Автономный аккумуляторный модуль на базе литий-полимерных аккумуляторов

Полезная модель относится к области энергообеспечения, точнее к средствам аккумулирования электроэнергии и предназначена, преимущественно, для использования в транспортном машиностроении в составе энергопитающих комплексов транспортных средств, оснащенных тяговым электроприводом.
Из уровня техники известна литий-ионная аккумуляторная батарея (RU 103675 U1, 20.04.2011), которая состоит из литий-ионных аккумуляторных ячеек призматической формы, соединенных последовательно в электрическую цепь и отделенных друг от друга и от стенок корпуса батареи диэлектрическими проставками. Аккумуляторные ячейки размещены в выемках сложной формы, выполненных в проставках, которые закреплены на охлаждаемом основании батареи. Все составляющие батареи стянуты силовыми шпильками. Способ охлаждения аккумуляторных ячеек не обеспечивает получения равномерного температурного поля на всей их поверхности, т.к. теплообмен осуществляется с малой площади днищ ячеек, а неравномерный нагрев аккумуляторов может приводить к снижению электрической емкости при циклировании (заряд/разряд).
Из уровня техники известна высокомощная батарея (RU 155156 U1, 20.09.2015), содержащая блок плоских литий-полимерных аккумуляторов, соединенных в электрическую цепь последовательно и установленных в полиамидные рамки, снабженные отверстиями под стяжки, обеспечивающие фиксацию аккумуляторов в блоке и блоков в батарее. Между аккумуляторами в блоке установлены металлические теплоотводы с увеличенной поверхностью теплоотдачи по торцам, передающие тепло на стенки кожуха через теплопроводящие электроизоляционные прокладки, а на основание батареи через теплопроводящую электроизоляционную прокладку установлена плата силовых ключей на алюминиевой основе электронной системы контроля и управления батареей. На внутреннюю поверхность кожуха нанесено покрытие из теплоизоляционного мелкоячеистого вспененного полиуретана, что позволяет в условиях низких температур при небольших токах разряда сохранить тепло внутри батареи и обеспечить ее разрядную емкость до 75% от номинальной. С другой стороны, такое техническое решение значительно снижает допустимые разрядные тока батареи и, соответственно ее емкость, при положительной температуре окружающей среды. Также следует отметить наличие в батареи трех электронных плат: двух плат управления, платы силовых ключей и платы датчиков температуры, что значительно усложняет конструкцию и снижает ее показатели надежности и отказоустойчивости.
Из уровня техники известен аккумуляторный модуль на базе литий-полимерных аккумуляторов с улучшенными условиями теплообмена между ячейками (US 2007/0037051 А1, 15.02.2007), содержащий переднюю и заднюю торцевые пластины и расположенные между ними последовательно соединенные в электрическую цепь однотипные аккумуляторные ячейки призматической формы, каждая из которых размещена в проставке с обеспечением каналов воздушного охлаждения, а также стягивающие шпильки, замыкающие сжимающее усилие на торцевых пластинах. Проставки в нем установлены между аккумуляторными ячейками таким образом, что между двумя соседними ячейками размещено по одной проставке, охватывающей ячейку своими тремя сторонами: фронтальной и двумя боковыми или двумя сторонами: фронтальной и боковой, причем эти стороны проставок содержат несколько выполненных сквозными пазов, которые в собранном аккумуляторном модуле образуют горизонтально расположенные каналы для прохождения охлаждающего теплоносителя.
Однако в собранном аккумуляторном модуле такое конструктивное построение проставок при необходимости обеспечения требуемых прочностных параметров может приводить к довольно значительному перекрытию фронтальных поверхностей аккумуляторных ячеек перемычками между пазами, при этом каналы воздушного охлаждения будут иметь относительно небольшую суммарную площадь проходного сечения - это затруднит циркуляцию воздуха и отвод тепла. Следовательно, несмотря на присутствие каналов воздушного охлаждения, теплоотводящая система не способна обеспечить равномерный и достаточный отвод тепла при максимальных электрических нагрузках на аккумуляторный модуль, что следует отнести к основному его недостатку, приводящему к снижению ресурса и надежности работы модуля.
Из уровня техники известна электрическая батарея (US 2009/0253026 А1, 08.10.2009), содержащая множество генерирующих энергию элементов (электрохимическая ячейка литий-ионного или литий-полимерного типа) упакованных в гибкую герметичную оболочку, которая защищает от механических и термических повреждений корпус, выполненный из теплопроводного материала. Этот корпус имеет два продольных элемента и множество поперечных элементов, соединяющих указанные продольные элементы, образуя отсеки для электрохимических ячеек. Указанный корпус включает в себя каналы циркуляции для жидкого теплоносителя.
