KR102281096B1 - 전해액의 대체를 위한 도중 정차 및 이의 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 측면들은 배터리 내 전해액을 대체하기 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 오프-보드(off-board) 전해액을 보유하기 위한 제1 탱크 및 온-보드(on-board) 전해액을 수용하기 위한 제2 탱크를 포함한다. 시스템은 제1 탱크 및 제2 탱크를 배터리에 연결하기 위한 유체 도관들 및 온-보드 전해액의 배터리로부터 제2 탱크로의 이동을 제어하기 위한 그리고 오프-보드 전해액의 제1 탱크로부터 배터리로의 이동을 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함한다.

Description

전해액의 대체를 위한 도중 정차 및 이의 방법{PIT STOP FOR AND METHOD OF REPLACEMENT OF ELECTROLYTE}
금속-공기 전기 전지들이 해당 기술분야에 알려져 있다. 이러한 금속-공기 전지 또는 배터리는 알루미늄, 아연, 리튬, 베릴륨, 칼슘, 또는 그 밖에 유사한 것을 포함하는 물질들로 구성되는, 금속 애노드 및 가스 확산 캐소드를 포함한다. 배터리에 전기를 생성하는 화학 반응은 수용성 또는 비-수용성 중 어느 하나의, 전해액의 존재 시 금속 애노드의 산화이다. 전해액은 캐소드 및 애노드 간 이온들을 이동시키기 위해 사용된다. 몇몇 경우, 전해액은 또한 애노드를 덮고 있는 반응 생성물들(즉, 금속의 산화물들)을 세척하기 위해 사용되어, 애노드의 산화 반응이 계속되게 그리고 배터리가 전기를 공급하게 할 수 있다.
반응이 진행됨에 따라, 전해액 내 반응 생성물들의 양이 증가하고, 전해액은 분해되며, 전해액은 새로운 전해액으로 대체되어야 한다. 반응 생성물들 중 하나는 열이다. 산화 반응은 전해액의 온도를 증가시키는 발열 반응이다. 배터리의 효율은 전해액의 온도에 따른다. 예를 들어, 알루미늄-공기 배터리 효율적인 작동을 위한 최적의 전해액 온도 범위는 50℃ 내지 80℃이다. 따라서, 최적의 전해액 온도 범위에서 금속-공기 배터리의 작동을 시작하는 것 및 전해액의 온도를 해당 범위 내로 유지하는 것이 이롭다. 금속 공기 배터리는 차량에, 또는 정치식 장치, 이를테면 무정전 전원 장치(UPS; Uninterruptible Power Supply), 원격 원격 오프-그리드 부지, 또는 발전기에 집합될 수 있다.
본 발명의 측면들은 배터리 내 전해액을 대체하기 위한 시스템에 관할 수 있다. 상기 시스템은 오프-보드(off-board) 전해액을 보유하기 위한 제1 탱크 및 온-보드(on-board) 전해액을 수용하기 위한 제2 탱크를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 상기 제1 탱크 및 상기 제2 탱크를 상기 배터리에 연결하기 위한 유체 도관들 및 상기 온-보드 전해액의 상기 배터리로부터 상기 제2 탱크로의 이동을 제어하기 위한 그리고 오프-보드 전해액의 상기 제1 탱크로부터 상기 배터리로의 이동을 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 도관들의 상기 배터리에의 상기 연결이 안전한지를 나타내기 위한 제1 유닛, 즉 센서를 더 포함할 수 있다. 이러한 제1 유닛, 즉 상기 도관들의 상기 배터리에의 상기 연결이 안전한지를 나타내기 위한 센서로부터의 표시가 "안전"이 아닐 때, 상기 컨트롤러는 상기 시스템과 상기 배터리 간 전해액의 이동을 방지하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 추가적인 측면들은 배터리 내 전해액을 대체하기 위한 방법에 관할 수 있다. 상기 방법은 다음: 금속-공기 배터리 내 온-보드 전해액의 속성을 검사하는 단계 및 상기 속성이 상기 속성의 제1 임계값보다 아래일 때, 상기 온-보드 전해액을 오프-보드 전해액으로 대체하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 온-보드 전해액을 대체하는 단계는 다음: 상기 온-보드 전해액을 상기 금속-공기 배터리로부터 배터리 내 전해액을 대체하기 위한 시스템에 포함되는 제2 탱크로 이동시키는 단계 및 상기 오프-보드 전해액을 배터리 내 전해액을 대체하기 위한 시스템에 포함되는 제1 탱크로부터 상기 금속-공기 배터리로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명으로서 여겨지는 주제가 특히 강조되고 본 명세서의 결론 부분에 명백하게 청구된다. 그러나, 이들의 목적들, 특징들, 및 이점들과 함께, 구성 및 작동 방법 양자에 관한 본 발명, 다음 첨부한 도면들로 판독할 때 이하의 상세한 설명을 참조하면 가장 잘 이해될 수 있다:
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 온-보드 전해액의 대체를 위한 대표적인 서비스 스테이션의 상위 레벨 블록도이다;
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 금속-공기 배터리 내 온-보드 전해액의 대체를 위한 대표적인 시스템의 상위 레벨 블록도이다; 그리고
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 금속-공기 배터리 내 온-보드 전해액의 대체 방법의 흐름도이다.
예시의 간단함 및 명확함을 위해, 도면들에 도시된 요소들이 일정한 비율로 도시되었어야 할 필요는 없음이 이해될 것이다. 예를 들어, 요소들 중 몇몇의 치수는 명확함을 위해 다른 요소들에 관해 과장될 수 있다. 나아가, 적절하다고 여겨지는 경우, 참조 부호들은 대응하거나 유사한 요소들을 나타내기 위해 도면들 중에서 반복될 수 있다.
