KR20170057335A

KR20170057335A - 항공기 배터리 격납 포드들

Info

Publication number: KR20170057335A
Application number: KR1020177009951A
Authority: KR
Inventors: 카일 에이. 리스크; 매튜 에이. 누베
Original assignee: 엑스 디벨롭먼트 엘엘씨
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2017-05-24
Also published as: CN107074343A; WO2016105638A2; US9845158B2; CN107074343B; US20160107756A1; WO2016105638A3; KR101993069B1

Abstract

경량 재료로 형성된 보디를 포함하는 배터리 격납 포드. 보디는 공기 역학적 외부 형상 및 경량 재료에 형성된 내부 캐비티를 가지며, 내부 캐비티의 크기 및 형상은 하나 이상의 배터리 팩을 수용하도록 설계된다. 매끄러운 외부 코팅이 보디의 외부 형상을 피복하고, 및 부착 구조물이 보디가 비행체에 결합되도록 허용하기 위해 보디 내에 또는 보디 상에 형성된다. 다른 구현들도 개시되고 청구된다.

Description

항공기 배터리 격납 포드들{AIRCRAFT BATTERY CONTAINMENT PODS}

개시된 구현들은 일반적으로 격납 포드(containment pod)들에 관한 것인데, 특히 항공기 배터리 격납 포드들에 관한 것이지만, 이것에만 전적으로 국한되는 것은 아니다.

리튬 이온 배터리들은 비행체의 에너지 저장 유닛으로서의 장점을 제공한다: 이들은 높은 에너지 밀도, 적절한 전력 밀도를 가지며, 다른 고 에너지 밀도 저장 유형에 비해 양호한 수명 주기를 제공한다. 그러나 한 가지 큰 단점은 이들이 제기하는 화재 위험이다. 리튬 이온 전지들은, 이것들의 높은 전력 밀도로 인해, 이것들이 단락, 외부 가열 또는 몇몇 기타 결함으로 인해 자신들의 열 폭주 온도에 도달하면, 격렬하게 연소되거나 폭발할 수 있다. 배터리 셀 내부에서의 산화제 및 연료의 존재는 연소 온도가 뜨겁고 일단 반응이 시작되면 반응을 멈추기가 어렵다는 것을 의미한다.

비행체에서는 중량을 최소화하는 것이 바람직한데, 이는 배터리 화재를 억제 또는 진화하는 시스템의 무게가 과도할 수 있기 때문에 화재 억제가 어렵게 된다는 것을 의미한다. 배터리 셀들의 온도를 조절하여 이들이 열 폭주 상태에 들어 가지 않도록 하기 위해 물과 같은 다량의 열 감쇠 재료가 필요할 것이다. 화재로 인해 발생하는 열과 가스를 수용하는 데에 강력한 압력 용기가 필요할 수 있지만, 다시금 이것은 무거울 것이고 리튬 이온 배터리들을 매력적인 에너지 저장 방법으로 만드는 높은 에너지 밀도를 상당한 정도로 떨어뜨릴 것이다.

매우 작은 중량을 가져야 하고 그 구조물이 손상에 매우 민감해야 하는 비행체에 있어서, 만일 배터리들이 비행체 내부에 수용되었다면, 뜨겁고 부식성이 있는 연소 생성물들은 비행체의 외부로 도관을 통해 내보내기까지는 완전히 봉쇄되어야만 한다. 아주 작은 격납 포드의 고장도 구조적 고장으로 이어져서 비행체 사고를 일으킬 수 있다.

본 발명의 비한정적이고 총망라되지 않은 구현들이 다음의 도면을 참조하여 설명되며, 여기서 동일한 도면 번호들은 달리 언급되지 않는 한 다양한 도면 전반에 걸쳐 동일한 부분들을 가리킨다.
도 1a 및 도 1b는 항공기 구현의 정면도들이다.
도 2는 배터리 격납 포드의 사시도이다.
도 3a는 배터리 격납 포드의 구현의 선도 측 단면도(diagrammatic side cross-section)이다.
도 3b는 단면 라인 B-B를 따라 취한 도 3a의 배터리 격납 포드의 선도에 따른 정 단면도이다.
도 4는 배터리 격납 포드의 구현의 단면도이다.

