KR102507576B1 - 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치에 관한 것으로서, 전기차량에 상호 어레이된 다수의 단위 케이스마다 장착되어 내장된 배터리의 온도, 가스, 연기, 스웰링 현상 중 적어도 하나 이상의 센싱 정보를 검출하는 단위 센서부들과, 인공지능 머신러닝의 SVM 알고리즘에 의한 화재판별에 따른 출력되는 신호를 이용하여 배터리의 화재 예방 및 진압조치 여부를 단계별로 결정하고, 배터리 뱅크별 충전전류 또는 방전 전류를 스위치 차단에 의해 차단하는 전력 스위치와, 배터리를 냉각수의 순환에 의해 냉각할 수 있도록 된 비상냉각장치와, 단위 케이스 마다 설치되며 단위 케이스 내부로 소화약제를 분사하는 분사 노즐과, 소화약제를 공급하는 소화약제 공급부로부터 상기 분사노즐로의 소화약제의 공급을 개폐하는 밸브를 갖는 단위 소화 유니트들을 화재 예방 및 진압 조치 결정단계에 대응되게 제어하는 제어유니트를 구비한다.
Description
본 발명은 전기승용차, 전기버스 및 이와 유사한 상용차의 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치와 조기에 화재검출 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 배터리가 수용되는 단위 케이스 별로 화재 예방 및 진압단계별로 대응되는 조치를 수행할 수 있도록 화재검출 센서부와 인공지능 머신러닝의 SVM(Support Vector Machine) 알고리즘에 의한 화재판별에 따른 뱅크별 충방전 전류 스위치 차단에 의해 차단하는 전력 스위치와, 비상냉각장치, 소화약제 공급부 및 단위 소화유니트들을 결정된 장치제어 조작부와 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치에 관한 것이다.
휴대폰, 노트북, 전기차량, 배터리 에너지 저장장치 등 배터리 응용제품이 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술 활용이 증가하고 있다. 또한, 이차전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV), 전기버스(EB), 전기선박(ES) 등에 적용되고 있어, 이차전지에 대한 개발의 필요성이 갈수록 높아지고 있는 상황이다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬이온 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬이온 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 없어 충, 방전 효율이 높고, 자가 방전률이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 널리 활용되고 있다.
한편, 리튬이온 이차전지는 충전과 방전 과정에서 리튬이온이 내부에서 양극과 음극 (또는 반대 방향으로)으로 이동하고 이에 상응한 전자가 외부 전기회로를 통해서 이동함에 따라 전자의 흐름 즉, 전류의 흐름이 발생되어 이차전지로 활용된다. 배터리 내부에서 여러 가지 원인에 의해 전해액에서 발열이 비롯 되는 바, 이러한 열을 효과적으로 해열시키지 못하고 축적되는 경우, 전지의 내부 분리막이 열적 파손되어 내부단락이 발생하여 안전성이 크게 훼손될 수 있다. 특히, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등과 같이 고속 충방전 특성이 요구되는 전기차량 이차전지에서는 고밀도의 리튬이온이 전해액을 통해 이동되는 과정에서 발열과 부피의 팽창이 수반되기 쉽다. 이러한 고온 발열과 부피의 팽창이 지속되는 경우에는 내부 분리막(seperator)이 파손되어 양극물질과 음극물질이 혼합되는 내부단락 현상으로 열폭주(thermal-runaway)가 비롯되어 화재가 발생된다.
따라서, 전기차량에 탑재된 배터리에 대해 열폭주로 인해 발생되는 화재를 미리 예방하거나 이미 발생된 화재에 대하여 산소차단과 급속 냉각을 실시하여 완전하게 진압할 수 있는 시스템이 요구되고 있다.
한편, 한국공개특허공보 제2013-0028023호에는 배터리 팩의 화재를 진압할 수 있는 배터리 팩 화재진압장치가 개시되어 있다. 그런데 상기 장치는 화재감지센서로부터 화재 감지시 소화제를 공급하는 방식만을 적용하고 있어 화재로 진행되기 이전에 화재 발생을 억제할 수 있도록 열폭주 진행 단계별로 구분하여 안전조치를 보다 효과적으로 수행할 수 있는 화재 예방조치를 적용하고 있지 않는 단점이 있다.
또한, 수년 내에 제정 및 강제 시행 예정인, GB 표준(전기차용 배터리 안전성 중국 표준, "20.07. 강제 시행 예상) 및 EVS-GTR(전기자동차 안전성 세계 규정)에서는 배터리의 열폭주 또는 화재로 인한 열확산으로 탑승 공간에 위험이 발생하기 5분 전에 차량이 탑승객에게 위험을 경고할 수 있도록 강제 사항으로 요구하고 있고 이러한 요구사항을 해결할 수 있는 장치가 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 전기차량에 전력공급원으로 적용된 배터리의 화재 예방과 화재진압 시스템에서 요구되는 단위 케이스 별로 독립적으로 소화약제를 투입하는 소화처리 방식으로 화재 예방과 화재 진압을 수행할 수 있도록 조기에 열폭주를 검출하고, 검출신호를 기반으로 열폭주 진행상태를 유효하게 판단하여 열폭주 진행단계별로 적절한 대응조치를 함으로써 화재예방과 진압을 효과적으로 수행할 수 있는 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치는 전기차량에 탑재된 배터리의 화재를 예방하고 진압할 수 있도록 된 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치에 있어서, 상기 전기차량에 상호 어레이된 다수의 단위 케이스마다 장착되어 내장된 상기 배터리의 온도, 가스, 연기, 스웰링 현상 중 적어도 하나 이상의 센싱 정보를 검출하는 단위 센서부들과; 상기 단위 케이스 마다 설치되며 상기 단위 케이스 내부로 소화약제를 분사하는 분사노즐과, 소화약제를 공급하는 소화약제 공급부로부터 상기 분사노즐로의 소화약제의 공급을 개폐하는 밸브를 갖는 단위 소화유니트들과; 상기 배터리를 냉각수의 순환에 의해 냉각할 수 있도록 된 비상냉각장치와; 소방차의 외부 소화수를 상기 분사노즐로 공급할 수 있도록 된 외부 소화수 연결부; 및 상기 단위 센서부에서 출력되는 신호를 이용하여 상기 배터리의 화재 예방 및 진압조치 여부를 결정하고, 상기 단위 케이스별로 배터리와 전기적으로 접속되게 결선되어 충전전류 또는 방전 전류를 스위치 오프에 의해 차단하는 전력스위치와, 상기 비상냉각장치, 상기 소화약제 공급부 및 상기 단위 소화유니트들을 결정된 화재 예방 및 진압 조치 결정단계에 대응되게 제어하는 제어유니트;를 구비한다.
바람직하게는 상기 단위 센서부는 상기 전기 차량에 탑재된 배터리의 온도를 측정하는 온도센서와; 상기 배터리의 열폭주시 발생되는 유기화합물의 연기를 감지하는 연기감지센서와; 상기 배터리에서 발생되는 수소가스를 검출하는 수소가스센서와; 상기 배터리에서 발생되는 에틸렌(C2H4) 가스를 검출하는 에틸렌 가스센서와; 상기 배터리에서 발생되는 일산화탄소를 검출하는 일산화탄소센서와; 상기 배터리에서 발생되는 스웰링 현상을 검출하는 스웰링 검출센서;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 소화약제 공급부는 상기 단위 케이스 상부에 마련되며 소화약제가 저장된 저장탱크를 구비하고, 상기 저장탱크는 하방으로 진행될 수록 내부공간의 폭이 점진적으로 줄어들면서 중앙에 상기 단위 케이스의 분사노즐과 연통되는 집중토출구가 형성된 깔때기 형태로 형성된 것이 적용된다.
