KR102402209B1 - 안전성이 강화된 이차전지 모듈 냉각 및 소화 시스템 - Google Patents

안전성이 강화된 이차전지 모듈 냉각 및 소화 시스템 Download PDF

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박상호
이상근
이준형
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Abstract

본 발명은 안전성이 강화된 이차전지 모듈에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 단위 전지에 구성된 안전 벤트의 방향을 이차전지 모듈의 하부 방향으로 배치하고, 이상반응 발생시 액상 소화약제 및/또는 냉각수를 이차전지 모듈에 투입하여 냉각효과에 의한 열폭주 확산 억제 및 오프 가스 또는 화염의 방향을 제어함으로써 비정상적인 반응에 의한 열폭주를 제어하여 이차전지 모듈/팩의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

안전성이 강화된 이차전지 모듈 냉각 및 소화 시스템{Cooling and fire extinguishing system of secondary battery module with enhanced safety}
본 발명은 이차전지 모듈/팩에 있어서 전지의 충방전에 따른 온도 상태를 관리하는 온도 관리 시스템을 통해 이차전지 모듈의 화재 이상징후를 감지하여 이를 신속하게 냉각 및 소화시킬 수 있도록 이차전지 모듈 내의 각 단위 전지에 연결되어 단위 전지의 온도를 검출하는 전지 온도 관리시스템과 상기 전지관리시스템에 연결되어 전지관리시스템의 제어신호에 따라 상기 이차전지 모듈 내로 냉각 및 소화물질을 분출하기 위한 소화장치를 포함하는 이차전지 모듈의 냉각 및 소화 시스템을 제공하고자 하는 것이다. 특히 본 발명에서는 단위 전지(셀)에서 배출되는 오프 가스 배출 방향을 이차전지 모듈의 하부를 향하게 배치하여 소화약제 및/또는 냉각수 투입에 따른 가연성 오프가스 및 불꽃에 의한 열 폭주를 효과적으로 차단하여 화재 확산을 방지할 수 있다.
본 발명은 전기자동차(xEV) 및 에너지저장시스템(ESS)의 주요 에너지 저장원으로 사용되는 리튬이차전지의 안전성 향상에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 전지를 연결하여 구성된 이차전지 모듈에서 이상 징후를 감지하고 화재를 억제하기 위한 방어단계 이후에도 불구하고 비 정상적인 온도 상승 및 가연성 오프 가스 배출로 전개될 시 이를 냉각 소화시킬 수 있도록 오프가스 배출구(벤트)를 고려하여 단위 전지를 배치한 안전성이 향상된 이차전지 모듈 및 팩에 관한 것이다.
최근 전기자동차는 1회 충전에 따른 주행거리를 늘이기 위해 고에너지밀도를 가지는 이차전지가 수십개에서 많게는 수백개까지 직렬 및/또는 병렬 연결을 통해 배터리 모듈을 구성하고 상기 모듈로 구성된 이차전지 팩으로 구성하고 있다.
리튬이차전지는 외부 케이스의 형태에 따라 원통형, 각형, 파우치형으로 구분되는데, 원통형과 각형은 스틸 또는 알루미늄 캔으로 제조되고 있으며, 이차전지의 비 이상적 징후로 이내 단위셀 안에 가스가 발생하더라도 일정 압력까지 억제 후 한번에 배출되도록 안전 벤트가 설계되어 있다.
원통형 이차전지의 경우 특정 압력 이상으로 단위셀의 내압이 증가할 시 CID에 설계된 안전 벤트가 파열되면서 단위셀 내부에서 압축된 오프 가스가 벤트 구멍을 통해 배출되며 이때 내부 합선 등의 불꽃이 발생하게 되면 화염과 함께 열폭주에 이르게 되어 인접 셀들에도 열전도가 발생하여 연속적인 열 폭주 현상이 발생하게 된다.
종래기술은 단위 전지의 오프가스 안전 벤트의 방향을 고려하지 않고 모듈을 구성하고 있어, 원통형 전지의 경우 양극 단자, 각형 전지의 경우 양,음극 단자 방향인 전지 상단에 설계되어 있어 오프 가스 및 화염 발생시 상단으로 치솟게 되어 있어 소화 약제 또는 주수시 셀 내부에 함침되어 냉각 및 소화에는 효과를 나타내기에 어려운 구조적인 단점이 있다.
특히, 전기자동차의 경우 승객 좌석 하단에 배터리 팩(모듈)을 배치하게 되어, 열폭주에 의한 화재 발생시 오프 가스와 화염은 상향 방향으로 치솟을 수 밖엔 없어 승객의 안전에 치명적인 구조적 단점이 있다.
따라서, 전지자동차에 형성되는 복수의 이차전지 모듈을 포함하는 배터리 팩의 열폭주를 효과적으로 제어할 수 있는 냉각 및 소화시스템을 포함하는 이차전지 모듈에 대한 기술개발이 요구된다.
한국 특허등록번호 제 10-0232626호 ('특허문헌 1') 한국 특허등록번호 제 10-09322227호 ('특허문헌 2') 한국 공개특허번호 제 10-2021-0016827호 ('특허문헌 3')
