JP7446661B2 - 火災鎭圧手段を含むバッテリーパック - Google Patents

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Description

本出願は２０２０年０５月１３日付の韓国特許出願第２０２０－００５７０３５号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容はこの明細書の一部として含まれる。
本発明はエネルギー排出手段及び消火手段を備えて安全性が強化したバッテリーパックに関する。
スマートフォン、ノートブック型コンピュータ、デジタルカメラなどのモバイル機器に対する技術開発及び需要が増加するのに伴って充放電の可能な二次電池に対する技術の開発が活発になっている。また、二次電池は、大気汚染物質を誘発する化石燃料の代替エネルギー源であり、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐ－ＨＥＶ）、及びエネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ）などに適用されている。
エネルギー貯蔵装置（ＥＳＳ、Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）は過剰に生産された大容量の電力をバッテリーに貯蔵した後、必要の際に電力を取り出して使えるようにする装置であり、新材生エネルギー発電と連結して電力の品質を一様に維持し、電力使用量の低い時間に電力を貯蔵し、電力需要の高い時間に貯蔵された電力を使うことにより、電力使用の効率を高める役割などを果たしている。このようなＥＳＳは、大別してグリドシステムＥＳＳ、無停電電源装置（ＵＰＳ）、家庭用ＥＳＳなどに区分することができる。
現在広く使われている二次電池の種類には、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などがある。このような単位二次電池セル、すなわち単位バッテリーセルの作動電圧は約２．０Ｖ～５．０Ｖである。したがって、これより高い出力電圧が要求される場合、複数のバッテリーセルを直列に連結してセルモジュールアセンブリーを構成するか、またはセルモジュールアセンブリーを要求される出力電圧または充放電容量によって直列または並列に連結してバッテリーモジュールを構成することもできる。このように、少なくとも一つのバッテリーモジュールを用いて追加的な構成要素を付け加えてバッテリーパックを製作することが一般的である。
しかし、リチウム二次電池は、発熱による爆発、火災などの危険性があるので、安全性を確保することが重要な課題の一つである。このような異常現象発生の際、初期に適切に対応することができなければ、発熱によって二次電池の内部温度が急激に上昇し、温度の急激な上昇によって熱暴走現象（ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ）を引き起こすことにより、二次電池の爆発にまでつながることができ、隣接した二次電池に伝播されてバッテリーパックに大きな被害が発生することができる問題点がある。一方、バッテリーパックの安全性を確保するために、バッテリーパック内のリチウム二次電池の冷却や断熱を実施する方案を適用することもあるが、このような方案のみでは異常現象発生の際に高いエネルギー密度を有するリチウム二次電池で発生する熱エネルギーを負うことができない問題点がある。
本発明は、前記のような問題点を解決するために、バッテリーパックの内部にエネルギー排出手段及び消火手段を備えるバッテリーパックを提供することを目的とする。
前記のような目的を達成するための本発明によるバッテリーパックは、バッテリーセルで火災や発熱などの異常現象が発生するとき、隣接したバッテリーセルに火災や熱が伝播されることを防止する手段を含むバッテリーパックであって、複数のバッテリーセルと、前記複数のバッテリーセルを収容するケースと、前記異常現象発生の際、前記バッテリーパックのエネルギーを排出するエネルギー排出手段と、作動温度以上でエアロゾルを放出して前記バッテリーパックの内部で発生する火炎を消火する消火手段とを含むことを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーパックは、複数のバッテリーセルがバッテリーパック内に２個以上に区画されて収容されることを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーパックは、エネルギー排出手段が高い電気抵抗を有する抵抗体及び作動スイッチを含むことを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーパックは、エネルギー排出手段が区画のうちの一区画にのみ設けられることを