또 다르게는 상기 소화약제 공급부의 소화약제가 저장된 저장탱크는 상기 전기차량의 트렁크에 장착되어 있다.
또한, 상기 외부 소화수 연결부는 상기 분사노즐과 연통되게 접속되며 접힘이 가능하게 형성되어 외부로 연장될 수 있는 플렉서블 호스와; 상기 플렉서블 호스의 유로를 개폐하는 외부 수동밸브;를 구비한다.
또한, 상기 비상냉각창치는 냉각수가 저수되는 레저버 탱크와; 상기 레저버 탱크에 저수되어 메인 공급관을 통해 이송되는 냉각수를 상기 배터리로 공급하여 냉각할 수 있게 상기 메인 공급관으로부터 분기된 제1공급관상에 냉각수를 펌핑하도록 설치된 제1펌프와; 상기 메인 공급관으로부터 상기 제1공급관과 다른 경로로 분기되어 상기 배터리를 냉각할 수 있게 형성된 제2공급관상에 설치된 제2펌프와; 상기 메인 공급관을 통해 순환되는 냉각수를 냉각하는 냉각부;를 구비하고, 상기 제1공급관과 상기 제2공급관을 통해 유출되는 냉각수는 상기 메인 공급관에 회수되어 순환되게 접속되어 있고, 상기 제어유니트는 상기 단위 센서부에서 출력되는 파라미터별 센싱값들로부터 화재 예방 및 진압 조치 결정단계에 대해 경보신호를 출력하는 경보단계, 상기 전력스위치를 오프시키는 전류차단단계, 상기 배터리를 비상 냉각하는 비상냉각단계, 소화약제를 상기 분사노즐을 통해 분사하는 소화약제 투입분사 단계 중 어느 하나로 결정하고, 상기 경보단계와 상기 전류차단단계에는 상기 제1공급관을 통해 냉각수가 순환되게 제어하고, 상기 비상냉각단계 및 상기 소화약제 투입분사단계에서는 상기 제2공급관에도 냉각수가 공급되게 상기 제2펌프도 가동한다.
바람직하게는 상기 비상 냉각장치는 상기 비상냉각단계 및 상기 소화약제 투입분사단계에서 상기 제어유니트에 제어되어 가동되는 보조전원에 의해 가동될 수 있도록 구축된다.
또한, 상기 분사노즐로의 소화약제의 공급을 개폐하는 상기 밸브는 전력공급이 상실되어도 내부 유로가 개방되는 개방형 솔레노이드 밸브가 적용된다.
또한, 상기 제어유니트는 상기 단위 센서부에서 출력되는 파라미터별 센싱값들로 취득한 데이터 셋으로부터 머신러닝의 서포트벡터머신(SVM, Support Vector Machine) 알고리즘에 의해 학습된 각 파라미터의 설정값을 참조하여 화재 예방 및 진압 조치 결정단계에 대해 경보단계, 전류차단단계, 비상냉각단계, 소화약제 투입분사 단계 중 어느 하나로 결정하고, 결정된 단계에 대응되게 처리한다.
또한, 상기 제어유니트는 사용자가 수동으로 상기 소화약제 공급부 및 상기 단위 소화유니트를 가동하여 소화약제가 공급 또는 공급차단을 조작할 수 있고 수동으로 소화약제 분사량을 조절할 수 있는 수동조작스위치가 마련된다.
본 발명에 따른 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치에 의하면, 소화처리 대상 발화지점으로 확인된 단위 케이스별로 선택적으로 초기 소화 진압처리를 수행할 수 있고, 타 단위 케이스에 수납된 배터리에 화재가 전이 확산 되는 것을 예방하여 자원 피해를 최소화하고, 열폭주 진행단계별로 경고, 전류차단, 비상냉각, 소화약제 투입 과정을 순차적으로 진행함으로써 자원 손상을 최소화 하면서 최적화된 화재 예방 및 진압을 수행할 수 있는 장점을 제공한다.
즉, 기존의 통상적인 방식은 BMS 검출센서에 의한 전압, 온도 검출방식을 사용하고 있으나. 배터리 셀 전압은 열폭주가 시작되기 직전까지 변동이 없어 검출이 어렵고, 온도 센서는 온도 변화율이 낮아 실효적으로 열폭주에 따른 화재를 조기에 검출이 어려운 점에 착안하여, 본 발명은 배터리 이상 징후 발생시 조기에 누출되는 다양한 성분의 가스를 효과적으로 검출함으로써 열폭주 시작되기 이전에 이상 징후를 미리 검출하여 화재예방과 진압에 필요한 골던타임을 확보하여 예방조치를 취함과 동시에 효과적으로 진압조치를 할 수 있도록, 열폭주 진행단계별로 화재경보, 뱅크별 전류차단, 비상냉각, 소화약제 투입 과정을 순차적으로 진행하되, 충돌사고와 같이 급작스러운 열폭주 진행 조건시에는 소화약제를 우선적으로 투입하도록 실시함으로써 실제 화재발생의 조건과 여건이 되었음에도 실제 화재발생을 방지하는 기능 즉, 화재 예방을 효과적으로 조치할 수가 있고, 그름에도 화재가 발생된 경우에도 완벽한 화재진압을 조치하여 전기차량 손상과 화재피해를 최소화하면서 완벽한 화재 예방 및 진압을 수행할 수 있는 장점과, 소화처리 대상 발화지점으로 확인된 단위 케이스별로 선택적으로 초기 소화 진압처리를 수행할 수 있고, 타 단위 케이스에 수납된 배터리에 화재가 전이 확산되는 것을 예방하여 전기차량 손상과 화재피해를 최소화하면서 완벽한 화재 예방 및 진압을 수행할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 화재 예방 및 진압장치의 소화약제 공급관 배치구조를 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 화재 예방 및 진압장치가 적용된 전기차량의 일부를 분해하여 나타내 보인 사시도이고,
도 3은 도 1의 단위 케이스를 분해하여 도시한 분해 사시도이고,
도 4는 도 3의 단위 케이스의 조립 단면도이고,
도 5는 본 발명에 화재 예방 및 진압장치의 제어계통을 나타내 보인 블록도이고,
도 6는 도 5의 제어부에 대한 일 예의 상세 블록도이고,
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위 케이스 구조를 나타내 보인 단면도이고,
도 9는 도 5의 비상냉각장치를 나타내 보인 도면이고,
도 10은 열폭주 이전단계와 진행단계 방출가스의 종류와 농도변화의 예를 나타내 보인 도면이고,
도 11은 열폭주 진행에 따른 전압 및 온도의 변화를 나타내 보인 그래프이고,
도 12는 열폭주 진행에 따른 오프-가스, 내부 압력 변화를 나타내 보인 그래프이고,
도 13은 열폭주시 오프-가스, 온도, 연기 검출 센서별 상관계수를 나타내 보인 그래프이고,
도 14는 머신러닝의 SVM에 의해 결정된 열폭주 판단트리의 예를 나타내 보인 그래프들이고,
도 15는 머신러닝의 SVM에 의해 결정된 열폭주 판단트리의 또 다른 예를 나타내 보인 그래프들이다.
