KR20210141806A - 화재 진압 수단을 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 셀에서 화재나 발열 등의 이상 현상 발생 시 인접한 배터리 셀로 화재나 열이 전파되는 것을 방지하는 수단을 포함하는 배터리 팩으로서, 복수 개의 배터리 셀, 복수 개의 배터리 셀을 수용하는 케이스, 이상 현상 발생 시 배터리 팩의 에너지를 배출하는 에너지 배출 수단 및 작동 온도 이상에서 에어로졸을 방출하여 배터리 팩 내부에 발생하는 화염을 소화하는 소화 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩에 관한 것이다.

Description

화재 진압 수단을 포함하는 배터리 팩{Battery pack containing fire suppression means}
본 발명은 에너지 배출 수단과 소화 수단을 구비하여 안정성이 강화된 배터리 팩에 관한 것이다.
스마트폰, 노트북, 디지털 카메라 등 모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 충방전이 가능한 이차전지에 관한 기술이 활발해지고 있다. 또한, 이차 전지는 대기오염 물질을 유발하는 화석 연료의 대체 에너지원으로, 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV) 및 에너지 저장 시스템(ESS) 등에 적용되고 있다.
에너지 저장 장치(ESS, Energy Storage System)란 대용량의 과잉 생산된 전력을 배터리에 저장했다가, 필요 시 전력을 다시 끌어내 사용할 수 있도록 하는 장치로, 신재생에너지 발전과 연계하여 전력의 품질을 일정하게 유지하고, 전력 사용량이 낮은 시간에 전력을 저장하고 전력 수요가 높아질 때 저장된 전력을 사용함으로써 전력 사용의 효율을 증가시키는 역할 등을 하고 있다. 이러한 ESS는 크게 그리드 시스템 ESS, 무정전전원장치(UPS), 가정용 ESS 등으로 나눌 수 있다.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.0V ~ 5.0V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 셀 모듈 어셈블리를 구성하기도 하며, 또한 셀 모듈 어셈블리를 요구되는 출력 전압 또는 충방전 용량에 따라 직렬이나 병렬로 연결하여 배터리 모듈을 구성할 수도 있으며, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 추가적인 구성요소를 부가하여 배터리 팩을 제작하는 것이 일반적이다.
그러나, 리튬 이차전지는 발열에 의한 폭발, 화재 등의 위험성이 있어서 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제 중의 하나이다. 이러한 이상 현상 발생 시 초기에 적절하게 대응하지 못하면 발열에 의하여 이차전지의 내부 온도가 급격하게 상승하게 되고, 온도의 급격한 상승으로 열폭주 현상(thermal runaway)을 일으킴으로써 이차전지의 폭발까지 이어질 수 있고, 인접한 이차전지로 전파되어 배터리 팩에 큰 피해가 발생할 수 있는 문제점이 있다. 한편 배터리 팩의 안전성을 확보하기 위하여 배터리 팩 내의 리튬 이차전지의 냉각이나 단열을 하는 방안들을 적용하기도 하나, 이러한 방안들 만으로는 이상 현상 발생 시 높은 에너지 밀도를 가진 리튬 이차전지에 발생하는 열에너지를 감당할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 배터리 팩 내부에 에너지 배출 수단과 소화 수단을 구비하는 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은 배터리 셀에서 화재나 발열 등의 이상 현상 발생 시 인접한 배터리 셀로 화재나 열이 전파되는 것을 방지하는 수단을 포함하는 배터리 팩으로서, 복수 개의 배터리 셀, 상기 복수 개의 배터리 셀을 수용하는 케이스, 상기 이상 현상 발생 시 상기 배터리 팩의 에너지를 배출하는 에너지 배출 수단 및 작동 온도 이상에서 에어로졸을 방출하여 상기 배터리 팩 내부에 발생하는 화염을 소화하는 소화 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 복수 개의 배터리 셀이 배터리 팩 내에 2개 이상의 구획으로 나누어져 수용된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 에너지 배출 수단이 높은 전기 저항을 가지는 저항체와 작동 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 에너지 배출 수단이 구획 중 한 곳에만 설치된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 에너지 배출 수단이 구획 당 하나씩 설치된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 배터리 팩의 전반적인 관리 및 상기 에너지 배출 수단의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 소화 수단이 에너지 배출 수단의 저항체와 인접하게 위치하여 이상 현상 발생 시 저항체에서 발생하는 열에너지를 이용하여 작동 온도에 도달하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 소화 수단이 소화 약제, 냉각부 및 노즐을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 소화 약제가 작동 온도 이하에서 고체 형태이고, 작동 온도 이상에서 에어로졸 형태로 분사되는 AFC(aerosol foaming compound)인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 AFC가 Potassium Nitrate, Strontium Nitrate, Magnesium Nitrate 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배터리 팩은 에너지 배출 수단 및 소화 수단이 케이스 내부에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 디바이스는 적어도 하나 이상의 본 발명에 따른 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배터리 팩은 에너지 배출 수단 및 소화 수단을 구비하여 배터리 팩 내의 특정 배터리 셀에서 발열이나 화재 등의 이상 현상 발생 시 신속하게 배터리 셀의 에너지를 배출하고, 화재를 진압함으로써 인접한 배터리 셀로 열 폭주 현상이 전파되는 것을 억제할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 배터리 팩은 이상 현상 발생 시 에너지 배출 수단에서 발생하는 열에너지를 이용하여 소화 수단을 작동시킴으로써 소화 수단을 작동시키기 위한 별도의 장치 등이 필요하지 않는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 에너지 배출 수단을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 소화 수단을 도시한 개략도이다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 배터리 팩에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 에너지 배출 수단 및 소화 수단을 포함하는 배터리 팩의 개략도이다.
