KR102116720B1 - Electrical energy storage system and method for preventing fire thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기에너지 저장시스템 및 전기에너지 저장시스템의 화재예방 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주변 환경 적응형 리튬배터리 전해질배출가스 검출을 통한 화재를 예방하는 전기에너지 저장시스템 및 전기에너지 저장시스템의 화재예방 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an electrical energy storage system and a fire prevention method of the electrical energy storage system, and more particularly, to an electric energy storage system and an electrical energy storage system that prevents fire through detection of an adaptive lithium battery electrolyte discharge gas that is adapted to the surrounding environment. It is about fire prevention method.
최근 집중 설치되고 있는 전기에너지 저장시스템(Electrical Energy Storage System; EESS)은 에너지를 저장하는 매개체로 주로 대용량의 리튬배터리를 사용하고 있는데, 리튬배터리 분야는 수년의 단기간에 가격인하와 고밀도를 달성하였으나 내부 절연 등의 안전성을 충분하게 고려하지 못한 채 많은 화재를 야기하고 있다.The recently installed Electric Energy Storage System (EESS) mainly uses a large capacity lithium battery as a medium for storing energy. In the lithium battery field, price reduction and high density have been achieved in a short period of several years. It has caused a lot of fire without sufficiently considering the safety of insulation.
EESS의 주요 구성품은 전력변환시스템(PCS), 전력관리시스템(PMS), 에너지관리시스템(EMS), 리튬배터리시스템으로 다양한 장치와 부품들이 조합된 복잡한 시스템인 만큼 화재 원인도 여러 요소가 복합되어 발생되고 있으나, 화재에 가장 민감하고 대형화재로 확산 가능성이 가장 높은 구성품은 리튬배터리시스템이다. The main components of EESS are power conversion system (PCS), power management system (PMS), energy management system (EMS), and lithium battery system, which is a complex system that combines various devices and components. However, the most susceptible to fire and the most likely to diffuse into large fires is the lithium battery system.
리튬배터리시스템은 고충격, 과열, 급서지, 과전류, 과전압 등과 같은 외부의 기계적, 열적 또는 전기적인 스트레스가 지속적으로 누적되는 경우, 리튬배터리 셀 내부 압력이 상승하여 일정 압력을 초과하면 리튬배터리 셀 외관이 벤팅(Venting)되고 리튬배터리 셀 내부의 전해질 등이 기화된 전해질배출가스(Electrolyte Offering Gas; EOG)가 발생한다.Lithium battery system, when external mechanical, thermal or electrical stress such as high impact, overheating, sudden surge, overcurrent, overvoltage, etc. continuously accumulates, the pressure inside the lithium battery cell rises, and if it exceeds a certain pressure, the appearance of the lithium battery cell This venting is performed, and an electrolyte offering gas (EGG) in which electrolytes, etc. in the lithium battery cell are vaporized is generated.
EOG가 발생된 후에도 외부적인 스트레스가 지속되는 경우, 약 10여분 후에는 셀 내부 온도가 급상승하는 열 폭주(Thermal Runaway)상태로 전이되어 셀 내부 절연내력이 저하되어 셀 내부에서 발화가 된다. 발화된 셀은 인접한 셀과 모듈 그리고 인접한 가연성 물질로 화재가 확산되며 인근 EESS 설비 및 인접 시설물까지 대형화재로 확대되고 리튬배터리 충전량이 완전 방전되고 리튬배터리 내부의 전해질과 리튬 등이 전소가 되어야 화재가 종료되는 특징이 있어 경제적, 사회적 손실이 막대하다.If external stress persists even after EOG is generated, after about 10 minutes, the temperature inside the cell transitions to a thermal runaway state in which the internal temperature of the cell rises, and the internal dielectric strength of the cell deteriorates and ignites inside the cell. The fire of the ignited cell spreads to adjacent cells and modules and adjacent combustible materials, expands to a large fire to nearby EESS facilities and adjacent facilities, fully discharges the lithium battery charge, and discharges the electrolyte and lithium inside the lithium battery to cause a fire. There is a great deal of economic and social losses due to the characteristics of termination.
EESS 화재의 문제점은 초기진화가 어렵고 화재 초기에 큰 화재로 확산되기 때문에 전소가 될 때까지 화재진압을 할 수 없다는 것이다. 화재 시 발생하는 연기에는 유독물질을 다수 포함하고 있어 화재진압도 쉽지 않고 현재까지 시판되는 어떠한 소화약제로도 진화가 어려울 뿐만 아니라 한 번 화재가 발생하면 연쇄폭발로 이어지는 고위험성 때문에 사전 예방을 제외하고는 별다른 대책이 없는 상황이다. The problem with EESS fires is that it is difficult to extinguish a fire until it is burned out because it is difficult to extinguish and spread to a large fire at the beginning of the fire. Smoke generated during a fire contains many toxic substances, so it is not easy to extinguish a fire and it is difficult to extinguish with any commercially available fire extinguishing agents, and because of the high risk of chain explosion once a fire occurs, prevention is prevented. Is a situation without special measures.
