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JP7167361B2 - 超吸水吸収性シートを備えるｅｓｓ - Google Patents

超吸水吸収性シートを備えるｅｓｓ Download PDF

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Description

本発明は、超吸水性シートを備えるエネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ：Ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ）に関し、より詳しくは、バッテリーモジュールの発熱による異常温度上昇が発生した場合において、比較的少ない量の冷却水でも効率的な冷却を可能にするために適用された超吸水性シートを有するＥＳＳに関する。
本出願は、２０２０年２月２７日出願の韓国特許出願第１０－２０２０－００２４４６１号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
複数のバッテリーセルを含むＥＳＳにおいて、一部のバッテリーセルに短絡の発生などの異常が生じて持続的に温度が上昇し、これによってバッテリーセルの温度が臨界温度を超えると、熱暴走現象が発生する。このように一部のバッテリーセルにおいて熱暴走現象が発生すると、安全性のイシューが発生する。
一部のバッテリーセルで起こった熱暴走現象によって当該バッテリーセルを含むバッテリーモジュールで火炎などが発生するようになると、隣接するバッテリーモジュールの温度を急上昇させ、これによって短い時間内にＥＳＳの全体に熱暴走現象が移され得る。
結局、一部のバッテリーセルで発生した熱暴走現象に迅速に対処できない場合、バッテリーセルよりも大きい容量の電池単位であるバッテリーモジュールや複数のバッテリーモジュールを含むサブＥＳＳ単位に熱暴走による被害が拡大され得る。このような熱暴走による被害の拡大に適切に対処できない場合、バッテリーモジュール及びサブＥＳＳ単位における発火及び爆発などの災害につながり、これは財産的な被害のみならず、安全性の問題までも惹起し得る。
したがって、バッテリーモジュールの内部における一部のバッテリーセルで熱暴走現象による火炎が発生する場合、サブＥＳＳ内で火炎の発生範囲が広がることを遮断することが重要である。また、既に一つのサブＥＳＳ内で火炎が全体的に広がった場合であれば、火炎が発生したサブＥＳＳと隣接するサブＥＳＳへ火炎が移されないように消火及び冷却の効率性を高めることが重要である。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、一つのサブＥＳＳ内で火炎が全体的に広がった場合において、火炎が発生したサブＥＳＳと隣接するサブＥＳＳへ火炎が移されないように適切な消火及び冷却が行われるようにすることを目的とする。
また、本発明は、一つのサブＥＳＳに含まれたバッテリーモジュールのうち一部で火炎が発生した場合において、それに隣接するバッテリーモジュールへ火炎が広がらないように適切な消火及び冷却が行われるようにすることを他の目的とする。
但し、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述の課題に制限されず、言及していないさらに他の課題は、下記する発明の説明から当業者にとって明確に理解されるであろう。
上記の課題を達成するための本発明の一実施例によるＥＳＳは、複数のバッテリーモジュールと、前記複数のバッテリーモジュールを収容するバッテリーラックと、を有する複数のサブＥＳＳを含むサブＥＳＳ積層体と、前記複数のサブＥＳＳを収容するＥＳＳハウジングと、前記ＥＳＳハウジングの内部に設けられ、前記ＥＳＳハウジング内部の温度及び煙の少なくともいずれか一つを感知するセンサーと、互いに隣接するサブＥＳＳの間ごとに介在される第１遮断シートと、前記ＥＳＳハウジングの内部に消火薬剤を供給する消火装置と、前記第１遮断シートに冷却水を供給する冷却装置と、を含む。
前記第１遮断シートは、超吸水性シートであり得る。
前記第１遮断シートは、１ｇ当たり２０～２００ｇの冷却水を吸収して保持できる超吸水性ファイバーを含み得る。
前記バッテリーモジュールは、複数のバッテリーセルが積層されて形成されたセル積層体と、前記セル積層体を収容するモジュールハウジングと、を含み得る。
前記複数のバッテリーモジュールは、前記バッテリーラック内で上下へ積層され得る。
前記ＥＳＳは、前記バッテリーラック内で上下方向に沿って互いに隣接するバッテリーモジュールの間に介在される少なくとも一つの第２遮断シートをさらに含み得る。
