KR102342898B1 - 배터리모듈 격납용 내화챔버 및 이를 포함하는 에너지저장장치의 관리시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배터리모듈을 수용하여 보호하고, 배터리모듈 및 수용공간에서 발생되는 화재 전조 현상을 조기에 감지하여 화재의 발생 및 외부확산을 방지할 수 있는 배터리모듈 격납용 내화챔버 및 이를 포함하는 에너지저장시스템 관리시스템을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 배터리모듈 격납용 내화챔버 및 관리모듈을 포함할 수 있으며, 상기 배터리모듈 격납용 내화챔버는 배터리모듈을 격리 수용하기 위한 수납공간의 일측벽을 형성하며, 제1수직관통구를 가지는 제1내화블럭과, 제2수직관통구를 가지고 상기 제1내화블럭의 상면에 적층되는 제2내화블럭을 구비하는 내화블럭; 일부분이 상기 제1수직관통구 및 상기 제2수직관통구에 관통 삽입되며, 상기 제1내화블럭 및 상기 제2내화블럭을 연결 지지하는 블럭지지부재; 상기 내화블럭의 표면에 설치되며, 상기 배터리모듈의 발열에 따른 상기 내화블럭의 손상여부를 감지하기 위한 제1센서부; 상기 내화블럭의 외부로 노출되는 상기 블럭지지부재의 일부분에 설치되며, 상기 배터리모듈의 발열에 따른 상기 수납공간의 상태변화를 감지하기 위한 제2센서부; 및 상기 블럭지지부재에 결합 배치되며, 상기 제1센서부 및 상기 제2센서부에서 감지된 감지신호를 기반으로, 상기 내화블럭의 손상여부 및 상기 수납공간의 상태변화를 계측하는 계측모듈;을 포함하는 특징을 개시한다.
Description
본 발명은 배터리모듈 격납용 내화챔버 및 이를 포함하는 에너지저장장치의 관리시스템에 관한 것으로, 상세하게는 배터리모듈을 수용하여 보호하고, 배터리모듈 및 수용공간에서 발생되는 화재 전조 현상을 조기에 감지하여 화재 발생의 억제 및 외부 확산을 방지할 수 있는 배터리모듈 격납용 내화챔버 및 이를 포함하는 에너지저장장치의 관리시스템에 관한 것이다.
전기에너지를 저장하여 필요할 때 사용하도록 하는 에너지저장장치(ESS:Energy Storage System) 기술은 스마트그리드 및 신재생에너지 분야 등에서 핵심적인 기술 중의 하나로 주목받고 있다.
에너지저장장치(ESS)는 배터리와 전력변환장치(PCS), 소프트웨어 등으로 구성된 복합 장치인 만큼 안정적인 운영을 위해서는 그 설치와 관리가 중요하며, 현재 국내의 경우 체계화된 안전 기준을 마련하기 전에 대규모 에너지저자장치(ESS) 시설이 난립하면서 안전 문제가 속출하고 있다.
특히, 에너지저장장치(ESS)는 배터리 관련 화재가 자주 발생하여 원인을 파악하기 위한 광범위의 조사와 연구가 진행되고 있으며, 이에 따라, 최근에는 에너지저장장치(ESS) 설비 구축 시 화재 실험을 반드시 요구하거나, 관련 기업은 강화된 성적서를 보유하여야 하는 등 관련 제반 사항을 엄격히 규정하고 있다.
에너지저장장치(ESS)의 화재 원인은 배터리 결함 외에 에너지저장장치(ESS) 설비 및 운영 관리의 부실이 문제일 수 있는데, 에너지저장장치(ESS)는 전술한 바와 같이, 여러 장치로 구성된 복합 장치인 만큼 현재 화재 원인이 명확하게 규명되지 못하는 상황이다. 이에 따라, 에너지저장장치(ESS)의 설치 및 운영 관리 과정에서 한층 강화된 안전 대책이 필수적으로 요구된다.
일반적으로 에너지저장장치(ESS)는 배터리모듈의 손상 정도에 따라 열분해가스(Off-Gas) 또는 연기(Smoke)가 발생된 이후, 짧게는 수 초에서 수 분이 경과되면 주위의 화염 또는 고온에 의해 점화가 이루어지면서 곧바로 화재가 발생하게 된다. 이렇게 특정 배터리모듈에서 화재가 발생하면 주변 배터리모듈이 열적으로 어뷰즈(Abuse) 상태로 발전하고 열폭주(Thermal Runaway) 되면서 걷잡을 수 없는 상태의 화재로 발전하게 된다.
이를 예방하기 위한 방편으로는 전기적, 열적, 기계적 어뷰즈(Abuse)에 강한 배터리 셀을 만드는 것과 배터리관리기술(BMS)의 고도화에 대한 노력을 들수 있으나, 이는 배터리 기술의 발전과 비례하여 개발되어야 하기에 많은 한계가 있었다.
따라서, 배터리모듈의 손상에 의한 배터리모듈의 열폭주(Thermal Runaway)에 의한 화재 발생 및 화재의 확산을 경감 또는 억제할 수 있는 에너지저장장치(ESS)의 설비에 대한 관리기술이 요구된다.
