KR20220043991A - 화재 안전을 위한 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

화재 안전을 위한 배터리 팩을 제공한다. 본 발명에 따른 배터리 팩은 적어도 하나의 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 전장품을 포함하는 하나 이상의 셀 모듈 어셈블리; 상기 셀 모듈 어셈블리를 수용하는 케이스 본체 및 상기 케이스 본체와 결합되어 상기 셀 모듈 어셈블리를 패키징하는 케이스 커버를 포함하는 팩 케이스; 및 상기 팩 케이스의 외부 또는 내부에 분사되는 소화약제를 포함한다.

Description

화재 안전을 위한 배터리 팩 {Battery pack for fire safety}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전지의 과충전 또는 이상 동작으로 인한 화재 발생을 조기에 효과적으로 차단, 확산의 방지를 위한 배터리 팩에 관한 것이다.
반복적인 충전과 방전이 가능한 리튬 이차전지가 화석 에너지의 대체 수단으로서 각광을 받고 있다. 리튬 이차전지는 휴대폰, 비디오 카메라, 전동 공구와 같은 전통적인 핸드 헬드 디바이스에 주로 사용되었다. 하지만, 최근에는 전기로 구동되는 자동차(EV, HEV, PHEV), 무정전 전원 공급 시스템(UPS), 에너지 저장장치(ESS : Energy Storage System) 등으로 그 응용 분야가 점차 증가하는 추세이다. 리튬 이차전지는 고전압 및 고전류를 제공할 수 있도록 여러 개의 배터리 셀들을 그 자체 또는 카트리지 등에 장착한 상태로 중첩 내지 적층해 밀집 구조로 만든 후, 이를 전기적으로 연결한 배터리 모듈이나 배터리 팩으로 이용이 되고 있다.
ESS는 외부 전력원, 예를 들면, 발전소에서 외부 전력을 공급받아 저장하여, 전력이 필요한 시점에 필요한 곳으로 전송하는 장치를 의미한다. 스마트 그리드와 연계되어 태양광, 풍력 등 신재생 에너지원에서 생산된 전력을 저장하거나 전기요금이 저렴한 시간대에 외부 계통 전력으로부터 전력을 공급받아 저장하고 전력 소비가 높은 시간대에 저장된 전력을 방전함으로써, 전력 공급자의 입장에서는 전력 운영의 효율성을 높이고 소비자의 입장에서는 저렴한 전기요금을 이용할 수 있게 기여하고 있다.
그동안은 대용량 ESS 용도 위주의 개발이 있어 왔는데, 최근에는 홈 오토메이션 및 자동화의 보급에 따라 정전으로 인해 전원이 차단되지 않도록 하거나 전기 에너지 공급이 불안정한 지역에서 비상용으로 전기를 사용할 수 있도록, 가정용 소형 ESS에 대한 관심이 높아지고 있는 추세이다. 또한, 에너지의 효율적 이용을 위해 정부 지원하에 태양광 주택 사업이 활발하게 진행되고 있어 가정용 ESS에 대한 수요가 늘어나고 있다. 가정용 ESS는 외부의 물리적 요인에 의한 위험성을 방지하고, 설치 환경 및 조건에 대하여 기능을 만족할 수 있도록 구성하여야 한다.
특히 가정용 ESS는 산업, 주거와 근접한 가정에 설치되기 때문에 발연, 발화시 큰 문제를 야기할 수 있어 이에 대한 대책이 필요하다. 기존의 배터리 팩은 최외각 케이스(case)를 강성, 기밀성, 벤팅구조로 설계하여, 케이스를 통해 내부로 유입되는 산소를 제한하여 화재의 3 요소를 불만족시켜 화재 확산 방지하고 있다. 즉, 질식 소화에만 의존하고 있다. 하지만 배터리 팩의 최외각 케이스를 강건 설계할수록, 배터리 팩의 사이즈(에너지 밀도), 비용(재료비), 작업성 등이 증가하는 단점이 있어, 가정용 ESS의 화재 확산 방지책으로는 불만족스럽다.