도 2는 본 발명에 따른 화재 예방 및 진압장치가 적용된 전기차량의 일부를 분해하여 나타내 보인 사시도이고,
도 3은 도 1의 단위 케이스를 분해하여 도시한 분해 사시도이고,
도 4는 도 3의 단위 케이스의 조립 단면도이고,
도 5는 본 발명에 화재 예방 및 진압장치의 제어계통을 나타내 보인 블록도이고,
도 6는 도 5의 제어부에 대한 일 예의 상세 블록도이고,
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위 케이스 구조를 나타내 보인 단면도이고,
도 9는 도 5의 비상냉각장치를 나타내 보인 도면이고,
도 10은 열폭주 이전단계와 진행단계 방출가스의 종류와 농도변화의 예를 나타내 보인 도면이고,
도 11은 열폭주 진행에 따른 전압 및 온도의 변화를 나타내 보인 그래프이고,
도 12는 열폭주 진행에 따른 오프-가스, 내부 압력 변화를 나타내 보인 그래프이고,
도 13은 열폭주시 오프-가스, 온도, 연기 검출 센서별 상관계수를 나타내 보인 그래프이고,
도 14는 머신러닝의 SVM에 의해 결정된 열폭주 판단트리의 예를 나타내 보인 그래프들이고,
도 15는 머신러닝의 SVM에 의해 결정된 열폭주 판단트리의 또 다른 예를 나타내 보인 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 화재 예방 및 진압장치의 소화약제 공급관 배치구조를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 화재 예방 및 진압장치가 적용된 전기차량의 일부를 분해하여 나타내 보인 사시도이고, 도 3은 도 1의 단위 케이스를 분해하여 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 단위 케이스의 조립 단면도이고, 도 5는 본 발명에 화재 예방 및 진압장치의 제어계통을 나타내 보인 블록도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 화재 진압장치(100)는 단위 센서부(130), 단위 소화유니트(150), 소화약제 공급부(160) 및 제어유니트(180)를 구비한다.
참고로 도시된 예에서는 전기차량(10)으로서 승용형이 예시되어 있으나, 전기 버스 등 배터리를 장착하여 가동되는 차량은 본 장치(100)가 모두 적용될 수 있음은 물론이다.
단위 센서부(130)는 단위 케이스(110) 마다 장착되어 단위 케이스(110)로부터 발생되는 온도, 가스, 연기, 스웰링 현상에 대한 센싱 정보를 검출한다.
여기서 단위 케이스(110)들은 전기차량(10)의 주행용 모터(미도시)를 포함한 구동요소에 전력을 공급하도록 전기 차량(20)에 탑재되어 있고, 전용 함체(30) 외에도 다양한 형태의 보호 구조물을 통해 장착될 수 있다. 이러한 단위 케이스(110)는 통상적으로 전기 차량(10)의 전륜과 후륜사이의 프레임 하부 공간에 장착되어 있다.
단위 케이스(110)에는 배터리(121)들이 다수 어레이 형태로 장착되어 있고, 함체(30)에 수납 및 인출가능하게 장착되어 있고, 전기차량(10)에서 요구되는 충방전 전력 조건에 맞게 전기적으로 타 단위 케이스(110)와 상호 직렬 또는 병렬 연결처리된다.
이러한 단위 케이스(110)는 고유한 어드레스가 부여되어 있다.
한편, 단위 케이스(110)에 적용되는 배터리(121)는 모든 형태의 리튬이온 배터리가 적용이 가능하며, 원통형, 각형, 파우치형 배터리 등 모양과 형태에 제한을 받지 않으며, 양극재질의 종류에 따른 LCO(Lithium Cobalt Oxide), NCM(Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide), NCA(Nickel Cobalt Aluminium Oxide), LFP(Lithium Iron Phosphate), LiPO(Lithium-ion Polymer) 등 양극재질에 상관 없이 적용이 가능하며, 배터리 리사이클링(Recycling)에 따른 재생용 배터리에 대하여도 적용이 가능하며, 배터리 저장, 이송, 정상 운전 등 배터리 저장과 사용형태에 따른 제한없이 적용이 가능하다.
함체(30)는 다수의 단위 케이스(110)를 수납할 수 있게 형성되어 있고, 냉각수를 순환하여 단위 케이스(110)들을 냉각할 수 있는 구조로 구축될 수 있다. 또한, 단위 케이스(110)의 상부 또는 하부영역에 냉각수가 순환되는 구조로 구축될 수 있음은 물론이다.
이러한 구조에서 단위 케이스(110)는 단위 소화제어가 가능하게 구축되어 있고, 이를 구분하면, 베이스플레이트(111a), 격벽(113), 전면판(111b), 배면판(111c), 사이드판(111d), 내부 분출판(114), 상부 커버(116)를 구비한다.
베이스 플레이트(111a)는 판형상으로 연장되어 바닥면을 형성하는 부분이다.
격벽(113)은 베이스 플레이트(111a)의 바닥영역을 배터리수용실(110a) 영역과 전자기판 장착실(110b) 영역으로 구획되게 형성하기 위해 베이스 플레이트(111a)의 바닥면에서 구획 경계선을 따라 상방으로 연장되게 설치되어 있다.
전면판(111b)은 격벽(113)의 일면이 노출되는 영역에서 베이스 플레이트(111a)의 가장자리로부터 상방으로 연장되어 있다. 즉, 전면판(111b)은 격벽(113)의 일면과 이격되어 대향되게 베이스 플레이트(111a)로부터 상방으로 연장되어 있다.
배면판(111c)은 격벽(113)의 타면이 노출되는 영역에서 베이스 플레이트(111a)로부터 상방으로 연장되어 있다. 즉, 배면판(111c)은 격벽(113)의 타면과 이격되어 대향되게 베이스 플레이트(111a)로부터 상방으로 연장되어 있다.
배면판(111c)에는 베이스플레이트(111a)로부터 상방으로 이격되는 위치에 투입된 소화약제의 오버 플로우를 지원하기 위한 방출홀(118)이 다수 마련되어 있다.
여기서, 방출홀(118)은 베이스플레이트(111a)로부터 내부 분출판(114)까지의 제1높이(h1)를 기준으로 베이스 플레이트(111a)로부터 상방으로 제1높이(h1)보다 낮은 제2높이(h2)에서부터 상방으로 형성되어 있고, 제2높이(h2)는 7h1/10 내지 9h1/10로 적용한다. 바람직하게는 제2높이(h2)는 제1높이(h1)의 80%높이에 해당하는 8h1/10로 적용한다.
사이드판(111d)은 베이스 플레이트(111a)로부터 상방으로 연장되어 배면판(111c)과 격벽(113) 사이에 배터리 수용실(110a)을 형성하고, 전면판(111b)과 격벽(113) 사이에 전면판(111b)과 격벽(113)을 에워싸게 연장되어 전자기판 장착실(110b)을 형성하도록 되어 있다.
여기서, 전자기판 장착실(110b)은 단위 센서부(130)에서 수신된 신호를 처리하는 회로보드(130b)가 탑재되는 공간으로 화재 진압장치(100)의 작동을 지원하는 또 다른 회로보드가 수용될 수 있음은 물론이다.
사이드판(111d)에도 방출홀(118)이 앞서 설명된 배면판(111c)의 설치조건에 따라 형성되어 있다.
내부 분출판(114)은 배터리 수용실(111a)을 상부에서 폐쇄하게 사이드판(111d)에 결합되어 있고, 배터리 수용실(110a)과 연통되는 분사홀(114a)이 좌우로 열을 지어 다수 형성되어 있다.
