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KR102638180B1 - 에너지 저장장치 및 그 동작방법 - Google Patents

에너지 저장장치 및 그 동작방법 Download PDF

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KR102638180B1
KR102638180B1 KR1020210149667A KR20210149667A KR102638180B1 KR 102638180 B1 KR102638180 B1 KR 102638180B1 KR 1020210149667 A KR1020210149667 A KR 1020210149667A KR 20210149667 A KR20210149667 A KR 20210149667A KR 102638180 B1 KR102638180 B1 KR 102638180B1
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battery
voltage
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internal resistance
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Abstract

본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 수신되는 전기 에너지를 직류형태로 저장하거나, 저장되어 있는 전기 에너지를 출력하는 배터리, 상기 배터리를 제어하는 배터리관리기를 포함하고, 상기 배터리관리기는, 상기 배터리의 전압, 전류, 온도를 측정하는 복수의 센서를 포함하는 센싱부, 개방회로전압 테이블과 내부저항 테이블이 저장되는 메모리, 상기 센싱부에서 감지되는 데이터를 이용하여, 상기 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별하고, 상기 배터리 내부저항에 의한 전압강하(voltage drop)를 반영한 배터리 리얼(real) 전압을 산출하며, 상기 배터리 리얼 전압을 이용하여 SOC(State Of Charge)를 판별하는 마이컴 유닛을 포함한다.

Description

에너지 저장장치 및 그 동작방법{Energy storage system and method for operating the same}
본 개시는 에너지 저장장치 및 그 동작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 기반의 에너지 저장장치 및 그 동작방법에 관한 것이다.
에너지 저장장치는, 외부로부터의 전원을 저장 또는 충전하였다가, 외부로 저장된 전원을 출력 또는 방전하는 장치이다. 이를 위해, 에너지 저장장치는 배터리를 구비하며, 배터리로의 전원 공급 또는 배터리로부터의 전원 출력 등을 위해 전력변환기가 사용된다.
배터리 SOC(State Of Charge)는 충전량 또는 잔존 용량 또는 충전상태로 불리며, 배터리에서 사용 가능 용량 대비 현재 배터리에 저장된 용량을 나타낸다. SOC는 보통 백분율로 표현하며, 전압측정법, 적류적산법 등 다양한 방법으로 추정되고 있다.
전류적산법은, 출력전류를 전 가동 시간에 걸쳐 측정 및 적분하여 SOC를 산출한다. 즉, 전류 센서를 통해 측정된 충/방전 전류의 적산으로 SOC를 추정한다. 전류 센서로부터 출력된 전류 측정값은 배터리를 통해 흐르는 실제 전류와는 차이가 있다. 이러한 차이는 시간 경과에 따라 누적될 수 있다. 전류적산법은 전류 센서의 측정 오차로 인해 그 정확도가 시간에 따라 점차적으로 낮아질 수 있다.
전압측정법은, 배터리의 개방회로전압(Open Circuit Voltage, OCV)를 측정하여, 배터리의 OCV 테이블(Table)을 이용하여 배터리의 SOC를 추정한다. 전압측정법은, 충방전이 아닌 상태에서의 개방회로전압으로 SOC를 추정하므로 충방전 상태에서 사용하기 어렵고 온도 등의 외부 요인에 많은 영향을 받는다는 문제점이 있다. 또한, 배터리 충/방전 시에는 배터리의 내부저항(Internal Resistance, IR)에 의한 전압 변동폭이 발생하고, 내부저항의 영향을 받을 수 있다.
종래 기술인 전류적산법 및 전압측정법은 전류 및 전압 센서의 오차, 미세전류의 영향, 센싱 하드웨어(Sensing Hardware)의 오차 등으로 인해, SOC 추정에 오차가 발생하며, 측정이 장기화됨에 따라 오차가 누적되는 문제점이 있다. 또한, 다양한 오차 요인들에 의해, 전류적산법과 전압측정법으로 추정된 SOC가 크게 달라지는 문제점이 있다.
SOC의 추정 정확성은 과충전, 과방전 방지 등 배터리의 안전성 및 시스템 신뢰성에 중요한 인자(Factor)이다. 따라서, SOC를 더 정확하게 산출할 수 있는 다양한 방법들이 제안되고 있다. 예를 들어, 한국공개특허 제10-2006-0129962호는 신경망 알고리즘을 이용하여 정확성을 향상한 배터리 잔존량 추정 장치 및 방법을 개시하고 있다. 한국공개특허 제10-201900106126호는 이차전지의 퇴화율이 반영된 SOC-OCV 프로파일을 추정하는 방법 및 장치를 개시하고 있다.
본 개시가 해결하고자 하는 과제는 배터리 SOC(State Of Charge)를 정확하게 산출할 수 있는 에너지 저장장치 및 그 동작방법을 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는 SOC 오차로 인한 배터리 과충전 및 과방전을 방지할 수 있는 에너지 저장장치 및 그 동작방법을 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는 SOC 산출 정확성 향상으로 오감지로 인한 폴트(fault) 발생 빈도를 저감할 수 있는 저장장치 및 그 동작방법을 제공하는 것이다.
본 개시의 또 다른 과제는 SOC를 정확하게 산출하여 배터리의 안전성 및 시스템 신뢰성을 향상할 수 있는 에너지 저장장치 및 그 동작방법을 제공하는 것이다.
본 개시의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치 및 그 동작방법은, 내부저항의 영향을 반영하여 SOC(State Of Charge)를 정확하게 산출할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치 및 그 동작방법은, SOC를 정확하게 산출하여 배터리의 안전성 및 시스템 신뢰성을 향상할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치는, 수신되는 전기 에너지를 직류형태로 저장하거나, 저장되어 있는 전기 에너지를 출력하는 배터리, 상기 배터리를 제어하는 배터리관리기를 포함하고, 상기 배터리관리기는, 상기 배터리의 전압, 전류, 온도를 측정하는 복수의 센서를 포함하는 센싱부, 개방회로전압 테이블과 내부저항 테이블이 저장되는 메모리, 상기 센싱부에서 감지되는 데이터를 이용하여, 상기 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별하고, 상기 배터리 내부저항에 의한 전압강하(voltage drop)를 반영한 배터리 리얼(real) 전압을 산출하며, 상기 배터리 리얼 전압을 이용하여 SOC(State Of Charge)를 판별하는 마이컴 유닛을 포함한다.
상기 마이컴 유닛은, 상기 센싱부에서 감지되는 배터리 전압을 이용하여 상기 개방회로전압 테이블에서 초기 SOC를 판별하고, 상기 센싱부에서 감지되는 배터리 전류를 이용하여 C-rate를 판별하고, 상기 센싱부에서 감지되는 배터리 온도, 상기 초기 SOC, 상기 C-rate를 이용하여, 상기 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별할 수 있다.
상기 마이컴 유닛은, 상기 센싱부에서 감지되는 배터리 전류를 이용하여 C-rate를 판별하고, 상기 센싱부에서 감지되는 배터리 온도, 상기 SOC, 상기 C-rate를 이용하여, 상기 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별할 수 있다.
상기 배터리는 복수의 배터리셀을 포함하고, 상기 배터리의 온도를 측정하는 센서는, 상기 복수의 배터리셀 중 적어도 하나의 외둘레에 배치되는 써미스터이고, 상기 배터리의 온도는 상기 써미스터에서 센싱되는 온도 데이터 중 적어도 하나에 기초할 수 있다.
상기 배터리는, 각각 복수의 배터리셀을 포함하는 복수의 배터리팩을 포함하며, 상기 배터리관리기는, 상기 복수의 배터리팩 각각에 배치되고, 각 배터리팩에 포함되는 복수의 배터리셀의 상태 정보를 획득하는 배터리팩 회로기판들과 상기 배터리팩 회로기판들과 통신선으로 연결되고, 상기 배터리팩 회로기판들로부터 각 배터리팩에서 획득된 상태 정보를 수신하는 메인회로기판을 포함할 수 있다.
상기 마이컴 유닛과 상기 메모리는 상기 메인회로기판에 실장될 수 있다.
상기 마이컴 유닛은, 충방전 상태에 따라 다른 수식으로 상기 배터리 리얼 전압을 산출할 수 있다.
상기 마이컴 유닛은, 상기 배터리가 충전중인 경우에, 상기 센싱부에서 측정된 충전 전류와 상기 내부저항을 곱하여 전압강하값을 산출하고, 상기 센싱부에서 측정된 배터리 전압에서 전압강하값을 빼 상기 배터리 리얼 전압을 산출할 수 있다.
상기 마이컴 유닛은, 상기 배터리가 방전중인 경우에, 상기 센싱부에서 측정된 방전 전류와 상기 내부저항을 곱하여 전압강하값을 산출하고, 상기 센싱부에서 측정된 배터리 전압에서 전압강하값을 더해 상기 배터리 리얼 전압을 산출할 수 있다.
상기 마이컴 유닛은, 상기 배터리가 충전 또는 방전 중인 경우에 상기 내부저항을 산출할 수 있다.
상기 마이컴 유닛은, 일정 시간 이상 무부하 상태가 지속되면, 상기 센싱부에서 감지되는 배터리 전압을 이용하여 상기 개방회로전압 테이블에서 SOC를 판별하고, 상기 SOC를 업데이트(update)할 수 있다.
상기 마이컴 유닛은, 상기 배터리가 충전 또는 방전을 시작하면, 상기 무부하 상태의 카운팅(counting)을 리셋(reset)할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치의 동작방법은, 배터리 전류를 측정하는 단계; 상기 측정된 배터리 전류를 이용하여 C-rate를 판별하는 단계; 배터리 온도를 측정하는 단계; 상기 C-rate, 상기 배터리 온도 및 저장된 SOC를 이용하여, 저장된 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별하는 단계; 상기 배터리 내부저항에 의한 전압강하(voltage drop)를 반영한 배터리 리얼(real) 전압을 산출하는 단계; 및, 상기 배터리 리얼 전압을 이용하여 SOC(State Of Charge)를 업데이트(update)는 단계;를 포함한다.
본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치의 동작방법은, 배터리의 전압을 측정하는 단계; 상기 측정된 배터리 전압을 이용하여 저장된 개방회로전압 테이블에서 초기 SOC(State Of Charge)를 판별하는 단계;를 더 포함하고, 상기 배터리 내부저항을 판별하는 단계는, 상기 C-rate, 상기 배터리 온도 및 상기 초기 SOC를 이용하여, 저장된 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별할 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치의 동작방법은, 상기 배터리의 충방전 상태를 확인하는 단계;를 더 포함하고, 상기 배터리가 충전 또는 방전 중인 경우에, 상기 배터리 전류를 측정할 수 있다.
상기 배터리 리얼 전압을 산출하는 단계는, 상기 배터리의 충방전 상태에 따라 다른 수식으로 상기 배터리 리얼 전압을 산출할 수 있다.
상기 배터리가 충전중인 경우에, 상기 센싱부에서 측정된 충전 전류와 상기 내부저항을 곱하여 전압강하값을 산출하고, 상기 센싱부에서 측정된 배터리 전압에서 전압강하값을 빼 상기 배터리 리얼 전압을 산출할 수 있다.
상기 배터리가 방전중인 경우에, 상기 센싱부에서 측정된 방전 전류와 상기 내부저항을 곱하여 전압강하값을 산출하고, 상기 센싱부에서 측정된 배터리 전압에서 전압강하값을 더해 상기 배터리 리얼 전압을 산출할 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치의 동작방법은, 일정 시간 이상 무부하 상태가 지속되면, 센싱부에서 감지되는 배터리 전압을 이용하여 상기 개방회로전압 테이블에서 SOC를 판별하고, 상기 SOC를 업데이트(update)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따른 에너지 저장장치의 동작방법은, 상기 배터리가 충전 또는 방전을 시작하면, 상기 무부하 상태의 카운팅(counting)을 리셋(reset)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 SOC(State Of Charge)를 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, SOC 오차로 인한 배터리 과충전 및 과방전을 방지할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, SOC 산출 정확성 향상으로 오감지로 인한 폴트(fault) 발생 빈도를 저감할 수 있다.
또한, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, SOC를 정확하게 산출하여 배터리의 안전성 및 시스템 신뢰성을 향상할 수 있다.
한편, 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 개시의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1a와 도 1b는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치를 포함하는 에너지 공급 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치를 포함하는 홈 에너지 서비스 시스템의 개념도이다.
도 3a와 도 3b는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치 설치 유형을 도시한 도면이다.
도 4는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치를 포함하는 홈 에너지 서비스 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 복수의 배터리팩을 포함하는 에너지 저장장치의 분해사시도이다.
도 6은 도어가 제거된 상태의 에너지 저장장치 정면도이다.
도 7은 도 6의 일측 단면도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 사시도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 분해도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈의 사시도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈의 분해도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈의 정면도이다.
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈과 센싱기판의 분해사시도이다.
도 14는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈 및 배터리팩회로기판의 사시도이다.
도 15a는 도 14가 결합된 상태의 일측면도이다.
도 15b는 도 14가 결합된 상태의 타측면도이다.