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーパックは、エネルギー排出手段が区画当たり一つずつ設けられることを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーパックは、バッテリーパックの全般的な管理及び前記エネルギー排出手段の作動を制御する制御部をさらに含むことを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーパックは、消火手段がエネルギー排出手段の抵抗体に隣接して位置することにより、異常現象発生の際、抵抗体で発生する熱エネルギーを用いて作動温度に到逹することを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーパックは、消火手段が、消火薬剤、冷却部及びノズルを含むことを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーパックは、消火薬剤が作動温度以下で固体形態であり、作動温度以上でエアロゾル形態として噴射されるＡＦＣ（ａｅｒｏｓｏｌ ｆｏａｍｉｎｇ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）であることを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーパックは、ＡＦＣが、硝酸カリウム（Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ Ｎｉｔｒａｔｅ）、硝酸ストロンチウム（Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｎｉｔｒａｔｅ）、及び硝酸マグネシウム（Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｎｉｔｒａｔｅ）のうちのいずれか１種以上を含むことを特徴とする。
また、本発明によるバッテリーパックは、エネルギー排出手段及び消火手段がケースの内部に位置することを特徴とする。
また、本発明によるデバイスは、少なくとも一つ以上の本発明によるバッテリーパックを含むことを特徴とする。
本発明のバッテリーパックは、エネルギー排出手段及び消火手段を備えることで、バッテリーパック内の特定のバッテリーセルで発熱や火災などの異常現象が発生するとき、速やかにバッテリーセルのエネルギーを排出し、火災を鎮圧することにより、隣接したバッテリーセルに熱暴走現象が伝播されることを抑制することができる利点がある。
また、本発明のバッテリーパックは、異常現象発生の際、エネルギー排出手段で発生する熱エネルギーを用いて消火手段を作動させるので、消火手段を作動させるための別途の装置などが必要ではない利点がある。
本発明の一実施例によるバッテリーパックを示す概略図である。 本発明の他の実施例によるバッテリーパックを示す概略図である。 本発明のエネルギー排出手段を示す概略図である。 本発明の消火手段を示す概略図である。
本出願で、「含む」、「有する」または「備える」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、構成要素、部分品またはこれらの組合せが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組合せなどの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解しなければならない。
また、図面全般にわたって類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を使う。明細書全般で、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけではなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むというのは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
以下、本発明によるバッテリーパックについて添付図面を参照して説明する。
図１は本発明の好適な第１実施例によるエネルギー排出手段及び消火手段を含むバッテリーパックの概略図である。
図１を参照してバッテリーパック１０を説明すると、本発明のバッテリーパック１０は、複数のバッテリーセル１００がバッテリーパックケース２００内に２個以上に区画されて収容されている。各区画の間には区画を区分する隔壁５００が位置する。このような隔壁５００としては、必要によって区画間の断熱のための断熱板、バッテリーセル１００で発生する熱を外部に排出するための放熱板、または冷却板などを使うことができる。
