KR20230121251A - 배터리셀의 냉각 및 소화장치 - Google Patents

배터리셀의 냉각 및 소화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배터리셀의 냉각 및 소화장치는 내부 공간이 형성된 함체 형상의 배터리 모듈; 원기둥 형상으로 마련되어 상기 배터리 모듈의 내부 공간에 육각 쌓기 형태로 배열된 복수 개의 배터리셀; 복수 개의 상기 배터리셀 중 적어도 하나의 위치를 대체하여 설치되고, 이산화탄소를 공급받아 드라이아이스를 생성하여 상기 배터리셀을 냉각시키는 냉각부; 및 상기 배터리셀이 과열되면 상기 냉각부에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부;를 포함한다.

Description

배터리셀의 냉각 및 소화장치{APPARATUS FOR COOLING AND EXTINGUISH A FIRE OF BATTERY CELL}
본 발명은 배터리셀의 냉각 및 소화장치에 관한 것으로, 구체적으로는 리튬 배터리의 열폭주 발생시 이를 냉각할 수 있고, 과열에 의한 화재가 발생하면 이를 질식소화할 수 있는 배터리셀의 냉각 및 소화장치에 관한 것이다.
휘발유 또는 경유를 연료로 하여 구동되는 종래의 자동차는 배기가스를 발생시켜 대기오염에 심각한 영향을 끼치는데, 이에 석유계 원료가 아닌 전기를 동력으로 하는 전기자동차가 개발되었다.
전기자동차는 리튬이온 배터리를 설치하여 전기를 공급하고, 리튬이온 배터리의 성능은 전기자동차의 속도와 운행거리를 결정하는 핵심요소이다.
또한, ESS는 복수 개의 리튬이온 배터리를 대형 컨테이너 내부에 다량 설치하여 저장이 어렵고 사용 후 소멸되는 에너지를 효율적으로 사용하도록 저장ㆍ관리하며, 전기료를 절감하거나 정전 피해를 최소화하는 백업 전력으로 사용한다.
그러나, 설계 오류, 제조 결함, 운영상 부주의, 오남용 등 다양한 원인에 의해 배터리에 스트레스가 가해지거나, 과충전 및 과방전에 의해 양극과 음극이 손상될 경우 배터리에 열폭주가 유도되어 화재가 발생할 수 있다.
전기 자동차 및 ESS에는 많은 양의 전력이 공급되어야 하는 바, 여러 개의 리튬이온 배터리가 각각 인접하여 설치되기 때문에, 한 배터리에서 화재가 발생할 경우 인접한 복수 개의 배터리로 불길이 빠르게 번질 우려가 있다.
또한, 리튬이온 배터리는 배터리팩 내부 또는 대형 컨테이너 내부에 설치되는 바, 배터리팩은 차량 하부 또는 대형 컨테이너 내부에 다수의 리튬이온 배터리가 밀집하여 설치되어 소화액 분사 시 내부 리튬이온 배터리에 직접적으로 닿지 않아 사실상 완전 소화가 어렵고, 일시적으로 소화될 수 있으나 쉽게 재발화할 수 있는 문제점이 있다.
이에, 리튬이온 배터리에 발생한 화재는 질식소화가 적절하며, 전기자동차는 종래에 질식소화포로 전기자동차를 감싸 산소를 차단하거나, 대형 수조에 전기 자동차를 넣어 온도를 낮추고 산소를 차단하여 화재를 진압하였고, ESS는 주수식 소화설비, 내부 폭발성 가스를 옥외로 배출하는 배기시설을 갖추어 시간 경과에 따라 자동으로 화재를 진압하는 방법을 사용하였다.
그러나, 리튬이온 배터리는 재발화가 쉽기 때문에 화재가 진압되고 최소 24시간동안 재발화가 일어나지 않아야 완전 소화로 볼 수 있는 바, 종래의 소화 방법은 많은 노력과 비용이 소모되는 문제점이 있다.
이에, 리튬이온 배터리의 열폭주를 방지하기 위해 배터리팩의 내부 공기를 순환시켜 냉각되도록 냉각팬을 설치하기도 하는 바, 리튬이온 배터리의 냉각에는 일부 효과가 있을 수 있으나 그 효과가 미미하고 화재 소화에는 효과가 없는 문제점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것을 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여서는 안될 것이다.
