KR20230033717A - 고온 충전 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20230033717A
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fluid
battery module
battery
charging
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KR1020237003764A
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랜디 던
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일렉트릭 파워 시스템즈, 아이엔씨.
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Abstract

전기 차량용 고온 충전 시스템은 배터리 가열 시스템, 배터리 냉각 시스템 및 충전 시스템을 포함할 수 있다. 고온 충전 시스템은 배터리 모듈이 충전되는 동안 배터리 모듈을 가열하고, 배터리 모듈이 충전된 후 배터리 모듈을 냉각시키도록 구성될 수 있다. 고온 충전 시스템은 배관 시스템 및 제어 시스템을 포함할 수 있다. 배관 시스템은 배터리 가열 시스템, 배터리 냉각 시스템 및 배터리 모듈이 유체 연통되게 하도록 구성될 수 있다. 제어 시스템은 충전 시스템을 통해 배터리 모듈을 충전하도록 구성될 수 있다.

Description

고온 충전 시스템 및 방법
본 발명은 일반적으로 배터리 모듈을 충전하기 위한 장치, 시스템 및 방법, 특히 배터리 모듈을 위한 고온 충전(hot charging) 시스템 및 방법에 관한 것이다.
배경기술 섹션에서 논의된 주제는 단순히 배경기술 섹션에서 언급된 결과로 선행 기술로 간주되어서는 안 된다. 유사하게, 배경기술 섹션에서 언급되거나 배경기술 섹션의 주제와 관련된 문제는 선행 기술에서 이전에 인식된 것으로 가정되어서는 안 된다. 배경기술 섹션의 주제는 단순히 다른 접근 방식을 나타내며 그 자체로 발명일 수 있다.
본 개시의 목적을 위한 배터리 모듈은 전기적으로 연결된 복수의 셀-브릭(cell-brick) 조립체들을 포함한다. 이러한 셀-브릭 어셈블리들은, 전력을 위한 정적 전위를 제공하거나 필요할 때 전하를 방출하기 위해 전기적으로 충전될 수 있는, 이후 집합적으로 "셀들"이라고 하는 전기화학 또는 정전기 셀들의 병렬, 직렬 또는 이 둘의 조합의 집합체를 포함할 수 있다. 셀들이 배터리 모듈로 조립될 때, 셀들은 그들을 원하는 구성으로 함께 연결하기 위해 용접, 납땜 또는 각 셀에 고정되는 종종 금속 스트립들, 스트랩들, 와이어들, 버스 바들 등을 통해 함께 연결된다.
셀은 적어도 하나의 양의 전극과 적어도 하나의 음의 전극으로 구성될 수 있다. 이러한 셀의 일반적인 형태 중 하나는 원통형 금속 캔, 파우치 또는 각주형 케이스에 패키징된 잘 알려진 2차 셀이다. 이러한 2차 셀에 사용되는 화학물의 예는 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간, 리튬 철 인산염, 니켈 카드뮴, 니켈 아연 및 니켈 금속 수소화물이다. 이러한 셀들은 휴대용 전자장치를 위한 저비용 재충전 가능 에너지를 요구하는 지속적으로 증가하는 소비자 시장에 의해 대량 생산된다. 더욱이, 셀은 임의의 적합한 형태 및 화학물을 포함할 수 있다.
항공기, 드론 또는 자동차와 같은 전기 차량용 배터리 모듈을 충전하는 데는 일반적으로 30분에서 12시간이 소요될 수 있다. 충전 시간을 개선하기 위해 배터리 모듈은 충전 중에 대량의 전자를 공급받을 수 있다. 그러나 일반적인 배터리 모듈은 충전 중에 이러한 대량의 전자 유입을 처리할 수 있는 장비가 구비되지 않는다. 따라서 개선된 충전 시스템 및 방법이 바람직할 수 있다.
배터리 모듈을 고속 충전하는 방법이 본 명세서에 개시된다. 방법은 배터리 가열 시스템을 통해 배터리 모듈을 가열하는 단계; 배터리 모듈이 가열되는 동안 충전 시스템을 통해 배터리 모듈을 충전하는 단계; 및 이어서 배터리 냉각 시스템을 통해 배터리 모듈을 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 배터리 모듈을 가열하는 단계는 배터리 가열 시스템을 통해 배터리 모듈을 통해 제1 유체를 펌핑하는 단계를 더 포함한다. 배터리 모듈을 냉각시키는 단계는 배터리 냉각 시스템을 통해 배터리 모듈을 통해 제2 유체를 펌핑하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제1 유체는 배터리 모듈과 유체 연통하는 유체 도관을 통해 라우팅될 수 있고, 제2 유체는 배터리 모듈과 유체 연통하는 유체 도관을 통해 라우팅될 수 있다. 충전 시스템은 전기 와이어들을 통해 배터리 모듈과 전기 통신하는 충전기를 포함할 수 있으며, 전기 와이어들은 유체 도관을 통해 라우팅될 수 있다. 제1 유체는 배터리 모듈 가열 시 40℃ 내지 100℃ 사이일 수 있고, 제2 유체는 배터리 모듈 냉각 시 -10℃ 내지 20℃ 사이일 수 있다. 방법은 배터리 모듈을 충전하는 동안 배터리 관리 시스템을 통해 배터리 모듈의 충전 상태를 모니터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전기 차량에 사용하기 위한 고온 충전 시스템이 본 명세서에 개시된다. 고온 충전 시스템은 전기 차량의 배터리 모듈과 유체 연통하도록 구성된 배터리 가열 시스템; 전기 차량의 배터리 모듈과 유체 연통하도록 구성된 배터리 냉각 시스템; 전기 차량의 배터리 모듈과 전기 통신하도록 구성된 충전기; 배터리 가열 시스템 및 배터리 냉각 시스템과 전기 통신하는 제어기; 및 전기 차량에 제거 가능하게 결합하도록 구성된 유체 도관을 포함할 수 있고, 유체 도관은 내부에 전기 와이어들을 포함하고, 유체 도관은 배터리 가열 시스템으로부터 제1 유체를 수용하도록 구성되고, 유체 도관은 배터리 냉각 시스템으로부터 제2 유체를 수용하도록 구성되고, 전기 와이어들은 제1 유체 및 제2 유체로부터 전기적으로 절연된다.
다양한 실시예에서, 배터리 가열 시스템은 고온 탱크 및 제1 공급 펌프를 포함하고, 배터리 냉각 시스템은 냉각 탱크 및 제2 공급 펌프를 포함한다. 제1 공급 펌프는 배터리 모듈을 충전하는 동안 배터리 모듈을 가열하기 위해 유체 도관을 통해 고온 탱크로부터 유체를 펌핑하도록 구성될 수 있다. 고온 충전 시스템은 제3 공급 펌프 및 제4 공급 펌프를 포함하는 실내온도 제어 시스템을 추가로 포함할 수 있으며, 제3 공급 펌프는 고온 탱크와 유체 연통하고, 제4 공급 펌프는 냉각 탱크와 유체 연통한다. 실내온도 제어 시스템은 유체 도관을 통해 전기 차량의 실내온도 제어 디바이스로 유체를 펌핑하도록 구성될 수 있다. 제어기는 배터리 모듈을 가열하기 위해 유체 도관을 통해 제1 유체를 펌핑하도록 배터리 가열 시스템에 명령하고; 배터리 모듈을 충전하도록 충전기에 명령하고; 배터리 모듈을 냉각하기 위해 유체 도관을 통해 제2 유체를 펌핑하도록 배터리 냉각 시스템에 명령하도록 동작가능할 수 있다. 제어기는 제1 유체를 펌핑하기 전에 제1 유체를 가열하도록 배터리 가열 시스템의 가열 시스템에 명령하고; 제2 유체를 펌핑하기 전에 제2 유체를 냉각시키도록 배터리 냉각 시스템의 냉각 시스템에 명령하도록 더 동작가능할 수 있다.
제조 물품이 본 명세서에 개시된다. 제조 물품은 명령어가 저장된 유형의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함할 수 있으며, 상기 명령어는, 프로세서에 의한 실행에 응답하여, 상기 프로세서로 하여금: 프로세서에 의해, 배터리 모듈을 통해 제1 유체를 펌핑하도록 제1 공급 펌프에 명령하는 것 - 여기서, 상기 제1 유체는 40℃와 100℃ 사이의 제1 온도로 가열됨 -; 프로세서에 의해, 상기 배터리 모듈을 충전하도록 충전기에 명령하는 것; 및 프로세서에 의해, 상기 배터리 모듈을 통해 제2 유체를 펌핑하도록 제2 공급 펌프에 명령하는 것 - 여기서, 상기 제2 유체는 상기 제1 유체보다 낮은 제2 온도를 가짐-을 포함하는 동작들을 수행하게 한다.
