KR102172449B1 - 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열폭주로 인한 사고 배터리를 포함하는 배터리 시스템에서 열을 효과적으로 흡수하고 방출하여 사고 배터리의 발열로 인한 주위 온도 상승을 억제하여 화재를 방지하고, 이에 따라 주변 정상 배터리 및 주위 설비로의 2차 사고를 방지할 수 있도록 하는 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 둘 이상의 배터리가 이웃하여 구성되는 배터리 시스템에서 배터리의 열폭주에 의한 화재를 방지하기 위한 화재 방지 장치로서, 배터리 간을 구획하고, 내부에 하기 흡열-방열 수단이 충전되는 수용 공간을 갖고 형성되며, 배터리가 설치된 전체 공간을 외부와 격리하도록 구성되는 구획 벽체; 및 상기 구획 벽체의 수용 공간에 구비되어 사고 배터리의 열폭주에 의한 열을 흡열하고 방출하도록 이루어지는 흡열-방열 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 화재 방지 장치가 제공된다.

Description

상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템{FIRE DIFFUSION PREVENTION APPARATUS FOR BATTERY SYSTEM USING LATENT HEAT OF PHASE CHANGE MATERIAL, AND BATTERY SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 발명은 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열폭주로 인한 사고 배터리를 포함하는 배터리 시스템에서 열을 효과적으로 흡수하고 방출하여 사고 배터리의 발열로 인한 주위 온도 상승을 억제하여 화재를 방지하고, 이에 따라 주변 정상 배터리 및 주위 설비로의 2차 사고를 방지할 수 있도록 하는 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
지속적인 산업의 발달과 소득의 증대로 인해 전기용품 사용이 증가함에 따라 전기의 사용량이 급격하게 증가하는 추세에 있으며, 냉방기를 주로 사용하는 여름철이나 온열기를 주로 사용하는 겨울철의 경우에는 전력 사용량의 급격한 증가로 인해 대규모 정전사고가 빈번히 일어나고 있는 상황이다.
이러한 부하의 지속적인 증대에 대응하기 위해 전력공급의 설비를 늘려야 한다는 목소리가 높아지고 있으나, 최대 부하에 대응하기 위해 전력설비를 증설할 경우, 하절기와 동절기를 제외한 시기의 유휴설비가 늘어나게 되어 설비이용률이 떨어지게 되며, 전력설비 증설 및 유지 등에 따른 금전적인 문제가 발생한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위한 대책 중 하나의 배터리 시스템이 에너지저장시스템(Energy Storage System, 이하 약칭으로 ESS라 함)이다. ESS는 생산된 전력을 발전소, 변전소 및 송전선 등을 포함한 연계 시스템에 저장하고, 전력이 필요한 시기에 선택적으로 사용하여 에너지 효율을 극대화 시키는 시스템이다.
야간에 유휴전력을 저장하고 전력소모가 심한 주간에 저장된 전력을 사용하는 부하평준화(Load Leveling)를 통해 전력의 효율적인 사용이 가능하고, 스마트 그리드와 결합되면 기존 전력망에 정보기술(IT)이 응용되어 젼력공급자와 소비자가 양방향으로 실시간 정보를 교환하여 ESS를 통해 필요한 시기에 전기에너지를 공급하는 것으로 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
ESS에서 가장 핵심적 요소는 에너지의 저장 기술이며, 그 중에서도 배터리가 주로 사용된다. ESS에 사용되는 배터리는 하나의 전지가 아닌 수많은 셀로 이루어져 있고, 셀이 모여 모듈(module)이 되고 모듈이 모여 팩(pack)이 되며, 이 팩이 모이면 랙(rack)이 되고, 최종적으로 랙이 여러 개 모여 시스템을 구성하게 된다.
이러한 시스템을 구성하는데 필요한 ESS 배터리랙은 팩 형태의 배터리모듈을 적층하여 수납하는 구조를 가지며, 일반적으로 배터리모듈의 손상을 방지하기 위한 안전장치가 구성되어 있다.
최근 신재생에너지에 대한 관심의 급증으로 인해 ESS 수요도 폭발적으로 늘고 있으며, ESS를 구성하는 배터리와 랙의 안전성에도 이목이 집중되고 있다.
