WO2022124539A1 - 보드 타입의 ess 배터리 팩 - Google Patents

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WO2022124539A1
WO2022124539A1 PCT/KR2021/012851 KR2021012851W WO2022124539A1 WO 2022124539 A1 WO2022124539 A1 WO 2022124539A1 KR 2021012851 W KR2021012851 W KR 2021012851W WO 2022124539 A1 WO2022124539 A1 WO 2022124539A1
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battery
housing
module
ess
battery pack
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PCT/KR2021/012851
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최형식
김기웅
안인구
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an ESS battery pack, and more particularly, to an ESS battery pack suitable for home use, easy to maintain and replace, and has a slim structure.
  • An ESS (Energy Storage System) battery pack is equipped with secondary battery cells to store power during the day and can be taken out and used when needed. For example, it is a form of storing electricity generated using solar panels or wind power generation in secondary battery cells and then taking it out.
  • the ESS battery pack may be configured differently in size and weight depending on the storage capacity, but for example, the ESS battery pack for home use has a rectangular box shape of about 120 ⁇ 80 ⁇ 20 cm (height ⁇ width ⁇ thickness), as shown in FIG. 1 . and weighs less than 100 kg.
  • the household ESS battery pack can be installed on a wall or pole indoors or outdoors by using a bracket or the like.
  • the home ESS battery pack according to the prior art as described above is bulky and heavy for a user to transport and install by himself/herself. That is, it is difficult to reinstall the conventional home ESS battery pack by directly installing it or changing the location of the user.
  • the conventional home ESS battery pack has a structure in which all components are integrally built in one pack case, when a problem occurs in some of the components, it is difficult to repair or replace the components. For example, even if there is a defect in a battery cell or a battery management system, it is extremely difficult for a general user to directly replace it.
  • the present invention was created in consideration of the above-described problems, and has an object to provide a home ESS battery pack having a structure that is easy to install, easy to post maintenance, and easy to replace parts.
  • an ESS battery pack includes: a battery module having a plurality of battery cells and a cell housing provided to accommodate the plurality of battery cells therein in a hollow board shape; and a box-shaped system housing disposed under the battery module and having a battery management system and a docking unit configured to accommodate the battery management system on one side and vertically insert the lower end of the cell housing on the other side.
  • a system module provided, when the cell housing is lifted from the docking unit, the battery module may be provided to be separated from the system module.
  • the battery cells are pouch-type battery cells, and a thickness of the cell housing may correspond to a thickness of one pouch-type battery cell.
  • the lower end of the cell housing may be vertically inserted into the docking unit by a predetermined depth to be perpendicular to the upper surface of the system housing.
  • the docking unit includes: a guide barrier rib for guiding the lower end of the cell housing to be vertically inserted; and a terminal member electrically connected to the connector.
  • the connector includes a connector housing provided inside the lower end of the cell housing, and a plug vertically protruding from the connector housing to the outside of the lower end of the cell housing, wherein the terminal member has a groove shape matching the plug.
  • provided socket unit a spring interposed in the socket part; and a metal plate provided on the upper end of the spring.
  • the terminal member and the battery management system may be connected with a metal wire, and the metal wire may have one end connected to the spring and the other end connected to the battery management system, and may be wired through the guide partition wall.
  • the system housing may include a system accommodating part partitioned from the docking part by the guide partition wall and configured to accommodate the battery management system.
  • the system accommodating unit may include two parts that surround the battery management system and are connected by a hinge, and one of the two parts may be opened and closed by rotating the hinge about an axis.
  • the cell housing includes: a housing body having an open surface and provided in a hollow board shape, and having supporters capable of supporting each of the battery cells one by one in multiple stages inside; and a housing cover hinged to the upper end of the housing body to be rotatable and configured to open and close an open surface of the housing body.
  • the battery module is plural, and the system module may include a plurality of docking units into which the plurality of battery modules can be inserted.
  • a home ESS battery pack having a structure that is easy to install, easy to post maintenance, and easy to replace parts.
  • the home ESS battery pack of the present invention is easy to handle by a user because the battery module and the system module can be individually transported and simply assembled. Also, when, for example, a battery cell or a control system component has a defect, it is possible to facilitate repair and replacement of the corresponding component.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a home ESS battery pack according to the prior art.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of a home ESS battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view for explaining a battery cell storage structure of an ESS battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4 and 5 are views showing before and after connection of a battery module constituting an ESS battery pack and a system module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing an opening and closing structure of a battery module and a system module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a partially enlarged view of FIG. 5 .
  • FIG. 8 is a schematic perspective view of an ESS battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic perspective view of a home ESS battery pack according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a view for explaining a battery cell storage structure of the ESS battery pack according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 and 5 is a view showing before and after connection of a battery module and a system module constituting an ESS battery pack according to an embodiment of the present invention.
  • the ESS battery pack 10 includes a battery module 100 and a system module 200 that are electrically and mechanically connected to each other in a detachable manner.
  • the ESS battery pack 10 inserts the battery module 100 into the docking unit 221 of the system module 200 and inserts it into and out of the battery module 100 and the system module 200. It is configured to be connected or disconnected, so the user's installation convenience is excellent, and when a new version of the battery module 100 is developed, the old version of the battery module 100 is removed and the new version of the battery module 100 is installed as a system module ( 200) and can be replaced.
