KR20220051758A - 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리장치 및 관리방법 - Google Patents

효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리장치 및 관리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리와 같은 발열 전기소자를 냉각하고, 화재를 소화하기 위한 열관리장치 및 관리방법에 관한 것으로서, 에너지 저장장치(ESS)의 배터리와 같은 전기소자 발열체를 단계별 다양한 방식으로 냉각시키고, 화재 발생시에는 소화 기능까지도 가능하도록 하는 열관리장치 및 관리방법에 관한 것이다. 본 발명은, 에너지 저장장치의 배터리와 같은 고발열체를 냉각시킴으로써 화재 발생을 예방하도록 하는 효과를 갖는다. 또한 본 발명은, 냉각 중 화재 발생시, 냉각을 중단하고, 화재 소화운전을 할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.

Description

효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리장치 및 관리방법 {Thermal control system and the method of battery cells with improved efficiency and safety}
본 발명은 배터리와 같은 발열 전기소자를 냉각하고, 화재를 소화하기 위한 열관리장치 및 관리방법에 관한 것으로서, 에너지 저장장치(ESS)의 배터리와 같은 전기소자 발열체를 단계별 다양한 방식으로 냉각시키고, 화재 발생시에는 소화 기능까지도 가능하도록 하는 열관리장치 및 관리방법에 관한 것이다.
최근 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용하는 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)의 보급이 가파르게 증가되고 있다. 이러한 ESS는 리튬이온 배터리(Li-ion Battery, LiB)와 같은 전력저장원, 전력제어장치(PCS, Power Conversion System), 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System) 등으로 구성되는데, 이중 전력저장원인 리튬이온 배터리는 고온, 발열로 인해 화재에 취약한 구성이다.
리튬이온 배터리의 광범위한 사용과 대용량화에 따라, 배터리 발화사고를 유발하게 되었고, 효율적인 냉각이 이루어지지 않으면 각종 화재가 발생하고 있는 것으로 나타나고 있다. 특히 리튬이온 배터리로 인해 발생되는 화재는, A, B, C, D급의 화재특성을 모두 갖고 있는데, 분리막, 파우치 등의 플라스틱 재질이 연소하면서 보이는 A급 일반 가연물 화재의 특성이 있으며, 또한, 과거의 2차전지와는 달리 전해액으로서 인화성 액체에 해당하는 유기용매가 들어 있으므로 B급 유류화재의 특성도 있다. 그리고 자체적으로 충전된 전기 에너지를 갖고 있어 점화원으로 작용할 수 있는 C급 전기화재로 분류할 수도 있으며, 금속화재인 D급 화재 특성도 있다.
따라서 복합적 특성을 갖는 ESS 화재는 대응이 쉽지 않다는 문제가 있으며, 더욱이 리튬이온 배터리는 독특한 열폭주(thermal runaway)와 재발화(reignition) 특성을 보이고 있다.
열폭주는 배터리 셀의 자기 발열로 인한 급격한 온도상승을 의미하며, 열폭주는 양극과 음극 사이의 고분자 분리막의 붕괴로부터 시작된다. 이러한 분리막으로 주로 사용되는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀 계열의 고분자는 녹는점이 125~160℃로서, 고온에서 안정성이 취약하다. 분리막이 분해되면 양극과 음극이 직접 접촉되면서 내부에 충전된 에너지의 급격한 방출과 함께 유기 용매인 전해액이 열분해 되고, 이로 인해 인화성 가스(VOC 가스)가 발생한다. 가스 팽창으로 인해 압력이 일정 수준 이상으로 높아지면 배터리셀 밖으로 인화성 가스와 전해액이 누출되면서 발화하게 된다. 열폭주의 원인으로는 기계적인 충격으로 인한 분리막의 천공, 과충전 및 과방전과 같은 전기적 요인, 제품 자체의 결함 등이 있으며, 또한 배터리와 무관한 외부 화재로 인한 착화도 가능하다. 또한, 재발화는 한번 배터리에서 화재가 시작되었다가 소화 활동에 의해 화염이 진압된 뒤에도 일정 시간 경과 후 다시 불꽃을 내면서 연소가 시작되는 현상이다. 다량의 배터리셀이 집합된 형태에서 화재가 발생한 경우, 일단 초기 화염이 제거되었다 할지라도 최초 발화된 배터리와 인접한 다른 배터리셀이 전도열 또는 복사열에 의해 열적 손상을 받아 자체적인 전기 에너지에 의해 열폭주가 시작되고 다시 발화하게 된다.
이러한 리튬이온 배터리의 열폭주 및 재발화 특성 때문에 배터리 화재는 초기 진압에 실패하면 화재를 진압하는 것이 거의 불가능하게 된다. 배터리 화재는 최근까지도 물을 이용한 냉각을 통해 화재를 제어하게 되는 경우가 많은데, 화재 발생 현장에서는 감전과 배터리 내 금속성 물질 및 가연성 가스 발생으로 인한 폭발적 연소 우려가 있으며, 물로 인한 누수가 발생할 경우 배터리 및 주변 장치에 치명적인 손상이 발생되는 문제도 유발한다.
따라서 이러한 배터리 화재를 미연에 방지하기 위해서, 사전 냉각이 가장 중요하다. 냉각을 위해 유체 절연냉각제에 배터리를 침지시켜 배터리의 온도를 하강시키는 냉각방식이 있는데, 이러한 직접접촉식 냉각기술은 전기소자와 비전도성의 냉각액체가 직접접촉하여 냉각하므로, 열을 전달하는 중간 매개체가 없어 열저항이 작고, 공기보다 높은 밀도의 냉각제로 열을 전달하므로 냉각성능이 매우 우수하다는 장점이 있다. 또한 불소원소를 포함하고 비등점을 갖는 액체를 사용하면 평상시 열관리 매체로 기능하다가 배터리에 화재가 발생할 경우, 배터리 주변의 절연유체가 증발하면서 열을 흡수하고 절연유체가 열분해 되는 과정에서 화재의 연쇄반응을 차단하는 소방약제로서 어느 정도 작용하기도 한다.
그러나 이러한 절연냉각제를 통한 소화 기능은 절연냉각제의 보유량에 따른 한계가 있을 수밖에 없으며, 소화 성능 역시 사용된 절연냉각제의 증발잠열 수준일 수밖에 없어, 절연냉각제가 감당할 수 없는 수준의 화재가 발생할 경우에는 소화가 불가능하게 된다.
한편, 높은 효율의 냉각, 소화를 위해서는 절연냉각제를 가득 담아 사용하여야 하는데, 고가의 절연냉각제가 과도하게 필요하여 높은 제조 비용이 발생되고, 유체 특성상 시스템의 무게가 상당히 증가되는 문제점이 있었다.
이에 최소한의 절연냉각제만을 사용하고자, 절연냉각제를 순환시키고 냉각시키며 재사용하는 방법이 안출되고 있다. 그러나 이 경우 절연냉각제의 증발, 누수 등 손실에 의해 절연냉각제가 감소되어 부족해지는 현상이 있더라도, 이를 보충하거나 관리하기 어렵다는 문제점이 있다. 또한 냉각에도 불구하고 화재가 발생하는 경우, 냉각제만으로는 화재를 진압할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서 배터리의 성능 향상과 열적 안정성 확보를 위해 배터리 열관리 시스템에 관한 효율적인 냉각기술들과 화재 발생시 신속한 진압을 위한 다양한 방식의 소화시스템에 관한 연구가 진행되고 있으며, 냉각 등의 열관리 중 화재가 발생되면, 소화운전을 진행할 수 있도록 하고, 또한 화재의 종류에 따라 다양한 소화약제를 제공할 수 있는 장치의 필요성이 대두되고 있다.