도 16은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩 및 배터리관리기의 연결에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 17은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 단면도이다.
도 18은 배터리팩 내부의 배터리셀의 배치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 19는 본 개시의 일 실시 예에 따른 써미스터의 사시도이다.
도 20은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 블록도이다.
도 21과 도 22는 배터리 내부저항에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 23은 SOC와 개방회로전압에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 24는 배터리 온도에 따른 내부저항 변화를 예시하는 도면이다.
도 25는 배터리 온도, SOC, C-rate 별 배터리 내부저항을 예시하는 그래프이다.
도 26a와 도 26b는 배터리 온도, SOC, C-rate 별 배터리 내부저항을 예시하는 테이블이다.
도 27은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 동작 방법에 관한 순서도이다.
도 28은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 동작 방법에 관한 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 개시는 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 개시를 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다.
한편, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
또한, 본 명세서에서, 다양한 요소들을 설명하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 이용될 수 있으나, 이러한 요소들은 이러한 용어들에 의해 제한되지 아니한다. 이러한 용어들은 한 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해서만 이용된다.
도면들에서 사용되는 상(U), 하(D), 좌(Le), 우(Ri), 전(F), 후(R)는 배터리팩과 배터리팩을 포함하는 에너지저장장치를 설명하기 위한 것으로, 기준에 따라 다르게 설정될 수 있다.
도 10 내지 도 13에서 사용되는 배터리모듈의 높이방향(h+, h-), 길이방향(l+, l-), 폭방향(w+, w-)은, 배터리모듈을 설명하기 위한 것으로, 기준에 따라 다르게 설정될 수 있다.
도 1a와 도 1b는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치를 포함하는 에너지 공급 시스템의 개념도이다.
도 1a와 도 1b를 참조하면, 에너지 공급 시스템은, 전기 에너지가 저장되는 배터리(35) 기반의 에너지 저장장치(1), 전력 수요처인 부하(7), 및 외부의 전력공급원으로 제공되는 계통(9)을 포함할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는, 계통(9) 등으로부터 받은 전기 에너지를 직류(DC) 형태로 저장(충전)하거나 저장되어 있는 전기 에너지를 계통(9) 등에 출력(방전)하는 배터리(35), 상기 배터리(35)의 충전 또는 방전을 위해 전기적 특성(예를 들어, AC/DC 상호변환, 주파수, 전압)을 변환시키는 전력변환기(32)(PCS : Power Conditioning System), 배터리(35)의 전류, 전압, 온도 등의 정보를 모니터링하고 관리하는 배터리관리기(34)(BMS : Battery Management System)를 포함한다.
상기 계통(9)은 전력을 생산하는 발전설비, 송전선로 등을 포함할 수 있다. 상기 부하(7)는, 전력을 소비하는 수요처로, 냉장고, 세탁기, 에어컨, TV, 로봇 청소기, 로봇 등의 홈 어플라이언스, 차량, 드론 등의 이동형 전자 기기 등을 포함할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는, 외부로부터의 전원을 배터리(35) 저장하였다가, 외부로 전원을 출력할 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장장치(1)는, 외부로부터의 직류 전원 또는 교류 전원을 입력받아, 배터리(35)에 저장하였다가, 외부로 직류 전원 또는 교류 전원을 출력할 수 있다.
한편, 배터리(35)는 주로 직류 전원을 저장하므로, 에너지 저장장치(1)는, 직류 전원을 입력받거나 입력받은 교류 전원을 직류 전원으로 전환하여 배터리(35)에 저장하고, 배터리(35)에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여, 계통(9) 또는 부하(7)에 공급할 수 있다.
이때, 에너지 저장장치(1) 내의 전력변환기(32)가, 전력 변환을 수행하고, 배터리(35)로 전압 충전하거나, 배터리(35)에 저장된 직류 전원을 계통(9) 또는 부하(7)에 공급할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는 계통으로부터 공급되는 전원에 기초하여 배터리(35)를 충전하고, 필요시 배터리(35)를 방전할 수 있다. 예를 들어, 정전과 같은 비상상황, 계통(9)에서 공급되는 전기 에너지의 요금이 비싼 시간대, 날짜, 계절에, 배터리(35)에 저장된 전기 에너지를 부하(7)에 공급할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는, 태양광 등 신재생에너지원으로부터 발전된 전기 에너지를 저장함으로써 신재생에너지 발전의 안전성 및 편의성을 향상할 수 있고, 비상전원으로 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 에너지 저장장치(1)를 이용하면, 시간대 및 계절별 변동이 큰 부하를 평준화(Load Leveling)시킬 수 있고, 에너지 소비 및 비용을 절약할 수 있다.
상기 배터리관리기(34)는 상기 배터리(35)의 온도, 전류, 전압, 충전량 등을 측정하고, 상기 배터리(35)의 상태를 모니터링 할 수 있다. 또한, 상기 배터리관리기(34)는 상기 배터리(35)의 상태 정보에 기초하여 상기 배터리(35)의 동작 환경을 최적화되도록 제어하고 관리할 수 있다.
한편, 에너지 저장장치(1)는, 상기 전력변환기(32)를 제어하는 전력관리기(31a)(PMS: Power Management System)을 포함할 수 있다.
전력관리기(31a)는 상기 배터리(35) 및 상기 전력변환기(32) 상태에 대한 모니터링과 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 전력관리기(31a)는 에너지 저장장치(1)의 전반적인 동작을 제어하는 컨트롤러(contoller)일 수 있다.
상기 전력변환기(32)는, 상기 전력관리기(31a)의 제어지령에 따라 상기 배터리(35)의 전력분배를 제어할 수 있다. 상기 전력변환기(32)는, 계통(9), 태양광 등 연결된 발전 수단, 상기 배터리(35)와 부하(7)의 연결상태에 따라서 전력을 변환할 수 있다.
한편, 상기 전력관리기(31a)는, 상기 배터리관리기(34)로부터 상기 배터리(35)의 상태 정보를 전달받을 수 있다. 상기 전력변환기(32) 및 상기 배터리관리기(34)에 제어지령을 전송할 수 있다.
상기 전력관리기(31a)는 와이파이 통신모듈 등 통신수단과, 메모리를 포함할 수 있다. 상기 메모리에는 에너지 저장장치(1)의 동작에 필요한 다양한 정보가 저장될 수 있다. 실시 예에 따라서, 상기 전력관리기(31a)는, 복수의 스위치를 포함하고, 전력 공급 경로를 제어할 수 있다.
상기 전력관리기(31a) 및/또는 상기 배터리관리기(34)는 적류적산법, 개방회로전압(OCV : Open Circuit Voltage)를 기반으로 한 충전량(SOC: State Of Charge) 산출법 등 이미 공지된 다양한 방식의 SOC 산출 기법을 사용하여 상기 배터리(35)의 SOC를 산출할 수 있다. 더 바람직하게 상기 전력관리기(31a) 및/또는 상기 배터리관리기(34)는 도 20 내지 도 28을 참조하여 설명하는 SOC 산출 방법을 이용하여 더 정확하게 SOC를 산출할 수 있다. 배터리(35)는 충전량이 최대충전량을 넘어서는 경우에 배터리가 과열되고 불가역적으로 동작할 수 있다. 마찬가지로 상기 충전량이 최소충전량 이하가 되는 경우에는 배터리가 열화하고 회복 불능의 상태가 될 수 있다. 상기 전력관리기(31a) 및/또는 상기 배터리관리기(34)는 상기 배터리(35)의 내부 온도와 충전량 등을 실시간으로 모니터링하여 최적의 사용영역과 최대 입출력 파워를 제어할 수 있다.
상기 전력관리기(31a)는 상위 제어기인 에너지관리기(31b)(EMS: Energy Management System)의 제어에 따라 동작할 수 있다. 상기 전력관리기(31a)는 상기 에너지관리기(31b)의 지령을 받아 에너지 저장장치(1)를 제어할 수 있고, 에너지 저장장치(1)의 상태를 상기 에너지관리기(31b)에 전달할 수 있다. 상기 에너지관리기(31b)는 에너지 저장장치(1)에 구비되거나 에너지 저장장치(1)의 상위 시스템에 구비될 수 있다.
상기 에너지관리기(31b)는 요금정보, 전력 사용량, 및 환경정보 등을 정보를 수신하고, 사용자의 에너지 생산, 저장, 및 소비 패턴에 따라 상기 에너지 저장장치(1)를 제어할 수 있다. 상기 에너지관리기(31b)는 상기 전력관리기(31a)를 모니터링하고 제어하기 위한 운영시스템으로 제공될 수 있다.
에너지 저장장치(1)의 전반적인 동작을 제어하는 컨트롤러는 상기 전력관리기(31a) 및/또는 상기 에너지관리기(31b)를 포함할 수 있다. 실시 예에 따라서, 상기 전력관리기(31a)와 상기 에너지관리기(31b)는, 어느 하나가 나머지 하나의 기능도 수행할 수 있다. 또한, 상기 전력관리기(31a)와 상기 에너지관리기(31b)는 하나의 제어기로 통합되어 일체로 제공될 수 있다.
한편, 에너지 저장장치(1)의 설치 용량은 고객의 설치 조건에 따라 다르며, 상기 전력변환기(32)와 배터리(35)를 복수개 연결하여 필요한 용량까지 확대할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는 계통(9)과 별도로 적어도 하나의 발전 장치(도 2의 3 참조)와 연결될 수 있다. 발전 장치(3)는, 직류 전원을 출력하는 풍력 발전 장치, 수력을 이용하여 직류 전원을 출력하는 수력 발전 장치, 조력을 이용하여 직류 전원을 출력하는 조력 발전 장치, 또는 지열 등의 열을 이용하여 직류 전원을 출력하는 열 발전 장치 등을 포함할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 발전 장치(3)로 태양광 발전장치를 중심으로 기술한다.
도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치를 포함하는 홈 에너지 서비스 시스템(home energy service system)의 개념도이다.
본 개시의 실시 예에 따른 홈 에너지 서비스 시스템은, 에너지 저장장치(1)를 포함하고, 통합 에너지 서비스 관리를 위한 클라우드(5) 기반의 지능형 에너지 서비스 플랫폼으로 구성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 홈 에너지 서비스 시스템은 주로 가정에 구현되어, 가정 내의 에너지(전력) 공급, 소비, 저장 등을 관리할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는, 발전소(8) 등 계통(9), 태양광 발전기(3) 등 발전 장치, 다수의 부하들(7a 내지 7g). 센서들(미도시)과 연결되어, 홈 에너지 서비스 시스템을 구성할 수 있다.
부하들(7a 내지 7g)은 히트펌프(7a), 식기세척기(7b), 세탁기(7c), 보일러(7d), 에어컨(7e), 온도조절기(7f), EV 충전기(7g)(electric vehicle charger), 스마트 라이팅(7h) 등일 수 있다.
홈 에너지 서비스 시스템은, 도 2에서 예시된 스마트 기기들 외에도 다른 부하를 포함할 수 있다. 예를 들어, 홈 에너지 서비스 시스템은 통신모듈을 하나 이상 구비하는 스마트 라이팅(7h)외에도 여러 조명을 포함할 수 있다. 또한, 홈 에너지 서비스 시스템은, 통신모듈을 구비하지 않는 홈 어플라이언스도 포함할 수 있다.
상기 부하들(7a 내지 7g) 중 일부는 필수부하로 설정되어, 정전 발생시, 에너지 저장장치(1)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 냉장고, 적어도 일부 조명 장치가 정전시 백업이 필요한 필수부하로 설정될 수 있다.
한편, 에너지 저장장치(1)는, 기기들(7a 내지 7g). 센서들과 근거리 무선 통신 모듈을 통해 통신할 수 있다. 예를 들어, 근거리 무선 통신 모듈은 블루투스, 와이파이, 지그비 중 적어도 하나일 수 있다. 또한, 에너지 저장장치(1), 기기들(7a 내지 7g). 센서들은 인터넷 네트워크에 연결될 수 있다.
에너지관리기(31b)는 인터넷 네트워크, 근거리 무선 통신으로 에너지 저장장치(1), 기기들(7a 내지 7g). 센서들, 클라우드(5)와 통신할 수 있다.
에너지관리기(31b) 및/또는 클라우드(5)는 에너지 저장장치(1), 기기들(7a 내지 7g). 센서들에서 수신되는 정보 및 수신된 정보를 이용하여 판별된 정보 등을 단말기(6)로 전송할 수 있다. 단말기(6)는 스마트폰, PC, 노트북, 태블릿 PC 등으로 구현될 수 있다. 실시 예에 따라서, 홈 에너지 서비스 시스템의 동작을 제어하기 위한 애플리케이션이 단말기(6)에 설치되어 실행될 수 있다.
