WO2021206373A1 - 배터리 모듈 및 에너지 저장 장치 - Google Patents

배터리 모듈 및 에너지 저장 장치 Download PDF

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battery
fuse
module
rack
short circuit
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PCT/KR2021/004101
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이창복
김성원
이재찬
송현진
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention claims the benefit of priority based on Korean Patent Application No. 10-2020-0044257 filed on April 10, 2020, and includes all contents disclosed in the literature of the Korean patent application as a part of this specification.
  • Embodiments of the present invention relate to a battery module and an energy storage device, and more particularly, to a battery module and an energy storage device in which a fuse for blocking overcurrent is installed.
  • the secondary battery in the energy storage device is provided in the form of a battery rack consisting of a plurality of battery modules and a rack controller for managing the plurality of battery modules.
  • Each of the plurality of battery modules further includes a battery pack to which a plurality of battery cells are connected in series and/or in parallel, and a module controller for managing the operation of the battery pack.
  • a fuse as a passive element is connected in a battery system such as an energy storage device. In the event of a short circuit, it is prepared for a short circuit accident by cutting off the overcurrent in a short moment through the fuse.
  • the fuse in such a battery rack has a structure that cannot respond to a short circuit at the module level. Therefore, a module fuse is also provided in the battery system to satisfy the UN Transportation Testing (UN/DOT 38.3) standard.
  • UN/DOT 38.3 is a test regulation to ensure safety in transport of lithium-ion batteries.
  • UN/DOT 38.3 contains the content that protection against short circuit of the module is required when the battery is transported in a module state, and a module fuse is provided to satisfy this requirement.
  • a fuse having a voltage specification that satisfies the module voltage is selected so that there is no problem in the short circuit test of the installed battery module.
  • the module fuse cannot withstand the system voltage and may be damaged and may damage other components.
  • Embodiments of the present invention have been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a battery module and an energy storage device in which a decrease in price competitiveness and energy density is prevented while being safe.
  • a battery rack comprising a plurality of battery modules; Including; a rack fuse that blocks a circuit when an overcurrent occurs in the battery rack, each of the plurality of battery modules includes a battery cell and a module fuse that blocks the circuit when an overcurrent occurs in the battery module, the module fuse is to the output voltage of the battery rack It has a corresponding voltage specification, and provides an energy storage device, characterized in that it has a short circuit specification lower than the short circuit specification of the rack fuse.
  • the module fuse may be blocked later than the rack fuse when a short circuit occurs in the battery rack.
  • the module fuse can only be cut off when a short circuit occurs in the battery rack.
  • the module fuse may start to be blown later than the time when the rack fuse is finished melting when a short circuit occurs in the battery rack.
  • the module fuse when a short circuit occurs in the battery rack and the rack fuse is blocked, the module fuse may not operate.
  • the module fuse when a short circuit occurs in the battery module, the module fuse may be blocked.
  • the present invention is used including a plurality of battery modules in the battery rack, in an energy storage device including a rack fuse for blocking the circuit when overcurrent occurs
  • a battery module comprising: a plurality of battery cells; and a module fuse that blocks the circuit when an overcurrent occurs; the module fuse has a voltage specification that can correspond to the output voltage of the battery rack, and provides a battery module, characterized in that it has a short circuit specification lower than the short circuit specification of the rack fuse.
  • the module fuse may start to be blown later than the time when the rack fuse is finished melting when a short circuit occurs in the battery rack.
  • the module fuse when a short circuit occurs in the battery module, the module fuse may be blocked.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an energy storage device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic circuit diagram of an energy storage device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example in which a short circuit occurs in the energy storage device of FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a diagram illustrating another example in which a short circuit occurs in the energy storage device of FIG. 3 .
  • first, second, first, or second used in various embodiments may modify various components regardless of order and/or importance, do not limit
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be renamed to the first component.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an energy storage device according to an embodiment of the present invention.
  • an energy storage device 1 is a unit for storing energy in an energy storage system.
  • the energy storage system may include a plurality of energy storage devices 1 .
  • the energy storage device 1 is provided in the form of a battery rack.
  • the battery rack is equipped with a plurality of battery modules 10 and a rack controller for controlling the entire battery rack in the chassis.
  • an energy storage device and a battery rack are mixed and specified.
  • the energy storage device 1 may include a battery module including a rechargeable battery.
  • the energy storage device 1 may supply stored power to a load or to a system.
  • the energy storage device 1 may be charged by receiving power from the system.
  • the energy storage device 1 includes a plurality of battery modules 10-1 to 10-N, a rack controller (RBMS, Rack Battery Management System), and a rack protection unit (RBPU, Rack Battery Protection Unit). ) and the like.
  • RBMS Rack Battery Management System
  • RBPU Rack Battery Protection Unit
  • the plurality of battery modules 10 - 1 to 10 -N are unit components that can be mounted on the energy storage device 1 , and are each configured to charge and discharge electric power. (Hereinafter, if there is no need to describe a plurality of battery modules separately, the reference numerals will be described as 'battery module 10'.)
