KR20210129542A

KR20210129542A - 배터리 모듈, 에너지 저장 장치 및 퓨즈 설정 방법

Info

Publication number: KR20210129542A
Application number: KR1020200047727A
Authority: KR
Inventors: 이창복; 문성일; 송현진; 김민규; 유솔지
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2021-10-28
Also published as: JP2023511029A; WO2021215698A1; CN114930670A; EP4071959A1; EP4071959A4; US20230053313A1

Abstract

본 발명의 실시예들은 배터리 모듈, 에너지 저장 장치 및 퓨즈 설정 방법에 관한 것으로, 배터리 랙에 복수의 배터리 모듈을 포함하여 사용되며, 과전류 발생시 회로를 차단하는 랙 퓨즈를 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서의 상기 배터리 모듈로서, 배터리 셀; 및 과전류 발생시 회로를 차단하는 모듈 퓨즈;를 구비하며, 모듈 퓨즈는 랙 퓨즈의 용단 완료 시점보다 늦게 용단 개시하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.

Description

배터리 모듈, 에너지 저장 장치 및 퓨즈 설정 방법{BATTERY MODULE, ENERGY STORAGE SYSTEM AND FUSE SETTING METHOD}

본 발명의 실시예들은 배터리 모듈, 에너지 저장 장치 및 퓨즈 설정 방법에 관한 것으로, 특히 과전류 차단을 위한 퓨즈가 설치된 배터리 모듈 및 에너지 저장 장치와 그 퓨즈의 설정 방법에 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 경쟁력을 가지는 배터리 모듈, 에너지 저장 장치 및 퓨즈 설정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예들의 일 측면에 의하면, 배터리 랙에 복수의 배터리 모듈을 포함하여 사용되며, 과전류 발생시 회로를 차단하는 랙 퓨즈를 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서의 상기 배터리 모듈로서, 배터리 셀; 및 과전류 발생시 회로를 차단하는 모듈 퓨즈;를 구비하며, 모듈 퓨즈는 랙 퓨즈의 용단 완료 시점보다 늦게 용단 개시하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 제공한다.

이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 모듈 퓨즈가 용단 개시하기까지의 I2t 값이 랙 퓨즈의 용단 완료시까지의 I2t 값보다 클 수 있다.

본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 모듈 퓨즈는 용단 개시하기까지의 I2t 값이 랙 퓨즈의 용단 완료시까지의 I2t 값에 소정의 비율을 곱한 값보다 클 수 있다.

본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 모듈 퓨즈는 랙 퓨즈의 용단 완료 후의 저항 변화율이 기준값 미만일 수 있다.

본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 모듈 퓨즈는 배터리 모듈의 출력 전압에 대응 가능한 전압 사양을 가질 수 있다.

본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 모듈 퓨즈의 전압 사양은 랙 퓨즈의 전압 사양보다 낮을 수 있다.

본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 모듈 퓨즈의 단락 사양은 랙 퓨즈의 단락 사양보다 낮을 수 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예들의 다른 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 랙 퓨즈의 용단 완료 시점보다 늦게 용단 개시하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치를 제공한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예들의 또 다른 측면에 의하면, 각각이 모듈 퓨즈를 구비하는 복수의 배터리 모듈을 포함하여 사용되며, 과전류 발생시 회로를 차단하는 랙 퓨즈를 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서의 모듈 퓨즈 및 랙 퓨즈의 설정하는 퓨즈 설정 방법으로서, 모듈 퓨즈가 랙 퓨즈의 용단 완료 시점보다 늦게 용단 개시하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 퓨즈 설정 방법을 제공한다.

이러한 본 실시예의 다른 특징에 의하면, 모듈 퓨즈가 용단 개시하기까지의 I2t 값이 랙 퓨즈의 용단 완료시까지의 I2t 값보다 크도록 설정할 수 있다.

본 실시예의 또 다른 특징에 의하면, 모듈 퓨즈가 랙 퓨즈의 용단 완료 후의 저항 변화율이 기준값 미만이 되도록 설정할 수 있다.