다양한 실시예에서, 동작들은 프로세서에 의해, 제1 유체를 펌핑하기 전에 제1 유체를 제1 온도로 가열하도록 가열 시스템에 명령하는 것; 및 프로세서에 의해, 제2 유체를 펌핑하기 전에 제2 유체를 제2 온도로 냉각시키도록 냉각 시스템에 명령하는 것을 더 포함할 수 있다. 동작들은 프로세서에 의해 배터리 모듈이 충전되는 동안 배터리 모듈의 충전 상태를 수신하는 것을 더 포함할 수 있다. 제1 공급 펌프는 지상 서비스 시스템과 배터리 모듈이 장착된 차량 사이에 배치된 유체 도관을 통해 제1 유체를 펌핑할 수 있다. 제2 공급 펌프는 제2 유체가 배터리 모듈을 통해 펌핑될 때 유체 도관을 통해 제2 유체를 펌핑할 수 있다. 동작들은 프로세서에 의해 배터리 모듈이 미리 결정된 충전 상태에 도달하는 것에 응답하여 충전을 중지하도록 충전기에 명령하는 것; 및 이어서 제2 유체를 펌핑하도록 제2 공급 펌프에 명령하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 보다 완전한 이해는 도면과 관련하여 고려될 때 상세한 설명 및 청구범위를 참조함으로써 도출될 수 있으며, 유사한 참조 번호는 도면 전체에 걸쳐 유사한 요소를 지칭하며, 여기서:
도 1은 다양한 실시예에 따른, 전기 차량용 배터리 모듈을 고온 충전하는 방법을 예시한다;
도 2는 다양한 실시예에 따른, 전기 차량용 고온 충전 시스템을 예시한다;
도 3은 다양한 실시예에 따른, 전기 차량용 고온 충전 시스템을 예시한다;
도 4는 다양한 실시예에 따른, 전기 차량용 배터리 모듈을 고온 충전하기 위한 제어 시스템에 대한 프로세스 흐름을 예시한다;
도 5는 다양한 실시예에 따른, 전기 차량용 실내온도 제어 시스템을 갖춘 고온 충전 시스템을 예시한다;
도 6은 다양한 실시예에 따른, 전기 차량용 실내온도 제어 시스템을 갖춘 고온 충전 시스템을 예시한다;
도 7a는 다양한 실시예에 따른, 전기 차량용 고온 충전 시스템에서 사용하기 위한 유체 도관을 예시한다; 및
도 7b는 다양한 실시예에 따른, 전기 차량용 고온 충전 시스템에서 사용하기 위한 유체 도관을 예시한다.
다음의 설명은 단지 다양한 예시적인 실시예에 대한 것이며, 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위, 적용 가능성 또는 구성을 제한하려는 의도가 아니다. 오히려, 이하의 설명은 최상의 모드를 포함하는 다양한 실시예를 구현하기 위한 편리한 예시를 제공하기 위한 것이다. 명백해지는 바와 같이, 첨부된 청구범위의 범위를 벗어나지 않고 이들 실시예에 설명된 요소의 기능 및 배열에 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 임의의 방법 또는 프로세스 설명에 인용된 단계들은 임의의 순서로 실행될 수 있으며 제시된 순서로 반드시 제한되지는 않는다. 또한 많은 제조 기능들 또는 단계들이 하나 이상의 제3자에게 아웃소싱되거나 수행될 수 있다. 또한, 단수에 대한 모든 언급은 복수의 실시예들을 포함하고, 하나 이상의 컴포넌트 또는 단계에 대한 모든 언급은 단일 실시예 또는 단계를 포함할 수 있다. 또한 부착, 고정, 연결 등에 대한 참조는 영구, 제거 가능, 임시, 부분, 전체 및/또는 임의의 기타 가능한 부착 옵션을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "결합된", "결합" 또는 이들의 임의의 다른 변형은 물리적 연결, 전기적 연결, 자기적 연결, 광학적 연결, 통신 연결, 기능 연결 및/또는 임의의 기타 연결을 커버하도록 의도된다.
일반적인 고속 충전 시스템에서는 배터리 모듈의 각 셀의 애노드에 리튬 도금이 발생할 수 있다. 전류(또는 전하의 흐름 속도)가 증가함에 따라, 더 많은 리튬 이온이 전극에 도금되어, 궁극적으로 매우 높은 충전 속도로 충전되기 때문에 배터리 모듈의 용량이 급격히 감소한다. 따라서 일반적인 고속 충전 시스템은 배터리 모듈의 노화 속도를 높이고 셀 용량은 리튬 재고 손실에 의해 지배될 수 있으며 가스 발생 및 리튬 도금은 고속 충전 능력을 제한한다.
본 명세서에서는 전기 자동차, 전기 비행기 또는 드론과 같은 전기 차량 또는 급속 충전이 요구되는 임의의 전기 디바이스에 사용하기 위한 고온 충전 시스템(hot charging system)이 개시된다. 다양한 실시예에서, 고온 충전 시스템은 고속 충전 시스템이다. 다양한 실시예에서, 고온 충전 시스템은 40℃ 내지 100℃ 사이, 또는 더 바람직하게는 약 60℃의 온도를 갖는 유체로 충전 프로세스 동안 배터리 모듈을 가열할 수 있다. 다양한 실시예에서, 배터리 모듈은 대략 60℃의 온도를 갖는 유체로 가열되어 전형적인 급속 충전 시스템의 대략 13배만큼 배터리 모듈에서 셀들의 리튬 흑연 인터칼레이션(intercalation)을 증가시키고 리튬 도금을 상당히 감소시킨다. 다양한 실시예에서, 본 명세서에 개시된 바와 같은 온도에서 유체로 배터리 모듈을 가열하는 것은 리튬이 흑연으로 확산되는 속도를 증가시킬 수 있다. 리튬이 흑연으로 확산되는 속도는 일반적인 고속 충전 시스템보다 약 6배 증가한다. 다양한 실시예에서, 본 명세서에 개시된 바와 같은 온도에서 유체로 배터리 모듈을 가열하는 것은 전형적인 고속 충전 시스템에 비해 대략 9배까지 전해질 전도도를 증가시킬 수 있다.
다양한 실시예에서, 배터리 모듈을 가열하는 것은 배터리 모듈의 셀들이 너무 오랫동안 가열된 상태를 유지할 때 배터리 모듈의 셀들 내에서 고체 전해질 간기 성장(interphase growth)의 층을 야기할 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에 따르면, 배터리 관리 시스템은 고체 전해질 간기 층의 성장을 제한하기 위해 배터리 모듈을 냉각하도록 구성된다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템은 충전이 완료된 후 배터리를 냉각하도록 구성될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 배터리 관리 시스템은 미리결정된 충전 시간 후, 미리 결정된 충전 상태에서, 미리결정된 양의 전력이 배터리 모듈에 전달된 후, 특정 온도에서 일정 시간이 지난 후, 전류가 감소하기 시작한 후(예를 들어, 리튬 도금 위협이 줄어들 가능성이 있음), 및/또는 등에서 배터리를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 또한, 전기 차량의 배터리 모듈은 사용 후 고온 환경에 놓일 수 있어, 다양한 실시예에 따라 고온 충전 후 배터리 모듈이 자연적으로 냉각되지 않을 수 있다. 이와 관련하여, 다양한 실시예에 따르면, 충전 후 배터리 모듈을 냉각시키는 것은 배터리 모듈의 배터리 수명을 향상시킬 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 다양한 실시예에 따른 배터리 모듈을 고온 충전하는 방법(100)이 예시되어 있다. 이 방법은, 배터리 가열 시스템을 통해, 배터리 모듈을 가열하는 단계(단계(102))를 포함한다. 다양한 실시예에서, 배터리 모듈은 40℃ 내지 100℃ 사이, 또는 더 바람직하게는 약 60℃의 온도를 갖는 유체로 가열될 수 있다. 다양한 실시예에서, 배터리 가열 시스템은 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이 충전 동안 배터리 모듈을 가열하도록 구성가능한 임의의 시스템일 수 있다. 다양한 실시예에서, 가열 시스템은 배관 등을 이용하여 배터리 모듈의 복수의 셀들에 근접한 고온 유체를 공급할 수 있다. 예를 들어, 배터리 가열 시스템은 고온 유체로 채워진 탱크를 포함할 수 있다. 탱크는 배관 시스템(plumbing system)을 통해 배터리 모듈과 유체 연통할 수 있다. 배관 시스템은 모듈이 가열되는 동안 배터리 모듈을 통해 그리고 다시 탱크로 유체를 순환시킬 수 있다. 예시적인 실시예에서, 배터리 모듈의 가열 및/또는 충전의 완료 시, 가열 유체는 탱크로 다시 펌핑될 수 있다. 다양한 실시예에서, 가열 유체는 중력, 공기 압력, 펌핑 등과 같은 임의의 방법에 의해 탱크로 복귀될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 유체는 모듈을 통해 탱크 외부의 루프에서 연속적으로 흐르고 다시 탱크로 흐른다. 다양한 예시적인 실시예에서, 유체는 탱크에 있는 동안 가열된다. 다른 예시적인 실시예에서, 유체는 탱크에 추가되기 전에 가열된다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 유체는 필요에 따라 가열된다. 따라서, 하나의 예시적인 실시예에서, 시스템은 탱크가 없다.