배터리 팩은 하이브리드 자동차나 전기 자동차에도 적용된다. 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 경우 시스템에서 필요한 충분한 에너지를 공급하기 위하여 대용량의 배터리 팩이 탑재되며 이것은 고전압, 고전류의 특성이 있다. 따라서, 안전이 그 무엇보다 중요하다. 특히 고용량 배터리 팩의 경우 과충전 및 과전류 발생과 같은 비정상적인 거동에 의해 화재, 발연, 및 폭발의 위험성이 있고, 배터리 팩을 제어하는 BMS(Battery Management System)의 고장 및 이상 작동에 의한 화재시 차량 및 시스템 안전에 상당한 위험이 존재한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 화재 발생을 차단하거나 확산을 방지하기 위한 배터리 팩을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 국한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은 적어도 하나의 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 전장품을 포함하는 하나 이상의 셀 모듈 어셈블리; 상기 셀 모듈 어셈블리를 수용하는 케이스 본체 및 상기 케이스 본체와 결합되어 상기 셀 모듈 어셈블리를 패키징하는 케이스 커버를 포함하는 팩 케이스; 및 상기 팩 케이스의 외부 또는 내부에 분사되는 소화약제를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 소화약제는 화재 감지 센서가 장착된 노즐에 의해 분사되는 것일 수 있다.
상기 전장품은 온도센서 또는 BMS를 포함하고, 상기 소화약제는 상기 온도센서를 이용한 패시브 타입 또는 상기 BMS에서 화재의 상황을 진단한 후 분사되도록 하는 매뉴얼 타입일 수 있다.
상기 소화약제는 질식 소화, 억제 소화, 및 냉각 소화 중 적어도 어느 하나의 소화 작용에 의하는 것일 수 있다.
다른 예에 의하면, 상기 소화약제는 막으로 둘러싸여 있으며, 상기 막이 녹는점을 이용한 파열 방식으로 분사된다.
또 다른 예에 의하면, 상기 소화약제는 패드 혹은 시트 타입으로서, 상기 셀 모듈 어셈블리에 접촉하고 있거나 상기 팩 케이스에 접촉하고 있다. 이 때, 상기 소화약제는 화원 및 탈물질에 배치하여 화재 발화점 이하로 냉각하는 것이며, 열원으로부터 열을 흡수하고, 기화되면서 소화 기능을 하고, 냉각은 액체에서 기체로의 상변태에 의하는 것일 수 있다.
또 다른 예에 의하면, 상기 소화약제는 로프(rope) 타입으로서, 상기 케이스 본체와 케이스 커버 사이에 위치한다. 이 때, 상기 소화약제는 열전달시 부피가 팽창하여 상기 배터리 팩 내부를 채우는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 다양한 소화약제를 적용한 배터리 팩이 제공된다. 본 발명에 따르면 배터리 팩의 비정상적인 거동에 의해 발화하더라도 화재를 조기에 차단하여 확산되는 것을 방지함으로써 발화시 발생되는 위험을 감소시킬 수 있게 안전성이 향상된 배터리 팩을 제공할 수 있다. 본 발명에 따르면, ESS 분야에서 주택 용도인 가정용 ESS의 배터리 팩 또는 자동차용 대용량 배터리 팩에 대하여 안전성이 증가된다.
본 발명에 따르면 배터리 팩의 팩 케이스를 강성, 기밀성, 벤팅구조로 설계하지 않아도 된다. 팩 케이스를 강건 설계할수록, 배터리 팩의 사이즈(에너지 밀도), 비용(재료비), 작업성 등이 증가하는 단점이 있으므로, 본 발명은 이러한 단점을 가지지 않는다. 또한, 기존의 질식 소화에만 의존하는 방식에서 벗어나 다양한 소화 작용을 이용할 수 있다. 따라서, 가정용 ESS 및 자동차용 대용량 배터리 팩의 화재 확산 방지책으로 매우 적합하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1에 포함되는 노즐의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 개략도이다.
도 4는 도 3에 포함되는 포켓의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 개략도이다.