이상과 같은 구성으로 인하여, 안전하면서도 가격 경쟁력을 가지는 배터리 모듈, 에너지 저장 장치 및 퓨즈 설정 방법을 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 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 퓨즈 및 랙 퓨즈의 선정 방법을 설명하기 위한 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 랙 단락 등에 대하여는 배터리 모듈을 보호할 수 없는 문제가 존재하였다. 특히 배터리 랙에 단락이 발생할 때, 모듈 퓨즈가 랙 퓨즈보다 먼저 용단되면 시스템 전압이 배터리 모듈에 인가되고, 모듈 퓨즈의 사양을 초과하는 전압이 인가되기 때문에 부품 파손 등이 발생할 우려가 있다.

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.

상기와 같은 문제의 해결을 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면 모듈 퓨즈(MF)가 랙 퓨즈(RF)보다 늦게 용단되도록 구성한다. 더욱 구체적으로는, I2t 에너지를 측정하여 모듈 퓨즈(MF)가 랙 퓨즈(RF)의 용단 완료 시점보다 늦게 용단 개시하도록 모듈 퓨즈(MF)와 랙 퓨즈(RF)를 설정한다. I2t는 퓨즈(도선)에 전류가 흐름으로써 발생하는 열 에너지의 크기를 나타내며, 흐르는 전류의 크기 및 시간 따라서 결정되는 값이다. 랙 퓨즈(RF)의 용단 완료시까지의 I2t 값보다 모듈 퓨즈(MF)의 용단 개시시까지의 I2t 값이 더 크도록 함으로써 상기 조건을 만족시킬 수 있다. 다시 말해, 랙 퓨즈(RF)의 용단 완료시까지의 I2t 값이 모듈 퓨즈(MF)가 용단 개시하기까지의 I2t 값보다 작게 되도록 함으로써 상기 조건을 만족시킬 수 있다.

바람직하게는, 모듈 퓨즈(MF)가 용단을 개시하기 전에 랙 퓨즈(RF)가 확실히 용단되는 것을 보장하기 위하여, 랙 퓨즈(RF)의 용단 완료시까지의 I2t 값에 소정의 비율을 곱한 값보다 모듈 퓨즈(MF)의 용단 개시시까지의 I2t 값이 더 크도록 설정할 수 있을 것이다. 여기서 소정의 비율은 예를 들어, 20% 정도의 여유를 두는 경우, 1.2가 될 것이다.

모듈 퓨즈(MF)가 먼저 선정된 경우에는 그에 맞추어 랙 퓨즈(RF)를 선정한다. 반대로, 랙 퓨즈(RF)가 먼저 선정된 경우에는 그에 맞추어 모듈 퓨즈(MF)를 선정한다. 따라서 모듈 퓨즈(MF)와 랙 퓨즈(RF)는 위 조건을 만족하는 다양한 조합을 포함할 수 있을 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 퓨즈(MF) 및 랙 퓨즈(RF)의 선정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4에서는 다양한 모듈 퓨즈(MF) 및 랙 퓨즈(RF)의 조합으로 시험을 진행하였으며, 적용한 에너지 저장 장치(1)의 사양은 1,000VDC 및 230A, 1,000VDC 및 2320A의 두 가지이다. 랙 퓨즈(RF)로서는 전압 사양 및 단락 사양이 각각 1,000VDC, 230A인 부품 A, 1,000VDC, 315A인 부품 B 및 1,000VDC, 350A인 부품 C가 사용되었다. 또한 모듈 퓨즈(MF)로서는 전압 사양 및 단락 사양이 각각 120VDC, 400A인 부품 D, 120VDC, 450A인 부품 E, 120VDC, 500A인 부품 F 및 120VDC, 600A인 부품 G가 사용되었다.

도 4에서 도시한 바와 같이, 랙 퓨즈(RF)-모듈 퓨즈(MF) 조합이 부품A-부품E, 부품B-부품F, 부품C-부품G 인 경우에, 랙 퓨즈(RF)의 I2t * 1.2 값이 모듈 퓨즈(MF)의 I2t 값보다 작은 것으로 측정되었다. 여기서, 랙 퓨즈(RF)에서의 I2t 값에서 t는 랙 퓨즈(RF)가 완전이 용단(Total Clearing) 될 때까지의 시간이다. 모듈 퓨즈(MF)에서의 I2t 값에서 t는 모듈 퓨즈(MF)가 용단 개시(Melt Starting) 하기까지의 시간이다. 따라서 위 세가지 조합의 경우에는 랙 퓨즈(RF) 및 모듈 퓨즈(MF)로 사용하기에 적합한 조합인 것으로 판정되었다.