EESS는 리튬전지 셀을 직·병렬 연결시켜서 리튬배터리모듈을 이루고, 리튬배터리모듈을 모아서 리튬배터리랙을 이루고, 리튬배터리랙 다수개를 합쳐서 리튬배터리시스템을 이루고 있다. EESS에서는 화재를 검출하기 위해 열, 연기, 화상 감지기를 설치하고, 화재를 소화하기 위해 소화기를 비치하거나 자동소화장치를 설치하고 있다. 그러나 열, 연기, 화상 감지기 등은 리튬배터리랙 내의 복잡한 구조 때문에 화재가 확산될 때까지 검출하지 못한다. 리튬배터리의 DC 아크 및 발화는 화염이 매우 강하기 때문에 화재를 진압할 시간적 여유가 없다. 또한 EESS에는 가스소화, 분말소화, 고체에어로졸 등의 자동소화장치가 설치되고 있으나, EESS의 화재시 자동소화장치가 동작되어도 화재 진압이 어렵고, 휴대용 소화기가 비치되고 있어도 대피하기 바쁘기 때문에 무용지물인 실정이다. 결국 리튬배터리 화재는 초기진화가 어렵고, 연쇄폭발의 위험성과 유독물질이 많이 발생하기 때문에 사전예방만이 유일한 대안이 될 수 있다.EESS forms a lithium battery module by connecting lithium battery cells directly and in parallel, and forms a lithium battery rack by collecting lithium battery modules, and combines multiple lithium battery racks to form a lithium battery system. In EESS, heat, smoke, and image detectors are installed to detect fires, and fire extinguishers or automatic fire extinguishers are installed to extinguish fires. However, due to the complex structure in the lithium battery rack, heat, smoke, and image detectors cannot be detected until the fire spreads. The DC arc and ignition of lithium batteries have very strong flames, so there is no time to extinguish the fire. In addition, although automatic fire extinguishing devices such as gas fire extinguishing, powder fire extinguishing, and solid aerosol are installed in the EESS, fire suppression is difficult even when the automatic fire extinguishing device is operated in the event of an EESS fire. . In the end, lithium battery fires are difficult to initial evolution, and the danger of chain explosion and many toxic substances are generated.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 리튬배터리랙의 리튬배터리 셀 내부에서 이상 상황에 의해 발생하는 전해질배출가스를 여러 위치에서 감지하여 분석 및 진단과 지능형 전해질배출가스 발생 패턴분석을 통해 화재를 사전에 예방하는 전기에너지 저장시스템 및 전기에너지 저장시스템의 화재예방방법을 제공하는 데 있다.The object of the present invention for solving the above problems is to detect and analyze the electrolyte discharge gas generated by an abnormal situation inside the lithium battery cell of the lithium battery rack at various locations through analysis and diagnosis and intelligent electrolyte discharge gas generation pattern analysis. It is to provide an electric energy storage system to prevent a fire in advance and a fire prevention method of the electric energy storage system.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기에너지 저장시스템은 다수의 리튬배터리랙에 적재된 복수의 리튬배터리모듈과, 상기 복수의 리튬배터리모듈을 구성하는 리튬배터리 셀에서 발생하는 전해질배출가스(EOG)를 감지하는 EOG 센서모듈, 및 상기 복수의 리튬배터리모듈의 관리, 충전 및 방전 동작을 제어하는 리튬배터리관리시스템으로 구성된 리튬배터리시스템; 상기 리튬배터리관리시스템을 제어하며 원격감시시스템에 데이터 및 정보를 제공하는 전력변환시스템; 및 상기 EOG 센서모듈의 데이터를 송신 받아 저장 및 관리하는 원격감시시스템;을 포함하는 것을 특징으로 한다.The electrical energy storage system of the present invention for achieving the above object is a plurality of lithium battery modules loaded in a plurality of lithium battery rack, and the electrolyte discharge gas generated in the lithium battery cell constituting the plurality of lithium battery module ( A lithium battery system comprising an EOG sensor module for sensing EOG, and a lithium battery management system for controlling the management, charging and discharging operations of the plurality of lithium battery modules; A power conversion system that controls the lithium battery management system and provides data and information to a remote monitoring system; And a remote monitoring system that receives, stores and manages the data of the EOG sensor module.
상기 리튬배터리랙은 리튬배터리모듈의 리튬배터리 셀에서 발생하는 EOG를 포집하기 위한 다수개의 노즐, 및 상기 다수개의 노즐을 통해 EOG를 모으는 EOG 포집관을 포함하는 것을 특징으로 한다.The lithium battery rack is characterized in that it comprises a plurality of nozzles for collecting EOG generated in the lithium battery cell of the lithium battery module, and an EOG collecting tube for collecting EOG through the plurality of nozzles.
상기 EOG 센서모듈은 노즐로부터 흡입된 EOG 저항값의 증감추세를 계측하는 EOG 센서와, 리튬배터리랙의 온도 및 습도를 감지하는 온습도 센서와, 상기 EOG 센서로부터 측정한 EOG 저항값을 농도로 환산 및 저장을 수행하는 중앙처리부와, EOG 센서모듈에 전원을 공급하는 전원부와, 상기 EOG 감지 정보를 원격감지시스템의 EOG 감시진단부로 EOG 감지 정보를 송신하는 통신부, 및 1차 사전 교정으로 EOG 센서에 대해 해당 리튬배터리의 합성 전해질 농도로 초기 교정 및 주기적 교정을 수행하고, 2차 주변 온도의 변화에 따른 EOG 센서의 히터 구동전압을 제어하는 교정을 수행하며, 3차 주변 상대습도(RH)의 변화에 따른 측정한 EOG 센서의 저항값과 농도에 대해 교정을 수행하는 교정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The EOG sensor module converts the EOG resistance value measured by the EOG sensor to measure the increase and decrease of the EOG resistance value sucked from the nozzle, the temperature and humidity sensor for sensing the temperature and humidity of the lithium battery rack, and the EOG resistance value measured from the EOG sensor into concentration and A central processing unit that performs storage, a power unit that supplies power to the EOG sensor module, a communication unit that transmits the EOG detection information to the EOG monitoring diagnosis unit of the remote sensing system, and a first pre-calibration for the EOG sensor Perform initial calibration and periodic calibration with the concentration of the synthetic electrolyte in the lithium battery, perform calibration to control the heater driving voltage of the EOG sensor according to the change in the secondary ambient temperature, and change the relative humidity (RH) in the tertiary ambient. It characterized in that it comprises a calibration unit for performing a calibration for the measured resistance and concentration of the EOG sensor.
