KR-102961871-B1 - BATTERY RACK, BATTERY CONTAINER AND ENERGY STORAGE SYSTEM INCLUDING THE SAME

Abstract

설치 환경에 따라 다양한 형태로 구성이 가능한 배터리 랙, 배터리 컨테이너 및 이를 포함하는 전력 저장 시스템을 제공한다. 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 랙은, 복수의 배터리 모듈 및 상기 복수의 배터리 모듈을 내부에 수용하며, 둘 이상의 방향으로 적층 가능하도록 구성된 복수의 단위 프레임을 구비하는 랙 프레임을 포함한다.

Inventors

• 최병혁
• 박정범

Assignees

• 주식회사 엘지에너지솔루션

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20220919

Claims (13)

1. 복수의 배터리 모듈; 및 상기 복수의 배터리 모듈을 내부에 수용하며, 둘 이상의 방향으로 적층 가능하도록 구성된 복수의 단위 프레임을 구비하는 랙 프레임을 포함하고, 상기 복수의 단위 프레임 각각은, 상기 복수의 배터리 모듈을 수용 가능한 수용 공간을 형성하는 메인 프레임; 및 상기 메인 프레임에 연결되어 수평 방향으로 연장되어 구성되는 복수의 수평 플레이트를 포함하고, 상기 복수의 수평 플레이트 중 한 쌍의 수평 플레이트는, 상기 복수의 배터리 모듈 중 어느 한 배터리 모듈을 지지하고, 상하 방향으로 접힘 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
2. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 단위 프레임은, 상기 랙 프레임의 좌우 방향으로 적층되고, 상기 복수의 단위 프레임 각각은, 높이가 동일하게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
3. 제 2항에 있어서, 상기 복수의 단위 프레임은, 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하는 제 1 배터리 세트를 내부에 수용하는 제 1 프레임; 및 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하는 제 2 배터리 세트를 내부에 수용하고, 상기 제 1 프레임과 다른 열에 위치하도록 구성된 제 2 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
4. 제 3항에 있어서, 상기 복수의 단위 프레임의 내부에 수용되고, 상기 복수의 배터리 모듈을 제어하도록 구성된 전장 모듈을 더 포함하고, 상기 전장 모듈은, 상기 제 1 배터리 세트 및 상기 제 2 배터리 세트를 제어하도록 구성되고, 상기 제 1 프레임 또는 상기 제 2 프레임 내에 수용되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
5. 제 4항에 있어서, 상기 전장 모듈은, 상기 제 1 프레임 내에서 상기 제 1 배터리 세트의 상측에 위치하도록 구성되거나, 상기 제 2 프레임 내에서 상기 제 2 배터리 세트의 상측에 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
6. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 단위 프레임은, 상하 방향으로 적층되고, 상기 복수의 단위 프레임 각각은, 높이가 동일하게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
7. 제 6항에 있어서, 상기 복수의 단위 프레임은, 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하는 제 1 배터리 세트를 내부에 수용하는 제 1 프레임; 및 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하는 제 2 배터리 세트를 내부에 수용하고, 상기 제 2 프레임의 하측에 배치되도록 구성된 제 2 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
8. 제 7항에 있어서, 상기 복수의 단위 프레임의 내부에 수용되고, 상기 복수의 배터리 모듈을 제어하도록 구성된 전장 모듈을 더 포함하고, 상기 전장 모듈은, 상기 제 1 배터리 세트 및 상기 제 2 배터리 세트를 제어하도록 구성되고, 상하 방향으로 상호 적층된 상기 제 1 프레임 또는 상기 제 2 프레임 내에 수용되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
9. 제 8항에 있어서, 상기 전장 모듈은, 상기 제 1 프레임 내에서 제 1 배터리 세트의 상측에 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
10. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 단위 프레임은, 상기 랙 프레임의 전후 방향으로 적층되고, 상기 복수의 단위 프레임 각각은, 높이가 동일하게 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 랙.
11. 삭제
12. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 랙을 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 컨테이너.
13. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 배터리 랙을 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 시스템.

