KR102659477B1 - 소화기능을 갖는 배터리 팩 - Google Patents

소화기능을 갖는 배터리 팩 Download PDF

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권재성
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Abstract

이 발명의 소화기능을 갖는 배터리 팩은 다수의 배터리 모듈(100)과, 다수의 배터리 모듈(100)을 각자의 분리공간에 각각 수용하는 케이스 본체(220)와 케이스 커버(210)로 구성된 케이스(200), 및 케이스(200) 내의 다수의 배터리 모듈(100)의 전부 또는 일부 배터리 모듈(100)이 잠길 수 있는 정도의 소화액을 일정 분출압력으로 저장하고 있다가 케이스(200) 내에 공급하는 소화액 저장수단(300)을 포함하여 구성한 것으로서, 케이스 커버(210) 내에 저장된 소화액을 화재발생 부위에 1차 분사하여 화염을 신속히 진화하고, 소화액 저장수단(300) 내에 저장된 소화액을 케이스(200) 내에 2차 분사하여 소화액으로 배터리의 일부 또는 전체를 잠기게 하여 소화액이 배터리 셀의 내부로 흡수되어 내부 열 폭주 반응을 억제하고 인접 셀로의 전이를 방지하는 효과가 있다.

Description

소화기능을 갖는 배터리 팩{Battery pack having fire extinguishing function}
이 발명은 소화기능을 갖는 배터리 팩에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배터리에서의 화재 또는 이상 징후 발생시 배터리 팩의 상부에 위치하는 케이스 커버를 경유하여 소화액 저장수단 내에 저장된 소화액을 분사하여 배터리의 일부 또는 전체를 잠기게 하여 소화액이 배터리 셀을 신속하게 냉각하거나 배터리 셀의 내부로 흡수되어 내부 열 폭주 반응을 억제하고 인접 셀로의 전이를 방지하는 소화기능을 갖는 배터리 팩에 관한 것이다.
최근에는 배터리를 이용한 전기자동차가 급증하고 있다. 한편, 배터리 화재가 종종 발생하고 있는데, 스파크나 누전 등으로 인한 화재의 발생은 거의 예측할 수 없는 상황에 있다. 따라서, 화재에 대한 대비가 필요한 실정이다.
전기자동차용 배터리는 다수의 배터리 셀이 연결된 배터리 모듈이 여러개 장착되는 형태인데, 하나의 배터리 셀에서 화재가 발생하더라도 연결된 다른 배터리 셀 또는 배터리 모듈로 급속히 화재가 번지는 것이 문제이다.
한편, ESS(Energy Storage System:에너지 저장시스템)은 발전소에서 과잉 생산된 전력을 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해주는 저장장치를 말하며, 최근 들어서는 대규모 ESS 장치를 소형으로 구성하여 빌딩, 공장, 가정 등의 일반 수용가에서 정전 대비용 또는 피크 전력 감축용으로 사용하는 경우가 늘고 있다.
최근에는 전력 수급 불균형 등으로 인해 신재생에너지에 대한 관심이 급격하게 증가하면서, ESS를 통해 신재생에너지를 활용해 생산된 전기를 저장하고 필요한 시간대에 활용하도록 하는 기술에 대한 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
특히, 최근 들어 신축되는 공공건물에 대한 ESS의 설치가 의무화되고, 민간건물 등에도 에너지 절감 차원에서 ESS의 설치가 증가함에 따라 ESS 시장은 그 성장을 계속하고 있다.
건물 등에 ESS를 설치하는 경우에는 ESS의 배터리랙(배터리 모듈)에 에너지를 저장하는 배터리, 배터리를 관리하는 BMS, 전력을 변환하는 PCS 등을 수용하도록 하고, 이러한 배터리랙을 지하실 등의 일정 공간에 수용하여 운용토록 하고 있다.
일반적으로 2차 전지는 충전하여 재사용할 수 있으며, 근래에는 충방전효율이 높은 리튬이온전지를 많이 사용하고 있다. 리튬이온전지는 상대적으로 부피가 작고 충방전효율이 높아 상기와 같은 전기자동차 및 ESS을 비롯하여, 발전소, 충전소뿐만 아니라 휴대기기까지 그 사용이 증대되고 있다.
하지만, 리튬이온전지는 음극재와 양극재의 사이에 얇은 분리막이 설치되기 때문에 분리막이 충격에 의해 손상되거나, 노후화 또는 덴트라이트의 성장에 따라 음극재와 양극재에 단락이 발생하면서 화재가 발생하기도 하는데, 대형설비의 경우에는 막대한 재산상의 손해가 발생하는 문제점이 있다.
한편, 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩은 적정 셀 온도 유지를 위해 공냉식 또는 수냉식의 냉각 기술을 적용하고 있으나, 배터리 셀의 열폭주 발생시에는 적절한 온도 제어를 수행할 수가 없다. 이는 인접 셀로 열폭주가 전이하게 되며 전체 배터리가 발화하게 되는 심각한 화재로 이어지게 된다.
이러한 배터리 셀의 열폭주에 의한 화재를 진압하기 위해 배터리 모듈 또는 팩의 내부에 별도의 소화장치를 구비하는 선행문헌이 다수 존재하나, 공간 및 구조의 제약상 배터리 셀의 화재를 소화할 수 있을 정도의 충분한 소화액을 포함하지 못하는 한계를 지니고 있다. 또한, 기존의 선행특허는 소량의 소화액을 특정위치에서 분사하는 구조로 실제 배터리에서의 화재를 소화하기엔 양이 절대적으로 부족하고, 배터리 셀이 서로 간에 밀착되어 화재가 발생한 배터리 셀에 소화액이 충분히 접촉하지 못해 인접 셀로 쉽게 전이되는 문제점이 있다.