홈 에너지 서비스 시스템은 미터기(2)를 포함할 수 있다. 미터기(2)는 발전소(8) 등 전력 계통(9)과 에너지 저장장치(1) 사이에 구비될 수 있다. 미터기(2)는 발전소(8)로부터 가정으로 공급되어 소모된 전력의 사용량을 측정할 수 있다. 또한, 미터기(2)는 에너지 저장장치(1) 내부에 구비될 수도 있다. 미터기(2)는 에너지 저장장치(1)로부터 방전되는 전력량을 측정할 수 있다. 에너지 저장장치(1)로부터 방전되는 전력량은,에너지 저장장치(1)로부터 전력 계통(9)으로 공급(판매)되는 전력량, 및 에너지 저장장치(1)로부터 기기들(7a 내지 7g)로 공급되는 전력량을 포함할 수 있다.
에너지 저장장치(1)는, 태양광 발전기(2) 및/또는 발전소(8)로부터 공급된 전력, 또는 상기 공급된 전력이 소비된 후 남는 잔여 전력을 저장할 수 있다.
한편, 미터기(2)는 스마트 미터기(smart meter)로 구현될 수 있다. 스마트 미터기는 클라우드(5) 및/또는 에너지관리기(31b)로 전력 사용량에 관한 정보를 전송하기 위한 통신 모듈을 포함할 수 있다.
도 3a와 도 3b는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치 설치 유형을 도시한 도면이다.
가정용 에너지 저장장치(1)는 설치 유형에 따라 AC 커플드(Coupled) ESS(도 3a 참조)와 DC 커플드(Coupled) ESS(도 3b 참조)로 구분될 수 있다.
태양광 발전장치는 태양광 패널(3)을 포함한다. 태양광 설치 유형에 따라, 태양광 발전장치는 태양광 패널(3) 및 태양광 패널(3)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 PV(photovoltaic) 인버터(4)를 포함할 수 있다(도 3a 참조). 이에 따라, 기존 계통(9)과 독립적인 에너지 저장장치(1)를 사용할 수 있어 더 경제적으로 시스템 구현이 가능하다.
또한, 실시 예에 따라 에너지 저장장치(1)의 전력변환기(32)와 PV 인버터(4)가 일체의 전력 변환 장치로서 구현될수도 있다(도 3b 참조). 이 경우, 태양광 패널(3)로부터 출력되는 직류 전력은 전력변환기(32)로 입력된다. 직류 전력은 배터리(35)에 전달되어 저장될 수 있다. 또한, 전력변환기(32)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통(9)에 공급할 수 있다. 이에 따라, 더 효율적인 시스템 구현이 가능할 수 있다.
도 4는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 저장장치를 포함하는 홈 에너지 서비스 시스템의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 에너지 저장장치(1)는, 발전소(8) 등 계통(9), 태양광 발전기(3) 등 발전 장치, 다수의 부하들(7x1, 7y1)과 연결될 수 있다.
태양광 발전기(3)에서 생성된 전기 에너지는 PV 인버터(4)에서 변환되어 계통(9), 에너지 저장장치(1), 부하들(7x1, 7y1)에 공급될 수 있다. 도 3을 참조하여 설명한 것과 같이, 설치 유형에 따라 태양광 발전기(3)에서 생성된 전기 에너지는 에너지 저장장치(1)에서 변환되어 계통(9), 에너지 저장장치(1), 부하들(7x1, 7y1)에 공급될 수도 있다.
한편, 에너지 저장장치(1)는 하나 이상의 무선 통신 모듈을 구비하고, 단말기(6)와 통신할 수 있다. 사용자는 단말기(6)를 통하여 에너지 저장장치(1) 및 홈 에너지 서비스 시스템의 상태를 모니터링하고 제어할 수 있다. 또한, 홈 에너지 서비스 시스템은 클라우드(5) 기반의 서비스를 제공할 수 있다. 사용자는 장소에 구애받지 않고 단말기(6)를 통하여 클라우드(5)와 통신하며 홈 에너지 서비스 시스템의 상태를 모니터링하고 제어할 수 있다
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 상술한 배터리(35), 배터리관리기(34), 전력변환기(32)는 하나의 케이싱(12) 내부에 배치될 수 있다. 이렇게 하나의 케이싱(12)에 통합 배치되는 배터리(35), 배터리관리기(34), 전력변환기(32)는 전력의 저장과 변환을 수행할 수 있어 올인원 에너지 저장장치(1a)로 명명할 수 있다.
또한, 상기 케이싱(12) 외부의 별도의 외함(enclosures)(1b)에는 전력관리기(31a), 자동전환스위치(ATS: Auto transfor switch), 스마트 미터, 스위치 등 전력 분배를 위한 구성, 단말기(6), 클라우드(5) 등과의 통신을 위한 통신 모듈이 배치될 수 있다. 이렇게 하나의 외함(1)에 전력 분배 및 관리와 관련된 구성이 통합된 구성은 스마트 에너지 박스(1b)로 명명될 수 있다.
상기 스마트 에너지 박스(1b)에는 상술한 전력관리기(31a)가 수용될 수 있다. 상기 스마트 에너지 박스(1b)에 에너지 저장장치(1)의 전반적인 전원 공급 연결을 제어하는 컨트롤러가 배치될 수 있다. 상기 컨트롤러는 상술한 전력관리기(31a)일 수 있다.
또한, 상기 스마트 에너지 박스(1b)에는 스위치들이 수용되어, 연결된 계통 전원(8,9), 태양광 발전기(3), 올인원 에너지 저장장치(1a)의 배터리(35), 부하들(7x1, 7y1)의 연결 상태를 제어할 수 있다. 부하들(7x1, 7y1)은 부하 패널(7x2, 7y2)들을 통하여 상기 스마트 에너지 박스(1b)에 연결될 수 있다.
한편, 상기 스마트 에너지 박스(1b)에는 계통 전원(8,9) 및 태양광 발전기(3)과 연결된다. 또한, 상기 계통(8,9)에 정전이 발생하면, 상기 태양광 발전기(3)에서 생산되거나 상기 배터리(35)에 저장된 전기 에너지가 소정 부하(7y1)로 공급되도록 스위칭되는 자동전환스위치(ATS)가 상기 스마트 에너지 박스(1b)에 배치될 수 있다.
또는, 상기 전력관리기(31a)가 상기 자동전환스위치(ATS) 기능을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 상기 전력관리기(31a)는 상기 계통(8,9)에 정전이 발생하면, 상기 태양광 발전기(3)에서 생산되거나 또는 상기 배터리(35)에 저장된 전기 에너지가 소정 부하(7y1)로 공급되도록 릴레이 등 스위치를 제어할 수 있다.
한편, 각 전류 공급 경로에는 전류 센서, 스마트 미터 등이 배치될 수 있다. 에너지 저장장치(1)와 태양광 발전기(3)를 통해 생산된 전기는, 스마트 미터(적어도 전류센서)를 통해 전력량이 측정되고 관리될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는, 적어도 올인원 에너지 저장장치(1a)를 포함한다. 또한, 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는 올인원 에너지 저장장치(1a)와 스마트 에너지 박스(1b)를 포함함으로써, 전력의 저장, 공급, 분배, 통신, 제어를 간편하고 효율적으로 수행할 수 있는 통합 서비스를 제공할 수 있다.
한편, 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는 복수의 운전모드로 동작할 수 있다. PV 자가소비(self consumption) 모드는, 태양광 발전 전력을 부하에서 먼저 사용하고, 남는 전력을 에너지 저장장치(1)에 저장한다. 예를 들어, 낮에 태양광 발전기(3)에서 부하들(7x1, 7y1)의 사용량보다 많은 전력이 생성되면, 배터리(35)를 충전한다.
요금제 기반 충방전 모드는, 시간대 4개를 설정 입력하고, 전기 요금이 비싼 시간대에는 배터리(35)를 방전시키고 전기 요금이 싼 시간대에서는 배터리(35)를 충전시킬 수 있다. 에너지 저장장치(1)는 요금제 기반 충방전 모드로 사용자의 전기 요금 절약에 도움을 줄 수 있다.
백업온리모드는, 정전 등 비상상황을 대비한 모드로, 일기예보로 태풍이 예상되거나, 기타 정전 가능성이 있을 때, 배터리(35)를 최대치까지 충전하고, 비상시 필수부하(7y1)로 공급하는 것을 최우선순위로 동작할 수 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하여, 본 개시의 에너지 저장장치(1)의 구조를 설명한다. 더욱 상세하게는 도 5 내지 도 7에는 올인원 에너지 저장장치(1a)의 상세 구조가 개시된다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 복수의 배터리팩을 포함하는 에너지 저장장치의 분해사시도이고, 도 6은 도어가 제거된 상태의 에너지 저장장치 정면도이며, 도 7은 도 6의 일측 단면도이다.
도 5을 참조하면, 에너지 저장장치(1)는, 적어도 하나의 배터리팩(10), 적어도 하나의 배터리팩(10)이 배치되는 공간을 형성하는 케이싱(12), 케이싱(12)의 전면을 개폐하는 도어(28), 케이싱(12) 내측에 배치되고 배터리의 충전 또는 방전을 위해 전기의 특성을 변환시키는 전력변환기(32)(PCS : Power Conditioning System), 배터리셀(101)의 전류, 전압, 온도 등의 정보를 모니터링하는 배터리관리기(BMS : Battery Management System)를 포함한다.
케이싱(12)은, 전방이 개구된 형태를 가질 수 있다. 케이싱(12)은 후방을 커버하는 케이싱후방벽(14)과, 케이싱후방벽(14)의 양측단에서 전방으로 연장되는 한 쌍의 케이싱측벽(20), 케이싱후방벽(14)의 상단에서 전방으로 연장되는 케이싱탑벽(24), 및 케이싱후방벽(14)의 하단에서 전방으로 연장되는 케이싱베이스(26)을 포함할 수 있다. 케이싱후방벽(14)에는, 배터리팩(10)과 체결되도록 형성된 팩체결부(16)와 배터리팩(10)의 방열플레이트(124)와 접촉하도록 전방으로 돌출된 접촉플레이트(18)를 포함한다.
도 5를 참조하면, 접촉플레이트(18)는 케이싱후방벽(14)으로부터 전방으로 돌출되게 배치될 수 있다. 접촉플레이트(18)는 방열플레이트(124)의 일측과 접촉하도록 배치될 수 있다. 따라서, 배터리팩(10) 내부에 배치된 복수의 배터리셀(101)에서 방출되는 열이 방열플레이트(124)와 접촉플레이트(18)를 통해 외부로 방출될 수 있다.
한 쌍의 케이싱측벽(20) 중 하나에는, 에너지 저장장치(1)의 전원을 온/오프하는 스위치(22a, 22b)가 배치될 수 있다. 본 개시에서는, 제1스위치(22a)와 제2스위치(22b)가 배치되어, 에너지 저장장치(1)의 전원의 안전성 또는 동작의 안전성을 강화할 수 있다.
전력변환기(32)는, 회로기판(33)과, 회로기판(33)의 일측에 배치되고 전력 변환을 수행하는 전력변환소자(33a)(Insulated gate bipolar transistor; IGBT)를 포함할 수 있다.
배터리관리기는, 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각에 배치되는 배터리팩 회로기판(220)과 케이싱(12) 내부에 배치되고 복수의 배터리팩 회로기판(220)과 통신선(36)으로 연결되는 메인회로기판(34a)을 포함할 수 있다.
메인회로기판(34a)은, 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각에 배치되는 배터리팩 회로기판(220)과 통신선(36)으로 연결될 수 있다. 메인회로기판(34a)은, 배터리팩(10)으로부터 연장되는 파워선(198)과 연결될 수 있다.
케이싱(12) 내부에는 적어도 하나의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d)이 배치될 수 있다. 케이싱(12) 내부에는 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d)이 배치된다. 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d)은 상하방향으로 배치될 수 있다.
복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d)은 각각의 사이드브라켓(250)의 상단과 하단이 접촉되도록 배치될 수 있다. 이때, 상하로 배치되는 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각은 배터리모듈(100a, 100b)과 탑커버(230)가 접촉되지 않도록 배치된다.
복수의 배터리팩(10) 각각은, 케이싱(12)에 고정되게 배치된다. 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각은 케이싱후방벽(14)에 배치되는 팩체결부(16)에 체결된다. 즉, 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d) 각각의 고정브라켓(270)이 팩체결부(16)에 체결된다. 팩체결부(16)는, 접촉플레이트(18)와 같이 케이싱후방벽(14)으로부터 전방으로 돌출되게 배치될 수 있다.
접촉플레이트(18)는, 케이싱후방벽(14)으로부터 전방으로 돌출되게 배치될 수 있다. 따라서, 접촉플레이트(18)는, 배터리팩(10)에 포함된 하나의 방열플레이트(124)와 접촉되도록 배치될 수 있다.
하나의 배터리팩(10)에는, 2개의 배터리모듈(100a, 100b)이 포함된다. 따라서, 하나의 배터리팩(10)에는 2개의 방열플레이트(124)가 배치된다. 배터리팩(10)에 포함된 하나의 방열플레이트(124)는 케이싱후방벽(14)을 마주하도록 배치되고, 다른 하나의 방열플레이트(124)는 도어(28)를 향하도록 배치된다.
