, 상기 온도 측정부(131) 및 전압 측정부(132)에서 측정되는 해당 배터리 모듈(100)의 모듈 온도 및 모듈 전압에 따라, 냉각 팬(120)의 동작을 제어하는 구성일 수 있다.
이와 같은 냉각 팬 제어부(135)는, 아래와 같은 세부 구성을 포함하여 구성될 수 있다.
A. 모듈 정보 송신부(1351)
모듈 정보 송신부(1351)는, 상기 온도 측정부(131) 및 전압 측정부(132)에서 측정되는 모듈 온도 및 모듈 전압, 그리고 모듈 식별번호를 포함하는 자신의 모듈 정보를 상기 통신부(133)를 통해 통신 연결된 타 배터리 모듈(100)로 송신하는 구성일 수 있다.
B. 모듈 정보 수신부(1352)
모듈 정보 수신부(1352)는, 상기 통신부(133)를 통해 통신 연결된 타 배터리 모듈(100)들로부터 그 모듈 정보를 수신하는 구성일 수 있다.
이와 같은 모듈 정보 송신부(1351) 및 모듈 정보 수신부(1352)에 의해, 하나의 배터리 랙(battery rack)을 구성하는 다수의 배터리 모듈(100)들 간에 모듈 정보 교환이 이루어질 수 있다.
여기서, 모듈 정보는 해당 배터리 모듈(100)을 나타내는 모듈 식별번호를 포함하고 있으므로, 이를 이용하여 배터리 모듈 별 모듈 정보를 구분할 수 있다.
C. 제1 판단부(1353)
제1 판단부(1353)는, 상기 온도 측정부(131)에서 측정되는 모듈 온도를 소정의 온도 기준 값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 냉각 팬(120)의 동작 여부를 판단할 수 있다.
비교 결과, 상기 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 이상인 경우, 해당 배터리 모듈의 온도를 낮춰 주어야 할 필요가 있는 것으로 판단하고, 냉각 팬 (120)이 동작할 수 있도록 팬 동작 신호를 출력할 수 있다. 이 경우, 상기 DC/DC 컨버터(134)는 냉각 팬(120)으로의 출력 전압을 높여 냉각 팬(120)이 동작하도록 하여, 해당 냉각 팬(120)이 배터리 셀(110)들을 냉각시킴으로써 온도 상태를 낮춰줄 수 있다.
반면, 상기 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 미만이면, 해당 배터리 모듈은 냉각이 불필요한 상태인 것으로 판단하여, 냉각 팬(120)이 동작하지 않도록 팬 중지 신호를 출력할 수 있다. 이에 따라, 상기 DC/DC 컨버터(134)는 냉각 팬(120)으로의 출력 전압을 낮춰 냉각 팬(120)이 동작하지 않도록 하여, 상기 배터리 셀(110)들의 온도가 필요 이상으로 떨어지지 않도록 할 수 있다.
이와 같이, 배터리 모듈(100)의 모듈 온도에 따라 냉각 팬(120)의 동작을 개별 제어함으로써, 각각의 배터리 모듈마다의 온도 상태에 적합한 냉각 동작이 이루어질 수 있다.
D. 제2 판단부(1354)
제2 판단부(1354)는, 상기 모듈 정보 수신부(1352)에서 수신한 타 배터리 모듈의 모듈 정보를 바탕으로, 그 중 자신과 인접하는 위치의 배터리 모듈의 모듈 온도를 소정의 온도 기준 값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 해당 배터리 모듈의 냉각 팬(120)의 동작 여부를 판단할 수 있다.
이 때, 설명의 편의를 위하여, 자신과 인접하는 배터리 모듈을 인접 배터리 모듈, 그 모듈 온도를 인접 모듈 온도로 지칭하여 설명하며, 이는 모듈 정보에 포함된 해당 모듈 식별번호를 이용하여 자신과 인접하는 위치의 배터리 모듈에 대한 모듈 온도 값을 획득할 수 있다.