다양한 실시예에서, 방법(100)은 배터리 모듈이 가열되는 동안 충전 시스템을 통해 배터리 모듈을 충전하는 단계(단계(104))를 더 포함한다. 다양한 실시예에서, 충전 시스템은 배터리 모듈과 전기 통신한다. 다양한 실시예에서, 배터리 모듈은 가열 단계(예를 들어, 단계(106))와 동시에 충전된다. 다양한 실시예에서, 배터리 모듈은 가열된 후 충전된다.
다양한 실시예에서, 충전 시스템의 와이어들은 배터리 가열 시스템의 배관 시스템을 통해 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 충전기(charger)를 배터리 모듈에 전기적으로 결합함으로써, 배터리 가열 시스템의 배관 시스템은 배터리 모듈과 유체 연통할 수 있고, 충전 시스템의 충전기는 배터리 모듈과 전기 통신할 수 있다. 전기 와이어는 배터리 가열 시스템의 뜨거운 유체와 전기적으로 절연되어 있다.
다양한 실시예에서, 충전은 짧은 지속시간 동안 이루어질 수 있다. 예를 들어, 충전 지속시간은 5분 내지 15분, 또는 6분 내지 12분, 또는 대략 10분일 수 있다. 다양한 실시예에서, 가열은 특정 물리적 조건(예를 들어, 70% 내지 100% 사이의 충전 상태 등)에 도달하는 배터리 모듈에 응답하여 중단될 수 있다. 다양한 실시예에서, 배터리로의 가열 유체의 흐름은 배터리 모듈에 공급되는 전류의 강하(예를 들어, 감소하기 시작하는 충전 속도)에 응답하여 중단될 수 있다(또는 감소하기 시작할 수 있다). 다른 예시적인 실시예에서, 가열 및 냉각 시스템(들)은 배터리로의 전류 흐름의 감소에 비례하여 또는 배터리의 충전 속도의 감소에 비례하여 배터리의 온도를 감소시키도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 방법(100)은, 배터리 관리 시스템을 통해, 배터리 모듈의 충전 상태를 모니터링하는 단계(단계 106)를 더 포함한다. 배터리 관리 시스템은 배터리 모듈 및 제어기와 전기 통신할 수 있다. 배터리 관리 시스템은 충전이 완료되었음을 나타내는 신호를 제어기에 제공할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 배터리 관리 시스템으로부터의 신호에 응답하여, 제어기는 (1) 충전기에 배터리 모듈의 충전을 중지하도록 지시하고, (2) 배터리 가열 시스템에 배터리 모듈 가열을 중지하도록 지시하고, 및/또는 (3) 냉각 시스템에 배터리 모듈 냉각을 시작하도록 지시할 수 있다.
다양한 실시예에서, 방법(100)은 배터리 모듈이 충전된 후, 배터리 냉각 시스템을 통해, 배터리 모듈을 냉각시키는 단계(단계 108)를 더 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 일단 배터리 모듈이 특정 충전 상태에 도달하면, 배터리 모듈은 고온 충전 후에 능동적으로 냉각되어 배터리 모듈의 셀들 내에서 고체 전해질 간기 성장의 층을 방지할 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이 고온 충전 후 냉각은 배터리 모듈은 고온 충전 후에도 여전히 고온 환경에 있을 수 있어서 배터리 모듈이 다양한 실시예에 따라 고온 충전 후에 자연적으로(즉, 수동적으로) 냉각되지 않을 수 있는 항공 배터리 애플리케이션에 추가적인 이점을 제공할 수 있다.
다양한 실시예에서, 냉각은 배터리 모듈이 100% 충전 상태에 도달하기 전에 시작될 수 있다. 본 개시는 이와 관련하여 제한되지 않는다. 예시적인 실시예에서, 냉각은 70% 내지 100% 충전된, 또는 더 바람직하게는 80% 내지 90% 충전된 충전 상태에서 트리거될 수 있다. 더욱이, 임의의 적합한 충전 상태는 배터리의 가열을 중지 및/또는 냉각을 시작하기 위한 트리거로서 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 냉각은 본 명세서에서 이전에 개시된 바와 같이 전류의 강하에 응답하여 트리거될 수 있다. 다양한 실시예에서, 배터리에 대한 전류 강하는 배터리 모듈의 온도 센서, 타이머, 미리 결정된 범위의 충전 상태, 또는 배터리를 충전하는 동안 배터리에 대한 전류 강하를 결정하는 임의의 다른 방법에 의해 검출될 수 있다.
배터리 냉각 시스템은 배터리 모듈을 냉각시키도록 구성된 임의의 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리 냉각 시스템은 물, 공기 등과 같이 배터리 모듈을 냉각시키도록 구성된 유체를 갖는 배관 시스템을 포함할 수 있다. 배터리 모듈은 배관 시스템에서 전기적으로 절연될 수 있다. 배관 시스템은 대류, 전도 또는 이 둘의 조합을 통해 시스템을 냉각시킬 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 다양한 실시예에 따라 도 1의 방법(100)에 따른 배터리 모듈(410)을 고온 충전하기 위한 고온 충전 시스템(200)의 개략도가 예시되어 있다. 고온 충전 시스템(200)은 다양한 실시예에 따라 배관 시스템(201)을 포함할 수 있다. 배관 시스템(201)은 배터리 가열 시스템(310) 및 배터리 냉각 시스템(330)을 포함할 수 있다. 배터리 가열 시스템(310)은 차량(예를 들어, 차량(400))의 배터리 모듈(예를 들어, 배터리 모듈(410))을 가열하도록 구성된 임의의 시스템일 수 있다. 차량(400)은 배터리 모듈(410)을 포함하는 임의의 차량, 예컨대 전기 자동차, 전기 항공기, 전기 드론, 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 전기 차량일 수 있다. 다양한 실시예에서, 차량(400)은 본 명세서에 개시된 바와 같은 급속 충전으로부터 이익을 얻을 수 있는 배터리를 갖는 임의의 차량을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 본 명세서에 개시된 바와 같은 급속 충전은 고정식 또는 그리드 연결 애플리케이션에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 차량에 한정되지 않고, 배터리 모듈이 상시 연결되어 있지만 경우에 따라 급속 충전이 가능한 그리드 서비스에 활용될 수 있다.
본 명세서에서는 배관 시스템(201)으로 설명되지만, 배터리 모듈(410)을 가열 및 냉각하도록 구성된 임의의 시스템이 본 개시의 범위 내에 있다. 예를 들어, 배터리 가열 시스템(310)은 복사 가열기, 대류 가열기 등과 같은 전기 가열을 사용하는 가열 시스템을 포함할 수 있으며, 본 개시의 범위 내에 있다. 유사하게, 배터리 냉각 시스템(330)은 방법(100)(예를 들어, 단계(108))에 따라 배터리 모듈(410)을 고온 충전한 후에 배터리 모듈(410)을 냉각시키도록 구성된 임의의 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 가열은 약 5분 내지 10분의 시간에 걸쳐 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 충전 속도의 변화는 배터리의 온도 증가에 비례할 수 있다. 충전 속도의 변화는 배터리에 공급되는 전류의 변화에 비례한다(예를 들어, 배터리 모듈은 전류가 증가할수록 더 빨리 충전됨).
