KR102413989B1 - 액체 온도 제어 시스템을 구비한 배터리 - Google Patents

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토마스 피. 무니즈
존 멜랙
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위스크 에어로 엘엘씨
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Abstract

액체 온도 제어 시스템은 액체 온도 제어 시스템과 배터리 사이에서 온도 제어 액체를 순환시켜 온도 제어 배터리를 생성하기 위해 이용된다. 배터리 및 액체 온도 제어 시스템은 적어도 온도 제어 액체가 순환하는 동안 분리가능하게 결합된다. 온도 제어 액체는 온도 제어 배터리로부터 제거된다. 배터리 및 액체 온도 제어 시스템은 온도 제어 액체가 제거된 후에 분리된다. 충전기는 온도 제어 배터리를 충전하기 위해 사용된다.

Description

액체 온도 제어 시스템을 구비한 배터리
본 출원은 2018년 12월 12일에 출원된 미국 특허 출원 제16/217,616호(제목: 액체 온도 제어 시스템을 구비한 배터리)로서, 미국 특허 제10,497,996호로 발행된 출원에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 모든 목적을 위해 전체가 참조로서 본원에 통합된다.
전전기(all-electric) 항공기를 포함하여, 새로운 유형의 전전기 운송수단이 개발되고 있다. 이러한 전전기 운송수단의 작동 및/또는 관리를 향상시키는 새로운 기술 및/또는 장치가 요구되고 있다. 예를 들어, 이러한 운송수단은 플리트(fleet) 또는 공유 사용 어플리케이션에 배치될 수 있으며, 그러한 운송수단의 "가동 시간"을 증가시키는 것이 요구되고 있다(예를 들어, 보다 많은 라이더가 운송수단의 플리트에 의해 서비스를 받을 수 있고 그리고/또는 이용가능한 운송수단에 대한 대기 시간이 감소되기 때문이다).
본 발명의 배경이 되는 기술은 US 2014/0342197 A1(2014.11.20) 및 US 9,252,463 B2(2016.02.02)에 개시되어 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면에서 개시된다.
도 1은 액체 온도 제어 시스템을 이용하여 온도가 제어되는 항공기 내 배터리의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 액체 온도 제어 시스템을 이용하는 배터리를 가열 또는 냉각하고 온도 제어 배터리를 충전하는 과정의 일 실시예를 도시한 순서도이다.
도 3a는 배터리 서브모듈을 구비한 양면 랙(double-sided rack)의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 3b는 배터리 서브모듈의 하부 부분을 위한 지지 구조물을 포함하는 랙의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 4a는 오링(o-ring)이 없는 지지 구조물의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 4b는 온도 제어 액체가 배터리 서브모듈과 직접적으로 접촉하기 위해 채널을 형성하도록, 두 세트의 오링을 구비하는 지지 구조물의 일 실시예를 도시하는 도면이다.
도 5는 온도 제어 액체가 배터리 서브모듈과 접촉하는 일 실시예를 도시하는 도면이다.
도 6은 오링을 구비하는 지지 구조물에 의해 형성되는 채널의 단면도를 나타낸다.
본 발명은 프로세스; 장치; 시스템; 재료의 구성; 컴퓨터 판동 가능 저장 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램 제품; 및/또는 프로세서, 예컨대 프로세서에 결합된 메모리에 저장된 그리고/또는 그에 의해 제공되는 명령어를 실행시키도록 구성된 프로세서를 포함하는 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 본 명세서에서, 이들 구현 또는 본 발명이 취할 수 있는 임의의 다른 형태는 기술이라고 지칭될 수 있다. 일반적으로, 개시되는 프로세스의 단계들의 순서는 본 발명의 범위 내에서 변경될 수 있다. 달리 명시되지 않는 한, 작업을 수행하도록 구성된 것으로 설명된 프로세서 또는 메모리와 같은 구성은, 주어진 시간에 작업을 수행하도록 일시적으로 구성된 일반적인 구성 또는 작업을 수행하도록 제조된 특정 구성으로 구현될 수 있다. 본원에 사용되는 용어 '프로세서'는 컴퓨터 프로그램 명령어와 같은 데이터를 처리하도록 구성된 하나 이상의 장치, 서킷 및/또는 프로세싱 코어를 지칭한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예들의 상세한 설명이 본 발명의 원리를 나타내는 첨부된 도면과 함께 아래에 제공된다. 본 발명은 이러한 실시예와 관련되어 설명되지만, 본 발명은 임의의 실시예에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 청구항에 의해서만 제한되고, 본 발명은 다양한 대체, 변경 및 이와 동등한 것을 포함한다. 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해, 다음의 설명에서 다양한 특정 세부사항이 개시된다. 이러한 세부사항은 예시의 목적으로 제공되고 본 발명은 특정 세부사항의 일부 또는 전부가 없이 청구범위에 따라 실시될 수 있다. 명확하게 하기 위해, 본 발명에 관련된 기술 분야에서 알려진 기술 자료는 본 발명이 불필요하게 불명확해지지 않도록 세부사항에서 설명되지 않는다.