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 배터리모듈을 수용하여 보호하고, 배터리모듈 및 수용공간에서 발생되는 화재 전조 현상을 조기에 감지하여 화재 발생의 억제 및 외부 확산을 방지할 수 있는 배터리모듈 격납용 내화챔버 및 이를 포함하는 에너지저장장치의 관리시스템을 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 배터리모듈 격납용 내화챔버는, 배터리모듈을 격리 수용하기 위한 수납공간의 일측벽을 형성하며, 제1수직관통구를 가지는 제1내화블럭과, 제2수직관통구를 가지고 상기 제1내화블럭의 상면에 적층되는 제2내화블럭을 구비하는 내화블럭; 일부분이 상기 제1수직관통구 및 상기 제2수직관통구에 관통 삽입되며, 상기 제1내화블럭 및 상기 제2내화블럭을 연결 지지하는 블럭지지부재; 상기 내화블럭의 표면에 설치되며, 상기 배터리모듈의 발열에 따른 상기 내화블럭의 손상여부를 감지하기 위한 제1센서부; 상기 내화블럭의 외부로 노출되는 상기 블럭지지부재의 일부분에 설치되며, 상기 배터리모듈의 발열에 따른 상기 수납공간의 상태변화를 감지하기 위한 제2센서부; 및 상기 블럭지지부재에 결합 배치되며, 상기 제1센서부 및 상기 제2센서부에서 감지된 감지신호를 기반으로, 상기 내화블럭의 손상여부 및 상기 수납공간의 상태변화를 계측하는 계측모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리모듈 격납용 내화챔버에 있어서, 상기 제1센서부는, 상기 내화블럭의 표면에 일부분이 삽입 결합되며, 양단부가 상기 계측모듈에 연결되는 전선부와, 상기 전선부를 감싸도록 상기 전선부의 외면에 코팅되는 코팅층을 구비하는 케이블;을 포함할 수 있고, 이 경우 상기 계측모듈은, 상기 내화블럭이 손상되어 변형될 시, 연동하여 변화되는 상기 전선부의 저항값을 계측할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리모듈 격납용 내화챔버에 있어서, 상기 제1센서부는, 상기 케이블의 일부분이 삽입 결합되는 케이블결합홈을 가지며, 상기 케이블결합홈이 상기 내화블럭의 표면에 배치되도록 상기 내화블럭의 표면에 삽입 설치되는 케이블홀더;를 더 포함할 수 있고, 이 경우 상기 케이블홀더는, 수평방향으로 구비되며, 상기 내화블럭 상에서 수직방향을 따라 일정 간격으로 이격 배치되는 복수의 제1케이블홀더; 및 수직방향으로 구비되며, 상기 내화블럭 상에서 수평방향을 따라 일정 간격으로 이격 배치되는 복수의 제2케이블홀더;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리모듈 격납용 내화챔버에 있어서, 상기 제2센서부는, 상기 수납공간의 온도를 감지하는 온도센서; 상기 배터리모듈의 발열에 의해 상기 배터리모듈에서 생성되는 제1가스를 감지하는 제1가스센서; 및 상기 배터리모듈의 발열에 의해 상기 배터리모듈에서 생성되는 제2가스를 감지하는 제2가스센서;를 포함할 수 있고, 이 경우 상기 계측모듈은, 상기 온도센서에서 측정된 온도 정보와, 상기 제1가스센서에서 측정된 제1가스 정보 및 상기 제2가스센서에서 측정된 제2가스 정보를 기반으로, 상기 수납공간의 온도 변화율, 제1가스 변화율 및 제2가스 변화율을 계측할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 에너지저장장치의 관리시스템은, 전술한 배터리모듈 격납용 내화챔버; 및 상기 계측모듈로부터 계측된 상기 내화챔버의 손상정보 및 상기 수납공간의 상태정보를 수신하고, 수신된 상기 내화챔버의 손상정보 및 상기 수납공간의 상태정보를 기반으로 상기 배터리모듈의 상태를 분석하며, 분석된 상기 배터리모듈의 상태를 출력하는 관리모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 내부에 수납된 배터리모듈을 안전하게 보호할 수 있는 내화챔버를 제공하며, 이러한 내화챔버의 내부 환경을 실시간으로 감지 및 계측하여 배터리모듈의 이상 발열 증상에 의한 화재 발생 징조를 신속 정확하게 모니터링 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리모듈의 이상 발열 증상에 따라 열폭주(Thermal Runaway) 발생 이전에 배터리모듈에서 생성되어 누출되는 가스를 감지 및 계측하여 해당 배터리모듈 및 배터리모듈이 수납된 내화챔버에서의 화재 발생을 미연에 억제할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존 에너지저장장치(ESS) 현장에 우선 적용하여 화재에 의한 인적, 물적 자원의 피해를 줄이고, 에너지저장장치(ESS) 설비의 안정적인 운용을 도모할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지저장장치의 관리시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 도 1의 배터리모듈 격납용 내화챔버를 형성하는 내화블럭의 일부분을 나타낸 예시도이다.
도 4는 도 3의 내화블럭을 분리하여 나타낸 예시도이다.
도 5는 도 3의 제1센서부의 설치 상태를 확대하여 나타낸 단면 예시도이다.
도 3은 도 1의 배터리모듈 격납용 내화챔버를 형성하는 내화블럭의 일부분을 나타낸 예시도이다.
도 4는 도 3의 내화블럭을 분리하여 나타낸 예시도이다.
