KR102123684B1 - 소화 기능을 갖춘 ess 배터리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 구성은, 화재에 대응하는 소화 기능을 갖춘 ESS 배터리 장치에 있어서: 하우징(11)의 내부에 다수의 셀모듈(15)을 수용하고, 하우징(11) 상에 냉각자켓(13)을 구비하는 본체(10); 상기 본체(10)의 개구에 분리 가능하게 결합되고, 내부에 소화약제를 수용하는 커버(20); 및 상기 셀모듈(15)의 열팽창에 대응하여 냉각제(36)의 분출을 유발하는 보조수단(30);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그러므로, ESS에서 일부의 배터리에 열폭주 현상이 발생되었을 때 방사되는 소화약제가 배터리를 덮어서 냉각효과와 질식효과를 나타내므로 개별적 배터리의 화재 발생 또는 폭발 현상을 조기에 차단하여 심각한 재난으로 발전하지 않도록 하는 효과가 있다.

Description

소화 기능을 갖춘 ESS 배터리 장치 {ESS battery apparatus having fire extinguisher function}
본 발명은 ESS 배터리 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 ESS(Energy Storage System) 사고의 주요 원인으로 지목되고 있는 배터리 화재를 방지하기 위한 소화 기능을 갖춘 ESS 배터리 장치에 관한 것이다.
ESS 배터리 장치는 재생 에너지 등과 연계되면서 지속적인 전기 공급이 가능하여 수요가 급증하고 있기는 하지만, 배터리 모듈 내부에서 단일 셀의 열폭주가 발생하면 인접 셀로 연쇄반응이 일어나 화재가 발생하기도 한다. 배터리 열폭주 현상이란 배터리 시스템 내에서 타 배터리에 비해서 3℃ 이상 상승하는 현상을 말한다. 열폭주가 일어나면 전압이 상승하거나 배터리가 부풀어 오르고 전해액의 온도가 상승하여 끓어오르는 현상이 발생하여 결국에는 화재가 발생하거나 배터리가 폭발하게 된다.
이와 관련한 대책으로서 하기의 한국 등록특허공보 제1706717호, 한국 공개특허공보 제2014-0005236호 등을 검토할 수 있다.
전자는 컨테이너 타입의 에너지 저장시스템에서 배터리모듈의 온도가 일정 이상으로 상승하거나, 배터리모듈에 화재가 발생할 경우 배터리모듈 측에 공급되는 전원을 차단하고, 화재의 번짐을 예방할 수 있도록 함과 아울러, 화재를 조기에 진화시키도록 소화수단이 구비된다. 이에, 차단판 진입, 소화액 공급, 전원 차단 등에 의하여 화재 예방을 기대한다.
후자는 전기화학 에너지 저장 장치들 사이에 각각 분리 부재가 배치되고, 상기 분리 부재는 특정 조건이 주어지거나 또는 발생하는 경우에 상기 분리 부재로부터 화재 억제 물질 또는 소화 약제를 배출할 수 있도록 형성된다. 이에, 분리 부재로 화재 억제 또는 소화 효과 외에도 에너지 저장 장치에 대한 기계적인 보호 작용을 도모하는 효과를 기대한다.
다만, 상기한 선행문헌은 화재시 소화약제의 침투가 원활하지 않거나 화재예방보다 소화에 치중하므로 근본적 해결책으로 미흡한 한계성을 보이고 있다.