국내 공개특허 제2021-0093636호 국내 공개특허 제2022-0092740호 국내 특허등록 제2473248호
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 배터리에서의 화재 또는 이상 징후 발생시 배터리 팩의 상부에 위치하는 케이스 커버를 경유하여 소화액 저장수단 내에 저장된 소화액을 분사하여 배터리의 일부 또는 전체를 잠기게 하여 소화액이 배터리 셀을 신속하게 냉각하거나 배터리 셀의 내부로 흡수되어 내부 열 폭주 반응을 억제하고 인접 셀로의 전이를 방지하는 소화기능을 갖는 배터리 팩을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 소화기능을 갖는 배터리 팩은 다수의 배터리 모듈과, 상기 다수의 배터리 모듈을 각자의 분리공간에 각각 수용하는 케이스, 및 상기 케이스 내의 상기 다수의 배터리 모듈의 전부 또는 일부 배터리 모듈이 잠길 수 있는 정도의 소화액을 일정 분출압력으로 저장하고 있다가 배터리에서의 화재시 상기 케이스 내에 공급하는 소화액 저장수단을 포함하며, 상기 케이스는 일측이 개구된 박스 형태를 가지며 상기 다수의 배터리 모듈을 각자의 분리공간에 각각 수용할 수 있도록 다수개의 구역으로 분할된 격벽구조를 내부에 갖는 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개구된 일측을 개폐하는 케이스 커버를 포함하고, 상기 케이스 커버는 일정 용량의 내부공간을 갖도록 밀봉된 1개 이상의 챔버를 일정 너비의 플레이트 형태로 구성한 외형수단과, 상기 챔버의 내부공간에 일정 분출압력으로 일정량 채워지는 소화액과, 상기 다수의 배터리 모듈을 향하는 방향으로 상기 챔버의 내부공간과 각각 연통하도록 상기 외형수단에 형성되는 다수의 분사노즐, 및 상기 다수의 분사노즐 내부에 각각 채워져 밀봉하다가 배터리에서의 화재발생으로 인해 일정 온도에서 용융되어 소화액을 상기 분사노즐을 통해 배터리에 분사하도록 하는 저융점 합금(fusible alloy)으로 구성된 다수의 밀봉덮개를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 소화기능을 갖는 배터리 팩은 각자의 온도 감지센서를 갖는 다수의 배터리 모듈과, 상기 다수의 배터리 모듈을 각자의 분리공간에 각각 수용하는 케이스와, 상기 케이스 내의 상기 다수의 배터리 모듈의 전부 또는 일부 배터리 모듈이 잠길 수 있는 정도의 소화액을 일정 공급압력으로 저장하는 소화액 저장수단, 및 상기 소화액 저장수단 내의 소화액을 배터리에서의 화재 발생 또는 이상 징후시 상기 케이스 내에 공급하는 공급수단을 포함하며, 상기 케이스는 일측이 개구된 박스 형태를 가지며 상기 다수의 배터리 모듈을 각자의 분리공간에 각각 수용할 수 있도록 다수개의 구역으로 분할된 격벽구조를 내부에 갖는 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개구된 일측을 개폐하는 케이스 커버를 포함하고, 상기 케이스 커버는 상기 다수의 배터리 모듈의 개수만큼의 다수의 소화액 수용부가 각자의 배터리 모듈의 상부에 각각 위치하도록 일정 너비의 플레이트 형태로 구성한 외형수단과, 상기 각자의 배터리 모듈을 향하는 방향으로 상기 다수의 소화액 수용부와 각각 연통하도록 상기 외형수단에 형성되는 개방형의 다수의 분사노즐을 포함하며, 상기 공급수단은 상기 소화액 저장수단에 연결되는 분배기와, 상기 분배기와 상기 다수의 소화액 수용부를 각각 연결하는 다수의 배관과, 상기 다수의 배관에 각각 설치되는 다수의 밸브, 및 상기 각자의 온도 감지센서에서 측정한 온도정보를 기반으로 화재 발생 또는 이상 징후가 발생하는 해당 배터리 모듈이 위치하는 소화액 수용부로 소화액이 공급되어 분사노즐을 통해 분사되도록 해당 밸브를 개방하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 케이스 본체의 격벽은 상기 케이스 본체의 테두리보다 낮은 높이로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 배터리 모듈은 다수로 적층된 배터리 셀과, 다수의 배터리 셀들 사이사이에 배치되는 다수의 다공성 흡수패드를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 소화액 저장수단은 상기 외형수단의 일측과 연통라인을 통해 연통되어 상기 소화액 저장수단 내에 저장된 소화액이 상기 외형수단을 경유하여 분사노즐의 개방된 배출구를 통해 화재가 발생한 배터리를 향해 분사될 수 있다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 외형수단은 테두리를 따라 각각 포밍되고 테두리를 따라 서로 간에 용접 결합되어 일정 내부공간을 형성하는 상부 플레이트와 하부 플레이트를 포함하고, 상기 상하부 플레이트는 서로 간에 밀착시킬 경우 단부가 서로 면 접촉하도록 내측방향으로 돌출되게 포밍 처리된 다수의 포밍부를 각각 구비하고, 상기 분사노즐은 상기 하부 플레이트의 일부분을 외측으로 더 돌출시킨 상태에서 구멍을 형성해 상기 하부 플레이트에 일체형으로 형성되고, 상기 분사노즐의 내면에 나사탭을 가공하여 저융점 합금의 상기 밀봉덮개와 상기 분사노즐의 내면 간의 결합력을 더욱 강화하는 것이 바람직하다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 소화액 저장수단과 상기 케이스 커버 내의 소화액의 일정 분출압력은 각자의 내부공간을 압축공기나 질소가스를 충진해 형성하는 것이 바람직하다.