Description

배터리 랙, 배터리 컨테이너 및 이를 포함하는 전력 저장 시스템{BATTERY RACK, BATTERY CONTAINER AND ENERGY STORAGE SYSTEM INCLUDING THE SAME} 본 발명은 배터리 랙, 배터리 컨테이너 및 이를 포함하는 전력 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 설치 환경에 따라 다양한 형태로 구성이 가능한 배터리 랙, 배터리 컨테이너 및 이를 포함하는 전력 저장 시스템에 관한 것이다. 현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다. 이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다. 일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다. 이차 전지는 단독으로 사용되기도 하나, 일반적으로는 다수의 이차 전지가 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결된 형태로 구성된 경우가 많다. 특히, 다수의 이차 전지는 서로 전기적으로 연결된 상태로 하나의 모듈 케이스 내부에 수납되어, 하나의 배터리 모듈을 구성할 수 있다. 그리고, 배터리 모듈은, 단독으로 사용되거나 또는 둘 이상이 서로 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 연결되어, 배터리 랙이나 배터리 팩 등과 같은 보다 상위 수준의 장치를 구성할 수 있다. 최근, 전력 부족이나 친환경 에너지 등과 같은 이슈가 부각되면서, 생산된 전력을 저장하기 위한 에너지 저장 시스템(ESS; Energy Storage System)이 보다 주목받고 있다. 예를 들어, 전력 수급을 조절하기 위한 방안 중 하나로서, 스마트 그리드 시스템(Smart Grid System)이 제안되고 있다. 소비자가 사용하는 전력량은 항상 일정치 않고 수시로 변동될 수 있다. 대표적으로, 여름철 오후에는 냉방 장치의 사용으로 전력 사용량이 급격히 증가했다가 야간에는 전력 사용량이 급격히 감소하는 것을 예로 들 수 있다. 이와 같이 전력을 소비하는 측면에서는 전력 소비량이 일정치 않고 자주 변동될 수 있지만, 전력을 공급하는 측면에서는 어느 정도 전력 생산량을 조절한다 하더라도 그러한 전력 소비량에 맞추기는 현실적으로 어렵다. 따라서, 이와 같은 전력 공급과 소비의 불균형으로 전력 공급 과잉 또는 전력 공급 부족이 일어날 수 있는데, 스마트 그리드 시스템은 이와 같은 문제를 해결하고자 전력을 탄력적으로 저장 및 조절할 수 있다. 스마트 그리드 시스템은, 잉여 전력이 발생하는 시점이나 지역에서는 전력을 저장하고, 저장된 전력을 부족 전력이 발생하는 시점이나 지역에 공급하는 개념이라 할 수 있다. 이러한 스마트 그리드 시스템을 구축하기 위해 핵심적인 구성요소 중 하나가 바로 전력을 저장하기 위한 에너지 저장 시스템이라 할 수 있다. 또한, 근래에는 전기 자동차의 상용화가 본격적으로 진행되면서, 전기 자동차를 충전하기 위한 시설, 이를테면 충전 스테이션 등에도 전력 저장 장치가 활용될 수 있다. 이와 같은 에너지 저장 시스템에는, 거대한 충방전 용량을 확보하기 위해 통상적으로 많은 수의 배터리 컨테이너가 포함된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 각각의 배터리 컨테이너에는 다수의 배터리 랙이 포함되고, 각각의 배터리 랙에는 다수의 배터리 모듈이 포함될 수 있다. 이러한 전력 저장 시스템은, 여러 다양한 성능이 요구될 수 있다. 특히, 전력 저장 시스템의 경우, 다수의 배터리 컨테이너가 서로 연결된 형태로 설치될 수도 있다. 한편, 종래 전력 저장 시스템의 경우, 규격화된 배터리 랙의 프레임 구조가 구비되어 있지 않아, 설치 환경에 제약이 있거나 또는 설치 환경이 변경되는 경우, 이에 따라 별도의 프레임 구조를 구성해야 하는 문제점이 있다. 즉, 종래 전력 저장 시스템의 경우, 배터리 랙이 설치 환경에 따라 다양한 형태로 구성되는 것이 용이하지 않은 문제점이 있다. 본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙을 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1의 배터리 랙을 후측에서 나타낸 도면이다. 도 3은 도 1의 배터리 랙에 구비된 배터리 모듈을 나타낸 도면이다. 도 4 및 도 5는 도 1의 배터리 랙의 일 변형예를 나타낸 도면이다. 도 6 및 도 7은 도 1의 배터리 랙의 다른 변형예를 나타낸 도면이다. 