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KR101489837B1 - 리튬이온 배터리 화재 방지 장치 및 방법 - Google Patents

리튬이온 배터리 화재 방지 장치 및 방법 Download PDF

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KR101489837B1
KR101489837B1 KR20120131200A KR20120131200A KR101489837B1 KR 101489837 B1 KR101489837 B1 KR 101489837B1 KR 20120131200 A KR20120131200 A KR 20120131200A KR 20120131200 A KR20120131200 A KR 20120131200A KR 101489837 B1 KR101489837 B1 KR 101489837B1
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battery
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Abstract

본 발명은 리튬이온 배터리의 배터리 셀에서 전해질이 유출되는 지를 감지하는 전해질 유출 감지부, 배터리 셀에 중화제를 분사하는 중화제 분사기 및 전해질 유출 감지부에서 감지된 감지값을 통해 전해질이 유출된 것으로 판단되면, 중화제 분사기를 제어하여 배터리 셀에 중화제를 분사하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

리튬이온 배터리 화재 방지 장치 및 방법{APPARATUS FOR PREVENTING FIRE IN LITHIUM-ION BATTERY AND METHOD THEREOF}
본 발명은 리튬이온 배터리 화재 방지 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 리튬이온 배터리의 전해질 유출로 인한 리튬이온 배터리의 화재를 방지하는 리튬이온 배터리 화재 방지 장치 및 방법에 관한 것이다.
리튬이온(Li-ion) 이차전지는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터로 이루어진 전극 구조체에 비수 전해질을 주입하여 제조하는데, 리튬이온이 양극 및 음극에서 삽입/탈삽입될 때의 산화, 환원 반응에 의해 전기 에너지를 생성한다.
이러한 리튬이온 이차전지는 전해질을 구성하는 유기용매로 카보네이트계 유기용매, 특히 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트 등의 알킬렌 카보네이트가 주로 사용되며, 전기 자동차 등의 전기 자동차 배터리로 사용된다.
그런데, 리튬이온 배터리는 전기 자동차의 충돌 등으로 인해 BMS(Battery Management System) 제어가 어려운 경우, 안전성에 문제가 발생한다.
즉, 전기 자동차의 충돌로 인해 배터리 셀이 파괴될 경우 전해질의 화학 반응에 의해 배터리 셀의 온도가 급격히 상승하여 화재로 이어지게 된다. 리튬이온 배터리에서 사용되는 전해질은 발화온도가 낮기 때문에, 전해질이 세어 나오게 되면, 그 전해질은 쉽게 발화되는 성질이 있다.
이에 따라, 종래에는 리튬이온 배터리의 화재를 방지하기 위해, 리튬이온 배터리의 음극 소재를 변경하거나, 유기용매로 난연성 전해질을 적용하거나 고체 전해질을 적용하는 기술이 제시되었다.
그러나, 종래의 화재 방지 기술에 있어서, 리튬이온 배터리에 음극 소재를 변경하는 기술은 리튬이온 배터리의 작동 전압이 하강하는 문제점이 있었고, 유기용매로 난연성 전해질을 적용하는 기술은 이온 전도율이 저하되는 문제점이 있었다. 또한 고체 전해질을 적용하는 기술은 젤-폴리머 정도로 그 적용이 제한되는 문제점이 있었다.
본 발명과 관련된 배경기술로는 대한민국 특허공개번호 10-2010-0104654 호(2010.09.29)의 '리튬 이차 전지 전극용 바인더 조성물 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지'가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 리튬이온 배터리에 가해지는 충격량, 리튬이온 배터리의 전압 및 온도가 리튬이온 배터리의 발화 조건을 만족하면, 배터리 셀에 중화제를 분사하여 리튬이온 배터리의 화재를 방지하는 리튬이온 배터리 화재 방지 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 리튬이온 배터리의 화재 및 폭발로 인한 전기 자동차의 2차 피해를 방지하고, 이를 통해 전기 자동차 운전자 및 운전자를 구조하는 구조자의 인명을 보호하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 리튬이온 배터리 화재 방지 장치는 리튬이온 배터리의 배터리 셀에서 전해질이 유출되는 지를 감지하는 전해질 유출 감지부; 상기 배터리 셀에 중화제를 분사하는 중화제 분사기; 및 상기 전해질 유출 감지부에서 감지된 감지값을 통해 상기 전해질이 유출된 것으로 판단되면, 상기 중화제 분사기를 제어하여 상기 배터리 셀에 상기 중화제를 분사하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 배터리 셀의 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함하되, 상기 