구현들은 항공기 배터리 격납 포드를 위한 장치 및 시스템에 대해 설명된다. 특정 세부 사항이 구현의 철저한 이해를 제공하기 위해 기술되었지만, 관련 기술 분야의 통상의 기술자는, 설명에 기초하여, 본 발명이 설명된 세부 사항 중 하나 이상이 없이 또는 다른 방법, 구성 요소, 재료로 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 일부 사례들에서, 공지된 구조들, 재료들, 또는 동작들은 상세히 도시되거나 설명되지 않지만, 그럼에도 불구하고 본 발명의 범위 내에 포함된다.

본 명세서 전체에 걸쳐 "일 구현"또는 "구현"에 대한 참조는 적어도 하나의 설명된 구현에 설명된 특징, 구조, 또는 특성이 포함될 수 있음을 의미하므로 "일 구현에서" 또는 "구현에서"의 등장이 반드시 모두 동일한 구현을 가리키지는 않는다. 또한, 특정의 특징, 구조 또는, 특성은 하나 이상의 구현에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.

설명된 구현들은 인구가 많은 지역에 걸쳐서 동작하는 고공에서의 장기간 체류 비행체에 유용하다. 비행체 시스템에서의 비상 사태가 항공기의 감항성을 손상시키지 않고 또한 재산 피해 또는 인명 손실을 초래할 수 있는 인구 밀집 지역으로 분해되어 낙하하거나 추락하지 않도록 비행체를 설계하는 것이 바람직하다. 배터리, 특히 현행의 리튬 이온 배터리들을 지니는 비행체에 있어서, 배터리들은 화재의 위험이 있으므로 비행체의 중요한 구조물들과 멀리 떨어지도록 이들을 배치하여 이런 구조물들이 화재로 손상을 입지 않도록 하는 것이 바람직하다.

도 1a 및 도 1b는 고공에서의 장기간 체류 항공기의 구현들을 도시한다. 도 1a는 날개(104) 및 꼬리(106)에 구조적으로 결합된 동체(102)를 포함하는 항공기(100)의 구현을 도시한다. 항공기(100)는 저익 항공기인데, 이는 동체(102)가 날개(104) 상에 위치한다는 것을 의미하는데, 또는 다른 식으로 말하면, 날개(104)가 동체(102)의 하부 부분에 위치한다는 것을 의미한다. 날개(104)는 익현 방향 전개 리브들(chordwise-running ribs)(도시되지 않음) 및 날개 외피(109)와 함께 그 주요 구조적 부재 중 하나인 날개방향 전개 날개보(spanwise-running spar)(108)를 포함한다.

배터리 격납 포드들(110)은 파일런(pylon)들(112)에 의해 날개보(spar)(108)에 결합된다. 배터리 격납 포드들(110)은 항공기(100)로 하여금 항공기(100)의 주요 구조적 요소들로부터 떨어져서 배터리들을 안전하게 지니고 가도록 허용하여서, 배터리들이 날개 외피(109) 상의 또는 그 내의 태양 패널들과 같은 기타 탑재 시스템에 의해 발생되는 전력을 안전하게 저장할 수 있도록 하고 또한 항공기를 추진시키기 위해 프로펠러들을 구동하는 하나 이상의 모터뿐만 아니라 항법 전자 장치, 통신 전자 장치 등과 같은 탑재된 시스템에 전력을 공급할 수 있도록 한다.

덧붙여, 도시된 구현들에서, 배터리 격납 포드들(110)은 동체(102)의 최하부 아래에 위치된다. 이들의 가장 낮은 표면이 동체(120)의 최하부 아래에 있기 때문에, 포드들(110)은 항공기의 가장 낮은 부분을 형성하며 또한 항공기(100)의 착륙 활주부로서 기능할 수 있고, 따라서 무거운 랜딩 기어의 필요성을 피할 수 있어서 항공기의 성능을 향상시킨다. 그러나 항공기(100)의 모든 구현마다 배터리 격납 포드들을 착륙 활주부들로서 이용할 필요가 있는 것은 아니다.

