WO2022154278A1 - 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템 - Google Patents
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Definitions
- the present invention can provide an effect of preventing thermal runaway of an energy storage system and an initial suppression effect in case of fire through rapid cooling when thermal runaway is expected in an energy storage system (ESS) using a lithium ion battery or the like.
- ESS energy storage system
- FIGS. 1 and 2 a configuration of a thermal runaway prevention and fire prevention system of an energy storage system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 .
- the airflow guide unit 140 enables the low-temperature carbon dioxide gas and the fine atomized droplets to be released from the inner portion divided by the wing portions at both ends to generate a high-pressure low-temperature airflow.
- the thermal runaway prevention and fire prevention system of the energy storage system lowers the oxygen concentration to 14% or less when detecting an abnormal temperature rise of the battery module 150 and ambient emission gas by using low-temperature carbon dioxide gas. , it is possible to quickly take preliminary measures for extinguishing fire when the battery module 150 is ignited through the penetration of fine spray water.
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Abstract
본 발명은 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템에 관한 것으로, 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)의 배터리 모듈의 온도 상승 변화가 가속되는 열폭주 증상을 감지하는 감지부; 상기 감지부의 제어에 의해 저온 이산화탄소 가스를 상기 배터리 모듈 측으로 방출하는 이산화탄소 방출 밸브; 상기 방출 밸브의 단부에 배치되어, 상기 저온 이산화탄소 가스를 상기 배터리 모듈 측으로 방출하여 고압의 저온 기류를 생성하는 기류 생성부; 및 상기 감지부의 제어에 의해 미분무 액적(Watermist spray)을 상기 배터리 모듈 측으로 방출하는 미분무 방출 밸브;를 포함하여 구성된다.
Description
본 발명은 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이상 온도 상승과 방출 가스 감지를 통해 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지와 화재를 예방할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
최근 에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)에 의한 화재가 이슈가 되고 있다.
ESS는 전기적 에너지로 저장하고 필요할 때 사용할 수 있도록 공급하는 시스템으로, 에너지저장장치(Battery), 전력변환장치(PCS: Power Conditioning System) 및 에너지관리시스템(EMS/PMS: Energy Management System/Power Management System)으로 구성된다.
이때, 에너지저장장치(battery)는 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬로 연결된 복수의 배터리 랙으로 구성된다. 각각의 랙은 복수의 모듈들을 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬로 연결한다.
각각의 모듈은 복수의 셀들을 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬로 연결한다. 특히, 리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높고 기억 효과가 없으며, 사용하지 않을 때에도 자가방전이 일어나는 정도가 작기 때문에 시중의 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다.
이 외에도 에너지 밀도가 높은 특성을 이용하여 방산업이나 자동화 시스템, 그리고 항공산업 분야에서도 점점 그 사용 빈도가 증가하는 추세이다
그러나, 리튬이온 전지는 에너지 밀도가 높기 때문에 복수의 배터리랙 중 일부 영역에서 화재가 발생한 경우에도 인근에 설치된 배터리랙으로 화재가 빠르게 확산되는 문제가 있다.
또한, 리튬이온 전지는 사용 빈도에 따라 충전 용량이 달라지기 때문에 배터리용량 보다 과충전될 경우 배터리가 발열하면서 ESS화재 발생의 원인이 될 수 있다.
그 뿐만 아니라, 배터리관리시스템(BMS)의 오류, 서지, 지락, 설치오류, 환경문제 등이 ESS화재 발생의 원인이 될 수도 있다.
그에 따라, 화재로 이어질 수 있는 일부 배터리의 안전문제가 발생했을 때에 이것의 예방 및 인근 배터리로 확산되는 것을 방지할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 리튬 이온 배터리 등을 이용하는 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)에서 열폭주 발생 예상 시 급속한 냉각을 통하여 에너지 저장 시스템의 열폭주 발생 방지 효과 및 화재 시 초기 진압을 제공하고자 한다.