제어부는 상기 배터리 셀의 온도가 온도 기준값 이상이면, 상기 중화제 분사기를 제어하여 상기 배터리 셀에 상기 중화제를 추가적으로 더 분사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 전해질 유출 감지부는 상기 리튬이온 배터리에 가해지는 충격을 감지하는 충격량 감지 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 전해질 유출 감지부는 상기 리튬이온 배터리의 전압을 감지하는 전압 감지 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 전해질 유출 감지부는 상기 전해질로 인해 발생되는 가스를 감지하는 가스 감지 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 리튬이온 배터리 화재 방지 방법은 리튬이온 배터리의 배터리 셀에서 전해질이 유출되는 지를 판단하는 단계; 및 상기 배터리 셀에서 상기 전해질이 유출된 것으로 판단되면, 상기 배터리 셀에 중화제를 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 전해질이 유출되는 지를 판단하는 단계는 상기 리튬이온 배터리에 가해지는 충격량을 감지이 충격량 기준값 이상인지 판단하는 단계; 및 상기 충격량이 충격량 기준값 이상이면, 상기 전해질 유출에 의한 가스가 감지되는지 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 전해질이 유출되는 지를 판단하는 단계는 상기 리튬이온 배터리의 전압이 전압 기준 범위를 벗어나는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 전압이 상기 전압 기준 범위를 벗어나면, 상기 전해질 유출에 의한 가스가 감지되는지 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 배터리 셀의 온도를 감지하여 상기 온도가 온도 기준값 이상이면, 상기 배터리 셀에 상기 중화제를 추가적으로 더 분사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 리튬이온 배터리에 가해지는 충격량, 리튬이온 배터리의 전압 및 온도가 리튬이온 배터리의 발화 조건을 만족하면, 배터리 셀에 중화제를 분사하여 리튬이온 배터리의 화재 및 폭발을 방지하고 리튬이온 배터리의 안정성을 확보한다.
또한, 본 발명은 리튬이온 배터리의 화재 및 폭발로 인한 전기 자동차의 2차 피해를 방지하고, 전기 자동차 운전자의 인명을 보호할 수 있도록 한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 방지 장치의 블럭 구성도이다.
도 2 는 도 1 의 중화제 분사기의 구성도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 방지 방법의 순서도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 방지 장치 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 방지 장치의 블럭 구성도이고, 도 2 는 도 1 의 중화제 분사기의 구성도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 방지 장치는 전해질 유출 감지부(10)와, 온도 감지부(20), 제어부(40) 및 중화제 분사기(30)를 포함한다.
전해질 유출 감지부(10)는 리튬이온 배터리의 배터리 셀에서 전해질이 유출되는지를 감지한다.
전해질 유출 감지부(10)는 충격량 감지 센서(11)와 전압 감지 센서(12) 및 가스 감지 센서(13)를 포함한다.
충격량 감지 센서(11)는 전기 자동차의 충돌로 인해 리튬이온 배터리에 가해지는 충격량을 감지한다. 이러한 충격량 감지 센서(11)는 리튬이온 배터리의 배터리 팩(50)에 설치되어 리튬이온 배터리에 가해지는 충격량을 직접적으로 감지한다. 또한, 충격량 감지 센서(11)에는 리튬이온 배터리의 배터리 팩(50)에 직접 설치되는 것 이외에도, 전기 자동차용 에어백 시스템(미도시)에 구비되어 전기 자동차의 충돌을 감지하는 센서가 채용될 수도 있다.
전압 감지 센서(12)는 리튬이온 배터리의 전원 단자에 연결되어 리튬이온 배터리에 입출력되는 전압을 감지한다. 전압 감지 센서(12)는 리튬이온 배터리의 전압과 충방전 용량 등을 전반적으로 제어하는 BMS(Battery Management System)로부터 리튬이온 배터리의 입출력 전압을 입력받는 것도 가능하다.
가스 감지 센서(13)는 전기 자동차의 충돌 등으로 배터리 셀이 파손되어 배터리 셀에서 전해질이 유출될 경우, 전해질로 인해 발생되는 가스를 감지한다.
온도 감지부(20)는 배터리 셀의 온도를 감지한다. 통상, 전기 자동차의 충돌 등으로 인해 리튬이온 배터리의 배터리 셀이 파손될 경우, 배터리 셀에서 유출되는 전해질의 화학반응 등으로 인해 화재가 발생하게 된다. 이에 온도 감지부(20)는 배터리 셀의 온도를 직접 감지하여 리튬이온 배터리의 화재 발생 여부를 판단할 수 있도록 한다.
중화제 분사기(30)는 리튬이온 배터리의 배터리 셀에 중화제를 분사하여 리튬이온 배터리에 발생되는 화재를 방지한다.
상기한 중화제 분사기(30)는 도 2 에 도시된 바와 같이, 중화제 탱크(31), 공급관(32), 노즐(33), 펌프(34) 및 밸브(35)를 포함한다.
