БАТАРЕЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ КОНДЕНСАТОРОВ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
BANK OF AIR-COOLED ELECTROCHEMICAL BATTERIES

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при охлаждении батарей конденсаторов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является батарея электрохимических конденсаторов ([1] Патент на изобретение №RU 2308111, опубликованный 10.10.2007), которая включает корпус, положительный и отрицательный токовыводы, систему охлаждения, устройство температурного контроля и, по крайней мере, два электрически соединенных конденсатора. Батарея снабжена устройством сжатия конденсаторов, при этом каждый корпус конденсатора выполнен призматическим, из полимерного материала, и они расположены в один или несколько рядов, а система охлаждения состоит из теплоотводящих пластин-радиаторов, контактирующих с теплоносителем, и устройства распределения теплоносителя.
Недостатком описанной в [1] конструкции является недостаточная эффективность охлаждения, связанная с тем, что тепловой поток от стенок конденсаторов отводится к теплоносителю через радиаторы, имеющие ненулевое тепловое сопротивление.
Другим недостатком прототипа является неравномерность охлаждения, связанная с тем, что теплоноситель, последовательно проходя через батарею, нагревается, и конденсаторы, находящиеся рядом с местом входа теплоносителя, имеют более низкую температуру, чем конденсаторы, находящиеся рядом с местом выхода теплоносителя.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков наиболее близкого аналога.
Поставленная задача решается путем создания батареи электрохимических конденсаторов, содержащей корпус, положительный и отрицательный токовыводы, систему охлаждения, устройство температурного контроля, устройство сжатия конденсаторов и, по меньшей мере, два электрически соединенных конденсатора, корпусы которых выполнены призматическими и расположенных в один или несколько рядов, причем согласно изобретению, система охлаждения содержит воздушный вентилятор, направляющий воздух через размещенный на противоположной от вентилятора стороне корпуса батареи воздухозаборник в зазоры между конденсаторами, при этом размер зазоров ограничен размещенными между конденсаторами вставками и устройством сжатия конденсаторов.
Батарея также может быть выполнена таким образом, что суммарное сечение вставок не превосходит 1/3 от суммарного сечения зазоров, по которым проходит воздух, а вставки расположены параллельно направлению потока воздуха.
Вентилятор может быть выполнен вытяжным, а корпус батареи содержит отверстия для входа воздуха, расположенные между воздухозаборником и вентилятором.
Суть изобретения поясняется следующими рисунками. На рисунке 1 показана батарея из четырех конденсаторов, стрелками показано направление сжимающей силы. 1 - конденсаторы, 2 - вставки. Направление воздушного потока перпендикулярно плоскости рисунка. Воздушный поток забирает тепло непосредственно от корпусов конденсаторов, а не от радиаторов, как в прототипе. Форма и материал вставок выбираются исходя из усилия сжатия конденсаторов - корпусы конденсаторов не должны деформироваться, из требований к расходу воздуха, который зависит от условий эксплуатации батареи конденсаторов, с учетом стоимости материалов и т.д.
На рис.2 показана батарея из 10 конденсаторов, расположенных в два ряда (коммутирующие элементы не изображены). Воздух от нагнетающего вентилятора проходит между конденсаторами, причем направление потока задается корпусом и вставками, и выходит через отверстие для выхода воздуха, расположенное в задней части корпуса (на рисунке 2 - вверху).
На рис.3 изображена батарея из 27 конденсаторов, размещенных в три ряда по 9 штук (коммутирующие элементы батареи не изображены). Воздух из воздухозаборника вытяжным вентилятором прокачивается между конденсаторами. Кроме того, воздух попадает через отверстия в крышке модуля. Благодаря этому величина потока воздуха последовательно возрастает от нижнего на рисунке ряда к верхнему. Чем ближе к выходу воздуха из батареи расположен ряд конденсаторов, тем сильнее обдув и интенсивнее охлаждение. Кроме того, воздух, подогретый при прохождении первого ряда, разбавляется воздухом, поступившим из отверстий, и температура его делается меньше. Это позволяет еще больше выровнять разность температур между конденсаторами первого и последующего рядов.
