KR102154564B1 - 리튬 전기화학적 발전기의 배터리용 안전장치 - Google Patents
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Abstract
복수의 리튬 전기화학적 발전기를 수용하도록 구성되며, 전기화학적 발전기들의 삽입을 허용하는 개구부(130)를 포함하는 박스(100); 박스의 개구부(130)에 기밀성 있게 위치되도록 설계된 커버(200); 박스(100)의 벽들 또는 커버(200)에 위치되는 벤트형성 개구부(120); 두 개의 개구부(311, 312)를 포함하고, 개구부들 중의 하나(311)는 박스의 벤트형성 개구부(120)에 기밀성 있게 연결되도록 설계된 도관(300); 승객 컴파트먼트의 일 벽의 개구부와 도관의 제2 개구부(312)에 기밀성 있게 위치되도록 설계되고, 임계압력(Ps)에서 찢어지도록 적용되는 일부분(410)을 포함하는 커버부(400);를 포함하고, 박스의 벽들과 커버와 도관과 커버부는 임계압력(Ps)보다 큰 압력에 이르도록 유지되는 방식으로 서로 고정되는 리튬 전기화학적 발전기들의 배터리용 안전장치(1).
Description
본 발명은 리튬 전기화학적 발전기의 배터리에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 리튬 전기화학적 발전기의 배터리용 안전장치에 관한 것이다.
전기화학적 발전기는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전기 생성 장치이다. 화학 에너지는 전기화학적 발전기 내에 위치된 전극들의 적어도 일면에 증착된 전기화학적 활성 화합물(electrochemically active compounds)로 구성된다. 전기 에너지는 전기화학적 발전기의 방전 동안 전기화학적 반응에 의해 생성된다. 용기 내에 위치되는 전극들은 이 전극들과 전기화학적 발전기와 연계된 전기 소비자(electricity consumer) 사이에서 전기 연속성을 보장하는 전류 출력 단자(current output terminals)에 전기적으로 연결된다. 양극 및 음극 전류 출력 단자는 전기화학적 발전기의 용기의 반대 면들(opposite faces)의 벽에 또는 용기의 동일 면(same face)의 벽에 체결될 수 있다.
전기 소비자의 정격 작동 전압의 기능 및 그 소비자에게 제공되도록 계획된 에너지의 양에 따라 수 개의 전기화학적 발전기가 직렬 또는 병렬로 함께 연결될 수 있다. 그리고 나서 전기화학적 발전기들은 일반적으로 박스 또는 커버로 구성되는 하나의 공유 하우징에 놓여지며, 하우징 및 이 하우징이 포함하는 복수의 전기화학적 발전기의 어셈블리는 일반적으로 배터리로 언급된다. 배터리 내에 놓여지는 전기화학적 발전기들 사이의 전기적인 연결의 편의를 위해 양극 및 음극 출력 전류 단자들은 자주 용기의 동일 면의 벽에 고정된다.
배터리의 작동에서의 부조화가 전기화학적 발전기들 중의 하나의 고장(단락, 과부하 등)에 의해, 또는 외부 방해(충격, 온도 증가 등)에 의해, 또는 충전 상태를 관리하는 전기 시스템 또는 배터리의 발전기들의 다른 매개변수의 실패에 의해 야기될 수 있다.
예를 들어, 리튬 전기화학적 발전기가 과부하를 받을 때 발전기의 온도는 상승한다. 이러한 온도 상승은 온도 상승을 더 선호하는 충전 전류에서의 상승을 초래한다. 만일 그 발전기가 방출되는 열을 배출시키기 위해 충분한 냉각 시스템을 갖지 못한다면, 그것은 열 폭주 상태(thermal runaway state)에 있게 된다: 온도 상승은 발전기 자체에 의해 제공된다. 발전기의 온도의 이러한 통제되지 않은 상승은 발전기의 용기 내부에서 가스의 발생 및 팽창을 야기한다. 이러한 팽창은 가스 배출 안전 시스템을 개시시킬 발전기 내부의 내부압력의 상승을 야기할 수 있다. 그 온도가 650℃에 이를 수 있는 고온의 가스가 방출되는 경우, 이 가스는 배터리의 다른 발전기들과 접촉한다. 이에 따라 배터리의 모든 발전기로 퍼지는 열 폭주 현상의 위험이 있고, 이것은 배터리의 총 파괴로 이끈다. 이러한 위험은 리튬이온 타입의 발전기의 경우에 특히 높다.
배터리 시스템만을 사용하는 가스의 냉각을 위한 기술적인 해결책은 알려져 있다. 그러나, 이 해결책은 현재 일반적으로 벤트홀(vent hole)을 포함하는 가스배출 안전시스템의 출력부에서 가스가 충분히 냉각되도록 가스를 충분히 냉각시킬 수 없다. 이에 따라 이러한 불꽃(flames)은 사용자 뿐만 아니라 이 배터리를 갖춘 장비에 위험하다.