상기 EOG 센서모듈은 리튬배터리랙별 감시용 EOG 센서모듈과 리튬배터리랙별 이외에 참조용 EOG 센서모듈을 설치하여 EOG 허용치 이벤트가 발생했을 때 상호간 농도값과 유사 파형패턴을 비교 분석하여 EOG 감지 판정하는 것을 특징으로 한다.The EOG sensor module installs the EOG sensor module for monitoring by lithium battery rack and the reference EOG sensor module for each lithium battery rack, and compares and analyzes concentration values and similar waveform patterns between EOG tolerance values to determine EOG detection when an EOG tolerance event occurs. Is done.
상기 원격감시시스템은 서버를 통해 전력관리감시부와 EOG 감시진단부를 통합하여 운영하는 것을 특징으로 한다.The remote monitoring system is characterized by operating the power management monitoring unit and the EOG monitoring diagnosis unit through a server.
상기 EOG 감시진단부는 다수의 EOG 센서모듈의 데이터를 수신하고, 감시용 EOG 센서모듈과 참고용 EOG 센서모듈의 감시 데이터에 의한 EOG 농도 및 장기 경향 데이터를 감시하는 감시모듈과, 상기 EOG 허용치가 초과된 감시용 EOG 센서모듈의 농도값과 인접 리튬배터리랙의 감시용 EOG 센서모듈 및 참고용 EOG 센서모듈의 농도값을 비교 분석하는 분석모듈과, 측정한 각 EOG 농도값을 기준으로 리튬배터리랙의 시간별, 위치별 가중치에 따른 농도크기를 상호 비교하여 자동 판정하는 진단모듈과, 단계별 비상경보와 실행상태를 감시하는 비상보호모듈, 및 각 EOG 센서모듈과의 통신 프로토콜을 맞추고 원격감시시스템과 통합하는 관리모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.The EOG monitoring and diagnosis unit receives data from a plurality of EOG sensor modules, and a monitoring module for monitoring EOG concentration and long-term trend data by monitoring EOG sensor module and reference EOG sensor module monitoring data, and the EOG tolerance is exceeded. The analysis module compares and analyzes the concentration value of the monitored EOG sensor module and the concentration of the adjacent EOG sensor module for monitoring and the reference EOG sensor module of the adjacent lithium battery rack, and the lithium battery rack based on the measured EOG concentration value. The diagnostic module automatically compares the concentration size according to the weight for each hour and location, the emergency protection module that monitors the emergency alarm and execution status for each stage, and matches the communication protocol with each EOG sensor module and integrates it with the remote monitoring system. It characterized in that it comprises a management module.
또한, 본 발명의 전기에너지 저장시스템의 화재예방 방법은 EOG 센서모듈들로부터 EOG 허용치가 발생하면 원격감시시스템의 EOG 감시진단부에서 모든 채널의 Raw 데이터를 이벤트 종료시까지 집중 저장하며 분석을 진행하는 단계와, 모든 채널의 데이터를 시간별, 위치별 가중치에 따른 농도크기를 상호 비교하여 자동 판정하여 1단계 EOG 발생 주의보를 발령하는 단계와, 상호 비교한 데이터에 문제가 없다면 원인을 제거하고 정상 감시모드로 복귀하는 단계로 이루어진 1단계; 상기 EOG 감시진단부로부터 EOG 발생 주의보가 발령되면 EOG 감시진단부의 지능형 EOG 판정 알고리즘이 가동되는 단계와, 감시하는 모든 센싱 데이터의 파형패턴을 기존 라이브러리에 저장되어 있는 유사파형패턴과 노이즈 파형패턴을 상호 비교하며 지능형 검출 판정 알고리즘을 수행하는 단계와, EOG 파형패턴법에 의거하여 EOG 감지 판정이 되면 EOG 비상경보를 발령하는 단계로 이루어진 2단계, 및 상기 EOG 감시진단부로부터 EOG 비상경보가 발령되면 전기에너지 저장시스템의 각 구성품별 비상정지 모드가 실행되는 단계와, 관리자에게 SMS 또는 이메일로 통보하는 단계와, 비상정지 모드가 실행된 후 리튬배터리 및 리튬배터리모듈별 정밀조사를 실행하여 이상상태에 대한 조치를 실행하는 3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the fire prevention method of the electrical energy storage system of the present invention, when an EOG tolerance value is generated from the EOG sensor modules, the EOG monitoring diagnosis unit of the remote monitoring system intensively stores raw data of all channels until the event ends and proceeds with the analysis. Wow, the data of all channels are automatically judged by comparing the concentration size according to the weight for each hour and location, and the first step EOG warning is issued. If there is no problem with the data compared with each other, remove the cause and return to the normal monitoring mode. Step 1 consisting of returning; When an EOG occurrence advisory is issued from the EOG monitoring diagnosis unit, the EOG monitoring diagnosis unit intelligent EOG determination algorithm is activated, and the waveform pattern of all the sensing data to be monitored is similar to the noise waveform pattern stored in the existing library. Comparing and performing an intelligent detection and determination algorithm, and a second step comprising the step of issuing an EOG emergency alarm when the EOG detection is determined based on the EOG waveform pattern method, and postings when an EOG emergency alarm is issued from the EOG monitoring and diagnosis unit. The emergency stop mode for each component of the energy storage system is executed, the step of notifying the administrator via SMS or e-mail, and after the emergency stop mode is executed, the lithium battery and the lithium battery module are subjected to a detailed investigation to check for abnormal conditions. Characterized in that it comprises a; three steps to execute the action.
상기 1단계와 2단계에서 EOG 감지 판정이 되지 않으면 원인을 제거하고 정상 감시모드로 복귀하는 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.If the EOG detection determination is not made in steps 1 and 2, the method may further include removing the cause and returning to the normal monitoring mode.
상기와 같이, 본 발명에 따르면 리튬배터리의 이상 상황에 의해 발생하는 전해질배출가스를 정확히 감지 및 분석하여 화재를 사전에 예방함으로써 전기에너지 저장 시스템을 안전하게 설치 및 운전할 수 있는 장점이 있다. As described above, according to the present invention, it is possible to accurately install and operate the electric energy storage system by accurately detecting and analyzing the electrolyte discharge gas generated by the abnormal situation of the lithium battery to prevent a fire in advance.