액체 온도 제어 시스템(예컨대, 충전 전, 충전 중 및/또는 충전 후)을 이용하여 온도가 제어되는 배터리의 다양한 실시예가 본원에 설명된다. 일부 실시예에서, 배터리(예컨대, 운송수단용) 및 액체 온도 제어 시스템은 분리 가능하게 결합된다(예컨대, 운송수단의 배터리가 충전될 때). 온도 제어 액체(예컨대, 가열되거나 냉각됨)는 액체 온도 제어 시스템과 배터리 사이를 순환하여 온도 제어 배터리를 생성한다. 다양한 실시예에서, 액체는 겔, 물 등일 수 있다. 온도 제어 배터리는 충전된다(예컨대, 온도 제어 배터리가 충전이 허용되는 온도 범위 내에 있는 경우, 또는 배터리가 가열되거나 냉각될 때 동시에 충전이 될 수 있음). 온도 제어 액체는 온도 제어 배터리로부터 제거되고, 배터리 및 액체 온도 제어 시스템은 분리된다. 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 이는 액체(예컨대, 공기를 이용하여 배터리를 가열 또는 냉각하는 것보다 우수한 열 특성을 가짐)를 이용하여 요구되는 온도로 배터리가 가열 또는 냉각되도록 허용하므로, 비행 또는 기타 이동 중에 가열 또는 냉각에 이용되는 액체의 중량이 추가되는 것을 피할 수 있다.
도 1은 액체 온도 제어 시스템을 이용하여 온도가 제어되는 항공기 내 배터리의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도시된 예에서, 예시적인 운송수단(100)은 배터리(102)에 의해 전적으로 전원이 공급되는 전전기 항공기이다. 지상에 있을 때(도면 참조), 배터리는 충전기(104)를 이용하여 충전된다. 운송수단이 작동될 준비가 되려면, 배터리는 충전되어야 하고 배터리 온도는 허용가능한 범위 내에 있어야 한다. 배터리 온도가 허용가능한 범위를 벗어날 수 있는 경우의 예는, 운송수단이 허용가능한 배터리 온도 범위보다 낮은 주위 온도에서 외부에 보관된 경우 또는 운송수단의 배터리가 급속하게 충전되어 그 온도가 허용가능한 범위보다 높아지는 경우를 포함한다.
이 예에서, 배터리(102)는 액체 온도 제어 시스템(106)에 연결되어 배터리가 지상에 있는 동안(예컨대, 충전 전, 충전 중 및/또는 충전 후) 온도가 제어된다. 온도 제어 액체는 입력 호스(hose) 또는 연결부(108)를 통해 배터리(102)에 전달된다. 예컨대, 배터리가 너무 뜨거우면, 냉각(cooled or chilled)된 액체가 배터리로 펌핑된다. 배터리에 들어가면, 냉각된 액체(적어도 이 예에서)는 배터리로부터 일부 열을 흡수한다. 그후 가열된 액체는 출력 호스 또는 연결부(110)를 통해 배터리에서 배출되고 액체 온도 제어 시스템(106)으로 되돌아가, 액체는 다시 냉각되어 입력 라인(108)으로 돌아간다.
간단하고 용이한 설명을 위해, 배터리(102)가 온도 센서를 포함하고 측정된 온도가 액체 온도 제어 시스템(106)에 전달된다고 가정한다. 일 예에서, 액체 온도 제어 시스템(106)은 배터리 관리 시스템을 통해 측정된 배터리 온도를 수신한다. 배터리 관리 시스템은 배터리 온도를 측정하고 이를 충전기에 전달하는, 준비되어 있는 기존의 내부 시스템이다. 일 예에서, 액체 온도 제어 시스템(106)은 충전기(104)와 동일한 인터페이스 및/또는 장치를 통해 제어된다. 이는 시스템을 작동하는 지상 직원의 간편함 및/또는 기술적 구현의 용이함(예컨대, 배터리에서 요구되는 모든 정보가 이미 충전기에서 이용가능함) 때문에 바람직할 수 있다.
유사하게, 액체 온도 제어 시스템(106)은 원하는 배터리 온도를 갖는 것으로 가정된다. 예컨대, 원하는 배터리 온도는 셀 제조업체가 특정한 배터리 셀 작동 한계에 의해 얻어지거나 지시될 수 있다. 측정된 온도와 원하는 온도 모두를 알고 있는 경우, 액체 온도 제어 시스템은 배터리에 가열 또는 냉각된 액체의 펌핑 여부 및 배터리로에서 액체의 제거 시기(예컨대, 측정된 온도가 원하는 온도에 도달 및/또는 배터리의 충전이 완료됐기 때문)를 결정할 수 있다.
비행 중에 항공기(100)의 중량을 낮게 유지하기 위해, 항공기가 지상에 있을 때에만 가열 또는 냉각 액체는 배터리 내부에 있다. 예컨대, 액체 온도 제어 시스템(106)이 먼저 배터리(102)에 연결될 때, 배터리에서 액체가 통과하는 임의의 채널은 액체가 아닌 공기로 채워질 것이다. 다음, 액체 온도 제어 시스템(106)은 배터리가 원하는 원도에 도달할 때까지 입력 및 출력 연결부(108 및 110)를 이용하여, 액체가 채워지는 폐쇄 루프에서 배터리(102)를 통해 가열 또는 냉각 액체를 펌핑한다. 이 시점에서, 배터리의 채널은 배터리를 가열 또는 냉각하기 위해 액체로 채워진다(예컨대, 충전 시간 개선을 위해). 다음, 온도 제어 액체는 배터리(102)에 및/또는 항공기(100)에 아무것도 남아있지 않을 때까지 (예컨대, 수동적 기술 및/또는 능동적 기술을 이용하여) 배터리로부터 배출된다. 다음, 액체 온도 제어 시스템은 배터리로부터 분리되고, 항공기(예컨대, 재충전된 배터리를 구비)는 배터리를 가열 또는 냉각하기 위해 사용되는 액체로 인한 초과 중량 없이 이륙할 수 있다.
