KR20220027937A - 화재 진압 장치 - Google Patents

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KR20220027937A
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안드레아스 스벤슨
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아. 스벤슨 인터내셔널 아베
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Abstract

본 발명은, 리튬-이온 배터리 팩(7) 같은 배터리 팩 내의 화재를 진압하기 위한 화재 진압 장치(8)로, 상기 화재 진압 장치(8)는, 상기 배터리 팩(7), 및 상기 배터리 팩(7)의 온도를 조절하기 위해 액체를 순환시키기 위한 액체 회로(13)를 포함하는 열 관리 시스템(5)을 포함하는 화재 진압 장치에 있어서, 상기 액체 회로(13)는 가용성 부분(43)을 포함하는 밀봉 부재(35)에 의해 폐쇄되는 적어도 하나의 개구(25)를 포함하고, 상기 가용성 부분(43)은 미리 결정된 작동 온도보다 높은 온도에 노출될 때 용융되도록 구성되어, 상기 개구(25) 근방에서 비정상적으로 온도가 상승하는 경우에 상기 배터리 팩(7)의 일부분을 냉각시키기 위해 상기 액체 회로(13)로부터 상기 개구(25)를 통해 액체가 배출될 수 있도록 하는 화재 진압 장치에 관한 것이다.

Description

화재 진압 장치
본 발명은 리튬-이온 배터리 팩과 같은 배터리 팩의 화재를 진압하기 위한 화재 진압 장치에 관한 것이다. 이 장치는 배터리 팩 및 상기 배터리 팩의 온도를 제어하기 위해 액체를 순환시키는 액체 회로를 포함하는 열 관리 시스템을 포함한다.
리튬-이온 배터리 팩과 같은 재충전 가능한 배터리 팩은 전기 자동차에서 하나 이상의 전기 모터(들)에 전력을 공급하기 위해 널리 사용된다. 이러한 배터리 팩의 충전 및 방전 시에, 배터리 팩의 배터리 셀 내부에서 열이 발생한다. 적절한 배터리 성능을 보장하고 열 폭주를 방지하기 위해, 배터리 온도는 일반적으로 개별 배터리 셀의 온도를 특정 온도 범위 내로 유지하는 열 관리 시스템에 의해 제어된다. 일반적인 온도 범위는 25-35℃이며, 다양한 냉각제와 방법들이 사용된다.
배터리 팩에는 이러한 열 관리 시스템이 제공되지만, 열 폭주 및 화재의 위험이 존재한다. 이를 해결하기 위해, 충전 시스템 및 배터리 팩에 안전 조치를 사용할 수 있다. 그러한 조치들 중 하나는 배터리 팩 근방에 설치된 자동 화재 진압 시스템이다.
그러나 공지된 시스템은 부피가 크거나 및/또는 복잡한 것으로 간주된다.
본 발명의 목적은 배터리 팩의 화재를 진압하기 위한 개선된 화재 진압 장치를 제공하는 것이다.
아래의 요약 및 설명으로부터 명백해질 이러한 목적 및 다른 목적은 첨부된 청구범위에 따른 화재 진압 장치에 의해 달성된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 리튬-이온 배터리 팩 같은 배터리 팩 내의 화재를 진압하기 위한 화재 진압 장치로, 상기 화재 진압 장치는 상기 배터리 팩 및 상기 배터리 팩의 온도를 조절하기 위해 액체를 순환시키기 위한 액체 회로를 포함하는 열 관리 시스템을 포함하는 화재 진압 장치가 제공된다. 액체 회로는 가용성 부분을 포함하는 밀봉 부재에 의해 폐쇄되는 적어도 하나의 개구를 포함하고, 상기 가용성 부분은 미리 결정된 작동 온도보다 높은 온도에 노출될 때 용융되도록 구성되어, 상기 개구 근방에서 비정상적으로 온도가 상승하는 경우에 상기 배터리 팩의 일부분을 냉각시키기 위해 상기 액체 회로로부터 상기 개구를 통해 액체가 배출될 수 있도록 한다.