Серьезным недостатком данной конструкции можно назвать невозможность обеспечения плотного прилегания электрохимических ячеек к поперечным элементам, по которым проходит жидкий теплоноситель. Это связано с наличием допуска по толщине ячеек и размерам корпуса, поэтому равновероятны возможности как наличия воздушного зазора, снижающего интенсивность теплопередачи и вызывающего чрезмерный нагрев ячеек, так и превышения допустимых нагрузок сжатия ячеек, что может привести к их механическому повреждению.
Кроме того, известны аккумуляторные модули на базе литий-полимерных аккумуляторов, производством которых занимается южнокорейская компания KOKAM СО LTD, которой принадлежат следующие патентные документы.
KR 101853907 В1, 02.05.2018, в котором раскрыто водяное охлаждение аккумуляторных ячеек, расположенное в картриджах между каждыми ячейками таким образом, что ячейки контактируют с жидким теплоносителем непосредственно. Конструкция с таким охлаждением увеличивает вес аккумуляторного модуля и снижает срок его безопасной эксплуатации. Герметичность соединения охлаждающих картриджей и аккумуляторных ячеек обеспечивается резиновыми прокладками. С течением времени, в процессе эксплуатации или хранения, уплотняющие свойства прокладок неизбежно будут ухудшаться, а отказ одного из уплотнений приведет к проникновению жидкого теплоносителя в зону электрических контактов и короткому замыканию.
KR 20140042059 А, 07.04.2014, в котором раскрыт аккумуляторный модуль с множеством аккумуляторных ячеек, множеством картриджей для этих ячеек, причем между соседними картриджами в одном варианте выполнения может быть расположен теплоотвод. Такая конструкция также увеличивает вес аккумуляторного модуля. Кроме того, при использовании варианта с теплоотводами, при нагреве ячеек и их расширении может происходить их чрезмерное сжатие. В варианте конструкции без теплоотводов данный недостаток исключается, но значительно снижается эффективность теплопередачи между аккумуляторными ячейками и рамками, т.к. основная часть тепловой энергии выделяется на вертикальных плоскостях ячеек, которые контактируют с замкнутым воздушным зазором.
KR 20180012984 А, 07.02.2018, в котором раскрыт аккумуляторный модуль с аккумуляторными ячейками, уложенных одна на другую, блок продувки воздуха, блок всасывания, соединенный с множеством элементов батареи и расположенный противоположно от блока продувки (воздуховыделяющего устройства) и элементы разделения и распределения потоков воздуха. Конструкция с таким охлаждением также увеличивает вес аккумуляторного модуля, а также усложняет конструкцию и снижает энергоэффективность в целом, т.к. для привода нагнетающего и всасывающего вентиляторов используется дополнительная энергия.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является аккумуляторный модуль на базе литий-полимерных аккумуляторов (RU 142206 U1, 20.06.2014), содержащий переднюю и заднюю торцевые пластины и расположенные между ними последовательно соединенные в электрическую цепь однотипные аккумуляторные ячейки, каждая из которых размещена в проставке с обеспечением каналов воздушного охлаждения. Проставки выполнены в виде разъемного корпусного элемента, составленного из двух пар противолежащих боковых стоек. Передняя и задняя крышки модуля вместе с проставками образуют корпус модуля, защищающий аккумуляторные ячейки от вероятных механических повреждений во время эксплуатации.
Такое конструктивное выполнение аккумуляторного модуля увеличивает вес аккумуляторного модуля, а также усложняет конструкцию при относительно неинтенсивном воздушном охлаждении аккумуляторных ячеек, что снижает надежности эксплуатации автономного аккумуляторного модуля с воздушным охлаждением, снижает срок его службы и ограничивает диапазона возможных рабочих токов разряда.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на разработку эффективного автономного аккумуляторного модуля на базе литий-полимерных аккумуляторов, обладающего увеличенным ресурсом и надежностью работы.
Технический результат заключается в повышении надежности эксплуатации автономного аккумуляторного модуля с воздушным охлаждением, увеличении срока службы аккумуляторного модуля и расширении диапазона рабочих токов, за счет более интенсивного воздушного охлаждения аккумуляторного модуля, сохраняя при этом уровень защищенности от механических повреждений и простую конструкцию аккумуляторного модуля.
