배터리 기반 에너지 저장이란 무엇이고 분석은 무엇인가?
에너지 저장 배터리 팩 개요
에너지 저장 배터리 팩은 배터리 모듈 또는 배터리 팩이라고도 하며, 직렬 및/또는 병렬로 연결된 여러 개의 단일 셀로 구성되며, 배터리 관리 시스템(BMS)과 보호 기능과 통합되어 독립적이고 충전 가능한 에너지 저장 장치를 형성합니다.
태양광 및 풍력 발전과 같은 재생 에너지 분야에서는 발전량이 간헐적으로 발생하기 때문에, 에너지 저장용 배터리 팩(EPACK)이 잉여 전력을 저장하고 필요 시 방출하여 안정적인 전력 공급을 보장해야 합니다. 재생 에너지의 급속한 성장에 따라 에너지 저장용 배터리 팩에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있습니다. 예를 들어, 대형 태양광 발전소에서는 하나의 배터리 팩이 수 메가와트시의 전력을 저장하여 계통 안정성을 유지할 수 있습니다.
전기차(EV) 산업에서 에너지 저장 팩(PACK)은 차량 주행 거리와 성능을 결정하는 핵심 동력원입니다. 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명으로 현재 EV 동력원으로 가장 많이 사용되고 있습니다. 고급 EV 배터리 팩은 100kWh를 초과하여 500km 이상의 주행 거리를 구현할 수 있습니다.
요약하자면, 에너지 저장 배터리 팩은 재생 에너지 시스템과 전기 자동차에서 중요한 역할을 합니다. 에너지 이용 효율을 높이고, 화석 연료 의존도를 줄이며, 지속 가능한 발전에 적극적으로 기여합니다.
1. 설계 고려 사항 및 사례 분석
1.1 주요 설계 고려 사항
1.1.1 PUW 통풍구를 사용한 방폭 설계로 신속한 압력 완화
리튬 배터리 팩에 열 폭주가 발생하면 내부 압력이 급격히 상승하여 폭발 위험이 발생합니다. PUW 방폭 벤트는 신속한 압력 방출을 통해 심각한 손상을 방지합니다. 수많은 에너지 저장 프로젝트에서 PUW 벤트가 장착된 팩은 열 폭주 사고 발생 시 폭발을 성공적으로 예방하여 인력과 장비의 안전을 보장했습니다.
1.1.2 신뢰성을 보장하기 위한 내부 및 외부 압력 균형 유지
충전/방전 사이클 중 온도 변동은 PACK 내부 압력 변화를 유발합니다. PUW 밸브는 물 유입을 방지하는 동시에 통풍을 제공하여 내부 압력을 주변 압력과 동일하게 유지합니다. 이 기능을 갖춘 PACK은 성능 저하를 줄이고 장기 안정성을 향상시킵니다.
1.1.3 과충전 및 과방전으로부터 보호 기능을 보장하는 배터리 관리 시스템 설계
잘 설계된 BMS는 안전, 모니터링 및 성능 최적화에 필수적입니다. 과충전, 과방전, 과열, 측정 정확도 및 셀 밸런싱을 제어합니다. 고급 BMS 설계는 충전/방전 절차를 정밀하게 관리하여 위험을 최소화할 수 있습니다.
1.1.4 강도, 진동 저항 및 열 관리를 다루는 기계 설계
주요 기계적 고려 사항으로는 강도, 진동 저항성, 가열/냉각, 방수 및 방진 기능이 있습니다. 고강도 소재와 최적화된 구조를 통해 외부 충격에도 내구성이 보장되며, 향상된 방열 기능으로 배터리 수명과 성능이 향상됩니다.
1.1.5 내부 구조 손상을 방지하기 위한 방수 및 방진 설계
액체에 잠긴 리튬 전지는 단락되어 지속적인 방전 및 내부 손상으로 이어질 수 있습니다. PACK 설계는 특히 지진 발생 지역이나 실외 설치와 같은 혹독한 환경에서도 적절한 방수(IP 등급) 및 내진성을 보장해야 합니다.
1.1.6 성능과 수명을 최적화하기 위한 온도 관리
온도는 PACK 구조와 성능에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 과도한 열은 내부 저항, 전압, SOC, 가용 용량, 효율 및 수명에 영향을 미칩니다. 공랭식이나 수랭식과 같은 효과적인 열 관리는 최적의 작동 온도를 유지하는 데 도움이 됩니다.
