KR102608655B1 - 전기 배터리에서 폭발 및 열폭주 시 화염 누출 방지를 통한 안전 제어 장치 - Google Patents

전기 배터리에서 폭발 및 열폭주 시 화염 누출 방지를 통한 안전 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 배터리, 특히 전기 자동차의 배터리 화재 및 폭발 방지장치에 관한 것으로, 여러개의 배터리 셀과, 배터리 셀을 수용하는 스틸케이스를 포함하고, 상기 스틸케이스의 내부에 삽입되며 여러개의 배터리 셀을 수용하며 단열성을 갖는 베셀을 포함하고, 내부 압력을 완화 할수있도록 배기수단 즉 벤트(vent) 홀이 반영된 베셀로써, 상기 베셀은 내화 단열이 가능한 다공질 세라믹 충진층을 포함한다.
이는 1차적으로 외부 충격에의한 완충역활을 하며 만약 열폭주에의한 폭발이나 화재가 발생시 화염을 차단하여 밖으로 나오지못하게 하여 인명을 보호할 수 있는 시간을 확보할 수 있다. 부가적으로 내열과 단열성이 우수한 새라믹 베셀은 센서를 통하여 배터리의 항온기능을 부여하여 전기차 배터리 효율을 향상시킨다
부가적으로 배터리 충돌시 임계치 이상의 손상으로 배터리내 분리막의 파손에의한 합선을 파악하기 위해 충격 센서 모듈에서 감지된 임계충격치를 이용하여 배터리 손상 여부를 판단한후, 제어 모듈(111)을 통해 배터리 모듈내 전기 절연유를 투입시켜서 추가적인 모듈의 전기 합선을 제어한다.

Description

전기 배터리에서 폭발 및 열폭주 시 화염 누출 방지를 통한 안전 제어 장치{Safety control device by preventing flame leakage in case of electric battery explosion and thermal runaway}
전기 배터리, 특히 전기 자동차용 배터리는 양극재와 음극재와 중간에 분리막으로 구성되어 있으며 용도와 형상에 따라 각형, 원통형, 파우치형으로 구분되어진다. 본 발명은 전기 배터리에서 과충전, 전기 자동차용 배터리의 충격, 전기 자동차용 밧데리의 배터리모듈의 사고 등에 기인하여 생성된 임계치 이상의 고압이 순간적으로 배터리내 분리막이 손상되어 양극재와 음극재 합선에 의한 열 폭주로 화재 및 폭발로 이루어진다. 이와 같은 열 폭주시 생성된 압력을 외부로 배출할 수 있으며 화재발생시 화염이 외부로 나가지 못하도록 차단할 수 있도록 한 전기 배터리의 화재 및 폭발 방지장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기 자동차의 구동원으로 사용되는 배터리는 과충전 외부 과충격이나 부품결함 등을 포함하는 다양한 원인에 의하여, 분리막등이 손상되고 양극재와 음극재의 결합에 의해 내부 온도의 급격한 상승 및 화염 발생의 우려가 있다고 할 수 있다.
좀더 정확한 원인과 메카니즘이 알려지지는 않고 있지만, 최근 배터리를 적어도 구동원의 일부로 사용하는 자동차에서, 이와 같은 배터리의 화재 등의 사고가 빈빈하게 일어나고 있다.
전기 자동차의 배터리에서 발생할 수 있는 화재에 대하여, 인접한 배터리모듈로 화염이 전파되는 것을 억제할 수 있어야 하고, 배터리팩의 외부로 화염이 배출되지 않도록 해야 한다.
한국 공개특허 제10-2017-0014309호는 이와 같은 자동차용 배터리에서 발생할 수 있는 화재에 대한 안전장치를 제안하고 있다.
이러한 선행 특허문헌에 의하면, 이차전지의 내부 또는 외부에 화염방지망을 설치하는 것만을 주제로 하고 있음을 알 수 있다.