여기서, 중화제에는 액화탄산(CO2), 4염화탄소(CCl4), CF3Br, CF3ClBr, C2F4Br2, [K2CO3]+[H2SO4], [6NaHCO3] + [Al2(SO4)3·18H2O] 중 어느 하나 이상이 포함된다. 참고로, [K2CO3]와 [H2SO4], 및 [6NaHCO3]와 [Al2(SO4)3·18H2O]는 중화제 탱크(31)에 서로 분리되어 저장되었다가 노즐(33)에서 섞이면서 반응하여 중화 및 소화 역할을 수행한다.
중화제 탱크(31)는 중화제를 저장한다.
공급관(32)은 중화제 탱크(31)와 배터리 셀 사이에 연결되어 중화제 탱크(31)에 저장된 중화제를 배터리 셀 내부로 유도한다. 특히, 공급관(32)은 배터리 셀 내부의 다양한 방향으로 중화제를 분사할 수 있도록 그 단부가 다수 개로 분기되어 중화제가 배터리 팩(50) 내부에 골고루 분사될 수 있도록 형성된다. 더욱이, 공급관(32) 단부에는 노즐(33)이 각각 설치되며, 이 노즐(33)은 공급관(32)을 통해 공급된 중화제를 배터리 셀에 고르게 분사되도록 한다.
밸브(35)는 공급관(32)에 설치되어 중화제 탱크(31)로부터 공급되는 중화제를 단속한다.
펌프(34)는 중화제 탱크(31)에 저장된 중화제를 배터리 셀 내부로 강제적으로 공급한다.
따라서, 중화제 탱크(31)에 저장된 중화제는 펌프(34)가 구동하고 밸브(35)가 개방되면 공급관(32)을 통해 배터리 셀로 유도되고, 공급관(32)의 단부에 설치된 노즐(33)을 통해 배터리 셀 내부에 골고루 분사되어 배터리 셀의 화재를 방지한다.
제어부(40)는 충격량 감지 센서(11)와 전압 감지 센서(12) 및 가스 감지 센서(13)에서 감지된 감지값을 통해 배터리 셀에서 전해질이 유출되는 지를 판단하고, 판단 결과, 배터리 셀에서 전해질이 유출된 것으로 판단되면, 중화제 분사기(30)를 제어하여 리튬이온 배터리에 중화제를 분사한다.
더욱이, 제어부(40)는 상기한 바와 같이 중화제를 분사한 후에도, 온도 감지부(20)에서 감지된 배터리 셀의 온도를 통해 배터리 셀에 화재가 발생하였는지를 판단하여 배터리 셀에 화재가 발생한 것으로 판단되면, 중화제 분사기(30)를 제어하여 중화제를 추가적으로 더 분사하여 배터리 셀에 발생된 화재를 완전히 진압하게 된다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 방지 방법을 도 3 을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 방지 방법의 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬이온 배터리 화재 방지 방법에 따르면, 먼저 전해질 유출 감지부(10)가 전해질이 유출되었는지를 감지한다.
즉, 충격량 감지 센서(11)는 전기 자동차의 충돌로 인해 가해지는 충격량을 감지하여 제어부(40)에 입력하고, 전압 감지 센서(12)는 리튬이온 배터리의 전압을 감지하여 제어부(40)에 입력한다.
이에 따라, 제어부(40)는 충격량 감지 센서(11)에서 감지된 충격량을 기 설정된 충격량 기준값과 비교하여 충격량이 충격량 기준값 이상인지를 판단하고, 전압 감지 센서(12)에서 감지된 전압이 전압 기준 범위를 벗어났는지를 판단한다(S10).
여기서, 충격량 기준값은 전기 자동차의 충돌로 인해 배터리 셀이 파손되어 배터리 셀에서 전해질이 유출될 수 있을 정도의 충격량으로써, 전기 자동차의 차종이나 전기 자동차의 구조 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 따라서, 제어부(40)는 충격량이 충격량 기준값 이상인지를 통해 배터리 셀을 파손시킬 정도의 충격이 배터리 셀에 가해진 것으로 판단할 수 있게 된다.
전압 기준 범위는 리튬이온 배터리가 BMS에 의해 정상적으로 동작할 경우 리튬이온 배터리에 입출력되는 전압값의 범위이다. 따라서, 제어부(40)는 전압 감지 센서(12)에서 감지된 전압이 전압 기준 범위를 벗어났는지 여부를 통해 리튬이온 배터리가 파손 등 비정상적인 상태인 것으로 판단할 수 있다.
제어부(40)는 상기 단계(S10)에서의 판단 결과 충격량이 충격량 기준값 이상이거나, 전압이 전압 기준 범위를 벗어나면, 가스 감지 센서(13)에서 감지된 가스가 전해질 유출로 인해 발생된 가스인지 여부를 통해 전해질이 유출되었는지를 판단한다(S20).
