KR20220138812A - 에너지 저장 컨테이너들에서 유해 발열 반응들을 억제하기 위한 시스템들 - Google Patents

에너지 저장 컨테이너들에서 유해 발열 반응들을 억제하기 위한 시스템들 Download PDF

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스티븐 디. 그리핀
더글라스 이. 퍼거슨
아론 제이. 쿠츠만
존 에이. 트렐라
프레데릭 라코
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더 보잉 컴파니
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Abstract

에너지 저장 컨테이너들에서 유해 발열 반응들을 억제하기 위한 시스템들이 제공된다. 하나의 에너지 저장 시스템은 복수의 배터리 셀들을 지지하도록 구성된 컨테이너; 컨테이너 내부에 배치되며 컨테이너에 의해 지지되는 복수의 배터리 셀들; 컨테이너에 부착된 작용제 공급 포트; 및 컨테이너 내부에 배치되며 폐쇄 단부 및 개방 단부를 갖는 튜브를 포함한다. 튜브의 개방 단부는 작용제 공급 포트와 유체 연통한다. 튜브는 튜브의 다른 부분의 용융 또는 연화 온도보다 낮은 온도에서 용융 또는 연화되도록 설계되는 가용성 부분들을 포함한다. 튜브의 가용성 부분들의 용융 또는 연화에 대한 응답으로, 가압 발열 반응 억제제가 튜브를 통해 컨테이너 내부에 분배된다.

Description

에너지 저장 컨테이너들에서 유해 발열 반응들을 억제하기 위한 시스템들{SYSTEMS FOR SUPPRESSING ADVERSE EXOTHERMIC REACTIONS IN ENERGY STORAGE CONTAINERS}
본 출원은 에너지 저장 컨테이너(energy storage container)들에서의 유해 발열 반응들(예컨대, 화재들 또는 열 폭주들)의 억제에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 항공기 기내 배터리들에서의 유해 발열 반응들의 억제에 관한 것이다.
화재 진압 시스템들은 종종, 유해 발열 반응이 감지될 때 방출되는 가압(pressurized) 유체, 이를테면 압축 가스를 사용한다. 일부 자동 화재 진압 시스템들에서, 압축 가스(예컨대, 이산화탄소)로 채워진 실린더가 일정 길이의 가용성 튜빙(fusible tubing)에 연결된다. 가용성 튜빙은 충분히 높은 온도로 가열될 때 파열되도록 설계되어, 유해 발열 반응의 위치에서 압축 가스가 방출된다. 그러한 시스템들은 산업 기계류, 전기 패널들 및 디바이스들, 그리고 차량들에 설치될 수 있다.
항공기, 특히 상업용 여객기에는 일반적으로 화물실에 화재 방지 시스템이 장착된다. 통상적인 화재 방지 시스템은 2개의 서브시스템들: 화재 감지 시스템 및 화재 진압 시스템을 포함한다. 화재 감지 시스템은 하나 이상의 화재 감지기들(예컨대, 연기 감지기들)을 포함하고, 화재 진압 시스템은 화재 진압제를 분배할 수 있다. 화물실에서 화재가 감지되면, 화재 진압제가 방출되어 화물실을 침수시킨다. 진압제의 방출은 화재 감지기에 의한 감지에 대한 응답으로 자동으로 발생할 수 있거나, 대안으로 수동 파일럿 개입(예컨대, 경고 신호에 따른 스위치의 폐쇄)에 대한 응답으로 발생할 수 있다.
현재의 항공기 보호는 초기 이벤트의 완화를 통해 항공기를 보호하기 위해 화물 내용물에 대한 제한들 또는 에너지 저장 컨테이너들에 대한 패키징 규정들을 정의하는 것을 수반한다. 항공기 배터리들의 경우, 이러한 방법들은 매우 무겁고 항공기에 성능 패널티를 부과한다. 배터리들의 화물 운송을 위해, 완화는 항공 운송을 이용하는 항공사들 및 제조사들 모두로부터 일정 수준의 책무를 요구한다. 현재의 합의들은 시행이 어렵다. 항공기 상의 에너지 저장 컨테이너들의 사용과 관련하여, 진행 중인 화재 사고들을 억제하기 위한 방법들이 이용 가능하다. 그러나 이러한 방법들은 리튬 이온 셀들과 같은 고 에너지 밀도 배터리들에서 진행 중인 열 폭주 이벤트들을 억제하는 데 이용되는 경우에는 불충분하다.
아래에 개시되는 청구 대상은 에너지 저장 컨테이너들에서 유해 발열 반응들을 억제하기 위한 시스템들에 관한 것이다. 다양한 실시예들에 따르면, 보호 시스템은 에너지 저장 컨테이너의 구조 컴포넌트로서 통합된다. 시스템은 에너지 저장 컨테이너 내에서 라우팅되는 강성 튜빙을 포함한다. 강성 튜빙은 유체 상태에서 발열 반응 억제 비-전도성 작용제를 분배하기 위한 수단으로서의 역할을 한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "튜빙"이라는 용어는 복수의 튜브들을 의미한다. 그러한 복수의 튜브들은 공통 작용제 공급 포트와 유체 연통할 수 있다. 강성 튜빙은 또한 에너지 저장 컨테이너 내의 전기 컴포넌트들(이를테면, 배터리 셀들)에 대한 지지를 제공하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에서 제안되는 실시예들은 강성 튜빙에 부착되거나 강성 튜빙과 통합되는 가용성 컴포넌트들을 포함한다. 하나의 수동적인 실시예에 따르면, 각각의 가용성 컴포넌트는 튜브 내의 개개의 개구를 커버하고, 튜브의 용융 온도보다 낮은 용융 온도를 갖는 재료로 만들어진다. 다른 수동적인 실시예에 따르면, 각각의 가용성 컴포넌트는, 튜브의 비교적 더 얇은 부분이 비교적 더 두꺼운 부분들보다 더 빠르게 용융되기 때문에 개개의 개구를 형성하는 튜브의 비교적 더 얇은 일체형 부분이다. 각각의 가용성 컴포넌트의 용융은, (특히, 항공기 상에서, 가압된 점유 볼륨 내부에서) 화재 또는 열 폭주 사고의 전파를 완화하도록, 목표가 될 수 있는 위치에 발열 반응 억제 유체가 분배될 수 있게 한다. 일 능동적인 실시예에 따르면, 선택된 가용성 컴포넌트들은, 가용성 컴포넌트들의 용융의 수동 또는 자동 활성화를 가능하게 하기 위해 전기 가열 엘리먼트에 전기적으로 결합된다. 추가 하이브리드 실시예에 따르면, 시스템은 수동 및 활성화 가능한 가용성 컴포넌트들 모두를 포함할 수 있다. 그러한 하이브리드 실시예의 하나의 이점은, 발열 반응 억제 유체를 분산시키기 위한 방법의 활성화가 수동적 또는 전기적일 수 있어, 고장의 감소 및 중복을 가능하게 한다는 점이다.
