KR20230165606A - 액체 질소를 이용한 소화 설비가 적용된 자동차용 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 - Google Patents

액체 질소를 이용한 소화 설비가 적용된 자동차용 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 배터리 모듈, 센서부, 및 배관을 통해 액체 질소를 공급하는 액체 질소 공급부를 포함하는 자동차용 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차는, 이상 작동이 감지된 배터리 모듈을 향해 액체 질소를 분사함으로써, 전자 제품의 손상없이 보다 안정적이고 효과적으로 화재를 초기에 진압할 수 있다.

Description

액체 질소를 이용한 소화 설비가 적용된 자동차용 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 {Vehicle Battery Pack with Fire Extinguishing Facility using Liquid Nitrogen and Vehicle comprising the Same}
본 발명은 열 폭주 등에 의한 화재를 초기에 효과적으로 진압하는 자동차용 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하고자 한다.
전기 자동차는 배터리에서 출력되는 전기 에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차로, 배터리 팩은 전기 자동차에 전력을 공급하기 위해 널리 사용된다.
최근 들어, 이러한 전기 자동차에는 리튬-이온 배터리의 사용이 증가하고 있다. 배터리의 구성요소 중 하나인 리튬은 본래 불안정한 원소로서 공기중의 수분과 급격하게 반응하여 폭발하기 쉬우며, 전해액은 과열에 따른 화재 위험성이 있다. 또한, 리튬 이온 배터리는 내부의 다양한 화학반응 등에 의해 자체 발열 될 수 있으며, 외부의 물리적인 충격 등에 의해 손상을 입을 경우 배터리 내부에서 단락이 발생하여 화재가 발생될 수 있다. 특히, 배터리의 열 폭주는 온도의 급격한 상승에 의해 주변의 배터리 셀로 열이 전이되면서 화재로 확대될 수 있다.
도 1은 종래의 배터리 모듈 및 팩 케이스를 포함한 배터리 팩의 모식도이다. 이러한 배터리 팩은 배터리의 온도 상승을 억제하고 외부 산소와의 접촉을 차단하기 위해서, 배터리를 물에 담그거나, 물을 분사하여 배터리 모듈 등을 침수시키는 '주수 방식'의 진화 방법이 적용되기도 한다.
하지만, 이러한 주수 방식은 배터리 자체뿐만 아니라 주변에 설치된 전자 부품의 손상을 초래할 수 있고, 이로 인해 화재 진압 후 복구 비용이 크게 증가한다.
따라서, 전자 부품의 손상을 유발하지 않으면서도 화재를 효과적으로 초기에 진압할 수 있는 자동차용 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차의 개발이 요구된다.
한국 공개특허공보 제2016-0020234호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 액체 질소를 이용한 소화 설비를 적용함으로써 열 폭주에 등에 의한 화재를 효과적으로 진압할 수 있는 자동차용 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차를 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 자동차용 배터리 팩은, 하나 또는 둘 이상의 배터리 모듈; 배터리 모듈을 수납하는 팩 케이스; 배터리 모듈의 이상 작동을 감지하는 센서부; 및 배관을 통해 액체 질소를 공급하는 액체 질소 공급부를 포함한다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 자동차용 배터리 팩은, 상기 배관 상에 형성되며, 배관의 유로를 개폐하는 밸브; 및 상기 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함한다. 또한, 상기 센서부에서 배터리 모듈의 이상 작동이 감지되면, 제어부가 밸브를 개방한다. 상기 제어부는 밸브의 개폐를 제어하게 된다.
또 다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 자동차용 배터리 팩은, 배터리 모듈이 둘 이상 구비되며, 상기 액체 질소 공급부는, 팩 케이스 내에 구비된 배관을 통해 액체 질소를 공급한다. 또한, 상기 센서부에서 배터리 모듈의 이상 작동이 감지되면, 이상 작동이 감지된 배터리 모듈에 선택적으로 액체 질소를 공급한다.
하나의 실시예에서, 상기 센서부는, 온도 센서 및 가스 센서 중 어느 하나 이상을 포함한다. 본 발명은 온도를 측정하거나 배출 가스를 검출하는 방식으로 배터리 모듈의 이상 작동을 검출할 수 있으며, 온도 측정과 배출 가스 검출을 동시에 수행하는 예도 포함한다.
구체적인 실시예에서, 상기 배관은, 인렛은 액체 질소 저장부와 연결되고, 아웃렛은 배터리 모듈을 향하는 배관의 단부에 형성된 분사 노즐과 연결된 구조이다.
하나의 예에서, 배터리 모듈은 하나 이상의 벤팅홀이 형성된 구조이고, 상기 분사 노즐에 의한 분사 방향은 상기 벤팅홀을 향하는 방향이다.