한국 등록특허공보 제1706717호 "에너지 저장시스템의 배터리팩 화재예방장치" (공개일자 : 2017.03.09.) 한국 공개특허공보 제2014-0005236호 "복수의 전기화학 에너지 저장 장치로 이루어진 배터리" (공개일자 : 2014.01.14.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, ESS 화재의 주요 원인으로 지목되고 있는 배터리에 열폭주 현상이 발생되었을 때 배터리의 소화약제가 방사되도록 하여 배터리를 덮어서 냉각효과와 질식효과를 나타내어 배터리의 화재 발생 또는 폭발 현상을 방지하는 소화 기능을 갖춘 ESS 배터리 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 화재에 대응하는 소화 기능을 갖춘 ESS 배터리 장치에 있어서: 하우징의 내부에 다수의 셀모듈을 수용하고, 하우징 상에 냉각자켓을 구비하는 본체; 상기 본체의 개구에 분리 가능하게 결합되고, 내부에 소화약제를 수용하는 커버; 및 상기 셀모듈의 열팽창에 대응하여 냉각제의 분출을 유발하는 보조수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 커버는 평판대에서 일정한 패턴으로 융기된 다수의 돌출대를 개재하여 셀모듈의 상단을 가압하고, 각각의 파열막을 통하여 소화용액과 소화분말을 별도로 분출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 보조수단은 프레임과 유연판으로 형성되는 상자형 지지블록으로 각각의 셀모듈을 지지하고, 유연판은 외력에 의한 변형으로 냉각제를 분출하기 위한 파열핀을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 변형예로서, 상기 본체는 하측으로 냉각자켓과 연결 가능한 냉각수단을 더 구비하고, 상기 냉각수단은 베이스의 내부에 냉매관, 냉각모듈, 제어기, 온도센서를 탑재하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, ESS에서 일부의 배터리에 열폭주 현상이 발생되었을 때 방사되는 소화약제가 배터리를 덮어서 냉각효과와 질식효과를 나타내므로 개별적 배터리의 화재 발생 또는 폭발 현상을 조기에 차단하여 심각한 재난으로 발전하지 않도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 전체적으로 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 커버를 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 보조수단을 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 장치의 변형예를 나타내는 모식도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 화재에 대응하는 소화 기능을 갖춘 ESS 배터리 장치에 관하여 제안한다. ESS에는 셀모듈을 겹겹이 쌓아두는 형태로 배터리를 배치하고 있기 때문에 ESS저장 공간에 소화설비를 설치한다고 해도 각각의 배터리에 소화약제가 잘 침투되지 않을 뿐만 아니라 하나의 배터리 이상시 정상적인 배터리도 연쇄하는 폭발하는 특징을 가지고 있어서 각각의 배터리에 대한 소화수단이 필요이다.
본 발명에 따르면 하우징(11)의 내부에 다수의 셀모듈(15)을 수용하는 본체(10)가 하우징(11) 상에 냉각자켓(13)을 구비하는 구조를 이루고 있다. 도 1에서 다수의 셀모듈(15)이 하우징(11)의 길이 방향으로 밀집적으로 배열된 상태를 예시한다. 도시에는 생략하나 하우징(11)의 폭 방향으로 다수의 셀모듈(15)이 단열 또는 복열로 배열될 수 있다. 하우징(11)은 상면에 개구를 지닌 상자형 구조로서, 적어도 4개의 측면에 냉각자켓(13)을 지닌다. 냉각자켓(13)은 별도의 냉각매체를 수용하지 않더라도 방열 기능을 수행한다.
한편, 도시에는 생략하나 냉각자켓(13)의 단부는 플러그로 막을 수 있고, 냉각자켓(13)의 내부에는 방열핀을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 내부에 소화약제를 수용하는 커버(20)가 상기 본체(10)의 개구에 분리 가능하게 결합되는 구조이다. 커버(20)는 셀모듈(15)을 수용한 하우징(11)을 밀폐된 상태로 유지한다. 커버(20)를 분리 가능한 구조로 결합하면 소화약제의 점검과 교체가 용이하다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 커버(20)는 평판대(21)에서 일정한 패턴으로 융기된 다수의 돌출대(22)를 개재하여 셀모듈(15)의 상단을 가압하고, 각각의 파열막(24)을 통하여 소화용액(26)과 소화분말(28)을 별도로 분출하는 것을 특징으로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 커버(20)는 평판대(21)와 돌출대(22)로 구성되고, 돌출대(22)는 사다리꼴 단면 형태로 돌출된다. 돌출대(22)는 저면에서 셀모듈(15)의 상면에 접촉하여 요동을 방지하는 역할을 하면서 소화약제를 방사하는 공간을 형성한다. 돌출대(22)는 적어도 일부 셀모듈(15)의 전극(17) 또는 전극연결판(도시 생략)에 접촉될 수 있다. 이 경우 돌출대(22)가 열폭주에 의하여 파손되면 전원차단의 역할도 수행한다.