다양한 실시예들에 따르면, 진행 중인 화재 또는 열 폭주 사고들에 관여하거나 그 원인이 되는 영역(들)으로의 비-전도성 기체 또는 액체 발열 반응 억제제(exothermic reaction-suppressing agent)(이하, "발열 반응 억제제")의 목표 방출을 위해 에너지 저장 컨테이너 내의 내부 유체 분배망에서 가용성 컴포넌트들이 사용된다. 선택적으로, 분배망은 발열 반응 억제제로 사전 충전되어 발열 반응에 대한 즉각적인 응답을 가능하게 할 수 있다. 초기 방출 후에, 발열 반응 억제제는 외부 가압 컨테이너로부터 분배망에 계속 공급될 것이다. 하나의 제안되는 구현에서, 가용성 컴포넌트들은 에너지 저장 컨테이너 전반에 걸쳐 여러 위치들에서 전기 기반 작동 컴포넌트에 결합됨으로써, 관련되지 않은 엔티티들로의 화재 또는 열 폭주 사고의 전파를 완화할 목적으로 유체의 분배의 파일럿 활성화를 가능하게 한다.
에너지 저장 컨테이너들에서 유해 발열 반응들을 억제하기 위한 시스템들의 다양한 실시예들이 아래에서 어느 정도 상세히 설명될 것이지만, 이러한 실시예들 중 하나 이상은 다음의 양상들 중 하나 이상을 특징으로 할 수 있다.
아래에 상세히 개시되는 청구 대상의 일 양상은 에너지 저장 시스템이며, 이 시스템은: 복수의 배터리 셀들을 지지하도록 구성된 컨테이너; 컨테이너 내부에 배치되며 컨테이너에 의해 지지되는 복수의 배터리 셀들; 배터리 셀들 사이에 배치된 튜빙; 및 튜빙에 부착되는 복수의 스트립(strip)들을 포함한다. 튜빙은 복수의 개구들을 갖는다. 스트립들은 복수의 개구들을 커버한다. 튜빙은 제1 용융 온도를 갖는 제1 재료로 만들어진다. 스트립들은 제1 용융 온도보다 낮은 제2 용융 온도를 갖는 제2 재료로 만들어진다. 제2 재료의 용융으로 인한 개구들의 커버 제거(uncovering)에 대한 응답으로, 가압 발열 반응 억제제가 튜빙을 통해 컨테이너 내부에 분배된다.
아래에 상세히 개시되는 청구 대상의 다른 양상은 에너지 저장 시스템이며, 이 시스템은: 복수의 배터리 셀들을 지지하도록 구성된 컨테이너; 컨테이너에 부착된 작용제 공급 포트; 컨테이너 내부에 배치되며 컨테이너에 의해 지지되는 복수의 배터리 셀들; 및 컨테이너 내부에 배치되며 폐쇄 단부 및 개방 단부를 갖는 튜브를 포함하고, 튜브의 개방 단부는 작용제 공급 포트와 유체 연통하며, 튜브는 튜브의 다른 부분의 용융 또는 연화 온도보다 낮은 온도에서 용융 또는 연화되도록 설계되는 가용성 부분들을 포함한다. 에너지 저장 시스템의 일부 실시예들에 따르면, 튜브의 다른 부분은 벽의 비교적 더 두꺼운 부분을 포함하고, 튜브의 가용성 부분은 벽의 비교적 더 얇은 부분을 포함한다. 에너지 저장 시스템의 다른 실시예들에 따르면, 튜브의 다른 부분은 개구를 갖는 벽을 포함하고, 튜브의 가용성 부분은 가용성 커버를 포함하며, 가용성 커버는 가용성 커버의 온도가 가용성 커버의 용융 또는 연화 온도보다 낮을 때 개구를 커버한다. 에너지 저장 시스템의 추가 실시예들에 따르면, 튜브의 다른 부분은 제1 개구 및 제2 개구를 갖는 벽을 포함하고, 튜브의 가용성 부분은 스트립을 포함하며, 스트립은 스트립의 온도가 스트립의 용융 또는 연화 온도보다 낮을 때 제1 개구 및 제2 개구를 커버한다.
아래에 상세히 개시되는 청구 대상의 추가 양상은 에너지 저장 시스템이며, 이 시스템은: 복수의 배터리 셀들을 지지하도록 구성된 컨테이너; 컨테이너에 부착된 작용제 공급 포트; 컨테이너 내부에 배치되며 컨테이너에 의해 지지되는 복수의 배터리 셀들; 작용제 공급 포트와 유체 연통하는 작용제 플리넘(plenum); 컨테이너 내부에 배치되며 작용제 플리넘과 유체 연통하는 복수의 튜브들 ― 각각의 튜브는 제1 용융 온도를 갖는 제1 재료로 만들어지고, 각각의 튜브는 복수의 개구들을 갖는 벽 및 폐쇄 단부를 포함함 ―; 및 복수의 튜브들에 각각 부착되며 복수의 개구들을 각각 커버하는 복수의 스트립들을 포함하고, 각각의 스트립은 제1 용융 온도보다 낮은 제2 용융 온도를 갖는 제2 재료로 만들어진다.