일부 경우에, 배터리는 예열된다. 예컨대, 겨울에는 배터리를 특정 날짜에 처음 충전하기 전에 최소 충전 온도까지 배터리 예열이 필요할 수 있다. 이러한 상황에서, 배터리를 통해 펌핑되는 액체는 배터리를 예열하기 위해 액체 가열 및/또는 냉각 시스템으로 가열될 수 있다. 배터리가 원하는 온도(예컨대, 최소 배터리 충전 온도)에 도달하면, 충전기(104)는 배터리(102)를 충전하기 시작한다.
본원에 나타낸 예시적인 액체 온도 제어 시스템을 이용하면, 비행 중 액체가 항공기 및/또는 배터리를 차지하여 액체로 인한 추가적인 비행 중량을 방지하면서, 액체의 보다 우수한 열 성능이 활용될 수 있다(예컨대, 배터리를 가열 또는 냉각하기 위해 액체를 이용하는 것은 공기를 이용하는 것과 비교하여 배터리의 온도를 더 빠르게 변화시킬 수 있다). 액체로 인한 추가적인 중량은 더 많은 동력을 소비하고, 이에 상응하여 비행 시간이 감소되며, 이는 바람직하지 않다. 다시 말해, 예시적인 액체 온도 제어 시스템은 문제점 없이(예컨대, 비행 중 액체의 추가 중량에 대처할 필요가 없음) 액체의 (예컨대, 공기와 비교하여) 보다 우수한 열 특성을 가진다.
일 예시적인 적용에서, 이 시스템은 주위 온도가 상대적으로 높거나(예컨대, 40°C 초과) 또는 상대적으로 낮은 경우(예컨대, 0°C 미만) 특히 바람직하거나 유용할 수 있다. 예컨대, 항공기가 매우 더운 여름날에 비행하는 경우, 배터리를 냉각하는 것은 충전 및/또는 소요 시간을 감소시킬 것이다. 일부 경우에, 항공기는 플리트 또는 공유 사용 어플리케이션에 배치된다. 플리트 또는 공유 사용 어플리케이션에서 충전 시간을 감소시키는 것은 라이더의 대기 시간을 감소시키고 그리고/또는 보다 많은 라이더가 서비스를 받도록 할 수 있을 것이다.
다음 도면은 이러한 예시를 순서도에서, 보다 일반적으로 그리고/또는 공식적으로 설명한다.
도 2는 액체 온도 제어 시스템을 이용하는 배터리를 가열 또는 냉각하고 온도 제어 배터리를 충전하는 과정의 일 실시예를 도시한 순서도이다. 전술한 바와 같이, 이는 (예컨대, 전전기 항공기와 같은 운송수단에서) 배터리 충전 시간을 감소시킬 수 있다.
단계(200)에서, 배터리 및 액체 온도 제어 시스템이 분리가능하게 결합된다. 예컨대, 도 1에서 입력 연결부(108) 및 출력 연결부(110)는 배터리(102)에 연결되어, 액체 온도 제어 시스템(106) 및 배터리(102)가 서로 분리 가능하게 결합되도록 한다.
단계(202)에서, 온도 제어 액체는 액체 온도 제어 시스템과 배터리 사이에서 순환되어, 온도 제어 배터리를 생성한다. 예컨대, 도 1에서 입력 연결부(108)를 통해, 도 1의 액체 온도 제어 시스템(106)은 가열되거나 냉각된 액체를 배터리로 전달할 수 있다. 배터리에 들어가면, 온도 제어 액체는 배터리를 가열하거나 냉각하여 상기 온도 제어 배터리를 생성한다. 그후 액체는 출력 연결부(110)를 통해 배터리에서 배출된다. 단계(200)에서 결합 단계 이전에, 도 1의 예시적 배터리(102)는 배터리를 가열 또는 냉각하기 위해 사용되는 어떠한 액체도 포함하지 않는다는 점이 이해된다.
단계(204)에서, 온도 제어 배터리는 충전된다. 예컨대, 도 1에서 충전기(104)는 액체 온도 제어 시스템(106)에 의해 온도가 제어되는 배터리(102)를 충전하기 위해 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 단계(204)에서의 충전은 단계(202)에서의 액체의 순환에 비해 다양한 시점에 발생할 수 있다. 예컨대, 배터리를 충전하기에 안전하거나 또는 지장이 없는, 허용가능한 온도 범위가 있다고 가정한다. 일 예에서, 배터리의 측정된 온도가 이 허용가능한 온도 범위 내에 있고, 이에 따라 단계(204)에서의 충전은 단계(202)에서의 가열 또는 냉각과 실질적으로 동시에 시작된다. 또 다른 예에서, 배터리는 너무 뜨겁거나 차가워서 충전을 바로 시작할 수 없다(즉, 측정된 온도는 허용가능한 배터리 충전 온도의 범위 내에 있지 않다). 이 경우에, 단계(202)에서의 가열 또는 냉각이 먼저 발생한다. 그후, 온도 제어 배터리의 측정된 온도가 허용되는 배터리 충전 온도의 범위 내에 있게 됐을 때, 단계(204)에서의 충전은 시작된다.
단계(206)에서, 온도 제어 액체는 온도 제어 배터리로부터 제거된다. 예컨대, 도 1에서, 액체 온도 제어 시스템(106)과 배터리(102) 사이의 입력 연결부(108)는 액체 온도 제어 시스템으로부터 배터리로 공기를 불어넣을 수 있다. 이는 배터리에서 액체를 플러싱(flush)하거나 적극적으로 제거할 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리에서 온도 제어 액체를 제거하기 위해 수동적 기술이 사용된다. 예컨대, 온도 제어 배터리에서 온도 제어 액체를 배출하기 위해 중력이 이용될 수 있다.