1.1.7 고전압 절연 및 구조적 강도를 보장하는 재료 선택
절연 및 기계적 강도는 매우 중요합니다. 5~45%의 유리 섬유로 강화된 나일론 소재는 향상된 인장 강도와 내진성을 제공하여 안전한 고전압 작동과 구조적 신뢰성을 보장합니다.
1.2 사례 연구
1.2.1 액체 냉각판 설계 - 특성 및 선택
액체 냉각판은 열 관리에 필수적입니다. 다양한 유형은 성능과 비용 간의 균형을 제공합니다. 고성능 애플리케이션에는 고급 냉각판을 선택하는 반면, 비용에 민감한 시나리오에서는 보다 간단한 솔루션을 선택할 수 있습니다.
1.2.2 LG 에너지 저장 모듈 및 PACK 설계 분석
LG의 디자인은 에너지형 셀과 전력형 셀을 명확하게 구분합니다. 구조적으로 LG는 표준화된 소형 모듈을 더 큰 모듈로 적층하여 다양한 에너지 저장 시스템에 유연성과 확장성을 제공합니다.
1.2.3 PACK 열 설계에 대한 시뮬레이션 및 실험 연구
첨단 연구는 열 시뮬레이션과 물리적 실험을 결합하여 PACK 열 설계를 최적화합니다. 다목적 최적화 접근법은 안전성, 성능 및 비용을 모두 고려하여 열 균일성과 시스템 신뢰성을 향상시킵니다.
2. 구성 요소 및 기술 매개변수
2.1 주요 구성 요소
2.1.1 단일 셀 - 에너지 저장 장치
일반적인 셀 유형으로는 리튬 이온, 납축전지, 니켈수소전지가 있습니다. 리튬 이온 셀은 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명으로 인해 주로 사용됩니다. 납축전지 역시 저비용 애플리케이션에 적합합니다. 니켈수소(NiMH)는 안전에 민감한 특정 분야에서 가치가 있습니다.
2.1.2
배터리 관리 시스템(BMS)
—모니터링 및 보호
BMS는 전압, 전류, 온도를 모니터링하고, 충방전을 제어하며, 과충전, 과방전, 과부하를 방지하고, 밸런싱을 제공합니다. 또한 외부 시스템과의 원격 모니터링 및 통신을 지원합니다.
2.1.3 열 관리 시스템 - 최적 온도 유지
열 시스템(공랭식, 액랭식)은 PACK 온도 균일성을 유지합니다. 고출력 에너지 저장에는 냉각 효율이 높은 액랭식이 선호됩니다. 일반적인 요구 조건은 온도 차이가 5°C 이하입니다.
2.1.4 전기 시스템 - 전력 전송 및 배전
전기 하네스에는 고전압 및 저전압 배선이 포함됩니다. 고전압 케이블은 PACK의 "동맥" 역할을 하고, 저전압 하네스는 신호와 제어 명령을 전달하는 "신경계" 역할을 합니다.
2.1.5 인클로저 및 구조 프레임 - 보호 및 지지
인클로저는 부품을 기계적 충격, 진동, 물, 먼지로부터 보호합니다. 내부 프레임은 구조적 무결성을 보장하고 모든 부품을 안전하게 고정합니다.
2.2 기술적 매개변수
2.2.1 용량 - 저장된 에너지의 측정
Ah 또는 kWh로 측정합니다. 용량이 클수록 저장된 에너지가 더 많습니다. 예: 100kWh 팩은 한 가정에 며칠 동안 전력을 공급할 수 있습니다.
2.2.2 에너지 밀도 - 성능 지표
에너지 밀도가 높을수록 성능은 향상되고 무게와 부피는 줄어듭니다. 고품질 리튬 이온 셀은 200Wh/kg을 초과합니다.
2.2.3 충전/방전 효율 - 에너지 변환 효율
리튬 팩은 일반적으로 90% 이상의 효율을 달성합니다. 효율이 높을수록 에너지 손실과 운영 비용이 낮아집니다.
2.2.4 사이클 수명 - 서비스 수명
최고급 리튬 PACK은 화학적 성질과 응용 분야에 따라 수천에서 수만 회의 사이클을 제공합니다.