그러나 이와 같이 화염이 예를 들면 모듈의 외부로 누설되는 것만을 방지하는 화염방지망을 설치하는 것만으로는 화재의 억제 등에 대하여 한정된 효과를 가질 뿐이다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 도출된 것으로, 전기 배터리 특히 전기 자동차용 배터리의 배터리모듈의 사고에 기인하여 생성된 고압을 순간적으로 외부로 배출할 수 있고, 화재발생시 화염이 외부로 나가지 못하도록 차단할 수 있도록 한 전기 배터리의 화재 및 폭발 방지장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적은, 여러개의 배터리 셀과, 배터리 셀을 수용하는 스틸케이스를 포함하고, 상기 스틸케이스의 내부에 삽입되며 여러개의 배터리 셀을 수용하며 내화성과 단열성의 특성을 갖는 '세라믹 베셀'(이하 베셀이라 칭함);을 포함하고, 상기 베셀은 1000℃ 이상의 내화 단열이 가능하고 다공질 세라믹 또는 화이바 세라믹을 주재로 세라믹 충진층을 포함하는 전기 배터리의 화재 및 폭발 방지장치에 의해 달성될 수 있다.
상기 베셀은 다수의 기공이 형성되어 화염 누설은 차단하고, 폭발에 의한 압력은 분산시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. 다수의 기공은 세라믹 자체로 존재하는 오픈기공(open pore)가 될수있거나 또는 레이져등으로 가공하여 연결기공을 만들어 제어 할 수 있다.
상기 스틸케이스는 열폭주 등에 의해 생성된 내부압력 운전자의 안전을 감안하여 지면방향으로 다수의 배기수단이 형성되어 내부의 가스압력이 분산될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
상기 배기수단은 스틸케이스에 형성된 벤트홀에 통하며 외부로 돌출 형성되고 외부와 연결된 가스홀이 형성된 관체와, 상기 관체의 내부에 삽입되며 벤트홀을 개폐하는 디스크; 상기 디스크에 탄성 지지되도록 관체의 내부에 결합되는 탄성부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 배터리 충돌시 임계치 이상의 손상으로 배터리 내 분리막의 파손에의한 합선을 파악하기 위해 충격 센서 모듈에서 감지된 임계충격치를 이용하여 배터리 손상 여부를 판단한다.
여기서, 급정거 또는 충돌 사고로 인한 배터리 손상등이 판단되는 경우, 제어 모듈은 전기 절연유를 전기차 배터리 모듈내로 투입되어 추가적인 모듈의 전기 합선을 제어한다.
상기 베셀 또는 스틸케이스의 내부에 온도를 감지하도록 형성된 센서; 상기 센서와 연동되며 베셀 또는 스틸케이스의 적정 온도로 유지되도록 냉각부와 발열부로 이루어진 항온유지부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전기 배터리, 특히 전기 자동차용 배터리모듈의 사고에 기인하여 생성된 고압을 순간적으로 외부로 배출할 수 있고, 화재발생시 화염이 외부로 나가지 못하도록 차단할 수 있는 효과가 있다.
부가적으로 이들 다공질성 세라믹 베셀또는 화이바성 세라믹 베셀응 1차적으로 외부 충격에의한 완충역활을 하며 만약 열폭주에의한 폭발이나 화재가 발생시 화염을 차단하여 밖으로 나오지못하게 하여 인명을 보호할 수 있는 시간을 확보할 수 있다.
부가적으로 내열과 단열성이 우수한 새라믹 베셀은 센서를 통하여 배터리의 항온기능을 부여하여 겨울철 온도 저하에 따른 급속방전을 제어하여 전기차 배터리 효율을 향상시킨다.
또한, 내화 단열의 베셀은 동절기 저온으로 인한 배터리의 수명저하 등을 현저하게 제어할 수 있으며, 특히 내부에 온도를 제어 항온기능을 부여함으로써 배터리의 가동시간 등 수명향상을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 배터리의 화재 및 폭발 방지장치에 대한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 전기 배터리의 화재 및 폭발 방지장치에 대한 분해사시도,
도 3은 본 발명에 따른 전기 배터리의 화재 및 폭발 방지장치의 단면도,
도 4는 상기 도 3의 '배기수단'에 대한 단면도.