하나의 방열플레이트(124)는 케이싱후방벽(14)에 배치되는 접촉플레이트(18)와 접촉하도록 배치되고, 다른 하나의 방열플레이트(124)는 도어(28)와 이격되게 배치된다. 다른 하나의 방열플레이트(124)는 케이싱(12) 내부를 유동하는 공기에 의해 냉각될 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 사시도이고, 도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 분해도이다.
본 개시의 에너지 저장장치는, 복수의 배터리셀(101)이 직렬과 병렬로 연결되는 배터리팩(10)을 포함할 수 있다. 에너지 저장장치는, 복수의 배터리팩(10a, 10b, 10c, 10d, 도 5 참조)을 포함할 수 있다.
먼저, 도 8 내지 도 9를 참조하여, 하나의 배터리팩(10)의 구성을 설명한다.
배터리팩(10)은, 복수의 배터리셀(101)이 직렬과 병렬로 연결되는 적어도 하나의 배터리모듈(100a, 100b), 배터리모듈(100a, 100b)의 상부에 배치되고 배터리모듈(100a, 100b)의 배치를 고정시키는 상부고정브라켓(200), 배터리모듈(100)의 하부에 배치되고 배터리모듈(100a, 100b)의 배치를 고정시키는 하부고정브라켓(210), 배터리모듈(100a, 100b)의 양 측면에 배치되고 배터리모듈(100a, 100b)의 배치를 고정시키는 한 쌍의 사이드브라켓(250a, 250b), 배터리모듈(100a, 100b)의 양 측면에 배치되고, 냉각홀(242a)이 형성된 한 쌍의 사이드커버(240a, 240b), 배터리모듈(100a, 100b)의 일측면에 배치되고 배터리모듈(100a, 100b) 내부의 공기유동을 형성하는 냉각팬(280), 상부고정브라켓(200)의 상측에 배치되고 배터리모듈(100a, 100b)의 센싱정보를 수집하는 배터리팩 회로기판(220), 상부고정브라켓(200)의 상측에 배치되고, 배터리팩 회로기판(220)의 상측을 커버하는 탑커버(230)를 포함한다.
배터리팩(10)은 적어도 하나의 배터리모듈(100a, 100b)을 포함한다. 도 9를 참조하면, 본 개시의 배터리팩(10)은 서로 전기적으로 연결되고, 물리적으로 고정된 2개의 배터리모듈(100a, 100b)로 구성된 배터리모듈 어셈블리(100)를 포함한다. 배터리모듈 어셈블리(100)는 서로 마주하게 배치되는 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)를 포함한다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈의 사시도이고, 도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈의 분해도이다
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈의 정면도이고, 도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈과 센싱기판의 분해사시도이다.
이하에서는, 도 10 내지 도 13을 참조하여, 본 개시의 제1배터리모듈(100a)을 설명한다. 이하에서 설명되는 제1배터리모듈(100a)의 구성 및 형태는 제2배터리모듈(100b)에도 적용될 수 있다.
도 10 내지 도 13에서 설명되는 배터리모듈은, 배터리모듈의 높이방향(h+, h-)을 기준으로 상하방향으로 설명될 수 있다. 도 10 내지 도 13에서 설명되는 배터리모듈은, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)을 기준으로 좌우방향으로 설명될 수 있다. 도 10 내지 도 13에서 설명되는 배터리모듈은, 배터리모듈의 폭방향(w+, w-)을 기준으로 전후방향으로 설명될 수 있다. 도 10 내지 도 13에서 사용되는 배터리모듈의 방향설정은, 다른 도면에서 설명되는 배터리팩(10) 구조에서의 방향설정과 다를 수 있다. 도 10 내지 도 13에서 설명되는 배터리모듈은, 배터리모듈의 폭방향(w+, w-)을 제1방향으로, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)을 제2방향으로 설명될 수 있다.
제1배터리모듈(100a)은, 복수의 배터리셀(101), 복수의 배터리셀(101)의 하부를 고정하는 제1프레임(110), 복수의 배터리셀(101)의 상부를 고정하는 제2프레임(130), 제1프레임(110)의 하측에 배치되고, 배터리셀(101)에서 발생되는 열을 방열하는 방열플레이트(124), 제2프레임(130) 상측에 배치되고 복수의 배터리셀(101)을 전기적으로 연결하는 복수의 버스바, 및 제2프레임(130) 상측에 배치되고 복수의 배터리셀(101)의 정보를 감지하는 센싱기판(190)을 포함한다.
제1프레임(110)과 제2프레임(130)은 복수의 배터리셀(101)을 배치를 고정할 수 있다. 제1프레임(110)과 제2프레임(130)은, 복수의 배터리셀(101)을 서로 이격되게 배치시킨다. 복수의 배터리셀(101)은 서로 이격되게 배치되므로, 이하에서 설명할 냉각팬(280)의 작동으로 복수의 배터리셀(101) 사이 공간으로 공기가 유동할 수 있다.
제1프레임(110)은 배터리셀(101)의 하단부를 고정한다. 제1프레임(110)은 복수의 배터리셀홀(112a)이 형성된 하부플레이트(112)와, 하부플레이트(112)의 상부면에서 상측으로 돌출되고, 배터리셀(101)의 배치를 고정하는 제1고정돌기(114)와, 하부플레이트(112)의 양측단에서 상측으로 돌출되는 한 쌍의 제1측벽(116)과, 하부플레이트(112)의 양단에서 상측으로 돌출되고 한 쌍의 제1측벽(116)의 양단을 연결하는 한 쌍의 제1단부벽(118)을 포함한다.
한 쌍의 제1측벽(116)은 이하에서 설명하는 제1셀어레이(102)와 평행하게 배치될 수 있다. 한 쌍의 제1단부벽(118)은, 한 쌍의 제1측벽(116)에 수직하게 배치될 수 있다.
도 13을 참조하면, 제2프레임(130)과 제1프레임(110)이 결합된 상태에서, 제2측벽(136)와 제1측벽(116)은 상하방향으로 이격배치된다. 따라서, 제2측벽(136)과 제1측벽(116) 사이로 공기가 유동하는 공간이 형성될 수 있다. 즉, 제2측벽(136)와 제1측벽(116)에 인접하게 배치되는 배터리셀(101)은 제2측벽(136)과 제1측벽(116) 사이로 형성되는 공간으로 유동하는 공기에 의해 냉각될 수 있다.
복수의 배터리셀(101)은, 제2프레임(130)과 제1프레임(110)에 고정되게 배치된다. 복수의 배터리셀(101)은 직렬과 병렬로 배치된다. 복수의 배터리셀(101)은, 제1프레임(110)의 제1고정돌기(114)와 제2프레임(130)의 제2고정돌기(134)에 의해 고정되게 배치된다.
도 12를 참조하면, 복수의 배터리셀(101)은, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)과 폭방향(w+, w-)으로 이격배치된다.
복수의 배터리셀(101)은 하나의 버스바에 병렬로 연결된 셀어레이를 포함한다. 셀어레이는 하나의 버스바에 전기적으로 병렬로 연결된 집합을 의미할 수 있다.
제1배터리모듈(100a)은 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 셀어레이(102, 103)를 포함할 수 있다. 복수의 셀어레이(102, 103)는 서로 전기적으로 직렬로 연결된다. 제1배터리모듈(100a)은 복수의 셀어레이(102, 103)가 직렬로 연결된다.
복수의 셀어레이(102, 103)는 복수의 배터리셀(101)이 일직선 상에 배치되는 제1셀어레이(102), 복수의 행과 열로 배치되는 제2셀어레이(103)를 포함할 수 있다.
제1배터리모듈(100a)은 복수의 배터리셀(101)이 일직선 상에 배치되는 제1셀어레이(102), 복수의 행과 열로 배치되는 제2셀어레이(103)를 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, 제1셀어레이(102)는, 제1배터리모듈(100a)의 길이방향(l+, l-) 좌우으로 복수의 배터리셀(101)이 배치된다. 복수의 제1셀어레이(102)는 제1배터리모듈(100a)의 폭방향(w+, w-) 전후로 배치된다.
도 12를 참조하면, 제2셀어레이(103)는, 제1배터리모듈(100a)의 폭방향(w+, w-)과 길이방향(l+, l-)으로 이격된 복수의 배터리셀(101)을 포함한다.
제1배터리모듈(100a)은, 복수의 제1셀어레이(102)가 평행하게 배치되는 제1셀그룹(105)과, 적어도 하나의 제2셀어레이(103)를 포함하고 제1셀그룹(105)의 일측에 배치되는 제2셀그룹(106)을 포함한다.
제1배터리모듈(100a)은, 복수의 제1셀어레이(102)가 직렬로 연결되는 제1셀그룹(105)과, 복수의 제1셀어레이(102)가 직렬로 연결되고, 제1셀그룹(105)과 이격배치되는 제3셀그룹(107)을 포함한다. 제2셀그룹은, 제1셀그룹(105)과 제3셀그룹(107) 사이에 배치된다.
제1셀그룹(105)은, 복수의 제1셀어레이(102)가 직렬로 연결된다. 제1셀그룹(105)은, 복수의 제1셀어레이(102)가 배터리모듈의 폭방향으로 이격배치된다. 제1셀그룹(105)에 포함된 복수의 제1셀어레이(102)는, 각각의 제1셀어레이(102)에 포함된 복수의 배터리셀(101)이 배치되는 방향에 수직한 방향으로 이격배치된다.
도 12를 참조하면, 제1셀어레이(102)와 제2셀어레이(103) 각각은 9개의 병렬로 연결되는 배터리셀(101)이 배치된다. 도 12를 참조하면, 제1셀어레이(102)는 9개의 배터리셀(101)이 배터리모듈의 길이방향으로 이격배치된다. 제2셀어레이(103)는, 9개의 배터리셀이 복수의 행과 복수의 열로 이격배치된다. 도 12를 참조하면, 제2셀어레이(103)는, 배터리모듈의 폭방향으로 이격배치된 3개의 배터리셀(101)들이 배터리모듈의 길이방향으로 이격배치된다. 여기서, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)을 열방향, 배터리모듈의 폭방향(w+, w-)을 행방향으로 설정할 수 있다.
도 12를 참조하면, 제1셀그룹(105)과 제3셀그룹(107) 각각은, 6개의 제1셀어레이(102)가 직렬로 연결되도록 배치된다. 제1셀그룹(105)과 제3셀그룹(107) 각각은, 6개의 제1셀어레이(102)가 배터리모듈의 폭방향으로 이격배치된다.
도 12를 참조하면, 제2셀그룹(106)은, 2개의 제2셀어레이(103)를 포함한다. 2개의 제2셀어레이(103)는 배터리모듈의 길이방향으로 이격배치된다. 2개의 제2셀어레이(103)는 서로 병렬로 연결된다. 2개의 제2셀어레이(103) 각각은, 이하에서 설명한 제3버스바(160)의 수평바(166)를 기준으로 서로 대칭되게 배치된다.
제1배터리모듈(100a)은 복수의 배터리셀(101) 사이에 배치되고, 복수의 배터리셀(101)을 전기적으로 연결하는 복수의 버스바를 포함한다. 복수의 버스바 각각은, 인접하게 배치되는 셀어레이에 포함된 복수의 배터리셀을 병렬로 연결한다. 복수의 버스바 각각은, 인접하게 배치되는 2개의 셀어레이를 직렬로 연결할 수 있다.
복수의 버스바는, 2개의 제1셀어레이(102)를 직렬로 연결하는 제1버스바(150), 제1셀어레이(102)와 제2셀어레이(103)를 직렬로 연결하는 제2버스바(152), 2개의 제2셀어레이(103)를 직렬로 연결하는 제3버스바(160)를 포함한다.
복수의 버스바는, 하나의 제1셀어레이(102)와 직렬로 연결되는 제4버스바(170)를 포함한다. 복수의 버스바는, 하나의 제1셀어레이(102)와 직렬로 연결되고 동일 배터리팩(10)에 포함되는 다른 배터리모듈(100b)과 연결되는 제4버스바(170)와, 하나의 제1셀어레이(102)와 직렬로 연결되고 다른 배터리팩(10)에 포함되는 하나의 배터리모듈과 연결되는 제5버스바(180)를 포함한다. 제4버스바(170)와 제5버스바(180)는 서로 동일한 형태를 가질 수 있다.
제1버스바(150)는 배터리모듈의 길이방향으로 이격배치되는 2개의 제1셀어레이(102) 사이에 배치된다. 제1버스바(150)는, 하나의 제1셀어레이(102)에 포함된 복수의 배터리셀(101)을 병렬로 연결한다. 제1버스바(150)는, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)으로 배치되는 2개의 제1셀어레이(102)를 직렬로 연결한다.
도 12를 참조하면, 제1버스바(150)를 기준으로 배터리모듈의 폭방향(w+, w-) 전방에 배치되는 제1셀어레이(102)의 배터리셀(101) 각각의 양극단자(101a)와 전기적으로 연결되고, 제1버스바(150)를 기준으로 배터리모듈의 폭방향(w+, w-) 후방에 배치되는 제1셀어레이(102)의 배터리셀(101) 각각의 음극단자(101b)와 전기적으로 연결된다.
