电池模块及储能设备的制作方法

1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年4月10日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请no.10-2020-0044257的权益，该专利申请的公开内容以引用方式并入本文中。技术领域
[0003][0004]
本发明的实施例涉及一种电池模块和储能设备，更具体地，涉及一种设置有用于阻断过电流的熔断器的电池模块和储能设备。


背景技术：

[0005]
最近，随着诸如智能手机、电动车辆的电子设备的普及，以及用于储能系统(ess)的基础设施的普及，对二次电池作为电力供应源的研究也在积极进行。
[0006]
在ess的情况下，需要存储大量的电能，并且还需要高功率。因此，在ess中，二次电池以电池架的形式提供，该电池架包括多个电池模块和管理多个电池模块的架控制器。多个电池模块中的每一个还包括电池组以及模块控制器，在电池组中多个电池单体串联和/或并联连接，模块控制器管理电池组的操作。
[0007]
由于ess中的短路可能导致诸如火灾的重大事故，为了安全性，设置了各种配置来阻断这种短路。目前，熔断器作为无源元件连接在诸如ess的电池系统中。当发生短路时，通过熔断器在短时间内切断过电流，为短路事故做好准备。
[0008]
电池架中的熔断器具有无法应对模块级短路的结构。因此，在电池系统中还设置了模块熔断器，以满足联合国运输测试(un transportation testing,un/dot 38.3)标准。un/dot38.3是确保锂离子电池的运输时的安全性的测试规程。un/dot 38.3包含下述内容：电池在模块状态下运输时，需要对模块进行保护以防止短路，以及设置模块熔断器来满足这一要求。关于模块熔断器，选择具有满足模块电压的电压规格的熔断器，以便在安装的电池模块的短路测试中不存在问题。
[0009]
然而，在电池模块最终安装到电池架之后在电池架中发生短路的情况下，如果模块熔断器在架熔断器之前操作并熔化，则存在下述可能性：系统电压——即，电池架的输出电压——被模块熔断器捕获。在这种情况下，模块熔断器不能承受系统电压，可能被损坏，并且其他组件也可能被损坏。


技术实现要素：

[0010]
[技术问题]
[0011]
本发明的实施例是为了解决上述问题而做出的，本发明的目的是提供一种在安全的同时防止价格竞争力和能量密度劣化的电池模块和储能设备。
[0012]
[技术方案]
[0013]
为了解决上述技术问题，根据本发明实施例的一方面，一种储能设备包括：电池
架，电池架包括多个电池模块；以及架熔断器，架熔断器被配置成在电池架中发生过电流时切断电路，其中，多个电池模块中的每一个包括电池单体和模块熔断器，该模块熔断器在电池模块中发生过电流时切断电路，其中，模块熔断器具有能够对应于电池架的输出电压的电压规格，并且具有低于架熔断器的短路规格的短路规格。
[0014]
根据本实施例的另一特征，当电池架中发生短路时，模块熔断器可以比架熔断器更晚地被切断。
[0015]
根据本实施例的另一特征，当电池架中发生短路时，模块熔断器可以仅切断架熔断器。
[0016]
根据本实施例的另一特征，当电池架中发生短路时，模块熔断器可以比当架熔断器完全熔化时更晚地开始熔化。
[0017]
根据本实施例的另一特征，当电池架中发生短路并且架熔断器被切断时，模块熔断器可以不操作。
[0018]
根据本实施例的另一特征，当电池模块中发生短路时，模块熔断器可以被切断。
[0019]
为了解决上述技术问题，根据本发明实施例的另一方面，一种储能设备中的电池模块，该储能设备通过电池架中的多个电池模块来进行使用，并且该储能设备包括在发生过电流时切断电路的架熔断器，该电池模块包括：多个电池单体；以及模块熔断器，模块熔断器被配置成在发生过电流时切断电路，其中模块熔断器具有能够对应于电池架的输出电压的电压规格，并且具有低于架熔断器的短路规格的短路规格。
[0020]
根据本实施例的另一特征，当电池架中发生短路时，模块熔断器可以比当架熔断器完全熔化时更晚地开始熔化。
[0021]
根据本实施例的另一特征，当电池模块中发生短路时，模块熔断器可以被切断。
[0022]
[发明的效果]
[0023]
由于上文所描述的配置，可以提供一种在安全的同时防止价格竞争力和能量密度劣化的电池模块和储能设备。
附图说明
[0024]