이 발명은 배터리에서의 화재 또는이상 징후 발생시 배터리 팩의 상부에 위치하는 케이스 커버를 경유하여 소화액 저장수단 내에 저장된 소화액을 분사하여 배터리의 일부 또는 전체를 잠기게 하여 소화액이 배터리 셀을 신속하게 냉각하거나 배터리 셀의 내부로 흡수되어 내부 열 폭주 반응을 억제하고 인접 셀로의 전이를 방지하는 효과가 있다.
일례로, 이 발명은 배터리 팩의 상부에 위치하는 케이스 커버 내에 저장된 소화액을 화재발생 부위에 1차 분사하여 화염을 신속히 진화하고, 소화액 저장수단 내에 저장된 소화액을 케이스 내에 2차 분사하여 소화액으로 배터리의 일부 또는 전체를 잠기게 하여 소화액이 배터리 셀의 내부로 흡수되어 내부 열 폭주 반응을 억제하고 인접 셀로의 전이를 방지할 수 있다.
즉, 이 발명은 배터리에서의 화재발생으로 인해 온도가 상승할 경우, 화재가 발생한 배터리와 가장 인접한 부위의 케이스 커버의 분사노즐의 온도가 상승하고, 그 분사노즐의 배출구를 밀봉하고 있던 저융점 합금이 설정된 온도에서 용융되어 해당 분사노즐의 배출구가 개방되고, 그 개방된 배출구를 통해 케이스 커버의 챔버의 내부공간에 내장되어 있던 소화액이 일정 분출압력으로 화재가 발생한 배터리를 향해 1차적으로 분사되기 때문에, 화재가 발생한 배터리에 대한 초기 화재진압이 가능하다. 그 이후에, 소화액 저장수단 내에 저장된 소화액이 케이스 커버를 경유하여 분사노즐의 개방된 배출구를 통해 화재가 발생한 배터리를 향해 2차적으로 분사되어 소화액으로 화재가 발생한 배터리 모듈의 일부 또는 전체를 잠기게 하여 소화액이 배터리 셀의 내부로 흡수되어 내부 열 폭주 반응을 억제하고 인접 셀로의 전이를 방지할 수가 있다. 더불어, 소화액이 화재가 발생한 배터리 모듈의 격벽 너머로 넘칠 경우 인접한 배터리 모듈의 분리공간에 채워져 인접 셀로의 화염과 열의 전파를 방지하는 역할도 가능하다.
다른 일례로, 이 발명은 온도 감지센서에서 측정한 온도정보를 기반으로 화재 발생 또는 이상 징후가 발생하는 해당 배터리 모듈 구역에만 소화액 저장수단 내에 저장된 소화액을 분사하여 소화액으로 배터리의 일부 또는 전체를 잠기게 하여 소화액이 배터리 셀을 신속하게 냉각하거나 배터리 셀의 내부로 흡수되어 내부 열 폭주 반응을 억제하고 인접 셀로의 전이를 방지할 수 있다.
도 1은 이 발명의 제1 실시예에 따른 소화기능을 갖는 배터리 팩의 구성관계를 도시한 개략도이고,
도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈의 구성관계 및 소화액의 순환과정을 도시한 개략도이고,
도 3은 도 1에 도시된 케이스 본체의 구성관계를 도시한 사시도이고,
도 4는 도 3에 도시된 케이스 본체의 격벽 내에 배터리 모듈이 배치된 상태의 평면도이고,
도 5는 도 1에 도시된 케이스 커버의 구성관계를 도시한 단면도이고,
도 6은 도 5에 도시된 A부분에 대한 확대 단면도이고,
도 7 및 도 8은 이 발명의 제2 실시예에 따른 소화기능을 갖는 배터리 팩의 일부 구성관계를 각각 도시한 개략도 및 단면도이며,
도 9는 도 7에 도시된 케이스 커버의 구성관계를 도시한 사시도이다.
이 발명의 소화기능을 갖는 배터리 팩은 전기자동차, ESS 등에 적용이 가능한 것으로서, 해당 배터리에서의 화재발생시 화재 진압이 가능하도록 구성한 것이다. 이하, 이 발명에 따른 소화기능을 갖는 배터리 팩의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 이 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이 실시예는 이 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
[제1 실시예]
도 1은 이 발명의 제1 실시예에 따른 소화기능을 갖는 배터리 팩의 구성관계를 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 배터리 모듈의 구성관계 및 소화액의 순환과정을 도시한 개략도이고, 도 3은 도 1에 도시된 케이스 본체의 구성관계를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 케이스 본체의 격벽 내에 배터리 모듈이 배치된 상태의 평면도이고, 도 5는 도 1에 도시된 케이스 커버의 구성관계를 도시한 단면도이며, 도 6은 도 5에 도시된 A부분에 대한 확대 단면도이다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 이 발명의 제1 실시예에 따른 소화기능을 갖는 배터리 팩은 다수의 배터리 모듈(100)과, 다수의 배터리 모듈(100)을 각자의 분리공간에 각각 수용하는 케이스(200), 및 케이스(200) 내의 다수의 배터리 모듈(100)의 전부 또는 일부 배터리 모듈(100)이 잠길 수 있는 정도의 소화액을 일정 분출압력으로 저장하고 있다가 케이스(200) 내에 공급하는 소화액 저장수단(300)을 포함하여 구성된다.