다양한 실시예에서, 배터리 가열 시스템(310)은 유체 가열 시스템(312), 고온 탱크(314), 공급 펌프(316), 밸브(320), 유체 도관(340) 및 배터리 가열 시스템(310)의 각 컴포넌트들 사이의 유체 연통을 허용하는 다양한 유체 라인들을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 유체 가열 시스템(312)은 유체 탱크(예를 들어, 고온 탱크(314))를 가열하도록 구성된 임의의 가열 시스템을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 유체 가열 시스템(312)은 천연 가스, 오일 또는 증기를 연료로 사용하는 보일러와 같은 임의의 순환수 시스템(hydronic system)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 유체 가열 시스템(312)은 복사 가열기 또는 대류 가열기, 또는 바람직하게는 저항성 전기 요소와 같은 전기 가열 시스템을 포함할 수 있다. 유체 가열 시스템(312)은 고온 탱크(314) 내의 유체를 조절된 온도(예를 들어, 대략 60℃ 등)로 가열하도록 구성될 수 있다. 유체 가열 시스템(312)은 고온 탱크(314)에 배치된 유체의 온도에 대한 연속적인 피드백을 제공하기 위해 제어기와 전기 통신하는 온도 센서를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 고온 탱크(314)는 공급 펌프(316)와 유체 연통한다. 공급 펌프(316)는 다양한 실시예에 따라 도 1로부터의 방법(100)의 배터리 가열 단계(예를 들어, 방법(100)의 단계(102)) 동안 고온 탱크(314)에 배치된 유체를 배터리 모듈(410)에 공급하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 공급 펌프(316)는 밸브(320)와 유체 연통한다. 밸브(320)는 배터리 가열 시스템(310)으로부터의 유체 또는 배터리 냉각 시스템(330)으로부터의 유체만이 배터리 모듈(410)에 공급되도록 하는 일방향 밸브일 수 있다. 밸브(320)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 배터리 가열 시스템(310) 및 배터리 냉각 시스템(330)은 다양한 실시예에 따라 배터리 모듈(410)로의 별도의 유체 공급 라인 및 복귀 라인을 포함할 수 있고 이는 여전히 본 개시의 범위 내에 있다. 다양한 실시예에 따르면, 밸브(320)는 독립적인 라인을 갖는 시스템에 비해 고온 충전 시스템(200)의 배관 시스템(201)에 더 적은 부품 및 더 적은 유체 라인을 갖는 이점을 제공할 수 있다.
다양한 실시예에서, 배터리 냉각 시스템(330)은 유체 냉각 시스템(332), 냉각 탱크(334), 공급 펌프(336), 밸브(320), 유체 도관(340), 및 배터리 냉각 시스템(330)의 각 컴포넌트들 사이의 유체 연통을 허용하는 다양한 유체 라인들을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 유체 냉각 시스템(332)은 유체 탱크(예를 들어, 냉각 탱크(334))를 냉각시키도록 구성된 임의의 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 유체 냉각 시스템(332)은 액체-액체 냉각 시스템, 폐-루프 건식 냉각 시스템, 개방-루프 증발 냉각 시스템, 폐-루프 증발 냉각 시스템, 냉각수 냉각 시스템, 강제 공기 라디에이터 냉각 시스템, 또는 바람직하게는 환경 친화적인 냉각 시스템을 갖춘 냉각수 시스템과 같은 임의의 유체 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 유체 냉각 시스템(332)은 냉각 탱크(334)의 유체를 조절된 온도(예를 들어, 40℃ 미만, 또는 더 바람직하게는 대략 0℃ 등)로 냉각시키도록 구성될 수 있다. 유체 냉각 시스템(332)은 냉각 탱크(334)에 배치된 유체의 온도에 대한 지속적인 피드백을 제공하기 위해 제어기와 전기 통신하는 온도 센서를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 냉각 탱크(334)는 공급 펌프(336)와 유체 연통한다. 공급 펌프(336)는 다양한 실시예에 따라 도 1로부터의 방법(100)의 배터리 냉각 단계(예를 들어, 방법(100)의 단계(108)) 동안 냉각 탱크(334)에 배치된 유체를 배터리 모듈(410)에 공급하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 공급 펌프(336)는 밸브(320)와 유체 연통한다. 다양한 실시예에서, 밸브(320)는 유체 도관(340)과 유체 연통한다. 유체 도관(340)은 차량(400)에 제거 가능하게 결합될 수 있다. 이와 관련하여, 차량(400)의 배터리 모듈(410)이 충전될 때, 유체 도관(340)은 차량(400)에 결합될 수 있고 유체 도관(340)과 배터리 모듈(410) 사이에 유체 연통을 제공할 수 있다. 유사하게, 유체 도관(340)은 본 명세서에서 추가로 설명되는 충전 시스템의 전기 컴포넌트들을 수용하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 전기 컴포넌트는 다양한 실시예에 따라 지상 서비스 시스템(300)과 차량(400) 사이의 전기 통신을 제공할 수 있다. 단일 유체 도관(340)으로 예시되었지만, 다양한 실시예에서, 전기 도관(예를 들어, 와이어링 하니스) 및 유체 도관(예를 들어, 파이프)은 지상 서비스 시스템(300)과 차량(400) 사이에 전기 및 유체 연결을 제공하기 위해 개별적으로 이용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 유체 도관(340)은 밸브(320)와 유체 연통하도록 구성된 공급 라인 및 고온 탱크(314) 및 냉각 탱크(334)와 유체 연통하도록 구성된 적어도 하나의 복귀 라인을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 배터리 모듈(410)의 가열 단계 동안(예를 들어, 도 1로부터의 방법(100)의 단계(102)), 공급 펌프(316)는 유체를 고온 탱크(314)로부터 밸브(320)를 통해 공급 라인을 통해 유체 도관(340)을 통해, 배터리 모듈(410)을 통해, 다시 유체 도관(340)을 통해 복귀 라인을 통해, 그리고 다시 고온 탱크(314)로 펌핑한다. 다양한 실시예에서, 밸브는 배터리 모듈의 가열 동안(예를 들어, 도 1로부터의 방법(100)의 단계(102)) 고온 탱크(314)로 다시 유체를 보내도록 구성된 복귀 라인을 따라 배치될 수 있다. 유사하게, 배터리 모듈(410)의 냉각 단계 동안(예를 들어, 방법(100)의 단계(108)), 공급 펌프(336)는 저온 탱크(334)로부터 밸브(320)를 통해 공급 라인을 통해 유체 도관(340)을 통해, 배터리 모듈(410)을 통해, 다시 유체 도관(340)을 통해 복귀 라인을 통해, 그리고 다시 저온 탱크(334)로 유체를 펌핑한다. 다양한 실시예에서, 밸브는 배터리 모듈의 냉각 동안(예를 들어, 방법(100)의 단계(108)) 냉각 탱크(334)로 다시 유체를 보내도록 구성된 복귀 라인을 따라 배치될 수 있다.
다양한 실시예에서, 배터리 가열 시스템(310) 및 배터리 냉각 시스템(330)은 밀봉된 시스템(예를 들어, 폐쇄된 시스템)일 수 있다. 다양한 실시예에서, 배터리 가열 시스템(310) 및 배터리 냉각 시스템(330)은 밀봉된 시스템을 사용하는 대신 직접 복귀하기 위한 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 당업계에 공지된 임의의 복귀 시스템이 배관 시스템(201)용으로 이용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 배터리 가열 시스템(310) 및 배터리 냉각 시스템(330)은 열 전달 유체로서 공기를 이용할 수 있다. 이와 관련하여, 유체 도관(340)에 배치된 전기 와이어는 열 전달 유체로부터 유체적으로 격리될 필요가 없을 것이다.
이제 도 3을 참조하면, 전기 차량(예를 들어, 차량(400))을 위한 고온 충전 시스템(200)의 제어 시스템(202)에 대한 개략도가 다양한 실시예에 따라 예시된다. 제어 시스템(202)은 지상 서비스 시스템(300)의 제어기(350), 충전기(360), 배터리 가열 시스템(310) 및 배터리 냉각 시스템(330) 및 차량(400)의 배터리 관리 유닛("BMU")(420) 및 배터리 모듈(410)을 포함하고, 각 컴포넌트는 다양한 전기 통신의 관계에 있다.
제어기(350)는 컴퓨터 또는 프로세서, 또는 컴퓨터들/프로세서들의 세트 형태의 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있지만, 다른 유형의 컴퓨팅 유닛 또는 시스템이 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 제어기(350)는 하나 이상의 프로세서 및/또는 하나 이상의 유형의 비일시적 메모리로서 구현될 수 있고 이를 포함할 수 있으며 로직을 구현할 수 있다. 각 프로세서는 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서("DSP"), 주문형 집적 회로("ASIC"), 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA) 또는 기타 프로그래밍 가능한 논리 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 개별 하드웨어 컴포넌트 또는 이들의 조합일 수 있다. 제어기(350)는 명령어, 예를 들어, 제어기(350)와 통신하도록 구성된 비일시적 유형의 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된 명령어의 실행에 응답하여 다양한 논리 연산을 구현하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 제어기(350)는 지상 서비스 시스템(300)에 탑재된 컴퓨터 시스템에 통합될 수 있다. 다양한 실시예에서, 제어기(350)는 센서와 통합될 수 있다.