도 5는 도 3의 제1센서부의 설치 상태를 확대하여 나타낸 단면 예시도이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 에너지저장장치의 관리시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 에너지저장장치(ESS)는 전기에너지를 생산하는 발전원(10)에서 생산되는 다양한 전압/전류를 전력변환부(30)를 통해 제어하여 필요로 하는 사용처(20)에 연결하거나 유휴에너지를 저장하여 에너지 효율을 높이는 장치로서, 본 발명은 에너지가 저장되는 배터리모듈(50)을 격납 및 수용하고, 해당 배터리모듈(50)의 이상 발열 증상에 따른 화재 징조를 조기에 확인하여 배터리모듈(50)의 열폭주(Thermal Runaway) 이전에 신속하게 대처할 수 있는 에너지저장장치의 관리시스템을 제공한다.
이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 에너지저장장치의 관리시스템은, 배터리모듈 격납용 내화챔버(100) 및 관리모듈(200)을 포함할 수 있다.
배터리모듈 격납용 내화챔버(100)는 배터리모듈(50)을 격리 수용하기 위한 복수의 수납공간(S)을 구비할 수 있고, 배터리모듈(50)은 수납공간(S)에 수용될 수 있다.
기본적으로 배터리모듈 격납용 내화챔버(100)는 수납공간(S)에 수납된 배터리모듈(50)의 이상 발열 증상에 따른 열폭주(Thermal Runaway)에 의해 화재 발생 시, 이웃하는 다른 수납공간(S) 및 외부로 화재가 확산되는 것을 차단할 수 있다.
이러한 배터리모듈 격납용 내화챔버(100)는 하나 이상의 내화블럭(110: 도 3 참조)에 의해 형성될 수 있는데, 내화블럭(110)은 수납공간(S)의 바닥부를 형성하는 내화블럭과, 측벽부를 형성하는 내화블럭과, 천장부를 형성하는 내화블럭을 포함할 수 있다.
바닥부, 측벽부 및 천장부를 형성하는 내화블럭(110)은 개별적으로 제작되어 별도의 결합수단을 통하여 서로 일체로 결합될 수 있고, 바닥부, 측벽부 및 천장부를 형성하는 내화블럭(110)은 제작 과정에서 일체로 형성될 수도 있다.
그리고, 내화블럭(110)은 내화벽돌, 캐스타블(Castable) 등과 같은 내화성 소재로 이루어질 수 있고, 유리, 시멘트 등으로 이루어질 수도 있다. 혹은, 내화성 소재와 유리의 혼합물, 내화성 소재와 시멘트의 혼합물로 이루어질 수도 있다. 이러한 내화블럭(110)의 소재를 특별히 한정하지는 않는다.
이하에서는 설명의 편의 상 측벽부를 형성하는 내화블럭에 대해서 설명한다.
도 3은 도 1의 배터리모듈 격납용 내화챔버를 형성하는 내화블럭의 일부분을 나타낸 예시도이고, 도 4는 도 3의 내화블럭을 분리하여 나타낸 예시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 내화블럭(110)은 배터리모듈(50)을 격리 수용하기 위한 수납공간(S)의 일측벽을 형성할 수 있고, 수납공간(S)의 폭에 상응하는 너비와 소정의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
그리고, 내화블럭(110)은 요구되는 수납공간(S)의 높이방향을 따라 복수의 내화블럭(110)이 적층 조립될 수 있다.
즉, 내화블럭(110)은 제1내화블럭(111)과, 제1내화블럭(111)의 상면에 적층되는 제2내화블럭(113)을 포함할 수 있다.
제1내화블럭(111)은 내화블럭(110)의 하단부를 형성할 수 있고, 수직방향으로 구비되는 제1수직관통구(111a)를 가질 수 있다.
제2내화블럭(113)은 내화블럭(110)의 상단부를 형성할 수 있고, 수직방향으로 구비되는 제2수직관통구(113a)를 가질 수 있다.
제1수직관통구(111a) 및 제2수직관통구(113a)는 서로 대응하게 형성되며, 내화블럭(110)의 길이방향으로 2개 이상의 복수로 구비될 수 있다.
제1수직관통구(111a) 및 제2수직관통구(113a)는 제1내화블럭(111) 및 제2내화블럭(113)의 중량을 경감할 수 있고, 제작에 소모되는 내화성 소재의 양을 절감할 수 있다. 그리고, 후술되는 블럭지지부재(120)를 제1수직관통구(111a) 및 제2수직관통구(113a)에 관통하여 결합함으로써 제1내화블럭(111) 및 제2내화블럭(113)은 별도의 체결부재를 이용하지 않더라도 정확한 위치에 결합 및 위치 설정될 수 있다.
한편, 내화챔버(100)는 블럭지지부재(120)를 더 포함할 수 있다.
블럭지지부재(120)는 제1내화블럭(111) 및 제2내화블럭(113)을 연결 지지하는 것으로, 제1수직관통구(111a) 및 제2수직관통구(113a)에 관통 삽입될 수 있도록, 제1수직관통구(111a) 및 제2수직관통구(113a)의 단면 형상과 상응하는 단면 형상을 가지면서 수직방향으로 길게 구비될 수 있다.
따라서, 블럭지지부재(120)에 끼워지는 것으로 제1내화블럭(111) 및 제2내화블럭(113)은 높이방향으로 적층되면서 위치 고정될 수 있다. 그리고, 제1내화블럭(111) 및 제2내화블럭(113)을 실제 조립할 때는 블럭지지부재(120)를 먼저 설치한 다음 제1내화블럭(111) 및 제2내화블럭(113)을 블럭지지부재(120)에 순차적으로 끼우면서 조립하게 되는데, 이 경우 제1내화블럭(111) 및 제2내화블럭(113)의 조립 작업도 용이하게 수행할 수 있다.