본 발명의 목적은 방출되는 가스의 자기 점화(self-ignition)의 위험 뿐만 아니라 한 컴파트먼트(compartment)의 오염을 피하도록 리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스를 수용하여 그 컴파트먼트 외부로 가스를 배출시키는 것을 가능하게 하는 안전장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 아래의 특징을 포함하는 리튬 전기화학적 발전기용 안전장치에 관한 것이다:
- 일 컴파트먼트 내에 놓이도록 설계되고 복수의 리튬 전기화학적 발전기를 수용하도록 구성되며, 복수의 조립 벽(assembled walls)과, 상기 전기화학적 발전기들을 삽입하는 것을 가능하게 하는 개구부를 포함하는 박스;
- 상기 전기화학적 발전기들의 삽입을 허용하는 상기 박스의 개구부에 기밀성 있게 배치되도록 설계된 커버;
- 상기 박스의 벽들 중의 하나 또는 상기 커버에 위치되는 벤트(vent) 형성 개구부;
- 2개의 개구부를 포함하고, 상기 개구부들 중의 하나는 상기 박스의 벤트 형성 개구부에 기밀성 있게 연결되도록 설계된 도관(conduit);
- 상기 컴파트먼트의 일 벽의 개구부와 상기 도관의 제2 개구부에 기밀성 있게 위치되도록 설계되고, 임계압력(the threshold pressure)(Ps)에서 찢어지도록 적용되는 일부분을 포함하는 커버부(covering part);를 포함하고,
상기 박스의 벽들과 상기 커버와 상기 도관과 상기 커버부는 상기 임계압력(Ps)보다 큰 압력에 이르는 가스에 대해 밀봉(sealing)을 보장하도록 서로 고정되며, 상기 리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스와 접촉상태로 될 수 있는 상기 박스와 상기 커버와 상기 도관과 상기 밀봉부(sealing part)의 재료(material)는 상기 리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스를 견디고 적어도 150℃의 온도를 견디기 위한 디멘션(dimension)으로 되는 재료이다.
본 발명에 따른 그와 같은 배터리용 안전장치는 배터리의 엔클로저(enclosure), 즉 배터리를 둘러싸는 상기 박스 및 상기 커버의 압력 변화에 대한 저항력이 있을 뿐만 아니라 자기 점화(self-ignition)가 없고 가스의 통제된 배출을 할 수 있도록 가스 배출을 보장하는 것을 가능하게 한다.
실제로, 본 발명에 의해 가스 배출은 채널화되고, 이에 의해 배터리의 환경 내로의, 예를 들어 비행기 객실 또는 다른 승객실 내로의 가스의 방출을 피하는 것을 가능하게 한다. 그러므로 안전장치의 그와 같은 배치는 가스 방출에 의해 발생되는 과압(overpressure)을 견디는 상태에서 배터리를 밀봉하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 내용에서, "리튬 전기화학적 발전기"는 적어도 하나의 전극을 포함하고, 상기 전극은 리튬을 삽입 및/또는 제거할 수 있는 재료로 구성되거나 금속 리튬으로 구성되는 전기화학적 활성물질을 포함하는 발전기를 언급하는 것이며; 일 실시예에 따라, 상기 리튬 전기화학적 발전기는 리튬 이온 충전지(Li Ion accumulator), 폴리머 리튬 충전지(polymer Li accumulator), 리튬 배터리로 이루어지는 리스트 중으로부터 선택된다. 리튬 배터리의 경우에, 전기화학적 커플(eletrochemical couple)은 예를 들어 Li/SO2Cl2, Li/SOCl2, Li/SO2, Li/MnO2, Li/CFx - MnO2, Li/FeS2, Li/V205, Li/I2, Li/SVO (SVO는 "Silver oxide + vanadium pentoxide"를 나타낸다) 중으로부터 선택된다.
본 발명의 내용에서, "컴파트먼트(compartment)"는 복수의 리튬 전기화학적 발전기가 위치될 수 있는 밀폐된 공간(encolosed space)을 언급한 것이며; 상기 컴파트먼트는 차량 또는 빌딩의 일부일 수 있고; 일반적으로 하나의 컴파트먼트는 사람들, 특히 승객들을 자주 수용하도록 설계되며; 그것은 또한 사람들이 예를 들어 상기 리튬 전기화학적 발전기들이 위치되는 공간에서 모니터링 작업을 수행하기 위해 때때로 통행할 수 있는 장소일 수 있다.
본 발명의 내용에서, "상기 리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스를 견디기 위한 디멘션으로 되는(dimensioned), 상기 리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스와 접촉상태로 될 수 있는 재료"는 상기 커버부가 임계압력(Ps)에서 찢어질 때까지 가스의 소정의 순환을 허용하고 그 환경에 견디도록 충분한 시간 동안 상기 리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스에 대한 저항력을 가진 재료를 언급한 것이며; 본 발명에 따른 안전장치의 다양한 구성요소들(components)에 대한 그와 같은 재료의 선택과 크기조정(sizing)은 재료의 타입과 그 두께 및 배터리의 사양(specifications)의 기능(function)으로서 어떠한 다른 관련 매개변수를 선택하는 방법을 아는 당업자의 일반적인 지식 내에 있는 것이다.