도 1은 본 발명에 따른 EESS의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 EOG 센서모듈의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 EOG 센서모듈의 교정부 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 주변 온도 변화에 따른 EOG 센서의 히터 구동전압 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 EOG 센서모듈의 배치도이다.
도 6은 본 발명에 따른 원격감시시스템의 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 EESS의 화재예방방법의 흐름도이다.1 is a configuration diagram of an EESS according to the present invention.
2 is a configuration diagram of the EOG sensor module according to the present invention.
3 is a configuration diagram of a calibration unit of the EOG sensor module according to the present invention.
Figure 4 is a heater driving voltage graph of the EOG sensor according to the ambient temperature change according to the present invention.
5 is a layout view of the EOG sensor module according to the present invention.
6 is a configuration diagram of a remote monitoring system according to the present invention.
7 is a flowchart of a fire prevention method of EESS according to the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.
그러면 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전기에너지 저장시스템 및 전기에너지 저장시스템의 화재예방방법에 대하여 설명하기로 한다. Then, the electric energy storage system and the fire prevention method of the electric energy storage system according to an exemplary embodiment of the present invention will be described.
도 1은 본 발명에 따른 EESS의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 EOG 센서모듈의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 EOG 센서모듈의 교정부 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 주변 온도 변화에 따른 EOG 센서의 히터 구동전압 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 EOG 센서모듈의 배치도이고, 도 6은 본 발명에 따른 원격감시시스템의 구성도이다.1 is a configuration diagram of an EESS according to the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram of an EOG sensor module according to the present invention, FIG. 3 is a configuration diagram of a calibration unit of the EOG sensor module according to the present invention, and FIG. 4 is the present invention The heater driving voltage graph of the EOG sensor according to the change in ambient temperature according to FIG. 5 is a layout diagram of the EOG sensor module according to the present invention, and FIG. 6 is a configuration diagram of the remote monitoring system according to the present invention.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 전기에너지 저장시스템(Electrical Energy Storage System; EESS)은 리튬배터리시스템(100), 전력변환시스템(200) 및 원격감시시스템(300)을 포함하여 구성된다. 1 to 6, the Electric Energy Storage System (EESS) according to the present invention comprises a
상기 리튬배터리시스템(100)은 다수개의 리튬배터리랙(110)에 각각 적재된 복수의 리튬배터리모듈(111)과, 상기 복수의 리튬배터리모듈(111)을 구성하는 리튬배터리 셀에서 발생하는 전해질배출가스(Electrolyte Offering Gas; EOG)를 감지하는 EOG 센서모듈(130)과, 상기 복수의 리튬배터리모듈(111)의 관리, 충전 및 방전 동작을 제어하는 리튬배터리관리시스템(140)으로 구성된다.The
여기서, 상기 리튬배터리랙(110)은 컨테이너와 같은 리튬배터리시스템(100) 내부에 리튬배터리 셀의 전류, 전압을 높이기 위해 직병렬로 콤팩트하게 연결된 리튬배터리모듈(111)로 이루어지며, 이 리튬배터리모듈(111)은 14층 혹은 17층으로 다층 적재될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. Here, the
또한, 상기 리튬배터리랙(110) 내부에는 리튬배터리모듈(111)의 리튬배터리 셀에서 발생하는 EOG를 포집하기 위한 다수개의 노즐(120)과, 상기 다수개의 노즐(120)을 통해 EOG를 모으는 EOG 포집관(121)으로 구성된다.Further, inside the
여기서, 상기 EOG 포집관(121)은 포집된 EOG의 주 이동통로로 리튬배터리랙(110)의 구조에 따라 측면 혹은 앞과 뒤에 세로로 설치할 수 있으며, 상기 노즐(120)의 위치는 리튬배터리랙(110)의 구조에 따라 측면에 2~3개를 필요시 상단부와 하단부에 설치할 수 있다. Here, the EOG collecting
또한, 상기 노즐(120)은 리튬배터리랙(110) 내부에서 방출되는 EOG를 검출하는 종단 흡입구로 노즐(120) 종단부에 그물망 구조의 필터가 있어서 큰 부유물을 통과하지 못하게 하여 센서의 파손을 방지하고 청소 및 관리가 용이하도록 탈착이 쉬운 구조로 되어 있다. In addition, the
한편, 상기 노즐(120) 및 EOG 포집관(121)은 내구성이 강하고 불연 재료이며, 석유화학 유기화합물에 반응하지 않는 금속파이프, 폴리우레탄 호스 및 이와 동등 성능의 재료를 사용할 수 있다.Meanwhile, the
상기 EOG 센서모듈(130)은 EOG 포집관(121)을 통해 모은 EOG를 감지하며, 감지한 정보를 원격감지시스템(300)의 EOG 감시진단부(310)로 전송한다.The