에너지 저장 컨테이너들에서 유해 발열 반응들을 억제하기 위한 시스템들의 다른 양상들이 아래에서 개시된다.
이전 섹션에서 논의된 특징들, 기능들 및 이점들은 다양한 실시예들에서는 독립적으로 달성될 수 있거나 또 다른 실시예들에서는 결합될 수 있다. 이하, 앞서 설명한 그리고 다른 양상들의 예시를 위해 도면들을 참조하여 다양한 실시예들이 설명될 것이다. 도면들 중 어느 것도 실척대로 그려져 있지 않다.
도 1은 제1 실시예에 따라 내부 발열 반응들을 억제하기 위한 유체 분배망의 컴포넌트들을 통합하는 배터리 모듈의 3차원(3-D: three-dimensional) 뷰를 나타내는 도면이다.
도 1a는 튜브 재료의 용융 온도 미만의 용융 온도를 갖는 재료로 만들어진 커버에 의해 폐쇄되는 개구를 갖는 튜브의 일부의 측면도를 나타내는 도면이다.
도 2는 제2 실시예에 따라 내부 발열 반응들을 억제하기 위한 유체 분배망의 컴포넌트들을 통합하는 배터리 모듈의 일부의 3-D 뷰를 나타내는 도면이다.
도 3은 제3 실시예에 따라 내부 발열 반응들을 억제하기 위한 유체 분배망의 컴포넌트들을 통합하는 배터리 모듈의 3-D 뷰를 나타내는 도면이다.
도 3a는 도 3에 도시된 배터리 모듈의 정면도를 나타내는 도면이다.
도 3b는 도 3에 도시된 배터리 모듈의 내부 특징들을 드러내기 위해 3-D 모델의 표면 엘리먼트들이 제거된 절단도이다.
도 4는 일 실시예에 따른, 도 1에 도시된 타입의 복수의 배터리 모듈들이 각각 배출(venting) 시스템 및 가압 발열 반응 억제제 공급 시스템에 연결되는 시스템의 컴포넌트들을 식별하는 하이브리드 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 가압 발열 반응 억제제 공급 시스템의 컴포넌트들을 식별하는 프로세스 흐름도이다.
도 6은 대안적인 실시예에 따른 가압 발열 반응 억제제 공급 시스템의 컴포넌트들을 식별하는 프로세스 흐름도이다.
도 7은 수동 및 능동 열 폭주 전파 완화를 가능하게 하기 위한 액체 냉각을 위한 수단을 통합하는 배터리 모듈의 일부의 3-D 뷰를 나타내는 도면이다.
도 8은 복수의 개구들을 커버하는 가용성 스트립에 부착된 구불구불한 가열 엘리먼트를 도시하는 도면이다.
도 9는 추가 실시예에 따른 구불구불한 유체 분배망에 의해 보호되는 배터리 셀들의 행들의 정면도를 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른, 발열 반응 억제제의 방출을 전기적으로 활성화하기 위한 시스템의 컴포넌트들을 식별하는 블록도이다.
이하, 서로 다른 도면들의 비슷한 엘리먼트들이 동일한 참조 번호들을 갖는 도면들에 대해 참조가 이루어질 것이다.
에너지 저장 컨테이너들에서 유해 발열 반응들을 억제하기 위한 시스템들의 예시적인 실시예들이 아래에 다소 상세히 설명된다. 그러나 이 명세서에서 실제 구현의 모든 특징들이 설명되는 것은 아니다. 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 임의의 그러한 실시예의 개발 시 시스템 관련 및 비즈니스 관련 제약들의 준수와 같은 개발자의 구체적인 목표들을 달성하기 위해 많은 구현 특정 결정들이 이루어져야 한다는 것을 인식할 것이며, 이는 구현마다 다를 것이다. 더욱이, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 본 개시내용의 이점을 갖는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게는 통상적인 일일 것이라고 인식될 것이다.
예시의 목적으로, 아래에서 설명되는 시스템은 장비로서 설치되거나 항공기 기내 화물로서 저장되는 에너지 저장 컨테이너들에서의 유해 발열 반응들을 억제하도록 구성된다. 그러나 본 명세서에서 제안되는 기술은 항공기에 대한 그 기술의 적용에 제한되지 않으며, 또한 지상에 또는 다른 타입들의 차량들, 이를테면 자동차들, 산업용 트럭들 및 기차들 기내에 위치된 에너지 저장 컨테이너들에 적용될 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따라 내부 발열 반응들을 억제하기 위한 유체 분배망의 컴포넌트들을 통합하는 배터리 모듈(2) 형태의 에너지 저장 컨테이너의 3-D 뷰를 나타내는 도면이다. 배터리 모듈(2)은 에너지 저장 컨테이너(4)(이하 "컨테이너(4)") 내부에 배치되며 컨테이너(4)에 의해 지지되는 복수의 배터리 셀들(12)을 포함한다. 컨테이너(4)는 복수의 배터리 셀들(12)을 지지하도록 구성되는 트레이(tray)(4a) 및 배출 플리넘(18)을 부분적으로 한정하는 덮개(4b)를 포함한다. 배출 플리넘(18)은 배터리 셀들(12)과 덮개(4b) 사이의 개방 공간이다. 배터리 모듈(2)은 덮개(4b)에 부착되는 배출구(8)를 더 포함한다. 배출구(8)는 배출구 플리넘(18)과 유체 연통한다. 예를 들어, 배출 플리넘(18) 내의 연기는 배출구(8)를 통해 배출 플리넘(18)을 빠져나갈 수 있다. 배출구(8)는 도 1에 도시되지 않은(그러나 도 4의 배출 매니폴드(vent manifold)(60) 참조) 배출 매니폴드에 연결된다.