본원 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 이차전지 모듈 설계시 단위 전지의 오프가스 안전 벤트의 방향이 이차전지 모듈의 하부를 향하게 설계하여 비 이상 반응에 의한 급격한 온도상승에 따른 오프 가스 및 화염 발생시 이를 효과적으로 차단하는 이차전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원 발명에 따른 이차전지 모듈은, 단위 전지(2); 복수의 상기 단위 전지가 장착된 이차전지 모듈(1); 상기 이차전지 모듈의 온도를 모니터링 할 수 있는 온도 센서(3); 및 상기 이차전지 모듈의 내측 일면에 형성된 오프가스 검출기(4);를 포함하고, 상기 이차전지 모듈의 하부 방향으로 수평 배치된 안전벤트(18);가 일면에 형성된 상기 단위 전지를 포함하는 이차전지 모듈일 수 있다.
또한, 상기 오프가스 검출기의 대향면에 형성된 액상 소화약제 및/또는 냉각수를 구비한 소화액저장조(6);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 액상 소화약제 및/또는 냉각수는 이차전지 모듈의 하부에서 투입될 수 있다.
또한, 상기 이차전지 모듈은 측면과 하부면이 밀폐형으로 구성되어 상기 액상 소화약제 및/또는 냉각수를 채울 수 있는 구조로 이루어 질 수 있다.
또한, 상기 이차전지 모듈의 상부 일측면에는 상기 액상 소화약제 및/또는 냉각수가 순환될 수 있게 토출부;를 구성할 수 있다.
또한, 복수의 상기 이차전지 모듈을 포함하는 전기자동차용 이차전지 팩일 수 있다.
또한, 복수의 상기 이차전지 모듈을 포함하는 에너지저장장치(ESS)용 이차전지 랙 일 수 있다.
본원 발명은 또한, 상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.
본 발명의 이차전지 모듈/팩의 구성에 따르면, 모듈 내 단위 전지의 이상 반응 발생시 온도 검출에 따른 액상 소화약제 또는 냉각수를 모듈에 직접 투입하여 단위 전지의 냉각에 따른 가연성 오프가스의 배출을 억제할 수 있으며, 추가 이상 반응에 따라 오프가스가 발생하더라도 전기적인 스파크에 의한 화염을 줄일 수 있는 효과를 가진다.
더욱이, 이차전지 모듈내 채워진 액체형 소화약제 및/또는 냉각수가 안전벤트에서 배출되는 오프가스의 냉각 및 최초 발생 가능한 화염을 효과적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
특히, 이상반응이 발생한 이차전지 모듈에만 액상형 소화약제 및/또는 냉각수가 방출되어, 향후 이상 반응이 발생한 이차전지 모듈만 교체함으로써 전기자동차용 전지 팩 또는 에너지저장장치(ESS)의 전체 시스템 유지 보수 비용을 절감할 수 있어 경제성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 모듈의 단면도 이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소화약제 및/또는 냉각수의 효과를 나타내는 단면도 이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원통형과 각형 이차전지의 단면도 이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 이차전지 모듈/팩 구성의 단면도 이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에너지저장장치(ESS)의 모듈/랙 구성의 단면도 이다.
도 6는 본 발명의 이차전지 모듈에서의 냉각/소화 작용의 작동 로직이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다.
또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 어느 실시예에 대한 한정 또는 부가사항은 특정한 실시예에 적용될 뿐 아니라, 그 외 다른 실시예들에 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 내압 안전 벤트가 설치된 면을 이차전지 모듈의 하부 방향으로 배치하고, 모듈 내 단위 전지의 비 정상적 반응에 따른 온도 모니터링 시스템과, 열 폭주 전 내부 압력의 증가에 따라 배출되는 가스를 검출할 수 있는 오프 가스 검출기, 온도 모니커링 시스템과 오프 가스 검출기로부터 특정 온도 및 오프 가스 검출시 액상 소화약제 및/또는 냉각수를 투입할 수 있는 투입구;로 이루어 지며, 상기 투입되는 액상 소화약제 및/또는 냉각수가 단시간에 채워질 수 있도록 모듈의 측면과 하부 3면은 밀폐 구조를 이루는 모듈에 의해 달성된다.