상기 배터리 모듈(100)은 이온 또는 전자의 이동에 의하여 전기화학적 에너지를 발생하는 부재로서, 케이스(200)의 내부에 다수로 배열될 수 있다. 여기서, 배터리 모듈(100)은 케이스(200)의 내부에서 다수의 열과 행을 이루며 배열될 수 있다(도 4 참조). 또한, 하나의 배터리 모듈(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 다수로 적층된 배터리 셀(110)을 포함할 수 있으며, 각 배터리 셀(110)은 양극판, 음극판, 및 양극판과 음극판 간에 개재되는 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 또한, 배터리 모듈(100)은 각 배터리 셀(110)에 구비된 보호회로모듈, 또는 여러 배터리 셀에 일체로 연결된 보호회로모듈을 구비할 수 있고, 보호회로모듈은 배터리 셀(110)의 충방전시 전압 또는 전류를 제어할 수 있다. 또한, 각 배터리 셀(110)에서는 전극탭이 인출될 수 있고, 전극 조립체는 적층형 또는 권취형 등 공지된 모든 형태를 포함할 수 있다.
또한, 배터리 모듈(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 다수의 배터리 셀(110)들 사이사이에 배치되는 다수의 다공성 흡수패드(120)를 포함할 수 있다. 다공성 흡수패드(120)는 배터리 셀(110) 사이에서 그 양측이 배터리 셀(110)에 밀착된 상태에서도 소화액을 흡수할 수 있는 모세관력을 지닌 불연성 재질로 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 불연성 재질은 글라스울, 세라믹울 등의 무기 섬유재질이나 실리카, 활성탄 등의 입상의 무기재질이 사용될 수 있으며 혹은 무기질과 내열 실리콘 등을 혼합하여 적용할 수 있다. 이러한 다공성 흡수패드(120)를 배터리 셀(110) 사이사이에 구비함으로써, 화재발생시 보다 효율적으로 배터리를 냉각하여 소화가 가능할 뿐만 아니라 인접 셀로 화염과 열의 전파를 방지할 수가 있다.
상기 케이스(200)는 다수의 배터리 모듈(100)을 각자의 분리공간에 각각 수용하는 부재로서, 케이스 본체(220) 및 케이스 커버(210)를 포함할 수 있다. 여기서, 케이스 본체(220)는 내부에 다수의 배터리 모듈(100)을 수용할 수 있으며 일측이 개구된 박스 형태를 갖는 것으로서, 다수의 배터리 모듈(100)을 각자의 분리공간에 각각 수용할 수 있도록 다수개의 구역으로 분할된 격벽구조를 내부에 갖도록 구성된다(도 3 및 도 4 참조). 따라서, 소화액은 1차로 발화된 배터리 모듈(100)의 분리공간에만 채워져 그곳의 배터리 모듈(100)의 전부 또는 일부 높이까지 잠길 수 있다(도 1 참조). 한편, 케이스 본체(220)의 격벽(221)은 케이스 본체(220)의 테두리보다 낮은 높이로 구성할 수 있는데, 이럴 경우 소화액은 발화된 배터리 모듈(100)의 분리공간에 1차적으로 채워져 소화하고 격벽(221) 너머로 넘칠 경우 인접한 배터리 모듈(100)의 분리공간에 채워져 인접 셀으로의 화염과 열의 전파를 방지하는 역할을 수행할 수가 있다.
상기 케이스 커버(210)는 케이스 본체(220)의 개구된 일측을 개폐할 수 있다. 따라서, 케이스 커버(210)를 케이스 본체(220)에 대하여 폐쇄시키는 경우 케이스(200)의 내부는 외부환경으로부터 보호받을 수 있다.
또한, 케이스 커버(210)는 케이스 본체(220)의 내부를 밀폐하는 기능과 열폭주에 의한 화재를 진압하는 소화기능을 동시에 갖도록 구성된다. 즉, 케이스 커버(210)는 소화플레이트 일체형으로 구성되어 특정 셀 또는 모듈에서 열폭주 발생시 해당 배터리에 다량의 소화액을 집중적으로 분사하여 효과적으로 화재를 진압하고 인접 셀로의 전이를 방지하도록 구성된다.
이러한 케이스 커버(210)는 배터리(특정 셀 또는 모듈)에서 화재발생시 화재발생 부위에 내장된 소화액을 분사하여 화재를 진압하는 것으로서, 일정 용량의 내부공간을 갖도록 밀봉된 챔버를 일정 너비의 플레이트 형태로 구성한 외형수단(211)과, 챔버의 내부공간에 일정 분출압력으로 일정량 채워지는 소화액과, 다수의 배터리 모듈(100)을 향하는 방향으로 챔버의 내부공간과 각각 연통하도록 외형수단(211)에 형성되는 다수의 분사노즐(216), 및 다수의 분사노즐(216) 내부에 각각 채워져 밀봉하다가 배터리 열폭주 시 일정 온도 이상으로 가열될 경우 용융되어 소화액을 분사노즐(216)을 통해 배터리에 분사하도록 하는 저융점 합금(fusible alloy)으로 구성된 다수의 밀봉덮개(217)를 포함하여 구성된다.