KR 10-1057556 B1 (2011. 08. 10.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전기 자동차 및 ESS 등에 설치된 배터리셀의 열폭주 시 냉각에 용이하도록, 배터리셀에 접한 냉각부에 이산화탄소를 분사하여 내부에 드라이아이스가 형성되는 배터리셀의 냉각 및 소화장치를 제공한다.
또한, 화재 초기진압이 가능하고 재발화하지 않도록, 배터리셀에 화재 발생 시 소화부재가 용융됨에 따라 소화구가 개방되어 배터리셀 고정판에 형성된 중공과 분사관 사이를 통해 이산화탄소를 배터리 모듈 내로 공급하여 즉시 질식소화할 수 있는 배터리셀의 냉각 및 소화장치를 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 배터리셀의 냉각 및 소화장치는 내부 공간이 형성된 함체 형상의 배터리 모듈; 원기둥 형상으로 마련되어 상기 배터리 모듈의 내부 공간에 육각 쌓기 형태로 배열된 복수 개의 배터리셀; 복수 개의 상기 배터리셀 중 적어도 하나의 위치를 대체하여 설치되고, 이산화탄소를 공급받아 드라이아이스를 생성하여 상기 배터리셀을 냉각시키는 냉각부; 및 상기 배터리셀이 과열되면 상기 냉각부에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부;를 포함한다.
이때, 상기 배터리 모듈의 내부 공간 저면으로부터 이격되도록 설치되어 복수 개의 상기 배터리셀 및 상기 냉각부를 지지하는 판 형태의 배터리셀 고정판;을 더 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 공급부는, 상기 배터리 모듈의 외부에 설치되어 액화 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장소; 상기 배터리 모듈의 저면과 상기 배터리셀 고정판 사이에 설치되어 상기 이산화탄소 저장소에서 상기 냉각부로 이산화탄소를 전달하는 이산화탄소 공급배관; 및 상기 이산화탄소 공급배관으로부터 전달받은 이산화탄소를 상기 냉각부에 분사하는 분사관;을 포함할 수 있다.
상기 배터리셀 고정판에는, 상기 냉각부가 설치된 위치와 대응되는 위치에 중공이 형성되어 상기 분사관이 상기 중공을 통해 상기 냉각부 방향으로 돌출되도록 설치하는 것이 바람직하다.
상기 이산화탄소 공급부는, 상기 이산화탄소 저장소와 상기 분사관 사이를 매개하는 이산화탄소 메인공급배관;을 더 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 공급배관은, 복수 개가 마련되어 상기 이산화탄소 메인공급배관으로부터 분기되도록 연결될 수 있다.
상기 분사관은, 상기 이산화탄소 공급배관의 상측으로부터 돌출되고 그 외주면에 노즐 나사산이 형성된 파이프형태로 형성되며, 상기 중공의 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 이산화탄소 메인공급배관에는, 상기 이산화탄소 공급배관이 분기되는 위치 사이에 형성되어 상기 배터리 모듈의 내부공간과 통공되는 소화구; 및 상기 소화구에 설치되어 상기 소화구를 폐쇄하고, 250℃ 이상에서 용융되어 상기 소화구를 개방하는 소화부재;를 포함할 수 있다.
상기 냉각부는, 내열성 섬유로 형성된 직포 또는 부직포 형태로 형성되고, 일단부가 개구된 원기둥 형상으로 마련된 냉각포; 및 상기 냉각포의 일단부에 설치되어 상기 냉각포가 상기 분사관을 감싸도록 고정시키는 연결부재;를 포함할 수 있다.
상기 연결부재는, 내면에 제1나사산이 형성된 너트; 및 일측 외면에 상기 너트의 제1나사산과 치합하는 제2나사산이 형성되고 일측 내면에는 상기 분사관의 노즐 나사산과 치합하는 제3나사산이 형성되며, 이산화탄소가 분사되는 타측 단부의 직경이 상기 냉각포의 단면적보다 작게 형성된 분사노즐;을 포함할 수 있다.