图1是示出根据本发明的实施例的储能设备的配置的图；
[0025]
图2是示出根据本发明的实施例的电池模块的配置的图；
[0026]
图3是根据本发明的实施例的储能设备的示意性电路图。
[0027]
图4是示出在根据图3的储能设备中发生短路的示例的图。
[0028]
图5是示出在根据图3的储能设备中发生短路的另一示例的图。
具体实施方式
[0029]
在下文中，将参考附图详细描述本发明的各种实施例。在本文中，对于附图中的相同组件使用相同的附图标记，并且省略对相同组件的重复描述。
[0030]
对于在本文中公开的本发明的各种实施例，仅出于描述本发明的实施例的目的，已经例示了特定的结构或功能描述，并且本发明的各种实施例可以以各种形式实施，并且不应被解释为限于在本文中描述的实施例。
[0031]
在各种实施例中使用的诸如“第1”、“第2”、“第一”或“第二”的表述可以修饰各种
元件，而不管它们的顺序和/或重要性如何，并且不限制对应的元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一组件可以被称为第二组件，并且类似地，第二组件可以被重命名并被称为第一组件。
[0032]
本文中使用的术语仅用于描述具体实施例，并不旨在限制其他实施例的范围。单数形式的术语可以包括复数形式，除非另有说明。
[0033]
图1是示出根据本发明的实施例的储能设备的配置的图。
[0034]
参考图1，储能设备1是在储能系统中存储能量的单元。储能系统可以被配置为包括多个储能设备1。储能设备1以电池架的形式设置。电池架配备有多个电池模块10和在底盘处控制整个电池架的架控制器。在下文中，可以组合使用储能设备和电池架。
[0035]
储能设备1可以包括由可再充电和可再放电的二次电池构成的电池模块。储能设备1可以将存储的电力供应给负载或系统。另外，储能设备1可以通过从系统接收电力来充电。
[0036]
如图1所示，储能设备1可以包括多个电池模块10-1至10-n、架控制器(架电池管理系统(rack battery management system：rbms))和架电池保护单元(rbpu)等。
[0037]
多个电池模块10-1至10-n是可以安装在储能设备1上的单元组件，并且多个电池模块10-1至10-n中的每一个被配置为充电和放电电力。(在下文中，当不需要分开和描述多个电池模块时，将附图标记描述为
‘
电池模块10’。)电池模块10是在组装到作为储能设备1的电池架内之前可以单独运输的组件。根据储能设备1的所需规格，多个电池模块10可以在储能设备1内相互串联和/或并联连接。即，多个电池模块10可以根据串联和/或并联连接配置提供所需的输出。
[0038]
电池模块10中每一个可以包括电池组11、模块控制器12、切换单元13和模块bpu 14。图2是示出根据本发明的实施例的电池模块的配置的图。
[0039]
参考图2，电池组11可以包括一个或多个电池单体c，其是用于存储电力的单元组件。根据电池组11的所需规格，多个电池单体可以相互串联和/或并联连接。即，可以根据电池模块10的所需输出(电压、电流等)来确定电池单体c的数量和连接类型。电池单体c可以是锂离子(li-离子)电池、锂离子聚合物(li-离子聚合物)电池、镍镉(ni-cd)电池、镍氢(ni-mh)电池等。如果是可再充电电池，则不限于此。
[0040]
模块控制器12(或“模块bms”)控制和管理电池模块10的总体操作。模块控制器12可以检测电池模块10的温度以及从电池模块10输出的电压和电流。电池模块10可以根据通过直接测量检测到的或从外部接收的诸如温度、电压和电流的值来计算诸如soc——即，充电状态——或指示劣化程度的soh的参数。为了检测电压、电流、温度等，模块控制器12可以在电池模块10或储能设备1中的适当位置设置诸如传感器的测量装置。
[0041]
模块控制器12可以将诸如温度、电压和电流的值或诸如soc和soh的计算值发送到外部设备。外部设备可以是上层控制器，并且在本实施例中，可以将诸如所检测的温度、电压、电流的值或者诸如所计算的soc和soh的值发送到管理储能设备1的架控制器20。
[0042]
模块控制器12可以执行计算机程序以控制和管理电池模块10的总体操作，并且可以包括各种组件，诸如作为用于控制模块控制器12的整体操作的控制器的微型计算机、用于存储模块控制器12的操作所需的计算机程序的存储器、诸如传感器和测量装置的输入/输出设备、用于与外部设备通信的通信设备、以及其他外围电路。