ESS에 사용되는 에너지 충전 배터리는 주로 리튬이온 배터리가 사용된다.
리튬이온 배터리는 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 충전 및 방전하는 화학적 저장장치로서 다른 종류의 배터리보다 빠르게 충전되고 출력 밀도가 높아 오랜 시간 사용이 가능하며, 상대적으로 부피가 작고 가벼우며, 완전 방전이 되지 않은 채 충전하면 본래의 구동시간보다 구동시간이 감소하는 메모리 효과가 없고, 친환경적이며 상대적으로 유지보수비용이 적다. 하지만, 여타의 배터리에 비교했을 때 화재에 취약하다는 단점이 존재한다.
배터리의 화재는 주로 배터리 셀의 열폭주 현상에 의해 발생된다.
열폭주(thermal runaway) 현상은 고도의 산화성 양극과 고도의 환원성 음극이 함께 만나 급속도로 스스로 발열하는 화학반응을 말한다.
열폭주 현상이 발생했을 때 배터리 셀은 저장된 에너지를 매우 빠르게 방출하게 되며, 배터리 셀에 충전된 에너지가 많을수록 열 폭주 반응이 더욱 활발하게 일어난다. 특히 리튬이온 배터리의 경우 다른 배터리보다 에너지 밀도가 높기 때문에 열 폭주 현상이 매우 활발하게 일어난다. 열폭주 현상의 원인으로는 과충전, 과방전, 내부단락사고, 단자접촉불량, 충전불량 등이 있다.
일반적으로 리튬이온 배터리 내부 온도가 170℃ 이상일 때 열 폭주가 발생하고 70℃ 이하 상태에서도 발열에 좋은 환경이 만들어지면 열 폭주가 1~2일 후 일어난다. 열 폭주 현상이 발생했을 때 리튬이온 배터리의 내부 압력이 증가하고 내부 전해액이 기화되며 이후 리튬이온 배터리가 팽창해 전해액이 분출되고, 백색 연기가 일어나며 600℃ 이상일 때 불타기 시작한다.
열폭주 현상으로 발생한 화재는 연소에 필요한 산소를 차단하더라도 배터리에 충전된 에너지를 모두 방출할 때까지 지속되며, 화재와 함께 일산화탄소(CO)와 아세틸렌(C2H2) 등의 유독성 가스가 다량 방출된다. 열폭주 현상은 과충방전, 내부단락 사고, 단자의 불량, 전해액의 농도, 충전불량 등에 의해 발생할 수 있다.
ESS에 사용되는 배터리모듈은 리튬이온 배터리 셀이 팩에 밀집되어 만들어지고, 각 단의 모듈이 상, 하로 적층되어 랙 모양의 저장형태를 갖추며, 배터리랙은 컨테이너 또는 룸(room)에 밀집하여 설치되기 때문에, 배터리모듈 1개의 화재가 ESS의 대형 화재로 확산되기 쉽다.
이와 같이 특정 배터리 시스템에 사고가 발생하여 열폭주가 발생하면 사고 셀 내부와 주위 온도가 급격히 상승하고 가스가 분출된다. 이때, 종래 화재 시스템은 온도와 가스 등을 검출하여 화재 발생을 감지하고 여러 가지의 소화 시스템을 작동시킨다.
그러나 일반적으로 ESS가 설치되는 공간은 항온과 항습을 위해 창을 두지 않아서 외부에서의 화재 진압이 어렵고, 내부에 소화설비가 설치되어 있으나 화재 발생 시 온도가 최대 1100℃에 이를 만큼 매우 강해 조기진압이 어렵다는 문제점이 있다.
IFC(international fire code)에서는 배터리 용량에 따라 일정한 이격 거리를 유지하도록 하여 화재 확산을 억제하는 지침을 권장하고 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 특정 배터리 랙에서 화재가 발생한 경우 인접한 배터리 랙을 움직여서 일정한 이격 거리를 두는 방법이 제안되어 있다. 이러한 방법은 상당한 부피와 무게를 가지는 배터리 랙을 움직여야 하는 어려움이 있으며, 고정하기 어려워 지진과 같은 외부 영향에 매우 취약할 수밖에 없다.