상기 냉각포는, 개구된 저면의 내측에 상기 분사노즐이 위치하여 일측이 제2나사산과 접하도록 하고 상기 너트의 제1나사산과 상기 분사노즐의 제2나사산을 치합시켜 상기 냉각포를 고정하는 것이 바람직하다.
상기 배터리 모듈은, 측면 하단에 상기 이산화탄소 메인공급배관의 직경에 대응하도록 소정 크기로 마련된 관통구; 및 상기 배터리 모듈의 상측에 마련되어 상기 배터리 모듈의 내부 기체를 배출하는 배기구;를 포함할 수 있다.
본 발명의 이산화탄소를 이용한 배터리셀의 냉각 및 소화장치에 따르면, 아래와 같은 다양한 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 분사노즐의 타측으로 갈수록 직경이 작아짐에 따라 분사노즐을 통과하는 이산화탄소의 속도가 빨라져 온도가 급하강하는 줄-톰슨 효과를 유도할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 이산화탄소가 줄-톰슨 효과에 의해 드라이아이스로 상변화함에 따라 열폭주 현상이 일어난 배터리셀을 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.
셋째, 냉각부는 연결부재에 의해 이산화탄소 공급노즐에 나사결합됨에 따라 교체가 용이한 효과가 있다.
넷째, 배터리셀 고정판에 마련된 중공의 직경은 분사관의 직경보다 크게 마련되고, 이산화탄소 메인공급배관에 소화구가 형성됨에 따라 화재 시 중공과 분사관 사이의 틈으로 배터리 모듈 내로 이산화탄소가 공급되어 이에 화재 발생 시 소화할 수 있는 효과가 있다.
다섯째, 배터리 모듈 내부에 화재 발생 시 초기진압이 가능하여 화재가 퍼지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리셀, 냉각부 및 배터리셀 고정판의 설치관계를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 공급부를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉각부의 결합 과정을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈을 보여주는 도면.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 배터리셀의 냉각 및 소화장치는 리튬이온 배터리의 열폭주 현상을 이산화탄소의 줄-톰슨 효과에 의해 냉각포 내부에 생성되는 드라이아이스를 이용하여 냉각하고, 화재 시 배터리 모듈 전체로 이산화탄소가 공급되어 산소를 차단해 질식소화하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리셀(200), 냉각부(300) 및 배터리셀 고정판(500)의 설치관계를 나타낸 도면이고, 도 1의 (a)는 점선 부분의 배터리셀(200) 및 냉각부(300)의 설치 모습을 확대하여 나타낸 사시도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 공급부를 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조로 하여 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리셀의 냉각 및 소화장치는, 내부 공간이 형성된 함체 형상의 배터리 모듈(100), 원기둥 형상으로 마련되어 배터리 모듈(100)의 내부 공간에 육각 쌓기 형태로 배열된 복수 개의 배터리셀(200), 복수 개의 배터리셀(200) 중 적어도 하나의 위치를 대체하여 설치되고, 이산화탄소를 공급받아 드라이아이스를 생성하여 배터리셀(200)을 냉각시키는 냉각부(300) 및 배터리셀(200)이 과열되면 냉각부(300)에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부(400)를 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 내부 공간이 형성된 함체형상이고, 측면 하단에는 관통구(110)가 형성되고 상측에는 배기구(120)가 형성될 수 있다.
이러한 관통구(110)는 후술할 이산화탄소 공급부(400)로부터 이산화탄소를 공급받기 위한 구성이고, 배기구(120)는 도시되지 않은 공냉 시스템의 공기나, 이산화탄소 공급부(400)로부터 공급된 이산화탄소가 배기되기 위한 구성이다.
배터리 모듈(100)의 내부에는 그 내부 공간을 상하로 분리하는 배터리셀 고정판(500)이 설치되고, 그 하부에는 이산화탄소 공급부(400)의 배관이 설치되며, 그 상부에는 배터리셀(200) 및 냉각부(300)가 적재된다.