BMU(420)는 컴퓨터 또는 프로세서, 또는 컴퓨터들/프로세서들의 세트 형태의 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있지만, 다른 유형의 컴퓨팅 유닛 또는 시스템이 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, BMU(420)는 하나 이상의 프로세서들 및/또는 하나 이상의 유형의 비일시적 메모리로 구현될 수 있고 이를 포함할 수 있으며 로직을 구현할 수 있다. 각각의 프로세서는 범용 프로세서, DSP, ASIC, FPGA 또는 기타 프로그래밍 가능한 논리 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트 또는 이들의 조합일 수 있다. BMU(420)는 명령어, 예를 들어, BMU(420)와 통신하도록 구성된 비일시적 유형의 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된 명령어의 실행에 응답하여 다양한 논리 연산을 구현하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, BMU(420)는 예를 들어 배터리 제어 시스템과 같은 전기 차량(예를 들어, 차량(400))에 탑재된 컴퓨터 시스템에 통합될 수 있다. 다양한 실시예에서, BMU(420)는 센서와 통합될 수 있다.
시스템 프로그램 명령어 및/또는 제어기 명령어는 제어기에 의한 실행에 응답하여 제어기가 다양한 동작들을 수행하게 하는 명령어가 저장되어 있는 비일시적 유형의 컴퓨터 판독 가능 매체에 로딩될 수 있다. "비일시적"이라는 용어는 청구 범위로부터 전파하는 일시적 신호 자체만을 제거하는 것으로 이해되어야 하며, 일시적인 신호 자체를 전파할 뿐만 아니라 모든 표준 컴퓨터 판독 가능 매체에 대한 권리를 포기하지 않는다. 달리 말하면, "비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체" 및 "비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체"라는 용어의 의미는 35 U.S.C. § 101하에 In Re Nuijten에서 특허 대상 범위를 벗어나는 것으로 밝혀진 이러한 유형의 일시적 컴퓨터 판독 가능 매체만을 제외하는 것으로 해석되어야 한다.
제어기(350)는 배터리 가열 시스템(310)의 공급 펌프(316) 및 유체 가열 시스템(312), 배터리 냉각 시스템(330)의 유체 냉각 시스템(332) 및 공급 펌프(336), 충전기(360) 및 BMU(420)와 전기 통신할 수 있다. BMU(420)는 배터리 모듈(410), 제어기(350) 및 충전기(360)와 전기 통신할 수 있다. 다양한 실시예에서, 제어기(350) 및/또는 BMU(420)는 고온 충전 시스템(200)을 제어할 수 있다. 다양한 실시예에서, BMU(420)는 배터리 모듈(410)의 고속 충전 동안(예를 들어, 방법(100)의 단계(106)) 배터리 모듈(410)을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, BMU(420)는 배터리 모듈(410)이 미리 정해진 충전 상태에 도달한 때를 모니터링하고 제어기(350)에 배터리 가열 시스템(310)을 끄고 배터리 냉각 시스템(330)을 켜도록 지시할 수 있다. 또한, 다양한 실시예에 따르면, 제어기(350)는 배터리 모듈(410)이 특정 충전 상태에 도달한 후 배터리 모듈(410)의 충전을 중단하도록 충전기(360)에 지시할 수 있다. 다양한 실시예에서, 고온 충전 시스템(200)은 BMU(420)에 의해, 또는 더 바람직하게는 지상 서비스 시스템(300)의 제어기(350)에 의해 제어될 수 있다.
다양한 실시예에서, BMU(420)와 제어기(350) 사이 및 BMU(420)와 충전기(360) 사이의 전기 연결들은 유체 도관(340)을 통해 라우팅될 수 있고 유체 도관(340)을 통해 이동하는 임의의 유체로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 이와 관련하여, 유체 도관(340)을 차량(400)에 결합함으로써, BMU(420)는 지상 서비스 시스템(300)에 전기적으로 결합될 수 있고, 배터리 모듈(410)은 도 2의 배관 시스템(201)에 유체 결합될 수 있다. 다양한 실시예에서, BMU(420)는 배터리 모듈(410)을 보호하기 위해 안전을 위해 자신의 스위치들의 세트를 제어할 수 있다. 다양한 실시예에서, 배터리 충전 동작은 (예를 들어, 제어기(350)를 통해) 지상 서비스 시스템(300)에 의해 처리될 수 있다. 이와 같이, 유체 도관(340)은 이중 기능을 수행할 수 있다(예를 들어, 방법(100)의 단계들(104 및 108)에서 가열 및 냉각을 위해 가열 및 냉각 유체를 배터리 모듈로 라우팅하고 지상 서비스 시스템(300)을 차량(400)의 BMU(420)에 전기적으로 결합함).
다양한 실시예에서 그리고 도 4를 추가로 참조하면, 다양한 실시예에 따라 도 3의 제어기(350)에 대한 프로세스 흐름(500)이 도시된다. 다양한 실시예에서, 제어기(350)는 제1 유체를 제1 원하는 온도로 가열하도록 배터리 가열 시스템(310)의 유체 가열 시스템(312)에 명령한다(단계(502)). 제1 유체는 오일, 합성 탄화수소 또는 실리콘 기반 유체, 수증기, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 또는 바람직하게는 물과 같은 임의의 열 전달 유체일 수 있다. 제1 원하는 온도는 40℃ 내지 100℃, 또는 보다 바람직하게는 약 60℃일 수 있다. 제1 유체는 고온 탱크(예를 들어, 도 2의 고온 탱크(314))에서 가열될 수 있다. 제어기(350)는 고온 탱크 내의 제1 유체의 온도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어기(350)는 고온 탱크 내의 센서로부터 정보를 수신할 수 있고 다양한 실시예에 따라 유체 가열 시스템(312)에 의해 공급되는 열을 증가시키거나 감소시키기 위해 데이터를 사용할 수 있다.
다양한 실시예에서, 제어기(350)는 배터리 모듈(410)을 통해 제1 유체를 펌핑하도록 제1 공급 펌프(예를 들어, 공급 펌프(316))에 명령한다. 배터리 모듈(410)은 전기 차량(예를 들어, 차량(400))에 배치될 수 있으며, 제어기(350), 공급 펌프(316), 유체 가열 시스템(312) 및 고온 탱크(예를 들어, 도 2의 고온 탱크(314))는 지상 서비스 시스템(300)의 컴포넌트일 수 있다. 공급 펌프(316)는 배관 시스템(예를 들어, 도 2의 배관 시스템(201))을 통해 배터리 모듈과 유체 연통할 수 있다. 배관 시스템을 통해 제1 유체를 펌핑하는 것에 응답하여, 배터리 모듈의 셀들은 제1 유체의 원하는 온도에 근접한 온도로 온도가 증가할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(410)의 셀들은 다양한 실시예에 따라 대략 40℃와 80℃ 사이의 온도로 제1 유체를 가열할 수 있다.
다양한 실시예에서, 시스템은 배터리 모듈의 셀들이 일반적인 충전 시스템보다 빠른 속도로 충전될 수 있도록 배터리 모듈(410)의 셀들의 온도를 상승시키도록 구성된다. 다양한 실시예에서, BMU(420)는 가열 프로세스 동안 셀들의 온도를 모니터링할 수 있다. BMU(420)는 이 데이터를 제어기(350)에 통신할 수 있다. 이와 관련하여, 제어기(350)는 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이 셀들이 원하는 온도에 도달하는 것에 응답하여 충전을 시작하도록 충전기(360)에 명령할 수 있다. 다양한 실시예에서, 가열 및 충전은 동시에 또는 거의 동시에 시작될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 셀들을 빠르게 가열하기 위해 가열된 유체가 공급된다. 그러나, 다양한 실시예에 따르면, 셀들의 충전은 셀들의 가열을 증가시킬 수 있다(예를 들어, 배터리 모듈을 더 빠르게 가열하는 데 도움이 됨). 또한 전기 저항 가열을 사용하여 셀들에 추가 열을 더할 수 있다. 그러나 후자의 두 가지 예시들은 셀들을 충분히 빨리 가열하기에는 불충분할 수 있으며, 이후에 배터리 충전 속도를 향상시키기 위해 시스템을 충분히 빨리 냉각시키기에는 충분하지 않을 수 있다. 따라서, 시스템은 셀들에 가열 유체를 제공하는 것, 저항 가열 및/또는 셀들을 충전하는 행위 자체와 관련된 가열을 통해 셀들을 가열하도록 설계될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 일단 셀들이 원하는 온도에 도달하면, 충전 단계가 시작될 수 있다. 다양한 실시예에서, 충전 단계는 가열 단계(예를 들어, 프로세스 흐름(500)의 단계(504))와 동시에 일어날 수 있다. 이와 관련하여 배터리의 온도 상승에 따라 충전 속도가 증가할 수 있다. 따라서 온도 상승이 가능한 한 빨리 배터리를 충전할 수 있다.