도 12를 참조하면, 배터리셀(101)은, 상단부에서 양극단자(101a)와 음극단자(101b)가 구획되어 배치된다. 배터리셀(101)은, 원형으로 형성된 상단면을 중앙에 양극단자(101a)가 배치되고, 양극단자(101a)의 둘레부분에서 음극단자(101b)가 배치된다. 복수의 배터리셀(101) 각각은 셀커넥터(101c, 101d)로 복수의 버스바 각각에 연결될 수 있다.
제1버스바(150)는, 직선바 형태를 가진다. 제1버스바(150)는, 2개의 제1셀어레이(102) 사이에 배치된다. 제1버스바(150)는, 일측에 배치되는 제1셀어레이(102)에 포함된 복수의 배터리셀(101)의 양극단자에 연결되고, 타측에 배치되는 제1셀어레이(102)에 포함된 복수의 배터리셀(101)의 음극단자에 연결된다.
제1버스바(150)는, 제1셀그룹(105)과 제3셀그룹(107)에 배치되는 복수의 제1셀어레이(102) 사이에 배치된다.
제2버스바(152)는, 제1셀어레이(102)와 제2셀어레이(103)를 직렬로 연결한다. 제2버스바(152)는, 제1셀어레이(102)와 연결되는 제1연결바(154)와, 제2셀어레이(103)와 연결되는 제2연결바(156)를 포함한다. 제2버스바(152)는, 제1연결바(154)와 수직하게 배치된다. 제2버스바(152)는, 제1연결바(154)로부터 연장되고, 제2연결바(156)와 연결되는 연장부(158)를 포함한다.
제1연결바(154)는 제2연결바(156)와 배터리셀의 서로 다른 전극단자에 연결될 수 있다. 도 12를 참조하면, 제1연결바(154)는 제1셀어레이(102)에 포함된 배터리셀(101)의 양극단자(101a)와 연결되고, 제2연결바(156)는 제2셀어레이(103)에 포함된 배터리셀(101)의 음극단자(101b)와 연결된다. 다만, 이는 하나의 실시예에 따른 것으로 서로 반대의 전극단자와 연결되는 것도 가능하다.
제1연결바(154)는 제1셀어레이(102)의 일측에 배치된다. 제1연결바(154)는, 배터리모듈의 길이방향으로 연장되는 직선바 형태를 가진다. 연장부(158)는, 제1연결바(154)가 연장되는 방향으로 연장되는 직선바 형태를 가진다.
제2연결바(156)는, 제1연결바(154)와 수직하게 배치된다. 제2연결바(156)는 배터리모듈의 폭방향(w+, w-)으로 연장되는 직선바 형태를 가진다. 제2연결바(156)는 제2셀어레이(103)에 포함되는 복수의 배터리셀(101)의 일측에 배치될 수 있다. 제2연결바(156)는 제2셀어레이(103)에 포함되는 복수의 배터리셀(101)의 사이에 배치될 수 있다. 제2연결바(156)는, 배터리모듈의 폭방향(w+, w-)으로 연장되며, 일측 또는 양측에 배치되는 배터리셀(101)과 연결된다.
제2연결바(156)는, 제2-1연결바(156a)와, 제2-1연결바(156a)에 이격되게 배치되는 제2-2연결바(156b)를 포함한다. 제2-1연결바(156a)는 복수의 배터리셀(101)의 사이에 배치되고, 제2-2연결바(156b)는 복수의 배터리셀(101)의 일측에 배치된다.
제3버스바(160)는, 서로 이격되게 배치되는 2개의 제2셀어레이(103)를 직렬로 연결한다. 제3버스바(160)는, 복수의 제2셀어레이(103) 중 하나의 셀어레이에 연결되는 제1수직바(162), 복수의 제2셀어레이(103) 중 다른 하나의 셀어레이에 연결되는 제2수직바(164), 복수의 제2셀어레이(103) 사이에 배치되고, 제1수직바(162)와 제2수직바(164)가 연결되는 수평바(166)를 포함한다. 제1수직바(162)와 제2수직바(164)는 수평바(166)를 기준으로 서로 대칭되게 배치될 수 있다.
제1수직바(162)는, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)으로 이격된 복수개가 배치될 수 있다. 도 12를 참조하면, 제1수직바(162)는, 제1-1수직바(162a)와, 제1-1수직바(162a)와 배터리모듈의 길이방향으로 이격배치되는 제1-2수직바(162b)를 포함할 수 있다.
제2수직바(164)는, 배터리모듈의 길이방향(l+, l-)으로 이격된 복수개가 배치될 수 있다. 도 12를 참조하면, 제2-1수직바(164a)와, 제2-1수직바(164a)와 배터리모듈 길이방향으로 이격되는 제2-2수직바(164b)를 포함할 수 있다.
제1수직바(162) 또는 제2수직바(164)는 제2버스바(152)의 제2연결바(156)와 평행하게 배치될 수 있다. 제2셀어레이(103)에 포함된 배터리셀(101)은 제1수직바(162)와 제2연결바(156) 사이에 배치될 수 있다. 마찬가지로, 제2셀어레이(103)에 포함된 배터리셀(101)은 제2수직바(164)와 제2연결바(156) 사이에 배치될 수 있다.
제1배터리모듈(100a)은 동일 배터리팩(10)에 포함되는 제2배터리모듈(100b)과 연결되는 제4버스바(170)와, 다른 배터리팩(10)에 포함되는 하나의 배터리모듈과 연결되는 제5버스바(180)를 포함한다.
제4버스바(170)는 동일 배터리팩(10)에 포함된 다른 하나의 배터리모듈인 제2배터리모듈(100b)과 연결된다. 즉, 제4버스바(170)는 이하에서 설명할 대전류버스바(196)를 통해 동일 배터리팩(10)에 포함된 제2배터리모듈(100b)과 연결된다.
제5버스바(180)는 다른 배터리팩(10)과 연결된다. 즉, 제5버스바(180)는 이하에서 설명할 파워선(198)을 통해 다른 배터리팩(10)에 포함된 배터리모듈과 연결될 수 있다.
제4버스바(170)는, 제1셀어레이(102)의 일측에 배치되고, 제1셀어레이(102)에 포함된 복수의 배터리셀(101)을 병렬로 연결하는 셀연결바(172)와, 셀연결바(172)에서 수직하게 절곡되어 제2프레임(130)의 단부벽을 따라 연장되는 추가연결바(174)를 포함한다.
셀연결바(172)는, 제2프레임(130)의 제2측벽(136)에 배치된다. 셀연결바(172)는, 제2측벽(136)의 외둘레 일부를 감싸도록 배치될 수 있다. 추가연결바(174)는, 제2프레임(130)의 제2단부벽(138)의 외측으로 배치된다.
추가연결바(174)는, 대전류버스바(196)가 연결되는 연결걸이(176)를 포함한다. 연결걸이(176)는, 상측으로 개구된 홈(178)이 형성된다. 대전류버스바(196)는 홈(178)을 통해 연결걸이(176)에 안착될 수 있다. 대전류버스바(196)는 연결걸이(176)에 안착된 상태에서 별도의 체결나사를 통해 연결걸이(176)에 고정되게 배치될 수 있다.
제5버스바(180)는 제4버스바와 동일한 구성 및 형태를 가질 수 있다. 즉, 제5버스바(180)는, 셀연결바(182)와 추가연결바(184)를 포함한다. 제5버스바(180)의 추가연결바(184)는, 파워선(198)의 단자(198a)가 연결되는 연결걸이(186)를 포함한다. 연결걸이(186)는 파워선(198)의 단자(198a)가 삽입되는 홈(188)이 형성된다.
센싱기판(190)은 제1배터리모듈(100a) 내부에 배치되는 복수의 버스바와 전기적으로 연결된다. 센싱기판(190)은 복수의 제1버스바(150), 복수의 제2버스바(152), 제3버스바(160), 및 복수의 제4버스바(170) 각각과 전기적으로 연결될 수 있다. 센싱기판(190)은 복수의 버스바 각각과 연결되어, 복수의 셀어레이에 포함된 복수의 배터리셀(101)의 전압, 전류값 등의 정보를 파악할 수 있다.
센싱기판(190)은, 사각형의 링형상을 가질 수 있다. 센싱기판(190)은 제1셀그룹(105)과 제3셀그룹(107) 사이에 배치될 수 있다. 센싱기판(190)은 제2셀그룹(106)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 센싱기판(190)은 제2버스바(152)와 일부 중첩되도록 배치될 수 있다.
도 14는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리모듈들 및 배터리팩회로기판의 분해사시도이고, 도 15a는 도 14가 결합된 상태의 일측면도이며, 도 15b는 도 14가 결합된 상태의 타측면도이다.
도 14 내지 도 15b를 참조하면, 배터리팩(10)은, 배터리모듈(100a, 100b)의 상부에 배치되고, 배터리모듈(100a, 100b)을 고정시키는 상부고정브라켓(200), 배터리모듈(100)의 하부에 배치되고, 배터리모듈(100a, 100b)을 고정시키는 하부고정브라켓(210), 상부고정브라켓(200)의 상측에 배치되고 배터리모듈(100a, 100b)의 센싱정보를 수집하는 배터리팩 회로기판(220), 배터리팩 회로기판(220)을 상부고정브라켓(200)으로부터 이격시키는 스페이서(222)를 포함한다.
상부고정브라켓(200)은, 배터리모듈(100a, 100b)의 상측에 배치된다. 상부고정브라켓(200)은, 배터리모듈(100a, 100b)의 상측의 적어도 일부를 커버하는 어퍼보드(202), 어퍼보드(202)의 전방단부에서 하측방향으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 전방부와 접촉하게 배치되는 제1어퍼홀더(204a), 어퍼보드(202)의 후방단부에서 하측방향으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 후방부와 접촉하게 배치되는 제2어퍼홀더(204b), 어퍼보드(202)의 일측단부에서 하측으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 일측과 결합되는 제1어퍼마운터(206a), 어퍼보드(202)의 타측단부에서 하측으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 타측과 결합되는 제2어퍼마운터(206b), 어퍼보드(202)의 후방단부에서 상측으로 절곡되는 후방밴더(208)를 포함한다.
어퍼보드(202)는 배터리모듈(100a, 100b)의 상측에 배치된다. 제1어퍼마운터(206a)와 제2어퍼마운터(206b) 각각은 배터리모듈(100a, 100b)의 전방과 후방을 감싸도록 배치된다. 따라서, 제1어퍼마운터(206a)와 제2어퍼마운터(206b)은, 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)이 결합된 상태를 유지시킬 수 있다.
어퍼보드(202)의 일측단부에는 전후방향으로 이격된 한 쌍의 제1어퍼마운터(206a)가 배치된다. 어퍼보드(202)의 타측단부에는 전후방향으로 이격된 한 쌍의 제2어퍼마운터(206b)가 배치된다.
한 쌍의 제1어퍼마운터(206a)는 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)에 형성되는 제1체결홀(123)에 결합된다. 한 쌍의 제1어퍼마운터(206a) 각각에는 제1체결홀(123)에 대응하는 위치에서 제1어퍼마운터홀(206ah)이 형성된다. 마찬가지로, 한 쌍의 제2어퍼마운터(206b)는 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)에 형성되는 제1체결홀(123)에 결합되고, 제1체결홀(123)에 대응하는 위치에서 제2어퍼마운터홀(206bh)이 형성된다.
제1어퍼홀더(204a), 제2어퍼홀더(204b), 제1어퍼마운터(206a), 및 제2어퍼마운터(206b)에 의해 상부고정브라켓(200)이 배터리모듈(100a, 100b)의 상측에서 위치가 고정될 수 있다. 즉, 상기의 구조에 의해, 상부고정브라켓(200)이 배터리모듈(100a, 100b)의 구조를 유지시킬 수 있다.
상부고정브라켓(200)은 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b) 각각의 제1프레임(110)에 고정된다. 상부고정브라켓(200)의 제1어퍼마운터(206a)와 제2어퍼마운터(206b) 각각은, 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b) 각각의 제1프레임(110)에 형성된 제1체결홀(123)에 고정된다.
후방밴더(208)는, 이하에서 설명될 탑커버(230)를 고정할 수 있다. 후방밴더(208)는 탑커버(230)의 후방벽(234)에 고정될 수 있다. 후방밴더(208)는 탑커버(230)의 후방이동을 제한할 수 있다. 따라서, 탑커버(230)와 상부고정브라켓(200)의 체결을 용이하게 할 수 있다.
하부고정브라켓(210)은, 배터리모듈(100a, 100b)의 하측에 배치된다. 하부고정브라켓(210)은, 배터리모듈(100a, 100b)의 하부의 적어도 일부를 커버하는 로어보드(212), 로어보드(212)의 전방단부에서 상측방향으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 전방부와 접촉하게 배치되는 제1로어홀더(214a), 로어보드(212)의 후방단부에서 상측방향으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 후방부와 접촉하게 배치되는 제2로어홀더(214b), 로어보드(212)의 일측단부에서 상측으로 절곡되고 배터리모듈(100a, 100b)의 일측과 결합되는 제1로어마운터(216a), 로어보드(212)의 타측단부에서 상측으로 절곡되고 배터리모듈(100)의 타측과 결합되는 제2로어마운터(216b)를 포함한다.