배터리셀 고정판(500)은 상부에 배터리셀(200)을 안정적으로 설치할 수 있도록, 배터리셀(200)의 직경과 대응되는 크기로 복수 개의 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한 배터리셀 고정판(500)에는 복수개의 중공이 형성되는 바, 이는 기본적으로 공냉 시스템의 공기가 유동하기 위한 통로로 작용되고, 배터리셀(200)의 과열시 이산화탄소 공급부(400)로부터 냉각부(300)로 이산화탄소를 공급하는데에도 사용될 수 있다.
냉각부(300)는 배터리셀(200) 중 적어도 하나의 위치를 대체하여 설치되고, 배터리셀 고정판(500)에 형성된 중공과 대응되는 위치에 설치된다.
배터리셀(200)은 원기둥 형상으로 형성된 리튬이온 배터리로 마련될 수 있고, 배터리 모듈(100)의 내부 공간에 보다 많은 배터리셀(200)이 수용되도록, 복수 개의 배터리셀(200)이 육각쌓기 형태로 배열되는 것이 바람직하고, 배열된 복수 개의 배터리셀(200)은 배터리셀 고정판(500)에 형성된 홈에 고정될 수 있다.
냉각부(300)는 인접하는 복수 개의 배터리셀(200)들을 고르게 냉각시킬 수 있도록 6개의 배터리셀(200)이 외접하는 위치에 설치되고, 배터리셀(200)들을 전체적으로 균등하게 냉각시키기 위해 복수 개가 균일한 밀도로 분포되는 것이 바람직하다.
이를 위해, 배터리셀 고정판(500)에 홈의 직경과 같거나 이보다 큰 복수 개의 중공을 마련하되, 이러한 중공이 배터리셀 고정판(500)에 균등하게 배치되도록 분포시킴으로써 이러한 중공과 대응되는 위치에 설치되는 냉각부(300)의 설치 밀도를 균일화할 수 있다.
도 1에는 배터리셀(200) 5~7개당 하나의 냉각부(300)가 설치되는 것으로 도시되어 있지만, 이에 한정하는 것은 아니며 당업자의 필요에 따라 중공 및 냉각부(300)의 개수와 설치 위치를 설계 변경할 수 있을 것이다.
냉각부(300)는 배터리셀 고정판(500)에 형성된 중공에 설치되고 내부에 이산화탄소가 분사되어 드라이아이스가 생성되는 냉각포(310)와, 냉각포(310)와 분사관(440)을 매개하는 연결부재(320)를 포함할 수 있다.
냉각포(310)는 설치가 용이하도록, 배터리셀(200)의 크기와 동일한 원기둥 형상으로 마련되되, 이에 한정하지 않는다.
보다 구체적으로, 배터리셀(200)의 크기보다 냉각포(310)가 작을 경우, 냉각포(310)의 내부에 생성된 드라이아이스의 냉각 효과가 배터리셀(200)에 잘 전달되지 않아 효과가 미미할 수 있고, 배터리셀(200)의 크기보다 냉각포(310)가 클 경우, 냉각포(310)에 드라이아이스가 생성되었을 때 그와 인접한 배터리셀(200)에 접해 배터리셀 고정판(500)에 형성된 홈의 위치에서 배터리셀(200)이 이탈할 수 있기 때문이다.
따라서, 각각의 배터리셀(200)이 배열된 간격에 따라 냉각효과가 잘 전달되고, 드라이아이스가 생성되었을 때 배터리셀(200)의 위치가 이탈되지 않는 범위 내에서 냉각포(310)의 크기는 바뀔 수 있다.
또한, 냉각포(310)는 리튬이온 배터리의 열폭주 온도와 드라이아이스의 온도를 견디도록, 내열성 섬유로 형성된 직포 또는 부직포로 마련되는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 냉각포(310)의 내열성 섬유로는 유리섬유, 실리카섬유, 탄소섬유, 세라믹섬유, 내고온성 유리 섬유, 그리고 고온에서도 안정적인 기타 유기섬유 중 적어도 어느 하나를 포함하는 다양한 종류의 내열성 섬유가 선택되어 사용될 수 있다.
또한, 냉각포(310)의 일단부에 연결부재(320)가 설치될 수 있도록, 일단부가 개구되어 있는 것이 바람직하다.