반면, 상기 단계(S10)에서의 판단 결과 충격량이 충격량 기준값 미만이거나 전압이 전압 기준 범위 이내이면 단계(S10)으로 복귀하여 상기한 과정을 반복한다.
한편, 단계(S20)에서의 판단 결과 제어부(40)는 전해질이 유출된 것으로 판단되면, 중화제 분사기(30)를 제어하여 배터리 셀에 중화제를 분사한다(S30). 즉, 제어부(40)는 펌프(34)를 구동시키고 밸브(35)를 개방시켜 중화제 탱크(31) 내부에 저장되어 있는 중화제를 배터리 셀에 분사한다(S40).
이후, 제어부(40)는 온도 감지부(20)에서 감지된 온도가 기 설정된 온도 기준값 이상인지를 판단한다.
여기서, 온도 기준값은 배터리 셀에 화재가 발생한 것으로 판단하는 기준이 되는 배터리 셀의 온도이다. 따라서, 제어부(40)는 배터리 셀의 온도가 온도 기준값 이상이면, 전해질 유출로 인해 배터리 셀에 화재가 발생된 것으로 판단할 수 있다.
제어부(40)는 배터리 셀의 온도가 온도 기준값 이상인지를 판단한 결과, 배터리 셀의 온도가 온도 기준값 이상이면, 중화제 분사기(30)를 제어하여 배터리 셀에 중화제를 추가적으로 더 분사한다(S50). 이를 통해, 리튬이온 배터리의 화재를 방지할 수 있게 된다.
반면, 단계(S40)에서의 판단 결과 배터리 셀의 온도가 온도 기준값 미만이면, 본 실시예에 따른 프로세스를 종료한다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 리튬이온 배터리의 화재 및 이로 인한 폭발을 방지하고, 리튬이온 배터리의 화재 및 폭발로 인한 전기 자동차의 2차 피해를 방지하여 전기 자동차 운전자의 인명 및 재산 피해를 억제할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 전해질 유출 감지부 11: 충격량 감지 센서
12: 전압 감지 센서 13: 가스 감지 센서
20: 온도 감지부 30: 중화제 분사기
31: 중화제 탱크 32: 공급관
33: 노즐 34: 펌프
35: 밸브 50: 배터리 팩

Claims (9)

  1. 리튬이온 배터리의 배터리 셀에서 전해질이 유출되는지를 감지하는 전해질 유출 감지부;
    상기 배터리 셀에 중화제를 분사하는 중화제 분사기; 및
    상기 전해질 유출 감지부에서 감지된 감지값을 통해 상기 전해질이 유출된 것으로 판단되면, 상기 중화제 분사기를 제어하여 상기 배터리 셀에 상기 중화제를 분사하는 제어부를 포함하고,
    상기 전해질 유출 감지부는 상기 리튬이온 배터리에 가해지는 충격을 감지하는 충격량 감지 센서와, 상기 리튬이온 배터리의 전압을 감지하는 전압 감지 센서, 및 상기 전해질로 인해 발생되는 가스를 감지하는 가스 감지 센서를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 충격량 감지 센서에 의해 감지된 충격량이 충격량 기준값 이상이거나 상기 전압 감지 센서에 의해 감지된 상기 리튬이온 배터리의 전압이 전압 기준 범위를 벗어나면 상기 가스 감지 센서에 의해 가스가 감지되는 지를 판단하여 판단 결과에 따라 상기 전해질이 유출된 것으로 판단하고,
    배터리 셀의 온도를 감지하는 온도 감지부를 더 포함하되, 상기 제어부는 상기 온도 감지부에 의해 감지된 상기 온도가 온도 기준값 이상이면 상기 중화제 분사기를 통해 상기 배터리 셀에 중화제를 추가적으로 더 분사하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리 화재 방지 장치.
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  6. 리튬이온 배터리의 배터리 셀에서 전해질이 유출되는지를 판단하는 단계; 및
    상기 배터리 셀에서 상기 전해질이 유출된 것으로 판단되면, 상기 배터리 셀에 중화제를 분사하는 단계를 포함하되,
    상기 전해질이 유출되는 지를 판단하는 단계는 상기 리튬이온 배터리에 가해지는 충격량이 충격량 기준값 이상이거나 상기 리튬이온 배터리의 전압이 전압 기준 범위를 벗어나면, 상기 전해질 유출에 의한 가스가 감지되는지를 통해 상기 전해질이 유출된 것으로 판단하고,
    상기 배터리 셀의 온도를 감지하여 상기 온도가 온도 기준값 이상이면, 상기 배터리 셀에 상기 중화제를 추가적으로 더 분사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬이온 배터리 화재 방지 방법.
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