제1로어마운터(216a)와 제2로어마운터(216b) 각각은 배터리모듈(100a, 100b)의 전방과 후방을 감싸도록 배치된다. 따라서, 제1로어마운터(216a)와 제2로어마운터(216b)은, 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)이 결합된 상태를 유지시킬 수 있다.
로어보드(212)의 일측단부에는 전후방향으로 이격된 한 쌍의 제1로어마운터(216a)가 배치된다. 로어보드(212)의 타측단부에는 전후방향으로 이격된 한 쌍의 제2로어마운터(216b)가 배치된다.
한 쌍의 제1로어마운터(216a)는 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)에 형성되는 제1체결홀(123)에 결합된다. 한 쌍의 제1로어마운터(216a) 각각에는 제1체결홀(123)에 대응하는 위치에서 제1로어마운터홀(216ah)이 형성된다. 마찬가지로, 한 쌍의 제2로어마운터(216b)는 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b)에 형성되는 제1체결홀(123)에 결합되고, 제1체결홀(123)에 대응하는 위치에서 제2로어마운터홀(216bh)이 형성된다.
하부고정브라켓(210)은 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b) 각각의 제1프레임(110)에 고정된다. 하부고정브라켓(210)의 제1로어마운터(216a)와 제2로어마운터(216b) 각각은, 제1배터리모듈(100a)과 제2배터리모듈(100b) 각각의 제1프레임(110)에 형성된 제1체결홀(123)에 고정된다.
배터리팩 회로기판(220)은, 상부고정브라켓(200)의 상측에 고정되게 배치될 수 있다. 배터리팩 회로기판(220)은 센싱기판(190), 버스바, 또는 이하에서 설명할 써미스터(224)와 연결되어 배터리팩(10) 내부에 배치되는 복수의 배터리셀(101)의 정보를 수신할 수 있다. 배터리팩 회로기판(220)은 복수의 배터리셀(101)의 정보를 이하에서 설명할 메인회로기판(34a)으로 전달할 수 있다.
배터리팩 회로기판(220)은 상부고정브라켓(200)으로부터 상측으로 이격배치될 수 있다. 배터리팩 회로기판(220)과 상부고정브라켓(200) 사이에는, 배터리팩 회로기판(220)을 상부고정브라켓(200)으로부터 상측으로 이격시키는 복수의 스페이서(222)가 배치된다. 복수의 스페이서(222)는 배터리팩 회로기판(220)의 엣지부분에 배치될 수 있다.
도 16은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩 및 배터리관리기의 연결에 관한 설명에 참조되는 도면이다.
도 16을 참조하면, 수신되는 전기 에너지를 직류형태로 저장하거나, 저장되어 있는 전기 에너지를 출력하는 배터리(35)는 복수의 배터리팩(10)을 포함할 수 있다. 각 배터리팩(10)은, 직병렬로 연결된 복수의 배터리셀(101)을 포함한다.
상기 배터리팩(10)은 상기 복수의 배터리셀(101)이 직렬과 병렬로 연결되는 배터리모듈들(100a, 100b)을 포함하고, 상기 배터리모듈들(100a, 100b)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
배터리셀(101)을 직렬로 연결하여 전압을 증가시키고 병렬로 연결하여 용량을 증가시킬 수 있다. 전압과 용량을 모두 증가시키기 위해, 배터리셀(101)을 직병렬로 연결할 수 있다.
한편, 상기 배터리(35)의 상태 정보를 모니터링하는 배터리관리기(34)는, 상기 복수의 배터리팩(10) 각각에 배치되고, 각 배터리팩(10)에 포함되는 복수의 배터리셀(101)의 상태 정보를 획득하는 배터리팩 회로기판들(220)과 상기 배터리팩 회로기판들(220)과 통신선(36)으로 연결되고, 상기 배터리팩 회로기판들(220)로부터 각 배터리팩(10)에서 획득된 상태 정보를 수신하는 메인회로기판(34a)을 포함한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는, 수신되는 전기 에너지를 직류형태로 저장하거나, 저장되어 있는 전기 에너지를 출력하는 배터리(35), 상기 배터리(35)의 충전 또는 방전을 위해 전기적 특성을 변환시키는 전력변환기(32), 및, 상기 배터리(35)의 상태 정보를 모니터링하는 배터리관리기(34)를 포함하고, 상기 배터리(35)는, 각각 복수의 배터리셀(101)을 포함하는 복수의 배터리팩(10)을 포함하며, 상기 배터리관리기(34)는, 상기 복수의 배터리팩(10) 각각에 배치되고, 각 배터리팩(10)에 포함되는 복수의 배터리셀(101)의 상태 정보를 획득하는 배터리팩 회로기판들(220), 및, 상기 배터리팩 회로기판들(220)과 통신선으로 연결되고, 상기 배터리팩 회로기판들(220)로부터 각 배터리팩(10)에서 획득된 상태 정보를 수신하는 메인회로기판(34a)을 포함한다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 배터리(35) 관리를 위한 구성(특히 안전 제어를 위한 구성)을 포함하는 제어 회로(34a)와 배터리셀 센싱 회로(220)를 분리하여 설계함으로써, 배터리관리기(34)의 주요 기능을 수행하고, 복수의 배터리팩(10)을 관리하는 제어 회로(34a)를 보호할 수 있다.
배터리관리기(34)는 안전 제어를 위한 회로 중 마이컴 유닛(1780)을 포함한 주요 부품으로 구성한 회로는 별도로 구성할 수 있다. 예를 들어, 4개의 배터리팩(10)이 연결되어 구성되는 경우에, 배터리관리기(34)는 마이컴 유닛(1780)을 포함하는 1개의 제어회로부 블록(34a)과 4개의 배터리부 블록(220)으로 설계될 수 있다.
배터리팩(10) 내부 문제로 인한 단락시 배터리셀(101)과 직접 연결되는 배터리부 블록(220)은 데미지를 입을 수 있다. 그러나 안전 제어 회로(34a)는 독립 설계되어 데미지없이 보호될 수 있다.
또한, 제어 회로(34a)와 배터리셀 센싱 회로(220)를 분리하여 구성함으로써, 각 회로기판(34a, 220)을 더 작게 만들 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 배터리팩 회로기판들(220)에서 상기 메인회로기판(34a)으로 전달되는 상태 정보는 전류, 전압, 온도 데이터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 상태 정보 중 일부는 상기 메인회로기판(34a)에 실장된 센서에서 측정될 수도 있다.
상기 배터리팩 회로기판들(220)은, 배터리셀(101)의 전압, 전류, 온도에 대한 센싱 및 인터페이스 보드로, 상기 배터리팩 회로기판들(220)에는, 복수의 배터리셀(101)의 전압, 전류, 온도 데이터를 획득하는 부품과 상기 메인회로기판(34a)으로 획득된 데이터를 전달하기 위한 인터페이스 부품이 실장될 수 있다. 복수의 배터리셀(101)의 전압, 전류, 온도 데이터는, 상기 배터리팩 회로기판들(220)에 실장된 센서에서 직접 획득되거나, 상기 배터리셀(101) 측에 배치되는 센서로부터 상기 배터리팩 회로기판들(220)에 전달될 수 있다.
상기 복수의 배터리팩(10)은 파워선(198)으로 직렬연결된다. 상기 파워선(198)은 상기 메인회로기판(34a)에 연결된다. 즉, 상기 복수의 배터리팩(10)과 상기 메인회로기판(34a)은 파워선(198)으로 연결되고, 상기 메인회로기판(34a)에는 상기 복수의 배터리팩(10)의 전압들이 합쳐져서 인가된다. 예를 들어, 4kWh인 배터리팩이 복수개 직렬로 연결되어 케이싱(12) 내부에 배치될 수 있다. 4kWh인 배터리팩(10)을 2개 연결하여 8kWh, 3개 연결하여 12kWh, 4개 연결하여 16kWh의 조합을 구현할 수 있다.
상기 배터리모듈들(100a, 100b)이 2개 결합하여 배터리모듈 어셈블리(100)를 형성하고, 상기 배터리팩 회로기판(220)은 상기 배터리모듈 어셈블리(100)의 상측에 배치될 수 있다.
한편, 상기 메인회로기판(34a)의 상측에는 상기 배터리(35)의 충전 또는 방전을 위해 전기적 특성을 변환시키는 전력변환기(32)가 배치될 수 있다.
도 17은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리팩의 단면도이고, 도 18은 배터리팩 내부의 배터리셀의 배치를 설명하기 위한 단면도이며, 도 19는 본 개시의 일 실시 예에 따른 써미스터의 사시도이다.
이하에서는, 도 17 내지 도 19를 참조하여, 배터리팩의 방열을 위한 구조를 설명한다.
도 17을 참조하면, 복수의 배터리셀(101)은, 서로 수직한 4방향으로 이격배치된다. 도 17을 참조하면, 복수의 배터리셀(101)은 상, 하, 좌, 우 방향으로 이격배치된다.
복수의 배터리셀(101)은 제2프레임(130)의 제2고정돌기(134)와, 제1프레임(110)의 제1고정돌기(114)에 의해 배치가 고정된다.
도 17을 참조하면, 배터리셀(101)이 인접하게 배치된 다른 배터리셀(101)과의 이격간격(D1)은 배터리셀(101)의 지름(101D)의 0.1배 내지 0.2배로 형성될 수 있다. 냉각팬(280)의 작동으로 복수의 배터리셀(101)의 이격공간 사이로 공기유동이 형성될 수 있다.
도 18을 참조하면, 제2프레임(130)의 제2고정돌기(134)와 제1프레임(110)의 제1고정돌기(114) 사이의 이격간격(D2)은 배터리셀(101)의 높이(101H)의 0.5배 내지 0.9배로 형성될 수 있다. 따라서, 배터리셀(101)의 외둘레가 유동하는 공기와 접촉되는 면적을 최대화할 수 있다.
냉각팬(280)은 배터리모듈(100a, 100b) 내부의 공기를 외부로 배출하도록 작동한다. 따라서, 냉각팬(280)이 작동하면, 냉각팬(280)이 배치되지 않는 사이드커버(240)의 냉각홀(242a)을 통해 외부공기가 배터리모듈(100a, 100b)로 공급된다. 또한, 냉각팬(280)이 작동하면, 냉각팬(280)이 배치된 사이드커버(240)의 냉각홀(242a)을 통해 배터리모듈(100a, 100b) 내부의 공기가 외부로 배출될 수 있다.
도 17을 참조하면, 한 쌍의 사이드커버(240a, 240b) 각각의 커버플레이트(242)는, 배터리모듈(100a, 100b)의 일측단부로부터 이격되게 배치된다. 냉각홀(242a)의 크기는, 배터리모듈(100a, 100b)의 일측면의 크기보다 작게 형성된다. 따라서, 냉각홀(242a)을 통해 유입된 공기가 복수의 배터리셀(101) 각각으로 유동하도록, 냉각홀(242a)이 형성된 커버플레이트(242)가 배터리모듈(100a, 100b)의 일측단부로부터 이격되게 배치된다.
복수의 배터리셀(101) 각각의 하부에는, 방열플레이트(124)가 배치된다. 방열플레이트(124)는 알루미늄재질로 형성되어, 배터리셀(101)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있다. 복수의 배터리셀(101) 각각은 방열플레이트(124)와 전도성 접착액을 통해 접착될 수 있다.
전도성 접착액은, 알루미나가 포함된 본딩용액으로, 배터리셀(101) 하부에 배치되는 방열플레이트(124)를 고정하고, 배터리셀(101)에서 발생하는 열을 방열플레이트(124)로 전달할 수 있다.
복수의 배터리셀(101) 중 일부에는, 배터리셀(101)의 온도를 측정하는 써미스터(224)와, 써미스터(224)의 배치를 배터리셀(101)의 외둘레에 고정하는 장착고리(226)가 배치된다. 써미스터(224)는 복수의 배터리셀(101) 중에서 주로 온도가 상승하는 부분에 배치되는 배터리셀(101)에 배치될 수 있다.
장착고리(226)는 일측이 개구된 링형상을 가지고, 개구되지 않은 일측으로 써미스터(224)가 장착되는 장착홈(226a)을 형성한다. 장착고리(226)는, 배터리셀(101)의 외둘레에 장착되어, 써미스터(224)를 배터리셀(101)의 외주면과 접촉시킨다.
써미스터(224)는 신호선(199)을 통해 배터리팩 회로기판(220)과 연결된다. 써미스터(224)는 배터리팩 회로기판(220)으로 배터리셀(101)에서 감지된 온도정보를 송신할 수 있다. 배터리팩(10)은 써미스터(224)로부터 파악되는 온도정보를 바탕으로 냉각팬(280)의 회전속도를 조절할 수 있다.