종래 기술을 살펴보면, 대한민국 공개특허공보 제10-2001-0028777호(전력축전지의 화재 확산 방지장치)와 대한민국 등록특허공보 제10-1706717호(에너지 저장시스템의 배터리팩 화재예방장치)가 개시되어 있다.
전력축전지의 화재 확산 방지장치는 복수의 층에 설치된 층간축전지에 난연성 스텐레스 소재의 방화용 층간 격판(12), 셀간 격판(21) 및 이면 격판(22)을 설치하여 배터리랙 내부로 화재가 확산되지 않도록 했으나, 사고 배터리 주변의 정상 배터리에 대한 화재 확산은 방지하지 못할 뿐만 아니라, 배터리랙 외부로의 화재 확산은 방지하지 못하는 문제가 있었다.
에너지 저장시스템의 배터리팩 화재예방장치는 복수의 배터리모듈이 상, 하로 적층되도록 배열되는 트레이(110)의 일측에 차단블록(600)이 설치되어, 배터리 모듈에 화재 발생 시 차단블록(600)의 단부가 트레이(110)의 내부로 진입되어 복수의 배터리 모듈을 구획되게 차단하는 것으로 화재가 주위의 배터리모듈로 확산되지 않도록 했으나, 차단블록(600)을 트레이(110)측으로 이동시키는 로드를 갖는 액추에이터(700)가 ESS 설치공간을 많이 삭감하고, 구조가 복잡하며, 트레이(110)의 일측이 개구되어 화재가 ESS 배터리랙의 외부에서 발생했을 때 배터리모듈을 보호하지 못하고, 배터리모듈의 연소로 발생되는 유독성 가스가 ESS 설치공간을 오염시키는 문제가 있었다.
대한민국 공개특허공보 10-2001-0028777(2001.04.06. 공개) 대한민국 등록특허공보 10-1706717(2017.03.09. 공고) 대한민국 등록특허공보 10-2086842(2020.03.10. 공고) 대한민국 등록특허공보 10-2053988(2019.12.09. 공고)
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 열폭주로 인한 사고 배터리를 포함하는 배터리 시스템에서 열을 효과적으로 흡수하고 방출하여 사고 배터리의 발열로 인한 주위 온도 상승을 억제하여 화재를 방지하고, 이에 따라 주변 정상 배터리 및 주위 설비로의 2차 사고를 방지할 수 있도록 하는 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 둘 이상의 배터리가 이웃하여 구성되는 배터리 시스템에서 배터리의 열폭주에 의한 화재를 방지하기 위한 화재 방지 장치로서, 배터리 간을 구획하고, 내부에 하기 흡열-방열 수단이 충전되는 수용 공간을 갖고 형성되며, 배터리가 설치된 전체 공간을 외부와 격리하도록 구성되는 구획 벽체; 및 상기 구획 벽체의 수용 공간에 구비되어 사고 배터리의 열폭주에 의한 열을 흡열하고 방출하도록 이루어지는 흡열-방열 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 화재 방지 장치가 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 구획 벽체는 모두 연통되게 구성되며, 상기 흡열-방열 수단은 상변화물질(PCM: Phase Change Material)로 이루어지되, 열폭주가 발생하는 온도 미만에서 상변화가 일어나는 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 흡열-방열 수단은 물(H20) 또는 그 혼합물일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 흡열-방출 수단을 상기 구획 벽체의 내부 공간에 공급하고, 외부로 배출하도록 구성되는 흡열-방열수단 유입 배출 장치;를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 흡열-방열수단 유입 배출 장치는, 상기 구획 벽체의 상부 일측에 형성되어 상기 흡열-방열 수단이 유입되는 유입구; 및 상기 구획 벽체의 상부 타측에 형성되어 흡열-방열 수단이 배출되는 배출구;를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 구획 벽체의 내측 및 외측 온도를 검출하도록 구비되는 온도 검출 모듈; 상기 유입구를 통해 상변화물질을 공급하도록 구성되는 상변화물질 공급수단; 상기 구획 벽체의 타측 하부 일측에 형성되는 순환 배출구; 상기 유입구 및 순환 배출구 각각에 구비되며, 하기 제어부에 제어에 의해 개폐 동작하는 일방향 체크밸브; 상기 온도 검출 모듈의 검출 온도를 전달받아 상기 상변화물질 공급수단 및 상기 일방향 체크밸브를 동작시켜 상기 유입구를 통해 상변화물질이 공급되도록 하고, 상기 순환 배출구를 통해 상변화물질이 배출되도록 하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 배출구와 순환 배출구는 일체로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기한 일 관점에 따른 배터리 시스템의 화재 방지 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템이 제공된다.