도 6은 도 5에 포함되는 패드 타입 소화약제의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 개략도이다.
도 8은 도 7에 포함되는 로프 타입 소화약제의 개략도이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이와 관련해서 배터리 팩이란, 바람직하게 전지셀들의 전기 접속이 동시에 이루어지는 전지셀들의 입체적 축적물이다. 화재란, 배터리 팩에서 바람직하지 않은 화학 반응으로 변화 또는 분해되는 모든 과정이다. 이러한 의미에서 화재는 특히 전지셀의 발열 화학 반응이고, 이러한 반응은 대개 전지셀의 과열로 인해 발생한다. 소화약제란 소화 작용, 즉 바람직하게는 화재 억제 작용을 하고 및/또는 화재 발생을 저지하거나 또는 어렵게 하는 물질 또는 혼합 물질이다. 소화 작용이란 본 발명과 관련해서 바람직하게, 화재를 저지하는 작용, 즉 화재의 연속 또는 발생을 억제하거나 또는 약화시킬 수 있는 작용을 의미한다. 소화약제의 주요 예는 화재를 지속시킬 수 있는 화학 반응 물질을 화점(fire source)에서 제거하거나, 또는 발화점 이하로 냉각하거나, 또는 발화 또는 화재의 지속에 필요한 화학 반응을 억제하는 물질이다. 예를 들어, 열분해에 의해 생기는 이산화 탄소의 질식 작용으로 산소 공급원을 차단하여 산소 농도를 16% 정도까지로 낮추어 연소를 차단하는 외에 부촉매 작용에 의해 소화하는 물질일 수 있다.
본 발명에서는 다양한 소화약제를 적용한 배터리 팩을 제안한다.
본 발명에서는 배터리 팩에 소화약제를 적용하여, 화재의 발생 방지, 조기 소화, 확산 방지를 도모한다. 소화약제의 종류는, 에어로졸, 액체 포켓(liquid pocket), 패드(pad)/시트(sheet), 로프(rope) 타입 등 다양한 종류(type)가 가능하며, 아래 제안하는 바와 같이 모두 배터리 팩에 적용 가능하다. 소화약제는 배터리 팩의 씰링부(sealing), 조립부, 셀 모듈 어셈블리(Cell Module Assembly : CMA) 사이, 배터리 팩의 팩 케이스 등에 위치할 수 있으며, 배터리 팩의 구조/특성에 따라 다양한 종류 및 다양한 형태로 적용될 수 있다.
소화약제는 크게 3가지 특징을 가지며, 한 개 이상의 특징을 갖는 소화약제 혹은 다른 특징을 갖는 소화약제를 중복으로 적용이 가능하다. 3가지 특징은 질식 소화, 억제 소화, 그리고 냉각 소화이다. 우선 질식 소화는 화재 3요소 중 하나인 산소의 농도를 낮추어 소화시키는 작용이다. 억제 소화는 화재시 발생하는 부산물과 소화약제가 결합하며 소화시키는 작용이다. 냉각 소화는 화재가 발생하기 위한 온도 점 아래까지 냉각하여 소화시키는 작용이다.
이하 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 팩을 상세히 설명한다.
먼저 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 개략도이다. 배터리 팩의 단면도에 해당한다. 도 2는 도 1에 포함되는 노즐의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(10)은, 셀 모듈 어셈블리(20) 및 팩 케이스(30)를 포함하여 구성된다. 팩 케이스(30)는 셀 모듈 어셈블리(20)를 수용하는 케이스 본체(40) 및 케이스 본체(40)와 결합되어 셀 모듈 어셈블리(20)를 패키징하는 케이스 커버(50)를 포함하여 구성된다.
배터리 팩(10)의 용도에 따라, 팩 케이스(30) 디자인은 다양하게 변경될 수 있다. 본 발명의 배터리 팩(10)은 가정용 ESS로 이용될 수 있다. 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 있어서 차량 모터로 구동력을 부여하는 배터리 팩으로도 이용될 수 있다.