비교 결과, 상기 인접 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 이상이면, 인접 배터리 모듈의 발열에 의한 당 배터리 모듈의 영향을 최소화하기 위하여, 당 배터리 모듈의 냉각 팬(120)이 동작할 수 있도록 팬 동작 신호를 출력할 수 있다. 이 경우, 상기 DC/DC 컨버터(134)는 냉각 팬(120)으로의 출력 전압을 높여 냉각 팬(120)이 동작하도록 할 수 있다. 그 이유는, 예를 들어 자신과 인접한 배터리 모듈의 온도 상태가 높은 상태이면, 그 발열로 인해 해당 배터리 모듈(100)의 온도까지 상승하는 상황이 발생할 수 있기 때문에, 이러한 상황을 사전에 방지하기 위하여, 인접 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 이상인 상태이면, 해당 배터리 모듈의 냉각 팬(120)이 동작해야 하는 것으로 판단하여 팬 동작 신호를 출력함으로써, 인접 배터리 모듈의 발열에 의한 해당 배터리 모듈(100)의 온도 상승을 사전에 방지할 수 있다.
한편, 상기 인접 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 미만이면, 냉각 팬(120)이 동작할 필요가 없는 것으로 판단하여 팬 중지 신호를 출력할 수 있다. 이에 따라, 상기 DC/DC 컨버터(134)는 냉각 팬(120)으로의 출력 전압을 낮춰 냉각 팬(120)이 동작하지 않도록 할 수 있다.
이와 같이, 해당 배터리 모듈(100)과 인접하는 배터리 모듈의 인접 모듈 온도에 따라 냉각 팬(120)의 동작 여부를 판단하고 제어함으로써, 당 배터리 모듈에 인접 배터리 모듈의 발열에 의한 영향으로 발생할 수 있는 상술한 상황을 사전에 방지할 수 있다.
E. 제3 판단부(1355)
제3 판단부(1355)는, 상기 전압 측정부(132)에서 측정된 해당 배터리 모듈의 모듈 전압과 상기 모듈 정보 수신부(1351)에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 전압을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 해당 냉각 팬(120)의 동작 여부를 판단할 수 있다. 상기 제3 판단부(1355)는, 그 세부 구성으로서 모듈 전압 편차 산출부(미도시) 및 모듈 전압 편차 비교부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
모듈 전압 편차 산출부(미도시)는, 상기 온도 측정부(131)에서 측정된 해당 배터리 모듈의 모듈 전압과, 상기 모듈 정보 수신부(1351)에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 전압 간의 편차를 각각 산출할 수 있다. 상기 모듈 전압 편차 산출부(미도시)에서 산출하는 해당 배터리 모듈의 모듈 전압과 타 배터리 모듈의 모듈 전압 간의 차이를 모듈 전압 편차로 지칭하여 설명한다.
모듈 전압 편차 비교부(135b)는, 상기 모듈 전압 편차 산출부(미도시)에서 산출한 해당 배터리 모듈과 타 배터리 모듈들의 전압 차인 각각의 모듈 전압 편차를 소정의 편차 기준 값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 해당 배터리 모듈의 냉각 팬(120)의 동작 여부를 판단할 수 있다.
구체적으로, 상기 산출된 모듈 전압 편차가 소정의 편차 기준 값을 초과하는 경우, 해당 배터리 모듈의 모듈 전압이 타 배터리 모듈의 모듈 전압보다 높은 상태인 것으로 판단하고, 해당 배터리 모듈의 냉각 팬(120)이 동작하도록 팬 동작 신호를 출력할 수 있다.
반면, 상기 산출된 모듈 전압 편차가 소정의 편차 기준 값 이하이면, 해당 냉각 팬(120)이 동작하지 않도록 팬 중지 신호를 출력할 수 있다.
그 원리를 설명하면, 본 발명에 따른 냉각 팬(120)은 별도의 외부 전원이 아닌 해당 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀(110)들의 전압을 구동 전원으로 사용하도록 구성된다. 이에, 해당 배터리 모듈의 전압 상태가 타 배터리 모듈보다 높을 경우, 냉각 팬(120)을 구동하여 배터리 셀(110)들을 방전시킴으로써 타 배터리 모듈과의 전압 밸런싱을 달성하는 것이다.