이하의 상세한 설명에서, 많은 구체적인 세부사항이 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 해당 기술분야의 통상의 기술자들에 의하면 본 발명이 이 구체적인 세부사항들 없이 실시될 수 있음이 이해될 것이다. 다른 인스턴스들에서, 주지의 방법들, 절차들 및 구성요소들은 본 발명을 모호하지 않게 하기 위해 상세하게 설명되지 않았다.
본 발명의 실시예들이 이하의 논의내용들로부터 분명한 바와 같이, 구체적으로 다르게 서술되지 않는 한, 이 점에서 제한되지 않지만, 용어들 이를테면, 예를 들어, "프로세싱하는 것", "컴퓨팅하는 것", "계산하는 것", "결정하는 것", "확립하는 것", "분석하는 것", 할당하는 것, "확인하는 것", "수신하는 것", "선택하는 것", "비교하는 것", "보고하는 것", "레코딩하는 것", "검출하는 것", "프롬프트하는 것", "저장하는 것" 또는 그 밖에 유사한 것을 이용하는 논의내용들이 컴퓨터의 레지스터들 및/또는 메모리들 내 물리적(예를 들어, 전자적) 양들로서 표현되는 데이터를 조작하고/거나 작동들 및 프로세스들을 수행하기 위한 명령들을 수행할 수 있는 컴퓨터의 레지스터들 및/또는 메모리들 또는 다른 정보 비-일시적 저장 매체 내 물리적 양들로서 유사하게 표현되는 다른 데이터로 변환하는, 컴퓨터, 컴퓨팅 플랫폼, 컴퓨팅 시스템, 또는 다른 전자 컴퓨팅 디바이스의 작동(들) 및/또는 프로세스(들)을 나타냄이 이해된다.
본 발명의 실시예들이 이 점에서 제한되지 않더라도, 본 출원에서 사용되는 바와 같은 용어들 "복수" 및 "복수의"는 예를 들어, "다수의" 또는 "두 개 이상의"를 포함할 수 있다. 용어들 "복수" 및 "복수의"는 본 명세서 전체게 걸쳐 두 개 이상의 구성요소, 요소, 파라미터, 또는 그 밖에 유사한 것을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 명백하게 서술되지 않는 한, 본 출원에 설명된 방법 실시예들은 특정한 순서 또는 시퀀스로 제약되지 않는다. 추가적으로, 이의 설명된 방법 실시예들 중 몇몇이 동시에, 동일한 시점에, 또는 함께 발생하거나 수행될 수 있다.
본 출원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "저장 유닛"은 데이터, 예를 들어, 비디오 레코딩들을 저장하도록 구성되는 임의의 장치, 디바이스, 시스템 및/또는 디바이스들의 어레이를 나타낼 수 있다. 저장 유닛은 대용량 저장 디바이스, 예를 들어 보안 디지털(SD; Secure Digital) 카드들, 광 저장 디바이스 이를테면 CD, DVD, 또는 레이더 디스크; 자기 저장 디바이스 이를테면 테이프, 하드 디스크, 중복 배열 독립 디스크들(RAID; Redundant Array of Independent Disks), 직접-연결 저장장치(DAS; Direct-Attached Storage), 저장장치 영역 네트워크(SAN; Storage Area Network), 네트워크 접속 저장장치(NAS; Network Attached Storage), 또는 그 밖에 유사한 것을 포함할 수 있다. 각각의 저장 유닛들은 추가 사용을 위해 데이터를 저장장치에 기록하고 저장 유닛으로부터 데이터를 판독하는 능력을 포함할 수 있따, 예를 들어, 비디오 파일들은 예를 들어, 사고 조사가 요구될 때, 요청 시, 저장 유닛으로부터 판독될 수 있다.
저장 유닛들은 조직 설비(들), 예를 들어, IT 저장고에 물리적으로 위치되는 복수의 하드 디스크에 물리적으로 위치될 수 있거나, 또는 네트워크 연결, 예를 들어, 저장장치 영역 네트워크(SAN) 또는 네트워크 접속 저장장치(NAS)를 통해 조직이 이용가능할 수 있다.
본 발명의 몇몇 측면은 금속-공기 배터리, 예를 들어, 차량 또는 임의의 다른 장치에 집합되는 금속-공기 배터리 내 전해액의 대체를 위한 시스템 및 방법에 관할 수 있다. 배터리 또는 배터리와 연관된 탱크 내 전해액은 적어도 다음 두 상태: 산화 반응에 이미 참여한 사용된 전해액 상태 또는 산화 반응에 아직 참여하지 않은 새로운 전해액 상태에 있을 수 있다. 배터리 또는 배터리와 연관된 탱크에 포함되는 사용된 및 새로운 전해액 양자는 본 출원에서 "온-보드(on-board)" 전해액으로서 여겨질 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 시스템(예를 들어, 서비스 스테이션)은 온-보드 전해액을 시스템과 연관된 적어도 하나의 탱크에 저장된 전해액으로 대체할 수 있다. 이러한 전해액은 본 출원에서 "오프-보드" 전해액으로 지칭될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 온-보드 전해액은 적어도 두 가지 상이한 상황하에서 대체될 수 있다. 사용된 온-보드 전해액은, 전해액 내 알칼리(예를 들어, 이온들) 농도가 임계값 아래로 떨어져, 화학 반응 속도를 늦출 때, 그리고 또한 전해액 내 희망하지 않는 반응 생성물들의 양들이 제2 임계를 넘어서 증가하여, 화학 반응 속도를 더 늦출 때, 새로운 오프-보드 전해액으로 대체된다.