Технический результат достигается тем, что автономный аккумуляторный модуль на базе литий-полимерных аккумуляторов призматической формы, содержащий переднюю и заднюю опорные стенки и расположенные между ними с постоянным интервалом, обеспечивающим проходное сечение каналов воздушного охлаждения, последовательно соединенные в электрическую цепь однотипные аккумуляторные ячейки, установленный на передней стенке электронный блок для контроля параметров и нивелирования разбалансировки напряжений аккумуляторных ячеек, к которому подсоединены клеммы ячеек, отличающийся тем, что он снабжен, расположенными между аккумуляторными ячейками, а также между первой крайней аккумуляторной ячейкой и передней опорной стенкой, между второй крайней аккумуляторной ячейкой и задней опорной стенкой, горизонтальными проставками, предотвращающие соприкосновение ячеек друг с другом и соприкосновение ячеек с передней и задней опорными стенками, причем толщина зафиксированной проставки определяет величину воздушных каналов, передней и задней наружными стенками, боковыми стенками с перфорацией, обеспечивающих воздушное охлаждение, основанием и верхней крышкой с перфорацией, при этом промежуточная пластина, боковые, передняя и задняя наружные стенки, а также крышка соединены между собой и с основанием с помощью крепежных элементов, образуя разборный корпус-защиту для клемм, аккумуляторных ячеек и электронного блока от механических повреждений.
Конструкция автономного аккумуляторного модуля также имеет следующие дополнительные отличия.
Проставки равноудалены от краев заполненной электролитом части аккумуляторной ячейки, с которой они закреплены, одна проставка расположена снизу, одна расположена сверху, указанное расположение проставок позволяет предотвратить соприкосновение ячеек друг с другом и соприкосновение ячеек с крышками корпуса. Такое расположение проставок обеспечивает постоянную по высоте ширину воздушного зазора, одновременно с этим значительно не уменьшая площадь его сечения. Меньшее количество проставок (одна) приведут к неравномерности ширины (со стороны, где есть проставка ширина зазора максимальна, а с противоположной стремится к нулю).
Проставки выполнены в виде удлиненных плоских прямоугольных пластин, широкой стороной примыкая к аккумуляторным ячейкам, что обеспечивает упрощение процесса изготовления, и сборки аккумуляторного модуля за счет их простой формы.
Проставки соединены с аккумуляторными ячейками клеевым соединением, что обеспечивает упрощение процесса сборки аккумуляторного модуля, разборки в случае неисправности аккумуляторной ячейки, а также уменьшение веса автономного аккумуляторного модуля за счет исключения других распространенных видов крепежных соединений, обладающих более высокой массой.
Съемную ручку, закрепленную на монтажной пластине с помощью крепежных элементов, что обеспечивает упрощение переноса аккумуляторного модуля, его установку в транспортное средство и снятие для проведения осмотра или ремонта.
Корпус выполнен из композитного материала, в основе которого лежат пластики, что обеспечивает уменьшение массы автономного аккумуляторного модуля с сохранением надежности конструкции, а также исключает возможность замыкания любого электрического контакта на корпус.
На представленных чертежах:
на фиг. 1 показан общий вид автономного аккумуляторного модуля (изометрическая проекция);
на фиг. 2 показан вид автономного аккумуляторного модуля, иллюстрирующий его внутреннюю конструкцию (изометрическая проекция);
на фиг. 3 показан вид автономного аккумуляторного модуля, иллюстрирующий внутреннюю конструкцию (вид сбоку);
на фиг. 4 показан трехмерный вид аккумуляторных ячеек в сборе с проставками (изометрический вид).
1 - Основание
2 - Стенка боковая
3 - Монтажная пластина
4 - Ячейка аккумуляторная
5 - Горизонтальная проставка
6 - Заполненная часть ячейки
7 - Выступ ячейки
8 - Стенка задняя опорная
9 - Стенка передняя опорная
10 - Стенка передняя наружная
11 - Стенка задняя наружная
12 - Крышка
13 - Шина
14 - Прижимная планка
15 - Плата управления
16 - Жгут проводов
17 - Контакты ячейки
18 - Ручка
19 - Крепежные элементы.
Предлагаемый автономный аккумуляторный модуль содержит последовательно установленные аккумуляторные ячейки 4 призматической формы с литий-ионным полимерным электролитом.
Аккумуляторные ячейки 4 расположены вертикально параллельно друг другу таким образом, чтобы отрицательные и положительные контакты соседних ячеек располагались друг против друга. Ячейка 4 содержит выступ 7 и заполненную 6 электролитом часть. Выступ ячейки сверху содержат анод и катод, переходящие в контакты 17. Контакты 17 аккумуляторных ячеек 4 проходят сквозь прорези в монтажной пластине 3 и прижаты планками 14. Планки крепятся к монтажной пластине винтами, что обеспечивает прижим контактов друг к другу и надежное электрическое соединение.
Между всеми ячейками расположены горизонтальные проставки 5, выполненные в виде прямоугольных пластин, из диэлектрического материала, оснащенные клеевым слоем на поверхностях, контактирующих с аккумуляторными ячейками 4. Горизонтальные проставки обеспечивают равномерное распределение ячеек в модуле и гарантируют наличие воздушных каналов между ячейками. Воздух, проходящий по этим каналам охлаждает ячейки в процессе их работы. Проставки 5 равноудалены от краев заполненной 6 электролитом части аккумуляторных ячеек 4, одна проставка расположена снизу, одна расположена сверху, с расстоянием между двумя проставками большим, чем от проставки до края ячейки. Клеевое соединение обеспечивает упрощение процесса сборки аккумуляторного модуля, разборки в случае неисправности аккумуляторной ячейки, а также уменьшение массы автономного аккумуляторного модуля.