도 1에 도시된 배터리 모듈(2)은 폐쇄 단부(15) 및 연속 벽(13a)을 갖는 튜브(14)를 더 포함한다. 튜브(14)는 배출 플리넘(18)에 위치된다. 튜브(14)의 개방 단부는 작용제 공급 포트(6)에 연결되고 그와 유체 연통한다. 하나의 제안되는 구현에 따르면, 작용제 공급 포트(6)는 컨테이너(4)의 덮개(4b)에 부착되는 피팅(fitting)이다. 작용제 공급 포트(6)는 작용제 매니폴드(도 1에 도시되지 않았지만, 도 4의 작용제 매니폴드(58) 참조)에 연결된다. 차례로, 작용제 매니폴드는 가압 컨테이너(도 1에 도시되지 않지만, 도 4의 가압 컨테이너(42) 참조)에 연결되며, 이 컨테이너는 가스 또는 액체 형태의 가압 발열 반응 억제제(도 4의 가압 작용제(16) 참조)를 포함한다.
컨테이너(4) 내부의 유해 발열 반응의 감지에 대한 응답으로, 발열 반응 억제제가 튜브(14)를 통해 배출 플리넘(18) 내로 분산된다. 일부 실시예들에 따르면, 튜브(14)의 연속 벽(13a)의 재료는, 컨테이너(4) 내부에서 유해 발열 반응이 발생할 때 배출 플리넘(18) 내부의 예상 온도에 따라 선택된다. 보다 구체적으로, 튜브 재료는 컨테이너(4) 내부의 화재 또는 열 폭주의 경우에 예상되는 온도보다 낮은 용융 온도를 가져야 한다. 그러한 튜브(14)는 흔히 "가용성 튜브"로 지칭된다. 튜브(14)는 가압 발열 반응 억제제로 사전 충전될 수 있어, 연속 벽(13a)의 용융 또는 연화 동안 튜브(14)로부터 작용제가 방출되어 분산된다.
일 실시예에 따르면, 튜브(14)는 가변 벽 두께를 갖는 등방성 플라스틱 재료로 만들어질 수 있다. 보다 구체적으로, 튜브(14)는 제1 두께보다 더 두꺼운 제2 두께의 더 두꺼운 부분들보다 더 빨리 용융되는 제1 두께의 더 얇은 부분들을 가질 수 있다. 예를 들어, 더 얇은 부분들은 튜브(14)의 개구들― 개구들은 더 얇은 부분들(그러나 더 두꺼운 부분들은 아님)이 용융될 때 형성됨 ―이 배터리 모듈(2) 내부의 전략적인 위치들에서 발열 반응 억제제를 방출하도록 포지셔닝되고 형상화될 수 있다.
다른 실시예들에 따르면, 튜브(14)는 유해 발열 반응 동안 용융되지 않는 천공 벽을 갖고; 대신에, 튜브(14)의 천공 벽은, 컨테이너(4) 내부에서 유해 발열 반응이 발생할 때 용융 또는 연화되는 개개의 커버들에 의해 폐쇄되는 복수의 개구(천공들)를 갖는다. 커버들이 용융 또는 연화되는 경우에, 튜브(14)의 천공 벽은 용융되지 않고, 천공 벽의 현재 개방된 개구들을 통해 발열 반응 억제제가 배출 플리넘(18) 내로 분배된다.
도 1a는 제1 용융 온도를 갖는 제1 재료로 만들어지며 튜브(14)의 개방 단부와 폐쇄 단부 사이에 배치된 복수의 개구들(24)을 갖는 천공 벽(13b)을 포함하는 튜브(14)의 일부의 측면도를 나타내는 도면이다. 도 1a에는 하나의 개구(24)만이 도시되지만, 복수의 개구들이 튜브(14)의 길이를 따라 동일한 간격들로 이격될 수 있다고 인식되어야 한다. 각각의 개구(24)는 제1 용융 온도보다 낮은 제2 용융 온도를 갖는 재료로 만들어진 개개의 커버(21)에 의해 폐쇄된다. 배출 플리넘(18) 내부의 온도가 제2 용융 온도(그러나 제1 용융 온도는 아님)를 초과할 때, 커버들(21)은, 커버들(21)이 파열되고 튜브(14) 내부의 가압 발열 반응 억제제가 커버되지 않은 개구들(24)을 통해 배출 플리넘(18) 내에 분배되는 지점까지 용융 또는 연화된다.
가용성 커버들(21)에 의해 개구들(24)이 폐쇄된 튜브(14)는 가용성 커버들(21)의 파열 전에 가압 발열 반응 억제제로 사전 충전될 수 있다. 대안으로, 튜브(14)는 파열 전에 불활성 가스로 채워질 수 있다. 후자의 경우, 발열 반응 억제제가 가압 컨테이너(42)(도 4 참조)로부터 튜브(14) 내로 유동한 다음, 개구들(24) 밖으로 그리고 배출 플리넘(18) 내로 유동한다.
도 2는 제2 실시예에 따라 내부 발열 반응들을 억제하기 위한 유체 분배망의 컴포넌트들을 통합하는 배터리 모듈(2)의 일부의 3-D 뷰를 나타내는 도면이다. 이 예에서, 튜브(14)는 트레이(4a)와 덮개(4b)의 계면에서 컨테이너(4)를 밀폐하는 에지 밀폐부(20)와 일체로 형성된다. 이전에 설명된 바와 같이, 튜브(14)는 용융 또는 연화되는 재료로 만들어진 연속 벽 또는 컨테이너(4) 내부의 유해 발열 반응에 대한 응답으로 용융 또는 연화되는 재료로 만들어진 커버들(21)을 갖는 천공 벽을 포함할 수 있다. 튜브(14)는 트레이(4a)와 덮개(4b)의 계면의 둘레의 하나 이상의 측면들로 연장될 수 있다.
도 3은 제3 실시예에 따라 내부 발열 반응들을 억제하기 위한 유체 분배망의 컴포넌트들을 통합하는 (덮개가 제거된) 배터리 모듈(2)의 3-D 뷰를 나타내는 도면이다. 도 3a는 도 3에 도시된 배터리 모듈(2)의 정면도를 나타내는 도면이다. 도 3b는 배터리 모듈(2)의 내부 특징들을 드러내기 위해 3-D 모델의 표면 엘리먼트들이 제거된 절단도이다.