2.2.5 안전 - 보호 및 열 관리
안전 기능에는 과충전, 과방전, 단락 보호 및 열 폭주 완화 기능이 포함됩니다. 일부 PACK에는 FK-6 소화제와 같은 화재 진압 시스템이 포함되어 있습니다.
3. 설계 프로세스 및 분석 방법
3.1 설계 프로세스
3.1.1 셀 선택 및 등급
셀은 용량, 내부 저항, 전압의 일관성을 위해 테스트 및 등급 분류를 거쳐야 합니다. 통계에 따르면, 많은 수의 배터리 셀을 테스트하고 등급을 매김으로써 성능과 품질의 일관성을 98% 이상으로 보장할 수 있습니다. 배터리 용량 등급 분류 후,
리튬 이온 셀 등급 분류기
그리고 배터리의 전압과 내부 저항은 다음과 같이 등급이 매겨집니다.
리튬 셀 분류기
배터리 셀은 다양한 성능 수준에 따라 분류하여 보관할 수 있으며, 이후 조립 작업에 대비할 수 있습니다.
3.1.2 셀 조립 및 연결
셀은 용접 또는 압축 방식으로 연결됩니다. 레이저 용접은 정밀성, 열영향부 면적 감소, 낮은 저항, 그리고 다재다능한 재료 용접에 대한 적합성으로 널리 사용됩니다.
3.1.3 BMS 통합
BMS 통합은 모니터링, 통신, 밸런싱 및 보호를 보장합니다. PACK 신뢰성을 위해서는 적절한 교정 및 테스트가 필수적입니다.
3.1.4 인클로저 밀봉 및 열 고려 사항
알루미늄 합금으로 제작된 인클로저는 우수한 기계적 강도, 방열성, 그리고 환경 보호가 필수적입니다. 적절한 장착은 진동을 방지하고 안정적인 작동을 보장합니다.
3.1.5 시스템 테스트 및 품질 관리
테스트에는 성능, 용량, 사이클 수명 및 안전 테스트(과충전, 단락, 충격)가 포함됩니다. 엄격한 테스트를 통해 설계 사양 준수를 보장합니다.
3.2 분석 방법
3.2.1 PACK 정의 이해
PACK은 여러 셀을 직렬/병렬로 연결하고 기계, 열, 전기 시스템을 통합하여 구성됩니다. 핵심 기술로는 구조 설계, 용접 공정, 보호 등급, 능동 냉각 등이 있습니다.
3.2.2 PACK 구성 요소 이해
구성 요소에는 셀 모듈, 전기 시스템, 열 관리, 인클로저, BMS가 포함되며, 각각은 인간의 심장, 신경, 골격, 뇌와 유사한 필수 기능을 수행합니다.
3.2.3 PACK 특성 및 설계 요구 사항 이해
PACK에는 높은 셀 일관성, 적절한 전압/용량 매칭, 균형 잡힌 충전, 전류, 전압, 온도 모니터링이 필요합니다.
3.2.4 PACK 구성 및 제조 방법
직렬은 전압을 높이고, 병렬은 용량을 높입니다. 일반적인 용접 방법에는 레이저 용접, 초음파 용접, 펄스 용접, 탄성 금속 접촉 등이 있습니다. 1P24S와 같은 모델은 직렬로 24개의 셀을 연결하고 병렬로 1개의 셀을 연결합니다.
3.2.5 PACK 성능 사양 이해
정격 전압 = 셀 전압 × 시리즈 수.
정격 에너지 = 용량 × 전압.
사이클 수명과 효율성은 장기적인 성능을 결정합니다.
안전 기능에는 보호 기능과 열 관리 기능이 포함되어 있습니다.
전 세계적으로 청정 에너지로의 전환이 가속화되는 가운데, 에너지 저장 배터리는 미래 전력 시스템 구축의 핵심 축으로 자리 잡았습니다. 재생 에너지 용량이 빠르게 확대되고 전기 자동차의 인기가 높아짐에 따라 에너지 저장 솔루션에 대한 수요가 급증하고 있습니다. 기업과 가정의 피크 감축부터 전력망 주파수 조정 및 백업 전력에 이르기까지 그 활용 분야가 빠르게 다각화되고 있어 이 분야의 전망은 매우 밝습니다.
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