또한 포소화약제가 합성계면활성제를 기반으로 하여 팽창비 500배 이상의 높은 팽창률의 거품을 발생시켜 거품으로 화재의 표면을 덮어 가연성 증기와 산소의 접촉을 방지하는 산소 차단효과(질식효과)와 거품 속에 함유된 수분에 의한 냉각효과가 탁월하기 때문에 열폭주 및 재발화 특성이 있는 ESS 화재 대응에 매우 효과적인 것으로 밝혀지므로, 냉각용 절연냉각제를 사용하는 냉각장치와 포소화약제를 사용하는 소화장치를 결합하여 ESS에 적합한 열관리장치 시스템의 구성을 제안하기에 이르렀다.
특허 제10-2031645호 (2019년 10월 14일 공고)
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 에너지 저장장치(ESS)와 같은 고발열 전기소자에서의 냉각 및 화재를 동시에 관리하고, 제어하기 위한 시스템 및 제어 단계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 냉각에도 불구하고, 화재가 발생하는 경우 화재 진압을 위한 소화운전도 가능하도록 하는 배터리 열관리장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 효율적인 열관리를 위해, 절연냉각제의 수위를 자유롭게 조절할 수 있도록 하는 배터리 열관리장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 절연냉각제의 저장량 대비 향상된 유효흡입수두를 확보하도록 순환펌프의 배치 위치를 개선한 배터리 열관리장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 순환펌프 고장시에도 이를 대체할 수 있도록 소화장치의 가압가스를 활용한 시스템 및 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 내부에 배터리부(120)를 수납하고 절연냉각제를 수용할 수 있는 케이스(110)를 구비하는 배터리 수용장치(100); 복수의 배터리셀(121)이 적층되는 배터리부(120); 상기 배터리부(120) 배치 위치의 일측에 구비되어 상기 케이스(110) 내의 절연냉각제를 외부로 배출시키는 순환펌프(130); 상기 순환펌프(130)와 연결되어 상기 순환펌프(130) 작동시 배출되는 절연냉각제가 유입되는 냉각부(200); 상기 냉각부(200)에서 냉각되어 배출되는 절연냉각제가 유입되어 수용되는 저장용기(300); 상기 저장용기(300)로부터 배출되는 절연냉각제가 상기 케이스(110)의 내부로 유입되는 경로에 설치되어 유입로를 개폐하거나 유입량을 조절하기 위한 절연냉각제 공급밸브(320); 상기 배터리부(120) 또는 상기 케이스(110) 내부 또는 내부의 절연냉각제의 온도를 감지하는 온도감지부(170); 및 상기 온도감지부(170)로부터 입력되는 온도 감지 신호에 따라, 상기 순환펌프(130)의 동작, 상기 냉각부(150)의 동작, 공급밸브의 개폐 중 어느 하나 이상을 제어하는 제어부(160);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소화기능을 갖춘 배터리 열관리장치를 제공한다.
소화약제를 수용하고 있는 소화장치(500)를 더 구비하고, 상기 소화장치(500)로부터 배출되는 소화약제가 상기 케이스(110)의 내부로 유입되는 경로에 설치되어 유입로를 개폐하거나 유입량을 조절하기 위한 소화약제 공급밸브(420)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 소화장치(500)는: 소화약제가 수용된 소화약제 저장용기(510); 및 가압가스가 수용된 가압가스 저장용기(520);를 포함하여 구성되고, 상기 소화장치(500)로부터 상기 저장용기(300)에 연결되는 가압관(530); 및 상기 가압관(530)의 경로에 설치되는 가압가스 공급밸브(540)를 더 포함하여 구성되어, 상기 가압가스 공급밸브(540)의 개방시, 상기 소화장치(500)로부터 가압가스가 상기 저장용기(300) 내로 공급되어, 상기 저장용기(300) 내의 절연냉각제가 상기 배터리 수용장치(100) 내부로 가압되어 공급될 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부(140)는: 상기 온도감지부(170)로부터의 감지값이 기준 온도 이상인 것으로 판단되는 경우, 상기 절연냉각제 공급밸브(320)를 개방하거나, 개방율을 더 높이거나, 상기 순환펌프(130)의 절연냉각제 배출을 중단하거나, 배출량을 감소시켜, 상기 배터리 수용장치(100) 내로 유입되는 절연냉각제의 양이, 상기 배터리 수용장치(100)로부터 배출되는 절연냉각제의 양보다 많아, 상기 배터리 수용장치(100) 내에 수용되는 절연냉각제의 수위가 높아지도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부(140)는: 상기 온도감지부(170)로부터의 감지값이 기준 온도 미만으로 하강하는 것으로 판단되는 경우, 상기 절연냉각제 공급밸브(320)를 차단하거나, 개방율을 낮추거나, 상기 순환펌프(130)의 절연냉각제 배출을 시작하거나, 배출량을 증가시켜, 상기 배터리 수용장치(100)로부터 배출되는 절연냉각제의 양이, 상기 배터리 수용장치(100)로 유입되는 절연냉각제의 양보다 많아, 상기 배터리 수용장치(100) 내에 수용되는 절연냉각제의 수위가 낮아지도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부(140)는: 상기 저장용기(300) 내에 화재가 발생한 것으로 판단되는 경우, 상기 절연냉각제 공급밸브(320)를 차단하여, 상기 저장용기(300)로부터 절연냉각제가 유입되는 것을 중지하고, 상기 소화약제 공급밸브(420)를 개방하여, 상기 소화장치(500)로부터 소화약제가 상기 배터리 수용장치(100) 내부로 유입되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부(140)는: 상기 온도감지부(170)로부터의 감지값이 절연냉각제의 기화 온도 이상인 것으로 일정 시간 이상 지속되는 것으로 판단되는 경우, 상기 소화약제 공급밸브(420)를 차단하여 소화약제의 유입을 중단하고, 상기 절연냉각제 공급밸브(320)를 다시 개방하여, 상기 저장용기(300)로부터 절연냉각제가 유입되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 소화장치(500)는: 소화약제가 수용된 소화약제 저장용기(510); 및 가압가스가 수용된 가압가스 저장용기(520);를 포함하여 구성되고, 상기 소화장치(500)로부터 상기 저장용기(300)에 연결되는 가압관(530); 및 상기 가압관(530)의 경로에 설치되는 가압가스 공급밸브(540)를 더 포함하여 구성되어, 상기 저장용기(300)로부터 절연냉각제가 상기 배터리 수용장치(100)로 공급되도록 하기 위해, 상기 제어부(130)는: 상기 가압가스 공급밸브(540)의 개방하여, 상기 소화장치(500)로부터 가압가스가 상기 저장용기(300) 내로 공급되어, 상기 저장용기(300) 내의 절연냉각제가 상기 배터리 수용장치(100) 내부로 가압되어 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 복수의 배터리셀(121)이 적층되는 배터리부(120)를 내부에 수납하는 배터리 수용장치(100)의 케이스(110) 내부로 절연냉각제를 투입하여, 절연냉각제가 배터리부(120)에 직접 접촉되도록 하는 단계; 하강되는 절연냉각제를 순환펌프(130)를 통해 상기 케이스(110)의 외부로 배출시키는 단계; 배출된 절연냉각제를 냉각부(200)에서의 열교환을 통해 냉각시키는 단계; 상대적으로 저온 냉각된 절연냉각제가 배출되어 저장용기(300) 내에 수용되어 보관되도록 하는 단계; 및 상기 저장용기(300)와 상기 배터리 수용장치(100)의 사이 경로에 설치된 절연냉각제 공급밸브(320)의 개폐에 따라 상기 배터리 수용장치(100) 내로 공급되는 절연냉각제의 양이 조절되는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소화기능을 갖춘 배터리 열관리방법을 제공한다.