몇몇 실시예에서, 금속-공기 배터리 내 전해액은 열을 보존하기 위해, 예를 들어, 차량의 객실 또는 전기 차량의 다른 구성요소들 이를테면 운전자의 좌석 또는 메인 배터리(예를 들어, 리튬 배터리)를 가열하기 위해 열 배터리로서 사용될 수 있다. 탱크 내 전해액은 미리 가열될 수 있고 희망하는 온도 범위, 예를 들어, 30℃ 내지 100℃ 또는 50℃ 내지 80℃로 배터리 또는 배터리와 연관된 탱크로 도입될 수 있다. 희망하는 온도는 희망하는 사용에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 전해액이 열 배터리에 사용하기 위한 축열 액체로서 사용될 때, 오프-보드 전해액은 상대적으로 높은 온도들 예를 들어, 80 ℃ 위로 가열될 수 있다. 또 다른 예에서, 전해액이 금속-공기 배터리에서의 화학 반응에(그리고 임의적으로 또한 축열 액체로서) 사용될 때, 전해액은 금속-공기 배터리의 최적의 작동 온도 범위, 예를 들어, 알루미늄-공기 배터리에 대해 50℃ 내지 80℃로 가열될 수 있다. 사용되거나 사용되지 않은, 냉각 온-보드 전해액에서, 본 발명의 실시예들에 따른 서비스 스테이션에서 가열된 오프-보드 전해액으로 대체될 수 있다.
시스템은 정치식 또는 이동식 중 어느 하나일 수 있고 동력이 공급되거나 적어도 하나의 금속-공기 배터리를 포함하는 다양한 유형의 장치에 기여할 수 있다. 시스템은 동시에 하나보다 많은 배터리 또는 장치에 기여할 수 있다. 금속-공기 배터리에 의해 적어도 부분적으로 동력을 공급받을 수 있는, 이동식(예를 들어, 전기 차량, 또는 하이브리드 차량) 또는 정치식(예를 들어,무정전 전원 장치(UPS), 원격 오프-그리스 부지, 또는 발전기) 중 어느 하나의, 장치(10)가 도 1에 예시된다. 이러한 장치가 온-보드 전해액을 대체하기 위한 서비스 스테이션에 진입할 수 있거나, 이동식 서비스 스테이션이 온-보드 전해액을 대체하기 위한 해당 장치로 보내어질 수 있다. 해당 장치는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라 장치에 포함되는 연결기를 통해 전해액의 대체를 위한 전해액 대체 시스템에 포함되는 연결 파이프에 연결될 수 있다. 장치의 연결기를 연결 파이프에 연결한 후, 통신 연결이 장치의 공기-금속 배터리와 연관된 컨트롤러 및 대체 시스템의 컨트롤러 간에 확립될 수 있다. 장치의 컨트롤러는 유선 또는 무선 통신 채널 중 어느 하나에 의해, 온-보드 전해액의 상태에 관한 정보를 전송할 수 있다.
장치에서의 금속-공기 배터리는 전해액 내 전해액의 속성을 감지하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속-공기 배터리는 전해액의 화학적 조성, 전해액의 온도, 전해액 내 고체 입자들의 양, 전해액의 저항율, 전해액의 pH, 배터리 내 전해액의 순시량, 또는 그 밖에 유사한 것을 감지하기 위한 센서를 포함할 수 있다. 장치에 포함되고 금속-공기 배터리와 연관된 컨트롤러는 하나 이상의 센서로부터 배터리 내 전해액의 속성을 나타내는 값을 수신할 수 있다. 장치의 서비스 스테이션에의 연결에 따라, 금속-공기 배터리와 연관된 컨트롤러는 그 값을 서비스 스테이션의 컨트롤러에 전송할 수 있다. 서비스 스테이션에서의 컨트롤러는 금속-공기 배터리 내 전해액이 대체되어야 하는지를 결정할 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 컨트롤러는 사용된 전해액 및 그에 포함되는 물질들, 이를테면 오염 물질들의 값을 더 결정할 수 있다.
이제 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 온-보드 전해액(예를 들어, 사용된 전해액 또는 (사용되거나 사용되지 않은) 냉각 전해액)의 대체를 위한 대표적인 시스템(100)(예를 들어, 서비스 스테이션, 도중 정차(pit stop) 등)의 상위 레벨 블록도를 예시하는, 도 1이 참조된다. 시스템(100)은 제1 전해액 탱크(110), 제2 전해액 탱크(115) 및 컨트롤러(130), 뿐만 아니라 시스템(100)을 서비스되는 금속-공기 배터리(12)에 연결하기 위한 연결 수단(전해액 도관들, 통신 채널)을 포함할 수 있다. 시스템(100)은 정치식 또는 이동식일 수 있고, 정치식 및/또는 이동식 장치들 양자에 기여할 수 있다. 시스템(100)은 동시에, 하나보다 많은 장치 또는 단일 또는 다수의 장치에 포함되는 하나보다 많은 금속-공기 배터리(12)에 기여할 수 있다. 장치(10)가 시스템(100)을 포함하는 서비스 스테이션에 진입할 때, 또는 시스템(100)이 장치(10)에 도달할 때, 하나 이상의 금속-공기 배터리(12)가 연결기(15)를 통해 시스템(100)에 연결될 수 있다. 시스템(100)은 오프-보드 전해액을 함유하기 위한 적어도 하나의 제1 탱크(110), 온-보드 전해액을 함유하기 위한 적어도 하나의 제2 탱크(115) 및 적어도 하나의 컨트롤러(130)를 포함할 수 있다. 시스템(100)은 제3 탱크(120) 및 하나 이상의 중간 탱크(150)를 더 포함할 수 있다. 제3 탱크(120)는 미리 결정된 온도 범위로 가열되는, 가열된 오프-보드 전해액을 보유할 수 있다.