도 3, 도 3a 및 도 3b에 도시된 배터리 모듈(2)은 에너지 저장 컨테이너(4)의 트레이(4a) 내부에 병렬로 배치되며 트레이(4a)에 의해 지지되는 복수의 배터리 셀들(12)을 포함한다. 도 3a에서 가장 잘 확인되는 바와 같이, 배터리 셀들(12)은, 임의의 하나의 행의 인접한 배터리 셀들의 각각의 쌍 및 인접한 행의 배터리 셀들의 인접한 쌍이 정사각형의 개개의 코너들에 4개의 셀들의 중심들이 위치되는 개개의 2×2 셀 어레이를 형성하도록 행들 및 열들로 배열된다.
도 3, 도 3a 및 도 3b에 도시된 배터리 모듈(2)은 배터리 셀들(12) 사이에 그리고 배터리 셀들(12)에 평행하게 배치된 복수의 튜브들(14)을 더 포함하며, 각각의 튜브(14)의 중심은 개개의 2×2 셀 어레이에 의해 형성된 정사각형의 중심에 위치된다. 각각의 튜브(14)는 폐쇄 단부(15) 및 개방 단부를 갖는다. 튜브들(14)의 개방 단부들은 작용제 플리넘(19)에 연결되고 그와 유체 연통한다. 차례로, 작용제 플리넘(19)은 작용제 공급 포트(6)와 유체 연통한다. 이 예에서, 작용제 공급 포트(6)는 피팅이다.
작용제 플리넘(19) 및 튜브들(14)은 가압 발열 반응 억제제로 사전 충전될 수 있다. 각각의 튜브(14)는 작용제를 방출하도록 용융 또는 연화되는 재료로 만들어진 연속 벽 또는 컨테이너(4) 내부의 유해 발열 반응에 대한 응답으로 작용제를 방출하도록 용융 또는 연화되는 재료로 만들어진 (도 3, 도 3a 및 도 3b에 도시되지 않은) 커버들을 갖는 천공 벽을 포함할 수 있다. 제안되는 대안적인 구현에서, 작용제 플리넘(19) 및 튜브들(14)은 초기에 불활성 가스로 충전될 수 있다. 유해 발열 반응의 감지 후에, 가압 발열 반응 억제제가 가압 컨테이너로부터 작용제 공급 포트(6)를 통해 작용제 플리넘(19)에 공급된다.
도 4는 일 실시예에 따라, 도 1에 도시된 타입의 복수의 배터리 모듈들(2)이 각각 작용제 공급 시스템(40) 및 배출 시스템(41)에 연결되는 배터리 시스템(10)의 컴포넌트들을 식별하는 하이브리드 도면이다. 각각의 배터리 모듈(2)은 작용제 공급 시스템(40)에 연결된 작용제 공급 포트(6) 및 배출 시스템(41)에 연결된 배출구(8)를 포함한다.
배출 시스템(41)은 배출 매니폴드(60)를 통해 배출구들(8)에 연결되고 그와 유체 연통하는 선외(overboard) 배출구(62)를 포함한다. 배출 시스템(41)은 배출 매니폴드(60)를 통해 유동하는 가스 내의 화재 부산물들의 존재를 감지하도록 구성되는 감지기(28)(예컨대, 연기 또는 가스 감지기)를 더 포함한다.
작용제 공급 시스템(40)은 작용제 매니폴드(58)를 통해 작용제 공급 포트들(6)에 가압 발열 반응 억제제(16)(이하, "가압 작용제(16)")를 공급하는 가압 컨테이너(42)를 포함한다. 작용제는 어느 것이든 튜빙이 파열된 배터리 모듈들에만 수동적으로 분배될 것이다. 대안으로, 파열된 튜빙으로의 작용제의 공급은, 배터리 모듈들(2) 중 임의의 배터리 모듈 내부에서 유해 발열 반응의 발생을 표시하는 감지기(28)로부터의 신호의 수신에 대한 응답으로 (도 4에 도시되지 않은) 제어기에 의해 트리거될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 작용제 공급 시스템(40)의 컴포넌트들을 식별하는 프로세스 흐름도이다. 작용제 공급 시스템(40)은, 가압 컨테이너(42) 내부에서 가압 작용제(16) 위의 공간을 점유하는 액체 및 가압된 불활성 얼리지(ullage) 가스(17)(예컨대, 질소) 형태로 가압 작용제(16)를 포함하는 가압 컨테이너(42)를 포함한다. 가압 컨테이너(42)는 배터리 모듈(2) 내부의 유해 발열 반응의 발생 전에 충전 포트를 통해 가압 작용제(16)로 부분적으로 채워진다. 유해 발열 반응의 발생에 대한 응답으로, 가압 작용제(16)는 가압 컨테이너(42)로부터 작용제 매니폴드(58)를 통해 (도 4에 도시된) 배터리 모듈들(2) 내로 유동한다.
도 5에 도시된 작용제 공급 시스템(40)은 고압 불활성 구성(make-up) 가스를 포함하는 가압 컨테이너(44)를 더 포함한다. 가압 컨테이너(44)는 파이프(64)를 통해 가압 컨테이너(42)에 연결된다. 작용제 공급 시스템(40)은 파이프(64) 내부의 (가압 컨테이너(42) 내부의 얼리지 가스 압력과 동일한) 얼리지 가스 압력을 측정하는 압력 게이지(46)를 더 포함한다. 가압 컨테이너(44)로부터 가압 컨테이너(42)로의 불활성 얼리지 가스의 공급은 압력 조절기(48)에 의해 조절된다. 하나의 제안되는 구현에 따르면, 압력 조절기(48)는 가압 컨테이너(42) 내의 가압 작용제(16)가 고갈될 때, 얼리지 가스 압력을 일정하게 유지하는 다이어프램(diaphragm)을 갖는 독립형 디바이스이다.