단계(206)에서 온도 제어 액체의 제거는 다른 단계에 비해 다양한 시점에 발생할 수 있다. 예컨대, 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 배출하기 위해 중력이 이용되는 경우, 몇 초가 아닌 몇 분 정도 소요될 수 있다. 일부 실시예에서, 상대적으로 긴 배출 시간을 수용하기 위해 단계(206)에서의 배출(예컨대, 중력 이용)은 배터리가 단계(204)에서 충전되고 있는 동안 시작된다. 예컨대, 배터리로부터 온도 제어 액체를 배출하기 위해 약 Tdraining 만큼의 시간이 걸리는 경우, 예상되는 충전의 종료(예컨대, 단계(204))에서 그 시간만큼 전에 배출이 시작될 수 있다. 또는, 배터리의 측정된 온도가 원하는 온도에 도달하면 배터리에서 액체의 제거가 시작된다.
대안적으로, 온도 제어 액체가 더 빠르고 그리고/또는 더 능동적인 기술(예컨대, 액체 온도 제어 시스템은 입력 연결부를 통해 에어를 펌핑하거나 블로잉함으로써 배터리를 플러싱한다)을 사용하여 제거되는 경우, 단계(204)에서의 충전은 단계(206)에서 온도 제어 액체가 제거되기 전에 먼저 완료될 수 있다.
단계(208)에서, 배터리 및 액체 온도 제어 시스템은 분리된다. 예컨대, 도 1에서 액체 온도 제어 시스템(106)과 배터리(102) 사이의 연결부 또는 호스는 분리되거나 결합해제될 것이다. 배터리가 충전되고, 온도 제어 액체는 배터리 및 운송수단으로부터 제거되고, 모든 연결부가 분리되며, 운송수단은 재충전된 배터리로 온도 제어 액체로 인한 추가 중량 없이 이동(예컨대, 비행)을 재개할 수 있다.
전술한 바와 같이, 배터리(그리고 이에 따른 운송수단)로부터 액체가 제거된 상태에서, 운송수단은 이후 이동(예컨대, 비행)할 때 액체로 인해 추가된 중량을 운반하기 위해 전력을 소비할 필요가 없다. 예컨대, 운송수단이 전전기 항공기인 경우, 이륙 전에 액체를 제거함으로써 중량을 줄이는 것은 항공기의 비행 시간을 연장할 수 있다.
온도 제어 액체가 배터리를 손상시키지 않고 배터리를 통과하는 채널을 생성하기 위해 사용되는 예시적인 배터리 및 구성을 보여주는 것이 유용할 수 있다(예컨대, 액체가 전자장치 또는 기타 민감한 구성과 접촉하지 않음). 다음 도면은 이러한 일 예시적 배터리 시스템을 설명한다. 먼저, 지상 액체 가열 또는 냉각 특징 또는 구성이 없는 예시적 배터리 시스템이 설명된다. 다음, 지상 액체 가열 또는 냉각을 허용하는 새로운 구성의 몇가지 예시가 설명된다. 당연히, 이러한 예시는 단지 예시적이며 제한하려는 의도가 아니다.
도 3a는 배터리 서브모듈을 구비한 양면 랙(double-sided rack)의 일 예를 도시하는 도면이다. 일부 실시예에서, 도 1의 배터리(102)는 배터리 서브모듈을 구비하는 양면 랙(예컨대, 본원에 도시된 것과 유사함)을 이용하여 구현된다.
이 예에서, 배터리 서브모듈(300)은 파우치 셀(pouch cell)인 배터리 셀(도면 미도시)을 포함한다. 파우치 셀은 압력이 가해질 때(예컨대, ~3 - 5 PSI) 더욱 우수하게 작동한다. 보다 구체적으로, 파우치 셀의 사이클 수명은 파우치 셀에 압력을 가함으로써 연장될 수 있다. 이러한 이유로, 배터리 서브모듈(300)의 배터리 셀은 배터리 셀을 내부에 압축하는 금속 용기(302) 내에 배치된다. 용기(302)는 양극 및 음극 단자 또는 연결부를 포함하는 리드(lid, 304)로 밀봉된다.
랙은 리드가 외부를 향하도록 삽입되는 배터리 서브모듈을 위한 슬롯 또는 개구를 포함한다. 배터리 서브모듈(300)을 랙(306)에 고정하기 위해, 스크류가 리드의 홀을 통과하여 랙에 나사고정된다. 배터리 서브모듈의 리드가 외부를 향하도록 함으로써, 리드에 의해 노출된 양극 및 음극 단자 또는 연결부는 서로 및/또는 다른 전기적 구성요소(도면 미도시)에 전기적으로 연결될 수 있다.
랙의 반대측(도면 미도시)은 배터리 서브모듈의 또 다른 어레이를 포함하고, 이에 따라 랙은 양면 랙으로 지칭된다. 본원에 도시된 도면에서 모든 슬롯 또는 개구가 배터리 서브모듈로 채워지는 것은 아니지만, 실제 배터리에서는 모든 슬롯 또는 컷아웃(cutout)이 배터리 서브모듈로 채워질 것이다.
도 3b는 배터리 서브모듈의 하부 부분을 위한 지지 구조물을 포함하는 랙의 일 예를 도시하는 도면이다. 명확하게 하기 위해, 이 도면에서의 랙(350)은 도시된 구성요소를 방해하는 배터리 서브모듈 없이 도시된다. 이 예에서, 도 3a의 양면 랙(306)은 중앙 부분(예컨대, 절단이 발생한 위치)이 표시되어 중간을 절반으로 절단하였다.