도 4의 나머지 부품 조합의 경우에는 랙 퓨즈(RF)의 I2t * 1.2 값이 모듈 퓨즈(MF)의 I2t 값보다 큰 것으로 측정되어 사용하기에 부적합한 조합인 것으로 판정되었다. 부품A-부품E 조합의 경우, 랙 퓨즈(RF)의 I2t 값이 모듈 퓨즈(MF)의 I2t 값보다 작은 것으로 측정되었으나, 그 차이가 작아서 경우에 따라서는 모듈 퓨즈(MF)가 먼저 용단될 가능성도 존재한다. 따라서 상술한 바와 같이 소정 비율인 1.2를 곱한 값과 비교함으로써 적합 여부를 판정하였다.

이상과 같이 모듈 퓨즈(MF)와 랙 퓨즈(RF)를 설정함으로써, 배터리 랙 단락 발생시에 랙 퓨즈(RF)가 항상 먼저 용단되어 회로를 차단된다. 따라서 모듈 퓨즈(MF)는 배터리 랙 단락에 대비하여 시스템 전압에 견딜 수 있는 사양을 가질 필요가 없다. 즉, 모듈 퓨즈(MF)는 배터리 모듈(10)의 출력 전압에 대응 가능한 전압 사양을 가지는 것으로 충분하다. 모듈 퓨즈(MF)는 랙 퓨즈(RF)의 전압 사양보다 낮은 전압 사양을 가질 수 있다. 또한 모듈 퓨즈(MF)는 단락 사양에 대하여도 마찬가지로 랙 퓨즈(RF)의 단락 사양보다 낮은 사양을 가질 수 있을 것이다. 모듈 퓨즈(MF)는 시스템 전압보다 훨씬 낮은 배터리 모듈(10)의 출력 전압에만 대응 가능하면 되며, 또한 낮은 단락 사양을 가질 수 있으므로, 불필요한 비용 및 부피 증가를 억제할 수 있다.

한편, 상기와 같은 문제의 해결을 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 랙 퓨즈(RF)의 용단 전후 모듈 퓨즈(MF)의 저항 변화율이 기준값 미만이 되도록 한다. 랙 단락에 의한 과전류로 랙 퓨즈(RF)가 용단되더라도 모듈 퓨즈(MF)에서 저항이 변화하지 않은 경우에는 모듈 퓨즈(MF)가 과전류의 영향을 받지 않은 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 모듈 퓨즈(MF)의 저항이 기준치 미만으로 변화하였으므로 랙 단락에 의한 수리시, 부품 교체의 필요가 없게 되어 불필요한 비용 발생을 억제할 수 있다.

도 4의 시험에서 사용한 랙 퓨즈(RF) 및 모듈 퓨즈(MF)의 조합으로 랙 퓨즈(RF)가 먼저 용단되도록 랙 단락을 시뮬레이션 하였을 때, 부품A-부품E, 부품D-부품E, 부품B-부품F, 부품C-부품G 조합인 경우에, 랙 퓨즈(RF)의 용단 전후에 측정한 모듈 퓨즈(MF)의 저항 변화율이 소정의 값 미만인 것으로 측정되었다. 따라서 위 네가지 조합의 경우에는 랙 퓨즈(RF) 및 모듈 퓨즈(MF)로 사용하기에 적합한 조합인 것으로 판정되었다. 여기서 저항 변화율의 기준값은 2% 로 설정하였다. 그러나 저항 변화율의 기준값은 변경 가능한 값이며, 3%, 5% 또는 10% 등 필요에 따라서 적절히 선택할 수 있을 것이다.

도 4의 나머지 부품 조합, 즉 부품A-부품D, 부품C-부품F 조합의 경우에는 랙 퓨즈(RF)의 용단 전후의 모듈 퓨즈(MF)의 저항 변화율이 기준값 이상이 되었다. 이는 랙 퓨즈(RF)의 용단 완료 이전에 모듈 퓨즈(MF)가 용단을 개시한 것으로 볼 수 있으며, 따라서 경우에 따라서는 랙 단락시 모듈 퓨즈(MF)가 먼저 용단되는 문제를 그대로 가지고 있게 된다.