도 6은 배터리 모듈들(2)(도 4 참조) 내부의 튜브들(14)이 액체 작용제로 사전 충전되지 않는 대안적인 실시예에 따른 작용제 공급 시스템(50)의 컴포넌트들을 식별하는 프로세스 흐름도이다. 작용제 공급 시스템(50)은 액체 및 가압된 불활성 얼리지 가스(17)(예컨대, 질소) 형태로 가압 작용제(16)를 포함하는 가압 컨테이너(42)를 포함한다. 가압 컨테이너(42) 내부의 얼리지 가스 압력은 압력 게이지(46)에 의해 측정된다. 가압 컨테이너(42)는 양방향 밸브(54)를 통해 유체로 채워진다. 얼리지 가스(17)는 또한 양방향 밸브(54)를 통해 배출될 수 있다. 가압 컨테이너(42)는 ∩ 형상 파이프(52)를 통해 작용제 매니폴드(58)(도 4 참조)와 유체 연통한다. 보다 구체적으로, ∩ 형상 파이프(52)는 작용제 매니폴드(58)를 통해 작용제 공급 포트들(6)에 연결된다. 화재 진압 시스템의 활성화 이전에, 배터리 모듈들(2) 내부의 튜브들(14)은 단방향 밸브(56)를 통해 불활성 가스로 채워진다. ∩ 형상 파이프(52)는, 가용성 튜브들 또는 가용성 커버들이 파열될 때까지 가압 작용제(16)를 작용제 매니폴드(58)에 들어가지 않게 한다. 튜브가 어딘가에서 파열되기 전에, 망 내의 가스가 유동할 곳이 없으며, 이로써 액체 억제제를 변위시킨다. 튜빙 파열로 인한 작용제 매니폴드(58)에서의 압력의 감소는 가압 작용제(16)가 ∩ 형상 파이프(52), 작용제 매니폴드(58)의 적어도 일부를 통해, 그리고 이어서 튜빙이 파열된 임의의 배터리 모듈들(2) 내로 유동할 수 있게 한다. 온전한 튜빙을 이용하여 작용제 매니폴드(58)를 배터리 모듈들(2)에 연결하는 파이프들 내의 얼리지 가스(17)의 존재는 액체 억제제가 그러한 파이프들에 포획되는 것을 방지한다.
작용제 공급 시스템의 대안적인 구현들에서, 가압 작용제(16)는 세정제일 수 있다. 세정제는 증발 시에 잔류물을 남기지 않는 전기적으로 비-전도성, 휘발성 또는 가스성 소화제(fire extinguishant)이다. 세정제들은 2개의 넓은 종류들의 작용제: 불활성 가스제(gas agent) 및 할로카본제(halocarbon agent)로 구성된다. 통상적인 불활성 가스들은 질소, 아르곤, 이산화탄소, 및 이들의 혼합물들을 포함한다. 불활성 가스제들은 액체 상태로 압축될 수 없고, 따라서 고압 가스들로서 저장되어야 한다. 수소화불화탄소(HFC)와 같은 할로카본제들이 액체들로서 저장될 수 있으며, 이는 불활성 가스들과 비교하여 훨씬 더 큰 질량의 작용제가 동일한 볼륨에 저장되게 할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 실시예들에 따르면, 가압 작용제(16)는 주변 조건들에서 액체이다. 가압 작용제(16)는 비-반응성이어야 하고, 높은 유전 강도, 높은 열 질량 및 낮은 점도를 가져야 한다. 하나의 적합한 세정제는 Minnesota, St. Paul 소재의 3M Company로부터 상업적으로 입수 가능한 Novec™ 1230 화재 방지 유체이다. 이 세정제에 대한 화학적 명칭은 dodecafluoro-2-methylpentan-3-one이다. Novec™ 649, Novec™ 7100(3M으로부터의 독점적인 수소불화에테르) 또는 에틸렌 글리콜/물 혼합물이 또한 잠재적인 대안들이다.
도 7은 수동 및 능동 열 폭주 전파 완화를 가능하게 하기 위한 액체 냉각을 위한 수단을 통합하는 배터리 모듈의 일부의 3-D 뷰를 나타내는 도면이다. 도 7에 도시된 배터리 모듈 컴포넌트들은 멀티 포트 압출(MPE: multi-port extruded) 튜빙(25) 및 MPE 튜빙(25)에 인접하게 배치된 한 쌍의 배터리 셀들(12a, 12b)을 포함한다. MPE 튜빙(25)은 MPE 튜빙(25)의 내부 볼륨을 복수의 유동 채널들로 분할하는 복수의 내부 벽들(27)을 포함한다. 작동 유체(가압 작용제)는 유동 채널들을 통해 유동한다. 대안적인 구현들에서, 내부 벽들은 생략될 수 있으며, 그 결과는 단일 평탄 관류(flow-through) 튜브가 될 수 있다.
추가로, MPE 튜빙(25)은 배터리 셀들(12a, 12b) 사이의 영역에 배치되는 (도 7에서 파선 타원들로 표시된) 복수의 개구들(24)을 갖는다. 개구들(24)은 MPE 튜빙(25)에 납땜되는 가용성 스트립(22)에 의해 커버된다. 가용성 스트립(22)은 도 7에 도시되지 않은 가열 엘리먼트에 의해 용융 온도까지 가열될 때 용융되는 재료로 만들어진다. 도 8은 (파선 원들로 표시되는) 복수의 개구들(24)을 커버하는 가용성 스트립(22)에 부착된 구불구불한 가열 엘리먼트(26)를 도시한다. 가열 엘리먼트(26)는 전기 에너지를 가용성 스트립(22)의 재료를 용융시키기에 충분한 열로 변환함으로써, 작동 유체가 개구들(24)을 통해 MPE 튜빙(25)으로부터 에너지 저장 컨테이너 내로 빠져나갈 수 있게 한다.