이 도면에서 도시된 바와 같이, 절반-절단 랙(cut-in-half rack, 350)은, 각 지지 구조물이 배터리 서브모듈(도면 미도시)의 열(row)에 대응되는 복수 개의 지지 구조물(352)을 포함한다. 지지 구조물은 배터리 서브모듈(도면 미도시), 특히 용기의 하부 부분(예컨대, 리드와 이격됨)과 접촉하는 랙의 일부이다. 예컨대, 지지 구조물은 배터리 서브모듈(보다 구체적으로, 용기의 하부)이 삽입되고 장착되는 라운드진 모서리를 갖는 직사각형 컷아웃을 포함하고, 리드는 배터리 서브모듈을 랙에 고정하기 위해 랙의 반대(즉, 외부)측에 나사고정된다. 다음 도면은 예시적 지지 구조물(352)의 보다 근접한 도면을 나타낸다.
도 4a는 오링(o-ring)이 없는 지지 구조물의 일 예를 도시하는 도면이다. 이 예에서, 지지 구조물(400)은 도 3b의 지지 구조물(352)의 보다 근접하게 나타낸다. 도면에 도시된 바와 같이, 예시적 지지 구조물은 상대적으로 얇고, 구조적 지지만을 제공한다(예컨대, 열 제어 또는 관리 특징 없음).
다음 도면은 오링을 구비한 보다 두꺼운 지지 구조물의 일 예를 나타낸다. 이러한 지지 구조물은 온도 제어 액체가 지지 구조물 내의 배터리 서브모듈과 접촉할 수 있도록 채널 또는 경로를 형성하기 위해 이용될 수 있고, 이에 따라 전체 배터리 시스템이 냉각되거나 가열될 수 있다(예컨대, 도 1에 도시되고 도 2에 설명된 시스템을 이용).
도 4b는 온도 제어 액체가 배터리 서브모듈과 직접적으로 접촉하기 위해 채널을 형성하도록, 두 세트의 오링을 구비하는 지지 구조물의 일 실시예를 도시하는 도면이다. 도시된 예에서, 지지 구조물(450)은 도 4a에 도시된 지지 구조물(400)보다 더 두껍다. 이 두께는 온도 제어 액체가 지지 구조물(450)에 삽입되는 배터리 서브모듈과 직접 접촉할 수 있도록 채널 또는 경로를 형성하기 위해 이용된다.
지지 구조물(450)은 배터리 프레임의 중앙에 위치하며, 냉각 채널을 형성하도록 각 측면(예컨대, 좌측 열의 배터리 서브모듈 및 우측 열의 배터리 서브모듈)에서 배터리 서브모듈과 연결된다. 예컨대, 좌측 오링(454)은 좌측(도면 미도시)에서 배터리 서브모듈 주위(보다 구체적으로, 용기의 하부 주위)의 밀봉을 형성하고, 우측 오링(452)은 우측에서 배터리 서브모듈 주위의 밀봉을 형성한다.
좌측 및 우측 배터리 서브모듈(도면 미도시)이 지지 구조물의 컷아웃 중 하나에 삽입될 때, 접촉되는 좌측 오링 및 우측 오링은 (각각) 온도 제어 액체가 배터리 서브모듈의 용기와 직접 접촉하도록 배터리 서브모듈(도면 미도시)의 용기의 하부 주위에 링 또는 밴드를 형성할 것이다. 예시적인 용기는 금속이고, 배터리 서브모듈과 액체 사이에서 직접 접촉이 이루어지기 때문에, 온도 제어 액체가 이들 두 배터리 서브모듈을 가열 또는 냉각하도록 우수한 열 계면이 형성된다. 용기의 하부면의 상대적으로 큰 표면적은 가열 또는 냉각에도 도움이 된다.
이 예에서, 중력을 이용하기 위해, 온도 제어 액체는 지지 구조물의 상부에서 수 커넥터(male connector, 456)를 통해 지지 구조물로 들어가고, 지지 구조물의 하부에서 암 커넥터(female connector, 458)를 통해 배출된다. 수 커넥터의 높이는 하나의 열의 암 커넥터가 다음 하단 열의 수 커넥터에 장착되도록 크기가 정해질 수 있다. 이는 온도 제어 액체가 최상부 열의 배터리 서브모듈을 먼저 가열 또는 냉각한 후, 다음 하단 열로 떨어져서 배터리 서브모듈 및 다음 열 등을 가열 또는 냉각할 수 있게 한다.
다시 도 2로 돌아가면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서 단계(202)의 온도 제어 액체를 순환시키는 것은 용기 및 용기 주위에 장착되도록 구성된 오링을 이용하여 형성된 채널을 통해 온도 제어 액체를 순환시키는 것을 포함하고, 온도 제어 액체는 채널에 있을 때 적어도 용기의 하부면과 직접 접촉한다. 일부 실시예에서(또한 도 4b에 도시됨), 채널은 제1 용기, 제2 용기, 제1 용기 주위에 장착되도록 구성된 제1 오링 및 제2 용기 주위에 장착되도록 구성된 제2 용기를 이용하여 형성되고, 온도 제어 액체는 채널에 있을 때 적어도 제1 용기의 하부면 및 제2 용기의 하부면과 직접 접촉한다. 도 4b는 또한 일부 실시예에서, 지지 구조물이 제1 오링 및 제2 오링을 포함하고, 온도 제어 액체는 지지 구조물의 상부측의 제1 개구로부터 채널로 들어가고 지지 구조물의 하부측의 제2 개구로부터 채널에서 배출되는 것을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 액체가 위로부터 들어가고 아래로 배출되도록 하는 것은 중력을 이용한다.