이상과 같이 모듈 퓨즈(MF)와 랙 퓨즈(RF)를 설정함으로써, 도 4에서와 마찬가지의 효과를 달성할 수 있다. 또한 모듈 퓨즈(MF)는 랙 퓨즈(RF)가 용단되어 교체하는 경우에도 저항이 거의 변하지 않아 부품 교체가 필요 없게 되어 불필요한 비용 발생을 억제할 수 있게 된다.

추가적으로 본 발명의 다른 실시예로서, 도 4에서 사용한 모듈 퓨즈(MF) 및 랙 퓨즈(RF)의 설정 방법에 관한 조건과, 랙 퓨즈(RF)의 용단 전후 모듈 퓨즈(MF)의 저항 변화율이 기준값 미만이 되도록 하는 모듈 퓨즈(MF) 및 랙 퓨즈(RF)의 설정 방법에 관한 조건을 모두 만족하도록 모듈 퓨즈(MF) 및 랙 퓨즈(RF)를 선정할 수도 있을 것이다. 이 경우, 에너지 저장 장치(1)의 사양에 맞추어 더욱 적절한 모듈 퓨즈(MF) 및 랙 퓨즈(RF)를 선정하여 설치하여 안전성을 더욱 높일 수 있을 것이다.

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.

1 에너지 저장 장치 10 배터리 모듈
11 배터리 팩 12 모듈 제어기
13 충방전 장치 14 모듈 보호유닛
20 랙 제어기 30 랙 보호유닛
MF 모듈 퓨즈 RF 랙 퓨즈

Claims

배터리 랙에 복수의 배터리 모듈을 포함하여 사용되며, 과전류 발생시 회로를 차단하는 랙 퓨즈를 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서의 상기 배터리 모듈로서,
배터리 셀; 및
과전류 발생시 회로를 차단하는 모듈 퓨즈;를 구비하며,
상기 모듈 퓨즈는 상기 랙 퓨즈의 용단 완료 시점보다 늦게 용단 개시하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 모듈 퓨즈가 용단 개시하기까지의 I2t 값이 상기 랙 퓨즈의 용단 완료시까지의 I2t 값보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
청구항 2에 있어서,
상기 모듈 퓨즈는 용단 개시하기까지의 I2t 값이 상기 랙 퓨즈의 용단 완료시까지의 I2t 값에 소정의 비율을 곱한 값보다 큰 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 모듈 퓨즈는 상기 랙 퓨즈의 용단 완료 후의 저항 변화율이 기준값 미만인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 모듈 퓨즈는 상기 배터리 모듈의 출력 전압에 대응 가능한 전압 사양을 가지는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
청구항 5에 있어서,
상기 모듈 퓨즈의 전압 사양은 상기 랙 퓨즈의 전압 사양보다 낮은 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 모듈 퓨즈의 단락 사양은 상기 랙 퓨즈의 단락 사양보다 낮은 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
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 랙 퓨즈의 용단 완료 시점보다 늦게 용단 개시하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 모듈 퓨즈가 용단 개시하기까지의 I2t 값이 상기 랙 퓨즈의 용단 완료시까지의 I2t 값보다 큰 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 모듈 퓨즈는 상기 랙 퓨즈의 용단 완료 후의 저항 변화율이 기준값 미만인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
각각이 모듈 퓨즈를 구비하는 복수의 배터리 모듈을 포함하여 사용되며, 과전류 발생시 회로를 차단하는 랙 퓨즈를 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서의 상기 모듈 퓨즈 및 랙 퓨즈의 설정하는 퓨즈 설정 방법으로서,
상기 모듈 퓨즈가 상기 랙 퓨즈의 용단 완료 시점보다 늦게 용단 개시하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 퓨즈 설정 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 모듈 퓨즈가 용단 개시하기까지의 I2t 값이 상기 랙 퓨즈의 용단 완료시까지의 I2t 값보다 크도록 설정하는 퓨즈 설정 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 모듈 퓨즈가 상기 랙 퓨즈의 용단 완료 후의 저항 변화율이 기준값 미만이 되도록 설정하는 퓨즈 설정 방법.