  • the main components of the battery module 100 and the system module 200 will be described below.
  • the battery module 100 includes a plurality of battery cells 110 , a cell housing 120 , and a connector 130 .
  • a pouch-type battery cell 110 is applied as the battery cell 110 of this embodiment.
  • the pouch-type battery cell 110 has a high energy density and is formed in a flat rectangular plate shape to be easily accommodated in a board-shaped cell housing 120 to be described later.
  • the pouch-type battery cell 110 includes an electrode assembly, an electrolyte, and a pouch case for packaging them.
  • the electrode assembly is made of a laminate in which a positive electrode plate-separator-negative plate structure is repeated, and each positive plate and each negative plate includes an electrode tab.
  • One or more electrode tabs are connected to the electrode leads inside the pouch case and the electrode leads are extended to the outside of the pouch case, thereby functioning as an electrode terminal of the battery cell 110 .
  • the pouch case is for sealingly accommodating the electrode assembly and the electrolyte, and may include a metal thin film, such as an aluminum thin film, in order to supplement electrochemical properties and improve heat dissipation by the electrode assembly and the electrolyte.
  • the aluminum thin film may be interposed between an insulating layer formed of an insulating material and an inner adhesive layer to secure electrical insulation.
  • the scope of the present invention should not be limited to using the pouch-type battery cell (110).
  • the battery cell 110 other types of battery cells 110 such as a cylindrical battery cell 110 made of a metal can as an exterior material and a polygonal battery cell 110 may be used.
  • the cell housing 120 is provided in a hollow board shape.
  • the battery cells 110 may be arranged in a predetermined pattern in the inner space of the cell housing 120 and may be connected in series and/or parallel to each other via a bus bar (not shown) or a wire (not shown).
  • the cell housing 120 has a thickness corresponding to the thickness of the battery cell 110 and is configured to have an area in which at least two or more battery cells 110 can be arranged side by side in a horizontal or vertical direction on the same plane.
  • the cell housing 120 is manufactured to have a thickness of about 30 mm and has an area capable of arranging the battery cells 110 in two rows as shown in FIG. 3 . can be manufactured.
  • the cell housing 120 is manufactured in a thin board type, and only the battery cells 110 and basic wiring materials are accommodated in the cell housing 120, and the battery management system 210 or the power relay, DC/ Electrical components for controlling the charging and discharging of the battery cells 110, such as a DC converter, flow of current, size, etc. are separately embedded in the system module 200, so that the battery module 100 can be made lightweight and slim in a thin board type. have.
  • the cell housing 120 may include a housing body 121 and a housing cover 123 .
  • the housing body 121 has a hollow rectangular parallelepiped board shape and includes supporters 122 that can support each of the battery cells 110 one by one in multiple stages.
  • the housing body 121 may be provided with at least a portion of one surface open, and the opening portion of the housing body 121 may be configured to be opened and closed by a housing cover 123 .
  • the housing cover 123 may be coupled to the housing body 121 in a sliding or rotational manner so that the opening can be opened or closed.
  • the hinge H1 is coupled to the upper end of the housing body 121 and the housing cover 123 is rotated to open and close the opening.
  • a handle 123a may be added to one side of the housing cover 123 to facilitate rotation.
  • Supporters 122 protruding in a substantially "T" shape at regular intervals along the height direction may be provided on the inner wall surface of the housing body 121 , and the battery cells 110 are sandwiched between the supports 122 . It can be inserted and fixed. At this time, the (wide) one side of the battery cell 110 is in contact with the inner wall surface of the housing body 121, and the edge portions of both side portions and the other (wide) side are wrapped with two T-shaped supports 122 and can be held. .
  • a connector 130 for connecting the battery module 100 to the system module 200 may be provided at a lower end of the cell housing 120 .
  • the connector 130 includes a connector housing 131 and a plug 133 .
  • the connector housing 131 is an injection molded product surrounding the plug 133 and is a component for fixing and protecting the plug 133
  • the plug 133 is a conductor and functions as a terminal connected to a terminal member 223 to be described later. is a component that
  • the connector housing 131 may be fixedly assembled inside the lower end of the cell housing 120 , and the plug 133 may extend over the inside and outside of the connector housing 131 .
  • One end of the plug 133 may vertically protrude downward from the connector housing 131 to the outside of the lower end of the cell housing 120 .
  • a cable may be attached to the other end of the plug 133 positioned inside the connector housing 131 .
  • the cable may be wired in contact with the battery cell 110 or a bus bar (not shown) connected to electrode leads of the battery cells 110 .
  • a plurality of cables may be provided, and the plurality of cables may be divided into a power cable and a signal cable. The number of plugs 133 corresponding to the plurality of cables may be provided.
  • the system module 200 includes a battery management system 210 and a box-shaped system housing 220 having an internal space to accommodate the battery management system 210 .
  • the battery management system 210 (Battery Management System) is a component that monitors the state of the battery cells 110 and manages charging and discharging, and includes a processor, an application-specific integrated circuit (ASIC), and other components known in the art. It may be provided as a printed circuit board optionally including a chipset, a logic circuit, a register, a communication modem, a data processing device, and the like.
  • a battery disconnect unit may be accommodated in the system housing 220 .
  • the battery disconnect unit is one of the power control parts and is composed of a relay, a current sensor, a resistor, and the like, and refers to a part that connects or cuts power between a battery and a load.