온도감지부(170)를 통해 상기 배터리부(120) 또는 상기 케이스(110) 내부 또는 내부의 절연냉각제의 온도를 감지하는 단계; 및 감지된 온도값이 기준 온도 이상인 것으로 판단되는 경우, 상기 배터리 수용장치(100) 내에 수용되는 절연냉각제의 수위를 일시적으로 높이는 단계;를 포함하여 구성되고, 상기 절연냉각제의 수위를 일시적으로 높이는 단계는: 상기 절연냉각제 공급밸브(320)를 개방하거나, 개방율을 더 높이는 단계, 또는 상기 순환펌프(130)의 절연냉각제 배출을 중단하거나, 배출량을 감소시키는 단계 중 어느 하나 이상의 공정을 통해, 상기 배터리 수용장치(100) 내로 유입되는 절연냉각제의 양이, 상기 배터리 수용장치(100)로부터 배출되는 절연냉각제의 양보다 많아, 상기 배터리 수용장치(100) 내에 수용되는 절연냉각제의 수위가 높아지도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 수용장치(100) 내에 화재가 발생한 것을 판단하는 단계; 및 상기 배터리 수용장치(100) 내로 소화약제를 공급하는 단계;를 포함하여 구성되고, 상기 소화약제를 공급하는 단계는: 소화약제 공급밸브(420)를 개방하여, 소화장치(500)로부터 소화약제가 상기 배터리 수용장치(100) 내부로 유입되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 온도감지부(170)로부터의 감지값이 절연냉각제의 기화 온도 이상인 상태로 일정 시간 이상 지속되는 것을 감지하는 단계; 및 상기 배터리 수용장치(100) 내의 재발화 차단 단계를 포함하여 구성되고, 상기 재발화 차단 단계는: 상기 소화약제 공급밸브(420)를 차단하여 소화약제의 유입을 중단하는 단계, 상기 절연냉각제 공급밸브(320)를 다시 개방하여, 상기 저장용기(300)로부터 절연냉각제가 다시 유입되도록 하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 저장용기(300)와 연결된 상기 소화장치(500)의 가압가스 저장용기(520) 사이의 가압가스 공급밸브(540)를 개방하는 단계; 상기 가압가스 저장용기(520)의 가압가스가 상기 저장용기(300) 내부로 유입되는 단계; 및 유입된 가압가스에 의해 상기 저장용기(300) 내의 절연냉각제가 상기 배터리 수용장치(100) 내로 가압되며 공급되는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 에너지 저장장치의 배터리와 같은 고발열체를 냉각시킴으로써 화재 발생을 예방하도록 하는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은, 냉각운전 중임에도 온도가 내려가지 않거나, 높은 온도로 유지되는 경우, 절연냉각제의 수위를 높여, 배터리가 절연냉각제에 잠길 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은, 냉각 중 화재 발생시, 냉각을 중단하고, 화재 소화운전을 할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은, 순환펌프를 대체하여, 소화장치와 저장용기를 상호 조합하여 별도의 복잡한 구성이나 구조 없이도, 절연냉각제를 공급할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은, 절연냉각제의 저장량 대비 유효흡입수두를 확보하여 필요 절연냉각제를 최소화 할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 배터리 수용장치 외관을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 배터리 수용장치 내부를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 배터리 수용장치의 내부를 단면으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 배터리 수용장치 내부의 배터리부를 나타내는 도면이다.
도 5는 배터리 수용장치로 절연냉각제가 냉각되어 공급되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 소화장치를 구비하는 배터리 열관리장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리 열관리장치의 연결 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따라 배터리 수용장치 내의 절연냉각제 수위가 달라지는 상태를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 배터리 열관리장치의 연결 구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 열관리제어 과정을 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명에 따른 배터리 열관리 장치의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명에 따라 배터리 수용장치 내의 절연냉각제 수위가 달라지는 상태를 나타내는 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 배터리 수용장치 외관을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 배터리 수용장치 내부를 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 수용장치(100)는 케이스(110)로 외관이 감싸져 있고, 그 케이스(110)의 상방에는 냉각부(200)가 배치되고, 그 측방에는 각 구성들을 감지하거나, 동작, 개폐를 제어하는 제어부(140)가 배치된다.
냉각부(200)가 케이스(110) 상방에 설치되고, 제어부(140)가 측방에 설치된 것으로 도시되어 있으나, 다양한 위치나 또는 이격된 별도의 이격된 장소에 독립적으로 설치되거나 타 구성과 함께 배치되는 것도 가능하다. 제어부(140)는 케이스(110) 외측에 구비되거나, 수동조작도 가능한 제어판, ESS 시스템 전체를 제어하는 제어부스 등으로 별도 구비될 수도 있으며, 다수의 ESS 시스템이 마련되는 구조물 내부에 구비되거나, 별도의 관제센터, 서버, PC 등의 다양한 조합으로 구성될 수도 있다.
케이스(110) 내에는 배터리부(120)가 다수 배치되며, 각 배터리부(120)는 배터리셀(121)이 적층 배치되는데, 배터리셀(121)은 다른 전자기기나, 발열체로 대체될 수도 있을 것이며, 배터리부(120)는 배터리셀 뿐만 아니라 균등한 대응 구성들을 포함하는 의미로 해설될 수 있다.
케이스(110)의 바닥면에는 일정 수위만큼 절연냉각제가 담길 수 있게 되며, 측방에 배치된 순환펌프(130)가 이를 다시 흡인하여, 외부 또는 상방으로 가압 배출시킨다. 배출되는 절연냉각제는 순환관(210)을 따라 냉각부(200)로 유입되어, 열교환을 통해 냉각된다. 냉각된 절연냉각제는 배출관(220)을 통해 배출되어, 다시 배터리 수용장치(100)의 상방으로 유입되어, 낙하, 분사되도록 한다. 케이스(110)의 내측 상부에 배치된 분배부(180)는 유입된 절연냉각제가 넓고 고르게 퍼져 분배되어 낙수되도록 하는 역할을 한다.
절연냉각제는 상전이 비전도성 유체이며, HFE(Hydrofluoroether), FK(Fluoroketone), PFC(Perfluorocarbon) 등의 합성탄화수소 종류를 포함하는 비전도성의 액상물질이 해당된다. 이러한 절연냉각제는 케이스(110) 바닥부터 적층된 배터리셀(121)의 하단 부분이 일정 수위만큼 잠길 수 있도록 한다.
배터리부(120)는 발열체인 배터리셀(121)이 적층된 것이고, 배터리셀(121)은 원통형 배터리(Cylindrical Cell), 각형 배터리(Prismatic Cell), 파우치형 배터리(Pouch Cell) 등의 다양한 형태의 배터리를 포함할 수 있다. 배터리부(120)는 ESS 시스템에 사용되는 배터리 모듈일 수 있으며, 배터리 모듈 외에도 발열하는 저장장치, 서버 또는 데이터 센터나 다양한 전자장치(PC 등), 전기소자(콘덴서 등) 등으로 균등 대체될 수도 있다.
냉각부(200)는 유체를 냉각시키기 위한 다양한 장치를 채택할 수 있는데, 도면의 실시예는 냉각챔버 및 냉각팬을 이용한 열교환기이다. 중앙의 냉각챔버 상부 일측에 순환관(210)이 연결되고, 하부 일측에 배출관(220)이 연결되며, 냉각챔버의 양측에는 다수의 냉각팬이 배치되어, 냉각챔버 내의 절연냉각제는 냉각팬의 동작에 의해 열교환 및 냉각되어, 배출관(220)으로 배출된다. 배출관(220)을 통해 절연냉각제는 케이스(110) 덮개의 하부에 배치된 분배부(180) 측으로 유입된다.
온도감지부(170)는 온도를 감지하는 센서로서, 배터리셀(121)의 직하방이나, 배터리셀(121)의 사이사이에 배치되는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다. 온도감지부(170)는 배터리셀(121)의 온도를 측정하거나, 또는 하부에 고인 절연냉각제의 온도를 측정하거나, 또는 낙하하는 절연냉각제의 온도를 측정하거나, 또는 케이스(110) 내부의 빈 공간 온도를 측정할 수도 있을 것이며, 측정된 온도감지값은 제어부(140)로 제공된다.