상기 외형수단(211)은 케이스 커버(210)의 외관을 구성하는 프레임 역할 등을 하는 것으로서, 테두리를 따라 각각 프레스 포밍되고 테두리를 따라 서로 간에 용접되어 일정 내부공간을 형성하는 상부 플레이트(212)와 하부 플레이트(214)로 구성된다. 이 실시예의 상하부 플레이트(212, 214)는 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 등의 금속 소재로 구성하되, 강성 및 중량 절감을 고려하여 두께가 0.2~1.0mm 사이인 것이 바람직하다. 한편, 케이스 커버(210)의 전체 두께는 소화액 용량 및 차량구조 및 중량을 감안하여 3~10mm 사이인 것이 바람직하다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 플레이트(212) 및 하부 플레이트(214)는 내측방향으로 돌출되도록 엠보 형상으로 프레스 포밍 처리된 다수의 포밍부(213, 215)를 각각 갖도록 구성된다. 여기서, 상하부 플레이트(212, 214)는 동일한 포밍부(213, 215)를 갖도록 구성되어, 서로 간에 밀착시킬 경우 포밍부(213, 215)의 단부가 서로 간에 면 접촉하게 된다. 그리고, 엠보 형상으로 프레스 포밍된 상하부 플레이트(212, 214)의 테두리 및 포밍부(213, 215)를 서로 용접하여 내부 고압의 소화액에 의한 팽창 변형을 방지하는 강성확보와 더불어 소화액이 누설되지 않도록 밀봉한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 하부 플레이트(214)는 배터리 팩의 내부, 즉 다수의 배터리 모듈(100)을 향하는 것으로서, 열감응식 분사노즐(216)이 다수개 부착되어 배터리의 화재 발생시 배터리 모듈 또는 팩의 내부 온도 상승에 의해 자동으로 소화액을 분사노즐(216)을 통해 분사하게 된다. 여기서, 열감응식은 낮은 온도(60~150℃)에서 녹는 저융점 합금(fusible alloy)으로 밀봉되는 밀봉덮개(217)를 갖는 분사노즐(216)이 하부 플레이트(214)에 형성되고, 배터리 팩의 내부 온도가 설정 온도에 도달할 때에 저융점 합금이 녹으면서 분사노즐(216)이 개방되어 분사노즐(216)의 배출구를 통해 고압의 소화액이 분사된다. 이 실시예의 저융점 합금은 비스무트(bismuth), 납(lead), 주석(Tin), 인듐(Indium), 카드뮴(Cadmium), 갈륨(Gallium) 등의 성분을 혼합하여 구성할 수 있다.
한편, 분사노즐(216)은 하부 플레이트(214)에 대한 엠보 형상으로 프레스 포밍시에 버링(burring) 공정을 통해 하부 플레이트(214)의 일부분을 외측으로 더 돌출시킨 상태에서 구멍을 형성해 하부 플레이트(214)에 일체형으로 형성한다. 즉, 이 실시예의 분사노즐(216)은 노즐 제작을 위해 별도의 플러그를 장착하지 않고 하부 플레이트(214)에 일체형으로 구성함으로써, 제조원가를 절감하고 두께를 절감하는 효과가 있다. 이때, 분사노즐(216)의 내경은 밀봉 강성 및 분사속도를 감안하여 2~5mm, 높이는 2~5mm가 바람직하다.
이 실시예의 케이스 커버(210)는 소화액이 챔버의 내부공간에 일정 분출압력으로 일정량 채워진 형태를 갖는다. 따라서, 밀봉덮개(217)를 구성하는 저융점 합금이 화재 등에 따른 외부열기에 의해 용융되지 않았는데도 불구하고 소화액의 분출압력에 의해 분사노즐(216)의 배출구를 밀봉하던 밀봉덮개(217)가 배출구에서 이탈해서는 안된다. 그런데, 도 6에서 알 수 있듯이, 이 실시예의 분사노즐(216)은 버링 공정시에 상부 부분이 곡선 형태의 테이퍼진 형태를 갖기 때문에, 소화액의 분출압력에 의해 분사노즐(216)의 배출구를 밀봉하던 밀봉덮개(217)가 배출구에서 이탈할 염려가 없지만, 도 6의 (b)와 같이 분사노즐(216)의 내면에 나사탭을 가공하여 저융점 합금의 밀봉덮개(217)와 분사노즐(216)의 내면 간의 결합력을 더욱 강화하여 소화액의 보다 높은 분출압력에도 지탱하도록 구성하는 것이 더 바람직하다.
또한, 하부 플레이트(214)는 배터리 팩 내부의 버스바 등 단자와의 절연을 위한 별도의 절연 코팅층 또는 절연패드를 더 부착하여 구성할 수도 있다.
한편, 이 실시예의 챔버의 내부공간에는 일정 분출압력을 갖도록 일정량의 소화액이 채워진다. 이때, 소화액을 일정 분출압력을 갖도록 내장함에 있어서는 챔버의 내부공간을 압축공기나 질소가스를 충진해 구성하면 된다. 즉, 챔버의 내부공간과 연통하는 연통구(도시안됨), 예를 들어 상부 플레이트(212)의 일측 1곳에 연통구를 형성하고, 이 연통구를 통해 챔버의 내부공간을 진공을 가한 상태에서 그 진공압력으로 일정량의 소화액을 챔버의 내부공간에 채운 후 압축공기나 질소가스를 충진함으로써, 소화액이 챔버의 내부공간에 일정 분출압력으로 채워진 상태를 갖는다. 따라서, 분사노즐(216)의 배출구가 개방될 경우, 소화액은 자체의 분출압력에 의해 배터리를 향해 분사된다. 한편, 소화액은 화염과 반응하여 증발하면서 증발잠열에 의한 냉각효과에 의하여 불을 끄는 약제로서, 그 분출압력(내압)이 5~10㎏f/㎠를 갖도록 챔버의 내부공간에 내장하는 것이 바람직하다.