  • the system housing 220 may be equipped with electronic components necessary for managing the charging/discharging state of the battery cells 110 and controlling power.
  • the system housing 220 includes a docking unit 221 and a system receiving unit 225 .
  • the docking unit 221 is provided so that the lower end of the cell housing 120 of the battery module 100 described above can be vertically inserted by a predetermined depth.
  • the system housing 220 may be divided into a docking unit 221 at the left end and a system receiving unit 225 at the right side of the docking unit 221 .
  • the docking unit 221 and the system receiving unit 225 may be partitioned by a guide partition wall 222 .
  • the docking part 221 has an open top so that the lower end of the cell housing 120 can be inserted, and the front, rear, left, right side parts and the lower part to form an accommodating space for accommodating the lower end of the cell housing 120 .
  • the wall forming the right side part may be configured as a guide partition wall 222 .
  • a terminal member 223 electrically connected to the connector 130 in contact with the connector 130 may be provided on the bottom surface of the docking unit 221 .
  • the terminal member 223 may include a socket portion 223a, a spring 223b, and a metal plate 223c.
  • the socket part 223a may be provided in a groove shape matching the plug 133 of the connector 130 , and a spring 223b may be interposed inside the socket part 223a.
  • a metal plate 223c may be attached to an upper end of the spring 223b, and a metal wire C may be attached to a lower end of the spring 223b.
  • the metal plate 223c may be disposed on the upper end of the spring so that the plate surface faces upward to make face-to-face contact with the plug 133 .
  • a portion of the metal wire C may be embedded in the socket part 223a and may be connected to the battery management system 210 through the guide partition wall 222 .
  • the system accommodating part 225 is partitioned from the docking part 221 by the guide partition wall 222 and may be provided in a box shape having an internal space capable of accommodating the battery management system 210 and the like.
  • the system receiving unit 225 surrounds the battery management system 210 and may include a fixed part 225a and a rotating part 225b connected by a hinge H2.
  • the system accommodating part 225 may be opened and closed by rotating the rotating part 225b in a forward and reverse direction with respect to the fixed part 225a about the hinge H2 as an axis.
  • the end of the rotating part 225b is placed on the upper end of the guide bulkhead 222, and at this time, the magnet M is attached to the end of the rotating part 225b and the upper end of the guide bulkhead 222 so that they are stably can be detached.
  • the rotating part 225b may be opened to repair or replace the corresponding component.
  • the battery module 100 and the system module 200 may be separately manufactured and assembled at a place to be installed. Assembly of the battery module 100 and the system module 200 is very simple. First, a place to install the system module 200 is determined, and the system module 200 is horizontally fixed at the corresponding position using, for example, bolts or pieces. Then, as shown in FIGS. 4 and 5, when the lower end of the cell housing 120 is inserted into the docking unit 221 of the system housing 220, the battery module 100 and the system module 200 can be connected. have.
  • the lower end of the cell housing 120 only needs to be lifted from the docking unit 221 .
  • the battery module 100 may be separated from the system module 200 to replace the corresponding battery cell 110 .
  • the battery module 100 lay the cell housing 120 on the ground, open the housing cover 123, remove the battery cell 110 from the inside of the housing body 121, and replace it with a new one. .
  • the power is cut off when the battery module 100 is removed from the system housing 220.
  • the system housing unit 225 is opened and the existing battery management system is replaced with a new battery. It can be safely replaced with the management system 210 .
  • FIG. 8 is a schematic perspective view of an ESS battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • An ESS battery pack according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8 .
  • a duplicate description of the same configuration as in the above-described embodiment will be omitted and only differences will be briefly described.
  • the ESS battery pack includes two or more battery modules 100A and 100B and a system module 200A.
  • the ESS battery pack 10 may be configured to vertically insert the two battery modules 100A and 100B into the system module 200A, respectively.
  • the system module 200 may be provided with two docking units 221 .
  • there are two battery modules 100 and the docking unit 221 of the system module 200A is also composed of two, but unlike this embodiment, three or four or more battery modules are configured, in this case
  • the docking unit 221 of the system module 200 may also be configured in three or four or more.
  • the energy storage capacity can be easily increased by adding the battery module 100 if necessary. That is, the ESS battery pack according to another embodiment of the present invention has not only user installation convenience but also capacity expansion.

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Abstract

본 발명에 따른 ESS 배터리 팩은 복수 개의 배터리 셀들과, 속이 빈 보드 형상으로 내부에 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용할 수 있게 마련된 셀 하우징을 구비하는 배터리 모듈; 및 상기 배터리 모듈의 하부에 배치되고, 배터리 관리 시스템과, 상기 배터리 관리 시스템을 내부 일측에 수용하고 타측에 상기 셀 하우징의 하단부를 수직으로 꽂아 넣을 수 있게 형성된 도킹부를 구비한 박스 형상의 시스템 하우징을 구비한 시스템 모듈을 포함하고, 상기 셀 하우징을 상기 도킹부에서 들어올리면 상기 배터리 모듈이 상기 시스템 모듈에서 분리되게 마련될 수 있다.

Description

보드 타입의 ESS 배터리 팩
본 발명은 ESS 배터리 팩에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 가정용으로 적합하며, 유지관리 및 부품 교체가 용이하고 슬림한 구조의 ESS 배터리 팩에 관한 것이다.