내부 분출판(114)에 형성되는 분사홀(114a)의 직경은 1 내지 3mm로 형성되는 것이 바람직하다.
상부 커버(116)는 내부 분출판(114) 상부에 결합되어 내부 분출판(114)과의 사이에 소화약제 유입공간(117)을 형성한다.
상부 커버(116)는 내부 분출판(114) 상부에 폐쇄된 소화약제 유입공간(117)을 형성하도록 사이드판(111d), 배면판(111c) 및 격벽(113)과 결합되는 구조로 형성되면 된다. 도시된 예에서는 격벽(113) 상부로 연장된 상부 커버(116)의 보조구획판(115)에 의해 소화약제 유입공간(117)이 배터리 수용실(110a)의 면적에 대응되게 상부에 형성되어 있다.
소화약제 유입공간(117)을 형성하는 방식은 예시된 조립구조와 다른 조립구조로 형성될 수 있음은 물론이다.
이러한 구조에 의하면, 소화약제 유입공간(117)으로 공급되는 소화약제가 내부 분출판(114)에 가로세로 격자형태로 형성된 다수의 분사홀(114a)을 통해 배터리 수용실(110a) 내부의 배터리(121) 전체에 고압의 스프레이 형태로 직접 골고루 분사되어 배터리(121) 간에 화재전이와 확산을 방지하고 발화된 배터리(121) 주변에 소화약제가 효과적으로 투입됨으로써 소화약제에 의해 화재진압을 효과적이며, 원할하게 수행할 수 있도록 지원한다.
소화약제는 수용성 분말가루로 배터리 화재에 특화된 것이 적용되는 것이 바람직하다.
단위 센서부(130)는 격벽(113)상에 배터리 수용실(110a)에 대해 노출되게 설치되어 있다.
단위 센서부(130)는 온도센서(131), 연기감지센서(133), 제1 내지 제3가스센서(134a 내지 134c) 및 스웰링 검출센서(135)가 적용되어 있다.
온도센서(131)는 단위 케이스 내부에 장착되는 배터리(121)의 온도를 검출한다. 온도센서(131)는 배터리(121)에 상호 이격되게 2 내지 4개 정도가 단위 케이스(110) 내부에서 온도 검출 사각지가 발생되지 않도록 분산 배치되게 설치되어 단위 케이스(110) 내부의 온도를 검출하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
연기감지센서(133)는 배터리(121)로부터 발생되는 연기를 감지한다.
제1 내지 제3가스센서(134a 내지 134c)는 배터리(121)로부터 발생되는 가스를 검출한다. 일 예로서, 제1가스센서(134a)는 일산화탄소를 검출하는 일산화탄소센서가 적용되고, 제2가스센서(134b)는 수소가스를 검출하는 수소가스센서가 적용되고, 제3가스센서(134c)는 에틸렌가스(C2H4)를 검출하는 에틸렌가스 센서가 적용될 수 있다.
스웰링 검출센서(135)는 배터리(121)의 팽창을 검출한다. 스웰링 센서(135)는 배터리(121)의 열폭주 발생시 스웰링 현상을 효과적으로 검출하는 센서로 스트레인 게이지가 적용될 수 있다.
스웰링 검출센서(135)는 배터리(121) 전후좌우에 상호 이격되게 바람직하게는 2∼4개 정도가 부착되어 단위케이스(110) 내부에서 배터리(121) 팽창을 효과적으로 검출할 수 있도록 모듈별 4개 측면에 분산 배치되게 설치될 수 있음은 물론이다.
또한, 단위 센서부(130)는 불꽃을 검출하는 불꽃검출센서가 더 구비될 수 있음은 물론이다.
참조부호 145는 배터리(121)로의 전력을 충전 또는 배터리(121)에 충전된 전력을 방전하는 전력공급선에 직렬상으로 설치되어 배터리(121)로의 전력 충전을 유지 또는 차단하게 설치된 전력스위치이다. 전력 스위치(150)는 단위케이스(110) 별로 각각 마련되는 것이 바람직하다.
단위 소화유니트(150)는 단위 케이스(110) 마다 설치되며 단위 케이스(110) 내부로 소화약제를 분사하는 분사노즐(151)과, 소화약제 공급부(160)로부터 분사노즐(151)로의 소화약제의 공급을 개폐하는 밸브(153)를 갖는 구조로 되어 있다.
분사노즐(151)은 상부 폐쇄판(116)과 내부 분출판(114) 사이의 소화약제 유입공간(117)으로 소화약제를 분사할 수 있게 설치되어 있다.
밸브(153)는 제어부(185)에 제어되어 분사노즐(151)로 이어지는 유로를 개방 또는 폐쇄시킨다. 밸브(153)는 화재 비상시에 상시 개방되어 소화약제 분사가 가능하도록 고장에 전력공급이 상실되어도 내부 유로가 개방되는 개방형 솔레노이드 밸브가 적용된다.
소화약제 공급부(160)는 저장탱크(165)에 저장된 소화약제를 분사노즐(151)로 이어지는 공급관(163)을 통해 공급할 수 있도록 되어 있다.
소화약제 공급부(160)는 저장탱크(165)에 저장된 소화약제의 공급관(163)으로의 공급을 제어부(185)에 의해 제어되어 개폐되는 메인 밸브(166)와 공급관(163)상에 설치되어 소화약제를 고압으로 펌핑하는 펌프(P)(168)를 구비한다. 여기서,
소화약제 공급부(160)는 저장탱크(165)에 대해 병렬상으로 펌프(P) 및 메인밸브(166)가 장착되어 공급관(163)으로 소화약제를 공급하도록 되어 있어 어느 하나의 고장에 대해서도 우회로를 통해 소화약제가 공급될 수 있다.
또한, 분사노즐(151)로 소화약제를 공급하도록 연통되게 접속된 공급관(163)에는 소방차(미도시)로부터 외부에서 공급되는 외부 소화수를 투입하여 소화약제로서 분사노즐(151)로 공급하여 분사하고자 하는 경우에도 지원할 수 있도록 된 외부 소화수 연결부(261)가 공급관(163)에 연통되게 접속되어 있다.
외부 소화수 연결부(261)는 분사노즐(151)과 접속된 공급관(163)과 연통되게 접속되며 접힘이 가능하게 형성되어 외부로 연장될 수 있는 플렉서블 호스(263)와; 플렉서블 호스(263)의 유로를 개폐하는 외부 수동밸브(266)로 구축되어 있다. 참조부호 267은 소방차로부터 연장된 소방호스(263)를 연통되게 접속할 수 있는 결합소켓이다.
이 경우, 화재 진압을 위해 도착한 소방차로부터 소방호스(263)를 연결하여 배터리(121)의 화재 진압을 위한 소방수를 공급할 수 있다.
한편, 소화약제 공급부의 저장탱크는 도시된 예와 다르게 도 7에 도시된 바와 같이 단위케이스(110)의 상부 커버(116) 상부에 소화약제가 수용되는 소화약제 수용실(172)을 갖는 상부챔버(170)를 일체로 형성하고, 소화약제 수용실(172)로부터 분사노즐(151)로 이어지는 공급관(163)을 접속하고, 공급관(163) 상에 앞서 설명된 펌프(P)(168) 및 밸브(153)를 설치하여 제어부(185)에 제어되도록 구축될 수 있다. 여기서, 상부챔버(170)가 저장탱크가 된다.