열 관리 시스템은 액체를 액체 회로 및 열 교환 유닛을 통해 순환시키도록 배열된 액체 펌프를 포함할 수 있다. 배터리 백이 정상 작동하는 동안, 액체 회로에서 순환되는 액체는 최적의 성능과 배터리 팩 수명을 위해 원하는 범위로 유지되도록 온도를 조절하는 역할을 한다. 또한 순환하는 액체는 배터리 팩 전반의 불균일한 온도 분포를 줄이는 역할을 한다. 또한 열 관리 시스템이 정상적으로 작동하는 동안, 즉 배터리 팩을 냉각하거나 가열할 때, 일반적으로 액체 회로에 내부 과압이 있다. 정상 상태에서 밀봉 부재의 가용성 부분은 배터리 팩의 온도가 작동 온도보다 낮은 한 개구로부터 액체가 배출되는 것을 방지하는 폐쇄 플러그 역할을 한다. 개구부의 온도가 작동 온도에 도달하면, 밀봉 부재의 가용성 부분이 녹아서 개구가 개방된다. 그러면, 개구를 통해 액체가 배출된다. 가용성 부분이 녹을 때, 개구는 열 관리 시스템의 액체가 예를 들어 액체 회로의 내부 압력에 의해 배출되는 배출 구멍을 형성한다.
화재 진압 장치는 결합된 냉각/난방 및 화재 진압 시스템을 제공한다. 따라서 매우 공간이 절약되고 비용 효율적인 솔루션이 달성될 수 있다. 또한, 이러한 결합된 솔루션은 설치가 쉽고, 전기 버스와 같은 차량에 쉽게 개작될 수 있는 솔루션을 제공한다.
또한, 냉각제와 같은 액체를 가장 필요로 하는 위치에서 액체가 배출될 수 있기 때문에, 매우 효율적인 화재 진압 장치가 제공된다. 또한, 별도의 감지 시스템이 필요하지 않기 때문에 매우 강건한 시스템이 달성된다.
일 실시형태에 따르면, 밀봉 부재는 미스트 분사 노즐을 포함하되, 유체 통로 및/또는 배출 개구는 상기 가용성 부분에 의해 밀봉된다. 이 실시형태는 훨씬 더 효율적인 화재 진압이 달성된다는 이점을 갖는다.
일 실시형태에 따르면, 액체 회로는 복수의 개구를 포함하되, 개구 각각은 가용성 부분을 포함하는 밀봉 부재로 밀봉된다. 이 실시형태는 배터리 팩의 임의의 배터리 셀에서 비정상적인 온도 상승이 감지되도록 개구가 분포될 수 있기 때문에 훨씬 더 효율적인 구조를 제공한다. 따라서, 배터리 팩의 화재가 매우 초기 단계에서 진압될 수 있다. 밀봉된 개구 근처의 임의의 위치의 온도가 작동 온도에 도달하면, 그 개구에 배치된 밀봉 부재의 가용성 부분이 녹아서 플러그 역할을 멈춘다. 그러면, 개구를 통해 액체가 배출될 수 있다. 작동 온도에 도달하면 각 개구가 독립적으로 작동하기 때문에, 작동하는 개구의 수는 화재 근처에만 제한되고, 이는 화재 발생 지역에서 사용 가능한 방출 압력을 최대화한다. 개방되는 개구의 수는 화재의 위치와 크기에 따라 다르게 된다. 따라서 각 개구는 화재에 의해 발생하는 열로 인해 개방되기 때문에, 여러 개의 개구가 동시에 열리거나 개구들이 차례로 열릴 수 있다. 바람직하게는 상기 밀봉 부재 각각은 미스트 분사 노즐, 바람직하게는 분무 액체의 형태로 미스트를 분무할 수 있는 노즐을 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 개구는 액체 회로의 전체 길이를 따라 분포된다. 바람직하게는, 개구는 액체 회로의 전체 길이를 따라 균일하게 분포된다.
일 실시형태에 따르면, 미리 결정된 작동 온도는 100-160℃, 보다 바람직하게는 120-150℃, 가장 바람직하게는 130-150℃의 범위이다.
일 실시형태에 따르면, 미리 결정된 작동 온도는 100℃, 보다 바람직하게는 120℃, 가장 바람직하게는 135℃이다.
일 실시형태에 따르면, 가용성 부분은 비스무트 및/또는 인듐을 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 화재 진압 장치는 상기 배터리 팩 및 상기 액체 회로를 수용하도록 구성된 하우징을 더 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 액체 회로는 상기 하우징의 통합된 부분을 형성한다. 바람직하게는, 액체 회로는 상기 하우징의 바닥 부분의 통합된 부분을 형성한다.