중간 탱크(150)는 전해액의 제2 탱크(115)로의 전달 이전에 금속-공기 배터리(12)로부터의 온-보드 전해액을 수용할 수 있다. 탱크(150)는 탱크(150) 내 전해액의 속성을 측정하기 위한 하나 이상의 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속-공기 배터리(12)는 전해액의 화학적 조성, 전해액의 온도, 전해액 내 고체 입자들의 양, 전해액의 저항율, 전해액의 pH, 배터리 내 전해액의 순시량, 또는 그 밖에 유사한 것을 감지하기 위한 센서를 포함할 수 있다. 이 측정들은 금속 공기 배터리에서 나온 온-보드 전해액 내 유가 물질들의 양을 측정하기 위해, 뿐만 아니라 오염 물질들이 이미 탱크 내 전해액을 오염시킬 수 있는 경우, 그것을 온-보드 전해액 탱크에 추가하기 전에, 사용된 전해액에 그것들이 존재하는지를 결정하기 위해 행해질 수 있다. 온-보드 전해액이 어떤 유가 물질도 포함하지 하거나 제2 탱크 내 온-보드 전해액을 오염시키거나 해할 수 있는 희망하지 않는 물질들을 함유하는 경우, 탱크(150)로부터의 전해액은 폐기물 탱크(170)로 전달될 수 있다.
제1 탱크(110)는 금속-공기 배터리(12)에 전달될 오프-보드 전해액(예를 들어, 가열된 전해액, 새로운 전해액 등)을 보유할 수 있다. 탱크(110)는 부식성 전해액을 보유하도록 구성될 수 있고, 그에 따라 내 부식성 물질로 구성되거나 코팅될 수 있다. 제2 탱크(115)는 차량(10)의 금속-공기 배터리(12)로부터의 또는 중간 탱크(150)로부터의 온-보드 전해액을 수용할 수 있다. 탱크(115)는 부식성 액체들 이를테면 온-보드 전해액을 보유하도록 구성될 수 있다. 탱크(115)는 내 부식성 물질로 구성될 수 있거나 코팅될 수 있다.
시스템(100)은 금속-공기 배터리(12) 내 온-보드 전해액의 상태에 대한 표시를 수신하도록 구성될 수 있는 컨트롤러(130)를 더 포함할 수 있다. 컨트롤러(130)는 장치(10)에 포함되고 금속-공기 배터리(12)와 연관되는 컴퓨터 또는 컨트롤러, 예를 들어, 몇몇 실시예에 따라, 금속-공기 배터리(12)의 작동을 제어하는 컨트롤러로부터 표시를 수신할 수 있다. 표시는 유선 또는 무선 통신 중 어느 하나에 의해 수신될 수 있다. 컨트롤러(130)는 수신된 표시에 기초하여, 금속-공기 배터리(12) 내 전해액이 대체되어야 하는지(예를 들어, 온-보드 전해액의 화학적 조성 또는 온도로 인해)를 결정하도록 더 구성될 수 있다. 이 측정들은 또한 온-보드 전해액이 냉각 온-보드 전해액(예를 들어, 미리 결정된 임계보다 아래의 온도를 갖는)이고 가열된 오프-보드 전해액으로 대체되어야 하는지를 결정하기 위해 차량 내 온-보드 전해액의 온도를 측정하는 것을 도울 수 있다.
컨트롤러(130)는 온-보드 전해액이 금속-공기 배터리(12)로부터 예를 들어, 제2 탱크(115) 또는 중간 전해액 탱크(150)로 흐르게 할 수 있다. 컨트롤러(130)는 탱크(150) 내부에 위치되는 센서로부터 탱크(150) 내 온-보드 전해액의 상태에 대한 표시를 수신할 수 있다. 컨트롤러는 수신된 표시에 기초하여 온-보드 전해액이 충분한 고 품질(예를 들어, 전해액의 속성이 제1 임계값보다 위)을 갖고 오염되지 않고 그에 따라 제2 탱크(115)로 전달될 수 있는지, 또는 그렇지 않으면, 그것이 폐기물 탱크(170)로 전달되어야 하는지를 결정할 수 있다. 컨트롤러(130)는 오프-보드 전해액이 제1 탱크(110)로부터 금속-공기 배터리(12) 또는 중간 전해액 탱크(150)로 흐르게 할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 시스템(100)은 예를 들어, 온-보드 전해액이 충분한 고 품질을 갖고 오염되지 않은 때, 온-보드 전해액의 금속-공기 배터리(12)로부터 중간 전해액 탱크(150)로의 이동을 제어하기 위한 제3 밸브(미도시) 및 온-보드 전해액의 중간 전해액 탱크(150)로부터 제2 탱크(115)로의 이동을 제어하기 위한 제4 밸브(미도시)를 더 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시스템은 예를 들어, 온-보드 전해액이 열악한 품질을 갖고 매우 오염된 때, 온-보드 전해액의 중간 전해액 탱크(150)로부터 폐기 전해액 탱크(170)로의 이동을 제어하기 위한 제5 밸브(미도시)를 더 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 오프-보드 전해액은 금속-공기 배터리(12)로의 전달 이전에, 미리 결정된 온도 범위로 가열될 수 있다. 오프-보드 전해액은 제1 탱크(110)에서 가열될 수 있거나 제3 탱크(120)에서 가열될 수 있다. 제1 탱크(110)는 발열체(116)를 포함할 수 있고 컨트롤러(130)는 오프-보드 전해액의 온도를 미리 결정된 온도 범위에 있게 제어하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 시스템(100)은 가열된 오프-보드 전해액을 보유하기 위한 제3 탱크(120)를 더 포함할 수 있다. 제3 탱크(120)는 발열체(126)를 포함할 수 있고 컨트롤러(130)는 제3 탱크 내 오프-보드 전해액의 온도를 미리 결정된 온도 범위에 있게 제어하도록 구성될 수 있다. 