또 다르게는 도 8에 도시된 바와 같이 내부 분출판(114) 상부에 소화약제 수용실(172)을 갖는 상부챔버(270)를 일체로 형성하고, 내부 분출판(114)으로 소화약제가 공급되게 구축될 수 있다. 여기서, 상부 챔버(270)는 하방으로 진행될 수록 내부공간의 폭이 점진적으로 줄어들면서 중앙에 단위 케이스(110)의 배터리(121)가 수용되는 배터리수용실(110a)과 연통되는 집중토출구(275)가 형성된 깔때기 형태로 형성되어 있다. 여기서, 상부챔버(270)가 저장탱크에 해당하고, 집중토출구(275)가 분사노즐에 해당하며, 밸브(153)는 집중 토출구(275)를 개폐할 수 있도록 되어 있다. 상부 챔버(170)(270)의 상부에는 소화약제를 주입할 수 있는 주입구(미도시)가 형성되어 있다.
한편, 단위 케이스(110)를 수용하면서 보호하는 배터리 팩 하우징(미도시)이 전기 차량(10)의 실내 바닥면의 경계가 되는 동시에 단위 케이스(110)를 단열시켜 배터리(121)에 대해 온도 장벽역할을 하도록 제작되는 경우 배터리 팩 하우징의 상부에 일정한 높이로 바람직하게는 100mm 내외 높이의 공간을 확보하여 소화약제를 저장하는 소화약제 저장탱크로서 상부 챔버를 제작할 수 있다.
소화약제는 수용성 분말가루로 배터리 화재에 특화된 것이 적용되는 것이 바람직하며, 이 소화약제는 앞서 설명된 수용성 분말가루 이외에도 액상의 소화약제 또는 기체 상의 소화약제 등 공지된 다양한 소화약제가 적용될 수 있음은 물론이다.
저장탱크(165)는 소화약제가 저장되어 있고, 전기차량(10)의 트렁크 하부에 장착되어 있다.
비상냉각장치(170)는 배터리(121)를 냉각수의 순환에 의해 냉각할 수 있도록 되어 있고, 단위 케이스(110)의 하부 또는 상부에 냉각수가 유통될 수 있게 형성되면 된다.
비상냉각장치(170)는 전기차량(10)이 가동되는 평상시의 일반가동모드에서는 배터리(121)에서 발생되는 열을 흡수하여 안정적인 작동 온도범위를 유지하도록 하고, 열폭주시에는 냉각능력을 높여 냉각할 수 있게 비상냉각모드를 수행할 수 있는 구조로 구축되는 것이 바람직하고, 그 예를 도 9를 참조하여 설명한다.
비상냉각창치(170)는 레저버 탱크(171), 메인 공급관(172a), 메인펌프(P)(172), 제1공급관(173b), 제2공급관(173c), 제1 및 제2바이패스관(173d)(173e), 제1펌프(P)(174), 제2펌프(P)(175), 라디에이터(175), 팬(176), 냉각기(177), 삼뱅밸브(178)를 구비한다.
레저버 탱크(171)는 냉각수를 저수할 수 있도록 되어 있고, 저수된 냉각수를 메인 공급관(173a)을 통해 공급하도록 접속되어 있다.
메인 공급관(173a)는 레저버 탱크(173a)에 저수된 냉각수를 공급 및 회수 할 수 있게 레저버 탱크(173a)의 양단에 연장되게 배관된 부분이다.
메인 펌프(172)는 메인 공급관(173a) 상에 설치되어 냉각수를 이송경로를 따라 이송되게 펌핑한다.
제1공급관(173b)은 메인 공급관(173a)을 통해 이송되는 냉각수를 단위 케이스(110)의 배터리(121)로 공급하여 냉각할 수 있게 메인 공급관(173a)으로부터 분기된 후 회수경로의 메인 공급관(173a)을 통해 냉각수가 회수될 수 있게 접속되어 있다.
제2공급관(173c)은 메인 공급관(173a)을 통해 이송되는 냉각수를 배터리(121)로 공급하여 냉각할 수 있게 메인 공급관(173a)으로부터 제1공급관(173b)과 다른 경로로 분기된 후 회수경로의 메인 공급관(173a)을 통해 회수될 수 있게 접속되어 있다.
즉, 제1공급관(173b)과 제2공급관(173c)을 통해 유출되는 냉각수는 메인 공급관(173a)에 회수되어 순환되게 접속되어 있다.
제1 및 제2바이패스관(173d)(173e)은 메인 공급관(173a)으로부터 제1 및 제2공급관(173b)(173c)으로 분기 이전의 위치에서 단위케이스(110)의 배터리(121)를 경유하여 회수되는 경로의 메인 공급관(173a)과 상호 병렬상으로 접속되어 있고, 하부 종단에 삼상밸브(178)가 결합되어 있다.
제1 및 제2바이패스관(173d)(173e)은 냉각수를 단위 케이스(110)의 배터리(121)를 거치지 않고 순환시킬 때 이용될 수 있다.
제1펌프(174)는 제1공급관(173b)상에 냉각수를 펌핑하여 단위 케이스(110)의 배터리(121)로 공급되게 설치되어 있다.
제2펌프(175)는 제2공급관(173c)상에 냉각수를 펌핑하여 단위 케이스(110)의 배터리(121)로 공급되게 설치되어 있다.
라디에이터(175)는 회수경로의 메인 공급관(173a)과 레저버 탱크(171) 사이에 접속되어 팬(176)의 가동에 의해 유입되는 공기로 냉각수를 냉각하도록 되어 있다.
냉각기(177)는 단위 케이스(110)의 배터리(121)를 거친 제1 및 제2공급관(173b)(173c)과 회수경로의 메인 공급관(173a) 사이에 설치되어 냉각수를 냉각한다. 냉각기는 공지된 다양한 방식의 냉각구조가 적용될 수 있음은 물론이다.
여기서, 냉각기(177), 라디에이터(175) 및 팬(176)이 메인 공급관(173a)을 통해 순환되는 냉각수를 냉각하는 냉각부에 해당한다.
한편, 도시되지는 않았지만 계절에 따라 냉각수를 가열시켜 단위 케이스(110)의 배터리(121)를 보온시키는 히터가 더 장착될 수 있음은 물론이다.
냉각수는 앞서 설명된 바와 같이 단위 케이스(110)들을 에어싸는 함체(30)를 순환하면서 배터리(121)를 냉각하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
이러한 비상냉각장치(170)에 의하면 배터리(121)에 대한 냉각능력을 제1공급관(173b)만을 통해 순환시키는 일반가동모드와, 제1공급관(173b) 및 제2공급관(173c) 모두를 통해 순환시키는 비상냉각모드를 선택하여 수행하여 냉각능력을 조정할 수 있다.
바람직하게는 비상 냉각장치(170)는 후술되는 비상냉각단계 및 소화약제 투입분사단계에서 제어부(185)에 제어되어 가동되는 보조전원(280)에 의해 가동될 수 있도록 구축된다. 또한, 비상 냉각장치(170)를 비상냉각단계 모드로 가동하는 경우에는 전기차량(10)의 키온 또는 키오프 상태와 상관없이 비상적으로 즉시 가동될 수 있도록 구축되며, 전원은 앞서 설명된 보조전원(280)으로 전환되어 가동되도록 구축된다.
제어유니트(180)는 조작부(181), 표시부(183) 및 제어부(185)를 구비한다.