일 실시형태에 따르면, 하우징은 알루미늄으로 형성된다.
일 실시형태에 따르면, 화재 진압 장치는 밸브 어셈블리에 의해 열 관리 시스템에 유동적으로 연결되는 압력 용기를 더 포함한다. 이 실시형태에서 압력 용기는 액체 회로를 가압하도록 배열되고, 바람직하게는 가용성 부분이 용융될 때 물과 같은 추가 액체를 액체 회로에 공급하도록 배열된다. 이 실시형태에서, 액체 회로 및 열 관리 시스템의 다른 부분이 강화되는 것이 바람직하다. 열 관리 시스템의 일부는 예를 들면 압력 용기로부터 개구(들) 및/또는 노즐(들)로 가압된 액체를 분배할 수 있도록 적어도 70 바(bar), 보다 바람직하게는 적어도 90 바, 가장 바람직하게는 적어도 100 바의 압력을 견디도록 구성될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 밸브 어셈블리는 방출 밸브를 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 밸브 어셈블리는 일방향 밸브를 포함한다.
청구범위 및 이하에서 설명되는 실시형태를 참조하면 본 발명의 이들 및 다른 측면들이 명백해지고 설명될 수 있을 것이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 개시내용의 실시형태에 따른 화재 진압 장치가 제공된 전기 버스를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 화재 진압 장치의 액체 회로 및 배터리 팩을 도시한다.
도 3은 도 1에 도시된 화재 진압 장치의 액체 회로의 일부를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1에 도시된 화재 진압 장치의 기능을 예시한다.
도 5는 본 개시내용의 제2 실시형태에 따른 화재 진압 장치를 도시한다.
도 1은 배터리 팩 어셈블리(3) 및 열 관리 시스템(5)이 제공된 전기 버스(1)를 도시한다. 배터리 팩 어셈블리(3) 및 열 관리 시스템(5) 각각은 전기 버스(1)의 지붕에 장착된다.
배터리 팩 어셈블리(3)는 리튬-이온 배터리 팩의 형태로 3개의 동일한 배터리 팩을 포함하며, 이들 중 제1 배터리 팩(7)을 도 1에서 볼 수 있다. 각 배터리 팩(7)은 전기 버스(1)의 전기 모터(도시되지 않음)에 연결된다. 도 1의 분해 부분에 도시된 바와 같이, 제1 배터리 팩(7)은 제1 하우징(11)에 위치한 여러 개의 배터리 모듈(9)을 포함한다.
열 관리 시스템(5)은 제1 하우징(11)의 제1 배터리 팩(7) 아래에 배열된 제1 액체 회로(13), 제2 하우징(15)에 위치한 제2 배터리 팩 아래에 배열된 제2 액체 회로(도시되지 않음) 및 제3 하우징(17)에 위치하는 제3 배터리 팩 아래에 배열되는 제3 액체 회로(미도시)를 포함한다.
액체 회로(13)는 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(11) 전체에서 지그재그 방식으로 전후로 연장되는 파이프이다.
열 관리 시스템(5)은 공급 파이프 시스템(18), 리턴 파이프 시스템(19), 열 교환 유닛(21), 및 액체 회로(13) 각각에 걸쳐 액체를 순환시키도록 배열된 액체 펌프(도시되지 않음)를 더 포함한다. 열 관리 시스템(5)은 배터리 팩 어셈블리(3)의 배터리 팩(7)의 온도를 제어하는 역할을 한다. 액체 냉각/가열 시스템을 형성하는 열 관리 시스템(5)은 각 배터리 팩(7)의 온도를 특정 온도 범위 예컨대 25-35℃ 범위로 유지하도록 구성된다. 제1 액체 회로(13)와 제1 배터리 팩(7) 사이에는 제1 배터리 팩(7)의 배터리 모듈(9)을 지지하고 액체 회로 파이프(13)가 손상되지 않도록 보호하는 천공된 지지 플레이트(23)가 배열된다.
제1 액체 회로(13)는 액체 회로(13)의 전장을 따라 균일하게 분포된 여러 개구(25)를 포함한다. 이러한 각각의 개구(25)는 가용성 부분을 포함하는 밀봉 부재로 밀봉된다. 제1 배터리 팩(7)과 열 관리 시스템(5)은 함께 본 개시의 실시형태에 따른 화재 진압 장치(8)를 형성한다.