도 4b에 도시된 것과 유사한 지지 구조물을 이용하는 이점 중 하나는 전체 배터리 시스템의 설계가 중대하게 재작업될 필요가 없다는 것이다. 예컨대, 도 4b에 도시된 지지 구조물의 추가 두께는 비교적 작을 수 있고, 배터리는 항공기의 기체에 할당된 공간에 여전히 장착될 수 있다(예컨대, 배터리(102)가 조종석 뒤의 기체에 장착되어야 하는 도 1 참조). 도시된 예시적 지지 구조물은 또한 단일 구조를 사용하여 양측에서 배터리 서브모듈을 가열 또는 냉각하기 때문에 중량-효율적일 수 있고(예컨대, 오른쪽에 하나의 구조를 가지고 왼쪽에 또 다른 구조를 갖는 것과 대조), 이는 배터리의 중량을 감소시킨다. 또한, 지지 구조물은 온도 제어 액체가 용기의 하부면을 가로질러 유동하도록 하고, 이는 상대적으로 큰 표면적(예컨대, 가열 또는 냉각에 우수함)을 제공한다.
다음 도면은 온도 제어 액체가 도 4b에 도시된 예시적 지지 구조물을 이용하여 배터리 서브모듈과 접촉하는 곳을 도시한다.
도 5는 온도 제어 액체가 배터리 서브모듈과 접촉하는 일 실시예를 도시하는 도면이다. 도시된 예에서, 배터리 서브모듈(500)은 도 4b에 도시된 지지 구조물(450)을 이용하여 랙에 고정된다. 용기(504)의 하부 부분(502)은 온도 제어 액체가 용기와 (직접) 접촉하는 곳이다. 우측 또는 좌측 오링(도면 미도시)은 용기 주위에 장착되어, 액체가 도시된 영역(502)에 머무르고 부서지기 쉽거나 민감한 전자장치와 접촉하지 않도록 한다. 예컨대, 액체가 오링으로부터 누출되어, 열 폭주(thermal runaway)가 발생한 경우 뜨거운 가스를 배출하기 위해 사용되는 용기의 컷아웃(508)과 접촉되는 것은 바람직하지 않다. 컷아웃은 컷아웃 위의 테이프로 물의 유입으로부터 상당히 보호될 수 있다.
도 6은 오링을 구비하는 지지 구조물에 의해 형성되는 채널의 단면도를 나타낸다. 이 예에서, 도 4b의 지지 구조물(450)은 온도 제어 액체가 유동하도록, 도면에 도시된 예시적 채널을 형성한다. 이 예에서, 지지 구조물(600)은 좌측 오링(602) 및 우측 오링(604)을 포함한다. 좌측 오링(602)은 좌측에서 삽입된 배터리 서브모듈의 용기(606) 주위에 장착된다. 유사하게, 우측 오링(604)은 우측에서 삽입된 배터리 서브모듈의 용기(608) 주위에 장착된다. 유입 액체(liquid in, 610)는 지지 구조물의 상부로 유입되고, 두 용기(606 및 608)의 하부면을 지나 유동하여, 지지 구조물의 하부의 배출 액체(liquid out, 612)로 배출된다.
이 예에서, 도 4b의 지지 구조물(450)은 배터리 서브모듈을 위한 각각의 컷아웃 사이에 벽 또는 장벽을 구비한다. 이와 같이, 각각의 좌우 쌍의 배터리 서브모듈은 전용의 분리된 채널을 구비하고, 한 쌍을 가열하거나 냉각하는 온도 제어 액체는 동일한 열에서 인접한 쌍을 가열하거나 냉각하는 온도 제어 액체와 섞이지 않을 것이다. 예컨대, 각 쌍 주위에서 유체 유동율의 더 우수한 균일성을 허용하고 이에 따라 배터리 전체에 걸쳐 더 균일한 열 열전달을 허용하기 때문에, 이러한 방식으로 설계될 수 있다. 당연히, 일부 다른 실시예에서, 지지 구조물이 인접한 쌍 사이에 개구 또는 연결부를 구비하여, 온도 제어 액체는 동일한 열의 다른 인접한 쌍과 섞일 수 있다.
전술한 실시예가 이해의 명확성을 위해 일부 상세하게 설명되었으나, 본 발명은 제공된 세부사항에 제한되는 것은 아니다. 본 발명을 구현하기 위한 많은 대안적 방법이 있다. 개시된 실시예는 예시적이며, 제한적인 것은 아니다.