본 발명의 내용에서, "기밀성(gas-tight)"은 리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스가 임계압력(Ps) 위의 압력에 이르기까지 형성되고, 예를 들어 임계압력(Ps)의 1.5배 보다 더 크거나 같은 내부압력, 예를 들어 임계압력(Ps)의 2배와 5배 사이에 포함되는 압력을 견디는 밀봉된 배치(a sealed arrangement)를 언급한 것이다.
모든 기술적으로 실행 가능한 해결책에 따라 조합될 수 있는 다른 실시예들에 따르면:
- 임계압력(Ps)은 0.5 bar와 5 bar 사이에 포함되고, 예를 들어 1 bar보다 크거나 같고, 그리고/또는 2 bar보다 작거나 같다;
- 상기 컴파트먼트의 벽은 항공기 조종석의 일부이고, 임계압력(Ps)은 1 bar와 5 bar 사이에 포함되고, 예를 들어 1.5 bar보다 크거나 같고, 그리고/또는 3 bar보다 작거나 같다; 안전장치의 이러한 배치는 배터리가 비행기에 수용될 때 발생할 수 있는 고도 증가에 관련된 진공을 견디도록 배터리를 둘러싸는 것을 가능하게 한다;
- 상기 도관은 단단한 호스(rigid hose) 또는 단단하게 된 유연한 호스(rigidified flexible hose)이며; 일 실시예에 따르면, 상기 호스는 10 mm와 100 mm 사이에 포함되는 직경과 0.5 m와 3 m 사이에 포함되는 길이를 가진다;
- 상기 박스는 알루미늄 및 그 합금, 스틸, 티타늄 및 그 합금으로 이루어진 리스트 중으로부터 선택되는 재료로 만들어진 복수의 플레이트에 의해 형성되고, 상기 플레이트들은 서로 절곡 및/또는 용접되며; 일 실시예에 따르면, 서로 절곡 및/또는 용접되고, 상기 박스의 개구부 맞은편의 바닥 플레이트와, 제1 두께(e1)로 서로 맞은편에 위치되는 2개의 측면 플레이트와, 제2 두께(e2)로 서로 맞은편에 위치되는 2개의 다른 측면 플레이트와 함께 직육면체 형태로 조립되는 5개의 플레이트가 있고, 상기 벤트형성 개구부는 두께(e2)를 가진 플레이트들 중의 하나에 형성되고, 두께(e1)는 1 mm와 2 mm 사이에 포함되고, 두께(e2)는 두께(e1)의 1.5배와 3배 사이에 형성된다;
- 상기 커버부는 연속적으로 연결되고, 임계압력(Ps)에서 찢어지도록 적용되는 적어도 일부분을 형성하는 얇은 지역들(thin areas)을 포함하며; 또다른 실시예에 따르면, 하나의 얇은 지역은 임계압력(Ps)에서 찢어질 때, 상기 커버부로부터 적어도 부분적으로 떼어질 수 있는 일부(a part) 주위에서 폐곡선(closed curve)을 형성한다; 일 실시예에 따르면, 폐곡선을 형성하는 상기 얇은 지역은 예를 들어 V 형상 또는 U 형상의 슬롯이다;
- 상기 커버부는 접착제들(bonds)에 의해 서로 연결되는 복수의 재료로 만들어지고, 적어도 하나의 접착제는 임계압력(Ps)에서 찢어질 수 있다;
- 상기 안전장치는 또한 상기 도관을 냉각시키기 위한 장치를 포함한다.
본 발명은 또한 외부로 개방되어 형성된 개구부를 가진 벽에 의해 외부로부터 분리되는 승객 컴파트먼트와, 상기 컴파트먼트에 위치되고 상기 커버부가 상기 개구부에 기밀성 있게 고정되는 전술된 안전장치를 포함하는 차량(vehicle)에 관한 것이다. 일 실시예에 따르면, 상기 차량은 항공기, 철도 운송수단, 도로 운송수단, 바다 또는 강 운송수단으로 이루어진 리스트로부터 선택된다. 이것들은 동적인 적용(mobile applications)으로서 언급된 것이다. 이러한 타입의 장치에서, 외부는 일반적으로 상기 차량을 둘러싸는 야외(open air)로 이루어진다. 그렇지만 외부는 리튬 전기화학적 발전기에 의해 방출되는 가스를 수용하기 위해 형성된 한정된 공간으로 이루어질 수도 있다.
본 발명은 또한 외부로 개방되어 형성된 개구부를 가진 벽에 의해 외부로부터 분리되는 일 컴파트먼트와, 상기 컴파트먼트에 위치되고 상기 커버부가 상기 개구부에 기밀성 있게 고정되는 전술된 안전장치를 포함하는 빌딩에 관한 것이다. 이에 따라 상기 컴파트먼트는 상기 리튬 전기화학적 발전기 배터리가 수용되는 부분(the part)으로서 정의된다. 이것들은 정적인 적용(static applications)으로서 언급된다. 상기 외부는 리튬 전기화학적 발전기에 의해 방출되는 가스를 수용하기 위해 형성된 제2 룸(또는 한정된 공간) 또는 상기 배터리가 수용되는 룸을 둘러싸는 야외(open air)로 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한 가스가 상기 박스에 위치되는 상기 전기화학적 발전기들에 의해 배출되는 경우, 상기 가스가 임계압력(Ps)에 도달할 때 상기 가스가 상기 도관에서 냉각되고 임계압력(Ps)에서 찢어지도록 설계된 상기 커버부의 상기 일부분의 찢어짐을 발생시키는 전술된 안전장치를 구현하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 리튬 전기화학적 발전기의 배터리용 안전장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기화학적 발전기 배터리용 박스와 커버의 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전기화학적 발전기 배터리용 박스의 구성요소들의 개략도이다.