미리 결정된 범위는 30℃ 내지 100℃, 50℃ 내지 80℃, 적어도 30℃, 적어도 50℃ 또는 그 밖에 유사한 것일 수 있다. 발열체들(116 및/또는 126)은 액체들을 가열하기 위한 것으로 해당 기술분야에서 알려진 임의의 발열체들일 수 있다. 발열체들(116 및/또는 126)은 그리드로부터의 전기에 의해 동력을 공급받을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 컨트롤러(130)는 가열된 오프-보드 전해액이 제1 탱크(110) 및/또는 제3 탱크(120)로부터 금속-공기 배터리(12)로 흐르게 할 수 있다. 이제 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른, 보다 상세한, 금속-공기 배터리 내 온-보드 전해액의 대체를 위한 대표적인 시스템(100)(서비스 스테이션으로서도 알려진)의 상위 레벨 블록도를 예시하는, 도 2를 참조한다. 시스템(100)은 제1 탱크(110), 제2 탱크(115) 및 적어도 하나의 컨트롤러(130)를 포함할 수 있다. 시스템(100)은 도 1에 예시된 제3 탱크(120) 및 중간 탱크(150) 및 각각이 적절한 연결 센서(165)를 갖는 하나 이상의 연결기(160)를 포함할 수 있다. 시스템(100)은 제1 전해액 펌프(114), 제1 전해액 밸브(117), 하나 이상의 전해액 제1 센서(118), 제2 전해액 펌프(125), 제2 전해액 밸브(127) 및 하나 이상의 제2 전해액 센서(128)를 더 포함할 수 있다. 시스템(100)은 온-보드 전해액을 대체, 즉, 온-보드 전해액을 수용하고 동시에 복수의 금속-공기 배터리에 오프-보드 전해액을 제공하기 위한 복수의 연결 파이프(160)를 포함할 수 있다. 시스템(100)의 수리 요소들(hydraulic elements)은 진한 선들로 예시되는 파이프들에 의해 수리적으로 연결될 수 있다. 시스템(100)에서의 전자 및 제어 통신은 얇은 선들로 예시된다.
컨트롤러(130)는 컨트롤러와 연관된 비-일시적 메모리에 저장된 코드에 따라 시스템(100)을 제어하도록 구성될 수 있는 임의의 계산 플랫폼을 포함할 수 있으며, 이는 실행될 때 시스템(100)이 본 발명에 따라, 그리고 사용자 인터페이스를 사용하여 사용자로부터 수신되는 명령들에 따라 방법들을 수행하게 한다. 컨트롤러(130)는 프로세서(예를 들어, CPU, 마이크로컨트롤러, 프로그램가능 로직 컨트롤러(PLC; programmable logic controller) 기타 같은 종류의 것), 프로세서에 의해 실행될 때 본 발명의 실시예들에 따라 방법들을 수행하는 코드들을 저장하기 위한 비-일시적 메모리, 및 사용자가 컨트롤러와 통신하게 하는 임의의 디바이스들을 포함할 수 있는 사용자 인터페이스(예를 들어, 그래픽 사용자 인터페이스)를 포함할 수 있다.
배터리 이를테면 장치 이를테면 금속-공기 배터리(12)를 포함하는 장치(10)가 컨트롤러(130)와 통신할 때, 컨트롤러(130)는 금속-공기 배터리(12) 내 온-보드 전해액이 대체되어야 한다는(예를 들어, 너무 오래됨 또는 너무 냉각됨) 표시를 수신할 수 있다. 컨트롤러는 금속-공기 배터리(12)로부터 연결 파이프(160)를 통해 제2 탱크(115) 또는 중간 탱크, 이를테면 도 1의 중간 탱크(150)(미도시)로 펌핑하도록 펌프(114)를 제어할 수 있다. 밸브(117)는 온-보드 전해액의 제2 탱크(115) 또는 중간 탱크(150)로의 흐름을 제어하기 위한 컨트롤러(130)에 의해 제어될 수 있다. 센서(118)는 탱크(115) 내 온-보드 전해액의 속성에 관련된 데이터를 컨트롤러(130)에 송신할 수 있다. 예를 들어, 화학정 조성, 탱크(115) 내 전해액의 레벨, 전해액의 온도, 전해액의 pH, 기타 같은 종류의 것.
컨트롤러(130)는 오프-보드 전해액(예를 들어, 새로운 전해액 또는 가열된 전해액)을 제1 탱크(110) 또는 제3 탱크(120)로부터 연결 파이프(160)를 통해 금속-공기 배터리(12)로 펌핑하도록 펌프(125)를 제어할 수 있다. 밸브(127)는 새로운 오프 보드 전해액의 제1 탱크(110)로부터의 흐름을 제어하기 위한 또는 가열된 전해액의 제1 탱크(110) 또는 제3 탱크(120) 중 어느 하나로부터의 흐름을 제어하기 위한 컨트롤러(130)에 의해 제어될 수 있다. 센서(128)는 탱크(110) 내 오프-보드 전해액의 속성에 관련된 데이터를 컨트롤러(130)에 송신할 수 있다. 예를 들어, 화학정 조성, 전해액의 레벨, 전해액의 온도 또는 pH 기타 같은 종류의 것. 컨트롤러(130)는 금속-공기 배터리(12)에 리필되는 새로운 전해액의 상태 및 양을 나타내는 데이터를 금속-공기 배터리(12)의 작동을 제어하는 차량(10)의 컨트롤러에 더 송신할 수 있다. 추가적인 센서(미도시)는 탱크(120) 내 오프-보드 전해액의 속성 예를 들어, 오프-보드 전해액의 온도에 관련된 데이터를 컨트롤러(130)에 송신할 수 있다. 센서(118, 128) 및 추가적인 센서는 다음: 온도계, pH 센서, 도전율/저항율 센서, 또는 그 밖에 유사한 것을 포함할 수 있다.