도 1에서 소화용액(26)이 돌출대(22) 및 평판대(21)의 일부 영역에 수용되고, 소화분말(28)이 평판대(21)의 나머지 영역에 수용된 상태를 예시한다. 소화용액(26)의 분출을 위해 돌출대(22)의 일부 영역에 설정 온도에서 파열되는 파열막(24)을 설치한다. 소화분말(28)의 분출을 위해 평판대(21)에 같은 방식으로 파열막(24)을 설치한다. 물론 소화용액(26)과 소화분말(28)의 파열막(24)은 파열온도를 차등화하여 순차적인 분출을 유도할 수 있다.
한편, 소화분말(28)은 중탄산나트륨, 중탄산암모늄, 인산나트륨, 인산2수소암모늄, 이산화규소, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘 중에서 선택하여 배합한 분말상을 사용한다. 소화용액(26)은 소화분말(28)을 액상화하면서 점성을 낮추고 내부식성을 높이는 성분을 첨가한다.
또한, 본 발명에 따르면 보조수단(30)이 상기 셀모듈(15)의 열팽창에 대응하여 냉각제(36)의 분출을 유발하는 구조를 이루고 있다. 보조수단(30)은 일부 셀모듈(15)이 발화하기 전에 부풀어 오르는 상태에서 냉각제(36)로 급속한 냉각을 유도한다. 냉각제(36)는 리튬 기반의 셀모듈(15)에 있어서 폴리머, 계면활성제, 에스테르 오일 및 물의 혼합물을 사용할 수 있다. 이러한 냉각제(36)는 냉각자켓(13)을 위한 냉매로 사용할 수 있고 셀모듈(15)에 대한 냉각효과에 더하여 발화시 소화효과도 발휘한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 보조수단(30)은 프레임(31)과 유연판(32)으로 형성되는 상자형 지지블록으로 각각의 셀모듈(15)을 지지하고, 유연판(32)은 외력에 의한 변형으로 냉각제(36)를 분출하기 위한 파열핀(34)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 3을 참조하면, 보조수단(30)의 상자형 지지블록이 I자형 프레임(31) 상에 유연판(32)과 냉각제(36)를 수용한 구조를 예시한다. 프레임(31)은 인접한 셀모듈(15)의 간격을 유지하는 골격 역할을 한다. 유연판(32)은 프레임(31)의 양측으로 접합되고 인접한 셀모듈(15)과 긴밀하게 접촉한다. 유연판(32)의 소재는 외력에 의한 변형이 용이한 알루미늄 판재로 형성할 수 있다. 냉각제(36)는 수지재 포켓을 이용하여 팩 형태로 수용된다. 유연판(32)의 내면에 형성된 파열핀(34)은 냉각제(36)의 수지재 포켓을 뚫어 냉각제 분출을 유발할 수 있다.
도 3(a)와 같이 셀모듈(15)이 정상적으로 작동하는 동안에는 유연판(32)이 평판을 유지하여 파열핀(34)이 아무런 작동을 하지 않는다. 도 3(b)와 같이 셀모듈(15)이 열폭주에 의하여 팽창하게 되면 유연판(32)이 부호 32′처럼 내측으로 변형되고 파열핀(34′)이 작동하여 냉각제(36)의 분출을 유발한다. 물론 이후에 셀모듈(15)이 발화하게 되면 소화용액(26)과 소화분말(28)이 방사되고 기 분출된 냉각제(36)도 소화약제로 작용한다.