도 4 및 도 5는 도 1에 도시된 안전장치의 커버부의 개략도이다.
상기의 여러 도면에서, 유사한 요소들은 동일한 참조부호를 사용하여 지정된다. 더욱, 상기 여러 요소들은 본 발명의 이해를 용이하게 하도록 반드시 축척으로 나타낸 것이 아니다.
도 2는 도 1에 도시된 전기화학적 발전기 배터리용 박스와 커버의 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전기화학적 발전기 배터리용 박스의 구성요소들의 개략도이다.
도 4 및 도 5는 도 1에 도시된 안전장치의 커버부의 개략도이다.
상기의 여러 도면에서, 유사한 요소들은 동일한 참조부호를 사용하여 지정된다. 더욱, 상기 여러 요소들은 본 발명의 이해를 용이하게 하도록 반드시 축척으로 나타낸 것이 아니다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 박스(100)와 커버(200)와 도관(300)을 포함하는 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치(1)에 관한 것이다. 이 리튬 전기화학적 발전기들은 정격 사용(rated use) 동안 본질적으로 밀봉된다. 그렇지만, 상기 발전기들은 고장 또는 부적절한 사용의 경우에 고온의 가스를 배출할 수도 있다.
박스(100)는 복수의 리튬 전기화학적 발전기를 수용하도록 구성되는 컴파트먼트에 위치되도록 설계된다. 상기 박스 안에 위치되는 전기화학적 발전기들의 전극들은 이 전극들과 상기 전기화학적 발전기가 연계되는 전기 소비자 사이에서 전기적인 연속성을 보장하는 전류 출력단자들에 전기적으로 연결된다. 본 경우에서는 상기 전류 출력단자들은 커버(200)에 위치된다.
박스(100)는 또한 상기 박스를 접지시키는 것을 가능하게 하는 스터드(102, 104)를 포함하고; 이 스터드들은 전기화학적 발전기의 상기 박스의 대향면들의 벽들에, 또는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 박스의 동일면의 벽에 고정될 수 있다.
더욱, 상기 박스는 도 3에 도시된 바와 같이 조립되는 복수의 벽(111, 112, 113, 114, 115)을 포함한다. 상기 박스는 또한 상기 벽들 중의 하나에 있는 제1 벤트형성 개구부(vent-forming opening)(120)와, 전기화학적 발전기들의 삽입을 허용하는 제2 개구부(130)를 포함한다.
커버(200)는 전기 발전기들의 삽입을 허용하는 상기 박스의 제2 개구부(130)에 기밀성 있게 배치되도록 설계된다.
이러한 목적을 위해, 가스에 대한 밀봉을 보장하는 상태에서 상기 박스와 상기 커버 사이의 강력한 체결을 확보하도록 연결수단(106)이 커버(200)와 박스(100) 사이에서 박스의 제2 개구부(130) 주위에 배치된다.
도 3을 참조하면, 연결수단(106)은 예를 들어 박스(100)와 커버(200) 사이에서 안정적인 체결을 확보하는 복수의 체결수단에 의해 관통되는 보강 프레임을 구비한다. 바람직하게, 상기 체결수단은 나사들이다. 더욱, 연결수단(106)은 가스에 대한 확실한 밀봉을 확보하도록 배치된 씰(seal)을 구비한다.
그와 같은 배치는 과압에 대한 저항력 뿐만 아니라 우수한 밀봉을 보장하는 것을 가능하게 한다. 더욱, 체결수단으로서 나사의 사용은 장치의 분해를 가능하게 하는 상태에서 신뢰성 있는 체결을 확보한다.
과압에 대한 저항력 뿐만 아니라 우수한 밀봉을 보장하는 상태에서 상기 커버와 상기 박스 사이에서 경계면(interface)을 형성하도록 다른 연결수단이 고려될 수 있다. 이 경계면은 용접, 스트랩(straps), 로크 시스템(lock system), 예를 들어 토글 래치(toggle latches)로 알려진 스위칭 가능한 로킹 시스템(switchable locking system)에 의해 만들어질 수 있다.
도관(300)은 2개의 개구부(311, 312)를 포함하고, 개구부들 중의 한 개구부(311)는 상기 박스의 제1 벤트형성 개구부(120)에 기밀성 있게 연결되도록 설계된다.
이 도관은 전기화학적 발전기들을 통합하는 장비 외측으로 가스를 배출하는 것을 가능하게 한다.