여기서, 상기 EOG 센서모듈(130)은 EOG 센서(131), 온습도센서(132), 중앙처리부(133), 전원부(134), 통신부(135) 및 교정부(136)를 포함한다. Here, the
상기 EOG 센서(131)는 EOG 포집관(121)으로부터 모은 EOG 저항값의 증감추세를 계측한다. 여기서, 상기 EOG 센서(131)는 리튬배터리의 개별 유기성 전해질 용제 가스, 개별 촉매 가스, 그리고 리튬배터리 합성 EOG에 반응할 수 있는 MOS 반도체 타입 혹은 전기화학센서를 사용할 수 있다. The
한편, EOG의 감도는 측정 주변 환경에 따라 많은 영향을 받을 수 있기 때문에 리튬배터리랙(110)의 온도 및 습도를 온습도 센서(132)를 통해 감지한다.On the other hand, since the sensitivity of the EOG can be greatly influenced by the measurement environment, the temperature and humidity of the
상기 중앙처리부(133)는 EOG 센서(131)로부터 측정한 EOG 저항값을 연산부에서 농도로 환산하고 통신부(134)를 통해 원격감지시스템(300)의 EOG 감시진단부(310)로 EOG 감지 정보를 송신한다. 여기서, 상기 통신부(134)는 유선 또는 무선으로 전송하며, 바람직하게는 이더넷 통신으로 전송한다. The
상기 전원부(134)는 리튬배터리시스템(100)과 독립적인 전원을 사용하며 정전 후 자동복귀 기능을 포함한다. The
여기서, 상기 EOG 센서모듈(130)의 전원선과 통신선은 난연성 및 불연성의 케이블을 사용한다. Here, the power line and communication line of the
상기 교정부(136)는 1차 사전 교정(136-1), 2차 주변 온도 교정(136-2), 3차 주변 상대습도(Relative Humidity; RH) 교정(136-3)을 수행하여 EOG 센서(131)의 교정 및 최종 저항값과 농도값에 대해 교정을 수행한다. The
상기 1차 사전 교정(136-1)은 감시하고자 하는 리튬배터리의 합성 EOG 비중에 따른 표준가스를 활용하여 초기 교정 및 주기적 교정을 수행하고, 그 결과를 중앙처리부(133)의 메모리에 저장한다. 예컨대, 리튬배터리 전해질에는 여러 용제가 섞여 있고, 실제 리튬배터리 전해질의 비중과 동일한 합성 전해질 농도의 표준가스로 교정하여 실제 EOG를 감시하여 신뢰도 및 정확도를 높일 수 있다. The first pre-calibration 136-1 performs initial calibration and periodic calibration by using standard gas according to the specific EOG specific gravity of the lithium battery to be monitored, and stores the result in the memory of the
센서별 교정을 위한 합성 전해질 농도(
전해질 비중 EO[%] = E1[%] + E2[%] + ···+ EN[%] Electrolyte specific gravity E O [%] = E 1 [%] + E 2 [%] + ·· + E N [%]
여기서, Vair는 챔버 공간 volume, V는 전해질 volume, D는 개별 용제 비중, M는 개별 용제 분자량이다. Here, V air is the chamber space volume, V is the electrolyte volume, D is the specific solvent specific gravity, and M is the individual solvent molecular weight.
교정에 요하는 상수 αair와 Agas를 식(2)과 식(3)으로 구한다. The constants α air and A gas required for calibration are obtained by equations (2) and (3).
여기서, Cs는 교정 시작 농도, Rs는 교정 시작 센서저항값, Ce는 교정 종료 농도, Re는 교정 종료 센서저항값이다.Here, C s is the calibration start concentration, R s is the calibration start sensor resistance value, C e is the calibration end concentration, and R e is the calibration end sensor resistance value.
합성 전해질 농도(Cn) 대 센서저항값(Rn) 함수는 식(4)로 구한다. The function of the synthetic electrolyte concentration (C n ) versus the sensor resistance (R n ) is obtained by equation (4).
상기 합성 전해질 농도(Cn) 대 센서저항값(Rn) 함수에 따라 실시간으로 EOG를 감시하고, EOG 센서저항값에 해당하는 합성 전해질 농도가 표시되며 이 농도에 의해 EOG 발생여부를 감시한다. The EOG is monitored in real time according to the function of the synthetic electrolyte concentration (C n ) versus the sensor resistance value (R n ), and the synthetic electrolyte concentration corresponding to the EOG sensor resistance value is displayed, and the EOG generation is monitored by the concentration.
상기 2차 주변 온도 교정(136-2)은 리튬배터리랙(110)의 온도에 따른 히터 구동전압을 EOG 센서(131)에 인가한다. MOS 센서들은 정전압 또는 정전류로 동작되는 히터 구동전압이 주변 온도의 급격한 변화에 따라 센서 표면의 동작온도에 동역학적, 열역학적 영향을 미친다. 이에 따라 MOS 센서 동작의 기본인 센서 표면의 전기전도도에 영향을 미치기 때문에 EOG 정밀도에 큰 오차를 야기할 수 있다. 따라서, 주변 온도의 변화에 따라 히터 구동전압을 제어하여 센서 표면을 일정한 온도 및 환경에서 동작되도록 한다. The secondary ambient temperature calibration 136-2 applies a heater driving voltage according to the temperature of the
도 4는 주변 온도 변화에 따른 EOG 센서의 히터 구동전압 그래프이며, 주변 온도의 변화에 따른 센서의 히터 구동전압은 식(5)와 같다. 4 is a graph of the heater driving voltage of the EOG sensor according to the change in ambient temperature, and the heater driving voltage of the sensor according to the change in ambient temperature is as shown in Equation (5).
여기서, α는 주변 온도 증가에 따른 히터 구동전압 감소 경사비, T는 주변 온도, Vo는 0oC에서의 히터 구동전압이다. Here, α is the heater driving voltage decrease slope ratio with increasing ambient temperature, T is the ambient temperature, and V o is the heater driving voltage at 0 o C.