본 출원은 2020년 12월 07일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2020-0169717호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.
ESS(Energy Storage System) 배터리 팩은 이차전지 셀들을 구비하여 낮 동안 전력을 저장했다가 필요할 때 꺼내 사용할 수 있다. 이를테면, 이차전지 셀들에 태양광 패널이나 풍력 발전 등을 이용해 만든 전기를 저장했다가 꺼내 쓰는 형태이다.
상기 ESS 배터리 팩은 저장 용량에 따라 크기와 무게는 다르게 구성될 수 있으나 예컨대, 가정용 ESS 배터리 팩은, 도 1과 같이, 대략 120×80×20㎝ (높이×너비×두께) 정도의 직육면체 박스 형상이고 100kg 내외의 무게를 갖는다. 상기 가정용 ESS 배터리 팩은 브라켓 등을 사용하여 실내 또는 실외의 벽체나 기둥에 설치할 수 있게 되어 있다.
위와 같은 종래 기술에 따른 가정용 ESS 배터리 팩은 사용자가 혼자서 운반하고 설치하기에는 부피가 크고 무겁다. 즉, 종래의 가정용 ESS 배터리 팩은 사용자가 직접 설치한다든지 위치를 변경하여 재설치하기가 어렵다.
또한, 종래의 가정용 ESS 배터리 팩은 하나의 팩 케이스 속에 모든 구성품들이 일체로 내장된 구조여서 상기 구성품들 중 일부에 문제가 생겼을 때, 해당 구성품을 수리하거나 교체하기 어렵다. 예컨대, 배터리 셀이나 배터리 관리 시스템에 하자가 있어도 이를 일반 사용자가 직접 교체하기 극히 어렵다.
이에 사용자의 설치 편의성과 유지 보수, 부품 교체 작업을 보다 용이하게 할 수 있는 새로운 형태의 가정용 ESS 배터리 팩에 대한 요구가 증가하고 있다.
본 발명은, 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 설치가 쉽고 사후 유지관리 및 부품 교체가 용이한 구조로 이루어진 가정용 ESS 배터리 팩을 제공하는데 일 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일 예에 따른 ESS 배터리 팩은 복수 개의 배터리 셀들과, 속이 빈 보드 형상으로 내부에 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용할 수 있게 마련된 셀 하우징을 구비하는 배터리 모듈; 및 상기 배터리 모듈의 하부에 배치되고, 배터리 관리 시스템과, 상기 배터리 관리 시스템을 내부 일측에 수용하고 타측에 상기 셀 하우징의 하단부를 수직으로 꽂아 넣을 수 있게 형성된 도킹부를 구비한 박스 형상의 시스템 하우징을 구비한 시스템 모듈을 포함하고, 상기 셀 하우징을 상기 도킹부에서 들어올리면 상기 배터리 모듈이 상기 시스템 모듈에서 분리되게 마련될 수 있다.
상기 배터리 셀들은 파우치형 배터리 셀이며, 상기 셀 하우징의 두께는 하나의 상기 파우치형 배터리 셀의 두께에 대응할 수 있다.
상기 셀 하우징은 하단부가 상기 도킹부에 소정의 깊이만큼 곧게 삽입되어 상기 시스템 하우징의 상면에 대해 수직하게 배치될 수 있다.
상기 셀 하우징의 하단부에 배치되는 커넥터를 포함하고, 상기 도킹부는, 상기 셀 하우징의 하단부가 수직하게 삽입될 수 있게 안내하는 가이드 격벽; 및 상기 커넥터와 접촉하여 전기적으로 연결되는 터미널 부재를 포함할 수 있다.
상기 커넥터는, 상기 셀 하우징의 하단부 내측에 구비되는 커넥터 하우징과, 상기 커넥터 하우징에서 상기 셀 하우징의 하단부 외측으로 수직하게 돌출되는 플러그를 포함하고, 상기 터미널 부재는, 상기 플러그와 형합하는 홈 형상으로 마련된 소켓부; 상기 소켓부의 내부에 개재되는 스프링; 및 상기 스프링의 상단에 구비되는 메탈 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 터미널 부재와 상기 배터리 관리 시스템은 금속 와이어로 연결되고, 상기 금속 와이어는, 일측이 상기 스프링에 연결되고, 타측은 상기 배터리 관리 시스템에 연결되며 상기 가이드 격벽을 통과하여 배선될 수 있다.
상기 시스템 하우징은, 상기 가이드 격벽에 의해 상기 도킹부와 구획되고 상기 배터리 관리 시스템을 수용할 수 있게 형성된 시스템 수납부를 구비할 수 있다.
상기 시스템 수납부는, 상기 배터리 관리 시스템을 에워싸며 힌지로 연결된 2개의 파트를 구비하고, 상기 2개의 파트 중 하나가 상기 힌지를 축으로 회전하여 개폐될 수 있다.
상기 셀 하우징은, 일면이 개방되고 속이 빈 보드 형상으로 마련되고, 내측에 각 상기 배터리 셀을 하나씩 다단으로 지지할 수 있는 지지체들을 구비하는 하우징 본체; 및 상기 하우징 본체의 상단에 힌지 결합되어 회전 가능하고 상기 하우징 본체의 개방된 일면을 개폐시킬 수 있게 형성된 하우징 커버를 포함할 수 있다.