상기 도관은 바람직하게 금속, 합성물 또는 엘라스토머(elastomer)이고 불소화 가스(fluorinated gases)에 대해 저항력이 있고 200℃의 온도에 견디는 재료로 만들어진다. 물론, 그 재료가 열을 더 많이 전도할수록 가스의 냉각은 더 좋게 될 것이며, 냉각은 자연 대류에 의해 전해지는 열교환 용량에 관한 것이다.
또한, 상기 도관에서 순환하는 가스의 이러한 냉각은 예를 들어 강제 대류에 의해, 즉 상기 도관에 걸쳐서 펄스 냉기 유동을 보냄으로써, 또는 교환기 타입의 또다른 냉각수단, 예컨대 액체 냉각순환에 의해 최적화될 수도 있다.
유리하게, 도관(300)은 단단한 호스 또는 단단하게 된 유연한 호스이다.
"단단한 호스(rigid hose)"는 표준 사용 조건 하에서 변형시킬 수 없는, 예를 들어 손으로 호스를 비틀려고 시도한다면 크게 변형되지 않는 호스를 언급한 것이다; 단단한 호스의 일예는 금속 호스, 예를 들어 그 벽 두께가 0.5 mm에서 5 mm 사이에 포함되는 티타늄 호스이다.
"유연한 호스(flexible hose)"는 쉽게, 예컨대 손으로 구부릴 수 있는 호스를 언급한 것이다. 단단하게 된 유연한 호스는 표준 사용 조건 하에서 변형시키기 어렵게 하는 외측 구조에 의해 단단하게 된 유연한 호스로 이루어진다; 그와 같은 구조는 예를 들어 상기 유연한 호스를 둘러싸는 외장(sheath), 격자(grate), 또는 금속 와이어로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 호스의 직경은 10 mm와 100 mm 사이에 포함되고, 그 길이는 0.50 m와 3 m 사이에 포함된다. 크기조정(sizing)은 전기화학적 요소의 타입과 평균 가스 유량과 벤트의 채널의 직경 및 도관의 길이에 좌우되는 한 요소에 의해 배출되는 가스의 체적과 가스의 온도 사이에서의 절충에서 비롯된다.
상기 도관의 이러한 배치는 상기 박스의 제1 벤트형성 개구부(120)에 기밀성 있게 연결되도록 설계된 개구부(311)의 맞은편의 도관(312)의 단부에서 가스의 충분한 냉각을 확보하는 것을 가능하게 한다.
따라서, 그와 같은 도관은 이 장비가 놓여지는 환경으로의 누설 없이 전기화학적 발전기들을 통합하는 장비의 외부를 향해 가스의 배출을 달성하는 것을 가능하게 한다.
안전장치(1)는 또한 컴파트먼트의 벽의 한 개구부와 상기 도관의 제2 개구부(312) 사이의 경계면에서 정격 작동 동안 기밀성 있게 위치되도록 설계된 커버부(400)를 구비한다. 커버부(400)는 Ps로 부여된 임계압력에서 찢어지도록 적용된 일부분(410)을 포함한다. 물론, 임계압력(Ps)은 도관이 견딜 수 있는 압력보다 낮다. 이 커버부에 대해서는 아래에서 더 기술된다.
상기 박스의 벽들과 상기 커버와 상기 도관 및 상기 커버부는 임계압력(Ps) 위의 압력에 이르는 가스에 대해 밀봉을 확보하도록 서로 단단히 고정된다.
바람직하게, 임계압력(Ps)은 0.5 bar와 5 bar 사이에 포함되고, 예컨대 1 bar보다 크거나 같고, 그리고/또는 2 bar보다 작거나 같다.
바람직하게, 컴파트먼트의 벽은 항공기 조종석의 일부이고, 임계압력(Ps)은 1 bar와 5 bar 사이에 포함된다. 예를 들어, 임계압력(Ps)은 1.5 bar보다 크거나 같고, 그리고/또는 3 bar보다 작거나 같다.
또한, 리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스와 접촉상태로 될 수 있는 상기 박스와 상기 커버와 상기 도관 및 상기 밀봉부(sealing part)의 재료는 상기 리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스를 견디기 위한 크기로 되는 재료, 적어도 150℃의 온도를 견딜 수 있는 재료이다.
리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스와 접촉상태로 될 수 있는 재료의 실예는 알루미늄 및 그 합금, 구리 및 그 합금, 황동, 니켈 도금 스틸(nickel-plated steels), 스테인리스 스틸, 티타늄 및 그 합금, 니켈 및 그 합금, 폴리올레핀(polyolefins), 불소 중합체(fluorinated polymers), 포화 폴리에스테르(saturated polyesters), 페놀 수지(phenolic resins), 폴리아미드(polyamides), 아라미드(aramids), 에폭시 수지(epoxide resins), 니트릴(nitriles), 실리콘(silicones)을 포함한다.