셀 모듈 어셈블리(20)는 적어도 하나의 셀을 포함하는 배터리 모듈과 함께 여러 개의 전기적 부품을 포함하는데, 이러한 전기적 부품들을 전장품(electrical equipment)이라고도 한다. 전장품의 대표적인 예로는, 전압센서, 온도센서 등의 검출수단, PCB(Printed Circuit Board)로 제작된 BMS와 같은 제어수단을 들 수 있다. 이러한 전장품은 배터리 팩(10)에 포함된 셀들의 충방전을 관리하고, 안전성을 확보하기 위한 구성요소이다.
일부 셀이 과전압, 과전류, 과발열되는 경우에는 배터리 팩(10)의 안전성과 작동효율이 크게 문제되므로, 이들을 검출하기 위한 수단이 필요하다. 따라서, 전압센서, 온도센서 등의 검출수단을 셀들에 연결하여 실시간 또는 일정한 간격으로 작동 상태를 확인하고, BMS와 같은 제어수단을 통해 제어하고 있는 바, 이러한 검출수단, 제어수단 등이 배터리 모듈에 추가로 포함되는 것이다. 그 밖에 셀 모듈 어셈블리(20)에는 릴레이 어셈블리 및 셀들의 온도를 적정하게 관리하기 위한 방열판, 쿨러 등의 부대 장치 등을 더 포함하여 구성될 수도 있다. 릴레이 어셈블리는, 전류가 흐르는 충방전 경로를 선택적으로 개폐하여 배터리 팩(10) 내의 전류를 온/오프(On/Off)시키기 위한 스위칭 부품일 수 있다. 이를 통해 배터리 팩(10)에 이상 상황 발생 시 충방전 전류의 흐름을 차단할 수 있다.
셀 모듈 어셈블리(20)에서 배터리 모듈은, 셀의 넓은 면들이 상호 대면하도록 적층하여 이루어진 적층체를 포함하고, 셀 모듈 어셈블리(20)는 셀들의 적층 방향과 수직인 방향을 따라 케이스 본체(40) 내에 수용된다.
배터리 팩(10)은 가능하면 작은 크기와 중량으로 제조되는 것이 바람직하므로, 높은 집적도로 충적될 수 있고 용량 대비 중량이 작은 각형 셀, 파우치 셀 등이 단위 셀로서 사용될 수 있다. 특히 파우치 셀은 알루미늄 라미네이트 시트 등을 외장부재로 사용하는 것으로, 중량이 작고 제조비용이 낮아 셀 모듈 어셈블리(20)를 구성하기에 적합하다.
셀 모듈 어셈블리(20)는 이러한 파우치 셀을 복수 개 포함할 수 있다. 이러한 파우치 셀들은 일 방향, 이를테면 상하 또는 좌우 방향으로 적층된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어 파우치 셀들의 넓은 면들이 상호 대면하도록 적층한다. 이 때 파우치 셀들의 적층 조립 및 그 유동을 방지하기 위해 카트리지가 사용될 수 있다.
케이스 본체(40)에는 셀 모듈 어셈블리(20)를 수용할 수 있는 수용 공간이 마련되어 있다. 예를 들어, 케이스 본체(40)는 상부가 개방된 형태로 내부 공간을 구비하여, 상기 내부 공간에 셀 모듈 어셈블리(20)를 수용할 수 있다. 셀 모듈 어셈블리(20)는 셀들의 적층 방향과 수직인 방향을 따라 케이스 본체(40) 내에 수용될 수 있다.