상기 배터리 모듈은 복수 개이고, 상기 시스템 모듈은 상기 복수 개의 배터리 모듈을 끼워 넣을 수 있는 복수 개의 도킹부를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 설치가 쉽고 사후 유지관리 및 부품 교체가 용이한 구조로 이루어진 가정용 ESS 배터리 팩이 제공될 수 있다.
본 발명의 가정용 ESS 배터리 팩은, 배터리 모듈과 시스템 모듈을 개별적으로 운반하고 간단히 조립할 수 있어 사용자가 핸들링하기가 용이하다. 또한, 예컨대 배터리 셀이나 제어 시스템 부품이 하자가 있을 시 해당 부품의 수리, 교체 작업을 용이하게 할 수 있다.
또한, 기존의 시스템 모듈과 호환이 가능한 신규 버전의 배터리 모듈을 개발하여, 구 버전의 배터리 모듈을 탈거하고 신규 버전의 배터리 모듈로 교환하는 것도 가능하다. 반대로 시스템 모듈만을 신규의 시스템 모듈로 교환하는 것도 가능하다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 가정용 ESS 배터리 팩의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가정용 ESS 배터리 팩의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 배터리 팩의 배터리 셀 수납 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈과 시스템 모듈의 연결 전과 후를 나타낸 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈과 시스템 모듈의 개폐 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5의 부분 확대도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 ESS 배터리 팩의 개략적인 사시도이다.
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 아니되며, 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가정용 ESS 배터리 팩의 개략적인 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 배터리 팩의 배터리 셀 수납 구조를 설명하기 위한 도면이며, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 배터리 팩을 구성하는 배터리 모듈과 시스템 모듈의 연결 전과 후를 나타낸 도면들이다.
이들 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 ESS 배터리 팩(10)은 탈부착 방식으로 상호 간 전기적, 기계적으로 연결되는 배터리 모듈(100)과 시스템 모듈(200)을 포함한다.
자세히 후술하겠으나, 본 발명에 따른 ESS 배터리 팩(10)은 배터리 모듈(100)을 시스템 모듈(200)의 도킹부(221)에 꽂아 넣고 빼내는 방식으로 배터리 모듈(100)과 시스템 모듈(200)이 연결 또는 연결 해제되도록 구성되어 있어, 사용자의 설치 편의성이 우수하고 신규 버전의 배터리 모듈(100)이 개발되면 구 버전의 배터리 모듈(100)을 탈거하고 신규 버전의 배터리 모듈(100)을 시스템 모듈(200)에 꽂아 교체할 수 있다.
이러한 배터리 모듈(100)과 시스템 모듈(200)의 주요 구성요소들 이하에서 살펴본다.
상기 배터리 모듈(100)은 복수 개의 배터리 셀(110)들과, 셀 하우징(120), 커넥터(130)를 포함한다.
본 실시예의 배터리 셀(110)로는 파우치형 배터리 셀(110)이 적용된다. 파우치형 배터리 셀(110)은 에너지 밀도가 높으며, 납작한 직사각판형으로 이루어져 있어 후술할 보드 형상의 셀 하우징(120)에 수납하기 용이하다.
상기 파우치형 배터리 셀(110)은 전극 조립체, 전해액 그리고 이들을 패키징하기 위한 파우치 외장재를 포함한다. 상기 전극 조립체는 양극판-분리막-음극판 구조가 반복된 적층체로 이루어지고 각 양극판과 각 음극판은 전극 탭을 구비한다. 파우치 외장재의 내부에서 하나 이상의 전극 탭이 전극 리드와 연결되고 상기 전극 리드가 파우치 외장재의 외부로 연장 배치됨으로써, 배터리 셀(110)의 전극 단자로 기능한다.
파우치 외장재는, 전극 조립체와 전해액을 밀봉 수납하기 위한 것으로서, 전극 조립체와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 금속 박막, 이를테면 알루미늄 박막이 포함된 형태로 구성될 수 있다. 상기 알루미늄 박막은, 전기 절연성 확보를 위해 절연물질로 형성된 절연층과 내부 접착층 사이에 개재될 수 있다.
다만, 본 발명의 권리범위가 파우치형 배터리 셀(110)을 사용한 것에 제한되어서는 아니된다. 배터리 셀(110)은 외장재가 금속캔으로 이루어진 원통형 배터리 셀(110), 다각 형상의 배터리 셀(110) 등 다른 유형의 배터리 셀(110)을 사용할 수도 있다.
셀 하우징(120)은 속이 빈 보드 형상으로 마련된다. 상기 배터리 셀(110)들은 상기 셀 하우징(120)의 내부 공간에 미리 지정된 패턴으로 배치되고 버스바(미도시)나 와이어(미도시) 등을 매개로 상호 간 직렬 및/또는 병렬 연결될 수 있다.
상기 셀 하우징(120)은 상기 배터리 셀(110)의 두께에 대응하는 두께를 가지며, 적어도 2개 이상의 배터리 셀(110)들을 동일 평면상에서 가로 또는 세로 방향으로 나란히 배열할 수 있는 면적을 갖도록 구성될 수 있다. 예컨대, 두께가 30mm 미만의 파우치형 배터리 셀(110)을 사용할 경우, 셀 하우징(120)은 약 30mm 두께로 제작되고 도 3과 같이, 2열로 배터리 셀(110)들을 배열할 수 있는 면적을 갖도록 제작될 수 있다.