연결부재(320)는 내면에 제1나사산이 형성된 너트(321)와 이산화탄소가 분사되는 분사노즐(322)로 형성되어 있다.
분사노즐(322)은 너트(321)에 형성된 제1나사산과 치합되는 제2나사산이 일측 외면에 형성되고, 이산화탄소가 분사되는 타측 단부의 직경이 냉각포의 단면적보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 이산화탄소 기체를 모세관에 빠르게 통과시키면 줄-톰슨 효과에 의해 이산화탄소 기체의 압력이 높아짐에 따라 온도가 급하강하여 고체인 드라이아이스로 상변화하기 때문에 이를 유도하기 위해 분사노즐(322)의 타측으로 갈수록 직경을 작게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 분사노즐(322)은 배터리셀 고정판(500)에 형성된 중공으로 돌출되어 있는 분사관(440)으로부터 이산화탄소를 전달받아 드라이아이스를 생성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 공급부(400)는 배터리 모듈(100)의 외부에 설치되어 액화 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장소(410), 이산화탄소 저장소(410)와 분사관(440) 사이를 매개하는 메인공급배관(420), 배터리 모듈(100)의 저면과 배터리셀 고정판(500) 사이에 설치되는 이산화탄소 공급배관(430), 이산화탄소 공급배관(430)으로부터 전달받은 이산화탄소를 냉각부(300)에 분사하는 분사관(440)을 포함할 수 있다.
이산화탄소 저장소(410)는 25MPa에서 견딜 수 있어야 하고, 안전밸브는 20~25MPa 작동압력을 가지며, 1.5 충전비 이상으로 충전되고 수분함량이 0.05wt% 이하인 이산화탄소가 저장되어 마련될 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
한편, 이산화탄소 저장소(410)는 그 용량이 한정적이고, 특히 전기자동차에 설치될 경우 그 부피 및 중량에 제한을 받기 때문에, 열폭주를 해소하거나 소화를 위해 이산화탄소를 분사하는 과정에서 그 저장 용량이 바닥날 수 있다.
열폭주를 냉각시키는 과정에서 이산화탄소의 용량이 바닥나면 화재를 방지할 수 없는 바, 이산화탄소 저장소(410)에 외부로부터 이산화탄소를 공급할 수 있도록 설치되는 이산화탄소 충전부(411)을 통해 이산화탄소를 충전할 수 있다.
이러한 이산화탄소 충전부(411)는 주유구와 유사하게 전기자동차 또는 ESS의 외부로 노출되는 구성으로서, 이를 통해 이동식 이산화탄소 봄베나, 외장식 이산화탄소 공급 노즐 등을 연결하여 이산화탄소 저장소(410)에 이산화탄소를 공급함으로써, 열폭주 냉각 및 소화를 지속적으로 수행할 수 있게 된다.
이산화탄소 메인공급배관(420)은 일단부에 이산화탄소 저장소(410)가 설치되어 있고, 타단부는 폐쇄되되, 타단부에 인접하게 분기되어 연결된 이산화탄소 공급배관(430)에 근접한 위치에서 폐쇄되는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 폐쇄된 타단부에 밀폐된 공간이 마련되면 그 공간에 이산화탄소가 공급되어 드라이아이스가 생성될 수 있기 때문이다.
이산화탄소 공급배관(430)은 이산화탄소 저장소(410)에서 냉각부(300)로 이산화탄소를 전달하고 복수 개로 마련되어 이산화탄소 메인공급배관(420)으로부터 분기되도록 연결되는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리셀 고정판(500)에 복수 개의 중공이 형성되는 바, 동일 선상에 마련된 각각의 중공에 분사관(440)이 돌출되어 설치되고, 일단부에 이산화탄소 저장소(410)가 설치된 이산화탄소 메인공급배관(420)으로부터 이산화탄소를 전달받아야하기 때문이다.
이때, 이산화탄소 공급배관(430)의 일단부가 폐쇄되되, 일단부에 형성된 분사관(440)에 근접한 위치에서 폐쇄되는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 폐쇄된 일단부에 밀폐된 공간이 마련되면 그 공간에 이산화탄소가 공급되어 드라이아이스가 생성될 수 있기 때문이다.