이하 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 설명될 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이며, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있으며, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있고, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 함을 밝혀둔다.
첨부된 도면 중에서, 도 1은 본 발명에 따른 전기 배터리의 화재 및 폭발 방지장치에 대한 사시도, 도 2는 본 발명에 따른 전기 배터리의 화재 및 폭발 방지장치에 대한 분해사시도, 도 3은 본 발명에 따른 전기 배터리의 화재 및 폭발 방지장치의 단면도, 도 4는 상기 도 3의 '배기수단'에 대한 단면도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 배터리의 화재 및 폭발 방지장치는,
여러개의 배터리 셀(2)과, 배터리 셀(2)을 수용하는 스틸케이스(4)를 포함하고, 스틸케이스(4)의 내부에 삽입되며 여러개의 배터리 셀(2)을 수용하며 단열성을 갖는 베셀(6);을 포함하여 이루어진다.
베셀(6)은 내화 단열이 가능한 세라믹 충진층을 포함하여 이루어진다.
베셀(6)은 다공질성 세라믹 또는 화이바 형태의 세라믹은 실리카 또는 알루미나가 단독 또는 실리카 또는 알루미나를 합친 중량이 10% 이상 99%이하로 구성 되어있으며, 압력이 통과가능한 것일 수 있다.
바람직하게는 베셀(6)은 다수의 기공이 형성되어 화염 누설은 차단하고, 배터리 화재로 인해 초기 폭발에 의해 발생되는 폭발 압력이 다수의 기공을 통해 외부로 분출되도록 함으로써 분산시킬 수 있다.
한편 상기 스틸케이스(4)는 지면을 향하도록 하부에 다수의 배기수단(8)이 형성되어 내부의 가스압력이 분산될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 배기수단(8)은
스틸케이스(4)에 형성된 벤트홀(40)에 통하며 외부로 돌출 형성되고 외부와 연결된 가스홀(80)이 형성된 관체(82)와,
상기 관체(82)의 내부에 삽입되며 벤트홀(40)을 개폐하는 디스크(84);
상기 디스크(84)에 탄성 지지되도록 관체(82)의 내부에 결합되는 탄성부재(86);를 포함하여 이루어진다.
따라서 베셀(6)(CV : Ceramic vessel)로부터 분출된 가스 압력이 벤트홀(40)을 통해 배기수단(8)으로 유입된다.
유입된 가스 압력이 디스크(84)를 밀어 개방시키고, 이따 탄성부재(86)는 수축되며, 디스크(84)를 통과한 가스 압력이 관체(82)의 가스홀(80)을 통해 외부로 방출됨으로써 스틸케이스(4)의 내부 압력이 감소될 수 있다.
한편 상기 베셀(6) 또는 스틸케이스(4)의 내부에 온도를 감지하도록 형성된 센서(91);
상기 센서(91)와 연동되며 베셀(6) 또는 스틸케이스(4)의 적정 온도로 유지되도록 냉각부(922)와 발열부(924)로 이루어진 항온유지부(92);를 포함하여 구성된다.
따라서 베셀(6) 또는 스틸케이스(4)의 내부 온도가 상승하면 센서(91)가 이를 감지하여 냉각부(922)가 온(on) 작동되어 적정한 온도로 하강되도록 한다.
또는 온도가 하강하면 센서(91)가 발열부(924)를 온(on) 작동시켜 내부 온도를 적정하게 상승시키게 된다.
이하 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
배터리 충돌시 임계치 이상의 손상으로 배터리 내 분리막의 파손에 의한 합선을 파악하기 위해 충격 센서 모듈에서 감지된 임계충격치를 이용하여 배터리 손상 여부를 판단한다.