이 같이, 두께가 얇은 보드 타입으로 셀 하우징(120)을 제작하고 상기 셀 하우징(120)에 배터리 셀(110)들과 기본적인 배선 자재들만 수납하고, 배터리 관리 시스템(210)이나 파워 릴레이, DC/DC 컨버터 등과 같은 배터리 셀(110)들의 충방전이나 전류의 흐름, 크기 등을 제어하기 위한 전장 부품들은 시스템 모듈(200)에 별도로 내장시킴으로써 배터리 모듈(100)을 얇은 보드 타입으로 경량화, 슬림화시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 셀 하우징(120)은, 하우징 본체(121)와 하우징 커버(123)로 구성될 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 하우징 본체(121)는 속이 빈 직육면체 보드 형상으로 내측에 각 상기 배터리 셀(110)을 하나씩 다단으로 지지할 수 있는 지지체(122)들을 구비한다. 상기 하우징 본체(121)는 일면의 적어도 일부분이 개방된 형태로 마련되며, 상기 하우징 본체(121)의 개방부는 하우징 커버(123)로 개폐되도록 구성될 수 있다. 예컨대, 하우징 커버(123)를 슬라이드 방식 또는 회전 방식으로 하우징 본체(121)에 결합해 상기 개방부를 여닫을 수 있게 구성할 수 있다. 본 실시예는 하우징 커버(123)를 하우징 본체(121)의 상단에 힌지(H1) 결합하고 이를 회전시켜 상기 개방부를 개폐할 수 있게 구성되어 있다. 하우징 커버(123)를 열 때, 회전을 쉽게 할 수 있도록 하우징 커버(123)의 일측에 손잡이(123a)를 추가해도 좋다.
상기 하우징 본체(121)의 내측 벽면에는 높이 방향을 따라 일정 간격마다 대략 "T"자형으로 돌출 형성된 지지체(122)들이 구비될 수 있고, 배터리 셀(110)들은 이러한 지지체(122)들 사이에 끼워 넣어져 고정될 수 있다. 이때 배터리 셀(110)은 (넓은)일면은 하우징 본체(121)의 내측 벽면에 맞닿고 양쪽 측면부와 (넓은)타면의 에지 부분이 2개의 T자형의 지지체(122)로 감싸여 홀딩될 수 있다.
상기 셀 하우징(120)의 하단부에는 배터리 모듈(100)을 시스템 모듈(200)에 접속시키기 위한 커넥터(130)가 구비될 수 있다.
상기 커넥터(130)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 커넥터 하우징(131)과 플러그(133)를 포함한다. 여기서 커넥터 하우징(131)은 플러그(133)를 감싸는 사출물로서 상기 플러그(133)를 고정 및 보호하기 위한 구성요소이고, 플러그(133)는 전도체로서 후술할 터미널 부재(223)에 접속되는 단자로 기능하는 구성요소이다.
상기 커넥터 하우징(131)은 셀 하우징(120)의 하단부 내측에 고정되게 조립될 수 있고, 상기 플러그(133)는 커넥터 하우징(131)의 내외부에 걸쳐 연장될 수 있다. 플러그(133)의 일단은 커넥터 하우징(131)에서 셀 하우징(120)의 하단부 외측으로 수직하게 하방 돌출될 수 있다. 미도시 하였으나, 상기 커넥터 하우징(131) 내부에 위치하는 상기 플러그(133)의 타단에는 케이블이 부착될 수 있다. 상기 케이블은 배터리 셀(110) 또는 상기 배터리 셀(110)들의 전극 리드와 연결된 버스바(미도시)에 접촉하게 배선될 수 있다. 상기 케이블은 복수 개가 구비될 수 있고, 상기 복수 개의 케이블은 전원 케이블과 신호 케이블로 구분될 수 있다. 플러그(133)는 상기 복수 개의 케이블에 대응하는 개수만큼 구비될 수 있다.
시스템 모듈(200)은 배터리 관리 시스템(210)과 상기 배터리 관리 시스템(210)을 수납할 수 내부 공간을 구비한 박스 형상의 시스템 하우징(220)을 포함한다.
상기 배터리 관리 시스템(210)(Battery Management System)은 배터리 셀(110)들의 상태를 모니터링하고 충방전을 관리하는 역할을 하는 구성요소로서 당업계에 알려진 프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 선택적으로 포함한 인쇄회로기판으로 제공될 수 있다. 상기 배터리 관리 시스템(210)과 더불어 배터리 디스커넥트 유닛(Battery Disconnect Unit)도 시스템 하우징(220)에 수납될 수 있다. 여기서 배터리 디스커넥트 유닛은 전력 제어 부품의 하나로 릴레이, 전류 센서, 저항 등으로 구성되며 배터리와 부하 사이에서 전력을 연결 또는 차단하는 부품을 통칭한다.
즉, 시스템 하우징(220)에는 배터리 셀(110)들의 충방전 상태의 관리, 전력 제어에 필요한 전장 부품들이 탑재될 수 있다.
구체적으로, 도 4 및 도 6 내지 도 7을 참조하여, 본 실시예에 따른 시스템 하우징(220)의 구성을 살펴보면, 상기 시스템 하우징(220)은 도킹부(221)와 시스템 수납부(225)를 포함한다.