분사관(440)은 이산화탄소 공급배관(430)의 상측으로부터 돌출되고 측면에 일정간격 이격하여 복수 개로 마련되며, 그 외주면에 노즐 나사산이 형성된 파이프 형태로 형성되며, 배터리셀 고정판(500)에 형성된 중공의 직경보다 작은 직경을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 구조를 통해, 분사관(440)과 중공 사이의 개방된 공간은 통상시에는 배터리셀(200)을 공랭시켜 냉각하기 위한 공기의 유동 통로로서 작용하고, 화재 발생 시 질식소화가 가능하도록 소화구(421)에서 공급된 이산화탄소가 배터리 모듈(100) 내로 전달되는 통로 역할을 하게 된다.
보다 구체적으로, 배터리셀(200) 화재 시 소화부재(422)가 용융되어 소화구(421)로 이산화탄소가 분사되어 배터리셀 고정판(500)에 형성된 중공과 그를 통해 돌출되어 형성된 분사관(440) 사이에 형성된 틈으로 배터리 모듈(100)의 내부 공간으로 이산화탄소를 공급한다.
보다 바람직하게, 배터리셀(200)의 열폭주는 부분적으로 일어날 수 있는 바, 개별냉각이 가능하도록 분사관(440) 하부에 냉각센서(441)와 냉각밸브(442)가 포함될 수 있다.
냉각센서(441)는 주변의 온도를 감지하여 열폭주 온도인 150℃ 이상 250℃ 미만이 감지될 경우 냉각밸브(442)를 개방하고 냉각부(300)에 이산화탄소를 공급한다.
또한, 냉각센서(441)는 각 분사관(440)의 하부에 설치되어 있어, 부분적으로 열폭주하는 배터리셀(200)에 인접한 냉각센서(441)만 작동하여 냉각밸브(442)를 개방함에 따라 이산화탄소의 소비를 절약하고 보다 효율적인 냉각 및 소화 동작이 가능하다.
또한, 도 2 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 메인공급배관(420)은 배터리 모듈(100)의 내부공간과 통공되는 소화구(421) 및 소화부재(422)를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게, 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 공급배관(430)이 분기되는 위치 사이에 소화구(421)가 형성되어 배터리 모듈(100)의 하부로 이산화탄소 기체가 공급될 수 있다.
보다 구체적으로, 소화부재(422)는 소화구(421)에 억지 끼임으로 설치되어 소화구(421)를 폐쇄하여 열폭주 시 이산화탄소 메인공급배관(420)을 통과하는 기체의 압력을 버티고, 250℃이상에서 용융되어 소화구(421)를 개방하도록, 250℃에서 용융되는 합성수지를 사용하는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 배터리셀(200)인 리튬이온 배터리는 화재 발생 시 250℃ 이상으로 온도가 상승하는 바, 화재 발생 전 250℃ 미만의 열폭주에는 내열성을 가지고, 250℃ 이상의 화재에는 용융되는 소화부재(422)에 의해 소화구(421)가 개방됨에 따라 이산화탄소가 공급되어 질식소화할 수 있기 때문이다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 합성수지는 POLYPHENYLENE SULFIDE, 반결정성 고분자 중 어느 하나 또는 이와 유사한 용융점을 갖는 다양한 종류의 합성수지가 선택되어 사용될 수 있다.
한편, 이산화탄소 저장소(410)는 배터리 모듈(100)의 외부에 설치되도록, 이산화탄소 메인공급배관(420)의 일측은 연장되어 관통구(110)를 통과하는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 배터리 모듈(100)의 부피를 줄이고, 배터리셀(200)에 화재가 발생할 경우 이산화탄소 저장소(410)가 직접 가열되지 않아야 하기 때문이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉각부(300)의 결합 과정을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 냉각부(300)는 너트(321) 및 분사노즐(322)을 포함하는 연결부재(320) 및 너트(321)와 분사노즐(322) 사이를 매개하는 냉각포(310)를 포함할 수 있다.