방열플레이트(124)는 케이싱(12)의 일측면에 접촉하도록 배치될 수 있다. 케이싱(12)은 적어도 하나의 배터리팩(10)을 수용하는 구성이다. 따라서, 방열플레이트(124)는 배터리셀(101)로부터 전달받은 열을 케이싱(12)으로 전달할 수 있다.
배터리(35)의 온도가 고온으로 상승하여 지속적으로 사용되면 배터리 수명이 감소한다. 또한, 배터리(35)의 온도가 저온에서 사용될 경우 내부저항이 높아져 효율성이 떨어지고 고출력이 어렵다.
따라서, 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 상기 써미스터(224)에서 센싱되는 배터리셀(101)의 온도에 기초하여, 배터리의 충방전을 제어할 수 있다.
도 20은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 블록도로, 배터리관리기(34)의 내부 블록을 도시한 것이다.
상술한 것과 같이, 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치(1)는, 배터리(35)와 상기 배터리(35)를 제어하는 배터리관리기(34)를 포함한다.
도 20을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 배터리관리기(34)는, 상기 배터리(35)의 전압, 전류, 온도를 측정하는 센서를 포함하는 센싱부(2040), 배터리관리기(34)의 동작에 필요한 데이터가 저장되는 메모리(2030), 배터리관리기(34)의 전반적인 동작을 제어하는 마이컴 유닛(2020)을 포함한다.
또한, 배터리관리기(34)는, 인터페이스(2010)를 더 포함하고, 상기 인터페이스(2010)를 통하여 전력변환기(32)와 통신할 수 있다. 예를 들어, 상기 인터페이스(2010)는 CAN 통신 방식으로 전력변환기(32)와 통신할 수 있다.
상기 배터리(35)의 온도를 측정하는 센서는, 복수의 배터리셀(101) 중 적어도 하나의 외둘레에 배치되는 써미스터(224)일 수 있다. 또한, 상기 배터리(35)의 온도는 상기 써미스터(224)에서 센싱되는 온도 데이터 중 적어도 하나에 기초할 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리(35)의 온도는 상기 써미스터(224)에서 센싱되는 온도 데이터들의 평균값이거나 최대값일 수 있다.
한편, 도 16 등을 참조하여 설명한 것과 같이, 상기 배터리관리기(34)는, 상기 복수의 배터리팩(10) 각각에 배치되고, 각 배터리팩(10)에 포함되는 복수의 배터리셀(101)의 상태 정보를 획득하는 배터리팩 회로기판들(220), 및, 상기 배터리팩 회로기판들(220)과 통신선으로 연결되고, 상기 배터리팩 회로기판들(220)로부터 각 배터리팩(10)에서 획득된 상태 정보를 수신하는 메인회로기판(34a)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 마이컴 유닛(2120)과 상기 메모리(2130)는 상기 메인회로기판(34a)에 실장될 수 있다. 상기 복수의 배터리팩(10)은 파워선(198)으로 직렬연결되고, 상기 파워선(198)은 상기 메인회로기판(34a)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 배터리팩(10) 내부 문제로 인한 단락시, 배터리셀(101)과 직접 연결되는 배터리팩 회로기판들(220)이 데미지를 입더라도, 독립 설계된 메인회로기판(34a)의 상기 마이컴 유닛(2120)과 상기 메모리(2130)는 데미지없이 보호될 수 있다.
한편, 각 복수의 배터리팩(10)에 포함되는 써미스터(224)와 배터리팩 회로기판(220)은 유선으로 연결될 수 있다.
상기 메모리(2030)에는 개방회로전압(Open Circuit Voltage, OCV) 테이블과 내부저항(Internal Resistance, IR) 테이블이 저장될 수 있다.
도 21과 도 22는 배터리 내부저항에 관한 설명에 참조되는 도면이다. 도 21은 배터리 방전시 내부저항에 의한 전압 강하를 나타내는 도면으로, 방전시 전류 방향과 이에 따른 내부저항(Ro)의 극성을 예시한다. 도 22는 배터리 방전에 따른 개방회로전압 변화를 도시한 도면이다.
도 21과 도 22를 참조하면, 방전시 전류가 흐르면서 내부저항(R0)에 의한 전압강하가 발생하고, 그에 따라 개방회로전압(OCV)과 배터리 전압(Vb) 사이에는 내부저항(R0)에 의한 전압강하만큼의 차이가 발생한다. 배터리 충전시에도 전류 방향과 극성에 차이가 있으나 내부저항(Ro)에 의한 전압강하는 발생할 것이다. 따라서, 개방회로전압(OCV)만으로 SOC를 추정하는데에도 오차가 발생한다.
본 개시의 실시 예에 따르면, OCV만 이용하는 것이 아니라, 배터리 내부저항을 판별하고 SOC 추정에 사용한다.
상기 개방회로전압 테이블은 대응하는 배터리 SOC와 개방회로전압 데이터로 구성될 수 있다. 즉, 상기 개방회로전압 테이블은 배터리 SOC별 개방회로전압 데이터 또는 개방회로전압별 배터리 SOC를 포함할 수 있다. 이에 따라, 배터리 SOC 또는 개방회로전압 데이터를 다른 나머지 데이터로 매핑할 수 있다. 경우에 따라서, 상기 개방회로전압 테이블은 표나 그래프 형태의 데이터를 포함할 수도 있다.
도 23은 SOC와 개방회로전압에 관한 설명에 참조되는 도면으로, 실험으로 측정된 배터리 SOC별 개방회로전압(OCV)의 일례가 도시된다. 도 23을 참조하면, 배터리 SOC을 알면, 대응하는 개방회로전압을 매핑할 수 있고, 개방회로전압을 알면, 대응하는 배터리 SOC를 매핑할 수 있다. 마이컴 유닛(2020)은, 개방회로전압 테이블을 이용하여 측정되는 배터리 전압(개방회로전압 또는 배터리 리얼 전압)에 대응하는 SOC를 추정할 수 있다.
상기 내부저항 테이블은 배터리 온도, 배터리 SOC, C-rate 값에 대응하는 내부저항값을 포함한다. 즉, 상기 내부저항 테이블은 배터리 온도, 배터리 SOC, C-rate 조건에 대응하는 내부저항 데이터들을 포함한다. 따라서, 상기 내부저항 테이블은 배터리 온도, 배터리 SOC, C-rate 값을 이용하여 대응하는 내부저항값을 매핑할 수 있는 데이터 구조를 포함할 수 있다. 경우에 따라서, 상기 내부저항 테이블은 표나 그래프 형태의 데이터를 포함할 수도 있다.
본 개시에서 배터리 State of Charge(SOC) 추정의 핵심 인자는 배터리 내부저항으로 배터리 내부저항을 정확하게 산출하는 것이 중요하다.
도 24는, 배터리 온도에 따른 내부저항 변화를 예시하는 도면으로, 다른 온도 조건에서 배터리 전압에 따른 내부저항 변화를 도시한 것이다. 도 24를 참조하면, 배터리 온도 조건에 따라 동일한 배터리 전압에서의 내부저항이 다르다. 따라서, 배터리 온도가 내부저항에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 정확한 내부저항을 위해서는 다른 데이터가 더 필요하다.
도 25는 배터리 온도, SOC, C-rate 별 배터리 내부저항을 예시하는 그래프이고, 도 26a와 도 26b는 배터리 온도, SOC, C-rate 별 배터리 내부저항을 예시하는 테이블이다.
도 25, 도 26a와 도 26b를 참조하면, Cell 온도, SOC, C-Rate의 함수로 나타난다. 따라서, 배터리 온도별, SOC별, C-Rate별 배터리 내부저항을 측정하여, 테이블(Table)화할 수 있다. 내부저항 테이블은 메모리(2030)에 저장될 수 있다. 이후, 실제 배터리 충/방전시, 내부저항 테이블을 이용하여, 현재 배터리 내부저항을 판별하고, 충/방전 전류에 따른 배터리 내부저항에 의한 전압강하(Voltage Drop)를 보상하여 정확한 SOC를 추정한다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 상기 전력관리기(31a) 및/또는 상기 배터리관리기(34)는 배터리 SOC(State of Charge) 추정 정확성 향상을 위해서 배터리 온도, 배터리 현재 SOC값, 배터리 C-Rate를 활용하여 배터리 내부저항을 계산한다.
상기 전력관리기(31a) 및/또는 상기 배터리관리기(34)는, 배터리 충/방전 시, 배터리 내부저항(IR)에 의한 전압강하(Voltage Drop)를 보상하여 배터리 전압을 계산한 결과값(배터리 리얼 전압)과 OCV 테이블을 이용하여 배터리 SOC를 계산한다. 이하에서는 상기 배터리관리기(34), 특히 상기 마이컴 유닛(2120)이 SOC를 산출하는 경우를 예시한다.
상기 마이컴 유닛(2020)은, 상기 배터리(35)를 충/방전하는 경우에, 상기 배터리의 온도, SOC 등에 기초하여 C-rate를 제어할 수 있다.
C-rate는 충전율 또는 방전율 또는 충방전율 등으로 불리며, 충전/방전 시 전류값 설정을 위한 단위로서, C-rate(A) = 충방전 전류(A)/배터리의 정격용량의 수식에 따라 산출될 수 있다.
상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 배터리(35)의 충전량(SOC)을 산출하고, 상기 산출된 충전량, 상기 배터리(35)의 온도에 기초하여 상기 배터리의 충전과 방전을 제어할 수 있다.
상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 센싱부(2040)에서 감지되는 데이터를 이용하여, 상기 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별한다.
마이컴 유닛(2120)은, 상기 센싱부(2040)에서 감지되는 데이터를 이용하여, 현재(가장 최신의 데이터)의 배터리 온도, 배터리 SOC, C-rate를 판별하고, 상기 내부저항 테이블에서 현재의 배터리 온도, 배터리 SOC, C-rate에 대응하는 배터리 내부저항을 판별한다.
또한, 상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 배터리 내부저항에 의한 전압강하(voltage drop)를 반영한 배터리 리얼(real) 전압을 산출하며, 상기 배터리 리얼 전압을 이용하여 SOC(State Of Charge)를 판별한다.
배터리 리얼 전압은, 배터리의 전압에 배터리 내부저항(IR)에 의한 전압강하(Voltage Drop)를 보상하여 계산한 결과값으로, 전압강하분은 배터리 내부저항과 충방전 전류의 곱이다. 상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 센싱부(2030)에서 센싱되는 배터리 측정 전압에 상기 전압강하분을 반영하여, 배터리 리얼 전압을 산출한다.
상기 마이컴 유닛(2120)은, 센싱부(2040)를 제어하여 배터리(35)의 개방회로전압을 측정하고, 상기 메모리(2030)에 저장되어 있는 개방회로전압 테이블을 이용하여 측정된 개방회로전압에 대응되는 초기 SOC를 결정할 수 있다.
상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 센싱부(2040)에서 감지되는 배터리 전압을 이용하여 상기 개방회로전압 테이블에서 초기 SOC를 판별할 수 있다.
또한, 상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 센싱부(2040)에서 감지되는 배터리 전류를 이용하여 C-rate를 판별하고, 상기 센싱부(2040)에서 감지되는 배터리 온도, 상기 초기 SOC, 상기 C-rate를 이용하여, 상기 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별할 수 있다.
상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 배터리 내부저항에 의한 전압강하(voltage drop)를 반영한 배터리 리얼(real) 전압을 산출하며, 상기 배터리 리얼 전압을 이용하여 SOC를 판별한다. 즉, 상기 마이컴 유닛(2120)은, 초기 SOC를 이용하여 내부저항을 판별하고, 판별된 내부저항을 이용하여 다시 SOC를 산출함으로써, 내부저항에 의한 전압강하를 반영하여 SOC를 보정하면서 정확성을 향상할 수 있다.
또한, 이후에는 보정된 SOC를 이용하여, 여 내부저항을 판별하고, 판별된 내부저항을 이용하여 다시 SOC를 산출함으로써, 정확성을 더 향상할 수 있다.
상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 센싱부(2040)에서 감지되는 배터리 전류를 이용하여 C-rate를 판별하고, 상기 센싱부(2040)에서 감지되는 배터리 온도, 상기 SOC, 상기 C-rate를 이용하여, 상기 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별할 수 있다. 즉, 상기 마이컴 유닛(2120)은, 현재(가장 최신의 데이터)의 배터리 온도, 상기 SOC, 상기 C-rate를 이용하여 가장 정확한 내부저항을 판별하고, SOC의 보정에 사용할 수 있다. 이에 따라, SOC 추정의 정확성을 계속 상승할 수 있다.
한편, 상기 마이컴 유닛(2120)은, 충방전 상태에 따라 다른 수식으로 상기 배터리 리얼 전압을 산출할 수 있다.
예를 들어, 상기 배터리가 충전중인 경우에, 상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 센싱부(2040)에서 측정된 충전 전류와 상기 내부저항을 곱하여 전압강하값을 산출하고, 상기 센싱부(2040)에서 측정된 배터리 전압에서 전압강하값을 빼 상기 배터리 리얼 전압을 산출할 수 있다.