본 발명에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명은 열폭주로 인한 사고 배터리를 포함하는 배터리 시스템에서 열을 효과적으로 흡수하고 방출하여 사고 배터리의 발열로 인한 주위 온도 상승을 억제하여 화재를 방지함으로써 주변 정상 배터리 및 주위 설비로의 2차 사고를 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 화재 방지를 위한 구성부들을 상대적으로 간단하게 구성하면서도 열폭주에 의한 화재를 효율적으로 방지할 수 있어 범용성과 경제성을 도모할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 본 발명은 화재 방지 기능을 실행한 후에도 재사용이 가능하며, 유지 및 보수가 단순하여 경제적인 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치에서 흡열-방열 수단으로서 상변화물질인 물의 상태변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치의 다른 실시 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치의 일부 구성을 분리하여 나타내는 도면이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본원 명세서 전체에서, 어떤 단계가 다른 단계와 "상에" 또는 "전에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 단계가 다른 단계와 직접적 시계열적인 관계에 있는 경우뿐만 아니라, 각 단계 후의 혼합하는 단계와 같이 두 단계의 순서에 시계열적 순서가 바뀔 수 있는 간접적 시계열적 관계에 있는 경우와 동일한 권리를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치 및 이를 포함하는 배터리 시스템에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이하, 본 발명에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치의 설명에서, 배터리 시스템은 배터리 모듈(battery module), 배터리 팩(battery pack), 배터리 랙(battery rack) 등 복수의 배터리가 이웃하여 구성되는 경우를 모두 포함하는 의미이다.
먼저, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치에 대하여 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 2는 본 발명의 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치에서 흡열-방열 수단으로서 상변화물질인 물의 상태변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치는, 둘 이상의 배터리가 이웃하여 구성되는 배터리 시스템에서 배터리의 열폭주에 의한 화재를 방지하기 위한 화재 방지 장치로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 크게 구획 벽체(100); 및 흡열-방열 수단(200);을 포함한다.
구체적으로, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치는, 둘 이상의 배터리가 이웃하여 구성되는 배터리 시스템에서 배터리의 열폭주에 의한 화재를 방지하기 위한 화재 방지 장치로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 배터리(B) 간을 구획하고, 내부에 흡열-방열 수단(200)이 충전되는 수용 공간을 갖고 형성되며, 배터리(B)가 설치된 전체 공간이 외부와 구획 또는 격리하도록 구성되는 구획 벽체(100); 및 구획 벽체(100) 내의 수용 공간에 구비되어 사고 배터리의 열폭주에 의한 열을 흡열하고 방출하도록 이루어지는 흡열-방열 수단(200);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
구획 벽체(100)는 배터리 시스템을 구성하는 배터리(B)의 형상이나 구조 또는 배치 관계에 따른 형태 또는 형상을 갖고 구성될 수 있다.
그리고 구획 벽체(100)는 모두 서로 연통되게 구성되고, 고정형으로 구현되는 것이 바람직하다. 즉, 구획 벽체(100)가 이동 가능한 구조이면 지진 등 천재지변에 취약할 수 있다.
물론, 구획 벽체(100)는 배터리 시스템을 구성하는 배터리(B) 각각을 개별적으로 둘러싸는 복수의 구획 벽체로 구성될 수 있다.
구획 벽체(100)는 열전도성을 가지면서 전기전도도가 낮은 재질, 예를 들면 알루미늄 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
구획 벽체(100)에는 흡열 면적 및/또는 방열 면적을 증대시키기 위하여 외면에 복수의 방열핀이 형성되어 구성될 수 있다. 다시 말해서, 구획 벽체(100)는 배터리(B)를 향하는 구획 벽체의 외면 및/또는 내면에 제1 방열핀이 형성되며, 외부를 향하는 구획 벽체의 외면 및/또는 내면에 제2 방열핀이 형성되어 이루어질 수 있다.