이와 같이, 해당 배터리 모듈(100)의 전압 상태가 타 배터리 모듈의 전압 상태보다 높은 지를 판단하고, 높은 경우 해당 배터리 모듈의 냉각 팬(120)의 구동을 통해 배터리 셀(110)들을 방전 시켜 타 배터리 모듈과의 전압 상태의 균형을 유지할 수 있도록 함으로써, 배터리 랙(battery rack) 내에 포함된 배터리 모듈들이 균일한 전압 상태를 유지할 수 있도록 할 수 있다.
1.2. 버스 바(200)
버스 바(200)는, 하나의 배터리 랙(battery rack)을 구성하는 다수의 배터리 모듈(100)들을 상호 연결하는 구성으로서, 상기 버스 바(200)를 통해 다수의 배터리 모듈(100)들이 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
이와 같이, 각 배터리 모듈의 온도 및 전압 상태를 고려하여 그에 따라 냉각 팬의 동작을 개별 제어함으로써, 각각의 배터리 모듈 내에 포함된 배터리 셀들의 열 관리가 보다 효과적으로 이루어질 수 있다. 또한, 별도의 외부 전원이 아닌 각 배터리 모듈 자체의 전압으로 냉각 팬을 구동하기 때문에, 종래의 각 냉각 팬을 별도의 외부 전원 케이블과 연결해줘야 하는 작업이 불필요하게 되어, 이로 인한 번거로움을 해소하고, 모듈 조립에 대한 용이성 및 편의성을 향상시켜줄 수 있다.
2. 본 발명에 따른 에너지저장시스템에 포함된 배터리 모듈의 냉각 제어 방법(도 2 참조)
본 발명에 따른 배터리 모듈의 냉각 동작을 제어하는 방법은, 하기와 같은 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
2.1. 통신 연결단계(S100)
통신 연결단계(S100)는, 배터리 랙(battery rack)을 구성하는 다수의 배터리 모듈(100)들 간의 통신을 연결하는 단계로서, 이는 각 배터리 모듈(100)의 배터리관리시스템(BMS, 130)에 구비된 상술한 통신부(133)에 의해 수행될 수 있다.
2.2. 모듈 상태 데이터 측정단계(S200)
모듈 상태 데이터 측정단계는, 소정의 주기 간격으로 해당 배터리 모듈(100)의 온도 및 전압을 측정하는 단계로서, 여기서 측정되는 배터리 모듈(100)의 온도 및 전압 값을, 모듈 온도 및 모듈 전압으로 각각 지칭하여 설명한다.
이는, 상술한 온도 측정부(131) 및 전압 측정부(132)에 의해 수행될 수 있다.
2.3. 모듈 정보 송수신단계(S300)
모듈 정보 송수신단계는, 상기 모듈 상태 데이터 측정단계(S200)에서 측정된 자신(당 배터리 모듈)의 모듈 온도 및 모듈 전압을 포함하는 모듈 정보를 상기 통신 연결된 타 배터리 모듈로 송신하고, 상기 통신 연결된 타 배터리 모듈로부터 그 모듈 온도 및 모듈 전압을 포함하는 모듈 정보를 수신하는 단계일 수 있다.
여기서, 모듈 정보는, 상기 모듈 상태 측정단계(S200)에서 측정된 모듈 온도 및 모듈 전압과, 해당 배터리 모듈을 식별하는 모듈 식별번호를 포함한다.
이는, 상술한 모듈 정보 송신부(1351) 및 모듈 정보 수신부(1352)에 의해 수행될 수 있다.