본 발명의 변형예로서, 상기 본체(10)는 하측으로 냉각자켓(13)과 연결 가능한 냉각수단(40)을 더 구비할 수 있다. 하나의 하우징(11)에 수용되는 셀모듈(15)의 용량과 수량이 증가하는 경우 별도의 냉각수단(40)을 더 구비하는 것이 바람직하다. 냉각수단(40)은 하우징(11)의 냉각자켓(13)과 연계하여 냉각사이클을 수행할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 냉각수단(40)은 베이스(41)의 내부에 냉매관(42), 냉각모듈(43), 제어기(45), 온도센서(47)를 탑재하는 것을 특징으로 한다.
베이스(41)가 하우징(11)의 저면으로 결합되면 냉매관(42)이 냉각자켓(13)과 연통된다. 냉각모듈(43)은 압축기, 증발기, 팽창밸브, 응축기, 제어기 등을 포함할 수 있다. 제어기(45)는 설정된 조건에서 냉각모듈(43)을 가동하여 냉각자켓(13)을 통한 냉각을 수행한다. 온도센서(47)는 하우징(11)의 일부 영역에 복수로 설치되어 셀모듈(15)의 열폭주를 감지한다. 이와 같은 구성의 냉각수단(40)은 셀모듈(15)에 의한 열폭주를 방지하여 화재 예방에 일조한다.
작동의 일예로서, 하나의 하우징(11)에서 특정 셀모듈(15)이 과부하 등의 원인으로 부풀기 시작하면, 유연판(32)의 변형으로 파열핀(34)이 냉각제(36)를 유출시켜 냉각하고, 셀모듈(15)의 발화가 진행되어 파열막(24)이 파열되면 소화용액(26)과 소화분말(28)이 순차적으로 방사되어 냉각과 소화를 진행한다. 물론 파열막(24)의 파열로 돌출대(22)의 파손이 유발되면 전극(17)의 연결이 해제되어 전원을 차단하는 것도 가능하다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 본체 11: 하우징
13: 냉각자켓 15: 셀모듈
17: 전극 20: 커버
21: 평판대 22: 돌출대
24: 파열막 26: 소화용액
28: 소화분말 30: 보조수단
31: 프레임 32: 유연판
34: 파열핀 36: 냉각제
40: 냉각수단 41: 베이스
42: 냉매관 43: 냉각모듈
45: 제어기 47: 온도센서

Claims (4)

  1. 화재에 대응하는 소화 기능을 갖춘 ESS 배터리 장치에 있어서:
    하우징(11)의 내부에 다수의 셀모듈(15)을 수용하고, 하우징(11) 상에 냉각자켓(13)을 구비하는 본체(10);
    상기 본체(10)의 개구에 분리 가능하게 결합되고, 내부에 소화약제를 수용하는 커버(20); 및
    상기 셀모듈(15)의 열팽창에 대응하여 냉각제(36)의 분출을 유발하는 보조수단(30);을 포함하여 이루어지되,
    상기 커버(20)는 평판대(21)에서 일정한 패턴으로 융기된 다수의 돌출대(22)를 개재하여 셀모듈(15)의 상단을 가압하고, 각각의 파열막(24)을 통하여 소화용액(26)과 소화분말(28)을 별도로 분출하고,
    상기 보조수단(30)은 프레임(31)과 유연판(32)으로 형성되는 상자형 지지블록으로 각각의 셀모듈(15)을 지지하고, 유연판(32)은 외력에 의한 변형으로 냉각제(36)를 분출하기 위한 파열핀(34)을 구비하며,
    상기 본체(10)는 하측으로 냉각자켓(13)과 연결 가능한 냉각수단(40)을 더 구비하고, 상기 냉각수단(40)은 베이스(41)의 내부에 냉매관(42), 냉각모듈(43), 제어기(45), 온도센서(47)를 탑재하는 것을 특징으로 하는 소화 기능을 갖춘 ESS 배터리 장치.
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