Claims (34)

  1. 배터리와 액체 온도 제어 시스템을 분리가능하게 결합하고,
    액체 온도 제어 시스템과 배터리 사이에서 온도 제어 액체를 순환시켜 온도 제어 배터리를 생성하고,
    온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하고, 그리고
    배터리와 액체 온도 제어 시스템을 분리하는, 액체 온도 제어 시스템;으로서,
    배터리는 용기를 구비하는 배터리 서브모듈을 포함하고,
    온도 제어 액체를 순환시키는 것은 용기와 용기가 삽입되는 지지 구조물의 컷아웃 사이를 밀봉하도록 용기 주위에 장착되는 오링 및 용기를 이용하여, 컷아웃의 내부에서 용기와 지지 구조물 사이에 형성된 채널을 통해 온도 제어 액체를 순환시키는 것을 포함하며,
    온도 제어 액체는 채널에 있을 때 적어도 용기의 하부면과 직접 접촉하는, 액체 온도 제어 시스템; 및
    온도 제어 배터리를 충전하는 충전기;를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    배터리는 운송수단에 있는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    배터리는 운송수단에 있고, 운송수단은 항공기를 포함하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    온도 제어 배터리를 충전하는 것은 온도 제어 배터리의 측정 온도가, 허용되는 배터리 충전 온도의 범위 내에 있음으로써 시작되는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하는 것은 액체 온도 제어 시스템에서 배터리로 공기를 불어넣는 것을 포함하는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하는 것은 중력을 이용하여 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 배출하는 것을 포함하는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하는 것은 중력을 이용하여 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 배출하는 것을 포함하고, 그리고
    중력을 이용하여 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 배출하는 것은 온도 제어 배터리가 충전되는 중에 시작되는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    용기를 구비하는 배터리 서브모듈은 제1 용기를 구비하는 제1 배터리 서브모듈이고, 배터리는 제2 용기를 구비하는 제2 배터리 서브모듈을 더 포함하고, 그리고
    온도 제어 액체를 순환시키는 것은 제1 용기, 제2 용기, 제1 용기 주위에 장착되는 제1 오링 및 제2 용기 주위에 장착되는 제2 오링을 이용하여 형성된 채널을 통해 온도 제어 액체를 순환시키는 것을 포함하며,
    온도 제어 액체는 채널에 있을 때 적어도 제1 용기의 하부면 및 제2 용기의 하부면과 직접 접촉하는, 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    용기를 구비하는 배터리 서브모듈은 제1 용기를 구비하는 제1 배터리 서브모듈이고, 배터리는 제2 용기를 구비하는 제2 배터리 서브모듈을 더 포함하고,
    온도 제어 액체를 순환시키는 것은 제1 용기, 제2 용기, 제1 용기 주위에 장착되는 제1 오링 및 제2 용기 주위에 장착되는 제2 오링을 이용하여 형성된 채널을 통해 온도 제어 액체를 순환시키는 것을 포함하며,
    온도 제어 액체는 채널에 있을 때 적어도 제1 용기의 하부면 및 제2 용기의 하부면과 직접 접촉하고,
    지지 구조물은 제1 오링 및 제2 오링을 포함하고, 그리고
    온도 제어 액체는 지지 구조물의 상부측의 제1 개구로부터 채널로 들어가고 지지 구조물의 하부측의 제2 개구로부터 채널에서 배출되는, 시스템.
  10. 액체 온도 제어 시스템과 배터리 사이에서 온도 제어 액체를 순환시켜 온도 제어 배터리를 생성하도록 액체 온도 제어 시스템을 이용하는 단계로서, 배터리 및 액체 온도 제어 시스템은 온도 제어 액체가 순환되는 동안 분리가능하게 결합된 단계;
    온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하는 단계로서, 배터리 및 액체 온도 제어 시스템은 온도 제어 액체가 제거된 후 분리되고, 배터리는 용기를 구비하는 배터리 서브모듈을 포함하고, 온도 제어 액체를 순환시키는 단계는 용기와 용기가 삽입되는 지지 구조물의 컷아웃 사이를 밀봉하도록 용기 주위에 장착되는 오링 및 용기를 이용하여, 컷아웃의 내부에서 용기와 지지 구조물 사이에 형성된 채널을 통해 온도 제어 액체를 순환시키는 단계를 포함하며, 온도 제어 액체는 채널에 있을 때 적어도 용기의 하부면과 직접 접촉하는 단계; 및
    온도 제어 배터리를 충전하기 위해 충전기를 이용하는 단계;를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    배터리는 운송수단에 있는, 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    배터리는 운송수단에 있고, 운송수단은 항공기를 포함하는, 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    온도 제어 배터리를 충전하는 것은 온도 제어 배터리의 측정 온도가, 허용되는 배터리 충전 온도의 범위 내에 있음으로써 시작되는, 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하는 단계는 액체 온도 제어 시스템에서 배터리로 공기를 불어넣는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하는 단계는 중력을 이용하여 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 배출하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하는 단계는 중력을 이용하여 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 배출하는 단계를 포함하고, 그리고
    중력을 이용하여 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 배출하는 단계는 온도 제어 배터리가 충전되는 중에 시작되는, 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    용기를 구비하는 배터리 서브모듈은 제1 용기를 구비하는 제1 배터리 서브모듈이고, 배터리는 제2 용기를 구비하는 제2 배터리 서브모듈을 더 포함하고, 그리고
    온도 제어 액체를 순환시키는 단계는 제1 용기, 제2 용기, 제1 용기 주위에 장착되는 제1 오링 및 제2 용기 주위에 장착되는 제2 오링을 이용하여 형성된 채널을 통해 온도 제어 액체를 순환시키는 단계를 포함하며,
    온도 제어 액체는 채널에 있을 때 적어도 제1 용기의 하부면 및 제2 용기의 하부면과 직접 접촉하는, 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    용기를 구비하는 배터리 서브모듈은 제1 용기를 구비하는 제1 배터리 서브모듈이고, 배터리는 제2 용기를 구비하는 제2 배터리 서브모듈을 더 포함하고,
    온도 제어 액체를 순환시키는 단계는 제1 용기, 제2 용기, 제1 용기 주위에 장착되는 제1 오링 및 제2 용기 주위에 장착되는 제2 오링을 이용하여 형성된 채널을 통해 온도 제어 액체를 순환시키는 단계를 포함하며,
    온도 제어 액체는 채널에 있을 때 적어도 제1 용기의 하부면 및 제2 용기의 하부면과 직접 접촉하고,
    지지 구조물은 제1 오링 및 제2 오링을 포함하고, 그리고
    온도 제어 액체는 지지 구조물의 상부측의 제1 개구로부터 채널로 들어가고 지지 구조물의 하부 측의 제2 개구로부터 채널에서 배출되는, 방법.