시스템은 배터리 가열을 중지할 때 및/또는 배터리 냉각을 시작할 때를 결정하도록 더 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 배터리로 흐르는 전류는 배터리 가열 후에 증가할 것이지만, 배터리가 완전히 충전된 상태에 가까워짐에 따라 증가를 멈출 것이다. 따라서, 하나의 예시적인 실시예에서, 배터리의 가열의 중지 및/또는 냉각의 시작은 배터리에 공급되는 전류의 증가에서 감소로의 변곡(inflection)에 의해 트리거될 수 있다. 또한, 시스템이 배터리 가열을 중단하고 및/또는 냉각을 시작하도록 하기 위해 임의의 적절한 트리거가 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 제어기(350)는 배터리 모듈(410)을 충전하도록 충전기(360)에 명령한다(단계(506)). 다양한 실시예에서, 충전기(360)는 직류 충전(예를 들어, DC 충전)을 이용할 수 있다. 직류는 BMU(420)를 통해 또는 배터리 모듈(410)에 직접 공급될 수 있다. DC 충전은 일반적인 교류 충전(예를 들어, AC 충전)보다 더 빠른 충전을 제공할 수 있다. 이와 관련하여, 충전기(360)의 DC 충전은 다양한 실시예에 따라 전형적인 충전 속도(예를 들어, 1C 내지 C/2)를 갖는 전형적인 충전 시스템에 비해 추가적인 열화 없이 배터리 모듈(410)이 더 빠른 속도(예를 들어, 6C 내지 3C)로 충전되도록 할 수 있다.
다양한 실시예에서, 제어기(350)는 배터리 모듈(410)의 충전 상태를 모니터링할 수 있다(단계(508)). 다양한 실시예에서, BMU(420)는 배터리 모듈(410)의 충전 상태를 모니터링하고 이 정보를 제어기(350)에 통신할 수 있다. 다양한 실시예에서, 제어기(350)는 배터리 모듈(410)이 미리 결정된 충전 상태에 도달하는 것에 응답하여 충전을 중지하도록 충전기(360)에 명령한다(단계(510)). 본 명세서에 기술된 바와 같이 미리 결정된 충전 상태는 70% 내지 100% 충전되거나, 보다 바람직하게는 80% 내지 90% 충전된다.
다양한 실시예에서, 제어기(350)는 제2 유체를 제2 원하는 온도로 냉각시키도록 냉각 시스템에 명령한다. 제2 유체는 오일, 합성 탄화수소 또는 실리콘 기반 유체, 수증기, 질소, 아르곤, 헬륨, 수소, 글리콜 또는 바람직하게는 물과 같은 임의의 열 전달 유체일 수 있다. 제2 원하는 온도는 -5℃ 내지 10℃ 사이, 또는 보다 바람직하게는 대략 0℃일 수 있다. 제2 유체는 냉각 탱크(예를 들어, 도 2의 냉각 탱크(334))에서 냉각될 수 있다. 제어기(350)는 냉각 탱크 내의 제2 유체의 온도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어기(350)는 냉각 탱크 내의 센서로부터 정보를 수신할 수 있고 다양한 실시예에 따라 유체 냉각 시스템(332)에 의해 공급되는 열을 증가시키거나 감소시키기 위해 데이터를 사용할 수 있다.
다양한 실시예에서, 제어기(350)는 배터리 모듈(410)을 통해 제2 유체를 펌핑하도록 제2 공급 펌프(예를 들어, 공급 펌프(336))에 명령한다(단계(514)). 배관 시스템을 통해 제2 유체를 펌핑하는 것에 응답하여, 배터리 모듈(410)의 셀들은 제2 유체의 원하는 온도에 근접한 온도로 온도가 감소할 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(410)의 셀들은 다양한 실시예에 따라 대략 0℃와 20℃ 사이의 온도로 냉각될 수 있다.
다양한 실시예에서, 이제 도 5를 참조하면, 실내온도 제어 시스템(601)은 차량(예를 들어, 차량(400))에 질량을 크게 추가하지 않고 전기 차량(예를 들어, 차량(400))용 고온 충전 시스템(200)에서 구현될 수 있다. 이와 관련하여, 차량(400)은 실내온도 제어 디바이스(430)를 더 포함할 수 있다. 실내온도 제어 디바이스(430)는 항공기 객실 등에 대한 임의의 실내온도 제어 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 실내온도 제어 디바이스(430)는 라디에이터 및 팬, 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 실내온도 제어 디바이스를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 실내온도 제어 시스템(601)은 실내온도 난방 시스템(610) 및 실내온도 냉방 시스템(630)을 더 포함할 수 있다. 실내온도 난방 시스템(610) 및 실내온도 냉방 시스템(630)은 지상 서비스 시스템(300)의 컴포넌트일 수 있다. 실내온도 난방 시스템(610)은 유체 가열 시스템(312), 고온 탱크(314) 및 공급 펌프(616)를 포함할 수 있다. 유사하게, 실내온도 냉방 시스템(630)은 유체 냉각 시스템(332), 냉각 탱크(334) 및 공급 펌프(636)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 공급 펌프(616)는 도 2의 배터리 가열 시스템(310)의 공급 펌프(316)와는 별개의 컴포넌트일 수 있다. 유사하게, 공급 펌프(636)는 도 2의 배터리 냉각 시스템(330)의 공급 펌프(336)와는 별개의 컴포넌트일 수 있다.
다양한 실시예에서, 고온 탱크(314)는 공급 펌프(616)와 유체 연통한다. 공급 펌프(616)는 본 명세서에서 더 설명되는 바와 같이 객실 실내온도를 제어하는 방법 동안 다양한 실시예에 따라 고온 탱크(314)에 배치된 유체를 실내온도 제어 장치(430)에 공급하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 공급 펌프(616)는 밸브(620)와 유체 연통한다. 밸브(620)는 실내온도 난방 시스템(610)으로부터의 유체 또는 실내온도 냉방 시스템(630)으로부터의 유체만이 실내온도 제어 디바이스(430)에 공급되는 것을 보장하기 위한 일방향 밸브일 수 있다. 밸브(620)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 실내온도 난방 시스템(610) 및 실내온도 냉방 시스템(630)은 다양한 실시예에 따라 실내온도 제어 디바이스(430)로의 별도의 유체 공급 라인 및 복귀 라인을 포함할 수 있으며, 이는 여전히 본 개시의 범위 내에 있다. 다양한 실시예에 따르면, 밸브(620)는 실내온도 제어 시스템(601)의 배관 시스템(201)에 대해 더 적은 부품 및 더 적은 유체 라인을 갖는 이점을 제공할 수 있다. 다양한 실시예에서, 밸브(620)는 도 2의 밸브(320)와는 별개의 컴포넌트일 수 있다.
다양한 실시예에서, 밸브(620)는 유체 도관(340)과 유체 연통한다. 유체 도관(340)은 차량(400)에 제거 가능하게 결합될 수 있다. 이와 관련하여, 도 2의 차량(400)의 배터리 모듈(410)이 충전되고자 할 때, 유체 도관(340)은 차량(400)에 결합될 수 있고 유체 도관(340)과 배터리 모듈(410) 사이의 유체 연통을 제공할 뿐만 아니라 유체 도관(340)과 실내온도 제어 디바이스(430) 사이의 유체 연통을 제공할 수 있다.
다양한 실시예에서, 유체 도관(340)은 밸브(620)와 유체 연통하도록 구성된 공급 라인 및 고온 탱크(314) 및 냉각 탱크(334)와 유체 연통하도록 구성된 적어도 하나의 복귀 라인을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 고온 탱크(314)로부터 고온 유체를 실내온도 제어 디바이스(430)로 공급하는 동안, 공급 펌프(616)는 유체를 고온 탱크(314)로부터 밸브(620)를 통해 공급 라인을 통해 유체 도관(340)을 통해, 실내온도 제어 디바이스(430)를 통해, 다시 유체 도관(340)을 통해 복귀 라인을 통해, 그리고 다시 고온 탱크(314)로 펌핑한다. 마찬가지로 냉각 탱크(334)로부터 실내온도 제어 디바이스(430)로 냉각 유체를 공급하는 동안, 공급 펌프(636)는 냉각 탱크(334)로부터 밸브(620)를 통해 공급 라인을 통해 유체 도관(340)을 통해, 실내온도 제어 디바이스(430)를 통해, 다시 유체 도관(340)을 통해 복귀 라인을 통해, 그리고 다시 냉각 탱크(334)로 유체를 펌핑한다.