도킹부(221)는 상술한 배터리 모듈(100)의 셀 하우징(120)의 하단부를 소정 깊이만큼 곧게 수직으로 꽂아 넣을 수 있게 마련된 곳이다. 본 실시예의 경우, 시스템 하우징(220)은 좌측 끝부분의 도킹부(221)와 상기 도킹부(221) 우측의 시스템 수납부(225)로 구분될 수 있다. 상기 도킹부(221)와 시스템 수납부(225)는 가이드 격벽(222)으로 구획될 수 있다.
도킹부(221)는 셀 하우징(120)의 하단부가 삽입될 수 있게 상부가 개방되어 있고, 상기 셀 하우징(120)의 하단부를 수용할 수용 공간이 형성되도록 전,후,좌,우 측면부와 하부는 벽체 둘러싸여 있다. 여기서 상기 우측면부를 형성하는 벽체는 가이드 격벽(222)으로 구성될 수 있다.
또한, 도킹부(221)의 바닥면에 상기 커넥터(130)와 접촉하여 전기적으로 연결되는 터미널 부재(223)가 구비될 수 있다. 상기 터미널 부재(223)는 소켓부(223a), 스프링(223b), 메탈 플레이트(223c)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 소켓부(223a)는 커넥터(130)의 플러그(133)와 형합하는 홈 형상으로 마련될 수 있고, 이러한 소켓부(223a)의 안쪽에 스프링(223b)이 개재될 수 있다. 상기 스프링(223b)의 상단에는 메탈 플레이트(223c)가 부착되고, 상기 스프링(223b)의 하단에는 금속 와이어(C)가 부착될 수 있다.
상기 메탈 플레이트(223c)는 플러그(133)와 대면 접촉하도록 판면이 상부 방향을 향하도록 스프링의 상단에 배치될 수 있다. 상기 금속 와이어(C)의 일부분은 상기 소켓부(223a)에 매설될 수 있고 상기 가이드 격벽(222)을 통과하여 배터리 관리 시스템(210)의 연결될 수 있다.
시스템 수납부(225)는 상기 가이드 격벽(222)에 의해 상기 도킹부(221)와 구획되고 상기 배터리 관리 시스템(210) 등을 수용할 수 있는 내부 공간을 갖는 박스 형상으로 마련될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 시스템 수납부(225)는 상기 배터리 관리 시스템(210)을 에워싸며 힌지(H2)로 연결된 고정 파트(225a)와 회전 파트(225b)로 구성될 수 있다. 이러한 시스템 수납부(225)는 회전 파트(225b)가 힌지(H2)를 축으로 고정 파트(225a)에 대해 정역방향으로 회전하여 개폐될 수 있다. 상기 회전 파트(225b)의 끝단이 가이드 격벽(222)의 상단에 놓일 수 있도록 하고, 이때 자석(M)을 상기 회전 파트(225b)의 끝단과 가이드 격벽(222)의 상단에 부착해서 이들이 안정적으로 착탈되도록 할 수 있다.
상기 구성에 의하면, 예를 들어, 배터리 관리 시스템(210)을 비롯한 어떤 전장 부품에 문제가 발생해 수리 또는 교체가 필요할 때, 회전 파트(225b)를 열어 해당 부품을 수리하거나 교체할 수 있다.
이어서 본 실시예에 따른 ESS 배터리 팩(10)의 설치 예를 간략히 설명하면 다음과 같다.
배터리 모듈(100)과 시스템 모듈(200)은 따로 제작되어 설치할 장소에서 조립될 수 있다. 배터리 모듈(100)과 시스템 모듈(200)의 조립은 매우 간단하다. 먼저, 시스템 모듈(200)을 설치할 곳에 정하고, 해당 위치에 예컨대 볼트나 피스를 사용하여 시스템 모듈(200)을 수평하게 고정한다. 그 다음, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 셀 하우징(120)의 하단부를 시스템 하우징(220)의 도킹부(221)에 꽂아 넣으면 배터리 모듈(100)과 시스템 모듈(200)이 연결될 수 있다.
배터리 모듈(100)과 시스템 모듈(200)을 분리하고자 할 때에는 상기 셀 하우징(120)의 하단부를 상기 도킹부(221)에서 들어 올리기만 하면 된다.
한편, 배터리 셀(110)에 문제가 있을 경우, 배터리 모듈(100)을 시스템 모듈(200)에서 분리하여 해당 배터리 셀(110)을 교체할 수 있다. 예컨대, 배터리 모듈(100)을 분리한 후, 셀 하우징(120)을 지면에 눕혀 놓고 하우징 커버(123)를 열고 하우징 본체(121) 내부에서 해당 배터리 셀(110)을 탈거하고 새것으로 교체하면 된다.
또한, 배터리 관리 시스템(210)에 문제가 있을 경우 배터리 모듈(100)을 시스템 하우징(220)에서 분리하면 전원이 차단되고, 이때 시스템 수납부(225)를 개방하고 기존의 배터리 관리 시스템을 새로운 배터리 관리 시스템(210)으로 안전하게 교체할 수 있다.
또한, 기존의 시스템 모듈(200)과 호환이 가능한 신규 버전의 배터리 모듈(100)이 개발되면, 구 버전의 배터리 모듈(100)을 탈거하고 신규 버전의 배터리 모듈(100)로 교환하는 것도 가능하다. 반대로 시스템 모듈(200)만을 신규의 시스템 모듈(200)로 교환하는 것도 가능하다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 ESS 배터리 팩의 개략적인 사시도이다.