또 다른 하나의 예에서, 본 발명은 앞서 설명한 자동차용 배터리 팩을 포함하는 자동차를 제공한다.
본 발명에 따른 자동차용 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차는, 액체 질소를 이용하여 화재를 진압하므로 물을 이용하였을 때와 달리 전기 부품의 손상없이 효과적이면서 안정적으로 화재를 초기에 진압하는 것이 가능하다.
도 1은 종래의 자동차용 배터리 팩의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 배터리 팩의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 배터리 팩의 부분확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 화재가 발생하였을 때 화재를 진압하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 설명하기로 한다.
본 발명은 하나 또는 둘 이상의 배터리 모듈, 배터리 모듈을 수납하는 팩 케이스, 배터리 모듈의 이상 작동을 감지하는 센서부 및 배관을 통해 액체 질소를 공급하는 액체 질소 공급부를 포함하는 자동차용 배터리팩 및 이를 포함하는 자동차에 관한 것이다. 본 발명에서, 단위 셀들을 일정한 개수, 예를 들어 6 내지 50개 단위로 묶어 배터리 모듈을 구성할 수 있으며, 이를 통해 단위 셀을 외부 충격, 열, 또는 진동 등으로부터 보호할 수 있다.
이차 전지의 화재 원인에는 여러가지가 있지만, 예를 들어, 배터리 내부의 열폭주에 의한 화재가 발생하게 된다. 열 폭주의 원인은 외부충격에 의한 손상, 내부단락(Short)에 의한 화재가 대표적이다. 이러한 화재 원인에 의해 배터리의 분리막이 멜팅 다운(Melting down, 120도)되고, 이후 양극와 음극의 단락으로 화재가 발생한다. 화재 발생과 동시에 지속을 하는 원인은, 배터리 내부의 유기 전해액(PC, EC, DEC 등)과 산소의 접촉이다.
유기 전해액은 배터리 내부의 잔존하는 용액이므로, 화재를 억제하기 위해서는 외부 산소를 차단하여야 한다. 화재 발생 시 외부 산소를 차단하는 방법으로, 대형 수조에 전기차를 담그는 경우도 있다. 이는 배터리의 온도를 떨어트리고 외부로부터 산소가 공급되는 것을 줄이는 유효 적절한 방법 중 하나이다. 그러나, 배터리 모듈 내지 전기차 자체를 수조에 담그는 것은 현실적으로 불가능한 경우가 많고, 현실적으로 적용하기에 많은 장애 요소가 존재한다.
또는, 화재 발생 시에 주수 시스템을 통해 배터리 모듈 또는 트레이 단위로 물을 투입하여 화재를 진압하기도 한다. 그러나, 이러한 주수 시스템 적용은, 침수에 의한 전자제품의 손상과 누액으로 인해 주변 설비의 손상 및 환경 오염을 유발하는 문제가 있다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 배터리 팩은 소화 장치가 없어, 배터리 모듈의 열 폭주로 인한 화재 발생시에 매우 큰 피해가 발생하는 문제가 있다.
이에, 본 발명에서는 액체 질소를 배터리 모듈에 분사함으로써, 전자 제품의 손상없이 화재를 효과적으로 초기에 진압할 수 있는 자동차용 배터리 팩 및 이를 포함한 자동차를 제공하고자 한다.
하나의 예에서, 본 발명에 따른 자동차용 배터리 팩은, 하나 또는 둘 이상의 배터리 모듈, 상기 배터리 모듈을 수납하는 팩 케이스, 상기 배터리 모듈의 이상 작동을 감지하는 센서부 및 상기 배터리 모듈이 수납된 공간과 연결된 배관을 통해 액체 질소를 공급하는 액체 질소 공급부를 포함한다. 본 발명은 배터리의 온도 상승을 신속하게 억제하고 화재의 핵심요소인 산소 공급을 차단하는 수단으로 액체 질소를 적용한다. 액체 질소는 질소를 액화시킨 것을 총칭한다. 액체 질소는, 공기보다 무겁고 부피 팽창률이 크기 때문에 밀폐된 공간에서는 산소부족을 일으킬 수 있어 배터리 화재용 소화제로 적합하다.