또한, 구획 벽체(100)는 내부를 구획하면서도 구획 공간을 연통시키는 하나 이상의 내부 구획 부재(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 이러한 내부 구획 부재에 의해 구획된 공간에서 배터리 측을 향하는 구획 공간과 외부 측을 향하는 구획 공간에는 흡열-방열 수단(200)의 충전 밀도를 달리하여 구비시킬 수 있다.
다음으로, 흡열-방열 수단(200)은 상변화물질(PCM: Phase Change Material)로 이루어지되, 열폭주의 임계 온도 미만에서 상변화가 일어나는 상변화물질로 이루어진다.
본 발명에서 흡열-방열 수단(200)으로서 상변화물질은 물(H20), 물의 혼합물, 부동액, 및 부동액의 혼합물 중 적어도 어느 하나이거나 그들의 혼합물인 것이 바람직하다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 물의 경우 현열과 잠열을 비교할 때, 기화열이 현열 대비 5배 이상으로 매우 크며, 이를 이용하면 많은 열 에너지를 흡수하여 배출할 수 있다. 즉, 흡수한 열은 일정한 범위 내에서는 현열(sensible heat)로 나타나 전도와 대류를 통해 방열 기능을 하지만 특정 수준 이상의 열을 흡수하면 기화(수증기)하면서 잠열의 형태로 안전하고 빠르게 배출하게 되어, 사고 배터리의 발열로 인한 주위(내부) 온도 상승을 억제하고 정상 배터리와 주위 설비의 2차 사고를 동시에 방지할 수 있게 된다.
또한, 상변화물질로서 물을 채용할 경우, 쉽게 구할 수 있고, 흡열과 방열 기능을 증대시키기 위한 혼합물(예컨대, 부동액 등)을 첨가하여 사용할 수 있다. 또한, 상변화물질로서 물을 채용하는 경우, 사고가 발생한 후에도 재사용이 가능하므로 경제적이고, 2차 오염이 발생하지 않아 친환경이며, 유지 및 보수가 매우 단순하여 경제적이다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치를 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치의 다른 실시 형태를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치의 일부 구성을 분리하여 나타내는 도면이다.
아래 설명되는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치는, 상변화물질을 순환시킬 수 있는 구성에서 상기한 제1 실시 예와 차이점이 있다. 제2 실시 예에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치의 설명에서, 상기한 제1 실시 예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일 부호를 부여한다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치는, 둘 이상의 배터리가 이웃하여 구성되는 배터리 시스템에서 배터리의 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치로서, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 크게 구획 벽체(300); 흡열-방열 수단(200); 및 흡열-방열수단 유입 배출 장치(400);를 포함한다.
구체적으로, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치는, 둘 이상의 배터리가 이웃하여 구성되는 배터리 시스템에서 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치로서, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 상하좌우로 배터리(B) 간을 구획하고, 내부에 흡열-방열 수단(200)이 충전되는 수용 공간을 갖고 형성되도록 구성되는 구획 벽체(300); 구획 벽체(300) 내의 수용 공간에 구비되어 사고 배터리의 열폭주에 의한 열을 흡열하고 방출하도록 이루어지는 흡열-방열 수단(200); 및 흡열-방출 수단(200)을 구획 벽체(300)의 내부 공간에 공급하고, 외부로 배출되도록 구성되는 흡열-방열수단 유입 배출 장치(400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구획 벽체(300)는 배터리 시스템을 구성하는 배터리(B)의 형상이나 구조 또는 배치 관계에 따른 형태 또는 형상을 갖고 구성될 수 있다.
구획 벽체(300)는 배터리 시스템을 구성하는 배터리(B) 각각을 개별적으로 에워싸는 복수의 구획 벽체로 구성될 수 있다.
여기서, 복수의 구획 벽체(300)는 서로 연통되게 구성되고, 고정형으로 구현되는 것이 바람직하다. 즉, 구획 벽체(300)가 이동 가능한 구조이면 지진 등 천재지변에 취약할 수 있다.