상기 3차 주변 RH 교정(136-3)은 1차와 2차에 걸쳐 교정을 수행한 EOG 센서(131)의 저항값과 농도값에 대해 리튬배터리랙(110)의 RH에 따른 변화량만큼 교정을 수행한다. MOS 센서는 RH의 변화에 따라 센서 표면의 산화, 환원 반응에 영향을 미친다. 기존 RH 대비 변화된 비중만큼 최종 저항값과 농도값으로 교정을 수행하고 이 값에 대해 그래프로 경향을 감시하게 되고 이벤트 발생의 비교값으로 활용된다. The third periphery RH correction (136-3) corrects the resistance and concentration values of the
한편, 상기 리튬배터리시스템(100) 내의 다수의 리튬배터리랙(110) 중 어느 위치에서 EOG가 발생할 경우 실제 감지여부의 신뢰성을 높이기 위해 EOG 센서별 시간적/공간적 농도차를 적절히 감시하면서 EOG 허용치 이벤트가 발생했을 때 상호간 농도값과 저장된 유사패턴을 비교 분석하여 EOG 감지 판정의 정확도를 높일 수 있다.On the other hand, when an EOG occurs at any of the plurality of
따라서, 상기 리튬배터리시스템(100) 내부에 설치되는 EOG 센서모듈(130)은 리튬배터리랙(110)별 감시용(Rack Monitoring; RM)과 참조용(Ref)의 두 가지 용도로 나뉘고 성능은 동일해도 감시데이터의 목적은 위치별 상이하다. 여기서, 상기 감시용 EOG 센서모듈(130A 내지 130C)은 리튬배터리랙(110)별 설치하고, 참조용 EOG 센서모듈(130R)은 청정한 곳과 리튬배터리시스템(100) 전체의 공기질 상황을 감시할 수 있다. 이때, 청정한 곳은 외부의 공기가 주로 유입되는 항온항습기(150)와 급배기장치(160)에 설치하며 리튬배터리시스템(10) 전체의 공기질 상황의 경향성을 감시하기 위해 중앙부에 설치한다. 예로써, 특정 감시용 EOG 센서모듈(130A)에서 EOG 허용치 초과 이벤트가 발생되면 인접한 위치의 감시용 EOG 센서모듈(130B,130C)에서도 작은 값이라도 감지하는 지와 다소 멀리 떨어진 곳에서도 감지하는 지 등을 종합적으로 분석하여 감지 판정의 정확도를 높일 수 있다. Therefore, the
한편, 상기 전력변환시스템(200)은 전력변환을 수행하고, 리튬배터리관리시스템(140)을 제어하고, 전체 시스템을 관리하는 원격감시시스템(300)에 데이터 및 정보를 제공하는 역할을 하며, 화재를 포함한 안전사고가 유발할 가능성이 있으면 리튬배터리관리시스템(140)으로의 전원을 차단하고 안전보호 절차를 수행한다. Meanwhile, the
상기 원격감시시스템(300)은 서버(330)를 통해 전력관리감시부(320)와 EOG 감시진단부(310)를 통합하여 운영한다. 여기서, 상기 전력관리감시부(320)는 종합, PCS, 신재생에너지, BMS, 스케쥴, 전력현황, 경보이력, 환경 등의 감시를 수행하며, 이 기술분야에서 널리 알려진 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.The
상기 EOG 감시진단부(310)는 각각의 EOG 센서모듈(130)의 데이터를 송신 받아 제반 기능을 수행한다. 이때, 상기 EOG 감시진단부(310)는 데이터의 감시, 분석, 진단, 비상보호 및 관리 절차 등의 지능적인 기능 및 알고리즘을 포함하는 모듈 및 S/W이다.The EOG monitoring and
여기서, 상기 EOG 감시진단부(310)는 감시모듈(311), 분석모듈(312), 진단모듈(313), 비상보호모듈(314) 및 관리모듈(315)로 구성된다. Here, the EOG
상기 감시모듈(311)은 다수의 EOG 센서모듈(130)의 데이터를 수신하고, 감시용 EOG 센서모듈(130A 내지 130C)과 참고용 EOG 센서모듈(130R)의 감시 데이터에 의한 EOG 농도 및 장기 경향 데이터를 감시한다. The
상기 분석모듈(312)은 EOG 허용치가 초과된 감시용 EOG 센서모듈(130A)의 농도값과 인접 리튬배터리랙의 감시용 EOG 센서모듈(130B,130C) 및 참고용 EOG 센서모듈(130R)의 농도값을 비교 분석한다. 이때, EOG 파형신호와 노이즈 신호를 비교할 수 있고, EOG 파형신호와 다른 파형이라면 유사파형패턴으로 라이브러리에 등록할 수 있다. The
상기 진단모듈(313)에서는 측정한 각 농도값을 기준으로 리튬배터리랙(110)의 시간별, 위치별 가중치에 따른 농도크기를 상호 비교하여 자동 판정하여 1단계 EOG 발생 주의보를 발령한다. The
상기 비상보호모듈(314)은 단계별 비상경보와 실행상태를 감시한다. The
상기 관리모듈(315)은 각 EOG 센서모듈(130)과의 통신 프로토콜을 맞추고 PMS와 통합할 수 있다. The
도 7은 본 발명에 따른 EESS의 화재예방 방법의 흐름도이다.7 is a flowchart of a fire prevention method of EESS according to the present invention.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 EESS의 화재예방 방법은 먼저, 1단계는 EOG 센서모듈(130)로부터 EOG 허용치가 발생하면(S100), 원격감시시스템(300)의 EOG 감시진단부(310)에서 모든 채널의 로우(Raw) 데이터를 이벤트 종료시까지 집중 저장 및 분석을 진행한다(S110). 이때, 모든 채널의 데이터를 시간별, 위치별 가중치에 따른 농도크기를 상호 비교하여 자동 판정하여(S120) 1단계 EOG 발생 주의보를 발령한다(S130). 만약 상호 비교한 데이터에 문제가 없다면 원인을 제거하고 정상 감시모드로 복귀한다(S140). Referring to Figure 7, the fire prevention method of the EESS according to the present invention first, the first step when the EOG tolerance value from the EOG sensor module 130 (S100), the EOG
이어서, 2단계는 EOG 감시진단부(310)로부터 EOG 발생 주의보가 발령되면(S130) EOG 감시진단부(310)의 지능형 EOG 판정 알고리즘이 가동된다. 감시하는 모든 센싱 데이터의 파형패턴을 기존 라이브러리에 저장되어 있는 유사파형패턴과 노이즈 파형패턴을 상호 비교하며 지능형 검출 판정 알고리즘을 수행한다(S200). Subsequently, in step 2, when an EOG occurrence advisory is issued from the EOG monitoring and diagnosis unit 310 (S130), the intelligent EOG determination algorithm of the EOG monitoring and
여기서, 유사파형이라 함은 EOG 파형의 이벤트 크기에 다다를 수 있는 배터리 내부 및 외부로부터 유입되는 가스 성분의 파형이며, 노이즈로는 전도성 노이즈, 통신유도장해, 급서지 전압/전류에 의한 파형이다. EOG 파형패턴법에 의거하여 EOG 감지 판정이 되면 2단계 EOG 비상경보를 발령한다(S210). EOG 감지 판정이 되지 않으면 원인을 제거하고 정상 감시모드로 복귀한다(S220). Here, the pseudo-waveform is a waveform of gas components flowing from inside and outside of the battery that can reach the event size of the EOG waveform, and the noise is a waveform caused by conductive noise, communication interference, and sudden surge voltage / current. If the EOG detection is determined based on the EOG waveform pattern method, a second-stage EOG emergency alarm is issued (S210). If the EOG detection determination is not made, the cause is eliminated and the normal monitoring mode is returned (S220).