도 1b는 항공기(150)의 또 다른 구현을 도시한다. 항공기(150)는 대부분의 면에서 항공기(100)와 유사하지만, 항공기(150)는 고익 구성을 가져서, 날개가 동체의 하부가 아닌 동체(102)의 상부에 위치하는 것을 의미한다는 점에서, 다른 식으로 말하면 동체가 날개 위에 위치하지 않고 날개에 매달려 있는 것을 의미한다는 점에서는 다르다. 고익 구성의 결과로서, 파일런들(152)은 파일런들(112)보다 길어서, 항공기(150)에서 포드들(110)이 여전히 착륙 활주부들로서 사용될 수 있도록 한다. 그러나 착륙 활주부들로서 포드들(110)을 사용하지 않는 항공기(150)의 다른 구현들은 도시된 것보다 더 짧은 파일런들(152)을 가질 수 있다.

도 2는 배터리 격납 포드(110)의 구현을 도시한다. 포드(110)는 공기 역학적으로 형상화된 파일런(112)에 부착되고, 파일런(112)은 날개보(108)에 다음으로 부착된다. 이러한 배치에서, 포드(110) 내의 배터리들은 스파(108) 날개보 및 다른 중요한 날개 구조물들로부터 분리되어 있어서, 배터리 화재가 이런 구조물들을 태우지 않도록 한다.

도시된 구현에서, 포드(102)는 NACA 0023과 같은 대칭형 에어 포일에 대응하는 단면과 축 대칭일 수 있다. 동작시, 축대칭 형상을 가진 포드는 제로 받음각에서 실질적으로 어떤 양력도 발생시키지 않는데, 제로가 아닌 받음각일 경우에는 양력을 발생시킬 수도 있다. 그러나 다른 구현들에서, 포드(110)는 축대칭일 필요는 없으며, 제로의 받음각에서조차도 상향으로(날개쪽으로) 또는 하향으로(날개로부터 멀어지게) 양력을 발생하도록 설계될 수 있다. 도시된 구현에서, 파일런(112)은 NACA 0012와 같은 대칭형 에어 포일에 대응하는 단면 형상을 가지나, 다른 구현들에서는 상이한 대칭 또는 비대칭 에어 포일 단면들이 사용될 수도 있다.

도 3a 및 도 3b는 함께 포드(110) 및 파일런(112)의 구현의 상세 사항을 도시한다; 도 3a는 측 단면도이고, 도 3b는 정 단면도이다. 포드(110)는 쉽게 형성될 수 있는 단열 재료(302)로 제조된다; 일 구현에서, 재료(302)는 압출 폴리스티렌(XPS: extruded polystyrene)일 수 있지만, 다른 재료들이 사용될 수도 있다. 캐비티(306)가 재료(302) 내에 형성되어 배터리, 전자 장치 및 관련 장비를 수용한다. 캐비티(306)의 내부는 추가적인 단열 및 내화성을 위해 금속 포일들, 케블라(Kevlar)와 같은 아라미드 섬유 재료들 또는 다른 재료와 같은 재료들(307)로 라이닝될 수 있다. 캐비티(306) 내에 수용된 컴포넌트들이 포드(110) 외부의 외기(exterior air)와 상호 작용할 수 있도록 채널(314)이 재료(302)에 형성될 수 있다(도 4 참조). 내부 단열 재료(302)를 보호하고 또한 포드에게 매끄럽고 공기 역학적인 외면을 부여하기 위해 포드(110)의 외부상에 얇고 매끄러운 재료(304)로 피복하는 코팅이 놓여진다. 일 구현에서 피복 재료(304)는 상표명 Mylar로 알려진 재료와 같은 2 축 방향으로 배향된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(BoPET: bi-axially oriented polyethylene terephthalate)일 수 있지만, 다른 구현들에서는 다른 재료들이 사용될 수 있다.