  • the battery module 10 is a battery rack as the energy storage device 1 . It is a configuration that can be transported as such before being assembled.
  • a plurality of battery modules 10 may be connected to each other in series and/or in parallel in the energy storage device 1 according to the required specifications of the energy storage device 1 . That is, the plurality of battery modules 10 may provide a required output according to a series and/or parallel connection configuration.
  • Each of the battery modules 10 may include a battery pack 11 , a module controller 12 , a switching unit 13 , and a module protection unit 14 (Module BPU).
  • 2 is a diagram showing the configuration of a battery module according to an embodiment of the present invention.
  • the battery pack 11 may include one or more battery cells C, which are unit components for storing power.
  • a plurality of battery cells may be connected to each other in series and/or in parallel according to the required specifications of the battery pack 11 . That is, the number and connection type of the battery cells C may be determined according to the required output (voltage, current, etc.) of the battery module 10 .
  • the battery cell C may be a lithium ion (Li-ion) battery, a lithium ion polymer battery, a nickel cadmium (Ni-Cd) battery, a nickel hydrogen (Ni-MH) battery, or the like. As long as it is a rechargeable battery, the present invention is not limited thereto.
  • the module controller 12 (also referred to as a 'module BMS') controls and manages the overall operation of the battery module 10 .
  • the module controller 12 may detect the temperature of the battery module 10 , the voltage and current output from the battery module 10 , and the like.
  • the battery module 10 may calculate parameters such as SOC in the state of charge or SOH indicating the degree of deterioration from values such as temperature, voltage, and current detected by direct measurement or receiving from the outside.
  • the module controller 12 may provide measuring means, such as a sensor, at an appropriate location in the battery module 10 or the energy storage device 1 for detecting voltage, current, temperature, and the like.
  • the module controller 12 may transmit values such as temperature, voltage, and current or calculated values of SOC and SOH to an external device.
  • the external device may be a SAI controller, and in this embodiment, the detected values of temperature, voltage, current, etc. or the calculated values of SOC, SOH, etc. can be transmitted to the rack controller 20 that manages the energy storage device 1 There will be.
  • the module controller 12 executes a computer program in order to control and manage the overall operation of the battery module 10 and a microcomputer as a controller that controls the overall operation of the module controller 12, and is necessary for the operation of the module controller 12 It may include various components such as a memory for storing a computer program, an input/output device such as a sensor or measuring means, a communication device for communicating with an external device, and other peripheral circuits.
  • the switching unit 13 may be a device for supplying power to a system or a load or for receiving power from the system when charging or discharging the battery module 10 .
  • the switching unit 13 may be a relay or a contactor. The operation of the switching unit 13 may be controlled by the module controller 12 .
  • the module protection unit 14 may include components for stable operation of the battery module 10 .
  • the module protection unit 14 may include a cooling means such as a cooling fan for controlling the temperature in the battery module 10 .
  • the module protection unit 14 may include a module fuse MF for blocking a current path when an overcurrent occurs due to a short circuit or the like. That is, the battery module 10 may include a module fuse MF that blocks a circuit when an overcurrent occurs.
  • the module fuse MF When an overcurrent flows in the battery module 10 , the module fuse MF is fused with heat generated by electric energy. When the module fuse MF is fused to block the flow of current, a predetermined voltage is applied therebetween. And the module fuse (MF) must be able to withstand a predetermined voltage applied to both ends after melting. Specific specifications and characteristics of the module fuse MF will be described later.
  • the rack controller 20 may control the relay for charging to the battery rack or discharging from the battery rack to the system or load.
  • the rack controller 20 monitors various parameters in the battery rack (eg, voltage, current, temperature, etc.), and based on the results, it is possible to control each protection means in the rack protection unit 30 .
  • the rack controller 20 may perform communication with the module controller 12 included in each of a plurality of battery modules 10 included in the battery rack.
  • the rack controller 20 may receive data about the state of the battery pack 11 from the module controller 12, and control the protection means in the rack protection unit 30 based thereon.
  • the rack controller 20 may transmit a control signal for controlling the operation of the battery module 10 to the module controller 12 based on the data from the module controller 12 .
  • the rack controller 20 may communicate with a plurality of module controllers 12 by wire and/or wirelessly.
  • the rack protection unit 30 may include components for stable operation of the battery rack, like the module protection unit 30 .
  • the rack protection unit 30 may include a cooling means such as a cooling fan for controlling the temperature in the battery rack.
  • the rack protection unit 30 may include a rack fuse (RF) for blocking the current path when an overcurrent occurs due to a short circuit. That is, the energy storage device 1 may include a rack fuse (RF) that blocks the circuit when an overcurrent occurs in the battery rack. Specific specifications and characteristics of the rack fuse (RF) will be described later.
  • FIG. 3 is a schematic circuit diagram of an energy storage device 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the battery modules (10-1 ⁇ 10-N) of the plurality of battery modules (10) are connected in series with each other, the rack in the series-connected battery modules (10-1 ⁇ 10-N)
  • the fuse RF is connected in series.
  • RACK(+) and RACK(-) represent the output terminals of the battery rack.