또 다른 하나의 예에서, 본 발명에 따른 자동차용 배터리 팩은, 상기 배관 상에 형성되며, 배관의 유로를 개폐하는 밸브; 및 상기 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함한다. 또한, 상기 센서부에서 배터리 모듈의 이상 작동이 감지되면, 제어부는 밸브를 개방하는 구조이다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 센서부는, 온도 센서 및 가스 센서 중 어느 하나 이상을 포함한다. 상기 센서부에서 측정된 값이 설정된 기준 값을 벗어나는 경우에는 배터리 이상 작동으로 판단한다. 센서부가 배터리 모듈의 이상 작동을 감지하면, 상기 제어부는 화재 발생 혹은 화재 발생 가능성이 높은 것으로 판단하며 액체 질소를 공급하는 배관에 형성된 밸브를 개방한다.
또 다른 하나의 예에서, 상기 배관은 인렛과 아웃렛을 포함하며, 인렛은 액체 질소 저장부와 연결되고, 아웃렛은 배터리 모듈이 수납된 공간과 연결된 배관의 단부에 형성된 분사 노즐과 연결된 구조이다.
본 발명에서 액체 질소를 공급하는 배관은, 액체 질소가 이동하는 통로 역할을 한다. 즉, 센서부에서 배터리 모듈의 이상 작동이 감지되면, 액체 질소가 액체 질소 저장부로부터 나와 이상 작동이 감지된 배터리 모듈이 위치된 영역으로 액체 질소 공급 배관을 따라 이동한다. 이동한 액체 질소는 아웃렛에 형성된 노즐을 통해 배터리 모듈에 분사된다. 이를 통해, 액체 질소를 이용하여 배터리 모듈의 온도를 냉각시킴으로써, 화재를 신속하게 진압하고, 인접한 배터리 모듈에까지 피해가 확산되는 것을 방지한다.
예를 들어, 액체 질소 저장부는 액체 질소를 보관하는 곳으로, 온도와 적정 분압을 유지하게 된다. 액체 질소 저장부는, 철근 콘크리트, 니켈강, 스테인리스 강, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스티로폼 등으로 형성될 수 있다. 또한, 단열이 요구되는 경우에는, 단열재를 추가 적용하여 열적 특성을 만족할 수 있다. 상기 액체 질소 저장부는 안정성을 높이기 위하여 둘 이상의 물질을 이용하여 다중층으로 설계 가능하다.
본 발명에서, 배터리 모듈은 하나 이상의 벤팅홀이 형성된 구조이고, 상기 분사 노즐에 의한 분사 방향은 상기 벤팅홀을 향하는 방향이다. 배터리 셀은 충전과 방전을 반복하는 과정에서, 배터리 셀 내부에서 가스가 발생할 수 있다. 배터리 셀 내부의 가스량이 설정량을 초과하는 경우에는, 배터리 셀 내부의 가스가 벤팅홀을 통해 배출된다. 배출된 가스는 내부 유로를 통해 배터리 모듈의 벤팅홀을 통해서 배출된다. 따라서, 분사 노즐에 위해 액체 질소의 분사 방향이 배터리 모듈에 형성된 벤팅홀을 향하도록 함으로써, 보다 효과적으로 열 전파를 차단하고 초기 화재 진압이 가능하다. 더불어, 배터리 셀의 벤팅홀 부근에는 배출되는 가스를 감지하는 가스 센서가 설치된 구조일 수 있다.
혹은, 상기 배터리 모듈은 둘 이상의 배터리 셀들이 집합된 구조이며, 상기 배터리 셀은 각각 하나 이상의 벤팅홀이 형성된 구조이다. 이 경우, 상기 분사 노즐에 의한 분사 방향은 배터리 셀에 형성된 벤팅홀을 향하는 방향이다. 본 발명에서는, 분사 노즐에 의한 분사 방향을 배터리 셀에 형성된 벤팅홀을 향하도록 설계함으로써, 화재의 확산을 효과적으로 차단할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자동차는 앞서 설명한 배터리 팩들 중 어느 하나를 포함한다.
이하, 도면을 통해 본 발명을 구체적으로 설명하나, 본 발명의 권리 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
실시 형태
도 2 및 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 배터리 팩의 모식도이다.
도 2 및 3를 참조하면, 본 발명에 따른 자동차용 배터리 팩은 다수의 배터리 모듈(100)들이 상기 배터리 모듈(100)을 수납하는 팩 케이스(120) 내에 거치된 구조이다. 도 2에서는 32개의 배터리 모듈(100)들이 수납된 구조를 개시한다. 또한, 도 3은 도2에 개시된 자동차용 배터리 팩의 구조를 보다 명확히 설명하기 위해서, 배터리 모듈(100)과 배관(200)을 통해 액체 질소를 공급하는 액체 질소 공급부를 확대하여 도시한 것이다.