일부 구현에서, 내마모성 재료(308)가 포드(110)의 바닥 상의 외부 표면(304) 상으로 적층될 수 있어서, 파일런(112) 및 포드(110)가 항공기를 위한 착륙 활주부로서 기능할 수 있도록 한다. 일 구현에서 내마모성 재료(308)는 케블라와 같은 아라미드 섬유 재료일 수 있지만, 금속 또는 플라스틱과 같은 다른 재료가 사용될 수도 있다. 내마모성 재료(308)는 마모될 때 쉽게 제거되고 교체될 수 있도록 제거 가능하고 교체 가능할 수 있다.

포드 (110)의 전부 또는 일부는 포드(110)가 파일런(112)에 견고하게 부착될 수 있는 하드 포인트들을 제공하는 "외골격"(303)을 포함할 수 있다. 일 구현에서, 프레임 또는 외골격은 탄소 섬유로 제조될 수 있는데, 다른 구현들에서는, 금속, 플라스틱, 케블라와 같은 아라미드 섬유 재료, 또는 다른 재료가 사용될 수 있다.

일 구현에서, 파일런(112)은 모노코크, 반 모노코크 또는 비 모노코크 구조물일 수 있다. 파일런(112)은 탄소 섬유, 케블라와 같은 아라미드 섬유 재료, 금속, 플라스틱, 또는 다른 재료 또는 재료들의 조합과 같은 복합 재료를 사용하여 적절한 길이 및 단면 형상을 가지도록 만들어질 수 있다. 파일런(112)은 날개보(108)에 구조적으로 결합된다. 일 구현에서, 날개보(108)에 부착될 파일런(112)의 단부는 날개보의 형상과 매칭되도록 형성되고 또한 이후 강화된 에폭시와 같은 접착제를 사용하여 날개보에 부착되는데, 다른 구현에서는 특수 고정기구 또는 파스너들이 이 부착을 위해 사용될 수 있다. 그런데 다른 구현들에서는, 파일런(112)은 이 목적을 위해 적응된 파스너 또는 특수 설계된 고정기구를 사용하여 날개보(108)에 구조적으로 결합될 수 있다.

두 개 이상의 케이블이 또한 포드(110)를 파일런(112)에 결합시킬 수 있다: 전기 케이블(310) 및 기계적 케이블(312). 전기 케이블(310)은 캐비티(306) 내에 수용된 배터리 또는 전자 장치에 전기적으로 결합되고, 파일런(112) 및 날개보(108)를 통해 항공기의 다른 컴포넌트들에 라우팅될 수 있다. 기계적 케이블(212)은 캐비티(306) 내에 수용된 컴포넌트들, 일 구현에서의 배터리들을 파일런(112)에 결합시켜서 화재가 포드(110)의 모든 것을 삼키는 경우에도 배터리들이 항공기로부터 떨어지지 않도록 할 수 있다.

도 4는 포드(110)의 단면도이다. 포드는 대칭형 에어 포일의 단면 형상을 갖는다. 배터리 셀들(1-6)과 같은 컴포넌트들뿐만 아니라, 배터리 셀들(1-6)로부터의 열을 전도시켜 빼내어 그 온도를 조절하기 위해 채널(314) 내에 위치된 열 전달 파이프(402)가 캐비티(306) 내에 수용된다. 열 전달 파이프(402)는 캐비티(306)로부터 포드(110)의 외부 표면까지 연장되는데, 여기서 열 전달 파이프는 포드 위에 걸쳐서 흐르는 외부 공기로 열을 전달할 수 있는 라디에이터(404)에 열적으로 결합된다. 전자 장치, 배터리 보호 장치 등과 같은 부가적인 또는 상이한 컴포넌트들이 캐비티(306) 내에 배터리 셀들과 함께 수용될 수 있다.