또한, 구획 벽체(300)는 제1 실시 예와 마찬가지로 열전도성을 가지면서 전기전도도가 낮은 재질, 예를 들면 알루미늄 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
구획 벽체(300)에는 흡열 면적 및/또는 방열 면적을 증대시키기 위하여 외면에 복수의 방열핀이 형성되어 구성될 수 있다. 다시 말해서, 구획 벽체(300)는 배터리(B)를 향하는 구획 벽체의 외면 및/또는 내면에 제1 방열핀이 형성되며, 외부를 향하는 구획 벽체의 외면 및/또는 내면에 제2 방열핀이 형성되어 이루어질 수 있다.
계속해서, 흡열-방열 수단(200)은 상변화물질(PCM: Phase Change Material)로 이루어지되, 열폭주의 임계 온도 미만에서 상변화가 일어나는 상변화물질로 이루어진다.
제2 실시 예 또한 흡열-방열 수단(200)으로서 상변화물질은 상변화 이전에 액상으로 유지되고, 열에 의해 기체로 상변화되는 물(H20), 물의 혼합물, 부동액, 및 부동액의 혼합물 중 적어도 어느 하나이거나 그들의 혼합물인 것이 바람직하다.
다음으로, 흡열-방열수단 유입 배출 장치(400)는, 구획 벽체(300)의 상단 일측 또는 상부 일측에 형성되어 흡열-방열 수단(200)이 구획 벽체(300)의 내부 공간에 충전되도록 유입되는 유입구(410), 및 구획 벽체(300)의 상단 타측 또는 상부 타측에 형성되어 흡열-방열 수단(200)이 배출되는 배출구(420)를 포함한다.
흡열-방열 수단(200)으로서 상변화물질이 물인 경우, 유입구(410)를 통해 물이 충전되고, 사고 발생 시 사고 배터리에서 발생되는 열에 의해 스팀(steam)으로 상변화된 상변화물질이 배출구(420)를 통해 배출되게 된다.
여기서, 유입구(410)와 배출구(420) 각각에는 일방향 체크밸브가 구비될 수 있다. 구체적으로, 유입구(410)에는 공급방향으로는 개방 가능하고 그 반대방향으로는 폐쇄되는 일방향 체크밸브가 구성되고, 배출구(420)에는 배출방향으로는 개방 가능하고, 그 반대방향으로는 폐쇄되는 일방향 체크밸브가 구성될 수 있다.
한편, 흡열-방열수단 유입 배출 장치(400)는, 상변화물질을 순환시킬 수 있는 상변화물질 순환 장치부를 더 포함할 수 있다.
상기 상변화물질 순환 장치부는 구획 벽체(300)의 내측 및 외측 온도를 검출하도록 구비되는 온도 검출 모듈과, 구획 벽체(300)의 일측에 구성되어 상변화물질을 공급하도록 구성되는 상변화물질 공급수단과, 구획 벽체(300)의 타측 하단 일측에 형성되는 순환 배출구와, 상기 순환 배출구에 구비되며, 하기 제어부의 제어에 의해 개폐 동작하는 일방향 체크밸브와, 상기 온도 검출 모듈의 검출 온도를 전달받아 상기 상변화물질 공급수단 및 상기 일방향 체크밸브를 동작시켜 유입구(410)를 통해 상변화물질이 공급되도록 하고, 상기 순환 배출구를 통해 상변화물질이 배출되도록 하는 제어부를 포함할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이 상변화물질은 물로 이루어질 수 있으며, 상기 상변환물질 공급수단은 예를 들면, 공급 펌프로 구성되어 물을 펌핑하거나, 통상의 물 공급망에 연결되어 개폐 조작으로 상기 유입구를 통해 구획벽체 내부로 공급되도록 할 수 있다.
상기 제어부는 상기 온도 검출 모듈에서 구획 벽체(300) 내의 상변화물질의 온도가 미리 설정된 온도(즉, 배터리 열폭주 발생 온도)에 다다르는 경우, 상기 상변화물질 공급수단과 일방향 체크밸브가 동작되도록 제어하게 된다.
상기한 상변화물질 순환 장치부를 더 포함하는 경우, 사고 배터리의 발생 열에 의해 상변화된(상변화물질이 물인 경우) 스팀이 일차적으로 배출구(420)를 통해 배출되어 방열시키고, 이러한 상변화물질의 상변화를 통한 방열에도 불구하고 배터리 시스템 내의 온도가 상승하여 설정 온도(예를 들면, 열폭주가 발생하는 임계 온도)에 다다르는 경우, 상기 상변화물질 공급수단과 일방향 체크밸브를 동작시켜 상대적으로 저온의 상변화물질이 공급되도록 함으로써 이차적인 방열을 실행하게 된다.