순환펌프(130)는 절연냉각제를 냉각부(200) 측으로 순환시키는 펌프로, 케이스(110) 바닥에 배치된 배터리부(120)의 일 측방에 위치되는데, 특별히 케이스(110) 바닥 일측에 형성된 흡입수두홈(미표시) 내에, 상대적으로 낮은 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 순환펌프(130)는 하부에 담긴 절연냉각제의 요구 수위보다 낮은 위치에, 잠기도록 배치되며, 작동시 일측에 마련된 흡입구를 통해 절연냉각제를 흡입하고, 타측에 마련된 배출구와 연결된 순환관(210)을 통해 절연냉각제를 냉각부(200)로 공급한다.
도 3은 본 발명의 배터리 수용장치의 내부를 단면으로 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 배터리 수용장치 내부의 배터리부를 나타내는 도면이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 적층된 배터리셀(121)의 상방으로는 유입된 절연냉각제를 고르게 분산하여, 뿌리거나 낙하시키기 위한 분배부(180)가 배치된다.
순환펌프(130)는 배터리부(120)의 측방에 배치되어, 순환관(210)과 연결된다. 순환펌프(130)는 케이스(110)의 바닥보다 더 낮도록 오목하게 형성된 흡입수두홈(미표시) 내에 배치하는 것이 바람직하다. 즉, 배터리부(120)의 하측 바닥면보다 더 낮은 위치의 흡입수두홈이 마련되도록 하며, 이 내부로 순환펌프(130)를 하방 인입시켜 배치한다.
순환펌프(130)에는 흡입구와 배출구가 있으며, 흡입구에 절연냉각제가 인입되어, 펌핑 작용을 통해 가압하여 배출구를 통해 순환관(220)으로 배출시킨다. 이 때 흡입구의 중심에서 절연냉각제의 수위 까지의 높이차가 유효흡입수두인데, 유효흡입수두를 만족하여야 순환펌프가 기포 생성 없이 적절하게 동작할 수 있게 되므로, 유효흡입수두가 만족되도록 케이스(110) 내에 절연냉각제를 최소한의 수위 이상으로 채워야 한다. 즉 순환펌프(130)가 높은 위치에 있게 되면 흡입구의 위치도 높아지며 그에 따라 유효흡입수두를 만족시키기 위한 절연냉각제의 수위도 높아지게 된다. 반대로 순환펌프(130)의 위치가 낮아지면 낮아질 수록 유효흡입수두를 만족시키기 위한 절연냉각제의 수위도 낮아지게 된다. 고가의 절연냉각제의 사용량을 최소화하기 위하여, 순환펌프(130)를 다른 구성들에 비해 낮은 위치, 즉 하방 내입된 흡입수두홈 내에 배치시킴으로써, 유효흡입수두를 만족하는 절연냉각제의 수위가 최대로 낮게 형성되도록 한다.
냉각부(200)는 내부에 다수개의 방열핀이 수평방향으로 구비되어 있으며, 순환관(210)을 통해 유입되는 절연냉각제는 다수의 방열핀을 통해 열전달 과정을 거친 후, 하부 일측에 마련된 배출관(220)으로 이동된다.
냉각팬은 순환펌프(130)가 작동할 경우 제어부(140)의 제어에 의해 작동되는데, 감지되는 온도와 설정값에 따라, 지속적으로 동작하거나, 또는 간헐적으로 동작되도록 할 수 있다. 냉각챔버 일측 순환관(210)을 통해 공급되는 절연냉각제가 다수개의 방열핀과 냉각팬을 통해 냉각된 후, 타측에 연결된 배출관(220)으로 배출된다.
배출관(220)은 냉각챔버 타측에 연결되어, 냉각챔버에서 냉각된 절연냉각제를 케이스(110) 덮개 하측에 배치되는 분배부(180)로 유입되도록 한다. 분배부(180)는, 수용부(181), 배출공(182)을 포함한다. 분배부(180)는 배출관(220) 일측과 인접하도록 연통 배치되며, 탈부착이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
분배부(180)는 배터리부(120)의 상부에 전체적으로 대응되도록 넓게 형성되며, 배출관(220)을 통해 유입되는 절연냉각제를 수용부(181)에서 수용하며, 측방으로 퍼지며, 여러 위치의 배출공(182)으로 낙하하도록 한다. 이러한 배출공(182)은 다양한 크기, 형태로 자유롭게 구성할 수 있으며, 필요에 따라 설치 위치, 개수를 변경할 수 있다. 바람직하게는 배출공(182)의 위치가 배터리셀(121)의 벤트홀(미도시)의 상방에 위치되도록 하여, 후술할 소화약제가 벤트홀로 직접 분사, 유입될 수 있도록 유도하는 것이 바람직하다.
제어부(160)는 절연냉각제나 배터리 수용장치(100)의 내부 온도가 상승할 경우, 다수의 온도감지부(170)에서 감지된 온도감지 신호를 수신하여, 측정된 온도가 기 설정된 허용온도 범위를 벗어나는지 허용온도 범위 내에 있는지 또는 온도 편차가 정상범위를 벗어나는지를 판단한다.
도 5는 배터리 수용장치로 절연냉각제가 냉각되어 공급되는 상태를 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 냉각부(200)에서 열교환 후 유입된 절연냉각제는 분배부(180)에 일시 수용되었다가, 배출공(182)을 통해 넓은 위치에 고르게 낙하하도록 한다. 낙하된 절연냉각제는 배터리부(120)의 배터리셀(121)들의 표면에 접촉하며 열을 빼앗으며 하강하게 되고, 바닥에 이르면 다시 순환펌프(130)에 의해 배출되기 전까지, 바닥에 일정 높이 고여있게 된다.
절연냉각제가 고가이기 때문에, 절연냉각제를 무작정 많이 투입시킬 수는 없으며, 절연냉각제를 적절한 양으로 설정하여, 순환펌프(130)로 순환하고 냉각부(200)로 냉각시키며 재사용하게 된다. 그런데 절연냉각제가 증발 또는 누설되어 감소되는 경우, 종래의 실시예에 따르면, 모든 절연냉각제가 전체적으로 순환되고 있으므로, 전체 순환 절연냉각제가 부족해지는 상황이 되어버리며, 자칫 냉각 기능을 제대로 수행하지 못하게 될 수도 있다. 따라서 최적의 순환율에 따른 냉각 과정을 거치면서도, 필요시 절연냉각제를 보충하거나 기타 제어가 가능하도록 하기 위한 구성 및 기능이 필요하다.
또한 일부 배터리셀이 냉각되지 않거나, 외부 충격 등의 이상상태로 인해, 화재가 발생되는 경우, 절연냉각제만으로는 화재를 진압하기 어려울 수 있다. 특히 배터리의 복합화재 특성으로 인해, 특정의 소화약제만이 화재 진압 효과가 있는 경우도 있기에, 단순히 냉각 외에, 화재 진압을 위한 구성 및 기능이 추가되는 것도 필요하다.
도 6은 본 발명에 따른 소화장치를 구비하는 배터리 열관리장치를 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명에 따른 배터리 열관리장치의 연결 구조를 나타내는 도면이다. 도 6 및 도 9를 참조하면, 기존의 실시예에 저장용기(300)가 추가 배치되고, 또한 소화장치(500)가 추가 배치된다.
저장용기(300)는 냉각부(200)의 배출관(220)에 연결되어 절연냉각제가 유입되고, 그 내부에 일정량의 절연냉각제를 수용, 보관할 수 있도록 하고, 일측은 투입관(310)이 케이스(110) 내부를 향하도록 연결되며, 그 중간에는 절연냉각제 공급밸브(320)가 배치되어, 개폐 동작을 한다.
소화장치(500)는 소화약제 저장용기(510)와 가압가스 저장용기(520)를 포함하며, 소화장치(500)로부터 공급되는 소화약제는 소화관(410)을 통해 케이스(110) 내부로 공급된다. 소화관(410)에는 소화약제 공급밸브(420)가 배치되어 개폐 동작을 하게 되고, 소화관(410)은 그 단부가 케이스(110)와 직접 연통되도록 바로 연결되거나, 또는 투입관(310)과 합류되도록 연결될 수도 있을 것이다.