前記第２遮断シートは、前記バッテリーラックを貫通して前記サブＥＳＳ積層体の積層方向の一側から他側を横切って配置され得る。
前記第１遮断シートは、第１結合スリットを備え、前記第２遮断シートは、前記第１結合スリットに挿入されて前記第１遮断シートに結合し得る。
前記第２遮断シートは、第２結合スリットを備え、前記第１遮断シートは、前記第２結合スリットに挿入されて前記第２遮断シートに結合し得る。
前記第２遮断シートは、超吸水性シートであり得る。
前記第２遮断シートは、１ｇ当たり２０～２００ｇの冷却水を吸収して保持できる超吸水性ファイバーを含み得る。
前記超吸水性ファイバーは、でん粉系素材、セルロース系素材及び合成ポリマー系素材のうち少なくとも一つを含む超吸水性樹脂を含み得る。
前記ＥＳＳは、前記センサーで感知された温度に関わる情報及び煙の発生有無に関わる情報のうち少なくともいずれか一つを参照して前記消火装置及び冷却装置の動作を制御する制御装置をさらに含み得る。
本発明の一面によると、一つのサブＥＳＳ内で火炎が全体的に広がった場合において、火炎が発生したサブＥＳＳと隣接するサブＥＳＳへ火炎が移されないように適切な消火及び冷却が可能になる。
また、本発明の他面によると、一つのサブＥＳＳに含まれたバッテリーモジュールのうち一部に火炎が発生した場合において、それに隣接するバッテリーモジュールへ火炎が広がらないように適切な消火及び冷却が可能になる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明の一実施例によるＥＳＳを示す概念図である 本発明の一実施例によるＥＳＳに適用されるサブＥＳＳ及び第１遮断シートを示す図である。 本発明のバッテリーモジュールを示す図である。 本発明の一実施例によるＥＳＳの消火及び冷却の自動化のための制御ロジッグを示すブロック図である。 本発明の他の実施例によるＥＳＳを示す概念図である。 本発明の他の実施例によるＥＳＳに適用されるサブＥＳＳ、第１遮断シート及び第２遮断シートを示す図である。 本発明の他の実施例によるＥＳＳに適用される第１遮断シートと第２遮断シートとの結合形態を示す図である。 本発明の他の実施例によるＥＳＳに適用される第１遮断シートと第２遮断シートとの結合形態を示す図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
図１～図４を参照して、本発明の一実施例によるＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ）を説明する。
先ず、図１及び図２を参照すると、本発明の一実施例によるＥＳＳは、複数のサブＥＳＳ１００、ＥＳＳハウジング２００、第１遮断シート３００、消火装置４００、冷却装置５００及びセンサー６００を含む。
前記サブＥＳＳ１００は、バッテリーラック１１０と、バッテリーラック１１０内に収容される複数のバッテリーモジュール１２０と、を含む。前記バッテリーラック１１０は、前面と後面が開放された形態を有する。前記複数のサブＥＳＳ１００は、バッテリーラック１１０の側面が互いに対向するように左右方向へ並んで配列されて一つのサブＥＳＳ積層体を形成する。
図２を参照すると、前記複数のバッテリーモジュール１２０は、バッテリーラック１１０内で上下方向へ積層されて一つのモジュール積層体を形成する。
図３を参照すると、前記バッテリーモジュール１２０は、複数のバッテリーセル１２１、バスバーフレーム１２２、モジュールハウジング１２３、エアインレット（ａｉｒ ｉｎｌｅｔ）１２４及びエアアウトレット（ａｉｒ ｏｕｔｌｅｔ）１２５を含む。
前記バッテリーセル１２１は複数が備えられ、複数のバッテリーセル１２１は積層されて一つのセル積層体をなす。前記バッテリーセル１２１としては、例えば、パウチ型のバッテリーセルが適用され得る。前記バッテリーセル１２１は、長手方向の両側へ各々引き出される一対の電極リード１２１ａを備える。
前記バスバーフレーム１２２は一対が備えられ、各々のバスバーフレーム１２２は、セル積層体の幅方向の一側及び他側をカバーする。前記バッテリーセル１２１の電極リード１２１ａは、バスバーフレーム１２２に形成されたスリットを通じて引き出され、折り曲げられてバスバーフレーム１２２によって電気的に接続し得る。
前記モジュールハウジング１２３は、ほぼ直方体形状を有し、内部にセル積層体を収容する。前記モジュールハウジング１２３の長手方向の一側面及び他側面にはエアインレット１２４及びエアアウトレット１２５が形成される。