팩 케이스(120)는 복수 개의 배터리 모듈(100)들을 수납하는 공간을 제공하며, 액체 질소를 공급하는 배관(200)이 팩 케이스(120)내에 구비되어 있다. 상기 배관(200)의 인렛은 엑체 질소 저장부(220)와 연결되고, 배관(220)의 아웃렛에는 노즐(230)이 체결된 구조이다.
도 3을 참조하면, 팩 케이스(120)내에 구비된 배관(200)의 끝에는 노즐(230)이 위치하며, 밸브(210)에 의해 개폐가 결정된다.
상기 노즐(230)의 분사 방향은 배터리 모듈(100)의 벤팅홀(110)을 향하는 방향이다. 배터리 모듈(100)의 이상 작동으로 인해 내부 가스가 외부로 유출되는 과정에서, 상기 벤팅홀(110)을 통해 내부 가스가 유출된다. 본 발명에서는, 노즐(230)의 분사 방향이 벤팅홀(110)을 향하도록 설계함으로써, 배터리 모듈(100)의 이상 작동 시 열 전파를 효과적으로 차단하고 화재를 초기에 진압 가능하다.
또한, 팩 케이스(120) 내부는 센서부(300)가 형성된 구조일 수 있다. 상기 센서부(300)는 온도 센서(310)와 가스 센서(320)를 포함한다. 배터리 모듈의 구조 내지 수납 방향에 따라 구조 설계는 변경될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈 내에 화재가 발생하였을 때 화재를 진압하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 자동차용 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 단계(S10)는 온도 센서(310) 및 가스 센서(320) 중 어느 하나 이상을 포함하는 센서부(300)에 의하여 배터리 모듈(100)의 이상 작동을 감지하는 단계이다. 센서부(300)는 배터리 모듈(100) 주위에서 데이터를 수집한다. 이후, 제2 단계는 센서부(300)의 측정 값이 기존에 설정된 기준치 값을 벗어나는지 여부를 판단하는 단계로, 센서부(300)에서 수집한 데이터를 바탕으로 배터리 모듈(100)의 작동을 점검한다. 최종적으로, 배터리 모듈의 작동에 이상이 있다고 판단되면, 해당 배터리 모듈에 액체 질소가 분사되는 제3 단계(S30)를 통해 화재를 진압한다. 이는 배터리 모듈 내부에서 발생하는 화재를 감지하여 초기 화재에 신속하게 대응할 수 있게 함으로써, 피해를 줄이는데 큰 역할을 한다.
100: 배터리 모듈
110: 벤팅홀
120: 팩 케이스
200: 배관
210: 밸브
220: 액체 질소 저장부
230: 노즐
300: 센서부
310: 온도 센서
320: 가스 센서

Claims (7)

  1. 하나 또는 둘 이상의 배터리 모듈;
    배터리 모듈을 수납하는 팩 케이스;
    배터리 모듈의 이상 작동을 감지하는 센서부; 및
    배관을 통해 액체 질소를 공급하는 액체 질소 공급부를 포함하는 자동차용 배터리 팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배관 상에 형성되며, 배관의 유로를 개폐하는 밸브; 및
    상기 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하며,
    센서부에서 배터리 모듈의 이상 작동이 감지되면, 제어부는 밸브를 개방하는 구조인 자동차용 배터리 팩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    배터리 모듈이 둘 이상 구비되며,
    상기 액체 질소 공급부는, 팩 케이스 내에 구비된 배관을 통해 액체 질소를 공급하고,
    센서부에서 배터리 모듈의 이상 작동이 감지되면, 이상 작동이 감지된 배터리 모듈에 선택적으로 액체 질소를 공급하는 자동차용 배터리 팩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서부는, 온도 센서 및 가스 센서 중 어느 하나 이상을 포함하는 자동차용 배터리 팩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배관은,
    인렛은 액체 질소 저장부와 연결되고,
    아웃렛은 배터리 모듈을 향하는 배관의 단부에 형성된 분사 노즐과 연결된 구조인 자동차용 배터리 팩.
  6. 제 5 항에 있어서,
    배터리 모듈은 하나 이상의 벤팅홀이 형성된 구조이고, 상기 분사 노즐에 의한 분사 방향은 상기 벤팅홀을 향하는 방향인 자동차용 배터리 팩.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 배터리 팩을 포함하는 자동차.
KR1020220065586A 2022-05-27 2022-05-27 액체 질소를 이용한 소화 설비가 적용된 자동차용 배터리 팩 및 이를 포함하는 자동차 KR20230165606A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160020234A (ko) 2014-08-13 2016-02-23 현대자동차주식회사 배터리팩 자동 소화 장치 및 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160020234A (ko) 2014-08-13 2016-02-23 현대자동차주식회사 배터리팩 자동 소화 장치 및 방법

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