一方、複数のバッテリーセル１００を収容した各区画には、図１に示すように、エネルギー排出手段３００及び消火手段４００を備えている。
ここで、エネルギー排出手段３００は、バッテリーパック１０の特定のバッテリーセル１００で異常発熱現象が発生するとき、バッテリーセル１００のエネルギーを熱エネルギーとして放出することにより、異常発熱による熱暴走現象などを抑制してバッテリーパック１０の安全性を高める役割を果たす。
また、消火手段４００はエネルギー排出手段３００に隣接して配置され、異常発熱現象が発生するとき、エネルギー排出手段３００によって排出される熱エネルギーを用いて作動温度に到逹することにより、バッテリーパック１０の内部の火炎を速やかに消火することができるようにする。
図２は本発明の好適な第２実施例によるエネルギー排出手段及び消火手段を含むバッテリーパックの概略図である。
図２のバッテリーパック１０は、エネルギー排出手段３００及び消火手段４００を複数の区画のうちで中間に位置する区画にのみ備えたことを除き、図１のバッテリーパック１０と同一である。
一方、エネルギー排出手段３００を図３に基づいて詳細に説明すれば、エネルギー排出手段３００は、高い電気抵抗を有する抵抗体３１０と、特定の区画のバッテリーセル１００との電気的連結をオン／オフする作動スイッチ３２０とを含む。
抵抗体３１０の電気抵抗は、バッテリーセル１００のエネルギーを速やかに熱エネルギーとして排出することができ、このような熱エネルギーが隣接して位置する消火手段４００を作動させることができる温度を提供することができる範囲内で、公知の抵抗体のうちで選択可能である。
また、作動スイッチ３２０は、必要によって、図３の（ａ）のように回路の一方向にのみ備えることもでき、図３の（ｂ）のように両方向に備えることもできる。
このようなエネルギー排出手段３００は、異常発熱現象が発生すれば、バッテリーパック１０が正常に動作するとき、オフ状態の作動スイッチ３２０がオン状態になってバッテリーセル１００と抵抗体３１０を電気的に連結し、高い電気抵抗を有する抵抗体３１０によってバッテリーセル１００が有する電気エネルギーを熱エネルギーとして排出することにより、異常発熱現象が隣接したバッテリーセル１００に伝播されることを抑制することができる。
また、バッテリーパック１０は制御部（図示せず）をさらに含むことにより、バッテリーパック１０の全般的な管理及び異常発熱現象発生時のエネルギー排出手段３００の作動を制御することができる。
一方、消火手段４００を図４に基づいて説明すると、消火手段４００は、消火薬剤４１０、冷却部４２０及びノズル４３０を含む固体エアロゾル消火装置であることができる。
ここで、固体エアロゾル消火装置とは、特殊成分の固体化合物の燃焼時に発生するエアロゾルのラジカルが火災周辺のＯ、Ｈ、ＯＨの活性ラジカルと反応して連鎖反応を遮断する副触媒効果によって燃焼の連鎖反応を遮断して火災を鎮圧する消火システムである。
具体的に説明すると、作動温度以上で消火薬剤４１０が燃焼するのに伴って消火物質であるエアロゾルが発生し、発生したエアロゾルは冷却部４２０を経ながら人体や設備に無害な適正温度まで冷却され、ノズル４３０を通してエアロゾル粒子（Ａ）として噴射され、噴射されたエアロゾルは前述した副触媒効果によって火災を鎮圧することができる。
また、このような消火手段４００の消火薬剤４１０としては公知の多様な消火薬剤を使うことができる。特に、作動温度以下で固体形態であり、作動温度以上でエアロゾル形態として噴射されるＡＦＣ（ａｅｒｏｓｏｌ ｆｏａｍｉｎｇ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）であることが好ましい。
ＡＦＣの主要成分としては、硝酸カリウム（Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ Ｎｉｔｒａｔｅ）、硝酸ストロンチウム（Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｎｉｔｒａｔｅ）、及び硝酸マグネシウム（Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｎｉｔｒａｔｅ）のうちのいずれか１種以上を含むことが好ましい。ＡＦＣはこのような成分によって分解及び燃焼温度が異なるので、ＡＦＣの作動温度を考慮して、エネルギー排出手段３００に適用される抵抗の大きさ及び仕様を決定することが必要である。
このような作動温度はＡＦＣに含まれる成分によって多様な温度範囲を有することができる。特に、一般的に使われるＡＦＣ及び抵抗体３１０の種類を考慮するとき、３００～１１００℃の範囲であることが好ましい。
また、このようなエネルギー排出手段３００及び消火手段４００を有する本発明のバッテリーパックは、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（Ｐ－ＨＥＶ）、ＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ）などに適用することができる。