도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 ESS 배터리 팩을 설명하기로 한다. 전술한 실시예와 동일한 구성에 대한 중복된 설명은 생략하고 차이점에 대해서만 간략히 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 ESS 배터리 팩은 2개 이상의 배터리 모듈(100A,100B)과 시스템 모듈(200A)을 포함한다. 예를 들면, 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 ESS 배터리 팩(10)은 2개의 배터리 모듈(100A,100B)을 각각 시스템 모듈(200A)에 수직하게 끼워 넣을 수 있게 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 시스템 모듈(200)은 도킹부(221)가 2개가 마련될 수 있다. 본 실시예는 배터리 모듈(100)이 2개이고 시스템 모듈(200A)의 도킹부(221)도 2개로 구성되어 있으나, 본 실시예와 달리 배터리 모듈을 3개 또는 4개 이상으로 구성하고, 이 경우 상기 시스템 모듈(200)의 도킹부(221)도 3개 또는 4개 이상으로 구성할 수도 있다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 ESS 배터리 팩을 사용하면, 필요 시 배터리 모듈(100)을 추가하여 에너지 저장 용량을 쉽게 증대시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예 따른 ESS 배터리 팩은 사용자의 설치 편의성 뿐만 아니라 용량 확장성도 겸비한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
한편, 본 명세서에서는. 상, 하, 좌, 우 등과 같이 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 관측자의 보는 위치나 대상의 놓여져 있는 위치 등에 따라 다르게 표현될 수 있음은 본 발명의 당업자에 게 자명하다.

Claims (10)

  1. 복수 개의 배터리 셀들과, 속이 빈 보드 형상으로 내부에 상기 복수 개의 배터리 셀들을 수용할 수 있게 마련된 셀 하우징을 구비하는 배터리 모듈; 및
    상기 배터리 모듈의 하부에 배치되고, 배터리 관리 시스템과, 상기 배터리 관리 시스템을 내부 일측에 수용하고 타측에 상기 셀 하우징의 하단부를 수직으로 꽂아 넣을 수 있게 형성된 도킹부를 구비한 박스 형상의 시스템 하우징을 구비한 시스템 모듈을 포함하고,
    상기 셀 하우징을 상기 도킹부에서 들어올리면 상기 배터리 모듈이 상기 시스템 모듈에서 분리되게 마련된 것을 특징으로 하는 ESS 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀들은 파우치형 배터리 셀이며,
    상기 셀 하우징의 두께는 하나의 상기 파우치형 배터리 셀의 두께에 대응하는 것을 특징으로 하는 ESS 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 셀 하우징은 하단부가 상기 도킹부에 소정의 깊이만큼 곧게 삽입되어 상기 시스템 하우징의 상면에 대해 수직하게 배치되는 것을 특징으로 하는 ESS 배터리 팩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 셀 하우징의 하단부에 배치되는 커넥터를 포함하고,
    상기 도킹부는,
    상기 셀 하우징의 하단부가 수직하게 삽입될 수 있게 안내하는 가이드 격벽; 및 상기 커넥터와 접촉하여 전기적으로 연결되는 터미널 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS 배터리 팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 커넥터는,
    상기 셀 하우징의 하단부 내측에 구비되는 커넥터 하우징과, 상기 커넥터 하우징에서 상기 셀 하우징의 하단부 외측으로 수직하게 돌출되는 플러그를 포함하고,
    상기 터미널 부재는, 상기 플러그와 형합하는 홈 형상으로 마련된 소켓부; 상기 소켓부의 내부에 개재되는 스프링; 및 상기 스프링의 상단에 구비되는 메탈 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS 배터리 팩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 터미널 부재와 상기 배터리 관리 시스템은 금속 와이어로 연결되고,
    상기 금속 와이어는, 일측이 상기 스프링에 연결되고, 타측은 상기 배터리 관리 시스템에 연결되며 상기 가이드 격벽을 통과하여 배선된 것 특징으로 하는 ESS 배터리 팩.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 시스템 하우징은,
    상기 가이드 격벽에 의해 상기 도킹부와 구획되고 상기 배터리 관리 시스템을 수용할 수 있게 형성된 시스템 수납부를 구비하는 것을 특징으로 하는 ESS 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 시스템 수납부는,
    상기 배터리 관리 시스템을 에워싸며 힌지로 연결된 2개의 파트를 구비하고, 상기 2개의 파트 중 하나가 상기 힌지를 축으로 회전하여 개폐되는 것을 특징으로 하는 ESS 배터리 팩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 셀 하우징은,
    일면이 개방되고 속이 빈 보드 형상으로 마련되고, 내측에 각 상기 배터리 셀을 하나씩 다단으로 지지할 수 있는 지지체들을 구비하는 하우징 본체; 및
    상기 하우징 본체의 상단에 힌지 결합되어 회전 가능하고 상기 하우징 본체의 개방된 일면을 개폐시킬 수 있게 형성된 하우징 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 ESS 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 복수 개이고,
    상기 시스템 모듈은 상기 복수 개의 배터리 모듈을 끼워 넣을 수 있는 복수 개의 도킹부를 구비하는 것을 특징으로 하는 ESS 배터리 팩.
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