도 7을 다시 참조하면, 가열 엘리먼트(26)는 절연 전선(32)을 통해 (도시되지 않은) 5-V DC 전압 공급부로부터 직류(DC: direct current)를 수신한다. 가열 엘리먼트(26)로의 직류의 공급은 파일럿에 의해 수동으로 활성화될 수 있거나, 배터리 모듈 내부의 유해 발열 반응의 발생에 대한 응답으로 프로그래밍된 제어기에 의해 자동으로 활성화될 수 있다. 선택적으로, 가용성 스트립(22)은 유해 발열 반응으로 인해 배터리 모듈 내부의 온도가 상승할 때 또한 용융되는 재료로 만들어질 수 있다. 이러한 구현은 발열 반응 억제제의 방출의 수동 또는 능동 활성화가 가능한 시스템을 제공한다. 제안되는 하나의 구현에 따르면, MPE 튜빙(25)은 알루미늄으로 만들어지고, 가용성 스트립은 주석으로 만들어지며, 가열 엘리먼트는 니크롬으로 만들어진다.
도 9는 추가 실시예에 따른 유체 분배망에 의해 보호되는 배터리 셀들(12)의 행들의 정면도를 나타내는 도면이다. 이 예에서 유체 분배망은 2개의 행들의 배터리 셀들(12)이 사이에 배치된 평행한 세그먼트들을 갖는 구불구불한 튜브(14)를 포함한다. 구불구불한 튜브(14)는 배터리 셀들(12)에 의해 부분적으로 점유된 대기의 볼륨으로 방출되는 가압 작용제(16)로 사전 충전될 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따라 복수의 가열 엘리먼트들(26)을 전기적으로 활성화하기 위한 억제 활성화 시스템(30)의 컴포넌트들을 식별하는 블록도이다. 억제 활성화 시스템(30)은 가열 엘리먼트들(26)에 전기적으로 연결되는 복수의 스위치들(34) 및 스위치들이 닫힐 때 가열 엘리먼트들(26)에 직류를 제공하기 위해 스위치들(34)에 전기적으로 연결되는 DC 전력 공급부(36)를 포함한다. 억제 활성화 시스템(30)은 스위치들(34)에 전기적으로 연결되며 스위치들(34)의 상태들을 제어하도록 구성되는 제어기(38)를 더 포함한다. 추가로, 억제 활성화 시스템(30)은 제어기(38)에 전기적으로 연결되는 감지기(28)를 포함한다. 이전에 설명된 바와 같이, 감지기(28)는 예컨대, 배터리 모듈(2)(도 4 참조) 내부에서의 유해 발열 반응의 존재에 대한 응답으로 제어기(38)에 전기 신호를 출력하도록 구성된다. 제어기(38)는 감지기(28)로부터의 신호의 수신에 대한 응답으로 스위치들(34)을 닫는데, 그 신호는 배터리 모듈(2) 내부에서의 유해 발열 반응의 발생을 표시한다. 가열 엘리먼트들(26) 및 DC 전력 공급부(36)는, 가열 엘리먼트들(26)에 공급되는 DC 전력이 가압 작용제를 방출하도록 가용성 스트립의 상태를 변화시키기에 충분한 것을 보장하도록 설계될 수 있다.
위에 개시된 실시예들은 하나 이상의 제어기들을 사용한다. 이러한 디바이스들은 통상적으로 중앙 처리 유닛, 마이크로프로세서, 축소 명령 세트 컴퓨터 프로세서, 주문형 집적 회로, 프로그래밍 가능 로직 회로, 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이, 디지털 신호 프로세서, 및/또는 본 명세서에서 설명된 기능들을 실행할 수 있는 임의의 다른 회로 또는 처리 디바이스와 같은 프로세서 또는 컴퓨터를 포함한다.
다양한 실시예들과 관련하여 에너지 저장 컨테이너들에서 유해 발열 반응들을 억제하기 위한 시스템들이 설명되었지만, 본 명세서의 교시의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형들이 이루어질 수 있고 등가물들이 이들의 엘리먼트들을 대신할 수 있다고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 이해될 것이다. 추가로, 본 명세서의 교시들을 그 범위를 벗어나지 않으면서 특정 상황에 맞추도록 많은 변형들이 이루어질 수 있다. 따라서 청구항들은 본 명세서에 개시된 특정 실시예들에 국한되지 않는 것으로 의도된다.
본 명세서에 첨부된 방법 청구항들에서, 단계들의 임의의 알파벳 순서는, 방법 단계들이 알파벳 순서로 수행될 것을 요구하도록 청구항의 범위를 제한할 목적이 아니라, 선행 단계들에 대한 후속적인 약식 참조들을 가능하게 할 유일한 목적을 위한 것이다.