이제 도 6을 참조하면, 전기 차량(예를 들어, 차량(400))을 위한 실내온도 제어 시스템(601)의 제어 시스템(602)에 대한 개략도가 다양한 실시예에 따라 도시되어 있다. 제어 시스템(602)은 다양한 전기 통신 관계에 있는 지상 서비스 시스템(300)의 제어기(350), 실내온도 난방 시스템(610) 및 실내온도 냉방 시스템(630) 및 차량(400)의 실내온도 제어기(440)와 실내온도 제어 디바이스(430)를 포함한다.
실내온도 제어기(440)는 컴퓨터 또는 프로세서, 또는 컴퓨터들/프로세서들의 세트 형태의 적어도 하나의 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있지만, 다른 유형의 컴퓨팅 유닛 또는 시스템이 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 실내온도 제어기(440)는 하나 이상의 프로세서들 및/또는 하나 이상의 유형의 비일시적 메모리로서 구현될 수 있고 이를 포함할 수 있으며 로직을 구현할 수 있다. 각각의 프로세서는 범용 프로세서, DSP, ASIC, FPGA 또는 기타 프로그래밍 가능한 논리 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 실내온도 제어기(440)는 명령어, 예를 들어 실내온도 제어기(440)와 통신하도록 구성된 비일시적 유형의 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된 명령어의 실행에 응답하여 다양한 논리 연산을 구현하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 실내온도 제어기(440)는 예를 들어 배터리 제어 시스템과 같은 전기 차량(예를 들어, 차량(400))에 탑재된 컴퓨터 시스템에 통합될 수 있다. 다양한 실시예에서, 실내온도 제어기(440)는 센서와 통합될 수 있다.
제어기(350)는 실내온도 난방 시스템(610)의 공급 펌프(616) 및 유체 가열 시스템(312), 실내온도 냉각 시스템(630)의 유체 냉각 시스템(332) 및 공급 펌프(636), 및 실내온도 제어기(440)와 전기 통신할 수 있다. 실내온도 제어기(440)는 실내온도 제어 디바이스(430) 및 제어기(350)와 전기 통신할 수 있다. 실내온도 제어기(440)는 도 2로부터의 배터리 모듈(410)의 고속 충전 동안 실내온도 제어 디바이스(430)를 제어 및/또는 모니터링하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 방법(100)의 단계(106)). 이와 관련하여, 실내온도 제어기(440)는 전기 차량(예를 들어, 차량(400))의 지상 유지보수 중에 항공기 등의 객실 온도를 모니터링할 수 있으며, 제어기(350)에게 객실의 온도 모니터링에 응답하여 도 5의 고온 탱크(314)로부터 고온 유체를 제공하거나 도 5의 냉각 탱크(334)로부터 냉각 유체를 제공하도록 지시한다.
다양한 실시예에서, 실내온도 제어기(440)와 제어기(350) 사이의 전기 연결은 유체 도관(340)을 통해 라우팅될 수 있고 유체 도관(340)을 통해 이동하는 임의의 유체로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 이와 관련하여 유체 도관(340)을 차량(400)에 결합함으로써, 실내온도 제어기(440)는 지상 서비스 시스템(300)의 제어기(350)에 전기적으로 결합될 수 있고, 실내온도 제어 디바이스(430)는 배관 시스템(601)에 유체 결합될 수 있다. 이와 같이 유체 도관(340)은 다양한 기능들을 수행할 수 있다(예를 들어, 가열 및 냉각 유체를 방법(100)의 단계들(104 및 108)에서 가열 및 냉각을 위해 도 3으로부터의 배터리 모듈(410)로 라우팅하고, 가열 및 냉각된 유체를 실내온도 제어 디바이스(430)로 라우팅하고, 제어기를 도 3의 BMU(420) 및 차량(400)의 실내온도 제어기(440)에 전기적으로 결합함).
다양한 실시예에서, 본 명세서에 기술된 시스템의 많은 개선점은 당업자에게 쉽게 명백할 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예에 따르면, 차량은 실내온도 제어 디바이스(430) 또는 도 3의 배터리 모듈(410) 내에서 냉각수를 순환시키도록 구성된 펌프를 포함할 수 있다. 부가적으로, 공압 시스템(pneumatic system)은 차량(400)을 동작시키기 전에 도 3의 배터리 모듈(410)로부터 냉각수를 배출하기 위해 차량(400)에 추가될 수 있다. 다양한 실시예에서, 본 명세서에 개시된 고온 충전 시스템은 차량(400)으로부터 전하 수용 접촉기(contactor)를 제거할 수 있다.
이제 도 7a를 참조하면, 도 2 내지 3 및 5 내지 6의 유체 도관(340)이 다양한 실시예에 따라 단면도를 따라 도시되어 있다. 유체 도관은 와이어링 하니스(wiring harness)(710) 및 도관(720)을 포함할 수 있다. 와이어링 하니스(710)는 도관(720) 내에 배치될 수 있다. 와이어링 하니스(710)는 복수의 와이어들(712) 및 하우징(714)을 포함할 수 있다. 복수의 와이어들(712)은 하우징(714) 내에 배치된다. 다양한 실시예에서, 흐름 경로(702)는 하우징(714) 및 도관(720)에 의해 정의될 수 있다. 다양한 실시예에서, 복수의 와이어들은 흐름 경로(702)로부터 유체적으로 격리된다. 이와 관련하여 유체는 흐름 경로(702)를 통해 이동할 수 있고 복수의 와이어들(712)은 격리된 상태로 유지될 수 있다. 다양한 실시예에서, 유체 도관(340)은 도 2 내지 도 3 및 도 5 내지 도 6의 차량(400)에 지상 서비스 시스템(예를 들어, 도 2 내지 도 3 및 도 5 내지 도 6의 지상 서비스 시스템(300))을 전기적으로 및 유체적으로 결합하도록 구성될 수 있다.
이제 도 7b를 참조하면, 열 전달 유체로서 공기를 이용하는 가열 시스템/냉각 시스템에서 사용하기 위한 유체 도관(701)이 다양한 실시예에 따라 단면도를 따라 예시되어 있다. 다양한 실시예에서, 유체 도관(701)은 도관(720) 및 도관 내에 배치된 복수의 와이어들(712)을 포함한다. 도관(720)은 흐름 경로(730)를 정의한다. 다양한 실시예에서, 흐름 경로(730)는 공기가 도관(720)을 통해 흐르고 와이어와 접촉하게 할 수 있다. 이와 관련하여, 유체 도관(701)은 도 2 내지 도 3 및 도 5 내지 도 6의 유체 도관(340)에 비해 더 간단한 설계를 제공할 수 있다. 다양한 실시예에서, 공기는 물에 비해 더 낮은 온도로 냉각될 수 있고 및/또는 더 안전한 고온 충전 시스템을 제공할 수 있다. 예를 들어, 공기는 약 -30℃까지 냉각될 수 있다. 추가로, 공기 가열/냉각 시스템은 주변 공기를 빠르게 가열 또는 냉각하고 및/또는 도 2 내지 도 3 및 도 5 내지 도 6의 지상 서비스 시스템(300)에서 고온 탱크/냉각 탱크를 제거할 수 있다.
단일 흐름 경로(702, 730)를 포함하는 것으로 예시되었지만, 본 발명은 이에 관하여 제한되지 않는다. 예를 들어, 유체 도관(340, 701)은 다양한 실시예에 따라 흐름 경로(702, 730)로부터 방사상 외측(예를 들어, 이중벽 유체 도관)에 또는 흐름 경로(702, 730)에 인접하게 배치된 제2 흐름 경로(예를 들어, 복귀 흐름 경로)를 포함할 수 있다.
본 발명의 원리가 다양한 실시예로 제시되었지만, 구조, 배열, 비율, 요소, 재료 및 컴포넌트(이는 특히 특정 환경 및 동작 요구 사항에 맞게 조정됨)의 많은 수정이 본 개시의 원리 및 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 이들 및 기타 변경 또는 수정은 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도되며 다음 청구범위에 표현될 수 있다.
본 발명은 다양한 실시예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 명세서는 제한적인 의미가 아닌 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 이러한 모든 변형은 본 개시의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 마찬가지로, 이점, 다른 장점 및 문제에 대한 해결책이 다양한 실시예에 대해 위에서 설명되었다.