이제 도 2를 참조하면, 제1 액체 회로(13)는 공급 파이프 시스템(18)의 공급 파이프(29)가 연결되는 액체 유입구(27), 및 리턴 파이프 시스템(19)의 리턴 파이프(33)가 연결되는 액체 유출구(31)를 구비한다.
각각의 개구(25)는 가용성 부분(fusible portion)을 포함하는 밀봉 부재로 밀봉된다. 이 실시형태에서, 각각의 개구(25)는 노즐(35) 형태의 밀봉 부재에 의해 밀봉된다. 따라서 노즐(35)은 액체 회로(13)의 각각의 개구(25)에 배열된다. 노즐(35)은 액체 회로(13)의 개구(25)에 예를 들어 나사 체결된다. 따라서 이 실시형태에서 개구(25)는 노즐(35)을 포함하는 밀봉 부재에 의해 밀봉된다. 그러나 개구(들)(25)는 예를 들어, 가용성 플러그 또는 가용성 구성 같은 다른 유형의 밀봉 부재로 밀봉될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 제1 배터리 팩(7)과 열 관리 시스템(5)에 의해 형성되는 진압 장치(8)는 배터리 팩(7) 내의 화재를 진압 및/또는 열 폭주를 방지할 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 노즐(35)의 유동 방향으로 볼 수 있듯이, 각 노즐(35)은 테이퍼링 부분(39)을 갖는 유체 통로(37) 및 배출 개구(41)를 갖는다. 테이퍼링 부분(39)은 액체를 미스트(mist) 형태 예를 들어 분무된 물의 형태를 배출할 수 있게 한다. 각 노즐의 배출 개구(41)는 가용성 부분(43)에 의해 밀봉된다. 이 실시형태에서, 가용성 부분(43)은 비스무트를 포함하고, 융점이 약 140℃인 합금이다. 바람직하게는, 미리 결정된 작동 온도는 135-145℃ 범위이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하여, 이하에서 화재 진압 장치(8)의 기능을 설명한다.
도 4a는 제1 배터리 팩(7)이 원하는 온도 범위 내의 온도에서 동작하는 상태를 도시한다. 통상적으로, 배터리 팩(7)의 온도는 25-35℃ 범위이다. 그러면, 액체는 화살표로 도시된 바와 같이 액체 회로(13)에서 순환된다. 따라서 액체는 유입구(27)로부터 액체 회로 파이프(13) 전체에 걸쳐 공급되고, 액체 회로(13)의 배출구(31)로 지그재그 방식으로 이동한다. 그러면, 열 관리 시스템(5)의 교환 유닛을 통해 배터리 팩(7)으로부터 열이 제거될 수 있다.
도 4b는 배터리 팩(7)의 배터리 모듈(9) 중 하나의 배터리 셀(47)에서 화염으로 도시된 화재를 도시한다. 그러면, 2개의 노즐(35)의 가용성 부분(43)은 비정상적인 온도 상승을 겪게 된다.
노즐(35)의 온도가 미리 결정된 작동 온도, 이 경우에서는 140℃를 초과하면, 노즐(35)의 가용성 부분(43)이 도 4c에 도시된 바와 같이 용융되어 노즐(35)의 배출구(41)가 개방된다. 그러면, 도 4c에서 화살표로 도시된 바와 같이 액체 회로(13)로부터 액체가 노즐(35)의 배출 개구(41)를 통해 배터리 모듈(9)이 있는 공간으로 배출되어 배터리 모듈(9)의 배터리 셀(47)을 냉각시키게 된다. 열 관리 시스템(5)의 액체 회로(13)로부터 화재가 발생한 영역으로의 유체 통로는 배터리 셀(47)의 화재에 의해 생성된 열로 인해 설정된다. 도 4c의 상부에 도시된 바와 같이, 액체는 분무화된 액체 형태의 미스트(49)로 노즐(35)을 통해 배출된다. 미스트는 배터리 모듈(9)의 배터리 셀(47)을 매우 효율적인 방식으로 냉각시켜 화재를 진압한다.
이하에서, 도 5를 참고하여 제2 실시형태에 따른 화재 진압 장치(108)를 설명한다. 제1 실시형태에 개시된 많은 특징이 제2 실시형태에도 존재하며, 이들은 유사하거나 동일한 특징을 식별하는 유사한 참조 번호와 함께 사용된다. 이것을 언급하면서, 설명은 제2 실시형태의 제1 실시형태와 다른 특징을 설명하는 데 초점을 맞출 것이다.