2.4. 냉각 팬 동작 여부 판단단계(S400)
냉각 팬 동작 여부 판단단계는, 상기 모듈 상태 데이터 측정단계(S200)에서 측정된 해당 배터리 모듈의 모듈 온도 및 모듈 전압과, 상기 모듈 정보 송수신단계(S300)를 통해 수신한 타 배터리 모듈의 모듈 온도 및 모듈 전압을 바탕으로, 해당 배터리 모듈의 냉각 팬(120)의 동작 여부를 판단하는 단계로서, 하기의 세부 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
가. 제1 냉각 동작 판단단계(S410)
제1 냉각 동작 판단단계는, 상기 모듈 상태 데이터 측정단계(S200)에서 측정한 해당 배터리 모듈의 모듈 온도를 소정의 온도 기준 값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬(120)의 동작 여부를 판단할 수 있다.
비교 결과, 상기 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 이상인 경우, 냉각 팬(120)이 동작해야 하는 것으로 판단하여 팬 동작 신호를 출력할 수 있다. 이 경우, 해당 배터리 모듈, 즉 자신의 온도가 높은 상태여서 배터리 셀(110)들에 대한 냉각 동작이 이루어져야 할 필요가 있으므로, 냉각 팬(120)이 동작하도록 팬 동작 신호를 출력하는 것이다.
반면, 상기 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 미만이면, 냉각 팬(120)이 동작하지 않아도 되는 것으로 판단하여 팬 중지 신호를 출력할 수 있다. 이 경우, 해당 배터리 모듈, 즉 자신의 온도가 정상 상태이기 때문에 배터리 셀(110)들에 대한 냉각 동작이 필요하지 않으므로, 냉각 팬(120)이 동작하지 않도록 팬 중지 신호를 출력하는 것이다.
이와 같은 단계는, 상술한 제1 판단부(1353)에 의해 수행될 수 있다.
나. 제2 냉각 동작 판단단계(S420)
제2 냉각 동작 판단단계는, 상기 모듈 정보 송수신단계(S300)에서 수신한 타 배터리 모듈의 모듈 온도를 바탕으로 해당 배터리 모듈의 냉각 팬(120)의 동작 여부를 판단하는 단계이다.
구체적으로, 상기 수신한 타 배터리 모듈의 모듈 온도 중, 자신과 인접한 인접 배터리 모듈의 모듈 온도(인접 모듈 온도)를 소정의 온도 기준 값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬(120)의 동작 여부를 판단할 수 있다.
비교 결과, 상기 인접 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 이상이면, 당 배터리 모듈에 대한 냉각 동작이 필요한 것으로 판단하여, 냉각 팬(120)이 동작할 수 있도록 팬 동작 신호를 출력할 수 있다. 이는, 당 배터리 모듈, 즉 자신과 인접 한 인접 배터리 모듈의 온도 상태가 높은 상태이면, 그 발열의 영향으로 인해 자신의 온도까지 상승하는 상황이 발생할 수 있기 때문에, 이러한 상황을 사전에 방지하기 위하여, 자신의 냉각 팬(120)이 동작하도록 팬 동작 신호를 출력하는 것이다.
반면, 상기 인접 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 미만이면, 해당 배터리 모듈, 즉 자신의 배터리 모듈의 냉각 팬(120)이 동작할 필요가 없는 것으로 판단하고, 냉각 팬(120)이 동작하지 않도록 팬 중지 신호를 출력할 수 있다.
이와 같은 동작은, 상술한 제2 판단부(1354)에 의해 수행될 수 있다.
다. 제3 냉각 동작 판단단계(S430)
제3 냉각 동작 판단단계는, 상기 모듈 상태 데이터 측정단계(S200)에서 측정한 해당 배터리 모듈의 모듈 전압과 상기 모듈 정보 송수신단계(S300)를 통해 수신한 타 배터리 모듈의 모듈 전압의 차이에 따라, 해당 배터리 모듈의 냉각 팬(120) 동작 여부를 판단할 수 있다.
1) 모듈 전압 편차 산출단계(미도시)
먼저, 상기 모듈 상태 데이터 측정단계(S200)에서 측정한 해당 배터리 모듈의 모듈 전압과, 상기 모듈 정보 송수신단계(S300)에서 수신한 각각의 타 배터리 모듈의 모듈 전압의 차인 모듈 전압 편차를 산출할 수 있다. 이는 제3 판단부(1355)의 모듈 전압 편차 산출부(미도시)에 의해 수행될 수 있다.