조작부(181)는 지원되는 기능을 제어부(185)에 설정할 수 있도록 되어 있다.
조작부(181)는 제어부(185)와 관계없이 수동으로 사용자가 소화약제 공급부(160)를 가동하여 소화약제가 단위케이스(110)에 공급 또는 공급차단을 조작할 수 있는 수동조작키에 해당하는 수동공급키(181a)와 수동공급중단키(181b)가 마련되어 있고, 수동공급키(181a)와 수동공급중단키(181b)는 제어부(185)와 관계없이 해당 요소를 사용자 조작에 의해 가동 및 중단할 수 있게 구축되어 있다.
표시부(183)는 제어부(185)에 제어되어 표시대상 정보를 표시한다.
제어부(185)는 단위 센서부(130)에서 출력되는 신호를 이용하여 단위 케이스(110) 별로 배터리(121)의 화재 예방 및 진압조치 여부를 결정하고, 단위 케이스(110)별로 배터리(121)와 전기적으로 접속되게 결선되어 충전전류 또는 방전 전류를 스위치 오프에 의해 차단하는 전력스위치(145)와, 비상냉각장치(170), 소화약제 공급부(160) 및 단위 소화유니트(150)를 결정된 화재 예방 및 진압 조치 결정단계에 대응되게 제어한다.
제어부(185)는 소화약제 투입분사 단계로 결정된 단위 케이스(110) 내로 소화약제가 공급되게 소화약제 공급부(160) 및 해당 밸브(153)가 개방되게 단위 소화유니트(150)들을 제어한다.
일 예로서, 제어부(185)는 제1 내지 제3가스검출센서(134a 내지 134c)로부터 설정된 가스가 기준농도 이상으로 검출된 이후 설정된 대기시간 내에 연기검출센서(133)로부터 연기가 검출되면 소화약제 투입분사조건에 해당하는 것으로 판단하여 대응되는 단위 케이스(110)에 소화약제가 분사되게 제어한다.
제어부(185)는 경고단계에 해당하는 것으로 판단되면 전기차량(10)에 비치된 음향 또는 정보 출력장치를 통해 경고 메시지를 출력하고, 통신부(187)를 통해 등록된 관리서버(210) 또는 사용자 단말기(230)로 경고단계에 해당한다는 알림 메시지를 송출할 수 있도록 구축한다.
여기서 사용자 단말기(230)는 운전자의 스마트폰이 적용될 수 있다.
제어부(185)는 온도센서(121), 연기감지센서(123), 제1 내지 제3가스센서(134a 내지 134c) 및 배터리 스웰링 검출센서(131)에서 출력되는 신호를 이용하여 정상인지, 열폭주 단계 중 어느 단계에 해당하는지를 판정하고, 판정된 열폭주 단계에 따라 경고조치 뿐만아니라, 전력스위치(145)와, 비상냉각장치(170), 단위 소화유니트(150) 및 소화약제 공급부(160) 중 어느 하나 또는 모두를 설정된 제어방식에 대응되게 제어한다.
제어부(185)는 온도센서(121)에서 검출된 온도가 설정된 제1보호조치온도 범위에 해당하면 제1단계인 경고 단계에 해당하는 것으로 판단하여 화재 경보신호를 표시부(183)를 통해 출력한다. 제어부(185)는 화재 경보신호를 표시부(183) 이외에도 사용자 단말기(200)로 전송되게 처리하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
여기서, 제1보호조치 온도범위는 60 내지 70℃로 설정될 수 있다.
또한, 제어부(185)는 온도센서(121)에서 검출된 온도가 제1보호조치 온도보다 높게 설정된 제2보호조치 온도범위에 해당하고 가스센서로부터 수신된 수소가스 검출신호가 설정된 제2단계에 해당하면 전력스위치(145)가 오프되게 제어한다.
여기서, 제2보호조치 온도범위는 80 내지 90℃로 설정될 수 있다.
또한, 제어부(185)는 온도센서(121)에서 검출된 온도가 제2보호조치온도범위보다 높게 설정한 제3보호조치온도범위에 해당하고, 가스센서로부터 수신된 수소가스 검출신호가 제2단계에 해당하는 수소가스 농도보다 높게 설정된 제3단계의 농도에 해당하고, 스웰링 검출센서(135)로부터 수신된 배터리 팽창정보가 설정된 제3단계에 해당하면, 냉각수가 배터리(121)를 냉각하도록 비상냉각장치(170)를 제어한다.
여기서, 제어부(185)는 일반 가동모드 즉, 보호조치에 해당하지 않거나 제1 및 제2단계에서는 제1공급관(173b)을 통해서만 냉각수가 순환되게 메인펌프(172) 및 제1펌프(174) 만 온도정보에 따라 방열이 필요시 가동되게 제어하고, 제3단계에서는 제2공급관(173c)에도 냉각수가 공급되게 제2펌프(175)도 함께 가동하도록 구축된다.
여기서, 제3보호조치 온도범위는 90℃ 내지 100℃로 적절하게 설정된다.
또한, 제어부(185)는 온도센서(131)에서 검출된 온도가 제3보호조치온도범위보다 높게 설정한 제4보호조치온도범위에 해당하고, 연기감지센서(133)로부터 수신된 연기 검출신호와 가스센서로부터 수신된 일산화탄소 검출신호가 제4단계에 해당하는 것으로 판단되면 전력스위치(145)의 오프상태를 유지하고, 비상냉각장치(170)에 의해 배터리(121)의 비상 냉각이 유지되게 하며, 소화약제 공급부(160)로부터 소화약제가 해당 단위케이스(110)의 배터리(121)를 소화하는데 투입되게 소화약제 공급부(160) 및 단위 소화유니트(150)를 제어한다.
즉, 제어부(185)는 제4단계로 판단되면 해당 소화약재 공급용 밸브(153)가 개방되게 제어하여 소화약제가 분사노즐(151)을 통해 소화가스가 분사되게 처리한다. 여기서, 제3보호조치 온도범위는 120℃ 이상에서 적절하게 설정된다.
여기서 열폭주에 대해 설정된 2단계는 배터리(121) 내부의 양극물질, 음극물질, 분리막의 파손, 전해액의 변질 등으로 내부 요소가 손상과 변질이 발생하여 어노드(Anode) 경계면에서 전해질의 SEI 층(solid electrolyte interphase layer)이 파괴되어 양이온이 급속도로 증가되어 전해액의 온도가 증가하기 시작하는 단계에 해당한다.
따라서, 제어부(185)는 열폭주의 진전상태에 따라 열폭주발생 초기인 2단계에서는 배터리(121)와 접속된 전력스위치(145)를 오프시켜 전류를 차단하면 열폭주를 유발시키는 화학작 연쇄반응이 완화되어 열폭주를 완화시켜 화재폭발을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 제3단계는 열폭주 2단계 과정이 지속될 경우에는 내부 분리막의 파손이 시작되는 과정이고, 제4단계는 파손이 연속되는 과정이다.
앞서 설명된 바와 같이 열폭주 4단계에서 제어부(185)는 소화약제가 분사되게 처리하여 화재발생을 억제한다.
바람직하게는 제어부(185)는 단위 센서부(130)에서 각각 출력되는 파라미터별 센싱값들의 데이터 셋으로부터 머신러닝의 서포트벡터 머신(SVM, Support Vector Machine)의 알고리즘을 적용하여 앞서 설명된 앞서 설명된 경보단계, 전류차단단계, 비상냉각단계, 소화약제 투입분사 단계 중 어느 하나로 결정하고, 결정된 단계에 대응되는 각 센서값을 설정하여 처리하도록 화재판별 트리(fire decision tree)가 구축될 수 있다.