  • only one battery cell is illustrated as the battery pack 11 for convenience of description, and only the battery pack 11 and the module fuse MF are illustrated.
  • a fuse having a specification capable of withstanding the output voltage of the battery module is used as the module fuse.
  • a fuse capable of withstanding a voltage of about 120 to 150 VDC is used.
  • these module fuses are commercially available, and the fuse used has a short circuit specification capable of passing a current of approximately 20 kA.
  • the module fuse MF uses a fuse having a specification that can correspond to the voltage (battery rack output voltage) output by the energy storage device 1 .
  • the module fuse (MF) may have the same specification as the voltage specification of the rack fuse (RF).
  • the voltage applied to the module fuse MF may vary.
  • a voltage close to the system voltage may be applied to both ends of the module fuse (MF) (see FIG. 5 ).
  • a voltage of approximately 1,000 to 1,500 VDC may be applied across the module fuse MF. Therefore, the module fuse MF selects a fuse having a voltage specification that can withstand the system voltage, not a voltage specification that can withstand 50 to 100 VDC, which is the output voltage of the battery module, as in the prior art.
  • the module fuse (MF) has a short-circuit specification lower than the short-circuit specification of the rack fuse (RF). As described above, as the specification of the fuse increases, the volume and price increase. Therefore, the module fuse (MF) has a short-circuit specification lower than the short-circuit specification applied to the rack fuse (RF) installed in the energy storage device (1).
  • the module fuse (MF) may be configured to block later than the rack fuse (RF) when a short circuit occurs in the battery rack.
  • the breaking speed of the module fuse (MF) and the rack fuse (RF) may be adjusted by appropriately selecting the component, thickness, length, etc. of the part to be fused in the fuse. That is, when a short circuit occurs in the battery rack, the rack fuse (RF) is blocked before the module fuse (MF), so that even if the short circuit specification of the module fuse (MF) is lowered, the battery module 10 can be safely protected. .
  • the module fuse (MF) may be configured to block only the rack fuse (RF) when a short circuit occurs in the battery rack. More preferably, the module fuse (MF) may be configured to start to be blown later than the time when the fuse of the rack (RF) is finished cutting when a short circuit occurs in the battery rack. More preferably, when a short circuit occurs in the battery rack and the rack fuse (RF) is blocked, the module fuse (MF) may be configured not to operate at all.
  • the module fuse (MF) does not operate at all and only the rack fuse (RF) operates, thereby preventing the situation in which the module fuse (MF) needs to be replaced unnecessarily.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example in which a short circuit occurs in the energy storage device 1 according to FIG. 3 .
  • a short circuit occurs in the battery rack.
  • the module fuse (MF) does not operate. Since the rack fuse (RF) is blocked and no current flows, a load is not applied to the module fuse (MF), and thus the battery module 10 is also maintained in a safe state.
  • the module fuse MF When a short circuit occurs in the battery module 10, the module fuse MF is blown to block the circuit. In this case, the rack fuse (RF) will not work.
  • the voltage applied to the module fuse MF may vary. In the example of FIG. 3 , when a short circuit occurs near the lowermost battery module 10-N, the output voltage of the battery module 10 is applied across the module fuse MF. On the other hand, in the example of FIG. 3 , when a short circuit occurs near the uppermost battery module 10-1, a system voltage is applied across the module fuse MF.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating another example in which a short circuit occurs in the energy storage device 1 of FIG. 3 .
  • a short circuit occurs in the uppermost battery module 10-1 among the battery modules 10 is illustrated.
  • the module fuse (MF) when the node between the battery module 10-1 and the rack fuse (RF) is short-circuited with the ground, the module fuse (MF) is fused to block the current path. And a voltage V2 close to the system voltage is applied to both ends of the module fuse MF.
  • the module fuse MF since the module fuse MF according to the embodiments of the present invention has a voltage specification that can withstand the system voltage, additional damage does not occur even after the circuit is cut off. Accordingly, the battery module 10 is maintained in a safe state.
  • the module fuse (MF) provided in the battery module 10 has the same voltage specification as the voltage specification of the rack fuse (RF), and has a short circuit specification lower than the short circuit specification of the rack fuse (RF).

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Abstract

본 발명의 실시예들은 배터리 모듈 및 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 랙; 배터리 랙에서 과전류 발생시 회로를 차단하는 랙 퓨즈;를 포함하고, 복수의 배터리 모듈 각각은 배터리 셀과, 배터리 모듈에서 과전류 발생시 회로를 차단하는 모듈 퓨즈를 구비하며, 모듈 퓨즈는 배터리 랙의 출력 전압에 대응 가능한 전압 사양을 가지고, 랙 퓨즈의 단락 사양보다 낮은 단락 사양을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치를 제공한다.

Description

배터리 모듈 및 에너지 저장 장치
관련출원과의 상호인용
본 발명은 2020.04.10.에 출원된 한국 특허 출원 제10-2020-0044257호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용을 본 명세서의 일부로서 포함한다.