2) 모듈 전압 편차 비교단계(미도시)
상기 산출된 각각의 모듈 전압 편차를 소정의 편차 기준 값과 비교할 수 있다.
비교 결과, 상기 모듈 전압 편차가 소정의 편차 기준 값을 초과하는 경우, 해당 배터리 모듈의 모듈 전압이 타 배터리 모듈의 모듈 전압보다 높은 상태인 것으로 판단하고, 해당 배터리 모듈의 냉각 팬(120)이 동작하도록 팬 동작 신호를 출력할 수 있다.
반면, 상기 모듈 전압 편차가 소정의 편차 기준 값 이하이면, 해당 배터리 모듈과 타 배터리 모듈의 전압 균형 상태가 정상 범위 이내인 것으로 판단하고, 해당 배터리 모듈의 냉각 팬(120)이 동작하지 않도록 팬 중지 신호를 출력할 수 있다.
그 원리를 설명하면, 본 발명에 따른 냉각 팬(120)은 별도의 외부 전원이 아닌 해당 배터리 모듈에 포함된 배터리 셀(110)들의 전압을 구동 전원으로 사용하도록 구성된다. 이에, 해당 배터리 모듈의 전압 상태가 타 배터리 모듈보다 높을 경우, 냉각 팬(120)을 구동하여 배터리 셀(110)들을 방전시켜 현재 타 배터리 모듈보다 높은 상태의 전압을 낮춰줌으로써 타 배터리 모듈과의 전압 밸런싱을 달성하는 것이다.
이와 같은 동작은, 상술한 제3 판단부(1355)의 모듈 전압 편차 비교부(미도시)에 의해 수행될 수 있다.
2.5. 냉각 팬 구동전원 인가단계(S500)
냉각 팬 구동전원 인가단계(S500)는, 상기 냉각 팬 동작 제어단계(S400)에서 출력되는 제어신호에 따라 DC/DC 컨버터(134)에서 냉각 팬(120)으로 배터리 셀(110)들의 전압을 인가하여, 상기 냉각 팬(120)의 동작을 제어하는 단계이다.
구체적으로, 상기 냉각 팬 동작 제어단계(S400)에서 팬 동작 신호가 출력되면, 상기 DC/DC 컨버터(134)는 배터리 셀(110)들로부터 인가되는 전압을 냉각 팬(120)의 구동이 가능하도록 그 크기를 조절하여 출력할 수 있다. 이에, 상기 DC/DC 컨버터(134)를 통해 전압을 입력 받은 냉각 팬(120)은 구동하게 되어, 해당 배터리 모듈(100)에 대한 냉각 동작을 수행할 수 있다.
반면, 상기 냉각 팬 동작 제어단계(S400)에서 팬 중지 신호가 출력되면, 상기 DC/DC 컨버터(134)는 출력 전압의 크기를 낮춰 출력할 수 있다. 이에, 냉각 팬(120)은 동작하지 않게 되어, 해당 배터리 모듈(100)에 대한 냉각 동작이 이루어지지 않게 된다(S600).