화재판별 트리(fire decision tree)가 적용된 예에서 제어부(185)는 도 6에 도시된 바와 같이 구축될 수 있다.
학습 데이터셋(185a)은 배터리 열폭주 실험을 통해 관측된 각종 측정 데이터(각종 가스, 연기, 온도, 스웰링 등)를 수집하여 머신러닝 학습에 필요한 유효 데이터 추출과 변수별 단위 변환을 포함한 학습 데이터 셋을 만드는 과정이다.
SVM 알고리즘 학습부(185b)는 학습 데이터 셋(185a)을 활용하여 SVM 알고리즘에 따라 정상, 경보, 전류차단, 비상냉각, 소화약제 투입 등 5단계로 최적화로 분류하는 학습과정을 수행한다.
파라미터 출력부(185c)는 SVM 알고리즘 학습부(185b)에 의해 학습된 결과로부터 각 변수의 파라미터 값을 추출한다.
머신러닝 학습모텔 출력부(185d)는 머신러닝 학습결과 데이터를 최종적으로 추출하여 제어부(185)의 해당 펌웨어(또는 소프트웨어)에 해당 파라미터별 설정값을 반영되게 처리한다.
화재 판단 결정부(185e)는 머신러닝 학습모델 출력부(185d)의 모델 정보를 이용하여 화재검출 및 센싱 파라미터인 온도, 연기, 수소가스, 일산화탄소, 에틸렌가스 들의 센싱 데이터들이 어느 조치 단계에 해당하는 지를 결정하고, 결정된 조치 단계에 따라, 경고, 전류차단, 비상냉각, 소화약제 투입분사 중 어느 하나를 수행하도록 처리한다. 참고로 도 9에서 S1은 오프라인에서 작업이 이루어져 화재 판단 결정부(185e)에 제공하도록 구축될 수 있다.
이러한 제어부(185)는 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 열폭주 단계 및 진행에 대한 발생 가스종류, 온도에 대해 도 13에 도시된 바와 같은 상관계수를 도출한다. 도 14 및 도 15는 SVM 알고리즘에 의해 학습되어 각 출력 단계별로 최적으로 분류된 파라미터 설정치의 일례를 나타낸다.
이와 같은 인공지능의 머신러닝의 SVM 알고리즘에 의해 열폭주와 화재 진행상태를 판단하여 정상상태와, 전류차단 단계, 비상냉각 단계 및 소화약제 투입 단계를 결정할 수 있도록 함으로써 측정된 데이터로부터 배터리 화재상태를 보다 정확하게 화재판단과 각 제어요소의 오작동을 방지할 수 있다.
이러한 제어부(185)는 앞서 설명된 센서들로부터 온도, 수소가스, 일산화탄소가스, 에티렌 가스, 연기 및 스웰링 정보를 수집하고, 수집된 검출정보로부터 경고 단계에 해당하는지를 판단하고, 경고 단계에 해당하는 것으로 판단되면 경보 신호를 발생한다.
이후, 제어부(185)는 수집된 검출정보로부터 전력 스위치(145) 차단 단계에 해당하는지를 판단하고, 전력스위치(145) 차단 단계에 해당하면 전력 스위치(145)를 차단시킨다.
후속해서, 제어부(185)는 수집된 검출정보로부터 온도, 전압, 수소가스, 일산화탄소가스, 에티렌 가스, 연기 및 스웰링 정보가 비상냉각단계에 해당하면 배터리(121)와 접속된 해당 전력 스위치(145)의 차단을 유지하면서 비상냉각장치(170)를 비상냉각 모드가 되게 가동한다.
이후 제어부(185)는 온도, 수소가스, 일산화탄소가스, 에티렌 가스, 연기 및 스웰링 정보가 소화약제 분사단계로 판단되면 전력 스위치(145)가 차단된 상태를 유지하고, 비상냉각장치(170)를 비상냉각모드가 유지되게 하면서, 해당 단위 케이스(110)의 배터리(121)에 소화약제가 분사되도록 처리한다.
이러한 본 발명의 차량 배터리 화재검출 장치 및 방법에 의하면, 배터리에서 방출되는 다수의 가스 및 온도와 팽창압력을 측정하기 위한 센서가 단위 케이스(110) 별로 구비되어 있고, 센서로부터 측정된 데이터로부터 열폭주와 화재 진행상태를 신속히 판단하여 적절한 조치를 취할 수 있다. 또한, 단위 케이스(110) 내부에서 발생한 화재로 인해 센서류나 제어부가 손상되더라도 경보신호에 따라 운전자가 수동으로 진압을 개시할 수 있고, 일단 작동한 장치에 대하여 해제시에는 수동으로 중지가 가능하도록 하여 화재로 인한 전기차량의 작동이 불가할 경우에도 안전작동이 가능하도록 제공하여 배터리 화재발생을 미리 예방하는 것이 가능하고, 차량 충돌사고와 같은 돌발적인 사고에 의한 화재발생시에는 재점화 없이 완전한 진압이 가능하다.
또한, 머신러닝에 의한 화재판단의 정확성을 높이고, 어떠한 원인에 의해 발생되는 열폭주 발생상황에서도 열폭주를 차단하여 배터리 화재발생을 방지하는 예방 작동이 용이하다.