기술분야
본 발명의 실시예들은 배터리 모듈 및 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 특히 과전류 차단을 위한 퓨즈가 설치된 배터리 모듈 및 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
최근 스마트폰 등 전자 기기 및 전기 자동차의 보급, 그리고 에너지 저장 장치(ESS, Energy Storage System)의 인프라 확산에 수반하여 전력 공급원으로서의 이차 전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
에너지 저장 장치의 경우, 대용량의 전기 에너지를 저장하여야 할 뿐만 아니라, 높은 출력이 요구된다. 따라서 에너지 저장 장치에서 이차 전지는, 복수의 배터리 모듈 및 복수의 배터리 모듈을 관리하는 랙 제어기로 이루어진 배터리 랙 형태로 제공된다. 복수의 배터리 모듈 각각은 다시 복수의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 배터리 팩과, 배터리 팩의 동작을 관리하는 모듈 제어기를 포함한다.
에너지 저장 장치에서 단락이 발생하는 경우 화재 등의 큰 사고로 이어질 수 있기 때문에, 안전을 위하여 이러한 단락을 차단하기 위한 다양한 구성이 구비된다. 현재는 에너지 저장 장치 등의 배터리 시스템 내에, 수동 소자로서의 퓨즈를 연결하고 있다. 단락 발생시 퓨즈를 통하여 짧은 순간에 과전류를 차단함으로써 단락 사고에 대비하고 있다.
이러한 배터리 랙 내의 퓨즈는 모듈 레벨의 단락에는 대응할 수 없는 구조이다. 따라서 배터리 시스템 내에는 UN Transportation Testing(UN/DOT 38.3) 규격을 만족하기 위하여 모듈 퓨즈도 구비하고 있다. UN/DOT 38.3은 리튬 이온 배터리의 운송시 안전을 보장하기 위한 시험 규정이다. UN/DOT 38.3은 배터리를 모듈 상태로 운송할 때 모듈의 단락에 대한 보호가 필요하다는 내용을 포함하고 있으며, 이를 만족하기 위하여 모듈 퓨즈를 구비한다. 모듈 퓨즈는 설치된 배터리 모듈의 단락시험에서 문제가 없도록 모듈 전압을 만족하는 전압 사양을 갖는 퓨즈가 선정된다.
그러나 배터리 모듈이 최종적으로 배터리 랙에 장착된 이후에 배터리 랙에 단락이 발생하는 경우, 모듈 퓨즈가 랙 퓨즈보다 먼저 동작하여 용단되면 시스템 전압, 즉 배터리 랙의 출력 전압이 모듈 퓨즈에 걸리게 될 가능성이 있다. 이 경우, 모듈 퓨즈는 시스템 전압을 견디지 못하여 파손되고 다른 부품에도 손상을 가하게 될 수도 있다.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 안전하면서도 가격 경쟁력 및 에너지 밀도의 저하가 방지된 배터리 모듈 및 에너지 저장 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예들의 일 측면에 의하면, 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 랙; 배터리 랙에서 과전류 발생시 회로를 차단하는 랙 퓨즈;를 포함하고, 복수의 배터리 모듈 각각은 배터리 셀과, 배터리 모듈에서 과전류 발생시 회로를 차단하는 모듈 퓨즈를 구비하며, 모듈 퓨즈는 배터리 랙의 출력 전압에 대응 가능한 전압 사양을 가지고, 랙 퓨즈의 단락 사양보다 낮은 단락 사양을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치를 제공한다.
이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 모듈 퓨즈는 배터리 랙에 단락 발생시 랙 퓨즈보다 늦게 차단될 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 모듈 퓨즈는 배터리 랙에 단락 발생시 랙 퓨즈만 차단될 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 모듈 퓨즈는 배터리 랙에 단락 발생시 랙 퓨즈가 용단 완료되는 시점보다 늦게 용단되기 시작할 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 랙에 단락이 발생하여 랙 퓨즈가 차단되는 경우, 모듈 퓨즈는 동작하지 않을 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 모듈에 단락 발생시, 모듈 퓨즈가 차단될 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예들의 다른 측면에 의하면, 배터리 랙에 복수의 배터리 모듈을 포함하여 사용되며, 과전류 발생시 회로를 차단하는 랙 퓨즈를 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서의 배터리 모듈로서, 복수의 배터리 셀; 및 과전류 발생시 회로를 차단하는 모듈 퓨즈;를 구비하며, 모듈 퓨즈는 배터리 랙의 출력 전압에 대응 가능한 전압 사양을 가지고, 랙 퓨즈의 단락 사양보다 낮은 단락 사양을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공할 수 있다.
이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 모듈 퓨즈는 배터리 랙에 단락 발생시 랙 퓨즈가 용단 완료되는 시점보다 늦게 용단되기 시작할 수 있다.
본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 배터리 모듈에 단락 발생시, 모듈 퓨즈가 차단될 수 있다.
이상과 같은 구성으로 인하여, 안전하면서도 가격 경쟁력 및 에너지 밀도의 저하를 방지할 수 있는 배터리 모듈 및 에너지 저장 장치를 제공하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 개략적인 회로도이다.