다음으로, 3단계는 EOG 감시진단부(310)로부터 EOG 비상경보가 발령되면(S210) EESS의 각 구성품별 비상정지 모드가 실행된다(S300). 이때, 원격감시시스템은 EESS 각 구성품에 비상정지 명령을 내리고 각 구성품의 상태를 감시하고, PCS(200)는 리튬배터리관리시스템(140)과 계통으로의 충방전 기능을 정지하고 연계된 구성품과 물리적으로 분리시키며, 리튬배터리관리시스템(140)은 리튬배터리랙간, 모듈간 모든 차단기를 동작시키며 퓨즈 차단을 통해 물리적 결합을 분리한다. 리튬배터리시스템(100) 내부에 소화시설이 있다면 언제든지 동작할 수 있는 상태를 갖춘다. 이때, 리튬배터리관리시스템(140)은 리튬배터리시스템(100)의 외형적 상태를 감시한다. 동시에 관리자에게 SMS or e-mail로 통보한다(S310). 비상정지 모드가 실행된 후 후속 조치 실행 절차를 실행한다(S320). 휴대용 분석장비로 EOG 여부를 측정하고 리튬배터리 및 리튬배터리모듈별 정밀조사를 실행하여 이상상태에 대한 조치를 실행하고, 이상 리튬배터리모듈, 리튬배터리랙 및 부품을 교체한 후 EESS의 정상상태 여부를 확인하고 정상운전을 진행한다. 정상운전을 진행하면 3단계 비상보호 절차가 마무리되며 EESS의 화재예방과 수명연장을 달성하게 된다(S330). Next, in step 3, when an EOG emergency alarm is issued from the EOG monitoring and diagnosis unit 310 (S210), an emergency stop mode for each component of the EESS is executed (S300). At this time, the remote monitoring system issues an emergency stop command to each component of the EESS, monitors the status of each component, and the
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.
100: 리튬배터리시스템 110: 리튬배터리랙
111: 리튬배터리모듈 120: 노즐
121: 포집관 130: EOG 센서모듈
131: EOG 센서 132: 온습도 센서
133: 중앙처리부 134: 전원부
135: 통신부 136: 교정부
140: 리튬배터리관리시스템 150: 항온항습기
160: 급배기장치 200: 전력변환시스템
300: 원격감시시스템 310: EOG 감시진단부
320: 전력관리감시부 330: 서버100: lithium battery system 110: lithium battery rack
111: lithium battery module 120: nozzle
121: collection tube 130: EOG sensor module
131: EOG sensor 132: temperature and humidity sensor
133: central processing unit 134: power supply unit
135: communication unit 136: calibration unit
140: lithium battery management system 150: thermo-hygrostat
160: air supply and exhaust device 200: power conversion system
300: remote monitoring system 310: EOG monitoring diagnosis unit
320: power management monitoring unit 330: server
Claims (9)
상기 리튬배터리관리시스템을 제어하며 원격감시시스템에 데이터 및 정보를 제공하는 전력변환시스템; 및
상기 EOG 센서모듈의 데이터를 송신 받아 저장 및 관리하는 원격감시시스템;을 포함하되,
상기 EOG 센서모듈은,
노즐로부터 흡입된 EOG 저항값의 증감추세를 계측하는 EOG 센서와,
리튬배터리랙의 온도 및 습도를 감지하는 온습도 센서와,
상기 EOG 센서로부터 측정한 EOG 저항값을 농도로 환산 및 저장을 수행하는 중앙처리부와,
EOG 센서모듈에 전원을 공급하는 전원부와,
상기 EOG 감지 정보를 원격감지시스템의 EOG 감시진단부로 EOG 감지 정보를 송신하는 통신부, 및
1차 사전 교정으로 EOG 센서에 대해 해당 리튬배터리의 합성 전해질 농도로 초기 교정 및 주기적 교정을 수행하고, 2차 주변 온도의 변화에 따른 EOG 센서의 히터 구동전압을 제어하는 교정을 수행하며, 3차 주변 상대습도(RH)의 변화에 따른 측정한 EOG 센서의 저항값과 농도에 대해 교정을 수행하는 교정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장시스템. A plurality of lithium battery modules loaded in a plurality of lithium battery racks, an EOG sensor module for sensing electrolyte emission gas (EOG) generated in a lithium battery cell constituting the plurality of lithium battery modules, and the plurality of lithium battery modules Lithium battery system consisting of a lithium battery management system for controlling the management, charging and discharging operation of;
A power conversion system that controls the lithium battery management system and provides data and information to a remote monitoring system; And
Including; remote monitoring system that receives, stores and manages the data of the EOG sensor module;
The EOG sensor module,
EOG sensor that measures the increase and decrease of the EOG resistance value sucked from the nozzle,
Temperature and humidity sensor to detect the temperature and humidity of the lithium battery rack,
A central processing unit for converting and storing the EOG resistance value measured from the EOG sensor into a concentration;
A power supply unit that supplies power to the EOG sensor module,
Communication unit for transmitting the EOG detection information to the EOG monitoring diagnosis unit of the remote sensing system EOG detection information, and
As the first pre-calibration, the EOG sensor is initially calibrated and periodically calibrated with the concentration of the synthetic electrolyte in the lithium battery, and the calibration is performed to control the heater driving voltage of the EOG sensor according to the change in the secondary ambient temperature. An electrical energy storage system comprising a calibration unit for calibrating the resistance and concentration of the measured EOG sensor according to the change in the relative relative humidity (RH).