Аккумуляторные ячейки 4 своей нижней частью опираются на виброизоляционный материал, приклеенный к основанию 1. Боковые стенки 2 с перфорацией крепятся к монтажной пластине 3 и основанию 1 крепежными элементами 19.
Задняя 8 и передняя 9 опорные стенки крепятся к боковым стенкам 2 крепежными элементами 19 и предотвращают смещение аккумуляторных ячеек. На передней стенке 9 также установлена плата управления 15, которая предназначена для контроля параметров батареи и нивелирования разбалансировки напряжений аккумуляторных ячеек 4.
Жгут проводов 16 служит для соединения клемм аккумуляторных ячеек 4 с платой управления 15.
К контактам первой и последней ячеек 4 с помощью прижимных планок 14 прикреплены шины 13, предназначенные для соединения с потребителем или зарядным устройством.
Наружные стенки - передняя 10 и задняя 11 соединены крепежными элементами с боковыми стенками 2. Основная функция передних стенок - защита от механических повреждений аккумуляторных ячеек и платы управления.
Крышка 12 установлена в верхней части модуля и крепится к боковым стенкам 2 крепежными элементами, перфорация крышки обеспечивает отвод нагретого воздуха от контактов аккумуляторных ячеек.
Съемная ручка 18 закреплена на монтажной пластине 3 с помощью крепежных элементов 19, которые проходят через стенки с перфорацией дополнительно удерживая стенки на аккумуляторном модуле. Наличие ручки 18 упрощает перенос аккумуляторного модуля, его установку в транспортное средство и снятие для проведения осмотра или ремонта. Для надежности и прочности ручка 18 может быть выполнена из различных металлов и их сплавов.
Элементы разборного корпуса выполнены из композитного материала, в основе которого лежат пластики, что обеспечивает уменьшение массы автономного аккумуляторного модуля с сохранением надежности конструкции, а также исключает возможность замыкания любого электрического контакта на корпус.
Работа автономного аккумуляторного модуля разделена на два режима: заряд модуля и его разряд, осуществляемые в штатном режиме.
Тепловая энергия, выделяемая при циклировании аккумуляторных ячеек 4, передается с фронтальных поверхностей ячеек в предусмотренный в модуле воздушный зазор между ячейками 4. Проставки 5 формируют горизонтальные каналы воздушного охлаждения ячеек 4, воздух по которым проходит через перфорированные боковые стенки 2.
При необходимости, когда конвективного переноса теплоты недостаточно для охлаждения аккумуляторных ячеек 4, модуль может быть оснащен электровентиляторами или прочими источниками подачи воздуха, обеспечивающими принудительную циркуляцию охлаждающего воздуха. Поскольку, как известно, разбалансировка отдельных аккумуляторных ячеек 4 является отрицательным явлением в работе модуля, приводящим к уменьшению величины рабочего напряжения и уменьшению количества запасаемой энергии, что снижает значение электрической емкости модуля и, соответственно, сокращает запас хода электрического транспортного средства, а основных причин разбалансировки несколько, например: неидентичные характеристики ячеек 4, определяемые отклонениями во время производственного процесса, неодинаковое исходное состояние ячеек 4 перед установкой их в модуль, а также различное температурное состояние ячеек 4, то во время этих режимов очень важен контроль величины разбалансировки аккумуляторных ячеек 4, под которой подразумевается различие в значении оставшегося заряда отдельных ячеек 4.
В предлагаемом модуле при достижении хотя бы одной аккумуляторной ячейкой 4 максимального/минимального значения по величине заряда/разряда ячейки плата управления 15, получая информацию о состоянии ячеек по жгуту проводов 16, прекращает процесс заряда/разряда в соответствии с требованиями безопасности при эксплуатации аккумуляторных ячеек с литий-ионным полимерным электролитом, которые могут представлять пожароопасность при перезаряде/переразряде, характеризуемом выходом напряжения аккумуляторной ячейки 4 за допустимые пределы.
К тому же благодаря функциональным возможностям платы 15 конкурентным преимуществом предлагаемого автономного аккумуляторного модуля является возможность его самодиагностики, динамической оценки степени заряженности, коррекция выходных характеристик в зависимости как от текущего состояния, так и от прогнозируемого.
Кроме того, за счет своей конструкции, а именно за счет уменьшения количества и массы корпусных деталей упрощается процесс изготовления и сборки аккумуляторного модуля и достигается увеличение удельной емкости модуля.