컨트롤러(130)는 연결 파이프(160) 및 연결기(15) 간 연결이 전해액의 이동을 가능하게 하기에 충분히 씰링(sealing)된다는 표시를 센서(165)로부터 더 수신할 수 있다. 센서(165)는 연결 파이프(160) 및 연결기(15) 간 연결부에서의 가능한 누설들을 감지할 수 있다. 예를 들어, 센서(165)는 액체 누설, 기체 누설 또는 그 밖에 유사한 것을 감지할 수 있다. 즉, 센서는 연결 파이프의 배터리에의 연결이 안전한지를 나타낼 수 있다. 누설이 발생했다는 표시가 컨트롤러(130)에 의해 수신될 때, 컨트롤러는 펌프들(115 및/또는 125)이 펌핑을 중단하게 할 수 있고, 금속-공기 배터리(12) 및 시스템(100) 간 전해액의 전달이 중단될 수 있다. 즉, 이러한 안전한지를 나타내기 위한 센서로부터의 표시가 "안전"이 아닌 경우, 컨트롤러는 시스템과 배터리 간 전해액의 이동을 방지하도록 구성될 수 있다.
이제 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전기 차량(또는 하이브리드 차량)에 포함되는 금속-공기 배터리 내 온-보드 전해액의 대체 방법의 흐름도를 예시하는, 도 3을 참조한다. 도 3의 방법은 시스템(100)에 의해 또는 금속-공기 배터리 내 온-보드 전해액을 오프-보드 전해액으로 대체하도록 구성되는 임의의 다른 시스템에 의해 수행될 수 있다. 박스(310)에서, 방법은 금속-공기 배터리 내 온-보드 전해액의 속성을 검사하는 단계를 포함할 수 있다. 금속-공기 배터리를 포함하는 장치(예를 들어, 장치(10))의 컴퓨팅 시스템은 금속-공기 배터리에 또는 그 근처에 위치되는 하나 이상의 센서로부터 배터리 내 온-보드 전해액의 속성에 관련된 값을 수신할 수 있다. 장치의 컴퓨팅 시스템은 값을 전해액의 대체를 위한 시스템(예를 들어, 시스템(100))에 포함되는 컨트롤러에 송신할 수 있다. 컨트롤러(예를 들어, 컨트롤러(130))는 유선 또는 무선 통신을 통해 배터리 내 온-보드 전해액의 속성에 관련된 값을 수신할 수 있다. 속성은 다음: 전해액의 화학적 조성, 전해액의 온도, 전해액 내 고체 입자들의 양, 전해액의 저항율, 전해액의 pH, 배터리 내 전해액의 순시량, 또는 그 밖에 유사한 것을 포함할 수 있다.
박스(320)에서, 방법은 적어도 하나의 속성 파라미터가 이의 각각의 임계값을 초과했는지를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 본 설명 전체에 걸쳐 용어 '초과'의 사용은 속성을 나타내는, 측정된 값이 각각의 임계를 초과했고 그에 따라 이 상황을 바로잡기 위한 조치가 취해질 필요가 있게 됨을 의미한다는 것이 인지될 것이다. 컨트롤러는 속성과 관련된 값 또는 파라미터를 컨트롤러에 포함되는 메모리 또는 저장 디바이스에 저장된 데이터와 비교할 수 있다. 데이터는 각각의 관련 속성들에 대한 제1 임계값들을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 속성의 값이 이의 각각의 임계값을 초과할 때, 온-보드 전해액이 대체되어야 한다[예]. 시스템이 단지 초과된 속성이 온-보드 전해액의 온도임을 검출한 경우, 이는 온-보드 전해액의 모든 다른 속성은 양호하고 특별한 루트가 취해짐을 의미한다[단지 온도가 초과]. 예를 들어, 30 ℃ 내지 55 ℃의 임계보다 낮은(즉 이를 초과하는) 전해액의 온도. 본 예에서 전해액의 온도가 이 범위보다 아래인(즉 임계를 초과하는) 경우 그것은 대체될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따르면, 다른 파라미터들, 이를테면 주변 온도, 다음 예정된 이동의 예상 길이 등이 단지 이의 너무 낮은 온도로 인한 온-보드 전해액 대체 결정이 이루어지기 전에 검사될 수 있다. 어떤 임계도 초과하지 않는(즉 온-보드 전해액이 추가 사용을 위해 양호한) 경우 프로세스가 중단된다.
단지 온도가 초과한 경우, 온-보드 전해액은 그것을 희망하는 온도로 가열하기 위해[박스 384] 제어 시스템에 의해 중간 탱크(이를테면 도 1의 탱크(150))를 통해[박스(382)] 오프-보드 시스템(이를테면 도 1의 시스템)으로 유도될 수 있다. 전해액이 희망하는 온도로 가열되었을 때, 그것은 금속-공기 배터리(이를테면 도 1의 금속-공기 배터리(12))로 복귀될 수 있다[박스(350)]. 몇몇 실시예에서, 온-보드 전해액에 대하여 검사될 수 있는 다수의 속성 및 이들의 파라미터는 온-보드 전해액의 온도 및 pH 양자를 검사하는 단계를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 온-보드 전해액의 온도, 화학적 조성 및 저항율이 검사될 수 있다.