케이스 본체(40)는 외부로부터 셀 모듈 어셈블리(20)를 보호하고 내부에 셀 모듈 어셈블리(20)를 고정하는 역할을 할 수 있다. 케이스 본체(40)는 셀 모듈 어셈블리(20)에 대한 기계적 지지력을 제공하며 외부의 충격 등으로부터 이를 보호하는 구성품으로서, 강성이 충분히 확보될 수 있도록 제작됨이 바람직하다. 바람직하게, 케이스 본체(40)의 재질은 폴리아미드 공중합체(대표적인 예로 LG 화학의 LUMID)로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 케이스 본체(40)의 재질은 유리섬유 강화 폴리아미드와 같은 엔니지어링 플라스틱일 수도 있다. 케이스 본체(40)의 재질은 UL94 V0의 난연성을 가진 것이 바람직하며, 난할로겐 난연제(halogen free flame retardant)를 포함한 것이면 바람직하다. 예를 들어 케이스 본체(40)의 재질은 합성수지인 폴리아미드66(PA66)에 유리섬유(GF)를 25% 혼합한 것이고, 여기에 난할로겐 난연제를 더 첨가한 것일 수 있다. 케이스 본체(40)의 재질은 이외에도, 폴리 페닐렌 설파이드(Poly Phenylene Sulfide : PPS), 폴리에텔에텔케톤(Poly Ether Ether Ketone : PEEK), 폴리페닐렌 술폰(Poly Phenylene Sulfone : PPSU) 또는 폴리술폰(Poly Sulfone : PSU)일 수 있다. 이러한 케이스 본체(40)는 엔니지어링 플라스틱 등 공업용 열가소성 플라스틱의 사출 성형에 의해 제작될 수 있다.
이러한 케이스 본체(40)는 케이스 커버(50)와 결합되어 셀 모듈 어셈블리(20)를 패키징할 수 있다. 케이스 커버(50)는 케이스 본체(40)의 상부 개방부를 커버한다. 케이스 본체(40)는 케이스 커버(50)에 의해 덮어 씌워져 밀폐될 수 있다. 케이스 본체(40)와 케이스 커버(50)는 테두리 부분이 용접되거나, 스냅 핏, 볼트 체결 등의 방식으로 결합될 수 있다. 그리고 케이스 커버(50)에는 운반 편의를 위한 손잡이 등이 더 구성될 수 있다.
케이스 커버(50)에는 셀 모듈 어셈블리(20)의 각종 부품과 연결되는 다른 부품이 포함되어 있을 수도 있다. 케이스 커버(50)도 케이스 본체(40)와 마찬가지로 강성이 충분히 확보될 수 있도록 제작됨이 바람직하다. 그리고, 케이스 커버(50)도 외부에 노출된 양극 및 음극 터미널과의 외부 단락 사고를 방지하기 위하여 절연성 재질로 제작됨이 바람직하다.
도 1에 도시한 것은 에어로졸 타입으로 소화약제(60)를 분사하는 타입이다. 배터리 팩(10) 내부나 외부에 도 2에서와 같이 소화약제(60)를 분사할 수 있는 노즐(62)을 구비한다. 이러한 노즐(62)에는 화재 감지 센서(64)가 장착될 수 있다. 도 2에 노즐(62)을 상세히 도시하였다. 도 2에서 화살표는 소화약제(60) 분사 방향이다. 소화약제(60)의 분사는 앞서 언급한 바와 같이 전장품에 포함되는 온도센서를 이용한 패시브 타입일 수 있다. 그리고 앞서 언급한 바와 같이 전장품에 포함되는 BMS에서 화재의 상황을 진단한 후 분사되도록 하는 매뉴얼 타입일 수도 있다.
노즐(62)은 도 1의 (a)나 (c)에서와 같이 배터리 팩(10)의 내부에 설치되어 소화약제(60)가 배터리 팩(10)의 내부로 분사되게 하거나, 도 1의 (b)에서와 같이 배터리 팩(10) 외부에 설치되어 소화약제(60)가 배터리 팩(10)의 외부 또는 내부에 분사되게 할 수 있다. 이와 같이 소화약제(60)는 배터리 팩(10)의 내/외부로부터 배터리 팩(10)의 내/외부로 분사되며, 화재 화원, 탈물질에 분사되도록 한다. 적절한 타이밍에 발화 지점으로 정확하게 소화약제(60)를 분사할 수 있어 조기에 화재를 진압할 수 있을 뿐만 아니라, 도 1의 (a)나 (c)의 경우 배터리 팩(10) 내부의 여유공간에 소화약제(60)를 설치할 수 있어서 추가적인 생산 비용이 적게 들고 별도의 설치공간이 필요치 않다는 이점이 있다.