또한 아래의 테스트를 수행함으로써 리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스와 접촉상태로 될 수 있는 다른 재료를 선택하는 것도 가능하다:
- 테스트될 재료의 샘플은 60℃의 온도에서 21일의 기간 동안 리튬이온 타입의 전기 발전기를 위해 사용되는 비수성 전해질(예컨대, 프로필렌 카보네이트(PC), 디메틸 카보네이트(DMC), 에틸렌 카보네이트(EC), 그리고 1.5M의 농도를 가진 리튬염 LiPF6를 포함하는 혼합 용매(a mixture of solvents)로 이루어진 전해질)에 잠겨진다;
- 상기 샘플의 질량 손실이 측정되고, 샘플의 무결성(integrity)이 유지되는지 관찰되며; 관찰은 또한 중간 기간 동안, 예컨대 7일 및/또는 14일 후에 행해질 수 있다;
- 만일 21일의 담그기 후에 그 질량 손실이 10%보다 작거나 같으며, 바람직하게 5% 질량 손실보다 작거나 같으면, 재료는 리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스와 접촉상태로 될 수 있는 것으로 고려되며, 상기 샘플을 통하여 어떠한 분해 증류(cracking)가 관찰되지 않는 한 그것의 무결성은 유지되는 것이다.
일 실시예에 따르면, 상기 박스는 알루미늄 및 그 합금, 스틸, 티타늄 및 그 합금과 같은 재료로 만들어진 복수의 플레이트에 의해 형성된다. 더욱, 상기 플레이트들은 서로 절곡되고, 그리고/또는 용접된다.
바람직하게, 상기 박스의 개구부(130) 맞은편의 바닥 플레이트(111)와 함께 직육면체 형태로 서로 절곡되고, 그리고/또는 용접되는 5개의 플레이트가 있다. 제1 두께(e1)를 가진 2개의 측면 플레이트(112, 113)는 서로 맞은편에 위치된다. 제2 두께(e2)를 가진 2개의 측면 플레이트(114, 115)도 또한 서로 맞은편에 위치된다. 상기 벤트형성 개구부는 제2 두께(e2)를 가진 플레이트들 중의 하나에 형성된다. 제1 두께(e1)는 1 mm와 2 mm 사이에 포함되고, 제2 두께(e2)는 제1 두께(e1)의 1.5배와 3배 사이에 포함된다.
다른 두께들의 상기 플레이트들을 조합한 상기 박스의 이러한 배치는 최적의 질량을 가진 상태에서 과압(overpressure)에 대한 좋은 저항력을 얻는 것을 가능하게 한다. 더욱, 본 발명에 따른 안전장치가 장착된 항공기의 경우에, 상기 박스의 이러한 배치는 또한 착륙, 이륙, 그리고 고도 비행과 관련된 압력/진공 사이클에 대한 좋은 저항력을 얻는 것을 가능하게 한다.
권한이 있는 방식으로, 커버부(400)는 연속적으로 형성된다. 상기 커버부는 임계압력(Ps)에서 찢어지기에 적당한 적어도 일부분을 형성하는 얇은 지역(410)들을 포함한다. 이 얇은 지역들은 깨지기 쉬운 지역을 형성한다. 상기 얇은 부분의 두께와 형상은 안전장치 내부의 압력, 그리고 특히 상기 커버부에서 도관 내의 압력이 소정의 임계값(Ps)을 초과하면 상기 얇은 지역의 찢어짐을 야기하도록 계산된다.
일 실시예에 따르면, 상기 커버부는 예를 들어, 알루미늄 및 그 합금, 구리 및 그 합금, 황동, 니켈 도금 스틸, 스테인리스 스틸, 티타늄 및 그 합금, 니켈 및 그 합금으로 이루어진 리스트로부터 선택되는 금속으로 만들어진다.
예를 들어 그리고 유리하게, 커버부(400)는 임계압력(Ps)에서 찢어질 때 상기 커버부로부터 적어도 부분적으로 떼어낼 수 있는 일부분(420) 주위에서 폐곡선(a closed curve)을 형성하는 얇은 지역을 구비한다. 도시되고 비제한적인 실예에서, 상기 커브는 원형이다.
예를 들어, 폐곡선을 형성하는 상기 얇은 지역은 예컨대 V 형상 또는 U 형상의 슬롯이다.
다른 실예에 따르면, 상기 커버부는 접착제들에 의해 서로 연결되는 복수의 재료로 구성되며, 적어도 하나의 접착제는 임계압력(Ps)에서 찢어도록 적용된다. 그와 같은 커버부는 예컨대 제2 재료의 플레이트 또는 필름, 예를 들어 유기 재료(organic material)가 체결되는 제1 재료, 예를 들어 금속링으로 만들어진 링으로 구성될 수 있다.
작동하는 동안, 가스가 본 발명에 따른 안전장치의 상기 박스 안에 위치된 전기화학적 발전기에 의해 배출될 때, 이 가스는 상기 박스의 개구부(120)를 통해 "탈출하여" 상기 커버부가 위치되는 상기 도관의 제2 개구부(312)를 향해 상기 도관 내에서 순환한다. 이 가스는 상기 도관 내에서 냉각되고 그 안에 축적되며, 이에 의해 상기 안전장치 내부의 압력을, 그리고 특히 커버부(400)에서의 압력을 증가시킨다. 안전장치(1) 내부의 가스의 과압은 상기 커버부에서 안전장치(1)의 외부를 향해 지향되는 추력(thrust force)을 생성시킨다.