블럭지지부재(120)는 길이는 제1내화블럭(111) 및 제2내화블럭(113)을 합한 높이보다 길게 형성될 수 있다. 즉, 제1내화블럭(111) 및 제2내화블럭(113)에 끼워진 블럭지지부재(120)의 하단부 및 상단부는 제1수직관통구(111a) 및 제2수직관통구(113a)를 관통하여 외부로 노출될 수 있다.
한편, 내화챔버(100)는 제1센서부(130)를 더 포함할 수 있다.
제1센서부(130)는 내화블럭(110)의 표면에 설치될 수 있고, 배터리모듈(50)의 발열에 따른 내화블럭(110)의 손상여부를 감지할 수 있다.
도 5는 도 3의 제1센서부의 설치 상태를 확대하여 나타낸 단면 예시도이다.
도 5를 추가 참조하면, 제1센서부(130)는 케이블(131)을 포함할 수 있다.
케이블(131)은 내화블럭(110)의 표면에 적어도 일부분이 삽입 결합될 수 있고, 양단부가 계측모듈(150)에 연결되는 전선부(132)와, 전선부(132)를 감싸도록 전선부(132)의 외면에 코팅되는 코팅층(133)을 포함할 수 있다.
전선부(132)는 전류를 통전할 수 있는 금속전선이 사용될 있고, 금속전선은 금속전선은 미리 설정된 직경 및 소재로 제작될 수 있으며, 이처럼 직경 및 소재가 제한된 금속전선은 일정한 고유저항값을 가질 수 있다.
코팅층(133)은 전선부(132)를 보호하기 위한 것으로, 전선부(132)에서 통전되는 전류가 외부로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 이러한 코팅층(132)는 열에 강한 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
내화블럭(110)은 배터리모듈(50)의 발열에 의한 수납공간의 온도 상승 등의 외부요인에 의하여 표면에 크랙이 발생되거나 마모되는 등의 변형이 발생될 수 있는데, 이때 케이블(131)의 전선부(132)는 내화블럭(110)이 변형될 시 변형될 수 있다.
즉, 내화블럭(110)의 표면에 크랙이 발생되거나 마모되는 부분에 배치되는 전선부(132)는 단면적이 변화될 수 있고, 심한 경우에는 단락될 수도 있다. 그러면 단면적이 변화된 전선부(132)의 저항값이 변화될 수 있다.
이렇게 전선부(132)의 저항값 정보는 후술되는 계측모듈(150)로 전달될 수 있고, 계측모듈(150)은 내화블럭(110)이 손상되지 않은 상태에서 전선부(132)가 가지는 고유저항값과, 내화블럭(110)이 손상되어 변형된 상태에서 전선부(132)가 가지는 변형된 저항값을 비교하여, 내화블럭(110)의 손상 정도 및 손상 위치를 확인할 수 있다.
한편, 실시예에 따른 케이블(131)은 일부분은 내화블럭(110)의 표면에 삽입될 수 있고, 나머지 부분은 내화블럭(110)의 표면에서 노출된 상태를 유지할 수 있다.
이 경우, 케이블(131)은 내화블럭(110)이 손상되어 변형될 경우 뿐만 아니라, 내화블럭(110)이 형성하는 수납공간(S)의 온도가 변화될 경우 내화블럭(110)의 외부에 노출된 케이블(131)의 코팅층(133)이 용융될 수 있고, 이후 수납공간(S)의 온도에 의해 전선부(132)가 변형되면서 저항값이 변화될 수도 있다.
이에 따라, 계측모듈(150)은 수납공간(S)의 온도가 미리 설정된 한계온도를 유지하는 상태에서 전선부(132)가 가지는 고유저항값과, 수납공간(S)의 온도가 미리 설정된 한계온도를 초과한 상태에서 전선부(132)가 가지는 변형된 저항값을 비교하여, 수납공간(S)의 온도 변화를 계측할 수도 있다.
예를 들면, 전선부(132)는 미리 설정된 한계온도 이하의 온도범위에서는 변형되지 않고 상기 한계온도를 초과한 온도에서 변형될 수 있도록 형성될 수 있다. 상기 한계온도는 배터리모듈(50)의 충방전 중 수납공간(S)에서 발생될 수 있는 최대 온도일 수 있으며, 만약, 수납공간(S)의 내부온도가 상기 한계온도를 초과하여 상승하게 되면 배터리모듈(50)이 어떠한 이유에서 과열되어 발열되는 상태로 판단할 수 있다. 따라서, 전선부(132)의 변형에 따른 수납공간(S)의 온도 상태를 파악하고, 배터리모듈(50)의 손상 여부를 파악할 수 있다.
한편, 제1센서부(130)는 케이블홀더(135)를 더 포함할 수 있다.
케이블홀더(135)는 내화블럭(110)에 케이블(131)을 고정 결합하기 위한 것으로, 길이를 가지도록 길게 구비될 수 있고, 케이블(131)의 일부분이 삽입 결합되는 케이블결합홈(135a)을 가질 수 있다. 그리고, 케이블결합홈(135a)이 내화블럭(110)의 표면에 배치되도록 내화블럭(110)의 표면에 삽입 설치될 수 있다.