  19. 제1 배터리 및 제2 배터리를 포함하는 복수 개의 배터리;
    복수 개의 배터리에 결합되는 지지 구조물;을 포함하는 시스템으로서,
    지지 구조물은,
    제1 배터리 주위에 있는, 지지 구조물의 제1 면에 제공되는 제1 씰(seal); 및
    제2 배터리 주위에 있는, 지지 구조물의 제1 면에 대향하는 제2 면에 제공되는 제2 씰;
    제1 배터리의 일부 및 제2 배터리의 일부를 수용하기 위한 개구로서, 개구는 제1 씰과 제2 씰 사이에서 연장되는 개구;
    제1 배터리의 일부와 제2 배터리의 일부 사이의 개구 내에서 형성되는 채널;
    유체를 수용하는 지지 구조물의 상부면에 제공되는 입구;
    유체가 중력 방향으로 채널을 통해 이동한 후에 유체를 수용하는 지지 구조물의 하부면에 제공되는 출구로서, 채널은 입구와 출구 사이에서 연장되는, 출구;를 포함하는, 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    제1 씰 또는 제2 씰은 오링을 포함하는, 시스템.
  21. 제19항에 있어서,
    지지 구조물은 복수 개의 채널을 포함하고, 각각의 채널은 복수 개의 배터리 중 각 쌍의 인접한 배터리들 사이에서 형성되는, 시스템.
  22. 제19항에 있어서,
    복수 개의 배터리는 제1 세트의 배터리 및 수평면을 따라 제1 세트의 배터리와 평행하게 연장되는 제2 세트의 배터리를 포함하고, 제1 세트의 배터리는 제1 배터리를 포함하고, 제2 세트의 배터리는 제2 배터리를 포함하는, 시스템.
  23. 제19항에 있어서,
    시스템은 배터리로 구동되는 항공기(battery-powered aircraft)에 결합되고,
    시스템은 배터리로 구동되는 항공기가 지상에 있을 때 배터리로 구동되는 항공기에 결합되는 액체 온도 제어 시스템을 포함하며,
    액체 온도 제어 시스템은,
    지지 구조물 및 복수 개의 배터리를 액체 온도 제어 시스템에 분리가능하게 결합시키고,
    채널을 통하는 유체로서 온도 제어 액체를 순환시켜 복수 개의 온도 제어 배터리를 생성하고, 온도 제어 유체는 복수 개의 배터리와 직접 접촉하고,
    복수 개의 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하고, 그리고
    복수 개의 온도 제어 배터리와 액체 온도 제어 시스템을 분리시키는, 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    복수 개의 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하는 것은 액체 온도 제어 시스템에서 복수 개의 배터리로 공기를 불어넣는 것을 포함하는, 시스템.
  25. 제23항에 있어서,
    복수 개의 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하는 것은 중력을 이용하여 복수 개의 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 배출하는 것을 포함하는, 시스템.
  26. 제19항에 있어서,
    시스템은 배터리로 구동되는 항공기에 결합되고, 배터리로 구동되는 항공기가 공중에 있을 때 채널을 통해 중력 방향으로 이동하는 유체는 공기인, 시스템.
  27. 시스템을 제공하는 단계로서, 시스템은 배터리로 구동되는 항공기의 지지 구조물에 결합되는 복수 개의 배터리를 포함하고, 지지 구조물은,
    제1 배터리 주위에 있는, 지지 구조물의 제1 면에 제공되는 제1 씰; 및
    제2 배터리 주위에 있는, 지지 구조물의 제1 면에 대향하는 제2 면에 제공되는 제2 씰;
    제1 배터리의 일부와 제2 배터리의 일부를 수용하기 위한 개구로서, 개구는 제1 씰과 제2 씰 사이에서 연장되는 개구;
    제1 배터리의 일부와 제2 배터리의 일부 사이의 개구 내에서 형성되는 채널;
    유체를 수용하는 지지 구조물의 상부면에 제공되는 입구;
    유체가 중력 방향으로 채널을 통해 이동한 후에 유체를 수용하는 지지 구조물의 하부면에 제공되는 출구로서, 채널은 입구와 출구 사이에서 연장되는, 출구;를 포함하는, 단계;
    지지 구조물 및 복수 개의 배터리를 액체 온도 제어 시스템에 분리가능하게 결합시키는 단계;
    지지 구조물의 채널을 통해 온도 제어 액체를 순환시켜 복수 개의 온도 제어 배터리를 생성하는 단계로서, 온도 제어 유체는 복수 개의 배터리와 직접 접촉하는, 단계;
    복수 개의 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하는 단계; 및
    복수 개의 온도 제어 배터리와 액체 온도 제어 시스템을 분리시키는 단계;를 포함하는, 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    복수 개의 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하는 단계는 액체 온도 제어 시스템에서 복수 개의 배터리로 공기를 불어넣는 단계를 포함하는, 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    복수 개의 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 제거하는 단계는 중력을 이용하여 복수 개의 온도 제어 배터리로부터 온도 제어 액체를 배출하는 단계를 포함하는, 방법.
  30. 제27항에 있어서,
    제1 씰 또는 제2 씰은 오링을 포함하는, 방법.
  31. 제27항에 있어서,
    지지 구조물은 복수 개의 채널을 포함하고, 각각의 채널은 복수 개의 배터리 중 각 쌍의 인접한 배터리들 사이에서 형성되는, 방법.
  32. 제27항에 있어서,
    복수 개의 배터리는 제1 세트의 배터리 및 수평면을 따라 제1 세트의 배터리와 평행하게 연장되는 제2 세트의 배터리를 포함하고, 제1 세트의 배터리는 제1 배터리를 포함하고, 제2 세트의 배터리는 제2 배터리를 포함하는, 방법.
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