그러나 이점, 장점, 문제에 대한 해결책 및 이점, 장점 또는 해결책이 발생하거나 더 뚜렷해지게 할 수 있는 임의의 요소(들)는 청구 범위의 일부 또는 전부의 중요하거나 필요하거나 필수적인 기능 또는 요소로 해석되어서는 안 된다. 본 명세서에서 사용된 용어 "포함하다", "포함하는" 또는 이들의 임의의 다른 변형은 비배타적인 포함을 포함하도록 의도되어, 요소들의 리스트를 포함하는 프로세스, 방법, 물품 또는 장치는 해당 요소들만 포함하는 것이 아니라 그러한 프로세스, 방법, 물품 또는 장치에 명시적으로 나열되지 않았거나 고유하지 않은 다른 요소들을 포함할 수 있다.
청구항 또는 명세서에서 "A, B 또는 C 중 적어도 하나" 또는 "A, B 및 C 중 적어도 하나"와 유사한 표현이 사용되는 경우, 이 문구는 다음 중 하나를 의미한다: (1) A 중 적어도 하나; (2) B 중 적어도 하나; (3) C 중 적어도 하나; (4) A 중 적어도 하나 및 B 중 적어도 하나; (5) B 중 적어도 하나 및 C 중 적어도 하나; (6) A 중 적어도 하나 및 C 중 적어도 하나; 또는 (7) A 중 적어도 하나, B 중 적어도 하나 및 C 중 적어도 하나.

Claims (20)

  1. 배터리 모듈(battery module)의 고속 충전 방법으로서, 상기 방법은:
    배터리 가열 시스템(battery heating system)을 통해 상기 배터리 모듈을 제1 온도 범위로 가열하는 단계;
    상기 배터리 모듈이 상기 제1 온도 범위 내에서 가열되는 동안, 충전 시스템(charging system)을 통해, 상기 배터리 모듈을 충전하는 단계; 및 이어서
    배터리 냉각 시스템(battery cooling system)을 통해, 상기 배터리 모듈을 상기 제1 온도 범위 미만의 온도로 능동적으로 냉각시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배터리 모듈을 가열하는 단계는 상기 배터리 가열 시스템을 통해 상기 배터리 모듈을 통해 제1 유체를 펌핑(pumping)하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 배터리 모듈을 냉각시키는 단계는 상기 배터리 냉각 시스템을 통해 상기 배터리 모듈을 통해 제2 유체를 펌핑하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 유체는 상기 배터리 모듈과 유체 연통하는 유체 도관을 통해 라우팅되고(routed), 상기 제2 유체는 상기 배터리 모듈과 유체 연통하는 상기 유체 도관을 통해 라우팅되는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 충전 시스템은 전기 와이어들을 통해 상기 배터리 모듈과 전기 통신하는 충전기(charger)를 포함하고, 상기 전기 와이어들은 유체 도관을 통해 라우팅되는, 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제1 유체는 상기 배터리 모듈 가열 동안 40℃ 내지 100℃이고, 상기 제2 유체는 상기 배터리 모듈 냉각 동안 -10℃ 내지 20℃인, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 배터리 관리 시스템을 통해 상기 배터리 모듈을 충전하는 동안 상기 배터리 모듈의 충전 상태를 모니터링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 전기 차량용 고온 충전 시스템으로서, 상기 고온 충전 시스템은:
    상기 전기 차량의 배터리 모듈과 유체 연통하도록 구성된 배터리 가열 시스템;
    상기 전기 차량의 상기 배터리 모듈과 유체 연통하도록 구성된 배터리 냉각 시스템;
    상기 전기 차량의 상기 배터리 모듈과 전기 통신하도록 구성된 충전기;
    상기 배터리 가열 시스템 및 상기 배터리 냉각 시스템과 전기 통신하는 제어기; 및
    상기 전기 차량에 제거 가능하게 결합하도록 구성된 유체 도관을 포함하고, 상기 유체 도관은 그 내부에 전기 와이어들을 포함하고, 상기 유체 도관은 상기 배터리 가열 시스템으로부터 제1 유체를 수용하도록 구성되고, 상기 유체 도관은 상기 배터리 냉각 시스템으로부터 제2 유체를 수용하도록 구성되는, 고온 충전 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 배터리 가열 시스템은 고온 탱크 및 제1 공급 펌프를 포함하고, 상기 배터리 냉각 시스템은 냉각 탱크 및 제2 공급 펌프를 포함하는, 고온 충전 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 제1 공급 펌프는 상기 배터리 모듈의 충전 동안 상기 배터리 모듈을 가열하기 위해 상기 유체 도관을 통해 상기 고온 탱크로부터 유체를 펌핑하도록 구성되는, 고온 충전 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 제3 공급 펌프 및 제4 공급 펌프를 포함하는 실내온도(climate) 제어 시스템을 더 포함하고, 상기 제3 공급 펌프는 상기 고온 탱크와 유체 연통하고, 상기 제4 공급 펌프는 상기 냉각 탱크와 유체 연통하는, 고온 충전 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 실내온도 제어 시스템은 상기 유체 도관을 통해 상기 전기 차량의 실내온도 제어 디바이스로 유체를 펌핑하도록 구성되는, 고온 충전 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 상기 제어기는:
    상기 배터리 모듈을 가열하기 위해 상기 유체 도관을 통해 상기 제1 유체를 펌핑하도록 상기 배터리 가열 시스템에 명령하고;
    상기 배터리 모듈을 충전하도록 상기 충전기에 명령하고;
    상기 배터리 모듈을 냉각시키기 위해 상기 유체 도관을 통해 상기 제2 유체를 펌핑하도록 상기 배터리 냉각 시스템에 명령하도록, 동작가능한, 고온 충전 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어기는:
    상기 제1 유체를 펌핑하기 전에 상기 제1 유체를 가열하도록 상기 배터리 가열 시스템의 유체 가열 시스템에 명령하고;
    상기 제2 유체를 펌핑하기 전에 상기 제2 유체를 냉각시키도록 상기 배터리 냉각 시스템의 냉각 시스템에 명령하도록, 추가로 동작가능한, 고온 충전 시스템.
  15. 명령어가 저장된 유형의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함하는 제조 물품으로서, 상기 명령어는, 프로세서에 의한 실행에 응답하여, 상기 프로세서로 하여금:
    상기 프로세서에 의해, 배터리 모듈을 통해 제1 유체를 펌핑하도록 제1 공급 펌프에 명령하는 것 - 여기서, 상기 제1 유체는 40℃와 100℃ 사이의 제1 온도로 가열됨 -;
    상기 프로세서에 의해, 상기 배터리 모듈을 충전하도록 충전기에 명령하는 것;
    상기 프로세서에 의해, 상기 배터리 모듈을 통해 제2 유체를 펌핑하도록 제2 공급 펌프에 명령하는 것 - 여기서, 상기 제2 유체는 상기 제1 유체보다 낮은 제2 온도를 가짐 - 을 포함하는 동작들을 수행하게 하는, 제조 물품.
  16. 제15항에 있어서, 상기 동작들은:
    상기 프로세서에 의해, 상기 제1 유체를 펌핑하기 전에 상기 제1 유체를 상기 제1 온도로 가열하도록 유체 가열 시스템에 명령하는 것; 및
    상기 프로세서에 의해, 상기 제2 유체를 펌핑하기 전에 상기 제2 유체를 상기 제2 온도로 냉각시키도록 냉각 시스템에 명령하는 것을 더 포함하는, 제조 물품.
  17. 제15항에 있어서, 상기 동작은, 상기 프로세서에 의해, 상기 배터리 모듈이 충전되는 동안 상기 배터리 모듈의 충전 상태를 수신하는 것을 더 포함하는, 제조 물품.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제1 공급 펌프는 지상 서비스 시스템과 배터리 모듈이 있는 차량 사이에 배치된 유체 도관을 통해 상기 제1 유체를 펌핑하는, 제조 물품.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제2 공급 펌프는 상기 제2 유체가 상기 배터리 모듈을 통해 펌핑될 때 상기 유체 도관을 통해 상기 제2 유체를 펌핑하는, 제조 물품.
  20. 제15항에 있어서, 상기 동작들은, 상기 프로세서에 의해, 상기 배터리 모듈이 미리 결정된 충전 상태에 도달하는 것에 응답하여 충전을 중지하도록 상기 충전기에 명령하는 것; 및 이어서 상기 제2 유체를 펌핑하도록 상기 제2 공급 펌프에 명령하는 것을 더 포함하는, 제조 물품.
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