이와 같이, 각 배터리 모듈의 온도 및 전압 상태를 고려하여 그에 따라 냉각 팬의 동작을 개별 제어함으로써, 각각의 배터리 모듈 내에 포함된 배터리 셀들의 열 관리가 보다 효과적으로 이루어질 수 있다. 또한, 별도의 외부 전원이 아닌 각 배터리 모듈 자체의 전압으로 냉각 팬을 구동하기 때문에, 종래의 각 냉각 팬을 별도의 외부 전원 케이블과 연결해줘야 하는 작업이 불필요하게 되어, 이로 인한 번거로움을 해소하고, 모듈 조립에 대한 용이성 및 편의성을 향상시켜줄 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 적어도 둘 이상의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 랙을 하나 이상 포함하여 구성되는 에너지저장시스템(ESS)에 있어서,
    각 배터리 모듈은,
    직/병렬로 연결되는 다수의 배터리 셀;
    상기 배터리 셀들의 전압을 구동 전원으로 사용하여 동작하는 냉각 팬;
    배터리 모듈의 온도 및 전압 상태에 따라, 상기 냉각 팬의 온/오프 동작 여부를 제어하는 배터리관리시스템(BMS);
    을 포함하여 구성되는 배터리 모듈의 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리관리시스템(BMS)은,
    소정의 주기 간격으로, 배터리 모듈의 온도를 측정하는 온도 측정부;
    소정의 주기 간격으로, 배터리 모듈의 전압을 측정하는 전압 측정부;
    타 배터리 모듈과의 통신을 연결하는 통신부;
    상기 배터리 셀들로부터 전압을 인가 받아, 상기 냉각 팬을 구동하는 전압으로 변환하여 출력하는 DC/DC 컨버터;
    상기 온도 측정부 및 전압 측정부에서 측정된 모듈 온도 및 모듈 전압의 상 태에 따라 상기 냉각 팬의 온/오프 동작 여부를 판단하는 냉각 팬 제어부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 냉각 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 팬 제어부는,
    상기 온도 측정부 및 전압 측정부에서 측정된 당 배터리 모듈의 모듈 온도 및 모듈 전압을, 상기 통신부를 통해 통신 연결된 타 배터리 모듈들로 송신하는 모듈 정보 송신부;
    상기 통신부를 통해 통신 연결된 타 배터리 모듈들로부터 그 모듈 정보를 수신하는 모듈 정보 수신부;
    상기 온도 측정부에서 측정된 모듈 온도를 소정의 온도 기준 값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬의 온/오프 동작 여부를 판단하는 제1 판단부;
    상기 모듈 정보 수신부에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 정보를 바탕으로, 당 배터리 모듈과 인접하는 인접 배터리 모듈의 인접 모듈 온도를 소정의 온도 기준 값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬의 온/오프 동작 여부를 판단하는 제2 판단부;
    상기 전압 측정부에서 측정된 모듈 전압과 상기 모듈 정보 수신부에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 정보를 바탕으로 하여, 당 배터리 모듈의 모듈 전압이 타 배터리 모듈의 모듈 전압보다 높은 상태인지를 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬의 온/오프 동작 여부를 판단하는 제3 판단부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 냉각 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 판단부는,
    상기 당 배터리 모듈의 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 이상이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬을 동작시키기 위한 팬 동작 신호를 출력하고,
    상기 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 미만이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬이 동작하지 않도록 팬 중지 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 냉각 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 판단부는,
    상기 인접 배터리 모듈의 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 이상이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬을 동작시키기 위한 팬 동작 신호를 출력하고,
    상기 인접 배터리 모듈의 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 미만이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬이 동작하지 않도록 팬 중지 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 냉각 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제3 판단부는,
    상기 전압 측정부에서 측정된 모듈 전압과, 상기 모듈 정보 수신부에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 정보에 포함된 모듈 전압의 차이를 각각 산출하는 모듈 전압 편차 산출부;
    상기 산출된 모듈 전압 편차들 중 소정의 편차 기준 값을 초과하는 값이 존재하는지를 비교하는 모듈 전압 편차 비교부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 냉각 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모듈 전압 편차 비교부는,
    비교 결과, 소정의 편차 기준 값을 초과하는 모듈 전압 편차가 존재하는 경우, 당 배터리 모듈의 방전을 위하여 냉각 팬을 동작시키기 위한 팬 동작 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 냉각 시스템.
  8. 제4항, 제5항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는,
    상기 팬 동작 신호가 출력되면, 상기 냉각 팬이 구동하도록 전압의 크기를 상향 조절하여 상기 냉각 팬에 출력하고,
    상기 팬 중지 신호가 출력되면, 상기 냉각 팬이 구동하지 않도록 전압의 크기를 하향 조절하여 상기 냉각 팬에 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 냉각 시스템.