Claims (15)

  1. 복수의 배터리 셀들을 지지하도록 구성된 컨테이너(container);
    상기 컨테이너에 부착된 작용제(agent) 공급 포트;
    상기 컨테이너 내부에 배치되며 상기 컨테이너에 의해 지지되는 복수의 배터리 셀들; 및
    상기 컨테이너 내부에 배치되며 폐쇄 단부 및 개방 단부를 갖는 튜브를 포함하고,
    상기 튜브의 개방 단부는 상기 작용제 공급 포트와 유체 연통하며,
    상기 튜브는 상기 튜브의 다른 부분의 용융 또는 연화 온도보다 낮은 온도에서 용융 또는 연화되도록 설계되는 가용성(fusible) 부분들을 포함하는,
    에너지 저장 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 튜브의 다른 부분은 벽의 비교적 더 두꺼운 부분을 포함하고, 상기 튜브의 가용성 부분은 상기 벽의 비교적 더 얇은 부분을 포함하는,
    에너지 저장 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 튜브의 다른 부분은 개구를 갖는 벽을 포함하고, 상기 튜브의 가용성 부분은 가용성 커버를 포함하며, 상기 가용성 커버는 상기 가용성 커버의 온도가 상기 가용성 커버의 용융 또는 연화 온도보다 낮을 때 상기 개구를 커버하는,
    에너지 저장 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 튜브의 다른 부분은 제1 개구 및 제2 개구를 갖는 벽을 포함하고, 상기 튜브의 가용성 부분은 스트립(strip)을 포함하며, 상기 스트립은 상기 스트립의 온도가 상기 스트립의 용융 또는 연화 온도보다 낮을 때 상기 제1 개구 및 상기 제2 개구를 커버하는,
    에너지 저장 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 스트립에 부착된 가열 엘리먼트를 더 포함하며,
    상기 튜브는 알루미늄 합금으로 만들어지고, 상기 스트립은 주석 합금으로 만들어지며, 상기 가열 엘리먼트는 니크롬으로 만들어지는,
    에너지 저장 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    가열 엘리먼트에 전기적으로 연결된 스위치, 상기 스위치에 전기적으로 연결된 전력 공급부, 상기 스위치에 전기적으로 연결되며 상기 스위치의 상태를 제어하도록 구성된 제어기, 및 상기 제어기에 전기적으로 연결되며 상기 컨테이너 내부의 유해 발열 반응의 발생에 대한 응답으로 상기 제어기에 전기 신호를 출력하도록 구성된 감지기를 더 포함하는,
    에너지 저장 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 컨테이너는 배출 플리넘(vent plenum)을 한정하도록 구성되고,
    상기 시스템은 상기 배출 플리넘과 유체 연통하는 배출구를 더 포함하며,
    상기 튜브는 상기 배출 플리넘 내의 공간을 추가로 점유하고,
    상기 컨테이너는 상기 복수의 배터리 셀들을 지지하는 트레이 및 상기 배출 플리넘을 부분적으로 한정하는 커버를 포함하며,
    상기 시스템은 상기 트레이와 상기 커버 사이에 배치되고 상기 튜브와 일체로 형성된 에지 밀폐부를 더 포함하는,
    에너지 저장 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 셀들은 2×2 어레이로 배열된 제1 배터리 셀 내지 제4 배터리 셀을 포함하며,
    상기 튜브는 상기 2×2 어레이의 중심에 그리고 상기 제1 배터리 셀 내지 제4 배터리 셀에 평행하게 배치되는,
    에너지 저장 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    유체 상태의 발열 반응 억제제(exothermic reaction-suppressing agent)를 포함하는 가압(pressurized) 컨테이너; 및
    상기 가압 컨테이너 및 상기 작용제 공급 포트와 유체 연통하는 ∩ 형상 파이프를 더 포함하는,
    에너지 저장 시스템.
  10. 복수의 배터리 셀들을 지지하도록 구성된 컨테이너;
    상기 컨테이너에 부착된 작용제 공급 포트;
    상기 컨테이너 내부에 배치되며 상기 컨테이너에 의해 지지되는 복수의 배터리 셀들;
    상기 작용제 공급 포트와 유체 연통하는 작용제 플리넘;
    상기 컨테이너 내부에 배치되며 상기 작용제 플리넘과 유체 연통하는 복수의 튜브들 ― 각각의 튜브는 제1 용융 온도를 갖는 제1 재료로 만들어지고, 각각의 튜브는 복수의 개구들을 갖는 벽 및 폐쇄 단부를 포함함 ―; 및
    상기 복수의 튜브들에 각각 부착되며 상기 복수의 개구들을 각각 커버하는 복수의 스트립들을 포함하며,
    각각의 스트립은 상기 제1 용융 온도보다 낮은 제2 용융 온도를 갖는 제2 재료로 만들어지는,
    에너지 저장 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 복수의 스트립들에 각각 부착된 복수의 가열 엘리먼트들을 더 포함하며,
    상기 튜브들은 알루미늄 합금으로 만들어지고, 상기 스트립들은 주석 합금으로 만들어지며, 상기 가열 엘리먼트들은 니크롬으로 만들어지는,
    에너지 저장 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 복수의 가열 엘리먼트들에 전기적으로 각각 연결된 복수의 스위치들, 상기 복수의 스위치들에 전기적으로 연결된 전력 공급부, 상기 복수의 스위치들에 전기적으로 연결되며 상기 복수의 스위치들의 상태들을 제어하도록 구성된 제어기, 및 상기 제어기에 전기적으로 연결되며 상기 컨테이너 내부의 유해 발열 반응의 발생에 대한 응답으로 상기 제어기에 전기 신호를 출력하도록 구성된 감지기를 더 포함하는,
    에너지 저장 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    유체 상태의 발열 반응 억제제를 포함하는 가압 컨테이너; 및
    상기 가압 컨테이너 및 상기 작용제 공급 포트와 유체 연통하는 ∩ 형상 파이프를 더 포함하는,
    에너지 저장 시스템.
  14. 복수의 배터리 셀들을 지지하도록 구성된 컨테이너;
    상기 컨테이너 내부에 배치되며 상기 컨테이너에 의해 지지되는 복수의 배터리 셀들;
    상기 배터리 셀들 사이에 배치되며 복수의 개구들을 갖는 튜빙(tubing) ― 상기 튜빙은 제1 용융 온도를 갖는 제1 재료로 만들어짐 ―; 및
    상기 튜빙에 부착되며 상기 복수의 개구들을 커버하는 복수의 스트립들을 포함하며,
    상기 스트립들은 상기 제1 용융 온도보다 낮은 제2 용융 온도를 갖는 제2 재료로 만들어지는,
    에너지 저장 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 복수의 스트립들에 각각 부착된 복수의 가열 엘리먼트들;
    상기 복수의 가열 엘리먼트들에 전기적으로 각각 연결된 복수의 스위치들;
    상기 복수의 스위치들에 전기적으로 연결된 전력 공급부;
    상기 컨테이너 내부의 유해 발열 반응의 발생에 대한 응답으로 전기 신호를 출력하도록 구성된 감지기; 및
    상기 감지기 및 상기 복수의 스위치들에 전기적으로 연결된 제어기를 더 포함하며,
    상기 제어기는 상기 감지기로부터의 상기 전기 신호의 수신에 대한 응답으로 상기 복수의 스위치들을 개방하도록 구성되는,
    에너지 저장 시스템.
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