일단부가 개구된 냉각포(310)는 분사노즐(322)의 일측 외면에 형성된 제2나사산을 덮도록 설치되되, 이산화탄소가 분사되는 분사노즐(322)의 타단이 냉각포(310)에 닿지 않도록 소정 공간을 마련하여 설치하는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 높은 압력으로 분사되는 이산화탄소에 의해 냉각포(310)가 훼손되지 않아야 하고, 또한 드라이아이스가 생성될 수 있는 공간이 마련되어야 하기 때문이다.
본 발명의 실시예에 따라 설치된 냉각포(310)의 상부에서부터 너트(321)에 형성된 중공에 냉각포(310)를 통과시킨 다음, 너트(321)의 내부에 형성된 제1나사산과 분사노즐(322)의 일측 외면에 형성된 제2나사산을 나사결합하여 냉각포(310)의 위치를 고정시켜 냉각부(300)를 형성할 수 있다.
또한, 냉각부(300)를 배터리셀 고정판(500)에 형성된 중공에 설치하는 바, 분사노즐(322)의 일측 내면에 형성된 제3나사산을 중공에 돌출되어 있는 분사관(440)의 노즐 나사산에 치합시켜 나사결합할 수 있다.
이때, 화재 발생 시 소화구(421)로 공급된 이산화탄소가 중공과 중공에 돌출되어 설치된 분사관(440) 사이의 틈에 의해 배터리셀(200)에 직접 전달되도록, 나사결합 후 중공과 분사관(440) 사이의 틈이 밀봉되지 않는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 배터리셀의 냉각 및 소화장치의 작동관계에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
상기와 같이 마련된 배터리셀(200)의 냉각 및 소화장치는, 배터리셀(200)에 열폭주가 발생하였을 때, 배터리셀(200)에 인접하여 설치된 각각의 냉각부(300) 내부에 분사되는 이산화탄소에 의해 생성되는 드라이아이스로 과열된 배터리셀(200)을 냉각하고, 열폭주로 인한 화재가 발생하였을 때에는, 소화구(421)에서 공급되어 배터리 모듈(100)의 저면에 전달되는 이산화탄소로 주변 산소의 공급을 차단하여 질식소화하게 된다.
이때, 이산화탄소가 분사되는 타측 단부의 직경이 냉각포(310)의 단면적보다 작게 형성된 분사노즐(322)이 냉각부(300)에 포함됨에 따라, 공급되는 이산화탄소 기체의 압력이 높아지고, 이에 이산화탄소 기체의 온도가 급하강하는 줄-톰슨 효과가 유도되어 냉각포(310) 내부에 드라이아이스가 생성되며, 이에 배터리셀(200)에 열폭주가 발생하였을 때 냉각이 용이한 효과가 있다.
한편, 분사관(440)의 직경보다 분사관(440)이 돌출되어 설치되는 배터리셀 고정판(500)에 형성된 중공의 직경이 보다 크게 형성되어 이산화탄소 기체가 배터리 모듈(100) 내부로 전달될 수 있는 틈이 마련되고, 화재 시 소화구에 억지끼움으로 설치되어 250℃에서 용융되는 소화부재(422)가 용융함에 따라 이산화탄소가 배터리 모듈(100) 내부에 공급되어 배터리셀(200)에 화재가 발생하였을 때 소화가 용이한 효과가 있다.