도 4는 도 3에 따른 에너지 저장 장치에서 단락이 발생한 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3에 따른 에너지 저장 장치에서 단락이 발생한 다른 예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 문서에 개시되어 있는 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장 장치(1)는 에너지 저장 시스템에서 에너지를 저장하는 하나의 단위이다. 에너지 저장 시스템에는 복수의 에너지 저장 장치(1)가 포함되어 구성될 수 있다. 에너지 저장 장치(1)는 배터리 랙의 형태로 제공된다. 배터리 랙은 섀시에 복수의 배터리 모듈(10)과 배터리 랙 전체를 제어하는 랙 제어기 등이 장착된다. 이하에서는 에너지 저장 장치와 배터리 랙을 혼용하여 사양하기도 한다.
에너지 저장 장치(1)는 충방전 가능한 이차 전지로 이루어진 배터리 모듈을 포함하여 구성될 수 있다. 에너지 저장 장치(1)는 저장하고 있는 전력을 부하에 공급하거나, 계통에 공급할 수 있다. 또한 에너지 저장 장치(1)는 계통으로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있다.
에너지 저장 장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 배터리 모듈(10-1~10-N), 랙 제어기(RBMS, Rack Battery Management System), 및 랙 보호유닛(RBPU, Rack Battery Protection Unit) 등을 포함할 수 있다.
복수의 배터리 모듈(10-1~10-N)은 에너지 저장 장치(1)에 장착될 수 있는 단위 구성요소이며, 각각이 전력을 충방전 가능하게 구성되어 있다. (이하에서는 복수의 배터리 모듈을 구분하여 설명할 필요가 없는 경우에는 도면부호를 '배터리 모듈(10)'과 같이 기재하도록 한다.) 배터리 모듈(10)은 에너지 저장 장치(1)로서의 배터리 랙으로 조립되기 이전에는 그 자체로서 운반될 수 있는 구성이다. 복수의 배터리 모듈(10)은 요구되는 에너지 저장 장치(1)의 사양에 따라서 에너지 저장 장치(1) 내에서 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 즉, 복수의 배터리 모듈(10)은 직렬 및/또는 병렬 연결 구성에 따라서 요구되는 출력을 제공할 수 있다.
배터리 모듈(10) 각각은 배터리 팩(11), 모듈 제어기(12), 스위칭부(13) 및 모듈 보호유닛(14)(Module BPU) 등을 포함할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 배터리 팩(11)은 전력을 저장하는 단위 구성요소인 배터리 셀(C)을 하나 이상 포함할 수 있다. 요구되는 배터리 팩(11)의 사양에 따라서 복수의 배터리 셀이 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다. 즉, 배터리 셀(C)의 개수 및 연결 형태는 요구되는 배터리 모듈(10)의 출력(전압, 전류 등)에 따라서 결정될 수 있다. 배터리 셀(C)은 리튬이온(Li-ion) 전지, 리튬이온 폴리머(Li-ion polymer) 전지, 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈 수소(Ni-MH) 전지 등일 수 있으며. 충전 가능한 전지라면 이에 한정되지 않는다.
모듈 제어기(12)(또는 '모듈 BMS'라고도 함)는 배터리 모듈(10)의 전반적인 동작을 제어 및 관리한다. 모듈 제어기(12)는 배터리 모듈(10)의 온도, 배터리 모듈(10)에서 출력되는 전압 및 전류 등을 검출할 수 있다. 배터리 모듈(10)은 직접 측정하거나 외부로부터 수신함으로써 검출한 온도, 전압, 전류 등의 값으로부터 충전상태인 SOC나 열화도를 나타내는 SOH 등의 파라미터를 산출할 수 있다. 모듈 제어기(12)는 전압, 전류, 온도 등의 검출을 위하여 센서 등의 측정 수단을 배터리 모듈(10) 또는 에너지 저장 장치(1) 내의 적절한 위치에 마련할 수 있을 것이다.
모듈 제어기(12)는 온도, 전압, 전류 등의 값이나, 산출한 SOC, SOH 등의 값을 외부 장치로 전송할 수 있다. 외부 장치는 사우이 제어기일 수 있으며, 본 실시예에서는 에너지 저장 장치(1)를 관리하는 랙 제어기(20)로 검출한 온도, 전압, 전류 등의 값이나 산출한 SOC, SOH 등의 값을 전송할 수 있을 것이다.
모듈 제어기(12)는 배터리 모듈(10)의 전반적인 동작을 제어 및 관리하기 위하여 컴퓨터 프로그램을 실행시키고 모듈 제어기(12)의 전체 동작을 제어하는 컨트롤러로서의 마이컴과, 모듈 제어기(12)의 동작에 필요한 컴퓨터 프로그램을 저장하는 메모리, 센서나 측정 수단등의 입출력 장치, 외부 장치와 통신하기 위한 통신 장치, 기타 주변 회로 등 다양한 구성을 포함할 수 있다.
스위칭부(13)는 배터리 모듈(10)의 충전 또는 방전시에 계통 또는 부하로 전력이 공급되거나 계통으로부터 전력이 들어오도록 하는 장치일 수 있다. 스위칭부(13)는 릴레이나 접촉기 등일 수 있다. 스위칭부(13)는 모듈 제어기(12)에 의하여 그 동작이 제어될 수 있을 것이다.