소화액은 증발잠열 냉각효과를 갖기 위해 낮은 온도에서도 쉽게 증발하는 특성을 갖는 약제가 바람직하며, 소화액 분사 시 배터리 단자 및 버스바 간 단락(short)을 방지하기 위해 절연특성을 함께 보유한 플루오르화 케톤 (C6F12O) 또는 불소계 케톤 (FK-5-1-12, dodecafluoro-2-methylpentan-3-one) 등을 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
이 실시예에서는 외형수단(211)을 1개의 챔버로 구성하였으나, 서로 간에 밀봉 구획된 각각의 내부공간을 갖는 다수의 챔버로 구성할 수도 있다. 이때, 챔버의 개수는 적용환경에 따라 다양하게 변경 가능하다. 한편, 이 실시예의 케이스 커버(210)는 챔버 내부의 압력을 측정하는 압력게이지(도시안됨)를 더 갖도록 구성할 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 소화액 저장수단(300)은 일정 용량의 소화액을 일정 분출압력으로 저장하고 있다가 배터리에서의 화재시 케이스(200) 내에 공급하는 것으로서, 케이스 커버(210)의 외형수단(211)의 일측과 연통라인을 통해 연통된다.
또한, 소화액 저장수단(300)은 그 탱크 내에 케이스 커버(210)의 내부와 동일한 일정 분출압력을 갖도록 일정량의 소화액이 채워진 구조를 갖는다. 이때, 소화액을 일정 분출압력을 갖도록 내장함에 있어서는 탱크의 내부공간을 압축공기나 질소가스를 충진해 구성하면 된다. 소화액 저장수단(300) 내의 소화액은 케이스 커버(210) 내의 소화액과 동일한 절연특성을 함께 보유한 플루오르화 케톤 (C6F12O) 또는 불소계 케톤 (FK-5-1-12, dodecafluoro-2-methylpentan-3-one) 등을 이용할 수 있다. 이러한 소화액 저장수단(300)은 배터리(특정 셀 또는 모듈)에서 화재발생시 케이스 커버(210)를 경유하여 화재발생 부위에 저장된 소화액을 분사하여 보다 확실하게 화재를 진압하는 역할을 한다.
이 실시예의 소화기능을 갖는 배터리 팩은 케이스 커버(210) 내에 저장된 소화액을 화재발생 부위에 1차 분사하여 화염을 신속히 진화하고, 소화액 저장수단(300) 내에 저장된 소화액을 케이스 커버(210)를 경유하여 화재발생 부위에 2차 분사하여 소화액으로 배터리의 일부 또는 전체를 잠기게 하여 소화액이 배터리 셀(110)의 내부로 흡수되어 내부 열 폭주 반응을 억제하고 인접 셀로 전이되지 않도록 구성한 것이다. 한편, 이 실시예의 소화기능을 갖는 배터리 팩은 일반적인 배터리 팩과 동일하게 케이스 본체(220)에 벤트 밸브(도시안됨)를 갖도록 구성되어 배터리에서 화재발생시 벤트 밸브가 개방되어 케이스(200) 내부의 내압의 영향을 받지 않고 소화액의 원활한 분사가 가능하다.
상기와 같이 구성되는 이 실시예의 소화기능을 갖는 배터리 팩은 배터리에서 화재발생시 초기 진압이 가능할 뿐만 아니라 열 폭주 반응을 억제하고 인접 셀로의 전이를 방지할 수가 있다. 즉, 배터리에서의 화재발생으로 인해 온도가 상승할 경우, 화재가 발생한 배터리와 가장 인접한 부위의 케이스 커버(210)의 분사노즐(216)의 온도가 상승하고, 그 분사노즐(216)의 배출구를 밀봉하고 있던 저융점 합금이 설정된 온도에서 용융되어 해당 분사노즐(216)의 배출구가 개방되고, 그 개방된 배출구를 통해 케이스 커버(210)의 챔버의 내부공간에 내장되어 있던 소화액이 일정 분출압력으로 화재가 발생한 배터리를 향해 1차적으로 분사되기 때문에, 화재가 발생한 배터리에 대한 초기 화재진압이 가능하다. 그 이후에, 소화액 저장수단(300) 내에 저장된 소화액이 케이스 커버(210)를 경유하여 분사노즐(216)의 개방된 배출구를 통해 화재가 발생한 배터리를 향해 2차적으로 분사되어 소화액으로 화재가 발생한 배터리 모듈(100)의 일부 또는 전체를 잠기게 하여 소화액이 배터리 셀(110)의 내부로 흡수되어 내부 열 폭주 반응을 억제하고 인접 셀로 전이되지 않도록 한다. 더불어, 소화액이 화재가 발생한 배터리 모듈(100)의 격벽(221) 너머로 넘칠 경우 인접한 배터리 모듈(100)의 분리공간에 채워져 인접 셀로의 화염과 열의 전파를 방지하는 역할도 가능하다.
[제2 실시예]
이 발명의 제2 실시예에 따른 소화기능을 갖는 배터리 팩은 온도 감지센서에서 측정한 온도정보를 기반으로 화재 발생 또는 이상 징후가 발생하는 해당 배터리 모듈 구역에만 소화액 저장수단 내에 저장된 소화액을 분사하여 소화액으로 배터리의 일부 또는 전체를 잠기게 하여 화재를 소화하거나 화재를 미연에 차단하는 것으로서, 제1 실시예와 동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 7 및 도 8은 이 발명의 제2 실시예에 따른 소화기능을 갖는 배터리 팩의 일부 구성관계를 각각 도시한 개략도 및 단면도이고, 도 9는 도 7에 도시된 케이스 커버의 구성관계를 도시한 사시도이다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 이 발명의 제2 실시예에 따른 소화기능을 갖는 배터리 팩은 각자의 온도 감지센서(도시안됨)를 갖는 다수의 배터리 모듈(100A)과, 다수의 배터리 모듈(100A)을 각자의 분리공간에 각각 수용하는 케이스(200A)와, 케이스(200A) 내의 다수의 배터리 모듈(100A)의 전부 또는 일부 배터리 모듈(100A)이 잠길 수 있는 정도의 소화액을 일정 공급압력으로 저장하는 소화액 저장수단(300A), 및 소화액 저장수단(300A) 내의 소화액을 배터리에서의 화재 발생 또는 이상 징후시 케이스(200A) 내에 공급하는 공급수단(400)을 포함하여 구성된다.