소화약제(60)는 방사형 혹은 선택적 방향으로 분사 가능하다. 소화약제(60)는 분사방향을 선택할 수 있으며, 가장 위험이 높다고 판단되는 곳에 집중 분사될 수 있다. 예를 들어 도 1의 (a)에서는 셀 모듈 어셈블리(20) 상단에서 케이스 커버(50)를 향하여 수평 방향으로 소화약제(60)가 분사된다. (b)에서는 배터리 팩(10) 외부에서 소화약제(60)가 사방으로 분사되거나, 배터리 팩(10)을 관통하여 배터리 팩(10) 내부로 셀 모듈 어셈블리(20) 상단에서 분사된다. (c)에서는 셀 모듈 어셈블리(20) 바로 위에서 수직 방향으로 소화약제(60)가 분사된다. 다양한 위치와 분사 방향이 가능하며, 여기에 예로 든 것에 한정되는 것은 아니다.
소화약제(60)는 크게 3가지 특징을 가지며, 한 개 이상의 특징을 갖는 소화약제 혹은 다른 특징을 갖는 소화약제를 중복으로 적용이 가능하다. 3가지 특징은 질식 소화, 억제 소화, 그리고 냉각 소화이다. 우선 질식 소화는 화재 3요소 중 하나인 산소의 농도를 낮추어 소화시키는 작용이다. 공기 중 산소와 결합하여 산소농도 저하로 인한 소화 작용을 하는 것이다. 억제 소화는 화재시 발생하는 부산물(화재 리싸이클에 필요한 H, OH)과 소화약제가 결합하며 소화시키는 작용이다. 냉각 소화는 화재가 발생하기 위한 온도(발화점) 아래까지 냉각하여 소화시키는 작용이다.
본 발명과 관련해서 소화약제(60)는 입수가 용이하고 취급이 간단한 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이것은 분말 또는 액체일 수 있다. 여기서 소화약제(60)는 화재의 발생 또는 지속에 필요하거나 이를 촉진하는 화학 반응제를 화재 영역으로부터 밀어내거나 또는 제거함으로써, 화재를 예방하고 또는 소화하기 위해 적합한 물질이다.
소화약제(60)는 소화 효과가 있는 물질이면 모두 가능하다. 예를 들어, 제1종 소화분말이라고 알려진 중탄산나트륨(NaHCO3)으로서 스테아린산아연 또는 마그네슘으로 방습가공되어 있으며 백색으로 착색되어 있는 물질, 제2종 소화분말이라고 알려진 중탄산칼륨(KHCO3)으로서 스테아린산아연 또는 마그네슘으로 방습가공되어 있으며 자색으로 착색되어 있는 물질, 제3종 소화분말이라고 알려진 제1 인산암모늄(NH4H2PO4)으로서 실리콘오일에 의해서 방습가공되어 있으며 담홍색으로 착색되어 있는 물질, 제4종 소화분말이라고 알려진 요소와 탄산칼륨이 화합된 분말 등을 사용할 수 있다. 본 발명은 소화약제(60)의 종류에 한정되지 아니하며, 탄산칼슘(CaCO3), 제1 인산암모늄 및 할로겐 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 물질일 수 있다. 이 중, 할로겐 화합물은 증발성 액화 소화 물질이다.
이상 설명한 본 발명에 따르면 배터리 팩(10)의 팩 케이스(30)를 강성, 기밀성, 벤팅구조로 설계하지 않아도 된다. 보통 팩 케이스를 강건 설계할수록, 배터리 팩의 사이즈(에너지 밀도), 비용(재료비), 작업성 등이 증가하는 단점이 있다. 그러므로, 본 발명은 이러한 단점을 가지지 않는다. 또한, 기존에는 질식 소화에만 의존하였지만 본 발명에서는 소화약제를 통해 다양한 소화 작용을 이용할 수 있다. 따라서, 가정용 ESS 또는 자동차용 대용량 배터리 팩의 화재 확산 방지책으로 매우 적합하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 개략도이다. 도 4는 도 3에 포함되는 포켓의 개략도이다.