또한, 이러한 화재 예방 및 진압장치에 의하면, 소화처리 대상으로 선정된 단위 케이스(110)별로 선택적으로 소화처리를 수행할 수 있고, 타 단위 케이스(110)에 수납된 배터리의 손상을 억제하여 자원 피해를 최소화하고, 초기에 발화지점을 검출하여 초기 대응하여 진압함으로써 화재발생을 방지하여 화재예방이 가능하고, 일단 발생된 화재에 대해서도 대형화재로 확산되는 것을 방지할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 단위 케이스 130: 단위 센서부
150: 단위 소화유니트 160: 소화약제 공급부
170: 비상냉각장치 185: 제어부
150: 단위 소화유니트 160: 소화약제 공급부
170: 비상냉각장치 185: 제어부
Claims (12)
- 전기차량에 탑재된 배터리의 화재를 예방하고 진압할 수 있도록 된 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치에 있어서,
상기 전기차량에 상호 어레이된 다수의 단위 케이스마다 장착되어 내장된 상기 배터리의 온도, 가스, 연기, 스웰링 현상 중 적어도 하나 이상의 센싱 정보를 검출하는 단위 센서부들과;
상기 단위 케이스 마다 설치되며 상기 단위 케이스 내부로 소화약제를 분사하는 분사노즐과, 소화약제를 공급하는 소화약제 공급부로부터 상기 분사노즐로의 소화약제의 공급을 개폐하는 밸브를 갖는 단위 소화유니트들과;
상기 배터리를 냉각수의 순환에 의해 냉각할 수 있도록 된 비상냉각장치와;
소방차의 외부 소화수를 상기 분사노즐로 공급할 수 있도록 된 외부 소화수 연결부; 및
상기 단위 센서부에서 출력되는 신호를 이용하여 상기 배터리의 화재 예방 및 진압조치 여부를 결정하고, 상기 단위 케이스별로 배터리와 전기적으로 접속되게 결선되어 충전전류 또는 방전 전류를 스위치 오프에 의해 차단하는 전력스위치와, 상기 비상냉각장치, 상기 소화약제 공급부 및 상기 단위 소화유니트들을 결정된 화재 예방 및 진압 조치 결정단계에 대응되게 제어하는 제어유니트;를 구비하고,
상기 외부 소화수 연결부는 상기 분사노즐과 연통되게 접속되며 접힘이 가능하게 형성되어 외부로 연장될 수 있는 플렉서블 호스와;
상기 플렉서블 호스의 유로를 개폐하는 외부 수동밸브;를 구비하며,
상기 비상냉각창치는
냉각수가 저수되는 레저버 탱크와;
상기 레저버 탱크에 저수되어 메인 공급관을 통해 이송되는 냉각수를 상기 배터리로 공급하여 냉각할 수 있게 상기 메인 공급관으로부터 분기된 제1공급관상에 냉각수를 펌핑하도록 설치된 제1펌프와;
상기 메인 공급관으로부터 상기 제1공급관과 다른 경로로 분기되어 상기 배터리를 냉각할 수 있게 형성된 제2공급관상에 설치된 제2펌프와;
상기 메인 공급관을 통해 순환되는 냉각수를 냉각하는 냉각부;를 구비하고,
상기 제1공급관과 상기 제2공급관을 통해 유출되는 냉각수는 상기 메인 공급관에 회수되어 순환되게 접속되어 있고,
상기 제어유니트는 상기 단위 센서부에서 출력되는 파라미터별 센싱값들로부터 화재 예방 및 진압 조치 결정단계에 대해 경보신호를 출력하는 경보단계, 상기 전력스위치를 오프시키는 전류차단단계, 상기 배터리를 비상 냉각하는 비상냉각단계, 소화약제를 상기 분사노즐을 통해 분사하는 소화약제 투입분사 단계 중 어느 하나로 결정하고, 상기 경보단계와 상기 전류차단단계에는 상기 제1공급관을 통해 냉각수가 순환되게 제어하고, 상기 비상냉각단계 및 상기 소화약제 투입분사단계에서는 상기 제2공급관에도 냉각수가 공급되게 상기 제2펌프도 가동하는 것을 특징으로 하는 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치. - 제1항에 있어서, 상기 단위 센서부는
상기 전기 차량에 탑재된 배터리의 온도를 측정하는 온도센서와;
상기 배터리의 열폭주시 발생되는 유기화합물의 연기를 감지하는 연기감지센서와;
상기 배터리에서 발생되는 수소가스를 검출하는 수소가스센서와;
상기 배터리에서 발생되는 에틸렌(C2H4) 가스를 검출하는 에틸렌 가스센서와;
상기 배터리에서 발생되는 일산화탄소를 검출하는 일산화탄소센서와;
상기 배터리에서 발생되는 스웰링 현상을 검출하는 스웰링 검출센서;를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치. - 제1항에 있어서, 상기 소화약제 공급부는
상기 단위 케이스 상부에 마련되며 소화약제가 저장된 저장탱크를 구비하고,
상기 저장탱크는 하방으로 진행될 수록 내부공간의 폭이 점진적으로 줄어들면서 중앙에 상기 단위 케이스의 분사노즐과 연통되는 집중토출구가 형성된 깔때기 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치. - 제1항에 있어서, 상기 소화약제 공급부의 소화약제가 저장된 저장탱크는 상기 전기차량의 트렁크에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 비상 냉각장치는 상기 비상냉각단계 및 상기 소화약제 투입분사단계에서 상기 제어유니트에 제어되어 가동되는 보조전원에 의해 가동될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제어유니트는
상기 단위 센서부들에서 검출된 신호에 따라 소화대상으로 결정된 단위 케이스 내로 소화약제가 공급되게 해당 밸브가 개방되게 상기 단위 소화유니트들 및 상기 소화약제 공급부를 제어하고,
상기 단위 케이스는
바닥면을 형성하는 베이스플레이트와;
상기 베이스 플레이트의 바닥영역을 구획하도록 상방으로 연장된 격벽과;
상기 격벽의 일면이 노출되는 영역에서 상기 베이스 플레이트로부터 상방으로 연장된 전면판과;
상기 격벽의 타면이 노출되는 영역에서 상기 베이스 플레이트로부터 상방으로 연장된 배면판과;
상기 베이스 플레이트로부터 상방으로 연장되어 상기 배면판과 상기 격벽 사이에 배터리 수용실을 형성하는 사이드판과;
상기 배터리 수용실을 상부에서 폐쇄하게 결합되되 상기 배터리 수용실과 연통되는 분사홀이 다수 형성된 내부 분출판과;
상기 내부 분출판 상부에 결합되어 상기 내부 분출판과의 사이에 소화약제 유입공간을 형성하는 상부 커버;를 구비하고,
상기 분사노즐은 상기 상부 커버와 상기 내부 분출판 사이의 소화약제 유입공간으로 소화약제를 분사할 수 있게 설치되어 있고,
상기 사이드 판은 상기 전면판과 상기 격벽을 에워싸게 연장되어 신호를 처리하는 회로보드가 탑재되는 전자기판 장착실을 갖게 형성되어 있으며,
상기 사이드 판과 상기 배면판 중 적어도 하나에는 상기 베이스플레이트로부터 상방으로 이격되는 위치에 투입된 소화약제의 오버 플로우를 지원하기 위한 방출홀이 형성된 것을 특징으로 하는 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치. - 제1항에 있어서, 상기 분사노즐로의 소화약제의 공급을 개폐하는 상기 밸브는 전력공급이 상실되어도 내부 유로가 개방되는 개방형 솔레노이드 밸브가 적용된 것을 특징으로 하는 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치.
- 제8항에 있어서, 상기 단위 센서부는 상기 배터리 수용실에 대해 온도, 가스, 연기, 스웰링 현상 중 적어도 하나 이상을 효과적으로 검출할 수 있도록 상기 격벽상에 상기 배터리 수용실에 대해 노출되게 설치되어 있고,
상기 방출홀은 상기 베이스플레이트로부터 상기 내부 분출판까지의 제1높이(h1)를 기준으로 상기 베이스 플레이트로부터 상방으로 제1높이(h1)보다 낮은 제2높이(h2)에서부터 상방으로 형성되어 있고, 상기 제2높이(h2)는 7h1/10 내지 9h1/10 이고,
상기 내부 분출판에 형성되는 상기 분사홀의 직경은 1 내지 3mm이인 것을 특징으로 하는 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치. - 제1항에 있어서, 상기 제어유니트는
상기 단위 센서부에서 출력되는 파라미터별 센싱값들로 취득한 데이터 셋으로부터 머신러닝의 서포트벡터머신(SVM, Support Vector Machine) 알고리즘에 의해 학습된 각 파라미터의 설정값을 참조하여 화재 예방 및 진압 조치 결정단계에 대해 경보단계, 전류차단단계, 비상냉각단계, 소화약제 투입분사 단계 중 어느 하나로 결정하고, 결정된 단계에 대응되게 처리하는 것을 특징으로 하는 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치. - 제1항에 있어서, 상기 제어유니트는
사용자가 수동으로 상기 소화약제 공급부 및 상기 단위 소화유니트를 가동하여 소화약제가 공급 또는 공급차단을 조작할 수 있고 수동으로 소화약제 분사량을 조절할 수 있는 수동조작스위치가 마련된 것을 특징으로 하는 전기차량용 배터리 화재 예방 및 진압장치.
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2022
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