[0043]
切换单元13可以是当对电池模块10充电或放电时向系统或负载供应电力或从系统接收电力的设备。切换单元13可以是继电器或接触器。切换单元13的操作可以由模块控制器12控制。
[0044]
模块bpu 14可以包括用于电池模块10的稳定操作的组件。模块bpu 14可以包括用于控制电池模块10中的温度的冷却装置，诸如冷却风扇。此外，模块bpu 14可以包括模块熔断器mf，用于在由于短路等而发生过电流时切断电流路径。即，电池模块10可以包括当过电流发生时切断电路的模块熔断器mf。
[0045]
当过电流流过电池模块10时，模块熔断器mf因电能生成的热而熔化。当模块熔断器mf被熔化以阻断电流流动时，在其之间施加预定电压。此外，模块熔断器mf必须能够承受熔化之后被施加在两端的预定电压。模块熔断器mf的具体规格和特性将在后面描述。
[0046]
架控制器20可以控制用于向电池架充电或从电池架向系统或负载放电的继电器。架控制器20可以监测电池架中的各种参数(例如，电压、电流、温度等)，并基于结果控制架bpu 30中的每个保护装置。
[0047]
架控制器20可以与包括在电池架中的多个电池模块10中的每一个中所包括的模块控制器12通信。架控制器20可以从模块控制器12接收关于电池组11的状态的数据并且基于该数据控制架bpu 30中的保护装置。此外，架控制器20可以基于来自模块控制器12的数据向模块控制器12发送用于控制电池模块10操作的控制信号。架控制器20可以通过有线和/或无线与多个模块控制器12通信。
[0048]
与模块bpu 14类似，架bpu 30可包括用于电池架的稳定操作的组件。架bpu 30可以包括用于控制电池架中的温度的冷却装置，诸如冷却风扇。此外，架bpu 30可以包括架熔断器rf，用于在由于短路等而发生过电流时切断电流路径。即，储能设备1可以包括在电池架中发生过电流时切断电路的架熔断器rf。架熔断器(rf)的具体规格和特性将在后面描述。
[0049]
在如上所描述配置的储能设备1中，多个电池模块10中的至少一些与架熔断器rf相互串联连接。图3是根据本发明的实施例的储能设备的示意性电路图。
[0050]
参考图3，多个电池模块10当中的电池模块10-1至10-n中的至少一些彼此串联连接，并且架熔断器rf与串联连接的电池模块10-1至10-n串联连接。rack( )和rack(-)表示电池架的输出端子。在图3中，为了便于说明，仅示出一个电池单体作为电池组11，并且仅示出电池组11和模块熔断器mf。
[0051]
在如图3所示配置的储能设备1中，可以假设在电池架中发生短路的情况或在电池模块10中发生短路的情况。
[0052]
常规地，具有能够承受电池模块的输出电压的规格的熔断器被用作模块熔断器，以满足un/dot 3.83规程。例如，在输出约50vdc至约100vdc电压的电池模块的情况下，使用能够承受约120vdc至约150vdc电压的熔断器。然而，这种模块熔断器使用商业产品，并且使用的熔断器具有能够通过大约20ka电流的短路规格。
[0053]
然而，在常规使用的模块熔断器的情况下，能保护电池模块免受电池模块被单独地使用或运输时发生的模块短路的影响，但存在下述问题：不能保护电池模块免受当多个电池模块安装在电池架上时发生的模块短路的影响。
[0054]
因此，需要一种不仅在单独地使用电池模块时，而且在电池模块被安装在电池架
中时保护电池模块的方法。还有，随着熔断器规格的增加，体积和价格也增加。因此，应考虑在不劣化电池模块的价格竞争力的情况下，能量密度不因体积而降低。
[0055]
在根据本实施例的模块熔断器mf中，使用具有能够对应于从储能设备1输出的电压(电池架输出电压)的规格的熔断器。模块熔断器mf可以具有与架熔断器rf的电压规格相同的规格。
[0056]
当在多个电池模块10被安装在电池架上时发生短路时，施加到模块熔断器mf的电压可能变化。此时，当电池架中发生短路时，如果最上方的模块熔断器mf首先熔化，则可以跨模块熔断器mf施加接近系统电压的电压(见图5)。例如，可以跨模块熔断器mf施加大约1,000vcd至大约1500vdc的电压。因此，模块熔断器mf选择具有能够承受系统电压的电压规格的熔断器，而不是像现有技术中那样能够承受作为电池模块的输出电压的50vcd至100vdc的电压规格的熔断器。
[0057]