모듈 보호유닛(14)은 배터리 모듈(10)의 안정적인 동작을 위한 구성들을 포함할 수 있다. 모듈 보호유닛(14)은 배터리 모듈(10) 내의 온도를 제어하기 위한 냉각 팬 등의 냉각 수단을 포함할 수 있다. 또한 모듈 보호유닛(14)은 단락 발생 등의 이유로 과전류 발생시 전류 경로를 차단하기 위한 모듈 퓨즈(MF)를 포함할 수 있다. 즉, 배터리 모듈(10)은 과전류 발생시 회로를 차단하는 모듈 퓨즈(MF)를 구비할 수 있다.
모듈 퓨즈(MF)는 배터리 모듈(10)에 과전류가 흐르면, 전기 에너지에 의하여 발생한 열로 용단된다. 모듈 퓨즈(MF)는 용단되어 전류의 흐름을 차단하면, 그 사이에 소정의 전압이 걸리게 된다. 그리고 모듈 퓨즈(MF)는 용단 후 양단에 걸리는 소정의 전압에 결딜 수 있어야 한다. 모듈 퓨즈(MF)의 구체적인 사양 및 특징에 대하여는 후술하도록 한다.
랙 제어기(20)는 배터리 랙으로의 충전 또는 배터리 랙으로부터 계통이나 부하로의 방전 등을 위하여 릴레이를 제어할 수 있다. 랙 제어기(20)는 배터리 랙 내의 각종 파라미터들(예를 들어, 전압, 전류, 온도 등)을 모니터링하고, 그 결과에 기초하여 랙 보호유닛(30) 내의 각 보호 수단들을 제어할 수 있다.
랙 제어기(20)는 배터리 랙 내에 포함된 복수의 배터리 모듈(10) 각각에 포함된 모듈 제어기(12)와 통신을 수행할 수 있다. 랙 제어기(20)는 모듈 제어기(12)로부터 배터리 팩(11)의 상태에 관한 데이터를 수신하고, 그에 기초하여 랙 보호유닛(30) 내의 보호 수단들을 제어할 수 있다. 또한, 랙 제어기(20)는 모듈 제어기(12)로부터의 데이터에 기초하여 배터리 모듈(10)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 모듈 제어기(12)로 전송할 수 있다. 랙 제어기(20)는 복수의 모듈 제어기(12)와 유선 및/또는 무선으로 통신할 수 있다.
랙 보호유닛(30)은 모듈 보호유닛(30)과 마찬가지로 배터리 랙의 안정적인 동작을 위한 구성들을 포함할 수 있다. 랙 보호유닛(30)은 배터리 랙 내의 온도를 제어하기 위한 냉각 팬 등의 냉각 수단을 포함할 수 있다. 또한 랙 보호유닛(30)은 단락 발생 등의 이유로 과전류 발생시 전류 경로를 차단하기 위한 랙 퓨즈(RF)를 포함할 수 있다. 즉, 에너지 저장 장치(1)는 배터리 랙에 과전류 발생시 회로를 차단하는 랙 퓨즈(RF)를 구비할 수 있다. 랙 퓨즈(RF)의 구체적인 사양 및 특징에 대하여는 후술하도록 한다.
이상과 같이 구성된 에너지 저장 장치(1)에 있어서 복수의 배터리 모듈(10)의 적어도 일부와 랙 퓨즈(RF)는 서로 직렬로 연결된다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치(1)의 개략적인 회로도이다.
도 3을 참조하면, 복수의 배터리 모듈(10) 중 적어도 일부의 배터리 모듈(10-1~10-N)이 서로 직렬로 연결되며, 직렬 연결된 배터리 모듈(10-1~10-N)에 랙 퓨즈(RF)가 직렬로 연결된다. RACK(+) 및 RACK(-)는 배터리 랙의 출력 단자를 나타낸다. 도 3에서는 설명의 편의를 위하여 배터리 팩(11)으로서 하나의 배터리 셀만을 도시였으며, 배터리 팩(11)과 모듈 퓨즈(MF)만을 도시하였다.
도 3과 같이 구성된 에너지 저장 장치(1)에 있어서 배터리 랙에 단락이 발생하는 경우, 또는 배터리 모듈(10)에 단락이 발생하는 경우를 상정할 수 있다.
종래에는 이에 대하여 UN/DOT 3.83 규정을 만족시키기 위하여 배터리 모듈의 출력 전압에 견딜 수 있는 사양을 갖는 퓨즈를 모듈 퓨즈로서 사용하였다. 예를 들어, 대략 50~100 VDC의 전압을 출력하는 배터리 모듈의 경우 대략 120~150VDC의 전압에 견딜 수 있는 퓨즈를 사용하였다. 그러나 이러한 모듈 퓨즈는 상용품이 사용되고 있으며, 사용되는 퓨즈는 대략 20kA의 전류를 흘릴 수 있는 단락 사양을 가지고 있다.