구체적으로, 케이블홀더(135)는 내화블럭(110)의 표면에 삽입된 채 케이블(131)이 삽입되는 케이블결합홈(135a)을 형성하는 홀더본체(1351)와, 홀더본체(1351)의 양 끝단부에서 서로 대향하게 연장 형성되는 걸림턱(1352)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 케이블(131)은 걸림턱(1352)에 걸림 지지되도록 케이블결합홈(135a)에 압입되면서 결합될 수 있고, 케이블(131)은 케이블홀더(135)에 결합된 상태에서 일부분은 케이블결합홈(135a)에 삽입되어 내화블럭(110)의 내부에 삽입 위치되고, 나머지 부분은 내화블럭(110)의 외부로 돌출되어 노출된 상태를 유지할 수 있다.
그리고, 케이블홀더(135)는 복수의 제1케이블홀더 및 복수의 제2케이블홀더를 포함할 수 있다.
제1케이블홀더는 수평방향으로 구비될 수 있고, 내화블럭(110) 상에서 수직방향을 따라 일정 간격으로 이격 배치될 수 있다.
제2케이블홀더는 수직방향으로 구비될 수 있고, 내화블럭(110) 상에서 수평방향을 따라 일정 간격으로 이격 배치될 수 있다.
결국, 제1케이블홀더 및 제2케이블홀더는 내화블럭(110)의 표면에 격자 구조를 이루며 배치될 수 있다.
이때 케이블(131)은 배터리모듈(50)이 위치하는 수납공간(S)을 대향하도록 제1케이블홀더 또는 제2케이블홀더에 선택적으로 설치될 수 있다.
이러한 케이블홀더(135)는 내화블럭(110)의 제작 시 인서트 성형에 의해 일체로 제작될 수 있다.
한편, 내화챔버(100)는 제2센서부(140)를 더 포함할 수 있다.
제2센서부(140)는 내화블럭의 표면 일부분에 설치될 수 있고, 바람직하게는 내화블럭(110)의 외부로 노출되는 블럭지지부재(120)의 일부분에 설치될 수 있다. 예를 들면, 내화블럭(110)을 관통하여 수납공간(S)에 노출되는 블럭지지부재(120)의 상단부에 설치될 수 있다.
이러한 제2센서부(140)는 배터리모듈(50)의 발열에 따른 수납공간(S)의 상태변화를 감지할 수 있으며, 제2센서부(140)는 제1가스센서 및 제2가스센서를 포함할 수 있다.
제1가스센서는 배터리모듈(50)의 발열에 의해 배터리모듈(50)에서 생성되는 제1가스를 감지할 수 있고, 이때 제1가스는 열분해가스(Off-Gas)일 수 있다.
일반적으로, 배터리모듈(50)을 포함하는 에너지저장장치는 어뷰즈(Abuse) 단계, 열분해가스(Off-Gas) 발생단계, 연기(Smoke) 발생단계를 거친 다음, 화재로 이어지는 양상을 보이게 된다.
어뷰즈(Abuse) 단계는 배터리가 규격 상 전기적, 기계적, 열적 적정의 사용범위를 벗어나 사용되고 있는 단계를 말하며, 어뷰즈(Abuse) 단계가 지속되면 배터리 셀 전압 또는 셀 표면 온도의 불안정 현상이 발견된다. 어뷰즈(Abuse)의 시작으로부터 열분해가스(Off-Gas) 발생까지는 소정의 시간이 소요되는데, 일반적으로 기계적 어뷰즈(Abuse)인 경우에는 열분해가스(Off-Gas)가 즉시 발생되고, 전기적/열적 어뷰즈(Abuse)인 경우에는 수 분에서 수 일의 시간이 경과한 후에 내부압력의 증가로 열분해가스(Off-Gas)가 발생된다. 이렇게 열분해가스(Off-Gas)가 발생되면, 배터리 셀의 전압변동, 표면의 온도 상승 현상이 발생되고, 이것이 주위온도 또는 전기적 연결부위의 느슨한 연결 등으로 인하여 국부적 과열(Hot-spot)과 합해져 셀 표면의 온도는 급격하게 상승된다. 이때 배터리 전해질 내의 솔벤트(Solvent) 성분이 파괴되거나 가스화 작용이 촉진되어 배터리 내부압력이 증가하고, 배터리 내부압력이 일정 정도를 넘어가면 배터리 셀 케이스에 삽입된 구조물의 벤트(Vent) 또는 파열이 발생하여 열분해가스(Off-Gas)가 발생하고 다량의 열을 방출하게 되며, 이에 따라, 배터리 셀 주위는 가연성 환경으로 변화하게 된다.
따라서, 제1가스센서를 통해 수납공간(S)에 형성되는 열분해가스(Off-Gas)를 측정하고, 이렇게 측정된 열분해가스(Off-Gas)의 측정 값은 후술되는 계측모듈(150) 측으로 전달될 수 있다.
제2가스센서는 배터리모듈(50)의 발열에 의해 배터리모듈(50)에서 생성되는 제2가스를 감지할 수 있고, 이때 제2가스는 연기(Smoke)일 수 있다.
일반적으로, 열분해가스(Off-Gas) 발생으로부터 연기(Smoke) 발생까지는 보통 수 분이 소요되는데, 연기(Smoke)가 발생되면 양극과 음극이 단락(Short)되어 배터리 셀이 완전히 고장난 상태일 수 있다. 이렇게 양극과 음극의 단락에 의해 다량의 에너지가 방출되면 화재가 임박한 것으로 판단할 수 있고, 이어서 열폭주(Thermal Runaway)가 시작될 수 있다. 그리고, 연기(Smoke) 발생으로부터 스파크(Spark) 발생까지는 단지 수 초가 소요되며, 주위의 화염 또는 고온에 의해 점화가 이루어지면 화재가 발생한다. 이후 화재가 발생한 주변 배터리 셀들이 열적으로 어뷰즈(Abuse) 상태로 발전하게 되고, 이웃한 배터리 측으로 화재가 확산되면 건잡을 수 없는 상태의 화재로 발전하게 된다.