기술된 구현들의 한가지 중요한 이점은 중요한 항공기 구조물로부터의 배터리의 공간적 분리이다. 이 분리는 화재로부터 중요한 항공기 구조물을 보호하는 매우 중량 효율적인 방법이며 또한 환경 통제와 같은 배터리의 다른 측면의 설계에 있어서 더 많은 자유를 허용한다. 단열재(302)는 따뜻한 배터리들로부터 나오는 열 에너지를 감소시키며, 또한 포드 구조물 및 공기역학적 페어링(aerodynamic fairing)으로서 작용하여, 매우 경량이 되는 결과를 낳는다. 그리고, 앞서 설명한 대로, 일부 구현에서, 포드들은 착륙시 항공기 안정화를 위한 착륙 활주부로서 또한 기능할 수 있어서, 중량 효율적 설계에 더욱 기여하게 된다.

중요한 항공기 구조물 외부에 배터리가 자리잡게 하는 것은 또한 필요한 방화 재료의 중량을 현저하게 감소시킨다. 날개 내부에 있는 배터리 격납 구조물은 타고 있는 배터리들의 열과 가스를 직접적으로 견딜 수 있어야 하지만, 배터리들이 구조물의 외부에 있으면 화재로 인한 거의 모든 열 에너지가 기류로 직접 방출된다. 부식성의 유해 가스도 마찬가지로 직접 환기된다. 안전의 추가적 확보를 위해, 일부 구현에서, 금속 포일 층이 포드 근처의 날개상에 장착되어 적외선 에너지를 반사하고 가끔 있는 잔화(ember)를 중단시킨다. 외장 배터리 격납에는 다른 수많은 이점이 있다: 포드들은 모듈 식이어서 쉽게 교체될 수 있으며, 날개 내부로의 접근은 더 이상 필요하지 않으며, 및 예를 들어 배터리 냉각 열 교환기와 같이 기류에 대한 접근을 필요로 하는 임의의 아이템들을 위한 날개에서의 도려낸 부분(cutout)들이 필요하지 않다.

요약서에 기술된 것을 포함하여, 본 발명의 예시된 구현들에 대한 앞의 설명은 총망라하기 위한 것도 아니고, 본 발명을 개시된 그대로의 형태로만 한정하고자 하는 것도 아니다. 본 발명의 특정 구현들 및 예들이 예시 목적으로 본 명세서에 기술되었지만, 관련 기술 분야의 통상의 기술자가 인식할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 범위 내에서 다양한 등가의 수정들이 가능하다. 이러한 변형들은 전술한 상세한 설명에 비추어 보아 본 발명에 대해 이뤄질 수 있다.

다음의 청구 범위에서 사용된 용어들은 본 발명을 명세서 및 청구 범위에 개시된 특정 구현들로만 제한하도록 해석해서는 안 된다. 오히려, 본 발명의 범위는 청구 범위 해석의 확립된 원칙에 따라 해석되는 다음의 청구 범위에 의해 전적으로 결정되어야만 한다.