도 1을 참조하여 배터리 팩(10)을 설명하면, 본 발명의 배터리 팩(10)은 복수 개의 배터리 셀(100)이 배터리 팩 케이스(200) 내에 2개 이상의 구획으로 나뉘어져 수용되어 있다. 각 구획의 사이에는 구획을 구분하는 격벽(500)이 위치하고, 이러한 격벽(500)은 필요에 따라 구획 간의 단열을 위한 단열판, 배터리 셀(100)에서 발생하는 열을 외부로 배출하기 위한 방열판 또는 냉각판 등을 사용할 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀(100)이 수용된 각 구획에는 도 1에서 나타낸 바와 같이 에너지 배출 수단(300) 및 소화 수단(400)을 구비하고 있다.
여기서, 에너지 배출 수단(300)은 배터리 팩(10)의 특정 배터리 셀(100)에서 이상 발열 현상이 발생 시 배터리 셀(100)의 에너지를 열에너지로 방출함으로써 이상 발열에 의한 열폭주 현상 등을 억제하여 배터리 팩(10)의 안전성을 높이는 역할을 한다.
또한 소화 수단(400)은 에너지 배출 수단(300)과 인접하게 배치되어 이상 발열 현상이 발생 시 에너지 배출 수단(300)에 의하여 배출되는 열에너지를 이용하여 작동 온도에 도달함으로써 배터리 팩(10) 내부의 화염을 신속하게 소화할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 에너지 배출 수단 및 소화 수단을 포함하는 배터리 팩의 개략도이다.
도 2의 배터리 팩(10)은 도 1의 배터리 팩(10)과 대비하여 에너지 배출 수단(300) 및 소화 수단(400)이 나뉘어진 복수의 구획 중 가운데 위치하는 구획에만 구비된 것을 제외하고 도 1의 배터리 팩(10)과 동일하다.
한편, 에너지 배출 수단(300)을 도 3을 참조하여 상세하게 살펴보면, 에너지 배출 수단(300)은 높은 전기 저항을 가지는 저항체(310)와 특정 구획의 배터리 셀(100)들과 전기적으로 연결을 온/오프 하는 작동 스위치(320)를 포함한다.
저항체(310)의 전기 저항은 배터리 셀(100)의 에너지를 신속하게 열에너지로 배출할 수 있고, 이러한 열에너지가 인접하게 위치한 소화 수단(400)을 작동시킬 수 있는 온도를 제공할 수 있는 범위에서 공지의 저항체 중 선택 가능하다.
또한 작동 스위치(320)는 필요에 따라 도 3의 (a)와 같이 회로의 한 방향에만 구비할 수도 있고, 도 3의 (b)와 같이 양 방향에 구비할 수도 있다.
이와 같은 에너지 배출 수단(300)은 이상 발열 현상이 발생하면 배터리 팩(10)이 정상적인 거동 시에서 오프 상태인 작동 스위치(320)가 온 상태로 되어 배터리 셀(100)과 저항체(310)를 전기적으로 연결되고, 높은 전기 저항을 가지는 저항체(310)에 의하여 배터리 셀(100)이 가진 전기 에너지가 열에너지로 배출됨으로써 이상 발열 현상이 인접 배터리 셀(100)들로 전파되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 배터리 팩(10)은 제어부(미도시)를 더 포함하여 배터리 팩(10)의 전반적인 관리 및 이상 발열 현상 발생 시 에너지 배출 수단(300)의 작동을 제어할 수 있다.