상기 가스가 임계압력(Ps)에 도달하면, 상기 추력은 그 임계압력(Ps)에서 파괴되도록 적용된 상기 커버부의 상기 일부분을 찢음으로써 상기 커버부의 상기 깨지기 쉬운 부분이 파괴되도록 야기한다. 그리고 나서 상기 가스는 장비가 놓여지는 환경으로의 누설 없이 상기 컴파트먼트의 벽의 개구부를 통해, 즉 전기화학적 발전기들을 통합하는 상기 장비의 외측을 향해 탈출한다.
본 발명은 또한 외부를 향해 개방되어 형성된 개구부를 가진 일 벽에 의해 외부와 분리되는 일 컴파트먼트를 포함하는 차량에 관한 것이다. 예를 들어, 상기 차량은 항공기, 철도 운송수단, 도로 운송수단, 또는 바다 또는 강 운송수단이다.
본 발명에 따르면, 상기 차량은 또한 상기 컴파트먼트 내에 위치되고 상기 커버부가 상기 개구부에서 상기 가스에 대해 기밀성 있게 체결되는 전술된 것과 같은 안전장치를 구비한다.
본 발명은 또한 전술된 것과 같은 상기 차량을 구비하는 어떠한 빌딩에 관한 것이다.
따라서 본 발명은 상기 배터리 시스템 안에 물 또는 다른 이물체의 침입 방지를 보장하며, 그 전체 수명을 통해 그것의 무결성을 보장한다. 따라서 본 발명에 따른 안전장치는 원치않은 사건을 통제함으로써, 그리고 배터리가 압력 변화를 받는 경우에, 특히 항공 또는 물속 적용에 대해 배터리의 성능 및 사용자를 위한 완전한 안전을 보장하는 것을 가능하게 한다.
더욱, 상기 안전장치의 이러한 특별한 배치는 경량화, 그러므로 확실한 소형화를 제공하며, 이는 항공 및/또는 물속 적용에 대해 유리하다.
실예
본 출원인은 도관이 30 mm의 직경과 1.40 m의 길이를 가진 실리콘 호스이고, 벽이 5 mm의 두께를 가진 본 발명에 따른 안전장치에 대해 테스트를 실행하였다.
선택된 커버부는 C90rb2,6-05v DN 50의 상업 참조(commercial reference)를 가진 HELYON 회사에 의해 판매된 파열 디스크(rupture disc)(내진공성의, SS 316으로 만들어진 유지 링과, 평면 복합 디스크와, Monel (fragmenting) 밀봉 멤브레인을 포함하는, 그 외경이 90 mm이고 파열 직경이 50 mm인)이다.
상기 도관과 상기 커버부 사이 뿐만 아니라 상기 박스와 상기 커버부 사이의 접합부(junction)는 나사에 의해 조여진 스테인리스 스틸 칼라(collars)에 의해 확보된다. 이 접합부들은 항공 분야에서 사용되는 표준 ABS0395의 요건을 준수한다.
테스트는 배터리 엔클로저의 데드 스페이스(dead space)에서 측정된 최대 온도는 대략 490℃인 반면에, 상기 도관의 유출구에서는 270℃ 인 것으로 나타났으며, 이에 의해 정확한 크기로 된 도관은 가스의 상당한 냉각을 할 수 있다는 것을 보여 주었다. 이렇게 해서, 상기 도관의 유출구에서 가스의 점화 방지를 보장하도록 안전 여유(safety margin)를 허용하며, 불소화 가스(fluorinated gases)의 점화 온도는 대략 350℃ 이다.
또한 배터리 엔클로저는 열 폭주에 의해 발생되는 가스의 과압을 수용할 수 있고, 도관은 확인되고 제어된 유출구(identified and controlled outlet)를 향해 가스를 추출하는 것을 가능하게 하는 것으로 나타났다.
더욱, 이들 테스트는 배터리의 엔클로저, 즉 상기 박스와 상기 커버와 상기 도관은 상기 커버부의 파열압보다 더 큰 과압을 견딜 수 있다는 것을 보여 주었다. 이 테스트에서, 상기 커버부는 4 bar의 임계압력에서 찢어지도록 적용된 일부분을 포함하였다. 오직 커버부만이 그 압력 하에서 무너졌다.
물론, 본 발명은 기술되고 도시된 실예 및 실시예로 제한되지 않으며, 이와 반대로 당업자에게 이용 가능한 많은 대안에 대해 열려 있는 것이다.