따라서, 제2가스센서를 통해 수납공간(S)에 형성되는 연기(Smoke)를 측정하고, 이렇게 측정된 연기(Smoke)의 측정 값은 후술되는 계측모듈(150) 측으로 전달될 수 있다.
제2센서(140)는 수납공간(S)의 온도를 감지하는 온도센서를 더 포함할 수도 있다.
계측모듈(150)은 제1센서부(130) 및 제2센서부(140)에서 감지된 감지신호를 기반으로, 내화블럭(110)의 손상여부 및 배터리모듈(50)이 수납된 수납공간(S)의 상태변화를 계측할 수 있다.
구체적으로, 계측모듈(150)은 블럭상태계측부(152), 제1가스계측부(153), 제2가스계측부(154), 온도계측부(155)를 포함할 수 있다.
블럭상태계측부(152)는 제1센서부(130)를 통해 측정된 정보를 수신하고, 이를 기반으로 내화블럭(110)의 손상정도를 계측할 수 있다. 즉, 블럭상태계측부(152)는 내화블럭(110)이 손상되지 않은 상태에서 전선부(132)가 가지는 고유저항값과, 내화블럭(110)이 손상되어 변형된 상태에서 전선부(132)가 가지는 변형된 저항값을 비교하여, 내화블럭(110)이 손상시점, 손상위치, 손상정도, 손상진행속도 등 내화블럭(110)의 손상여부를 계측하고, 이렇게 계측된 정보는 후술되는 데이터송신부(157)를 통해 관리모듈(200) 측으로 전송될 수 있다.
제1가스계측부(153)는 제1가스센서를 통해 수납공간(S)에 생성되는 제1가스 즉, 열분해가스(Off-Gas)의 정보를 계측할 수 있다. 즉, 제1가스계측부(153)는 수납공간(S)에서의 열분해가스(Off-Gas)의 생성시점, 밀도변화율 등 열분해가스(Off-Gas)의 상태변화를 계측하고, 이렇게 계측된 정보는 후술되는 데이터송신부(157)를 통해 관리모듈(200) 측으로 전송될 수 있다.
제2가스계측부(154)는 제2가스센서를 통해 수납공간(S)에 생성되는 연기(Smoke)의 정보를 계측할 수 있다. 즉, 수납공간(S)에서의 연기(Smoke)의 생성시점, 밀도변화율 등 연기(Smoke)의 상태변화를 계측하고, 이렇게 계측된 정보는 후술되는 데이터송신부(157)를 통해 관리모듈(200) 측으로 전송될 수 있다.
온도계측부(155)는 온도센서를 통해 수납공간(S)의 온도정보를 계측할 수 있고, 이렇게 계측된 온도정보는 후술되는 데이터송신부(157)를 통해 관리모듈(200) 측으로 전송될 수 있다.
그리고, 계측모듈(150)에는 제1센서부(130)의 전선부(132)에 전류를 공급하기 위한 전원공급부(156)가 더 구비될 수 있다.
또한, 계측모듈(150)에는 데이터송신부(157)가 더 구비될 수 있다. 데이터송신부(157)는 블럭상태계측부(152), 제1가스계측부(153), 제2가스계측부(154), 온도계측부(155)에서 계측된 정보를 후술되는 관리모듈(200) 측으로 전송할 수 있다.
또한, 계측모듈(150)에는 알람수단이 더 구비될 수 있다. 알람수단은 블럭상태계측부(152), 제1가스계측부(153), 제2가스계측부(154), 온도계측부(155)에서 획득된 내화블럭(110)의 상태정보 및 수납공간(S)의 상태정보가 정상범위를 벗어나는 경우 내화챔버(100)에 인접한 현장 관리자가 확인할 수 있도록 알람정보를 표시할 수 있다. 이러한 알람수단은 경보음의 소리 및 지시등의 색이 내화블럭(110)의 상태정보 및 수납공간(S)의 상태정보에 따라 변경될 수 있고, 이에 따라 현장 관리자가 실시간으로 확인 및 대처가 가능하다. 이러한 알람정보 및 알람수단의 제어신호는 관리모듈(200) 측으로 전송되거나 전송받을 수 있다.
복수의 수납공간(S)을 형성하는 내화챔버(100)의 경우, 계측모듈(150)은 각각의 내화블럭(110)에 결합되어서, 각각의 내화블럭(110)의 상태정보 및 각각의 수납공간(S)의 상태정보를 계측할 수 있는데, 이를 위한 계측모듈(150)은 하우징(151)을 더 포함할 수 있다.
즉, 계측모듈(150)의 하우징(151)은 전술한 블럭상태계측부(152), 제1가스계측부(153), 제2가스계측부(154), 온도계측부(155), 전원공급부(156), 데이터송신부(157), 알람수단을 내부에 수용하여 보호할 수 있도록 박스 구조로 형성될 수 있다. 그리고, 하우징(151)은 블럭지지부재(120)의 하단부에 결합되어 내화블럭(110)의 바닥부를 형성할 수 있다.
관리모듈(200)은 복수의 계측모듈(150)의 데이터송신부(157)를 통해 내화챔버(100) 및 수납공간(S)의 상태정보를 수신하고, 수신된 내화챔버(100) 및 수납공간(S)의 상태정보를 기반으로 수납공간(S)에 수납된 배터리모듈(50)의 상태를 분석하며, 분석된 배터리모듈(50)의 상태정보를 출력할 수 있다.