소화약제 저장용기(510)는 내부에 압축공기포 소화약제가 충전되어 있으며, 구조물 외부에 배치되는 것이 바람직하나, 구조물 내부에도 배치될 수도 있을 것이다. 소화약제 저장용기(510)에 충전된 압축공기포 소화약제는, 포소화약제, 초순수, 기타 유체 소화약제 등을 사용할 수 있으며, 친환경으로 이루어진 압축공기포 포소화약제를 충전하여 사용하는 것이 바람직하다.
소화약제 저장용기(510)에 충전된 압축공기포 소화약제는, 팽창비 500배 이상의 높은 팽창률의 거품을 발생시키고, 발생된 거품으로 화재의 표면에 덮어 가연성 증기와 산소의 접촉을 방지하는 산소 차단효과(질식효과)와 거품 속에 함유된 수분에 의한 냉각효과가 탁월하기 때문에 열폭주 및 재발화 특성이 있는 배터리 화재 대응에 매우 효과적이다. 또한 이러한 압축공기포 소화약제에는 다양한 종류의 불활성 가스를 포함하도록 구성하여 리튬이온 배터리 소화에 관해 산소 차단 및 냉각효과를 최대한 상승시킬 수 있도록 구성할 수 있다.
소화약제 저장용기(510)는 가압가스 저장용기(520)와 연결되어 챔버 등에서 혼합됨으로써, 혼합 및 가압된 포혼합약제를 배출할 수 있도록 한다. 혼합되어 생성되는 포혼합약제는, 불활성 효과가 가장 뛰어난 아르곤 가스를 주성분으로 하는 소화가스와 냉각 효과와 산소차단 효과가 탁월한 압축공기포 소화약제를 사용하므로 점착력까지 증대되어 적은 양으로도 냉각 및 산소차단 효과를 극대화 할 수 있는 장점이 있다.
소화장치(500)는 소화약제 저장용기(510)를 기본적으로 포함하며, 여기서 배출되는 소화약제는 소화관(410)을 따라 이동되어, 배출된다. 추가적으로 가압가스 저장용기(520)를 연결 구비하며, 가압가스와 소화약제가 혼합되며 가압된 소화약제가 강하게 분출될 수도 있다.
가압가스 저장용기(520)는 소화약제 저장용기(510)측으로 가압가스를 배출할 수 있음은 물론, 별도의 가압관(530)을 연결하여, 저장용기(300) 쪽으로 가압가스를 공급할 수 있다. 가압가스 저장용기(520)는 소화관(410)과 연결되며, 또한 가압관(530)이 저장용기(300)와 연결된다. 가압관(530)에는 가압가스 공급밸브(540)가 구비되어, 제어부(140)의 제어에 따른 가압가스 공급밸브(540)의 개폐 동작에 따라 저장용기(300)로 가압가스를 공급할 수 있게 된다.
기존에는 순환관(210), 냉각부(200), 배출관(220)만을 거쳐, 배터리 수용장치(100)의 내부로 절연냉각제가 흘렀다면, 배출관(220)과 배터리 수용장치(100)의 사이에 저장용기(300), 투입관(310) 및 절연냉각제 공급밸브(320)가 순차적으로 추가 배치된다.
또한 소화장치(500)와 소화관(410)을 배터리 수용장치(100)로 연결시켜, 필요시 또는 화재감지시, 절연냉각제 공급밸브(320)를 폐쇄하고, 소화약제 공급밸브(420)를 개방시키며, 소화약제를 제공하여 화재를 진압할 수 있다.
또한 소화장치(500)의 가압가스 저장용기(520)를 활용하여, 저장용기(300)와의 사이에 가압관(530)을 연결하고, 저장용기(300) 측으로 가압가스를 공급하여, 저장용기(300) 내의 절연냉각제가 가압되어 신속히 분무, 낙수, 분사되도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리 열관리장치의 연결 구조를 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하면, 배터리 열관리를 위해 다양한 운전 및 동작을 수행할 수 있다.
(1) 순환운전
정상상태에서는 순환펌프(130)가 동작하게 되는데, 전력소모를 최소화 하기 위해, 온도감지부(170)에서 측정되는 온도에 따라 주기적으로 작동 또는 정지하게 된다.
(2) 냉각운전
온도감지부(170)에서 측정된 온도가 기준 이상으로 상승한 경우, 순환펌프(130)는 지속적으로 동작하게 되고, 냉각부(200)의 냉각팬을 지속 또는 일시적으로 동작시키게 된다.
(3) 과열제어운전
냉각운전 중에도 온도가 내려가지 않고, 지속적으로 온도가 상승하는 경우, 과열제어운전을 하게 된다. 과열운전제어는, 절연냉각제가 케이스(110) 내에 수용되는 수위를 일시적으로 높이는 제어이다.
저장용기(300)를 배치하고, 그 내부에 절연냉각제가 일정량 수용되어 있도록 하여, 평상시에는 절연냉각제가 케이스(110)의 하부에서 펌핑에 필요한 최소한의 낮은 수위를 유지하도록 한다.
낙수되는 절연냉각제의 손실, 증발에 따라 적정량에 비해 부족해져 냉각 성능이 저하되는 등의 문제를 막기 위해, 절연냉각제의 순환량이 감소되거나 유지되는 수위가 감소되는 경우 최소 냉각을 위한 필요량보다 넉넉한 양의 절연냉각제를 순환 경로 내에 수용되어 있도록 하는 것이 필요하다.
그런데 절연제냉각의 가격이 비싸고, 그 무게로 인한 문제 때문에, 무작정 모든 케이스(110) 내에 절연냉각제를 대량으로 채워넣을 수만은 없다. 따라서 저장용기(300) 내에 절연냉각제를 일부 추가 수용하고, 필요에 따라 수용하고 있던 절연냉각제를 배터리 수용장치(100) 쪽으로 추가 제공할 수 있도록 함으로써, 케이스(110) 내의 절연냉각제 수위를 최적화 상태로 유지하거나 조절할 수 있도록 한다. 정상 동작시에는 저장용기(300) 내에 절연냉각제가 어느 정도 수용된 상태로, 절연냉각제 공급밸브(320)의 개방량을 조절하여, 케이스(110) 내의 절연냉각제 수위를 낮게 유지하도록 한다.
온도감지부(170)의 온도 측정 결과, 냉각운전 중에도 온도가 내려가지 않거나, 기준 온도 이상으로 유지되거나 또는 오히려 증가하는 경우에는, 과열제어운전을 하게 되는데, 저장용기(300) 내의 절연냉각제를 과다 공급하여, 일시적으로 케이스(110) 내의 절연냉각제 수위를 높이는 방법이다. 이를 위해, 절연냉각제 공급밸브(320)를 개방하거나, 더욱 개방하여 개방율을 더 높인다. 또한 일시적으로 순환펌프(130)의 절연냉각제 배출을 중단하거나, 배출량을 감소시키는 제어가 가능하다.
이를 통해 배터리 수용장치(100) 내로 유입되는 절연냉각제의 양이, 배출되는 절연냉각제의 양보다 많아 케이스(110) 내에 수용되는 절연냉각제의 수위가 높아지게 되며, 배터리셀(121)이 절연냉각제에 잠기도록 한다.
이후, 온도감지부(170)에서 측정된 온도가 기준 온도 이하 또는 미만으로 내려가는 경우, 절연냉각제의 수위를 다시 낮추도록 제어하며, 이를 위해 절연냉각제 공급밸브(320)를 일시적으로 폐쇄하거나, 또는 개방율을 낮추도록 하고, 순환펌프(130)를 동작시키거나, 펌핑 배출량을 증가시키도록 한다.