여기서, 상기 순환 배출구는 별도로 구성할 필요없이 배출구(420)가 순환 배출구로서의 역할을 할 수 있는 단일 배출구로 구성되거나, 일체로 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 상변화 물질의 잠열을 이용한 배터리 시스템의 화재 방지 장치에 의하면, 열폭주로 인한 사고 배터리의 열을 효과적으로 흡수하고 방출하여 사고 배터리의 발열로 인한 주위 온도 상승을 억제하여 화재를 방지함으로써 주변 정상 배터리 및 주위 설비로의 2차 사고를 방지할 수 있도록 하는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 화재 방지를 위한 구성부들을 상대적으로 간단하게 구성하면서도 열폭주에 의한 화재를 효율적으로 방지할 수 있어 범용성과 경제성을 도모할 수 있으며, 화재 방지 기능을 실행한 후에도 재사용이 가능하며, 유지 및 보수가 단순하여 경제적인 이점이 있다.
상기한 바와 같은 실시 예들은 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
B: 배터리
100, 300: 구획벽체
200: 흡열-방열 수단
400: 흡열-방열수단 유입 배출 장치
410: 유입구
420: 배출구

Claims (8)

  1. 배터리 모듈(battery module)이나 배터리 팩(battery pack) 또는 배터리 랙(battery rack)로 이루어지는 배터리가 둘 이상 이웃하여 구성되는 배터리 시스템에서 상변화 물질의 잠열을 이용하여 화재를 방지하기 위한 화재 방지 장치로서,
    배터리 간을 구획하고, 내부에 하기 흡열-방열 수단이 충전되는 수용 공간을 갖고 형성되며, 배터리가 설치된 전체 공간을 외부와 격리하도록 구성되는 구획 벽체; 및
    상기 구획 벽체의 수용 공간에 구비되어 사고 배터리의 열폭주에 의한 열을 흡열하고 방출하도록 이루어지는 흡열-방열 수단;을 포함하고,
    상기 구획 벽체는 모두 연통되게 구성되고,
    상기 흡열-방열 수단은 상변화물질(PCM: Phase Change Material)인 물로 이루어지고,
    상기 구획 벽체의 일측에 형성되어 상기 흡열-방열 수단이 상기 구획 벽체의 내부 공간에 충전되도록 하는 유입구와, 상기 구획 벽체의 타측에 형성되어 사고 발생 시 사고 배터리에서 발생되는 열에 의해 상기 물이 상변화된 스팀(steam)이 배출되는 배출구, 및 상기 유입구 및 배출구 각각에 구성되는 일방향 체크 밸브를 포함하고,
    상기 유입구에 구성되는 일방향 체크밸브는, 공급방향으로 개방 가능하고 그 반대방향으로는 폐쇄되는 일방향 체크밸브로 이루어지며,
    상기 배출구에 구성되는 일방향 체크밸브는, 배출방향으로는 개방 가능하고 그 반대방향으로는 폐쇄되는 일방향 체크밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    배터리 시스템의 화재 방지 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구획 벽체의 내측 및 외측 온도를 검출하도록 구비되는 온도 검출 모듈;
    상기 유입구를 통해 상변화물질을 공급하도록 구성되는 상변화물질 공급수단;
    상기 구획 벽체의 타측 하부 일측에 형성되는 순환 배출구;
    상기 유입구 및 순환 배출구 각각에 구비되며, 하기 제어부에 제어에 의해 개폐 동작하는 일방향 체크밸브;
    상기 온도 검출 모듈의 검출 온도를 전달받아 상기 상변화물질 공급수단; 및 상기 일방향 체크밸브를 동작시켜 상기 유입구를 통해 상변화물질이 공급되도록 하고, 상기 순환 배출구를 통해 상변화물질이 배출되도록 하는 제어부
    를 더 포함하는 배터리 시스템의 화재 방지 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배출구와 순환 배출구는 일체로 형성되는 것
    을 특징으로 하는 배터리 시스템의 화재 방지 장치.
  8. 청구항 1에 따른 배터리 시스템의 화재 방지 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
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