상기 배터리가 방전중인 경우에, 상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 센싱부(2040)에서 측정된 방전 전류와 상기 내부저항을 곱하여 전압강하값을 산출하고, 상기 센싱부(2040)에서 측정된 배터리 전압에서 전압강하값을 더해 상기 배터리 리얼 전압을 산출할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 정확하게 SOC를 산출하여, 배터리 충/방전 전력량을 최적화하고, SOC 오차로 인한, 배터리 과충전 및 과방전 문제를 개선할 수 있다.
SOC 산출 오차로 폴트 기준이 만족되고, 폴트 발생 및 폴트에 대응하는 조치로 운전 정지될 수 있다. 예를 들어, 과충전시 폴트(Over Voltage Fault)와, 과방전시 폴트(Under Voltage Fault)가 생성되고, 운전이 정지되거나 소정 조치가 요구될 수 있다. 하지만, 본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, SOC 산출 정확성 향상으로 오감지로 인한 폴트(fault) 발생 빈도를 저감할 수 있어, 효율적인 운전이 가능하다.
한편, 상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 배터리(35)가 충전 또는 방전 중인 경우에 상기 내부저항을 산출할 수 있다. 상기 배터리(35)에 전류가 흘러 충전 또는 방전 중일 때, 상기 내부저항에 의한 전압강하가 나타난다.
따라서, 상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 배터리(35)가 충전 또는 방전 중인 경우에 상기 내부저항을 산출하고, 상기 내부저항에 의한 전압강하를 반영한 배터리 전압으로 최종 SOC를 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 상기 마이컴 유닛(2120)은, 일정 시간 이상 무부하 상태가 지속되면, 상기 센싱부(2040)에서 감지되는 배터리 전압을 이용하여 상기 개방회로전압 테이블에서 SOC를 판별하고, 상기 SOC를 업데이트(update)할 수 있다.
만약, 상기 배터리가 충전 또는 방전을 시작하면, 상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 무부하 상태의 카운팅(counting)을 리셋(reset)할 수 있다.
도 27은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 동작 방법에 관한 순서도이다.
도 27을 참조하면, 마이컴 유닛(2020)은, 센싱부(2040)에서 측정된 배터리 전류를 이용하여 C-rate를 판별할 수 있다(S2725).
상기 마이컴 유닛(2020)은, 센싱부(2040)에 측정된 배터리 온도들 중 적어도 하나에 기초하여 제어에 사용할 배터리 온도를 결정할 수 있다(S2730).
상기 마이컴 유닛(2020)은, 상기 판별된 C-rate, 상기 결정된 배터리 온도 및 저장된 SOC를 이용하여, 메모리2030)에 저장된 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별할 수 있다(S2735).
이후, 상기 마이컴 유닛(2020)은, 상기 배터리 내부저항에 의한 전압강하(voltage drop)를 반영한 배터리 리얼(real) 전압을 산출하고(S2745, S2750), 상기 배터리 리얼 전압을 이용하여 SOC(State Of Charge)를 업데이트(update)할 수 있다(S2760). 내부저항을 이용하여 SOC를 업데이트함으로써, 최종 SOC를 정확하게 산출할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 초기 전원 인가 시, 상기 마이컴 유닛(2020)은, 배터리 Open Circuit Voltage(OCV) Table을 이용하여, 현재의 배터리 SOC를 추정할 수 있다(S2710).
저장된 SOC값이 없는 초기에, 센싱부(2040)는 배터리(35)의 전압을 측정하고(S2705), 상기 마이컴 유닛(2020)은, 상기 측정된 배터리 전압을 이용하여 저장된 개방회로전압 테이블에서 초기 SOC(State Of Charge)를 판별할 수 있다(S2710).
이경우에, 상기 마이컴 유닛(2020)은, 상기 판별된 C-rate, 상기 결정된 배터리 온도 및 초기 SOC를 이용하여, 메모리2030)에 저장된 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별할 수 있다(S2735).
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 충전 또는 방전 중일 때, 상기 내부저항에 의한 전압강하가 나타나기 때문에, 상기 마이컴 유닛(2020)은, 상기 배터리(35)의 충방전 상태를 확인하고(S2715), 상기 배터리(35)가 충전 또는 방전 중인 경우에(S2720), 상기 배터리 전류를 측정할 수 있다(S2725).
한편, 상기 마이컴 유닛(2020)은, 상기 배터리(35)의 충방전 상태에 따라(S2740), 다른 수식으로 상기 배터리 리얼 전압을 산출할 수 있다(S2745, S2750).
상기 배터리가 충전중인 경우에(S2740), 상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 센싱부(2040)에서 측정된 충전 전류와 상기 내부저항을 곱하여 전압강하값을 산출하고, 상기 센싱부(2040)에서 측정된 배터리 전압에서 전압강하값을 빼 상기 배터리 리얼 전압을 산출할 수 있다(S2745).
상기 배터리가 방전중인 경우에(S2740), 상기 마이컴 유닛(2120)은, 상기 센싱부(2040)에서 측정된 방전 전류와 상기 내부저항을 곱하여 전압강하값을 산출하고, 상기 센싱부(2040)에서 측정된 배터리 전압에서 전압강하값을 더해 상기 배터리 리얼 전압을 산출할 수 있다(S2750).
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 상기 마이컴 유닛(2120)은, 배터리 상태가 충전인지 방전인지 확인하여(S2740), 배터리 내부저항에 의한 전압강하를 보상하고 배터리 리얼 전압을 계산(S2745, S2750)한 후, OCV Table을 이용하여 최종 SOC를 업데이트할 수 있다(S2760).
도 28은 본 개시의 일 실시 예에 따른 에너지 저장장치의 동작 방법에 관한 순서도이다.
도 28을 참조하면, 마이컴 유닛(2020)는, 무부하 상태 지속 시간을 모니터링 할 수 있다(S2810). 무부하 상태는 배터리의 충전/방전이 멈춤(STOP) 상태로, 배터리가 충전 또는 방전을 시작하면 무부하 상태 지속 시간은 리셋될 수 있다.
일정 시간 이상 무부하 상태가 지속되면(S2820), 마이컴 유닛(2020)는, 센싱부(S2820)에서 감지되는 배터리 전압을 이용하여 상기 개방회로전압 테이블에서 SOC를 판별하고, 상기 SOC를 업데이트(update)할 수 있다(S2830).
본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 배터리 SOC(State Of Charge)를 정확하게 산출하고 배터리의 안전성 및 시스템 신뢰성을 향상할 수 있다.
본 개시의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, SOC 오차로 인한 배터리 과충전 및 과방전을 방지하고, 오감지로 인한 폴트(fault) 발생 빈도를 저감할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
1: 에너지 저장장치
10 : 배터리팩
12 : 케이싱
32 : 전력변환기
34 : 배터리관리기
100 : 배터리모듈 어셈블리
100a,100b : 배터리모듈
101 : 배터리셀

Claims (21)

  1. 수신되는 전기 에너지를 직류형태로 저장하거나, 저장되어 있는 전기 에너지를 출력하는 배터리;와
    상기 배터리를 제어하는 배터리관리기;를 포함하고,
    상기 배터리관리기는,
    상기 배터리의 전압, 전류, 온도를 측정하는 복수의 센서를 포함하는 센싱부,
    개방회로전압 테이블과 내부저항 테이블이 저장되는 메모리,
    상기 센싱부에서 감지되는 배터리 전압을 이용하여 상기 개방회로전압 테이블에서 초기 SOC를 판별하고,
    상기 센싱부에서 감지되는 배터리 전류를 이용하여 C-rate를 판별하고,
    상기 센싱부에서 감지되는 배터리 온도, 상기 초기 SOC, 상기 C-rate를 이용하여, 상기 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별하고,
    상기 배터리 내부저항에 의한 전압강하(voltage drop)를 반영한 배터리 리얼(real) 전압을 산출하며,
    상기 배터리 리얼 전압을 이용하여 SOC(State Of Charge)를 판별하는 마이컴 유닛을 포함하는 에너지 저장장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는 복수의 배터리셀을 포함하고,
    상기 배터리의 온도를 측정하는 센서는, 상기 복수의 배터리셀 중 적어도 하나의 외둘레에 배치되는 써미스터이고,
    상기 배터리의 온도는 상기 써미스터에서 센싱되는 온도 데이터 중 적어도 하나에 기초하는 에너지 저장장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리는,
    각각 복수의 배터리셀을 포함하는 복수의 배터리팩을 포함하며,
    상기 배터리관리기는,
    상기 복수의 배터리팩 각각에 배치되고, 각 배터리팩에 포함되는 복수의 배터리셀의 상태 정보를 획득하는 배터리팩 회로기판들과
    상기 배터리팩 회로기판들과 통신선으로 연결되고, 상기 배터리팩 회로기판들로부터 각 배터리팩에서 획득된 상태 정보를 수신하는 메인회로기판을 포함하는 에너지 저장장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 마이컴 유닛과 상기 메모리는 상기 메인회로기판에 실장되는 에너지 저장장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마이컴 유닛은,
    충방전 상태에 따라 다른 수식으로 상기 배터리 리얼 전압을 산출하는 에너지 저장장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 마이컴 유닛은,
    상기 배터리가 충전중인 경우에,
    상기 센싱부에서 측정된 충전 전류와 상기 내부저항을 곱하여 전압강하값을 산출하고, 상기 센싱부에서 측정된 배터리 전압에서 전압강하값을 빼 상기 배터리 리얼 전압을 산출하는 에너지 저장장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 마이컴 유닛은,
    상기 배터리가 방전중인 경우에,
    상기 센싱부에서 측정된 방전 전류와 상기 내부저항을 곱하여 전압강하값을 산출하고, 상기 센싱부에서 측정된 배터리 전압에서 전압강하값을 더해 상기 배터리 리얼 전압을 산출하는 에너지 저장장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 마이컴 유닛은, 상기 배터리가 충전 또는 방전 중인 경우에 상기 내부저항을 산출하는 에너지 저장장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 마이컴 유닛은,
    일정 시간 이상 무부하 상태가 지속되면,
    상기 센싱부에서 감지되는 배터리 전압을 이용하여 상기 개방회로전압 테이블에서 SOC를 판별하고, 상기 SOC를 업데이트(update)하는 에너지 저장장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 마이컴 유닛은,
    상기 배터리가 충전 또는 방전을 시작하면, 상기 무부하 상태의 카운팅(counting)을 리셋(reset)하는 에너지 저장장치.
  13. 배터리 전류를 측정하는 단계;
    상기 측정된 배터리 전류를 이용하여 C-rate를 판별하는 단계;
    배터리 온도를 측정하는 단계;
    상기 C-rate, 상기 배터리 온도 및 저장된 SOC를 이용하여, 저장된 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별하는 단계;
    상기 배터리 내부저항에 의한 전압강하(voltage drop)를 반영한 배터리 리얼(real) 전압을 산출하는 단계; 및,
    상기 배터리 리얼 전압을 이용하여 SOC(State Of Charge)를 업데이트(update)는 단계;를 포함하고,
    배터리의 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정된 배터리 전압을 이용하여 저장된 개방회로전압 테이블에서 초기 SOC(State Of Charge)를 판별하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 배터리 내부저항을 판별하는 단계는,
    상기 C-rate, 상기 배터리 온도 및 상기 초기 SOC를 이용하여, 저장된 내부저항 테이블에서 배터리 내부저항을 판별하는 에너지 저장장치의 동작방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 저장된 SOC는, 이전에 업데이트된 SOC인 에너지 저장장치의 동작방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 배터리의 충방전 상태를 확인하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 배터리가 충전 또는 방전 중인 경우에, 상기 배터리 전류를 측정하는 에너지 저장장치의 동작방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 배터리 리얼 전압을 산출하는 단계는,
    상기 배터리의 충방전 상태에 따라 다른 수식으로 상기 배터리 리얼 전압을 산출하는 에너지 저장장치의 동작방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 배터리가 충전중인 경우에,
    센싱부에서 측정된 충전 전류와 상기 내부저항을 곱하여 전압강하값을 산출하고, 상기 센싱부에서 측정된 배터리 전압에서 전압강하값을 빼 상기 배터리 리얼 전압을 산출하는 에너지 저장장치의 동작방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 배터리가 방전중인 경우에,
    센싱부에서 측정된 방전 전류와 상기 내부저항을 곱하여 전압강하값을 산출하고, 상기 센싱부에서 측정된 배터리 전압에서 전압강하값을 더해 상기 배터리 리얼 전압을 산출하는 에너지 저장장치의 동작방법.
  20. 제13항에 있어서,
    일정 시간 이상 무부하 상태가 지속되면, 센싱부에서 감지되는 배터리 전압을 이용하여 개방회로전압 테이블에서 SOC를 판별하고, 상기 SOC를 업데이트(update)하는 단계;를 더 포함하는 에너지 저장장치의 동작방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 배터리가 충전 또는 방전을 시작하면, 상기 무부하 상태의 카운팅(counting)을 리셋(reset)하는 단계;를 더 포함하는 에너지 저장장치의 동작방법.
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