여기서, 전기차의 경우 급정거 또는 충돌 사고로 인한 배터리 손상 등이 판단되는 경우, 제어 모듈(미도시)은 전기 절연유를 전기차 배터리 모듈 내로 투입되어 추가적인 모듈의 전기 합선을 제어한다.
또한 외부충격발생시 완충역활로 충격감소시킬 수 있고, 화재발생시, 폭발되는 압력이 벤트홀(40)로 새어 나가 폭발력 감소를 유도할 수 있다.
또한 불씨는 베셀(6)(CFB : Ceramic Fiber Box)에 갖혀서 나오지 못하도록 함으로써 화재를 방지할 수 있다.
아울러 사고발생 시, 화재 및 충격 등으로 안전 탈출시간을 확보할 수 있어 승객의 안전을 도모할 수 있다.
또한 본 발명은 충전지 수명증대할 수 있다. 즉 배터리 셀(2) 주변에 베셀(6)의 단열효과로 겨울철 전기차 효율증대시킬 수 있다.
약 20~30% 손실(loss)율 해소가 가능해진다.
비록 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 청구의 범위에 속함은 자명하다.
2 : 배터리 셀 4 : 스틸케이스
6 : 베셀 8 ; 배기수단
80 : 가스홀 82 : 관체
84 ; 디스크 86 : 탄성부재
91 ; 센서 92 : 항온유지부

Claims (7)

  1. 여러개의 배터리 셀과, 배터리 셀을 수용하는 스틸케이스를 포함하고, 상기 스틸케이스의 내부에 삽입되며 여러개의 배터리 셀을 수용하며 단열성을 갖는 베셀;을 포함하며,
    상기 베셀은 내화 단열이 가능한 다공질성 세라믹 또는 화이바 형태의 세라믹이 충진층을 포함하며,
    상기 다공질성 세라믹 또는 화이바 형태의 세라믹은 실리카 또는 알루미나가 단독 또는 실리카 또는 알루미나를 합친 중량이 10% 이상 99%이하로 구성되며,
    상기 베셀은 다수의 기공이 형성되어 화염 누설은 차단하고, 폭발에 의한 압력과 유해가스등을 다공질 또는 화이바 세라믹 층진층 밖으로 분출시킬 수 있도록 한 것으로,
    세라믹 충진층 몸체로 구성된 다수의 기공은 세라믹의 오픈기공이며, 레이져 로 가공하여 형성되는 화이바형태의 세라믹 연결기공이 형성되어 화염 누설은 차단하고, 폭발에 의한 압력은 분산시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 전기 배터리 폭발 및 열폭주 시 화염 누출 방지를 통한 안전 제어 장치를 포함하여,

    상기 스틸케이스는 지면을 향하도록 하부에 다수의 배기수단;이 형성되어 내부의 가스압력이 분산될 수 있도록 한 것이고
    상기 배기수단은
    스틸케이스에 형성된 벤트홀에 통하며 외부로 돌출 형성되고 외부와 연결된 가스홀이 형성된 관체와,
    상기 관체의 내부에 삽입되며 벤트홀을 개폐하는 디스크;
    상기 디스크에 탄성 지지되도록 관체의 내부에 결합되는 탄성부재;를 포함하고,
    상기 베셀 또는 스틸케이스의 내부에 온도를 감지하도록 형성된 센서;
    상기 센서와 연동되며 베셀 또는 스틸케이스의 적정 온도로 유지되도록 냉각부와 발열부로 이루어진 항온유지부;를 포함하며,
    배터리 충돌시 임계치 이상의 손상으로 배터리내 분리막의 파손에 의한 합선을 파악하기 위해 충격 센서 모듈에서 감지된 임계충격치를 이용하여 배터리 손상 여부를 판단하는 제어모듈;을 포함하고,
    상기 제어모듈은 배터리 모듈 내로 전기 절연유를 투입시켜서 추가적인 모듈의 전기 합선을 제어항 수 있도록 하는 전기 배터리 폭발 및 열폭주 시 화염 누출 방지를 통한 안전 제어 장치.
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