前記エアインレット１２４は、セル積層体の積層方向の一側、即ち、バッテリーモジュール１２０の長手方向の一側に形成され、モジュールハウジング１２３を貫通するホール形態に形成される。前記エアアウトレット１２５は、セル積層体の積層方向の他側、即ち、バッテリーモジュール１２０の長手方向の他側に形成され、モジュールハウジング１２３を貫通するホール形態に形成される。
前記エアインレット１２４及びエアアウトレット１２５は、相互にバッテリーモジュール１２０の長手方向に沿って対角線で横切って反対側に位置する。
一方、前記バスバーフレーム１２２とモジュールハウジング１２３との間には、空間が形成される。即ち、前記モジュールハウジング１２３の６個の外面のうちバッテリーセル１２１の長手方向の一側及び他側と対向する面とバスバーフレーム１２２との間には、バッテリーセル１２１の冷却のための空気が流れ得る空間が形成される。前記空間は、バッテリーモジュール１２０の幅方向の両側に各々形成される。
前記エアインレット１２４は、バッテリーモジュール１２０の幅方向の一側に形成される空間と対応する位置に形成され、エアアウトレット１２５は、バッテリーモジュール１２０の幅方向の他側に形成される空間と対応する位置に形成される。
前記バッテリーモジュール１２０において、エアインレット１２４を通して内部へ流入した空気は、バッテリーモジュール１２０の幅方向の一側に形成された空間からバッテリーモジュール１２０の幅方向の他側に形成された空間へ移動しながらバッテリーセル１２１を冷却した後、エアアウトレット１２５から抜け出る。即ち、前記バッテリーモジュール１２０は、空冷式バッテリーモジュールである。
上述したように、本発明に適用されるバッテリーモジュール１２０は、空冷式構造を有することから、モジュールハウジング１２３の外部へ火炎が噴出されやすい。即ち、前記バッテリーモジュール１２０に含まれたバッテリーセル１２１のうち一部に異常が発生してバッテリーセル１２１の内部の温度が上昇し、これによるベンティング（ｖｅｎｔｉｎｇ）によってガスが流出されると、火炎が発生し得、発生した火炎は、空冷のために形成されたエアインレット１２４及びエアアウトレット１２５を通じてモジュールハウジング１２３の外部へ噴出できる。
図１及び図２を参照すると、前記第１遮断シート３００は、このように一部のバッテリーモジュール１２０で異常温度上昇及びそれによる火炎の発生時、問題が発生したバッテリーモジュール１２０を含むサブＥＳＳ１００に隣接するサブＥＳＳ１００へ火炎が移さないようにする。
このような機能の遂行のために、前記第１遮断シート３００は、互いに隣接するサブＥＳＳ１００の間ごとに介在される。前記第１遮断シート３００は、超吸水性シート（ｓｕｐｅｒ ａｂｓｏｒｂｅｎｔ ｓｈｅｅｔ）である。即ち、前記第１遮断シート３００は、超吸水性ファイバー（ｓｕｐｅｒ ａｂｓｏｒｂｅｎｔ ｆｉｂｅｒ）を含み、このような超吸水性ファイバーは、１ｇ当たり約２０～２００ｇの冷却水を吸収して保持できる。前記超吸水性ファイバーは、例えば、でん粉系素材、セルロース系素材または合成ポリマー系素材のうち少なくとも一つを含む超吸水性樹脂（ｓｕｐｅｒ ａｂｓｏｒｂｅｎｔ ｐｏｌｙｍｅｒ）を含み得る。前記超吸水性ファイバーは、超吸水性樹脂を網状で紡績することで得られる。
前記第１遮断シート３００は、冷却装置５００から冷却水が供給される場合、これを迅速に吸収し、冷却水を吸収した第１遮断シート３００は、一部のサブＥＳＳ１００で発生した異常温度上昇及び／または火炎が隣接するサブＥＳＳ１００へ拡がることを防止することができる。
前記第１遮断シート３００は、使用される冷却水の量を最少にしながらも、このような冷却効果及び火炎拡大の遮断効果を極大化するためにサブＥＳＳ１００の側面に対応する面積を有することが望ましい。但し、前記第１遮断シート３００は、冷却装置５００から供給される冷却水を迅速に吸収するためにサブＥＳＳ積層体の上端にその長手方向の端部が露出することもある。
図１を参照すると、前記消火装置４００は、ＥＳＳハウジング２００の内部温度が基準値以上に上昇する場合及び／または火事による煙が感知される場合、 ＥＳＳハウジング２００の内部に消火薬剤を噴射して火事の発生を予め防止するか、または既に発生した火事を鎮圧する。前記消火薬剤としは、例えば、Ｎｏｖｅｃ １２３０のような気体形態の清浄消火薬剤が適用され得、その他にも、窒素、固体エアロゾルなどが適用され得る。
前記消火装置４００は、ＥＳＳハウジング２００の外側に設けられ、消火薬剤を貯蔵する消火薬剤タンク４１０と、一側が消火薬剤タンク４１０と連結され、他側がＥＳＳハウジング２００を貫通する消火薬剤噴射管４２０と、を含む。