以上で本発明の内容の特定部分を詳細に記述したが、当該分野で通常の知識を有する者にこのような具体的技術はただ好適な実施様態であるだけで、これによって本発明の範囲が限定されるものではなく、本発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であるというのは当業者に明らかなものであり、このような変形及び修正も添付の特許請求範囲に属するものであるというのは言うまでもない。
１０ バッテリーパック
１００ バッテリーセル
２００ ケース
３００ エネルギー排出手段
３１０ 抵抗体
３２０ 作動スイッチ
４００ 消火手段
４１０ 消火薬剤
４２０ 冷却部
４３０ ノズル
５００ 隔壁
Ａ エアロゾル粒子

Claims (12)

  1. バッテリーセル（１００）で火災や発熱などの異常現象が発生するとき、隣接したバッテリーセル（１００）に火災や熱が伝播されることを防止する手段を含むバッテリーパック（１０）であって、
    複数のバッテリーセル（１００）と、
    前記複数のバッテリーセル（１００）を収容するケース（２００）と、
    前記異常現象発生の際、前記バッテリーパック（１０）のエネルギーを排出するエネルギー排出手段（３００）と、
    作動温度以上でエアロゾルを放出して前記バッテリーパック（１０）の内部で発生する火炎を消火する消火手段（４００）とを含み、
    前記エネルギー排出手段（３００）は、バッテリーセル（１００）の電気エネルギーを熱エネルギーとして排出するための抵抗体（３１０）を含み、
    前記消火手段（４００）は、前記異常現象発生の際、前記消火手段（４００）を作動させるための別途の装置を要さずに、前記抵抗体（３１０）で発生する熱エネルギーを用いて前記作動温度に到逹する、バッテリーパック（１０）。
  2. 前記複数のバッテリーセル（１００）は、前記バッテリーパック（１０）内に２個以上に区画されて収容される、請求項１に記載のバッテリーパック（１０）。
  3. 前記エネルギー排出手段（３００）は、前記抵抗体（３１０）と特定の区画のバッテリーセル（１００）との電気的連結をオン／オフする作動スイッチ（３２０）を含む、請求項１または２に記載のバッテリーパック（１０）。
  4. 前記エネルギー排出手段（３００）は、前記区画のうちの一区画にのみ設けられる、請求項２に記載のバッテリーパック（１０）。
  5. 前記エネルギー排出手段（３００）は、前記区画当たり一つずつ設けられる、請求項２に記載のバッテリーパック（１０）。
  6. 前記バッテリーパック（１０）の全般的な管理及び前記エネルギー排出手段（３００）の作動を制御する制御部をさらに含む、請求項１～５のいずれか一項に記載のバッテリーパック（１０）。
  7. 前記消火手段（４００）は、前記エネルギー排出手段（３００）の前記抵抗体（３１０）に隣接して位置することにより、前記異常現象発生の際、前記抵抗体（３１０）で発生する熱エネルギーを用いて前記作動温度に到逹する、請求項３に記載のバッテリーパック（１０）。
  8. 前記消火手段（４００）は、消火薬剤（４１０）、冷却部（４２０）及びノズル（４３０）を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のバッテリーパック（１０）。
  9. 前記消火薬剤（４１０）は、前記作動温度以下で固体形態であり、前記作動温度以上でエアロゾル形態として噴射されるＡＦＣ（ａｅｒｏｓｏｌ ｆｏａｍｉｎｇ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）である、請求項８に記載のバッテリーパック（１０）。
  10. 前記ＡＦＣは、硝酸カリウム（Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ Ｎｉｔｒａｔｅ）、硝酸ストロンチウム（Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｎｉｔｒａｔｅ）、及び硝酸マグネシウム（Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｎｉｔｒａｔｅ）のうちのいずれか１種以上を含む、請求項９に記載のバッテリーパック（１０）。
  11. 前記エネルギー排出手段（３００）及び前記消火手段（４００）は、前記ケース（２００）の内部に位置する、請求項１～１０のいずれか一項に記載のバッテリーパック（１０）。
  12. 請求項１～１１のいずれか一項に記載のバッテリーパック（１０）を含む、デバイス。
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