여기서 액상 소화약제 및/또는 냉각수가 순환될 수 있게 배출구를 추가로 장착할 수 있다.
또한, 액상 소화약제 및/또는 냉각수의 저장은 이차전지 모듈의 상단에 부착될 수 도 있으며, 이차전지 모듈 측면부를 활용할 수 있어, 사용하고자 하는 전지 팩(랙)의 설계에 따라 용이하게 변경이 가능하다.
도면 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 모듈의 모습을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도면 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각/소화 시스템이 단위 전지의 이상반응 발생시 내압 상승에 따른 배출 가스(오프가스)의 배출 방향 및 화염의 진행 억제 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도면 1,2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 모듈(1)은 안전 벤트(18) 방향이 모듈의 하부를 향하게 배치되어 있고, 단위 전지에서 과충전 등 이상반응에 따른 온도 상승시 이를 감지하여 액상 소화약제 및/또는 냉각수를 투입하여 1차적으로 안전을 확보하게 된다.
추가 이상 반응에 따른 오프가스(8) 또는 화염(9)이 발생 하더라도 이미 채워진 액상 소화약제 및/또는 냉각수로 인하여 화염의 발생을 억제하고, 이상 반응에서 발생된 반응 열이 인접 단위 전지에 전도되는 것을 차단하게 된다.
도면 3은 이차전지 모듈에서 이상반응 발생에 따른 단위 전지의 온도상승(S1)시 온도 모니터링 시스템에서 감지(S3)하고, 급격한 온도 상승 또는 단위 전지가 오프가스 배출시 소화약제 및/또는 냉각수를 방출하여 단위 전지의 열폭주 단계까지 진행을 억제한다. 바람직하게는 과충전 또는 과열에 의한 고온 발생시 1차 냉각/소화 약제 투입을 진행하여 열 폭주를 차단하는 이차전지 모듈이다.
단위 전지에 설계된 안전 벤트의 방향을 이차전지 모듈 하부에 배치하고, 단위 전지에서 이상 온도 발생시 액체 소화약제 및/또는 냉각수를 이차전지 모듈에 일시에 방사해 열폭주로 전이하기 전에 배출되는 오프 가스 및 화염을 용이하게 차단할 수있는 배터리 모듈/팩을 제공한다.
원통형 이차전지의 경우 양극 단자의 방향을 모듈의 아래로 배치하고, 각형 전지의 경우에도 안전 벤트가 형성되어 있는 면을 모듈의 아래 방향으로 구분하여 장착할 수 있다.
상기 절연체는 상기 원통형 전지의 절연을 위해 형성될 수 있다. 상기 절연체는 가스켓일 수 있다.
상기 절연와셔는 상기 원통형 전지의 쇼트를 방지하기 위하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 모듈은 바닥 면과 측면부 3면은 밀폐 구조로 형성하여 투입된 액체형 소화약제 및/또는 냉각수가 이차전지 모듈 하단부터 채워질 수 있는 구조를 추가로 포함할 수 있다.
이러한 모듈은 밀폐형 구조가 바람직하지만, 공냉을 주로 이용하는 에너지저장장치(ESS)의 경우 모듈 상부에 냉각 시스템을 추가로 포함할 수도 있다.
나아가 액상 소화약제 및/또는 냉각수의 냉각 효과를 높이기 위해 투입구 외에 토출부를 추가로 배치할 수 있고, 토출부는 이차전지 모듈 상단에 배치하는 것이 바람직하고, 본 발명에 따른 이차전지 팩은, 상기 이차전지 모듈을 적어도 하나 이상으로 구성할 수 있다.
상기 안전 벤트는 단위 전지의 열폭주로 인한 이상상태시 내부 가스를 배출하는데 이용될 수 있다.
상기 안전 벤트는 상기 단위전지의 일면에 벤트 홀로 형성될 수 있다.
상기 벤트 홀은 상기 단위전지의 전극탭이 형성된 방향에 형성될 수 있다.
상기 토출부는 자동 밸브(7)에 의해 액상 소화약제 및/또는 냉각수의 토출량을 조절할 수 있다.
상기 자동 밸브를 이용한 토출량은 상기 온도 센서, 오프가스 검출기에서 센싱된 정보를 이용하여 온도/오프가스 제어기를 통하여 운영될 수 있다.
본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
1 : 이차전지 모듈
2 : 단위 전지
3 : 온도 센서
4 : 오프가스 검출기
5 : 온도/오프가스 제어기
6 : 소화액저장조
7 : 자동 밸브
8 : 오프 가스
9 : 화염
10 : 팩
11 : 음극
12 : 분리막
13 : 양극
14 : 양극 탭
15 : 절연체
16 : 양극 단자
17 : 음극 단자
18 : 안전 벤트
19 : Positive temperature coefficient(PTC)
20 : Current interrupting device (CID)
21 : 절연 와셔