另一方面，根据本实施例的模块熔断器mf具有比架熔断器rf更低的短路规格。如上文所描述，随着熔断器规格的增加，体积和价格也增加。因此，模块熔断器mf具有比应用于安装在储能设备1中的架熔断器rf的短路规格更低的短路规格。
[0058]
在熔断器中，电压规格和短路规格具有相互权衡的关系。即，在模块熔断器mf中不选择比常规电压规格更高的电压规格，而是通过降低短路规格来抑制价格和体积的增加。
[0059]
作为附加实施例，模块熔断器mf可以被配置成在电池架中发生短路时比架熔断器rf更晚地被切断。模块熔断器mf和架熔断器rf的切断速度可以通过适当地选择熔断器的熔化部分的组分、厚度和长度来调节。也就是说，当电池架中发生短路时，架熔断器rf在模块熔断器mf之前被切断，从而即使模块熔断器mf的短路规格降低，也可以安全地保护电池模块10。
[0060]
优选地，模块熔断器mf可被配置成当电池架中发生短路时仅切断架熔断器rf。更优选地，当电池架中发生短路时，模块熔断器mf可以被配置成比架熔断器rf完全熔化时更晚地开始熔化。更优选地，当电池架中发生短路并且架熔断器rf被切断时，模块熔断器mf可以被配置为完全不操作。
[0061]
也就是说，当电池架中发生短路时，模块熔断器mf根本不操作，并且仅架熔断器rf操作，从而能防止不必要地必须更换模块熔断器mf的情况。
[0062]
图4是示出在根据图3的储能设备1中发生短路的示例的图。在该示例中，如上文所描述，示出了电池架中发生短路的情况。
[0063]
如图4所示，当架熔断器rf与输出端子rack( )之间的节点短路到接地时，架熔断器rf熔化以切断电流路径。另外，与系统电压相对应的电压v1被施加到架熔断器rf的两端。由于架熔断器rf具有能够承受系统电压的电压规格，即使在电路被切断后也不会发生进一步的损坏。
[0064]
此外，当电池架中发生短路时，模块熔断器mf不操作。由于架熔断器rf被切断并且没有电流流动，所以负载不施加到模块熔断器mf，因此电池模块10也维持在安全状态。
[0065]
接下来，将描述短路发生在电池模块10侧而不是电池架侧的情况。
[0066]
当电池模块10中发生短路时，模块熔断器mf熔化以切断电路。在这种情况下，架熔断器rf将不操作。当模块熔断器mf由于电池模块10的短路而熔化时，施加到模块熔断器mf的电压可以变化。在图3的示例中，当在最下方的电池模块10-n附近发生短路时，电池模块
10的输出电压跨模块熔断器mf的两端被施加。另一方面，在图3的示例中，当在最上方的电池模块10-1附近发生短路时，系统电压被施加到模块熔断器mf的两端。
[0067]
图5是示出在根据图3的储能设备1中发生短路的另一示例的图。在该示例中，如上文所描述，示出了在电池模块10的最上方电池模块10-1中发生短路的情况。
[0068]
如图5所示，当电池模块10-1与架熔断器rf之间的节点短路到接地时，模块熔断器mf熔化以切断电流路径。此外，跨模块熔断器mf的两端施加接近系统电压的电压v2。然而，由于根据本发明实施例的模块熔断器mf具有能够承受系统电压的电压规格，因此即使在电路被切断之后也不会发生进一步的损坏。因此，电池模块10维持在安全状态。
[0069]
如上文所描述，设置在电池模块10中的模块熔断器mf具有等于架熔断器rf的电压规格的电压规格，并且具有低于架熔断器rf的短路规格的短路规格。通过这样的配置，不仅可以安全地应对单独地操作电池模块10的情况，而且可以安全地应对在电池架状态下发生在电池模块10中的模块短路。
[0070]
如上文所描述的“包括”、“由
……
组成”或“具有”等术语意味着，除非另有说明，否则可以存在对应的组成组件，并且应该解释为可以进一步包括其他组件，而不是排除其他组件。除非另外定义，包括技术或科学术语在内的所有术语可被解释为具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。通常使用的术语，例如字典中定义的术语，应该被解释为与相关技术的上下文的含义一致，并且除非在本发明中明确定义，否则它们不会被解释为理想的或过度正式的意义。
[0071]
上面的描述仅仅是对本发明的技术构思的说明，本发明所属领域的普通技术人员将能够在不脱离本发明的基本特性的情况下进行各种修改和变化。因此，本发明公开的实施例不是为了限制本发明的技术构思，而是为了解释，并且本发明的技术构思的范围不受这些实施例的限制。本发明的保护范围应该由权利要求来解释，并且在与其等效的范围内的所有技术构思应该被解释为包括在本发明的范围内。