상기 케이스(200A)는 다수의 배터리 모듈(100A)을 각자의 분리공간에 각각 수용하는 부재로서, 케이스 본체(220A) 및 케이스 커버(210A)를 포함할 수 있다. 여기서, 케이스 본체(220A)는 제1 실시예의 케이스 본체(220)와 동일하게 내부에 다수의 배터리 모듈(100A)을 수용할 수 있으며 일측이 개구된 박스 형태를 갖는 것으로서, 다수의 배터리 모듈(100A)을 각자의 분리공간에 각각 수용할 수 있도록 다수개의 구역으로 분할된 격벽구조를 내부에 갖도록 구성된다.
상기 케이스 커버(210A)는 케이스 본체(220A)의 개구된 일측을 개폐할 수 있다. 따라서, 케이스 커버(210A)를 케이스 본체(220A)에 대하여 폐쇄시키는 경우 케이스(200A)의 내부는 외부환경으로부터 보호받을 수 있다.
또한, 케이스 커버(210A)는 케이스 본체(220A)의 내부를 밀폐하는 기능과, 화재 발생 또는 이상 징후가 발생하는 해당 배터리 모듈(100A) 구역에만 소화액 저장수단(300A) 내에 저장된 소화액을 분사하여 열폭주에 의한 화재를 진압하거나 예방하는 소화기능을 동시에 갖도록 구성된다. 즉, 케이스 커버(210A)는 소화플레이트 일체형으로 구성되어 특정 셀 또는 모듈에서 이상 징후 또는 열폭주 발생시 해당 배터리에 다량의 소화액을 집중적으로 분사하여 효과적으로 화재를 진압하고 인접 셀로의 전이를 방지하도록 구성된다.
이러한 케이스 커버(210A)는 다수의 배터리 모듈(100A)의 개수만큼의 다수의 소화액 수용부(213A)가 각자의 배터리 모듈(100A)의 상부에 각각 위치하도록 일정 너비의 플레이트 형태로 구성한 외형수단(211A)과, 각자의 배터리 모듈(100A)을 향하는 방향으로 다수의 소화액 수용부(213A)와 각각 연통하도록 외형수단(211A)에 형성되는 개방형의 다수의 분사노즐(216A)을 포함하여 구성된다.
상기 외형수단(211A)은 케이스 커버(210A)의 외관을 구성하는 프레임 역할 등을 하는 것으로서, 분할 구획된 다수의 소화액 수용부(213A)를 갖도록 프레스 포밍되고 다수의 소화액 수용부(213A)의 테두리를 따라 서로 간에 용접되어 각각의 일정 내부공간을 갖는 다수의 소화액 수용부(213A)를 형성하는 상부 플레이트(212A)와 하부 플레이트(214A)로 구성된다. 이 실시예의 상하부 플레이트(212A, 214A)는 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 등의 금속 소재로 구성할 수 있다.
상기 분사노즐(216A)은 각자의 배터리 모듈(100A)을 향하는 개방형 노즐로서, 각자의 소화액 수용부(213A)에 대해 각각 연통하도록 외형수단(211A)에 다수개씩 설치 구성하는 것이 바람직하다.
상기 공급수단(400)은 온도 감지센서에서 측정한 온도정보를 기반으로 화재 발생 또는 이상 징후가 발생하는 해당 배터리 모듈(100A) 구역에만 소화액 저장수단(300A) 내에 저장된 소화액을 집중적으로 공급하는 것으로서, 소화액 저장수단(300A)에 연결되는 분배기(410)와, 분배기(410)와 다수의 소화액 수용부(213A)를 각각 연결하는 다수의 배관(420)과, 다수의 배관(420)에 각각 설치되는 다수의 밸브(430), 및 각자의 온도 감지센서에서 측정한 온도정보를 기반으로 화재 발생 또는 이상 징후(배터리 사용 온도 한계값 또는 시간당 온도 증가율 초과)가 발생하는 해당 배터리 모듈(100A)이 위치하는 소화액 수용부(213A)로 소화액이 공급되어 분사노즐(216A)을 통해 분사되도록 해당 밸브(430)를 개방하도록 제어하는 제어부(도시안됨)를 포함하여 구성된다.
이 실시예에서는 케이스 커버(210A)의 소화액 수용부(213A)를 8개로 분할 구획함에 따라, 배관(420) 및 밸브(430)를 8개로 구성하였으나, 필요에 따라 그 이상 또는 그 이하로 구성하는 것도 가능하다. 한편, 이 실시예의 밸브(430)는 전자식 솔레노이드 밸브로 구성하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 이 실시예의 소화기능을 갖는 배터리 팩은 온도 감지센서에서 측정한 온도정보를 기반으로 화재 발생 또는 이상 징후가 발생하는 해당 배터리 모듈(100A) 구역에만 소화액 저장수단(300A) 내에 저장된 소화액을 집중적으로 분사하여 소화액으로 배터리의 일부 또는 전체를 잠기게 하여 소화액이 배터리 셀의 내부로 흡수되어 내부 열 폭주 반응을 억제하고 인접 셀로의 전이를 방지할 수가 있다.