전술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템은 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)의 배터리 모듈의 온도 상승 변화가 가속되는 열폭주 증상을 감지하는 감지부; 상기 감지부의 제어에 의해 저온 이산화탄소 가스를 상기 배터리 모듈 측으로 방출하는 이산화탄소 방출 밸브; 상기 방출 밸브의 단부에 배치되어, 상기 저온 이산화탄소 가스를 상기 배터리 모듈 측으로 방출하여 고압의 저온 기류를 생성하는 기류 생성부; 및 상기 감지부의 제어에 의해 미분무 액적(Watermist spray)을 상기 배터리 모듈 측으로 방출하는 미분무 방출 밸브;를 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 미분무 방출 밸브는 상기 감지부의 제어에 의해 미분무 액적(Watermist spray)을 방출하여 상기 기류 생성부를 통해 방출되는 상기 고압의 저온 기류에 상기 미분무 액적을 포함시켜 상기 배터리 모듈 측으로 방출하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 랙(lack) 상에 적층되는 배터리 모듈(150)의 적층 방향으로 배치되는 기류 가이드부;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 기류 생성부는 상기 방출된 상기 기류 가이드부를 통해, 상기 고압의 저온 기류가 상대적으로 낮은 기압의 배터리 모듈 측으로 유입되도록 할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 기류 생성부 및 상기 기류 가이드부의 배치 구조에 의해, 상기 기류 가이드부의 내측의 기압(P1), 상기 배터리 모듈 내의 기압(P2) 및 상기 배터리 모듈 상에서 상기 기류 가이드부의 반대측의 기압(P3)이 순차적으로 낮게 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 각각의 상기 이산화탄소 방출 밸브, 상기 기류 생성부, 상기 미분무 방출 밸브 및 상기 기류 가이드부는 복수개의 상기 배터리 모듈에 각각 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 고압의 저온 기류는 산소농도 14% 이하의 고압 저온 기류로 형성되고, 상기 미분무 액적은 200 내지 500 ㎛의 입자로 구성될 수 있다.
본 발명은 리튬 이온 배터리 등을 이용하는 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)에서 열폭주 발생 예상 시 급속한 냉각을 통하여 에너지 저장 시스템의 열폭주 발생 방지 효과 및 화재 시 초기 진압 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템의 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템의 기류 생성에 따른 냉각 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템의 설치 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템의 부분 확대도이다.
이후부터는 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템의 구성을 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템은 감지부(미도시), 이산화탄소 방출 밸브(110), 기류 생성부(120) 및 미분무 방출 밸브(130), 기류 가이드부(140) 및 배터리 모듈(150)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 감지부(미도시)는 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)의 배터리 모듈의 온도 상승 변화가 가속되는 열폭주 증상을 감지하며, 보다 구체적으로 이상적인 온도에서의 상승, 방출가스 감지 등과 같은 열폭주 전조 증상을 감지하는 센서로 구성될 수 있다.
이산화탄소 방출 밸브(110)는 상기 감지부(미도시)의 감지에 의한 제어에 의해 저온 이산화탄소 가스를 상기 배터리 모듈(150) 측으로 방출한다.
보다 상세하게 설명하면, 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)의 배터리 모듈(150)은 랙(lack) 상에 적층되도록 배치될 수 있으며, 상기 이산화탄소 방출 밸브(110)는 저온 이산화탄소 가스를 상기 배터리 모듈(150) 측으로 방출할 수 있다.
이때, 상기 이산화탄소 방출 밸브(110)는 저온 이산화탄소 가스의 방출 시에 액화에서 기체로의 상변화를 통해 저온 기류를 형성 할 수 있으며, 보다 구체적으로 약 -20℃의 이산화탄소 가스를 저속으로 방출 할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면 이와 같은 이산화탄소의 방출에 의해 주울-탐슨 효과를 이용한 냉각을 제공할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 방출 밸브(110)의 단부에는 기류 생성부(120)가 배치되며, 보다 구체적으로 상기 기류 생성부(120)는 확산형 후드 형태로 구성될 수 있다.