즉, 이를 위한 관리모듈(200)은 데이터수신부(210), 데이터분석부(230), 데이터저장부(250), 데이터출력부(270)를 포함할 수 있다.
데이터수신부(210)는 계측모듈(150)의 데이터송신부(157)에서 송신하는 정보를 수신하여 데이터분석부(230) 측으로 전달할 수 있다.
데이터분석부(230)는 데이터수신부(210)에서 수신한 정보를 연산하여 내화챔버(100) 및 수납공간(S)의 상태변화를 분석할 수 있다. 이렇게 분석된 관련정보는 데이터저장부(250)에 저장될 수 있다.
구체적으로, 데이터분석부(230)는 데이터저장부(250)에 미리 저장되어 있는 분석기준을 기반으로 계측모듈(200)에서 측정된 정보들을 분석할 수 있다. 상기 분석기준은 배터리모듈(50)의 정상작동상태를 정의할 수 있는데, 즉, 내화챔버(100)에 아무런 손상이 없는 상태에서 수납공간(S)은 미리 설정된 한계온도를 초과하지 않고, 수납공간(S)에는 미리 설정된 가스(대기)의 밀도가 유지되는 상태일 수 있다.
따라서, 데이터분석부(230)는 정상작동 중인 배터리모듈(150)이 수용된 내화챔버(100) 및 수납공간(S)의 기준이 되는 상태정보와, 이후 배터리모듈(150)의 발열에 따른 블럭상태계측부(152), 제1가스계측부(153), 제2가스계측부(154), 온도계측부(155)로부터 수신된 내화챔버(100) 및 수납공간(S)의 변화된 상태정보를 비교하여, 배터리모듈(150)의 상태를 파악할 수 있다.
여기서, 내화챔버(100)에 허용범위를 초과한 변형이 발생된 경우, 수납공간(S)의 온도가 한계온도를 초과한 경우, 수납공간(S)에 제1가스 또는 제2가스의 밀도가 한계밀도를 초과한 경우에는, 배터리모듈(50)의 발열에 따른 열폭주(Thermal Runaway)가 시작될 수 있고, 이에 따라 화재가 발생될 수 있는 것으로 판단할 수 있다.
이렇게 데이터분석부(230)를 통해 분석된 정보는 데이터저장부(250)에 저장될 수 있고, 데이터출력부(270) 측으로 전달될 수 있다. 데이터출력부(270)는 데이터분석부(230)를 통해 분석된 정보 즉, 내화챔버(100) 및 수납공간(S)의 상태정보 및 배터리모듈(50)의 상태를 표시할 수 있다. 이러한 데이터출력부(270)는 관리모듈(200)에 인접한 장소에 머무르는 관리자가 즉시 확인할 수 있다.
그리고, 데이터출력부(270)는 관리자가 소지한 로컬단말기 측으로 관련 정보를 송신하여 현장에 있는 관리자가 실시간으로 내화챔버(100) 및 수납공간(S)의 상태정보 및 배터리모듈(50)의 상태를 즉시 확일할 수도 있다. 상기 로컬단말기는 현장 관리자가 소지한 핸드폰이나 태블릿일 수 있다.
따라서, 관리자는 내화챔버(100) 및 수납공간(S)의 상태정보 및 배터리모듈(50)의 상태를 확인 즉시 즉각적인 현장 대처가 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 에너지저장장치의 관리시스템은 배터리모듈(50)의 작동을 제어하기 위한 배터리제어모듈(300)을 더 포함할 수 있다.
배터리제어모듈(300)의 작동신호은 관리모듈(200) 측에서 수신될 수 있다. 즉, 관리모듈(200)의 데이터저장부(250)에 미리 저장된 배터리모듈(50)의 기준가동정보를 기반으로, 관리모듈(200)의 데이터분석부(230)에서 분석된 내화챔버(100) 및 배터리모듈(50)의 상태가 기준가동정보를 초과하는 경우, 관리모듈(200)은 배터리제어모듈(300)에 작동신호를 전달하여 해당 배터리모듈(50)의 작동을 즉시 중지할 수 있다.
예를 들어, 내화챔버(100)에 허용범위를 초과한 변형이 발생된 경우, 수납공간(S)의 온도가 한계온도를 초과한 경우, 수납공간(S)에 제1가스 또는 제2가스의 밀도가 한계밀도를 초과한 경우에는, 관리모듈(200)은 배터리모듈(50)의 발열에 의해 배터리모듈(50)이 조만간 열폭주하거나 화재가 발생될 수 있는 조건으로 판단하고, 배터리제어모듈(300)의 작동신호를 전달하여, 해당 배터리모듈(50)의 작동을 즉시 중지할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 에너지저장장치의 관리시스템은 화재 발생 시 수납공간(S) 또는 배터리모듈(50) 측에서 발생된 화재를 진압하기 위한 소방모듈(400)을 더 포함할 수 있다.
소방모듈(400)의 작동신호은 관리모듈(200) 측에서 수신될 수 있다. 즉, 관리모듈(200)의 데이터저장부(250)에 미리 저장된 소방모듈(400)의 기준가동정보를 기반으로, 관리모듈(200)의 데이터분석부(230)에서 분석된 내화챔버(100) 및 배터리모듈(50)의 상태가 기준가동정보를 초과하는 경우, 관리모듈(200)은 소방모듈(400)에 작동신호를 전달하여 소방모듈(400)을 즉시 가동할 수도 있다. 이러한 소방모듈(400)은 통상의 소방분말을 포함한 챔버 및 분사유닛을 포함할 수 있다.