도 3에 도시한 예는 두번째 적용방안으로서 액체 포켓 타입이다. 여기에서 배터리 팩(10)에 관한 사항은 앞선 실시예와 거의 동일하다.
본 실시예에서도 배터리 팩(10)의 내/외부에 소화약제(70)를 설치하여 화재 화원, 탈물질에 분사한다. 소화약제(70)는 도 4에 도시한 보와 같이 레진이나 비닐과 같은 막(72)으로 둘러싼 것이며, 이러한 막(72)이 녹는점을 이용한 파열 방식으로 분사된다. 즉, 레진이나 비닐과 같은 막(72)으로 만든 포켓(74) 안에 소화약제(70)를 넣어두고 막(72)이 녹으면 소화약제(70)가 분사되도록 한다. 즉, 정상 상태에서는 막(72)이 소화약제 (70)를 유지하면서 화재 발생으로 고온이 되어 막(72)이 녹으면 소화약제 (70)가 배터리 팩(10)에 적용될 수 있도록, 소화약제(60)를 배터리 팩(10)의 내/외부에 설치하여 두는 것이다. 포켓(74)은 도 4에 상세히 도시하였다. 도 7에서 화살표는 소화약제(70) 분사 방향이다.
포켓(74)은 도 3의 (a)에서와 같이 배터리 팩(10)의 내부에 설치되어 소화약제(70)가 배터리 팩(10)의 내부로 분사되게 하거나, (b)에서와 같이 외부에 설치되어 소화약제(70)가 배터리 팩(10)의 외부 또는 내부에 분사되게 할 수 있다. 그리고 (c)에서와 같이 포켓(74)의 위치가 배터리 팩(10) 상단 외측일 수도 있다. 이와 같이 포켓(74) 내부의 소화약제(70)는 배터리 팩(10)의 내/외부로부터 배터리 팩(10)의 내/외부로 분사되며, 화재 화원, 탈물질에 분사되도록 한다.
소화약제(70)는 막(72)이 녹는 쪽을 어디에 두는가에 따라서 방사형 혹은 선택적 방향으로 분사 가능하다. 소화약제(70)는 분사방향을 선택할 수 있으며, 가장 위험이 높다고 판단되는 곳에 집중 분사될 수 있다. 소화약제(70)의 기능은 소화약제(60)의 기능과 동일하다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 개략도이다. 도 6은 도 5에 포함되는 패드 타입 소화약제의 개략도이다.
도 5에 도시한 것은 세번째 적용방안으로서 패드/시트 타입(pad/sheet type)이다.
도 5의 배터리 팩(10)에 관한 사항은 앞선 실시예와 거의 동일하다.
여기에서는 소화약제(80)를 패드 혹은 시트 타입으로 만들어 배터리 팩(10)의 내/외부에 설치한다. 소화약제(80)는 셀 모듈 어셈블리(20)에 접촉하고 있거나 팩 케이스(30)에 접촉할 수가 있다.
도 5의 (a)에서 소화약제(80)는 여러 개의 셀 모듈 어셈블리(20) 사이에 구비되어 셀 모듈 어셈블리(20)간 화재 전이를 방지한다. 도 5의 (b)에서 소화약제(80)는 셀 모듈 어셈블리(20)를 둘러싸 배터리 팩 케이스(30)를 보호한다. 도 5의 (c)에서 소화약제(80)는 배터리 팩(10) 내부 상단, 즉 케이스 커버(50) 내에 적용하여 분사되도록 한다.
도 6에 예를 들어 소화약제(80) 아래 방향(화살표)으로 분사되는 경우를 도시하였다.