앞서 설명한 실시예들에서는 소화액 저장수단(300, 300A)이 케이스 커버(210, 210A)의 외형수단(211, 211A)의 일측과 연통라인을 통해 연통되는 구성관계에 대해 설명했지만, 소화액 저장수단(300, 300A)이 케이스 본체(220, 220A)의 일측에 연통되어 배터리에서의 화재발생시 케이스 본체(220, 220A) 내부에 직접 소화액을 공급하도록 구성할 수도 있다. 이 경우, 케이스 본체(220, 220A)에 화재발생 여부를 감지하는 감지센서와, 케이스 본체(220, 220A)와 소화액 저장수단(300, 300A)의 연통라인에 감지센서의 신호에 따라 연통라인을 개방하는 밸브 등을 더 갖도록 구성하면 된다.
이상에서 이 발명의 소화기능을 갖는 배터리 팩에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예들을 예시적으로 설명한 것이다. 따라서, 이 발명이 상기에 기재된 실시예들에 한정되는 것은 아니고, 이 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그러한 변형예 또는 수정예들 또한 이 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
100, 100A : 배터리 모듈 110 : 배터리 셀
120 : 다공성 흡수패드 200, 200A : 케이스
210, 210A : 케이스 커버 211, 211A : 외형수단
212, 212A : 상부 플레이트 213 : 포밍부
213A : 소화액 수용부 214, 214A : 하부 플레이트
215 : 포밍부 216, 216A : 분사노즐
217 : 밀봉덮개 220, 220A : 케이스 본체
221 : 격벽 300, 300A : 소화액 저장수단
400 : 공급수단 410 : 분배기
420 : 배관 430 : 밸브

Claims (7)

  1. 다수의 배터리 모듈과, 상기 다수의 배터리 모듈을 수용하는 케이스, 및 상기 케이스 내의 상기 다수의 배터리 모듈의 전부 또는 일부 배터리 모듈이 잠길 수 있는 정도의 소화액을 일정 분출압력으로 저장하고 있다가 배터리에서의 화재시 상기 케이스 내에 공급하는 소화액 저장수단을 포함하며,
    상기 케이스는 내부에 상기 다수의 배터리 모듈을 수용할 수 있으며 일측이 개구된 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 개구된 일측을 개폐하는 케이스 커버를 포함하고,
    상기 케이스 커버는 일정 용량의 내부공간을 갖도록 밀봉된 1개 이상의 챔버를 일정 너비의 플레이트 형태로 구성한 외형수단과, 상기 챔버의 내부공간에 일정 분출압력으로 일정량 채워지는 소화액과, 상기 다수의 배터리 모듈을 향하는 방향으로 상기 챔버의 내부공간과 각각 연통하도록 상기 외형수단에 형성되는 다수의 분사노즐, 및 상기 다수의 분사노즐 내부에 각각 채워져 밀봉하다가 배터리에서의 화재발생으로 인해 일정 온도에서 용융되어 소화액을 상기 분사노즐을 통해 배터리에 분사하도록 하는 저융점 합금(fusible alloy)으로 구성된 다수의 밀봉덮개를 포함하며,
    상기 외형수단은 금속 소재로 각각 구성되어 테두리를 따라 각각 포밍되고 테두리를 따라 서로 간에 용접 결합되어 일정 내부공간을 형성하는 상부 플레이트와 하부 플레이트를 포함하고,
    상기 상하부 플레이트는 서로 간에 밀착시킬 경우 단부가 서로 면 접촉하도록 내측방향으로 돌출되게 포밍 처리되어 상하 간에 서로 용접된 다수의 포밍부를 각각 구비하고,
    상기 분사노즐은 상기 하부 플레이트의 일부분을 외측으로 더 돌출시킨 상태에서 구멍을 형성해 상기 하부 플레이트에 일체형으로 형성되고,
    상기 분사노즐의 내면에 나사탭을 가공하여 저융점 합금의 상기 밀봉덮개와 상기 분사노즐의 내면 간의 결합력을 더욱 강화하는 것을 특징으로 하는 소화기능을 갖는 배터리 팩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스 본체는 상기 다수의 배터리 모듈을 각자의 분리공간에 각각 수용할 수 있도록 다수개의 구역으로 분할된 격벽구조를 내부에 갖는 것을 특징으로 하는 소화기능을 갖는 배터리 팩.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 케이스 본체의 격벽은 상기 케이스 본체의 테두리보다 낮은 높이로 구성되는 것을 특징으로 하는 소화기능을 갖는 배터리 팩.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 배터리 모듈은 다수로 적층된 배터리 셀과, 다수의 배터리 셀들 사이사이에 배치되는 다수의 다공성 흡수패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 소화기능을 갖는 배터리 팩.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 소화액 저장수단은 상기 외형수단의 일측과 연통라인을 통해 연통되어 상기 소화액 저장수단 내에 저장된 소화액이 상기 외형수단을 경유하여 분사노즐의 개방된 배출구를 통해 화재가 발생한 배터리를 향해 분사되는 것을 특징으로 하는 소화기능을 갖는 배터리 팩.
  6. 삭제
  7. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 소화액 저장수단과 상기 케이스 커버 내의 소화액의 일정 분출압력은 각자의 내부공간을 압축공기나 질소가스를 충진해 형성하는 것을 특징으로 하는 소화기능을 갖는 배터리 팩.
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