Claims (16)
- - 일 컴파트먼트 내에 놓이도록 설계되고 복수의 리튬 전기화학적 발전기를 수용하도록 구성되며, 복수의 조립 벽(111, 112, 113, 114, 115)과, 상기 전기화학적 발전기들을 삽입하는 것을 가능하게 하는 개구부(130)를 포함하는 박스(100);
- 상기 전기화학적 발전기들의 삽입을 허용하는 상기 박스의 개구부에 기밀성 있게 배치되도록 설계된 커버(200);
- 상기 박스(100)의 벽들 중의 하나 또는 상기 커버(200)에 위치되는 벤트형성 개구부(120);
- 2개의 개구부(311, 312)를 포함하고, 상기 개구부들 중의 하나(311)는 상기 박스의 벤트형성 개구부(120)에 기밀성 있게 연결되는 도관(300);
- 상기 컴파트먼트의 일 벽의 개구부와 상기 도관의 제2 개구부(312)에 기밀성 있게 위치되고, 임계압력(Ps)에서 찢어지도록 적용되는 일부분(410)을 포함하는 커버부(400);를 포함하고,
상기 박스의 벽들과 상기 커버와 상기 도관과 상기 커버부는 상기 임계압력(Ps)보다 큰 압력에 이르는 가스에 대해 밀봉을 보장하도록 서로 고정되며, 상기 리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스와 접촉상태로 될 수 있는 상기 박스와 상기 커버와 상기 도관과 커버부의 재료는 상기 리튬 전기화학적 발전기들에 의해 방출되는 가스를 견디고 적어도 150℃의 온도를 견디기 위한 디멘션으로 되는 재료인 것을 특징으로 하는 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치(1). - 제1항에 있어서, 상기 임계압력(Ps)은 0.5 bar와 5 bar 사이에 포함되고, 예를 들어 1 bar보다 크거나 같고, 그리고/또는 2 bar보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치.
- 제2항에 있어서, 상기 컴파트먼트의 벽은 항공기 조종석의 일부이고, 상기 임계압력(Ps)은 1 bar와 5 bar 사이에 포함되고, 예를 들어 1.5 bar보다 크거나 같고, 그리고/또는 3 bar보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치.
- 제1항 내지 제3항 중의 한 항에 있어서, 상기 도관(300)은 단단한 호스 또는 단단하게 된 유연한 호스인 것을 특징으로 하는 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치.
- 제4항에 있어서, 호스는 10 mm와 100 mm 사이에 포함되는 직경과, 0.5 m와 3 m 사이에 포함되는 길이를 가진 것을 특징으로 하는 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 박스는 알루미늄 및 그 합금, 스틸, 티타늄 및 그 합금으로 이루어진 리스트 중으로부터 선택되는 재료로 만들어진 복수의 플레이트에 의해 형성되고, 상기 플레이트들은 서로 절곡, 또는 용접, 또는 서로 절곡 및 용접되는 것을 특징으로 하는 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치.
- 제6항에 있어서, 서로 절곡, 또는 용접, 또는 서로 절곡 및 용접되고, 상기 박스의 개구부(130) 맞은편의 바닥 플레이트(111)와, 제1 두께(e1)로 서로 맞은편에 위치되는 2개의 측면 플레이트(112, 113)와, 제2 두께(e2)로 서로 맞은편에 위치되는 2개의 다른 측면 플레이트(114, 115)와 함께 직육면체 형태로 조립되는 5개의 플레이트가 있고, 상기 벤트형성 개구부는 두께(e2)를 가진 상기 플레이트들 중의 하나에 형성되고, 두께(e1)는 1 mm와 2 mm 사이에 포함되고, 두께(e2)는 두께(e1)의 1.5배와 3배 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 커버부(400)는 연속적으로 연결되고, 상기 임계압력(Ps)에서 찢어지도록 적용되는 적어도 일부분을 형성하는 얇은 지역들(410)을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치.
- 제8항에 있어서, 하나의 얇은 지역은 상기 임계압력(Ps)에서 찢어질 때, 상기 커버부로부터 적어도 부분적으로 떼어질 수 있는 일부(420) 주위에서 폐곡선을 형성하는 것을 특징으로 하는 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치.
- 제9항에 있어서, 상기 얇은 지역은 예를 들어 V 형상 또는 U 형상의 슬롯인 것을 특징으로 하는 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 커버부는 접착제들에 의해 서로 연결되는 복수의 재료로 만들어지고, 적어도 하나의 접착제는 임계압력(Ps)에서 찢어질 수 있는 것을 특징으로 하는 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 도관을 냉각시키기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치.
- 외부로 개방되어 형성된 개구부를 가진 벽에 의해 외부로부터 분리되는 승객 컴파트먼트와, 상기 컴파트먼트에 위치되고 상기 커버부가 상기 개구부에 기밀성 있게 고정되는 제1항에 따른 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치 를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량(vehicle).
- 제13항에 있어서, 상기 차량은 항공기, 철도 운송수단, 도로 운송수단, 바다 또는 강 운송수단으로 이루어진 리스트로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 차량.
- 외부로 개방되어 형성된 개구부를 가진 벽에 의해 외부로부터 분리되는 컴파트먼트와, 상기 컴파트먼트에 위치되고 상기 커버부가 상기 개구부에 기밀성 있게 고정되는 제1항에 따른 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치 를 포함하는 것을 특징으로 하는 빌딩.
- 제1항에 따른 리튬 전기화학적 발전기 배터리용 안전장치 를 구현하는 방법에 있어서,
가스가 상기 박스에 위치되는 상기 전기화학적 발전기들에 의해 배출되는 경우, 상기 가스가 상기 임계압력(Ps)에 도달할 때 상기 가스가 상기 도관에서 냉각되고 상기 임계압력(Ps)에서 찢어지도록 설계된 상기 커버부의 상기 일부분의 찢어짐을 발생시키는 방법.
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