그러나 종래에 사용되는 모듈 퓨즈의 경우, 배터리 모듈이 개별적으로 사용되거나 운반되는 경우에 발생하는 모듈 단락에 대하여는 배터리 모듈의 보호가 가능하였으나. 복수의 배터리 모듈이 배터리 랙에 장착된 상태에서 발생한 모듈 단락에 대하여는 배터리 모듈을 보호할 수 없는 문제가 존재하였다.
따라서 배터리 모듈이 개별적으로 사용될 때 뿐만 아니라, 배터리 랙에 장착된 상태에서도 배터리 모듈을 보호할 수 있는 방안이 필요하였다. 또한, 퓨즈의 사양이 높아질수록 부피 및 가격이 증가하게 된다. 따라서 배터리 모듈에 대한 가격 경쟁력을 저하시키지 않으면서 부피로 인한 에너지 밀도 감소를 발생시키지 않는 것도 고려하여야 한다.
본 실시예에 따른 모듈 퓨즈(MF)는 에너지 저장 장치(1)가 출력하는 전압(배터리 랙 출력 전압)에 대응 가능한 사양의 퓨즈가 사용된다. 모듈 퓨즈(MF)는 랙 퓨즈(RF)의 전압 사양과 동일한 사양을 가질 수 있다.
복수의 배터리 모듈(10)이 배터리 랙에 장착된 상태에서 단락이 발생하는 경우, 모듈 퓨즈(MF)에 걸리는 전압은 다양할 수 있다. 이때, 배터리 랙에 단락이 발생하였을 때 최상단의 모듈 퓨즈(MF)가 먼저 용단되면, 모듈 퓨즈(MF) 양단에는 시스템 전압에 가까운 전압이 걸릴 수 있다(도 5 참조). 예를 들어, 대략 1,000~1,500VDC의 전압이 모듈 퓨즈(MF) 양단에 걸릴 수 있다. 따라서 모듈 퓨즈(MF)는 종래와 같이 배터리 모듈의 출력 전압인 50~100VDC에 견딜 수 있는 전압 사양이 아닌, 시스템 전압에 견딜 수 있는 전압 사양을 갖는 퓨즈를 선정한다.
반면, 본 실시예에 따른 모듈 퓨즈(MF)는 랙 퓨즈(RF)의 단락 사양보다는 낮은 단락 사양을 가진다. 앞서 설명한 바와 같이, 퓨즈의 사양이 높아질수록 부피 및 가격이 증가하게 된다. 따라서 모듈 퓨즈(MF)는 에너지 저장 장치(1)에 설치되는 랙 퓨즈(RF)에 적용되는 단락 사양보다 낮은 단락 사양을 가지도록 한다.
퓨즈에 있어서 전압 사양과 단락 사양은 서로 트레이드 오프 관계를 가진다. 즉, 모듈 퓨즈(MF)로서 종래보다 높은 전압 사양을 선정하는 대신 단락 사양을 낮추어 가격 및 부피의 증가를 억제할 수 있게 된다.
추가적인 실시예로서, 모듈 퓨즈(MF)는 배터리 랙에서 단락이 발생하는 경우 랙 퓨즈(RF)보다 늦게 차단되도록 구성할 수 있다. 모듈 퓨즈(MF)와 랙 퓨즈(RF)의 차단 속도는 퓨즈에서 용단되는 부분의 성분, 두께, 길이 등을 적절히 선정함으로써 조절할 수 있을 것이다. 즉, 배터리 랙에서 단락이 발생하는 경우에 모듈 퓨즈(MF)보다 랙 퓨즈(RF)가 먼저 차단되도록 함으로써 모듈 퓨즈(MF)의 단락 사양을 낮추어도 안전하게 배터리 모듈(10)을 보호할 수 있을 것이다.
바람직하게는, 모듈 퓨즈(MF)는 배터리 랙에서 단락이 발생하는 경우 랙 퓨즈(RF)만 차단되도록 구성할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 모듈 퓨즈(MF)는 배터리 랙에서 단락이 발생하는 경우 랙 퓨즈(RF)가 용단 완료되는 시점보다 늦게 용단되기 시작하도록 구성할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 배터리 랙에서 단락이 발생하여 랙 퓨즈(RF)가 차단되는 경우 모듈 퓨즈(MF)는 전혀 동작하지 않도록 구성할 수 있다.
즉, 배터리 랙에서 단락이 발생하는 경우에 모듈 퓨즈(MF)는 전혀 동작하지 않고 랙 퓨즈(RF)만 동작하게 함으로써, 불필요하게 모듈 퓨즈(MF)를 교체하여야 하는 상황이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 4는 도 3에 따른 에너지 저장 장치(1)에서 단락이 발생한 일 예를 나타내는 도면이다. 본 예에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 배터리 랙에서 단락이 발생한 경우를 나타내고 있다.
도 4에서와 같이, 랙 퓨즈(RF)와 출력단인 RACK(+) 사이의 노드가 접지와 단락되는 경우, 랙 퓨즈(RF)가 용단되어 전류 경로를 차단한다. 그리고 랙 퓨즈(RF)의 양단에는 시스템 전압에 대응하는 전압 V1이 걸린다. 랙 퓨즈(RF)는 시스템 전압에 견딜 수 있는 전압 사양을 가지므로, 회로 차단 후에도 추가적인 파손이 발생하지 않는다.