前記冷却装置５００は、ＥＳＳハウジング２００の内部温度が基準値以上に上昇する場合及び／または火事による煙が感知される場合、ＥＳＳハウジング２００の内部に冷却水を噴射して火事の発生を予め防止するか、または既に発生した火事を鎮圧する。
より具体的には、前記冷却装置５００は、第１遮断シート３００に直接冷却水を噴射する。前記冷却装置５００は、冷却水を貯蔵する冷却水タンク５１０と連結される冷却水供給管５２０と、冷却水供給管５２０の端部から分岐し、各々の第１遮断シート３００と対応する位置に配置される複数の冷却水噴射管５３０と、を含む。
本発明の図面では、前記冷却水供給管５２０は、ＥＳＳハウジング２００の外側に位置し、冷却水噴射管５３０がＥＳＳハウジング２００を貫通する場合のみを示しているが、本発明はこれに限定されない。即ち、前記冷却水供給管５２０がＥＳＳハウジング２００を貫通し、冷却水噴射管５３０は、ＥＳＳハウジング２００の内部で冷却水供給管５２０から分岐することも可能である。
図１を参照すると、前記センサー６００は、ＥＳＳハウジング２００の内部に設けられ、ＥＳＳハウジング内部の温度センシング及び煙の発生感知の少なくともいずれか一つの機能を行う。即ち、前記センサー６００は、温度センサー及び／または煙発生感知センサーである。
図示していないが、モジュールハウジング２００の外部に配置されるユーザーインターフェースを通じてセンサー６００でセンシングされた情報及び／またはセンシングされた情報によるアラームが示され得、使用者は、センシングされた情報及び／またはアラームから火事の危険があると判断されるか、または火事が発生したと判断される場合、消火装置４００及び冷却装置５００を駆動してＥＳＳ内部の火事を鎮圧するか、または予め防止することができる。
一方、図４を参照すると、本発明の一実施例によるＥＳＳは、前述した構成要素に加え、制御装置７００をさらに含み得る。前記制御装置７００は、センサー６００で感知された温度に関わる情報及び／または煙の発生有無に関わる情報に基づいて、消火装置４００及び冷却装置５００の動作を制御する。
即ち、前記制御装置７００は、使用者の操作がなくても所定の条件を満たすと、消火装置４００及び冷却装置５００が動作するようにすることで消火及び／または冷却を自動化するために適用される要素である。前記消火装置４００及び冷却装置５００が動作するための基準温度は、サブＥＳＳ１００の数、サブＥＳＳ１００に含まれるバッテリーモジュール１２０の数、バッテリーモジュール１２０に含まれるバッテリーセル１２１の数、バッテリーセル１２１の容量などを考慮して決定され得る。
以下、図５～図８を参照して、本発明の他の実施例によるＥＳＳを説明する。
本発明の他の実施例によるＥＳＳは、前述した一実施例によるＥＳＳと比較して第２遮断シート３１０がさらに適用された点が相違するだけで、その外の構成要素は実質的に同一である。したがって、本発明の他の実施例による ＥＳＳの説明においては、第２遮断シート３１０を中心にして説明し、その他の前述した実施例と重複する事項については詳しい説明を省略する。
図５及び図６を参照すると、前記第２遮断シート３１０は、バッテリーラック１１０内で上下方向に沿って互いに隣接するバッテリーモジュール１２０の間に介在される。前記第２遮断シート３１０は、バッテリーラック１１０の側面を貫通してサブＥＳＳ１００の積層方向の一側から他側を横切って配置される。
前記第２遮断シート３１０は、一つまたは複数枚が備えられ得、一つのみが備えられる場合であれば、バッテリーモジュール１２０の積層方向に沿ってバッテリーラック１１０の中心部に配置されることが効率的である。前記第２遮断シート３１０の材質は、前述した第１遮断シート３００と同一である。
図７を参照すると、前記第１遮断シート３００と第２遮断シート３１０との結合は、各々の第１遮断シート３００ごとに第１結合スリット３００ａを形成し、このような第１結合スリット３００ａに第２遮断シート３１０を挿入する方式で行われ得る。この場合、第１遮断シート３００に形成された第１結合スリット３００ａの形成位置及び形状は、第２遮断シート３１０の通過のためにバッテリーラック１１０の側面に形成されたスリット（図示せず）と対応する。
図８を参照すると、図７に示したこととは異なり、前記第１遮断シート３００と第２遮断シート３１０との結合は、第２遮断シート３１０に、第１遮断シート３００に対応する個数で第２結合スリット３１０ａを形成し、このような第２結合スリット３１０ａに第１遮断シート３００を挿入する方式で行われ得る。
このように第１遮断シート３００と第２遮断シート３１０とが相互に連結されることで、第１遮断シート３００の上端から供給される冷却水を第１遮断シート３００が吸収し、吸収された冷却水の一部を第２遮断シート３１０が再吸収することで熱暴走現象がサブＥＳＳ積層体の積層方向及びバッテリーモジュール１２０の積層方向に沿って広がることを防止することができる。