Claims

배터리 격납 포드로서:
경량 재료로 형성되는 보디 - 상기 보디는 공기 역학적 외부 형상 및 상기 경량 재료에 형성된 내부 캐비티를 가지며, 상기 내부 캐비티의 크기 및 형상은 하나 이상의 배터리 팩을 수용하도록 설계됨 -;
상기 보디의 외부 형상을 피복하는 매끄러운 외부 코팅; 및
상기 보디가 비행체에 결합되도록 허용하기 위해 상기 보디 내에 또는 상기 보디 상에 형성되는 부착 구조물
을 포함하는 배터리 격납 포드.
제1항에 있어서, 상기 경량 재료는 압출 폴리스티렌인 포드.
제1항에 있어서, 상기 외부 코팅은 2축 배향 폴리에틸렌 테레프탈레이트인 포드.
제1항에 있어서, 상기 내부 캐비티를 라이닝하는 단열 내화성 재료
를 추가로 포함하는 포드.
제1항에 있어서, 상기 공기 역학적 외부 형상은 축 대칭인 포드.
제5항에 있어서, 축 대칭 외부 형상의 단면 형상은 NACA 0023 에어 포일인 포드.
제1항에 있어서, 상기 보디의 외부 형상은 상기 보디가 어떤 양력도 발생시키지 않도록 하는 포드.
제1항에 있어서, 상기 부착 구조물에 결합된 파일런을 추가로 포함하며, 상기 파일런은 상기 포드를 상기 비행체의 날개보에 결합시키는데 사용될 수 있는 포드.
제8항에 있어서, 존재하는 경우, 상기 배터리 팩들을 상기 파일런에 결합시키는 안전 케이블, 및 존재하는 경우, 상기 배터리 팩들을 상기 파일런에서의 대응하는 전기 커넥터에 결합시키기 위해 상기 내부 캐비티로부터 적어도 외부 표면으로 연장되는 전기 케이블
을 추가로 포함하는 포드.
제1항에 있어서, 상기 보디의 하부 상의 상기 외부 코팅 상에 위치되는 내마모성 재료의 스트립을 추가로 포함하는 포드.
제10항에 있어서, 상기 내마모성 재료는 금속 또는 아라미드 섬유 재료인 포드.
제1항에 있어서, 상기 보디는 상기 내부 캐비티를 상기 포드의 외부에 연결하기 위해 그 안에 형성된 채널을 포함하는 포드.
제12항에 있어서, 상기 채널 내에 위치되고 또한 상기 내부 캐비티로부터 상기 포드의 외부로 연장되는 열 파이프를 추가로 포함하는 포드.
비행체로서:
동체;
상기 동체에 구조적으로 결합된 날개보(spar)를 포함하는 날개;
배터리 격납 포드 - 상기 배터리 격납 포드는:
경량 재료로 형성되는 보디 - 상기 보디는 공기 역학적 외부 형상 및 상기 경량 재료에 형성된 내부 캐비티를 가지며, 상기 내부 캐비티의 크기 및 형상은 하나 이상의 배터리 팩을 수용하도록 설계됨 -;
상기 보디의 외부 형상을 피복하는 매끄러운 외부 코팅; 및
상기 보디 내에 또는 상기 보디 상에 형성되는 부착 구조물을 포함함-; 및
상기 부착 구조물에 그리고 상기 날개보에 결합되는 파일런
을 포함하는 비행체.
제14항에 있어서, 상기 경량 재료는 압출 폴리스티렌인 비행체.
제14항에 있어서, 상기 외부 코팅은 2축 배향 폴리에틸렌 테레프탈레이트인 비행체.
제14항에 있어서, 상기 내부 캐비티를 라이닝하는 단열 내화성 재료를 추가로 포함하는 비행체.
제14항에 있어서, 상기 공기역학적 외부 형상은 축 대칭인 비행체.
제18항에 있어서, 축 대칭 외부 형상의 단면 형상은 NACA 0023 에어 포일인 비행체.
제14항에 있어서, 상기 보디의 외부 형상은 상기 보디가 어떤 양력도 발생시키지 않도록 하는 비행체.
제14항에 있어서, 존재하는 경우, 상기 배터리 팩들을 상기 파일런에 결합시키는 안전 케이블, 및 존재하는 경우, 상기 배터리 팩들을 상기 파일런에서의 대응하는 전기 커넥터에 결합시키기 위해 상기 내부 캐비티로부터 적어도 외부 표면으로 연장되는 전기 케이블을 추가로 포함하는 비행체.
제14항에 있어서, 상기 보디의 하부 상의 상기 외부 코팅 상에 위치된 내마모성 재료의 스트립을 추가로 포함하는 비행체.
제22항에 있어서, 상기 내마모성 재료는 금속 또는 아라미드 섬유 재료인 비행체.
제14항에 있어서, 상기 보디는 상기 내부 캐비티를 상기 포드의 외부에 연결하기 위해 그 안에 형성된 채널을 포함하는 비행체.
제24항에 있어서, 상기 채널 내에 위치되고 또한 상기 내부 캐비티로부터 상기 포드의 외부로 연장되는 열 파이프를 추가로 포함하는 비행체.