그리고 이와 같은 배터리 랙에서의 단락 발생시, 모듈 퓨즈(MF)는 동작하지 않는다. 랙 퓨즈(RF)가 차단되어 전류가 흐르지 않으므로 모듈 퓨즈(MF)에는 부하가 걸리지 않게 되며, 따라서 배터리 모듈(10) 또한 안전한 상태로 유지된다.
다음으로, 배터리 랙이 아닌 배터리 모듈(10) 측에 단락이 발생하는 경우에 대하여 살펴본다.
배터리 모듈(10)에 단락이 발생하면 모듈 퓨즈(MF)가 용단되어 회로를 차단한다. 이 경우 랙 퓨즈(RF)는 동작하지 않을 것이다. 배터리 모듈(10)의 단락으로 인하여 모듈 퓨즈(MF)가 용단되는 경우, 모듈 퓨즈(MF)에 걸리는 전압은 다양할 수 있다. 도 3의 예에서 가장 하단의 배터리 모듈(10-N) 근처에서 단락이 발생하는 경우에는 모듈 퓨즈(MF) 양단에 배터리 모듈(10)의 출력 전압이 걸리게 된다. 반면 도 3의 예에서 가장 상단의 배터리 모듈(10-1) 근처에서 단락이 발생하는 경우에는 모듈 퓨즈(MF) 양단에 시스템 전압이 걸리게 된다.
도 5는 도 3에 따른 에너지 저장 장치(1)에서 단락이 발생한 다른 예를 나타내는 도면이다. 본 예에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 배터리 모듈(10) 중 가장 상단의 배터리 모듈(10-1)에서 단락이 발생한 경우를 나타내고 있다.
도 5에서와 같이, 배터리 모듈(10-1)과 랙 퓨즈(RF) 사이의 노드가 접지와 단락되는 경우, 모듈 퓨즈(MF)가 용단되어 전류 경로를 차단한다. 그리고 모듈 퓨즈(MF)의 양단에는 시스템 전압에 가까운 전압 V2가 걸린다. 그러나 본 발명의 실시예들에 따른 모듈 퓨즈(MF)는 시스템 전압에 견딜 수 있는 전압 사양을 가지므로, 회로 차단 후에도 추가적인 파손이 발생하지 않는다. 따라서 배터리 모듈(10)이 안전한 상태로 유지된다.
이상과 같이, 배터리 모듈(10)에 구비되는 모듈 퓨즈(MF)를 랙 퓨즈(RF)의 전압 사양과 같은 전압 사양을 가지게 하고, 랙 퓨즈(RF)의 단락 사양보다는 낮은 단락 사양을 가지게 한다. 이러한 구성을 가짐으로써, 배터리 모듈(10) 개별로 동작하는 경우 뿐만 아니라 배터리 랙 상태의 배터리 모듈(10)에 발생한 모듈 단락에 대하여도 안전한 대처가 가능하게 된다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 랙;
    상기 배터리 랙에서 과전류 발생시 회로를 차단하는 랙 퓨즈;를 포함하고,
    상기 복수의 배터리 모듈 각각은 배터리 셀과, 상기 배터리 모듈에서 과전류 발생시 회로를 차단하는 모듈 퓨즈를 구비하며,
    상기 모듈 퓨즈는 상기 배터리 랙의 출력 전압에 대응 가능한 전압 사양을 가지고, 상기 랙 퓨즈의 단락 사양보다 낮은 단락 사양을 가지는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모듈 퓨즈는 상기 배터리 랙에 단락 발생시 상기 랙 퓨즈보다 늦게 차단되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 모듈 퓨즈는 상기 배터리 랙에 단락 발생시 상기 랙 퓨즈만 차단되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 모듈 퓨즈는 상기 배터리 랙에 단락 발생시 상기 랙 퓨즈가 용단 완료되는 시점보다 늦게 용단되기 시작하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 배터리 랙에 단락이 발생하여 상기 랙 퓨즈가 차단되는 경우, 상기 모듈 퓨즈는 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 모듈에 단락 발생시, 상기 모듈 퓨즈가 차단되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
  7. 배터리 랙에 복수의 배터리 모듈을 포함하여 사용되며, 과전류 발생시 회로를 차단하는 랙 퓨즈를 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서의 상기 배터리 모듈로서,
    복수의 배터리 셀; 및
    과전류 발생시 회로를 차단하는 모듈 퓨즈;를 구비하며,
    상기 모듈 퓨즈는 상기 배터리 랙의 출력 전압에 대응 가능한 전압 사양을 가지고, 상기 랙 퓨즈의 단락 사양보다 낮은 단락 사양을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 모듈 퓨즈는 상기 배터리 랙에 단락 발생시 상기 랙 퓨즈가 용단 완료되는 시점보다 늦게 용단되기 시작하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 배터리 모듈에 단락 발생시, 상기 모듈 퓨즈가 차단되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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