하나의 저장용기(300)에 다수의 분리된 배터리 수용장치(100)를 중앙 집중식으로 연결시켜, 최소한의 저장용기(300)와 냉각부(200)를 여러 배터리 수용장치(100)가 공유하게 할 수 있다. 각 배터리 수용장치(100)에는 최소한의 필요 수위만큼의 절연냉각제가 유지되며 순환되고 중앙의 저장용기(300)에는 상대적으로 다량의 절연냉각제가 수용되어 있게 된다. 만약, 어느 한 쪽의 배터리 수용장치(100) 내부가 고온이 되며 발열제어운전 상태로 들어가게 된다면, 중앙의 저장용기(300)에 수용되어 있던 절연냉각제를 해당 배터리 수용장치(100) 쪽으로 과다 공급하여 일시적으로 수위를 높였다가, 정상상태가 되면 다시 절연냉각제를 회수하게 한다. 절연냉각제를 공유하고, 어느 한쪽으로 추가 공급했다가 회수할 수 있도록 함으로써, 절연냉각제의 필요량을 최소, 최적화 하면서도, 과열시의 발열제어운전이 하게 되는 효과가 있다.
(4) 화재감지운전
온도감지부(170) 또는 기타 다양한 공지의 방법을 통해, 배터리 수용장치(100) 내의 전부 또는 일부 배터리부(120), 배터리셀(121)에서 화재가 발생된 것으로 판단하는 경우, 소화를 위한 운전을 수행한다. 이 때에는 절연냉각제의 수위 조절만으로는 화재 진압이 되지 않는 것으로 보고, 소화약제를 내부로 투입하도록 한다.
제어부(140)의 제어에 따라, 저장용기(300)와 연결된 투입관(310)의 절연냉각제 공급밸브(320)를 차단하고, 소화장치(500)와 연결된 소화관(410)의 소화약제 공급밸브(420)를 개방한다. 이 경우, 절연냉각제가 아닌 소화약제가 케이스(110) 내부로 공급되어, 화재 소화 작용을 하게 된다.
(5) 재발화 차단운전
화재감지 및 소화 이후에, 간혹 재발화 하는 경우가 발생된다. 재발화를 막기 위해서는, 소화 이후 다시 절연냉각제를 공급해야 하는데, 이를 재발화 차단운전이라 한다.
화재시 분사되는 포소화약제의 주요 냉각성능은 물에 의한 냉각인데, 물은 100도 이상의 소화에서는 효과적이지만 그 이하 온도에서는 효과적이지 못하다는 한계가 있다. 따라서 포소화약제를 이용하여 화재 발생 시 온도를 100도 이하로 낮추고 배터리의 온도를 감지하여야 하며, 만약 측정 온도가 여전히 절연냉각제의 기화 온도보다 높을 경우 추가적으로 절연냉각제를 분사할 필요가 있다. 재발화를 사전에 차단하기 위해, 배터리 온도가 물 등의 소화약제의 기화온도보다는 낮으나, 절연냉각제의 온도보다는 높은 경우에는, 다시 절연냉각제를 공급하도록 한다.
이를 위해 다시 소화약제 공급밸브(420)를 차단하고, 절연냉각제 공급밸브(320)를 개방하여, 저장용기(300)로부터 절연냉각제를 유입시키도록 한다. 이 때, 순환펌프(130)를 가동하도록 하며, 혹 화재로 인한 순환펌프(130)의 고장이나 파손이 있을 경우에는, 가압가스 저장용기(520)로부터 저장용기(300) 측으로 가압가스를 제공하여, 강제적으로 저장용기(300) 내의 절연냉각제를 밀어내며 공급하게 한다. 절연냉각제의 저장용기(300)는 케이스(110) 내에서의 절연냉각제 수위를 낮추고, 재발화 차단운전시의 추가 냉각을 위해 가압가스를 제공받아 추가 운전을 수행할 수 있도록 하는 역할을 한다. 저장용기(300)가 없다면, 순환펌프(130)의 고장시 절연냉각제를 추가적으로 공급할 수도 없게 되고, 소화장치(500)의 가압가스 저장용기(520)를 활용할 방법도 없게 되는데, 저장용기(300)로 인해 남아 있는 절연냉각제를 일시 공급하거나, 가압가스 저장용기(520)를 활용한, 상호 협력 동작이 가능할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명에 따라 배터리 수용장치 내의 절연냉각제 수위가 달라지는 상태를 나타내는 도면이다. 도 8을 참조하면, 일반 운전시에는 (a)와 같이 최소한의 적정 수위를 유지하도록 한다. 내부 온도가 기준점 이상으로 상승하거나, 냉각운전에 의해서도 온도가 떨어지지 않는 경우, 과열제어운전을 통해 (b)와 같이 절연냉각제의 수위를 높이도록 한다.
이를 위해 저장용기(300)로부터 투입관(310)을 통해 절연냉각제가 더 많이 공급되도록 하고, 순환펌프(130)를 통한 배출은 줄이도록 한다. 과열제어운전이 종료되면, 저장용기(300)로부터 공급되는 절연냉각제의 양을 줄이거나 및/또는 순환펌프(130)로부터의 배출량을 늘려, 절연냉각제의 수위를 원상태로 복귀시키도록 한다. 종래에는 이와 같이 수위를 늘리거나 복귀시키는 운전을 수행할 수가 없는데, 별도의 저장용기(300)를 구비하고, 그 내부에 여분의 절연냉각제를 수용하여 선입선출 방식으로 순환시키도록 함으로써, 절연냉각제의 누수나 증발 등 손실에도 불구하고, 추가적인 절연냉각제가 순환 과정에 유입되도록 함으로써, 냉각 성능을 유지할 수 있도록 한다.
도 10은 본 발명의 열관리제어 과정을 나타내는 순서도이다. 도 10을 참조하면, 제어부(140)에 의한 순환운전, 냉각운전, 과열제어운전, 화재감지운전, 재발화 차단운전 중 통상적인 순환운전, 냉각운전을 제외한, 과열제어운전, 화재감지운전, 재발화 차단운전을 순서도로 나타낸 것이다.
과열제어운전은 어느 배터리 수용장치(100)의 내부 또는 절연냉각제가 기준 온도 이상으로 측정, 판단된 경우(S11), 해당 배터리수용장치(100)의 케이스(110) 내부의 절연냉각제 수위를 상승시키는 동작(S12)이다. 이를 위해 절연냉각제 공급밸브(320)를 조절하여 저장용기(300)로부터의 절연냉각제 공급량을 증가시키거나(S13), 및/또는 순환펌프(130)의 절연냉각제 배출량을 감소시키도록 한다(S13). 저장용기(300)에 수용되어 있던 여분의 절연냉각제가 해당 케이스(110) 내부로 일시적으로 이동하여, 수위를 높이도록 한다(S15).
이후 배터리셀(121) 또는 절연냉각제 또는 케이스(110) 내부의 온도가 기준 온도 이하/미만으로 하강하는 경우, 과열제어운전을 중지하고, 절연냉각제 수위를 다시 낮추며 중앙의 저장용기(300)로 복귀시킨다(S21). 이러한 복귀운전을 위해, 반대로 저장용기(300)로부터의 절연냉각제 공급량을 감소, 일시 중단시키거나(S22), 및/또는 순환펌프(130)의 절연냉각제 배출량을 증가(S23)시키도록 하고, 그 후에는 기존과 같은 순환운전, 냉각운전의 정상 냉각운전을 수행한다(S24).
만약, 온도가 하강하지 않거나, 다른 공지의 여러 방법을 통해, 내부 화재로 판단되는 경우(S31), 화재감지운전을 수행한다. 이를 위해 절연냉각제 공급밸브(320)를 차단하고(S32), 소화약제 공급밸브(420)를 개방하여(S33), 소화장치(500)로부터 소화약제가 배터리 수용장치(100) 내부로 공급됨으로써, 화재를 진압할 수 있도록 한다.