한편 소화 수단(400)을 도 4를 참조하여 설명하면, 소화 수단(400)은 소화 약제(410), 냉각부(420) 및 노즐(430)을 포함하는 고체 에어로졸 소화 장치일 수 있다.
여기서 고체 에어로졸 소화장치란 특수성분의 고체 화합물 연소 시 발생하는 에어로졸의 라디칼이 화재 주변의 O, H, OH의 활성라디칼과 반응하여 연쇄반응을 차단하는 부 촉매효과를 통한 연소의 연쇄반응을 차단하여 화재를 진압하는 소화 시스템이다.
구체적으로 살펴보면, 작동 온도 이상에서 소화 약제(410)가 연소되면서 소화물질인 에어로졸이 발생하고, 발생한 에어로졸은 냉각부(420)를 거치며 인체나 설비에 무해한 적정 온도까지 냉각되어 노즐(430)을 통하여 에어로졸 입자(A)로 분사되며, 분사된 에어로졸은 위에서 설명한 부 촉매효과를 통하여 화재를 진압할 수 있다.
또한 이러한 소화 수단(400)의 소화 약제(410)로는 공지의 다양한 소화 약제를 사용할 수 있고, 특히 작동 온도 이하에서 고체 형태이고, 작동 온도 이상에서 에어로졸 형태로 분사되는 AFC(aerosol foaming compound)인 것이 바람직하다.
AFC의 주요 성분으로는 Potassium Nitrate, Strontium Nitrate, Magnesium Nitrate 중 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하고, AFC는 이러한 성분들에 따라서 분해 및 연소 온도가 상이하므로, AFC의 작동 온도를 고려하여 에너지 배출 수단(300)에 적용될 저항의 크기 및 사양을 결정하는 것이 필요하다.
이러한 작동 온도는 AFC에 포함되는 성분에 따라 다양한 온도 범위를 가질 수 있으며, 특히 일반적으로 사용되는 AFC 및 저항체(310)의 종류를 고려할 때 300-1100℃ 범위인 것이 바람직하다.
또한 이러한 에너지 배출 수단(300) 및 소화 수단(400)을 가지는 본 발명의 배터리 팩은 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(P-HEV), ESS(Energy storage system) 등에 적용할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
10 : 배터리 팩
100 : 배터리 셀
200 : 케이스
300 : 에너지 배출 수단
310 : 저항체
320 : 작동 스위치
400 : 소화 수단
410 : 소화 약제
420 : 냉각부
430 : 노즐
A : 에어로졸 입자
500 : 격벽

Claims (12)

  1. 배터리 셀에서 화재나 발열 등의 이상 현상 발생 시 인접한 배터리 셀로 화재나 열이 전파되는 것을 방지하는 수단을 포함하는 배터리 팩으로서,
    복수 개의 배터리 셀;
    상기 복수 개의 배터리 셀을 수용하는 케이스;
    상기 이상 현상 발생 시 상기 배터리 팩의 에너지를 배출하는 에너지 배출 수단; 및
    작동 온도 이상에서 에어로졸을 방출하여 상기 배터리 팩 내부에 발생하는 화염을 소화하는 소화 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수 개의 배터리 셀은 상기 배터리 팩 내에 2개 이상의 구획으로 나누어져 수용된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서, 상기 에너지 배출 수단은 높은 전기 저항을 가지는 저항체와 작동 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제2항에 있어서, 상기 에너지 배출 수단은 상기 구획 중 한 곳에만 설치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제2항에 있어서, 상기 에너지 배출 수단은 상기 구획 당 하나씩 설치된 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서, 상기 배터리 팩의 전반적인 관리 및 상기 에너지 배출 수단의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제3항에 있어서, 상기 소화 수단은 상기 에너지 배출 수단의 상기 저항체와 인접하게 위치하여 상기 이상 현상 발생 시 상기 저항체에서 발생하는 열에너지를 이용하여 상기 작동 온도에 도달하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서, 상기 소화 수단은 소화 약제, 냉각부 및 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서, 상기 소화 약제는 상기 작동 온도 이하에서 고체 형태이고, 상기 작동 온도 이상에서 에어로졸 형태로 분사되는 AFC(aerosol foaming compound)인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제9항에 있어서, 상기 AFC는 Potassium Nitrate, Strontium Nitrate, Magnesium Nitrate 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제1항에 있어서, 상기 에너지 배출 수단 및 상기 소화 수단은 상기 케이스 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 배터리 팩을 포함하는 디바이스.
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