소화약제(80)는 도 5에 도시한 바와 같이, 위험이 높다고 판단되는 곳에 집중 배치될 수 있다. 소화약제(80)는 화원 및 탈물질에 배치하여 화재 발화점 이하로 냉각하는 것일 수 있다. 열원으로부터 열을 흡수하고, 기화되면서 소화 기능을 한다. 냉각은 상변태(액체->기체), 화학적 반응을 통해 이루어진다
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 도시한 개략도이다. 도 8은 도 7에 포함되는 로프(rope)의 개략도이다.
도 7에 도시한 것은 네번째 적용방안으로서 로프 타입이다.
배터리 팩(10)에 관한 사항은 앞선 실시예와 거의 동일하다.
로프 타입의 소화약제(90)는 도시한 바와 같이, 케이스 본체(40)와 케이스 커버(50) 사이에 위치할 수 있다. 이 부분은 배터리 팩(10)의 갭 부분으로서, 조립부 또는 씰링부에 해당하며, 위험한 부분(risk point)이기도 하다. 소화약제(90)는 열전달시 팽창, 소화약제 분사를 통해 소화하도록 한다. 소화약제(90)는 분사되며 부피가 팽창하여 배터리 팩(10) 내부를 채울 수 있다. 이 경우 화재 전파 발생 효과가 탁월하다. 소화약제(90)의 기능은 소화약제(60)의 기능과 동일하다.
본 발명에 따르면, 다양한 소화약제를 적용한 배터리 팩이 제공된다. 본 발명에 따르면 배터리 팩이 발화하더라도 조기에 효과적으로 차단을 할 수 있어 화재가 확산되는 것을 방지함으로써 발화시 발생되는 위험을 감소시킬 수 있게 안전성이 향상된 배터리 팩을 제공할 수 있다. 본 발명에 따르면, ESS 분야에서 주택 용도인 가정용 ESS의 배터리 팩 또는 자동차용 배터리 팩에 대하여 안전성이 증가된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예들에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10: 배터리 팩 20: 셀 모듈 어셈블리
30: 팩 케이스 40: 케이스 본체
50: 케이스 커버 60, 70, 80, 90 : 소화약제
62: 노즐 64: 화재 감지 센서
72: 막 74: 포켓

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 셀을 포함하는 배터리 모듈 및 전장품을 포함하는 하나 이상의 셀 모듈 어셈블리;
    상기 셀 모듈 어셈블리를 수용하는 케이스 본체 및 상기 케이스 본체와 결합되어 상기 셀 모듈 어셈블리를 패키징하는 케이스 커버를 포함하는 팩 케이스; 및
    상기 팩 케이스의 외부 또는 내부에 분사되는 소화약제를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소화약제는 화재 감지 센서가 장착된 노즐에 의해 분사되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전장품은 온도센서 또는 BMS를 포함하고, 상기 소화약제는 상기 온도센서를 이용한 패시브 타입 또는 상기 BMS에서 화재의 상황을 진단한 후 분사되도록 하는 매뉴얼 타입인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  4. 제1항에 있어서, 상기 소화약제는 질식 소화, 억제 소화, 및 냉각 소화 중 적어도 어느 하나의 소화 작용에 의하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  5. 제1항에 있어서, 상기 소화약제는 막으로 둘러싸여 있으며, 상기 막이 녹는점을 이용한 파열 방식으로 분사되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  6. 제1항에 있어서, 상기 소화약제는 패드 혹은 시트 타입으로서, 상기 셀 모듈 어셈블리에 접촉하고 있거나 상기 팩 케이스에 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  7. 제6항에 있어서, 상기 소화약제는 화원 및 탈물질에 배치하여 화재 발화점 이하로 냉각하는 것이며, 열원으로부터 열을 흡수하고, 기화되면서 소화 기능을 하고, 냉각은 액체에서 기체로의 상변태에 의하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제1항에 있어서, 상기 소화약제는 로프(rope) 타입으로서, 상기 케이스 본체와 케이스 커버 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제8항에 있어서, 상기 소화약제는 열전달시 부피가 팽창하여 상기 배터리 팩 내부를 채우는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제1항에 있어서, 상기 배터리 팩은 가정용 ESS의 배터리 팩 또는 자동차용 배터리 팩인 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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