  9. 배터리 랙 내에 포함된 다수의 배터리 모듈들 간의 통신을 연결하는 통신 연결단계;
    소정의 주기 간격으로, 배터리 모듈의 모듈 온도 및 모듈 전압을 측정하는 모듈 상태 데이터 측정단계;
    상기 측정한 당 배터리 모듈의 모듈 온도 및 모듈 전압을 포함하는 모듈 정보를 상기 통신 연결된 타 배터리 모듈로 송신하고, 상기 통신 연결된 타 배터리 모듈로부터 그 모듈 정보를 수신하는 모듈 정보 송수신단계;
    상기 모듈 상태 데이터 측정단계에서 측정한 당 배터리 모듈의 모듈 온도 및 모듈 전압과, 상기 모듈 정보 송수신단계에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 정보를 바탕으로, 당 배터리 모듈의 냉각 팬 동작 여부를 판단하는 냉각 팬 동작 여부 판단단계;
    상기 냉각 팬 동작여부 판단단계의 판단 결과에 따라, 상기 배터리 셀들로부터 인가 받은 전압의 크기를 조절하여 상기 냉각 팬으로 출력하는 냉각 팬 구동전원 인가단계;
    를 포함하여 구성되는 배터리 모듈의 냉각 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 냉각 팬 동작 여부 판단단계는,
    상기 모듈 상태 데이터 측정단계에서 측정한 당 배터리 모듈의 모듈 온도를 소정의 온도 기준 값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬의 동작 여부를 판단하는 제1 냉각 동작 판단단계;
    상기 모듈 정보 송수신단계에서 수신한 타 배터리 모듈의 모듈 온도 중, 당 배터리 모듈과 인접한 인접 배터리 모듈의 모듈 온도를 소정의 온도 기준 값과 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬의 동작 여부를 판단하는 제2 냉각 동작 판단단계;
    상기 모듈 상태 데이터 측정단계에서 측정한 당 배터리 모듈의 모듈 전압이, 상기 모듈 정보 송수신단계에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 전압보다 높은 상 태인지를 비교하여, 그 비교 결과에 따라 당 배터리 모듈의 냉각 팬의 동작 여부를 판단하는 제3 냉각 동작 판단단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 냉각 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 냉각 동작 판단단계는,
    상기 당 배터리 모듈의 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 이상이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬을 동작시키기 위한 팬 동작 신호를 출력하고,
    상기 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 미만이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬이 동작하지 않도록 팬 중지 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 냉각 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 냉각 동작 판단단계는,
    상기 인접 배터리 모듈의 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 이상이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬을 동작시키기 위한 팬 동작 신호를 출력하고,
    상기 인접 배터리 모듈의 모듈 온도가 소정의 온도 기준 값 미만이면, 당 배터리 모듈의 냉각 팬이 동작하지 않도록 팬 중지 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 냉각 제어 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제3 냉각 동작 판단단계는,
    상기 모듈 상태 데이터 측정단계에서 측정한 당 배터리 모듈의 모듈 온도와, 상기 모듈 정보 송수신단계에서 수신한 타 배터리 모듈들의 모듈 전압의 차이를 각각 산출하는 모듈 전압 편차 산출단계;
    상기 산출된 모듈 전압 편차들 중 소정의 편차 기준 값을 초과하는 값이 존재하는지를 비교하는 모듈 전압 편차 비교단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 냉각 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 모듈 전압 편차 비교단계에서의 비교 결과, 소정의 편차 기준 값을 초과하는 모듈 전압 편차가 존재하는 경우, 당 배터리 모듈의 방전을 위하여 냉각 팬을 동작시키기 위한 팬 동작 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 냉각 제어 방법.
  15. 제11항, 제12항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 팬 구동전원 인가단계는,
    상기 팬 동작 신호가 출력되면, 상기 냉각 팬이 구동하도록 전압의 크기를 상향 조절하여 상기 냉각 팬에 출력하고,
    상기 팬 중지 신호가 출력되면, 상기 냉각 팬이 구동하지 않도록 전압의 크기를 하향 조절하여 상기 냉각 팬에 출력하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 냉각 제어 방법.
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