또한, 냉각포(310)는 별도의 연결부재(320)로 분사관(440)에 나사결합되어 배터리셀 고정판(500)에 형성된 중공에 설치됨에 따라 냉각포(310)의 훼손 또는 결함이 발생하였을 때 교체에 용이한 효과가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 배터리 모듈 110: 관통구
120: 배기구 200: 배터리셀
300: 냉각부 310: 냉각포
320: 연결부재 321: 너트
322: 분사노즐 400: 이산화탄소 공급부
410: 이산화탄소 저장소 411: 이산화탄소 충전부
420: 이산화탄소 메인공급배관 421: 소화구
422: 소화부재 430: 이산화탄소 공급배관
440: 분사관 441: 냉각센서
442: 냉각밸브 500: 배터리셀 고정판

Claims (8)

  1. 내부 공간이 형성된 함체 형상의 배터리 모듈;
    원기둥 형상으로 마련되어 상기 배터리 모듈의 내부 공간에 육각 쌓기 형태로 배열된 복수 개의 배터리셀;
    복수 개의 상기 배터리셀 중 적어도 하나의 위치를 대체하여 설치되고, 이산화탄소를 공급받아 드라이아이스를 생성하여 상기 배터리셀을 냉각시키는 냉각부; 및
    상기 배터리셀이 과열되면 상기 냉각부에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부;를 포함하는, 배터리셀의 냉각 및 소화장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 내부 공간 저면으로부터 이격되도록 설치되어 복수 개의 상기 배터리셀 및 상기 냉각부를 지지하는 판 형태의 배터리셀 고정판;을 더 포함하고,
    상기 이산화탄소 공급부는,
    상기 배터리 모듈의 외부에 설치되어 액화 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장소;
    상기 배터리 모듈의 저면과 상기 배터리셀 고정판 사이에 설치되어 상기 이산화탄소 저장소에서 상기 냉각부로 이산화탄소를 전달하는 이산화탄소 공급배관; 및
    상기 이산화탄소 공급배관으로부터 전달받은 이산화탄소를 상기 냉각부에 분사하는 분사관;을 포함하며,
    상기 배터리셀 고정판에는, 상기 냉각부가 설치된 위치와 대응되는 위치에 중공이 형성되어 상기 분사관이 상기 중공을 통해 상기 냉각부 방향으로 돌출되도록 설치하는 것을 특징으로 하는, 배터리셀의 냉각 및 소화장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 이산화탄소 공급부는,
    상기 이산화탄소 저장소와 상기 분사관 사이를 매개하는 이산화탄소 메인공급배관;을 더 포함하고,
    상기 이산화탄소 공급배관은,
    복수 개가 마련되어 상기 이산화탄소 메인공급배관으로부터 분기되도록 연결되며,
    상기 분사관은,
    상기 이산화탄소 공급배관의 상측으로부터 돌출되고 그 외주면에 노즐 나사산이 형성된 파이프형태로 형성되며, 상기 중공의 단면적보다 작은 단면적을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는, 배터리셀의 냉각 및 소화장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 이산화탄소 메인공급배관에는,
    상기 이산화탄소 공급배관이 분기되는 위치 사이에 형성되어 상기 배터리 모듈의 내부공간과 통공되는 소화구; 및
    상기 소화구에 설치되어 상기 소화구를 폐쇄하고, 250℃ 이상에서 용융되어 상기 소화구를 개방하는 소화부재;를 포함하는, 배터리셀의 냉각 및 소화장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉각부는,
    내열성 섬유로 형성된 직포 또는 부직포 형태로 형성되고, 일단부가 개구된 원기둥 형상으로 마련된 냉각포; 및
    상기 냉각포의 일단부에 설치되어 상기 냉각포가 상기 분사관을 감싸도록 고정시키는 연결부재;를 포함하는, 배터리셀의 냉각 및 소화장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 연결부재는,
    내면에 제1나사산이 형성된 너트; 및
    일측 외면에 상기 너트의 제1나사산과 치합하는 제2나사산이 형성되고 일측 내면에는 상기 분사관의 노즐 나사산과 치합하는 제3나사산이 형성되며, 이산화탄소가 분사되는 타측 단부의 직경이 상기 냉각포의 단면적보다 작게 형성된 분사노즐;을 포함하는, 배터리셀의 냉각 및 소화장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 냉각포는,
    개구된 저면의 내측에 상기 분사노즐이 위치하여 일측이 제2나사산과 접하도록 하고 상기 너트의 제1나사산과 상기 분사노즐의 제2나사산을 치합시켜 상기 냉각포를 고정하는 것을 특징으로 하는, 배터리셀의 냉각 및 소화장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    측면 하단에 상기 이산화탄소 메인공급배관의 직경에 대응하도록 소정 크기로 마련된 관통구; 및
    상기 배터리 모듈의 상측에 마련되어 상기 배터리 모듈의 내부 기체를 배출하는 배기구;를 포함하는, 배터리셀의 냉각 및 소화장치.
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