Очевидно, что форма воздухозаборных отверстий, их площадь и расположение могут быть различными и могут варьироваться в зависимости от габаритных и других особенностей конденсаторов и корпуса.
Изобретение поясняется также следующими примерами реализации.
Пример 1
Были собраны батареи №1 и №2 конденсаторов 60ЭК404. Макет №1 собран в соответствии с прототипом: 60 конденсаторов ЭК404 размещены в корпусе. Конденсаторы собраны в модули по 10 шт. в каждом модуле. Каждый модуль стянут металлическими хомутами, для поджима использованы пружины. Между всеми конденсаторами размещены алюминиевые пластины, выходящие за габариты конденсаторов на 30 мм (больший размер выступающей части не рационален из-за экранирования пластинами воздушного потока) и отогнутые под углом так, что между модулями образуются каналы, через которые проходит омывающий радиаторы воздух.
Количество модулей - 6.
Воздух подавали от приточного осевого вентилятора мощностью 120 Вт.
Макет №2 изготовлен после испытания макета №1 из тех же конденсаторов, в том же корпусе и с тем же вентилятором. Размещение конденсаторов аналогично тому, что изображено на рис.2. Конденсаторы разделены алюминиевыми профилями Н-образной формы с шириной 8 мм и высотой 10 мм. Количество профилей с каждой стороны конденсатора - 5 шт.
При испытаниях измеряли температуру внутри конденсаторов с помощью термопар, изолированных в чехлы из химически стойкого полимера и введенных внутрь конденсаторов через отверстия для клапанов.
Заряд и разряд батарей осуществляли токами 100 и 150 А в диапазоне напряжений 45-90 В.
Длительность пауз по окончании заряда и разряда составляла 1,0 с.
Циклирование осуществляли до установления стационарного значения разности между температурой в конденсаторах и температурой воздуха помещения.
Сравнение полученных результатов испытания батарей, собранной в соответствии с изобретением и собранной в соответствии с прототипом, показывают, что:
- существенно снижен разогрев конденсаторов; так, при токах 100 и 150 А разогрев ранее составлял соответственно 22 и 26,5 градусов, а при токе 200 А испытания не проводились ввиду очевидной неизбежности выхода на температуру выше 60 градусов. Отметим также, что в новом макете максимальная температура должна соответствовать таковой в реальном модуле аналогичной конструкции, а в ранее испытанном макете температура меньше, чем можно ожидать в модуле, вследствие того, что охлаждающий воздух проходит только 11 из 15 рядов конденсаторов.
При токе 100 А батарея №1, изготовленная в соответствии с прототипом, разогрелась на 22 градуса, при токе 150 А - на 26,5 градусов.
Батарея №2, изготовленная в соответствии с изобретением, на токе 100 А разогрелась только на 9 градусов, а на токе 150 А - на 17,5 градусов. Таким образом, разогрев в батарее, изготовленной в соответствии с изобретением, существенно меньше, чем в батарее, изготовленной в соответствии с прототипом.
Пример 2
Батарея из 60 конденсаторов ЭК404 была собрана так же, как в примере 1. Был использован лопастной вытяжной вентилятор с мощностью 110 Вт. Кроме воздухозаборника, расположенного на стенке батареи, противоположной той, где размещен вентилятор, в крышке корпуса имелись щели шириной 5 мм в количестве 5 шт. Щели располагались над рядами элементов, аналогично рис.3.
Испытания проводили в тех же условиях, что и в примере 1. Максимальный разогрев составил при токе 100 А - 8 градусов, при токе 150 А - 16 градусов. Разница между температурами конденсаторов, расположенных у возле вентилятора и возле противоположной ему стенки, составила при токе 100 А 6 градусов, при токе 150 А - 9 градусов. В то же время, при испытаниях батареи №2 в примере 1 соответствующие разности температур составили 7 и 12 градусов. Таким образом, использование вытяжного вентилятора и дополнительных воздухозаборников позволяет уменьшить перепады температур внутри батареи.