속성이 속성의 제1 임계값을 초과할(예를 들어, 경우에 따라, 보다 아래 또는 위인) 때, 방법은 박스(325)에서, 온-보드 전해액을 오프-보드 전해액으로 대체하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 방법은 두 개의 속성 중 적어도 하나가 대응하는 제1 임계값보다 아래일 때 온-보드 전해액을 대체하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해액은 온-보드 전해액의 온도가 30 ℃보다 아래이고 pH가 12보다 아래일 때 대체될 수 있다.
전해액은 시스템이 이러한 탱크를 포함하는 경우, 제2 전해액 탱크, 예를 들어, 탱크(115) 또는 중간 전해액 탱크, 예를 들어 탱크(150)로 전달 또는 이동될 수 있다. 시스템(예를 들어, 시스템(100))이 중간 탱크를 포함하지 않는 경우(박스(340)), 방법은 온-보드 전해액을 시스템(100)에 포함되는 제2 전해액 탱크, 예를 들어, 탱크(115)로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 전해액은 금속 공기 배터리로부터 전해액의 대체를 위한 시스템에 배터리를 연결하는 연결기를 통해 펌핑되고(예를 들어, 펌프(114)에 의해) 온-보드 전해액 탱크로 이동될 수 있다. 대안적으로, 센서로부터 수신된 값들이 제1 임계를 초과하지 않는 경우, 프로세스가 종료될 수 있다(박스(330)).
박스(350)에서, 방법은 오프-보드 전해액을 배터리 내 전해액을 대체하기 위한 시스템에 포함되는 제1 탱크로부터 금속-공기 배터리로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 오프-보드 전해액은 제1 탱크로부터 금속-공기 배터리로 펌핑될 수 있다(예를 들어, 펌프(125)에 의해). 몇몇 실시예에서, 오프-보드 전해액은 최적화된 화학적 조성을 갖는 새로 생긴(예를 들어, 새로운) 전해액일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 오프-보드 전해액은 미리 결정된 온도로 가열되는, 가열된 오프-보드 전해액일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 방법은 제1 탱크 내 오프-보드 전해액을 오프-보드 전해액을 이동시키는 단계 이전에 미리 결정된 온도 범위로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 오프-보드 전해액은 발열체(예를 들어, 발열체(116))를 사용하여 제1 탱크에서 30℃ 내지 100℃ 또는 50℃ 내지 80℃로 가열될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 방법은 제3 탱크(예를 들어, 시스템(100)에 포함되는 탱크(120))에 보유되는 오프-보드 전해액을 미리 결정된 온도 범위로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 오프-보드 전해액은 발열체(예를 들어, 발열체(126))를 사용하여 제3 탱크에서 30℃ 내지 100℃ 또는 50℃ 내지 80℃로 가열될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 방법은 가열된 오프-보드 전해액을 예를 들어, 펌프(125)를 사용하여 제3 탱크로부터 배터리로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
시스템이 중간 탱크(예를 들어, 탱크(150))를 포함하는 경우, 프로세스는 점선들에 따른 도해의 좌측에 따라 수행될 수 있다. 박스(360)에서의 작동은 온-보드 전해액을 금속 공기 배터리로부터 중간 전해액 탱크 예를 들어, 시스템(100)에 포함되는 탱크(150)로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 사용된 전해액은 대체 시스템에 포함되는 연결 파이프에 연결되는 연결기를 통해 금속-공기 배터리로부터 펌핑되고 중간 탱크로 전달될 수 있다.
박스(370)에서, 방법은 전해액의 속성이 제2 임계값보다 위인(그것이 가용/유가 물질들을 포함하고 너무 오염되지 않음을 의미할 수 있는)지 여부 또는 그것이 폐기물 탱크로 유도되어야 하는지를 검사하는 단계를 포함할 수 있다. 컨트롤러는 중간 탱크에 위치되는 센서들로부터, 온-보드 전해액의 하나 이상의 속성, 예를 들어, 온-보드 전해액의 화학적 조성에 관한 표시 또는 표시들을 수신할 수 있다. 속성이 제2 임계를 초과한 경우, 박스(340)에서, 사용된 전해액이 제2 전해액 탱크로 이동될 수 있다. 표시가 제2 임계를 초과하지 않은 경우, 박스(380)에서, 사용된 전해액은 폐기물 탱크(예를 들어, 탱크(170))로 이동 또는 전달될 수 있다. 예를 들어, 제2 표시가 온-보드 전해액 내 유가 물질의 양이 희망하는 임계보다 위라는 것 및/또는 희망하지 않는 물질들 및 오염 물질들이 희망하는 임계값보다 아래라는 것을 제시하는 경우, 사용된 전해액은 제2 전해액 탱크로 전달될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 방법은 각각이 금속-공기 배터리에 포함되는, 금속-공기 배터리의 속성들을 검사하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 두 대 이상의 차량이 각 차량에서의 금속-공기 배터리 내 온-보드 전해액의 온도의 검사가 뒤따르는 서비스 스테이션, 이를테면 시스템(100)에 진입할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 방법은 대응하는 임계값보다 아래인 검사된 속성을 갖는 각각의 온-보드 전해액을 오프-보드 전해액으로 대체하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 두 대 이상의 차량 내 온-보드 전해액의 온도들이 30 ℃보다 아래인 경우, 양자의 온-보드 전해액이 대체될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 온-보드 전해액을 대체하는 단계는 각각의 온-보드 전해액을 제2 탱크(예를 들어, 시스템(100)에 포함되는 탱크(115))로 이동시키는 단계 및 오프-보드 전해액을 제1 탱크(예를 들어, 시스템(100)에 포함되는 탱크(110))로부터 임계값보다 아래인 검사된 속성을 갖는 전해액을 갖는 각각의 배터리들로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 방법은 오프-보드 전해액(예를 들어, 가열된 오프-보드 전해액)을 제3 탱크(예를 들어, 시스템(100)에 포함되는 탱크(120))로부터 임계값보다 아래인 검사된 속성을 갖는 전해액을 갖는 각각의 배터리들로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 방법은 차량 및 전해액의 교체를 위한 시스템 간 연결 상태에 관한 표시자를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 센서는 차량에 포함되는 연결기 또는 전해액 교체 시스템에 포함되는 연결 파이프에 위치될 수 있고 누설이 발생한 경우 시스템에 경보할 수 있다. 센서는 액체들의 누설, 기체들의 누설 또는 그 밖에 유사한 것을 감지할 수 있다. 누설이 검출된 경우, 전해액을 이동시키는 프로세스들이 즉각적으로 중단될 수 있다.