화재진압 이후 측정된 온도가, 절연냉각제의 기화 온도 이상인 경우(S41)에는 재발화 차단운전을 수행한다(S42). 다시 소화약제가 충분히 접촉되지 않은 어느 위치에서 국부적으로 화재가 재발생되어 확장되는 것을 막기 위해, 절연냉각제를 재공급한다.
재발화 차단운전을 위해, 소화약제 공급밸브(420)를 차단하고(S43), 절연냉각제 공급밸브(320)를 개방하여(S44), 저장용기(300)에 남아 있는 절연냉각제나, 순환펌프(130)의 펌핑 동작에 의해(S45) 순환되는 절연냉각제를 다시 배터리부(120)로 공급할 수 있다. 만약, 순환펌프(130)가 화재로 인한 파손으로 동작되지 않거나, 순환 과정이 불가능한 경우, 내지는 강력한 공급을 위해, 가압가스 저장용기(520)에 저장된 가압가스를 활용하여, 저장용기(300) 측에 가압가스를 공급함으로써, 저장용기(300) 내에 수용되어 있던 절연냉각제를 고압으로 신속하게 공급할 수도 있다(S46).
도 11은 본 발명에 따른 배터리 열관리 장치의 다른 실시예를 나타내는 도면이고, 도 12는 본 발명에 따라 배터리 수용장치 내의 절연냉각제 수위가 달라지는 상태를 나타내는 도면이다. 도 11을 참조하면, 하나의 저장용기(300)가 다수의 배터리 수용장치(100-1, 100-2, 100-3, …, 100-N)와 연결되어, 하나의 저장용기(300)가 복수의 배터리 수용장치(100-1, 100-2, 100-3, …, 100-N)에 절연냉각제를 동시에 공급하도록 할 수 있다.
이 때 각각 분기되어 연결되는 투입관(310-1, 310-2, 310-3, …, 310-N)은 복수의 배터리 수용장치(100-1, 100-2, 100-3, …, 100-N)에 각각 연결되고, 각 투입관(310-1, 310-2, 310-3, …, 310-N)은 각각의 절연냉각제 공급밸브(320-1, 320-2, 320-3, …, 320-N)의 개별적인 개폐에 따라 각각의 배터리 수용장치(100-1, 100-2, 100-3, …, 100-N)에 유입되는 절연냉각제 그리고 소화약제의 양을 조절할 수 있게 된다. 유입된 소화약제는 각각의 순환관(210-1, 210-2, 210-3, …, 210-N)으로 배출되어 다시 저장용기(300)로 복귀하게 된다.
한편, 케이스(110)의 상부에는 압력조정밸브(190)를 구비하여, 밀폐된 케이스(110) 내의 압력을 조절하여 유체의 빠른 유입과 음압 형성을 방지하도록 한다. 절연냉각제의 수위가 상승하는 때에는 유체의 빠른 유입을 위해 내부 공기를 방출하게 되고, 절연냉각제의 수위가 하강하는 때에는 외부 공기를 유입시켜 내부 음압을 방지하도록 하는 것이 바람직하다.
도 12를 참조하면, 통상적으로 저장용기(300)에서 각각의 배터리 수용장치(100-1, 100-2, 100-3, …, 100-N)로 동일한 양과 유속의 절연냉각제를 공급하고 있는 상황에서, 어느 하나의 배터리 수용장치(100-3)의 내부 온도 등이 기준치를 초과하는 것으로 감지되는 경우, 해당 배터리 수용장치(100-3)에 대한 절연냉각제의 공급을 늘려 수위를 상승시키기 위해 해당 절연냉각제 공급밸브(320-3) 및 순환펌프(130)를 제어한다. 도면상, 순환펌프(130)는 하나로 도시되어 있으나, 실제로 각각의 배터리 수용장치(100-1, 100-2, 100-3, …, 100-N) 마다 구비되는 것이 바람직하다.
이 때 100-3을 제외한 다른 배터리 수용장치(100-1, 100-2, …, 100-N)의 수위는 그대로 유지되는 상태에서, 저장장치(300)의 수위가 감소되며 배터리 수용장치(100-3)의 수위가 증가할 수 있게 되고, 수위가 증가함에 따라 절연냉각제와 배터리셀(121)의 접촉 면적 및 시간이 증가하게 된다. 이 때 압력조정밸브(190)는 배터리 수용장치(100-3)의 케이스 내부 공기를 배출시켜 내부 유입이 원활하도록 한다.
절연냉각제의 수위 증가로 인해 배터리 수용장치(100-3)의 내부 온도가 정상범위로 회복되는 경우, 다시 배터리 수용장치(100-3)의 수위를 낮추며 초과 유입되었던 절연냉각제를 유출시키고, 이 때 압력조정밸브(190)는 배터리 수용장치(100-3) 내부로 공기를 유입시켜, 내부 음압 발생을 방지한다.
초과 공급되었던 절연냉각제는 다시 회류되어, 냉각 후 저장장치(300)로 복귀 및 수용되면서, 유사시 다른 배터리 수용장치에 공급될 수 있도록 하므로, 저장장치(300) 내의 절연냉각제 보관량이 다시 증가하게 된다.
이로 인한 효과를 수치 개념화 하면, 만약 평상시 절연냉각제가 3L의 수위, 유사시 10L의 수위를 필요로 하는 배터리 수용장치(100)에 있어서, 10 세트의 배터리 수용장치를 배치한다면, 유사시를 대비하여 부득이하게 모두 10L 씩 채워놓아야 하므로, 10세트×10L = 100L의 절연냉각제가 필요하였다. 그런데 상기와 같은 중앙집중식 저장용기(300)와 다수의 배터리 수용장치(100) 조합을 활용하게 되면, 각각의 배터리 수용장치(100)에는 최소한의 절연냉각제를 3L 수위로 유지하고 저장용기(300)에는 7L 의 절연냉각제를 보관하고 있다가, 필요시에 해당 배터리 수용장치(100)에 저장용기(300)의 절연냉각제 7L를 공급하여 일시적으로 10L의 절연냉각제가 수용되어 수위를 높이도록 할 수 있다. 이 경우, 10세트×3L + 저장용기 7L = 37L 의 절연냉각제만이 필요하게 되어, 고가인 절연냉각제의 필요량을 상당히 절감시킬 수 있게 된다.
본 명세서는 많은 특징을 포함하는 반면, 그러한 특징은 본 발명의 범위 또는 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 본 명세서의 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서의 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절히 결합되어 구현될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
100: 배터리 수용장치 110: 케이스
120: 배터리부 121: 배터리셀
130: 순환펌프 140: 제어부
170: 온도감지부 180: 분배부
181: 수용부 182: 배출공
190: 압력조정밸브 200: 냉각부
210: 순환관 220: 배출관
300: 저장용기 310: 투입관
320: 절연냉각제 공급밸브 410: 소화관
420: 소화약제 공급밸브 500: 소화장치
510: 소화약제 저장용기 520: 가압가스 저장용기
530: 가압관 540: 가압가스 공급밸브

Claims (14)

  1. 내부에 배터리부를 수납하고 절연냉각제를 수용할 수 있는 케이스를 구비하는 배터리 수용장치;
    복수의 배터리셀이 적층되는 배터리부;
    상기 배터리부 배치 위치의 일측에 구비되어 상기 케이스 내의 절연냉각제를 외부로 배출시키는 순환펌프;
    상기 순환펌프와 연결되어 상기 순환펌프 작동시 배출되는 절연냉각제가 유입되는 냉각부;
    상기 냉각부에서 냉각되어 배출되는 절연냉각제가 유입되어 수용되는 저장용기;
    상기 저장용기로부터 배출되는 절연냉각제가 상기 케이스의 내부로 유입되는 경로에 설치되어 유입로를 개폐하거나 유입량을 조절하기 위한 절연냉각제 공급밸브;
    상기 배터리부 또는 상기 케이스 내부 또는 내부의 절연냉각제의 온도를 감지하는 온도감지부; 및
    상기 온도감지부로부터 입력되는 온도 감지 신호에 따라, 상기 순환펌프의 동작, 상기 냉각부의 동작, 공급밸브의 개폐 중 어느 하나 이상을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    소화약제를 수용하고 있는 소화장치를 더 구비하고,
    상기 소화장치로부터 배출되는 소화약제가 상기 케이스의 내부로 유입되는 경로에 설치되어 유입로를 개폐하거나 유입량을 조절하기 위한 소화약제 공급밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소화장치는:
    소화약제가 수용된 소화약제 저장용기; 및
    가압가스가 수용된 가압가스 저장용기;를 포함하여 구성되고,
    상기 소화장치로부터 상기 저장용기에 연결되는 가압관; 및
    상기 가압관의 경로에 설치되는 가압가스 공급밸브를 더 포함하여 구성되어,
    상기 가압가스 공급밸브의 개방시, 상기 소화장치로부터 가압가스가 상기 저장용기 내로 공급되어, 상기 저장용기 내의 절연냉각제가 상기 배터리 수용장치 내부로 가압되어 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리장치.