Claims (7)

  1. 단위 전지(2);
    복수의 상기 단위 전지가 장착된 이차전지 모듈(1);
    상기 이차전지 모듈의 온도를 모니터링 할 수 있는 온도 센서(3); 및
    상기 이차전지 모듈의 내측 일면에 형성된 오프가스 검출기(4);를 포함하고,
    상기 이차전지 모듈의 하부 방향으로 수평 배치된 안전벤트(18);가 일면에 형성된 상기 단위 전지를 포함하며,
    상기 오프가스 검출기의 대향면에 형성된 액상 소화약제 및 냉각수를 구비한 소화액저장조(6);를 포함하고,
    상기 액상 소화약제 및 냉각수는 이차전지 모듈의 하부에서 투입되며,
    상기 이차전지 모듈은 측면과 하부면이 밀폐형으로 구성되어 상기 액상 소화약제 및 냉각수를 채울 수 있는 구조로 이루어지고,
    상기 이차전지 모듈의 상부 일측면에는 상기 액상 소화약제 및 냉각수가 순환될 수 있게 토출부;를 구성하는 이차전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 따른, 복수의 상기 이차전지 모듈을 포함하는 전기자동차용 이차전지 팩.
  7. 제1항에 따른, 복수의 상기 이차전지 모듈을 포함하는 에너지저장장치(ESS)용 이차전지 랙.
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KR100232626B1 (ko) 1997-08-27 1999-12-01 정몽규 전기 자동차용 전지모듈 일체화구조
KR100932227B1 (ko) 2005-09-02 2009-12-16 주식회사 엘지화학 이차전지 및 이를 포함하는 전지모듈
JP2012015121A (ja) * 2011-09-06 2012-01-19 Sanyo Electric Co Ltd 電源装置
KR20210016827A (ko) 2019-08-05 2021-02-17 주식회사 엘지화학 복수의 원통형 전지셀을 구비한 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 및 자동차
KR20210056270A (ko) * 2019-11-08 2021-05-18 주식회사 엘지화학 배터리 모듈, 및 이를 포함하는 배터리 랙 및 전력 저장 장치

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