以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
１１０ バッテリーラック
１２０ バッテリーモジュール
１２１ バッテリーセル
１２１ａ 電極リード
１２２ バスバーフレーム
１２３ モジュールハウジング
１２４ エアインレット
１２５ エアアウトレット
２００ ＥＳＳハウジング
３００ 第１遮断シート
３００ａ 第１結合スリット
３１０ 第２遮断シート
３１０ａ 第２結合スリット
４００ 消火装置
４１０ 消火薬剤タンク
４２０ 消火薬剤噴射管
５００ 冷却装置
５１０ 冷却水タンク
５２０ 冷却水供給管
５３０ 冷却水噴射管
６００ センサー
７００ 制御装置

Claims (14)

  1. エネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ）であって、
    複数のバッテリーモジュールと、前記複数のバッテリーモジュールを収容するバッテリーラックと、を有する複数のサブＥＳＳを含むサブＥＳＳ積層体と、
    前記複数のサブＥＳＳを収容するＥＳＳハウジングと、
    前記ＥＳＳハウジングの内部に設けられ、前記ＥＳＳハウジング内部の温度及び煙の少なくともいずれか一つを感知するセンサーと、
    互いに隣接するサブＥＳＳの間ごとに介在される第１遮断シートと、
    前記ＥＳＳハウジングの内部に消火薬剤を供給する消火装置と、
    前記第１遮断シートに冷却水を供給する冷却装置と、を含む、ＥＳＳ。
  2. 前記第１遮断シートが、超吸水性シートであることを特徴とする、請求項１に記載のＥＳＳ。
  3. 前記第１遮断シートが、１ｇ当たり２０～２００ｇの冷却水を吸収して保持できる超吸水性ファイバーを含むことを特徴とする、請求項２に記載のＥＳＳ。
  4. 前記超吸水性ファイバーが、でん粉系素材、セルロース系素材及び合成ポリマー系素材のうち少なくとも一つを含む超吸水性樹脂を含むことを特徴とする、請求項３に記載のＥＳＳ。
  5. 前記バッテリーモジュールが、
    複数のバッテリーセルが積層されて形成されたセル積層体と、
    前記セル積層体を収容するモジュールハウジングと、を含むことを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のＥＳＳ。
  6. 前記複数のバッテリーモジュールが、前記バッテリーラック内で上下へ積層されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のＥＳＳ。
  7. 前記ＥＳＳが、前記バッテリーラック内で上下方向に沿って互いに隣接するバッテリーモジュールの間に介在される少なくとも一つの第２遮断シートをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載のＥＳＳ。
  8. 前記第２遮断シートは、
    前記バッテリーラックを貫通して前記サブＥＳＳ積層体の積層方向の一側から他側を横切って配置されることを特徴とする、請求項７に記載のＥＳＳ。
  9. 前記第１遮断シートが、第１結合スリットを備え、
    前記第２遮断シートが、前記第１結合スリットに挿入されて前記第１遮断シートに結合することを特徴とする、請求項８に記載のＥＳＳ。
  10. 前記第２遮断シートが、第２結合スリットを備え、
    前記第１遮断シートが、前記第２結合スリットに挿入されて前記第２遮断シートに結合することを特徴とする、請求項８に記載のＥＳＳ。
  11. 前記第２遮断シートが、超吸水性シートであることを特徴とする、請求項７～１０のいずれか一項に記載のＥＳＳ。
  12. 前記第２遮断シートが、１ｇ当たり２０～２００ｇの冷却水を吸収して保持できる超吸水性ファイバーを含むことを特徴とする、請求項７～１１のいずれか一項に記載のＥＳＳ。
  13. 前記超吸水性ファイバーが、でん粉系素材、セルロース系素材及び合成ポリマー系素材のうち少なくともいずれか一つを含む超吸水性樹脂を含むことを特徴とする、請求項１２に記載のＥＳＳ。
  14. 前記ＥＳＳが、前記センサーで感知された温度に関わる情報及び煙の発生有無に関わる情報のうち少なくともいずれか一つを参照して前記消火装置及び冷却装置の動作を制御する制御装置をさらに含むことを特徴とする、請求項１～１３のいずれか一項に記載のＥＳＳ。
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