제2 실시형태는 화재 진압 장치(108)가 압력 용기(51)를 포함한다는 점에서 제1 실시형태와 상이하다. 화재가 발생한 경우, 압력 용기(51)는 화재 진압 장치(108)의 액체 회로를 가압하고 가압 액체 형태의 추가 액체를 공급하도록 배열된다. 이를 위해 압력 용기(51)는 액체 예를 들어 물이나 다른 소화액으로 채워질 수 있으며, 가스를 약 100 바까지 끌어올린다. 이 실시형태에서 열 관리 시스템(5)의 일부, 예를 들어 공급 파이프 시스템, 액체 회로 및 리턴 파이프 시스템의 파이프는 최소 100 바의 압력을 견딜 수 있도록 보강된다.
압력 용기(51)에는 방출 밸브(55)가 제공되고, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이 파이프 커플링 어셈블리(53)에 의해 액체 회로에 연결된다. 화재 진압 장치(108)의 액체 회로 내의 압력 강하에 응답하여 및/또는 별도의 감지 시스템에 의해 방출 밸브(55)가 개방되게 구성될 수 있다. 따라서 압력 용기(51)는 배터리 팩(7) 내에 화재가 발생한 경우 압력 용기(51)로부터 열 관리 시스템(5)의 액체 회로의 하나 이상의 개구(들) 및/또는 노즐(들)로 압축된 액체를 분배하도록 배열된다.　 이 실시형태에서, 방출 밸브가 제공된 압력 용기는 파이프 커플링을 통해 액체 회로에 연결된다. 그러나 압력 용기는 밸브 어셈블리 예를 들어 방출 밸브 또는 일방향 밸브에 의해 액체 회로에 직접 연결될 수 있음을 이해해야 한다.
첨부된 청구항의 범위 내에서 상술한 실시형태들의 다양한 변형이 가능하다는 것이 이해될 것이다.

Claims (9)

  1. 리튬-이온 배터리 팩(7) 같은 배터리 팩 내의 화재를 진압하기 위한 화재 진압 장치(8)로, 상기 화재 진압 장치(8)는,
    상기 배터리 팩(7), 및
    상기 배터리 팩(7)의 온도를 조절하기 위해 액체를 순환시키기 위한 액체 회로(13)를 포함하는 열 관리 시스템(5)을 포함하는 화재 진압 장치에 있어서,
    상기 액체 회로(13)는 가용성 부분(43)을 포함하는 밀봉 부재(35)에 의해 폐쇄되는 적어도 하나의 개구(25)를 포함하고,
    상기 가용성 부분(43)은 미리 결정된 작동 온도보다 높은 온도에 노출될 때 용융되도록 구성되어, 상기 개구(25) 근방에서 비정상적으로 온도가 상승하는 경우에 상기 배터리 팩(7)의 일부분을 냉각시키기 위해 상기 액체 회로(13)로부터 상기 개구(25)를 통해 액체가 배출될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 화재 진압 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 밀봉 부재는 미스트 분사 노즐(35), 상기 가용성 부분(43)에 의해 밀봉되는 유체 통로(37, 39, 41)를 포함하는 것을 특징으로 하는 화재 진압 장치.
  3. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 회로(13)는 복수의 개구(25)를 포함하되, 개구 각각은 가용성 부분(43)을 포함하는 밀봉 부재(35)로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 화재 진압 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 밀봉 부재 각각은 미스트 분사 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 화재 진압 장치.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미리 결정된 작동 온도는 100℃, 더 바람직하게는 120℃, 가장 바람직하게는 135℃인 것을 특징으로 하는 화재 진압 장치.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가용성 부분은 비스무트 및/또는 인듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 화재 진압 장치.
  7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화재 진압 장치는 상기 배터리 팩(7) 및 상기 액체 회로(13)를 수용하게 구성된 하우징(11)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화재 진압 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 액체 회로는 상기 하우징(11)의 통합된 부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 화재 진압 장치.
  9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화재 진압 장치는 밸브 어셈블리(55)에 의해 열 관리 시스템에 유동적으로 연결된 압력 용기(51)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화재 진압 장치.
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