도 8은 도 1의 배터리 랙의 또 다른 변형예를 나타낸 도면이다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 랙을 나타낸 도면이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 컨테이너를 나타낸 도면이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 시스템을 나타낸 도면이다. 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 안 되며, 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. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙(10)을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 배터리 랙(10)을 후측에서 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1의 배터리 랙(10)에 구비된 배터리 모듈(100)을 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에서, 도면에 도시된 X축 방향은 좌우 방향, Y축 방향은 X축 방향과 수평면(XY평면)상에서 수직된 전후 방향, Z축 방향은 X축 방향 및 Y축 방향에 대해 모두 수직된 상하 방향을 의미할 수 있다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 랙(10)은, 복수의 배터리 모듈(100) 및 랙 프레임(200)을 포함할 수 있다. 상기 배터리 모듈(100)은, 셀 어셈블리(110) 및 모듈 케이스(120)를 포함할 수 있다. 상기 셀 어셈블리(110)는, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 여기서 배터리 셀은 이차 전지를 의미할 수 있다. 이러한 배터리 셀은, 파우치형 전지셀, 원통형 전지셀 또는 각형 전지셀로 마련될 수 있다. 일례로서, 배터리 셀은 파우치형 전지셀일 수 있다. 상기 모듈 케이스(120)는, 셀 어셈블리(110)를 내부에 수용할 수 있다. 이를 위해 모듈 케이스(120)에는 셀 어셈블리(110)를 내부에 수용하기 위한 내부 수용 공간이 마련될 수 있다. 이러한 복수의 배터리 모듈(100)은, 제 1 배터리 세트(B1) 및 제 2 배터리 세트(B2)를 포함하는 복수의 배터리 세트를 구성할 수 있다. 일례로서, 제 1 배터리 세트(B1) 및 제 2 배터리 세트(B2)는, 적어도 하나의 배터리 모듈(100)을 각각 포함할 수 있다. 상기 랙 프레임(200)은, 복수의 배터리 모듈(100)을 내부에 수용할 수 있다. 이를 위해 랙 프레임(200)은, 복수의 배터리 모듈(100)을 내부에 수용하기 위한 내부 수용 공간을 포함할 수 있다. 또한, 랙 프레임(200)은, 복수의 단위 프레임(F)을 포함할 수 있다. 예를 들어 도 1의 구성을 참조하면, 4개의 단위 프레임(F)이 랙 프레임(200)에 구비될 수 있다. 여기서, 각각의 단위 프레임(F)은, 복수의 배터리 모듈(100)을 내부에 수용하며, 둘 이상의 방향으로 적층 가능하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 복수의 단위 프레임(F)은, 랙 프레임(200)의 좌우 방향, 전후 방향 및 상하 방향으로 적층 가능하게 구성될 수 있다. 예시적으로, 복수의 단위 프레임(F)은, 하나의 단위 프레임(F)을 기준으로 다른 단위 프레임(F)이 상부에 적층될 수도 있고, 하부에 적층될 수도 있다. 또는, 복수의 단위 프레임(F)은, 하나의 단위 프레임(F)을 기준으로 다른 단위 프레임(F)이 좌측에 적층될 수도 있고, 우측에 적층될 수도 있다. 일례로서, 본 발명의 하나의 단위 프레임(F) 내에는 12개의 배터리 모듈(100)이 수용 가능한 수용 공간이 형성될 수 있다. 이러한 단위 프레임(F)들이 둘 이상의 방향으로 적층되는 경우, 랙 프레임(200)은 더 많은 배터리 모듈(100)을 내부에 수용할 수 있어 하나의 단위 프레임(F)에 비해 더 큰 출력 전압을 가지도록 구성될 수 있다. 한편, 예시적으로 특정 배터리 랙이 1열로 배치된 22개의 배터리 모듈로 구성된 경우, 해당 배터리 랙은 대략 1300V의 출력 전압을 가질 수 있다. 이 때, 배터리 랙의 설치 공간의 높이가 해당 배터리 랙의 높이보다 낮은 경우, 이러한 설치 공간에 배터리 랙의 배치가 어려울 수 있다. 또한, 배터리 랙의 높이를 낮추고 배터리 랙의 폭을 증가시키는 방향으로 배터리 랙의 구조를 변경하는 경우에도, 2개 이상의 랙 프레임의 규격이 통일되어 있지 않아 배터리 랙 내에서의 배터리 모듈들의 컴팩트한 배치가 어려운 문제점이 있다. 그리고, 2개 이상의 랙 프레임의 규격이 통일되어 있지 않으므로, 배터리 랙의 구조 변경 전과 후에 있어서, 랙 프레임 내에 수용된 배터리 모듈의 수가 달