상기 기류 생성부(120)는 상기 이산화탄소 방출 밸브(110)로부터의 저온 이산화탄소 가스를 상기 배터리 모듈(150) 측으로 방출하여 고압의 저온 기류를 생성할 수 있으며, 그에 따라 산소농도 14% 이하의 고압 저온 기류를 형성할 수 있다.
또한, 미분무 방출 밸브(130)는 상기 감지부(미도시)의 제어에 의해 미분무 액적(Watermist spray)을 상기 배터리 모듈(150) 측으로 방출한다. 이때 상기 미분무 액적은 200 내지 500 ㎛의 입자로 구성될 수 있으며, 이와 같이 200 내지 500 ㎛의 크기 입자의 미분무 액적을 사용하는 경우에는 배터리 모듈(150)에 전기적 문제가 발생하는 것을 최소화할 수 있다.
이와 같이, 상기 미분무 방출 밸브(130)는 미분무 액적(Watermist spray)을 방출하여 상기 기류 생성부(120)를 통해 방출되는 상기 고압의 저온 기류에 상기 미분무 액적을 포함시켜 상기 배터리 모듈(150) 측으로 방출할 수 있다.
이때, 상기 미분무 방출 밸브(130)를 통해 방출되는 미분무 액적(Watermist spray)은 상기 배터리 모듈(150)의 온도 하강을 가속화하기 위한 것으로서, 미분무수는 강화액으로서 어는 점이 -20℃ 이하인 것을 사용할 수 있다. 이와 같이 미분무 액적을 사용함으로써 배터리 모듈(150)에 전기적 문제가 발생하는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 기류 가이드부(140)는 랙(lack) 상에 적층되는 배터리 모듈(150)의 적층 방향으로 배치될 수 있다. 즉, 상기 기류 가이드부(140)는 다수의 상기 배터리 모듈(150)이 적층되는 상부의 주변에서, 상기 고압의 저온 기류가 방출되는 방향으로는 배치될 수 있다.
따라서, 상기 기류 가이드부(140)는 양단의 날개 부분으로 구획된 내부 부분에서 상기 방출된 저온 이산화탄소 가스와 미분무 액적이 높은 압력의 저온 기류를 생성할 수 있도록 한다.
이와 같이 기류 생성부(120)는 상기 기류 가이드부(140)를 통해 상기 고압의 저온 기류가 상대적으로 낮은 기압의 배터리 모듈(150) 측으로 유입되도록 할 수 있다.
이때, 상기 기류 가이드부(140)는 상기 배터리 모듈(150)이 배치되는 측의 반대면이 개방되어 지나치게 압력이 상승되는 문제의 발생을 방지하면서도, 인접한 랙(lack)의 배터리 모듈(150)로 미분무 액적이 비산하는 것을 최소화 할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템은 저온 이산화탄소 가스를 배터리 모듈(150)의 이상 온도 상승 및 주변 방출 가스 감지 시에 산소농도를 14% 이하로 낮추고, 미분무수 침투를 통해 배터리 모듈(150)의 발화 시 소화를 위한 예비 조치를 신속하게 취할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템의 기류 생성에 따른 냉각 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따르면 국소적 압력 차이를 이용하여 고압의 이산화탄소 기류 및 미분무 입자를 통해 배터리 모듈(150) 내로의 진입을 가속하도록 할 수 있다.
도 3을 참조하면, 기류 생성부(120)는 상기 기류 가이드부(140)를 통해 상기 고압의 저온 기류가 상대적으로 낮은 기압의 배터리 모듈(150) 측으로 유입되도록 할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 고압의 저온 기류는 상기 이산화탄소 방출 밸브(110)로부터 방출된 저온 이산화탄소 가스에 상기 미분무 방출 밸브(130)에서 방출된 미분무 액적이 포함되어 구성되며, 이와 같이 구성된 고압의 저온 기류는 배터리 모듈(150) 측으로 유입된다.
이를 위하여, 상기 기류 생성부(120) 및 상기 기류 가이드부(140)의 배치 구조에 의해, 상기 기류 가이드부(140)의 내측의 기압(P1), 상기 배터리 모듈(150) 내의 기압(P2) 및 상기 배터리 모듈(150) 상에서 상기 기류 가이드부(140)의 반대측의 기압(P3)이 순차적으로 낮게 형성되도록 구성될 수 있다(P1 > P2 > P3).