이처럼 관리모듈(200)은 현장 관리자 및 담당자에 의한 수동 대처가 늦어지는 경우, 배터리제어모듈(300) 및 소방모듈(400)을 즉시 가동하여, 배터리모듈(50)의 열폭주에 의한 화재 발생을 억제할 수 있고, 만약 해당 배터리모듈(50)의 열폭주 후 화재가 발생되더라도 이웃하는 다른 수납공간(S) 및 배터리모듈(50) 측으로 화재 및 열폭주가 확산되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
S: 수납공간
50: 배터리모듈
100: 배터리모듈 격납용 내화챔버
110: 내화블럭
120: 블럭지지부재
130: 제1센서부
140: 제2센서부
150: 계측모듈
50: 배터리모듈
100: 배터리모듈 격납용 내화챔버
110: 내화블럭
120: 블럭지지부재
130: 제1센서부
140: 제2센서부
150: 계측모듈
Claims (5)
- 배터리모듈을 격리 수용하기 위한 수납공간의 일측벽을 형성하며, 제1수직관통구를 가지는 제1내화블럭과, 제2수직관통구를 가지고 상기 제1내화블럭의 상면에 적층되는 제2내화블럭을 구비하는 내화블럭;
일부분이 상기 제1수직관통구 및 상기 제2수직관통구에 관통 삽입되며, 상기 제1내화블럭 및 상기 제2내화블럭을 연결 지지하는 블럭지지부재;
상기 내화블럭의 표면에 설치되며, 상기 배터리모듈의 발열에 따른 상기 내화블럭의 손상여부를 감지하기 위한 제1센서부;
상기 내화블럭의 외부로 노출되는 상기 블럭지지부재의 일부분에 설치되며, 상기 배터리모듈의 발열에 따른 상기 수납공간의 상태변화를 감지하기 위한 제2센서부; 및
상기 블럭지지부재에 하단부에 결합되는 하우징을 가지며, 상기 제1센서부 및 상기 제2센서부에서 감지된 감지신호를 기반으로, 상기 내화블럭의 손상여부 및 상기 수납공간의 상태변화를 계측하는 계측모듈;을 포함하고,
상기 제1센서부는 양단부가 상기 계측모듈에 연결되는 전선부와 상기 전선부를 감싸도록 상기 전선부의 외면에 코팅되는 코팅층을 구비하는 케이블을 포함하며,
상기 케이블은 일부분이 상기 내화블럭의 표면 내부에 삽입 위치되고, 나머지 부분은 상기 내화블럭의 표면 외부로 돌출되어 상기 수납공간에 노출되고,
상기 제1센서부는 상기 내화블럭의 손상여부 및 상기 수납공간의 온도 변화를 동시에 감지하는 것을 특징으로 하는 배터리모듈 격납용 내화챔버. - 제1항에 있어서,
상기 계측모듈은,
상기 내화블럭이 손상되어 변형되거나 상기 수납공간의 온도가 변화됨에 따라, 연동하여 변화되는 상기 전선부의 저항값을 계측하는 것을 특징으로 하는 배터리모듈 격납용 내화챔버. - 제2항에 있어서,
상기 제1센서부는,
상기 케이블의 일부분이 삽입 결합되는 케이블결합홈을 가지며, 상기 케이블결합홈이 상기 내화블럭의 표면에 배치되도록 상기 내화블럭의 표면에 삽입 설치되는 케이블홀더;를 더 포함하며,
상기 케이블홀더는,
수평방향으로 구비되며, 상기 내화블럭 상에서 수직방향을 따라 일정 간격으로 이격 배치되는 복수의 제1케이블홀더; 및
수직방향으로 구비되며, 상기 내화블럭 상에서 수평방향을 따라 일정 간격으로 이격 배치되는 복수의 제2케이블홀더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리모듈 격납용 내화챔버. - 제1항에 있어서,
상기 제2센서부는,
상기 수납공간의 온도를 감지하는 온도센서;
상기 배터리모듈의 발열에 의해 상기 배터리모듈에서 생성되는 제1가스를 감지하는 제1가스센서; 및
상기 배터리모듈의 발열에 의해 상기 배터리모듈에서 생성되는 제2가스를 감지하는 제2가스센서;를 포함하며,
상기 계측모듈은,
상기 온도센서에서 측정된 온도 정보와, 상기 제1가스센서에서 측정된 제1가스 정보 및 상기 제2가스센서에서 측정된 제2가스 정보를 기반으로, 상기 수납공간의 온도 변화율, 제1가스 변화율 및 제2가스 변화율을 계측하는 것을 특징으로 하는 배터리모듈 격납용 내화챔버. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 배터리모듈 격납용 내화챔버; 및
상기 계측모듈로부터 계측된 상기 내화챔버의 손상정보 및 상기 수납공간의 상태정보를 수신하고, 수신된 상기 내화챔버의 손상정보 및 상기 수납공간의 상태정보를 기반으로 상기 배터리모듈의 상태를 분석하며, 분석된 상기 배터리모듈의 상태를 출력하는 관리모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지저장장치의 관리시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200028317A KR102342898B1 (ko) | 2020-03-06 | 2020-03-06 | 배터리모듈 격납용 내화챔버 및 이를 포함하는 에너지저장장치의 관리시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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