상기 리튬배터리랙은,
리튬배터리모듈의 리튬배터리 셀에서 발생하는 EOG를 포집하기 위한 다수개의 노즐, 및
상기 다수개의 노즐을 통해 EOG를 모으는 EOG 포집관을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장시스템.According to claim 1,
The lithium battery rack,
A plurality of nozzles for collecting EOG generated in the lithium battery cell of the lithium battery module, and
And an EOG collecting pipe for collecting EOG through the plurality of nozzles.
상기 EOG 센서모듈은 리튬배터리랙별 감시용 EOG 센서모듈과 리튬배터리랙별 이외에 참조용 EOG 센서모듈을 설치하여 EOG 허용치 이벤트가 발생했을 때 상호간 농도값과 유사 파형패턴을 비교 분석하여 EOG 감지 판정하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장시스템. According to claim 1,
The EOG sensor module installs the EOG sensor module for monitoring by lithium battery rack and the reference EOG sensor module for each lithium battery rack, and compares and analyzes concentration values and similar waveform patterns between EOG tolerance values to determine EOG detection when EOG tolerance events occur. Electric energy storage system.
상기 원격감시시스템은 서버를 통해 전력관리감시부와 EOG 감시진단부를 통합하여 운영하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장시스템. According to claim 1,
The remote monitoring system is an electric energy storage system characterized by operating the power management monitoring unit and the EOG monitoring diagnosis unit through a server.
상기 EOG 감시진단부는,
다수의 EOG 센서모듈의 데이터를 수신하고, 감시용 EOG 센서모듈과 참고용 EOG 센서모듈의 감시 데이터에 의한 EOG 농도 및 장기 경향 데이터를 감시하는 감시모듈과,
EOG 허용치가 초과된 감시용 EOG 센서모듈의 농도값과 인접 리튬배터리랙의 감시용 EOG 센서모듈 및 참고용 EOG 센서모듈의 농도값을 비교 분석하는 분석모듈과,
측정한 각 EOG 농도값을 기준으로 리튬배터리랙의 시간별, 위치별 가중치에 따른 농도크기를 상호 비교하여 자동 판정하는 진단모듈과,
단계별 비상경보와 실행상태를 감시하는 비상보호모듈, 및
각 EOG 센서모듈과의 통신 프로토콜을 맞추고 원격감시시스템과 통합하는 관리모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장시스템. The method of claim 5,
The EOG monitoring diagnosis unit,
A monitoring module that receives data from multiple EOG sensor modules and monitors EOG concentration and long-term trend data by monitoring EOG sensor modules and reference EOG sensor module monitoring data.
An analysis module that compares and analyzes the concentration value of the monitoring EOG sensor module exceeding the EOG tolerance and the concentration value of the monitoring EOG sensor module and the reference EOG sensor module for the adjacent lithium battery rack,
A diagnostic module that automatically compares and compares the concentration size of each lithium battery rack based on the weight of each lithium battery rack based on the measured EOG concentration value.
Emergency protection module that monitors emergency warning and execution status by stage, and
Electric energy storage system characterized in that it comprises a management module that integrates with the remote monitoring system and matches the communication protocol with each EOG sensor module.
상기 EOG 감시진단부로부터 EOG 발생 주의보가 발령되면 EOG 감시진단부의 지능형 EOG 판정 알고리즘이 가동되는 단계와, 감시하는 모든 센싱 데이터의 파형패턴을 기존 라이브러리에 저장되어 있는 유사파형패턴과 노이즈 파형패턴을 상호 비교하며 지능형 검출 판정 알고리즘을 수행하는 단계와, EOG 파형패턴법에 의거하여 EOG 감지 판정이 되면 EOG 비상경보를 발령하는 단계로 이루어진 2단계, 및
상기 EOG 감시진단부로부터 EOG 비상경보가 발령되면 전기에너지 저장시스템의 각 구성품별 비상정지 모드가 실행되는 단계와, 관리자에게 SMS 또는 이메일로 통보하는 단계와, 비상정지 모드가 실행된 후 리튬배터리 및 리튬배터리모듈별 정밀조사를 실행하여 이상상태에 대한 조치를 실행하는 3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장시스템의 화재예방 방법.When EOG tolerance is generated from the EOG sensor modules, the EOG monitoring and diagnosis unit of the remote monitoring system intensively stores and analyzes the raw data of all channels until the end of the event, and the data of all channels is weighted by time and location. Step 1 consisting of automatically comparing the density of the concentrations to determine the level 1, and issuing an EOG alert, and removing the cause and returning to the normal monitoring mode if there is no problem with the data compared with each other;
When an EOG occurrence advisory is issued from the EOG monitoring diagnosis unit, the EOG monitoring diagnosis unit intelligent EOG determination algorithm is activated, and the waveform pattern of all sensing data to be monitored is similar to the noise waveform pattern stored in the existing library. Comparing and performing an intelligent detection determination algorithm, and a second stage consisting of the step of issuing an EOG emergency alarm when the EOG detection determination is made based on the EOG waveform pattern method, and
When an EOG emergency alarm is issued from the EOG monitoring and diagnosis unit, an emergency stop mode for each component of the electric energy storage system is executed, an SMS or e-mail notification to an administrator, and a lithium battery and an emergency stop mode are executed. A method of preventing fire in an electrical energy storage system comprising: a three-step step of executing an action on an abnormal condition by performing a detailed investigation for each lithium battery module.
상기 1단계와 2단계에서 EOG 감지 판정이 되지 않으면 원인을 제거하고 정상 감시모드로 복귀하는 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장시스템의 화재예방 방법. The method of claim 7,
If the EOG detection determination is not made in steps 1 and 2, the method of preventing the fire of the electric energy storage system further comprises removing the cause and returning to the normal monitoring mode.
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