본 발명의 특정한 특징들이 본 출원에 예시 및 설명되었지만, 많은 변형예, 대체예, 변경예, 및 등가예가 이제 해당 기술분야의 통상의 기술자들에게 떠오를 것이다. 따라서, 첨부된 청구항들이 모든 그러한 변형예 및 변경예를 본 발명의 진정한 사상의 범위에 들어가는 것으로 포함하도록 의도된다.

Claims (21)

  1. 금속-공기 배터리(Metal-Air battery) 내 전해액을 대체하기 위한 시스템으로서,
    상기 시스템은
    오프-보드(off-board) 전해액을 보유하기 위한 제1 탱크;
    중간 전해액 탱크;
    폐기 전해액 탱크;
    온-보드(on-board) 전해액을 수용하기 위한 제2 탱크;
    상기 제1 탱크 및 상기 제2 탱크를 상기 배터리에 연결하기 위한 유체 도관들;
    온-보드 전해액의 속성을 측정하기 위한 센서; 및
    상기 온-보드 전해액의 상기 배터리로부터 상기 중간 전해액 탱크로의 또는 상기 제2 탱크로의 이동을 제어하기 위한, 상기 온-보드 전해액의 속성이 임계값을 초과한 경우 상기 온-보드 전해액의 상기 중간 전해액 탱크로부터 상기 제2 탱크로의 이동을 제어하고 그렇지 않다면 상기 온-보드 전해액을 폐기 전해액 탱크로 이동시키기 위한, 그리고 오프-보드 전해액의 상기 제1 탱크로부터 상기 배터리로의 이동을 제어하기 위한 컨트롤러
    를 포함하고,
    상기 속성은: 각각이 대응하는 임계값을 갖는, 상기 온-보드 전해액의 화학적 조성, 상기 온-보드 전해액의 온도, 상기 온-보드 전해액 내 고체 입자들의 양, 상기 온-보드 전해액의 저항률, 상기 온-보드 전해액의 pH 및 상기 배터리 내 온-보드 전해액의 순시량 중 적어도 하나인, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탱크는 발열체를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 오프-보드 전해액의 온도를 미리 결정된 온도 범위 내에 있게 제어하도록 구성되는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    가열된 오프-보드 전해액을 보유하기 위한 제3 탱크를 더 포함하고, 상기 제3 탱크는 발열체를 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 제3 탱크 내 상기 오프-보드 전해액의 온도를 미리 결정된 온도 범위 내에 있게 제어하도록 구성되는, 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도관들의 상기 배터리에의 연결이 안전한지를 나타내기 위한 센서를 더 포함하는, 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 내 상기 전해액의 상태에 대한 표시를 수신하기 위해 상기 배터리의 컨트롤러와 통신하기 위한 통신 유닛을 더 포함하는, 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 도관들의 상기 배터리에의 연결이 안전한지를 나타내기 위한 센서로부터의 표시가 "안전"이 아닐 때, 상기 컨트롤러는 상기 시스템과 상기 배터리 간 전해액의 이동을 방지하도록 구성되는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 임계값들에 따라 상기 전해액의 품질 검사를 위해 상기 배터리로부터 상기 중간 전해액 탱크로 온-보드 전해액을 이동시키도록 구성되는, 시스템.
  8. 제1항 내지 제3항, 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온-보드 전해액의 상기 배터리로부터 상기 제2 탱크로의 이동을 제어하는 제1 밸브;
    상기 오프-보드 전해액의 상기 제1 탱크로부터 상기 배터리로의 이동을 제어하는 제2 밸브를 더 포함하는, 시스템.
  9. 제3항에 있어서,
    냉각 온-보드 전해액의 상기 배터리로부터 상기 제2 탱크로의 이동을 제어하는 제1 밸브; 및
    가열된 오프-보드 전해액의 상기 제3 탱크로부터 상기 배터리로의 이동을 제어하는 제2 밸브를 더 포함하는, 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    온-보드 전해액의 상기 배터리로부터 상기 중간 전해액 탱크로의 이동을 제어하는 제3 밸브;
    온-보드 전해액의 상기 중간 전해액 탱크로부터 상기 제2 탱크로의 이동을 제어하는 제4 밸브; 및
    온-보드 전해액의 상기 중간 전해액 탱크로부터 상기 폐기 전해액 탱크로의 이동을 제어하는 제5 밸브를 더 포함하는, 시스템.
  11. 제1항 내지 제3항, 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나보다 많은 배터리와 연결하도록 더 적응되는, 시스템.
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