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면 배터리 모듈(150)의 랙(lack) 전체에 상기 고압의 저온 기류가 침투되도록 한다.
즉, 열폭주가 하나의 배터리 모듈에서 발생하여 다른 모듈을 가열하면 연속적인 열폭주 확대 및 화재 확대가 발생할 수 있으므로, 하나의 배터리 모듈에서 열폭주 발생 시 해당 배터리 모듈 및 인접 배터리 모듈에 모두 기류를 침투시켜 냉각하여 화재 예방 조치를 신속하게 취할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템의 설치 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템은 다수의 랙(lack)이 설치되고, 또한 각각의 랙(lack)에는 다수의 배터리 모듈(150)이 적층되도록 배치될 수 있다.
각 랙(lack)에 적층된 배터리 모듈(150)에는 이산화탄소 방출 밸브(110), 기류 생성부(120), 상기 미분무 방출 밸브(130) 및 상기 기류 가이드부(140)가 각각 별도로 설치될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템의 구성은 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)의 화재 발생 시 초기 대응을 위한 것으로서, 추가적으로 스프링클러를 더 포함하도록 구성되어 초기 화재 단계를 지난 2차 화재의 본격적인 진압이 가능하도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명은 리튬 이온 배터리 등을 이용하는 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)에서 열폭주 발생 예상 시 급속한 냉각을 통하여 에너지 저장 시스템의 열폭주 발생 방지 효과 및 화재 시 초기 진압 효과를 제공할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (7)
- 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)의 배터리 모듈의 온도 상승 변화가 가속되는 열폭주 증상을 감지하는 감지부;상기 감지부의 제어에 의해 저온 이산화탄소 가스를 상기 배터리 모듈 측으로 방출하는 이산화탄소 방출 밸브;상기 방출 밸브의 단부에 배치되어, 상기 저온 이산화탄소 가스를 상기 배터리 모듈 측으로 방출하여 고압의 저온 기류를 생성하는 기류 생성부; 및상기 감지부의 제어에 의해 미분무 액적(Watermist spray)을 상기 배터리 모듈 측으로 방출하는 미분무 방출 밸브;를 포함하는 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템.
- 청구항 1에 있어서,상기 미분무 방출 밸브는,상기 감지부의 제어에 의해 미분무 액적(Watermist spray)을 방출하여 상기 기류 생성부를 통해 방출되는 상기 고압의 저온 기류에 상기 미분무 액적을 포함시켜 상기 배터리 모듈 측으로 방출하는 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템.
- 청구항 1에 있어서,랙(lack) 상에 적층되는 배터리 모듈(150)의 적층 방향으로 배치되는 기류 가이드부;를 더 포함하는 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템.
- 청구항 3에 있어서,상기 기류 생성부는,상기 방출된 상기 기류 가이드부를 통해, 상기 고압의 저온 기류가 상대적으로 낮은 기압의 배터리 모듈 측으로 유입되도록 하는 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템.
- 청구항 4에 있어서,상기 기류 생성부 및 상기 기류 가이드부의 배치 구조에 의해,상기 기류 가이드부의 내측의 기압(P1), 상기 배터리 모듈 내의 기압(P2) 및 상기 배터리 모듈 상에서 상기 기류 가이드부의 반대측의 기압(P3)이 순차적으로 낮게 형성되는 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템.
- 청구항 3에 있어서,각각의 상기 이산화탄소 방출 밸브, 상기 기류 생성부, 상기 미분무 방출 밸브 및 상기 기류 가이드부는,복수개의 상기 배터리 모듈에 각각 배치되는 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템.
- 청구항 1에 있어서,상기 고압의 저온 기류는,산소농도 14% 이하의 고압 저온 기류로 형성되고,상기 미분무 액적은,200 내지 500 ㎛의 입자로 구성되는 에너지 저장 시스템의 열폭주 방지 및 화재 예방 시스템.
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