  4. 내부에 배터리부를 수납하고 절연냉각제를 수용할 수 있는 케이스를 구비하는 배터리 수용장치;
    상기 케이스 내의 절연냉각제를 외부로 배출시키는 순환펌프;
    상기 순환펌프와 연결되어 상기 순환펌프 작동시 배출되는 절연냉각제가 유입되는 냉각부;
    상기 냉각부에서 냉각되어 배출되는 절연냉각제가 유입되어 수용되는 저장용기;
    상기 저장용기로부터 배출되는 절연냉각제가 상기 케이스의 내부로 유입되는 경로에 설치되어 유입로를 개폐하거나 유입량을 조절하기 위한 절연냉각제 공급밸브;
    상기 배터리부 또는 상기 케이스 내부 또는 내부의 절연냉각제의 온도를 감지하는 온도감지부; 및
    상기 온도감지부로부터 입력되는 온도 감지 신호에 따라, 상기 배터리 수용장치 내의 절연냉각제 수위를 높이거나 낮추는 제어를 하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는:
    상기 온도감지부로부터의 감지값이 기준 온도 이상인 것으로 판단되는 경우,
    절연냉각제 공급밸브를 개방하거나, 개방율을 더 높이거나,
    순환펌프의 절연냉각제 배출을 중단하거나, 배출량을 감소시켜,
    상기 배터리 수용장치 내로 유입되는 절연냉각제의 양이, 상기 배터리 수용장치로부터 배출되는 절연냉각제의 양보다 많아, 상기 배터리 수용장치 내에 수용되는 절연냉각제의 수위가 높아지도록 하는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는:
    상기 온도감지부로부터의 감지값이 기준 온도 미만으로 하강하는 것으로 판단되는 경우,
    상기 절연냉각제 공급밸브를 차단하거나, 개방율을 낮추거나,
    상기 순환펌프의 절연냉각제 배출을 시작하거나, 배출량을 증가시켜,
    상기 배터리 수용장치로부터 배출되는 절연냉각제의 양이, 상기 배터리 수용장치로 유입되는 절연냉각제의 양보다 많아, 상기 배터리 수용장치 내에 수용되는 절연냉각제의 수위가 낮아지도록 하는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는:
    상기 저장용기 내에 화재가 발생한 것으로 판단되는 경우,
    상기 절연냉각제 공급밸브를 차단하여, 상기 저장용기로부터 절연냉각제가 유입되는 것을 중지하고,
    상기 소화약제 공급밸브를 개방하여, 상기 소화장치로부터 소화약제가 상기 배터리 수용장치 내부로 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는:
    상기 온도감지부로부터의 감지값이 절연냉각제의 기화 온도 이상인 것으로 일정 시간 이상 지속되는 것으로 판단되는 경우,
    상기 소화약제 공급밸브를 차단하여 소화약제의 유입을 중단하고,
    상기 절연냉각제 공급밸브를 다시 개방하여, 상기 저장용기로부터 절연냉각제가 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 소화장치는: 소화약제가 수용된 소화약제 저장용기; 및 가압가스가 수용된 가압가스 저장용기;를 포함하여 구성되고,
    상기 소화장치로부터 상기 저장용기에 연결되는 가압관; 및 상기 가압관의 경로에 설치되는 가압가스 공급밸브를 더 포함하여 구성되어,
    상기 저장용기로부터 절연냉각제가 상기 배터리 수용장치로 공급되도록 하기 위해,
    상기 제어부는:
    상기 가압가스 공급밸브의 개방하여, 상기 소화장치로부터 가압가스가 상기 저장용기 내로 공급되어, 상기 저장용기 내의 절연냉각제가 상기 배터리 수용장치 내부로 가압되어 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리장치.
  10. 배터리부를 내부에 수납하는 배터리 수용장치의 케이스 내부로 절연냉각제를 투입하여, 절연냉각제가 배터리부에 직접 접촉되도록 하는 단계;
    하강되는 절연냉각제를 순환펌프를 통해 상기 케이스의 외부로 배출시키는 단계;
    배출된 절연냉각제를 냉각부에서의 열교환을 통해 냉각시키는 단계;
    상대적으로 저온 냉각된 절연냉각제가 배출되어 저장용기 내에 수용되어 보관되도록 하는 단계; 및
    제어부의 제어에 따라 상기 배터리 수용장치 내에 수용되는 절연냉각제의 수위를 높이거나 낮추는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리방법.
  11. 제10항에 있어서,
    온도감지부를 통해 상기 배터리부 또는 상기 케이스 내부 또는 내부의 절연냉각제의 온도를 감지하는 단계; 및
    감지된 온도값이 기준 온도 이상인 것으로 판단되는 경우, 상기 배터리 수용장치 내에 수용되는 절연냉각제의 수위를 일시적으로 높이는 단계;를 포함하여 구성되고,
    상기 절연냉각제의 수위를 일시적으로 높이는 단계는:
    절연냉각제 공급밸브를 개방하거나, 개방율을 더 높이는 단계, 또는
    상기 순환펌프의 절연냉각제 배출을 중단하거나, 배출량을 감소시키는 단계 중 어느 하나 이상의 공정을 통해,
    상기 배터리 수용장치 내로 유입되는 절연냉각제의 양이, 상기 배터리 수용장치로부터 배출되는 절연냉각제의 양보다 많아, 상기 배터리 수용장치 내에 수용되는 절연냉각제의 수위가 높아지도록 하는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 배터리 수용장치 내에 화재가 발생한 것을 판단하는 단계; 및
    상기 배터리 수용장치 내로 소화약제를 공급하는 단계;를 포함하여 구성되고,
    상기 소화약제를 공급하는 단계는:
    소화약제 공급밸브를 개방하여, 소화장치로부터 소화약제가 상기 배터리 수용장치 내부로 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 온도감지부로부터의 감지값이 절연냉각제의 기화 온도 이상인 상태로 일정 시간 이상 지속되는 것을 감지하는 단계; 및
    상기 배터리 수용장치 내의 재발화 차단 단계를 포함하여 구성되고,
    상기 재발화 차단 단계는:
    상기 소화약제 공급밸브를 차단하여 소화약제의 유입을 중단하는 단계,
    상기 절연냉각제 공급밸브를 다시 개방하여, 상기 저장용기로부터 절연냉각제가 다시 유입되도록 하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 저장용기와 연결된 상기 소화장치의 가압가스 저장용기 사이의 가압가스 공급밸브를 개방하는 단계;
    상기 가압가스 저장용기의 가압가스가 상기 저장용기 내부로 유입되는 단계; 및
    유입된 가압가스에 의해 상기 저장용기 내의 절연냉각제가 상기 배터리 수용장치 내로 가압되며 공급되는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 효율과 안전성이 향상된 배터리 열관리방법.
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