АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
RECHARGEABLE BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURE OF RECHARGEABLE BATTERY

Настоящее изобретение относится к аккумуляторной батарее и способу ее изготовления, в частности к аккумуляторной батарее транспортного средства, имеющей систему терморегулирования.
Ключевыми требованиями к аккумуляторным батареям следующего поколения, особенно к литий-ионным аккумуляторным батареям для автомобилей, являются улучшенная гравиметрическая и объемная плотность энергии, увеличенный срок службы и быстрая зарядка. Гравиметрическая и объемная плотности энергии в значительной степени улучшены благодаря достижениям в электрохимии элементов батарей и химической технологии. Однако улучшения в механической конструкции аккумуляторной батареи также оказывают заметное влияние на общий вес и размер аккумуляторной батареи. Механическая конструкция аккумуляторной батареи влияет на срок службы и возможность быстрой зарядки, в основном за счет системы терморегулирования. Систему терморегулирования можно использовать для минимизации колебаний температуры внутри батареи для предотвращения дифференциального старения элементов, что в конечном итоге приведет к сокращению срока службы. Кроме того, важно поддерживать относительно постоянную температуру 25°С по всей аккумуляторной батарее, чтобы максимально продлить срок службы элементов. Последнее особенно сложно поддерживать во время быстрой зарядки из-за сильного тепловыделения внутри батареи.
Системы терморегулирования в современных аккумуляторных батареях обычно включают теплообменник в виде канала. Канал представляет собой трубку, по которой охлаждающий материал может проходить через батарею для охлаждения или нагрева отдельных элементов батареи. Гибкие каналы особенно полезны, так как они легкие и могут точно соответствовать форме элементов, когда они находятся под давлением или в надутом состоянии. Однако существенным недостатком использования гибких воздуховодов является то, что они склонны к разрыву: повышение давления внутри воздуховода приводит к растяжению и утонению стенки (стенок) воздуховода, что снижает прочность стенок и потенциально приводит к утечке охлаждающей среды внутри батареи. Хотя риск разрыва можно уменьшить, увеличив толщину стенки воздуховода, это также увеличивает тепловое сопротивление воздуховода и, следовательно, эффективность системы терморегулирования.
Еще одна проблема современных аккумуляторных блоков - это их склонность к возгоранию. Риск возгорания внутри аккумуляторной батареи увеличивается, когда элементы подвергаются воздействию высоких температур, когда возникают короткие замыкания и (или) когда внутренняя структура элементов нарушается. Например, литиевое покрытие и (или) образование кристаллов внутри элемента может пробить внутренние диэлектрические мембраны элемента, что приведет к потенциально катастрофическим коротким замыканиям и взрыву элемента. Такое событие может распространиться по всей батарее, вызывая возгорание всех элементов. Существует потребность в способе остановки или уменьшения распространения чрезмерного тепла из локализованной области внутри аккумуляторной батареи.
Задачей изобретения является устранение или смягчение описанных выше проблем. В частности, целью изобретения является создание тонкого гибкого воздуховода для использования в системе терморегулирования, в которой воздуховод имеет пониженный риск разрыва.
Еще одной целью изобретения является создание аккумуляторной батареи, которая по своей природе является огнестойкой.
Еще одной задачей изобретения является создание системы терморегулирования, которая находится в хорошем тепловом контакте с одним или несколькими элементами.
Согласно первому аспекту изобретения предоставляется аккумуляторная батарея, содержащая: один или несколько элементов батареи; гибкий канал, расположенный близко к поверхности по меньшей мере одного-единственного или одного из нескольких элементов, так что тепло может передаваться между каналом и как минимум одним или несколькими элементами; и средство заливки (компаунд), приспособленное действовать как опора по меньшей мере для части канала. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, чтобы гибкий канал мог точно соответствовать форме поверхности элементов внутри батареи, будучи усилен средством заливки, которое предотвращает чрезмерное раздувание и (или) разрыв гибкого канала.
При необходимости аккумуляторная батарея содержит множество каналов.
В предпочтительном варианте реализации один или несколько каналов являются змеевиками.
При необходимости один или несколько каналов являются коллекторами.
При необходимости аккумуляторная батарея содержит один или несколько в основном прямых каналов.
При необходимости аккумуляторная батарея содержит один или несколько параллельных каналов.
В предпочтительном варианте реализации единственный канал или каждый канал содержит один или несколько в основном прямых участков.
В предпочтительном варианте реализации единственный канал или каждый канал конфигурируется для подачи охлаждающей жидкости.
В предпочтительном варианте реализации единственный канал или каждый канал конфигурируется так, чтобы пропускать водно-гликолевую смесь.
В предпочтительном варианте реализации охлаждающая жидкость подается под давлением в единственный канал или в каждый канал до надутого состояния.
В предпочтительном варианте реализации единственный канал или каждый канал в надутом состоянии соответствует поверхности одного или нескольких элементов. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что надувание гибкого канала таким образом, чтобы его форма соответствовала форме элементов, улучшает тепловой контакт между единственным или каждым каналом и элементами, так что охлаждающая жидкость может более эффективно передавать тепловую энергию между охлаждающей жидкостью и элементами.
В предпочтительном варианте реализации форма единственного канала или каждого канала частично соответствует как минимум части поверхности одного или нескольких элементов.
В предпочтительном варианте реализации элементы батареи представляют собой цилиндрические элементы. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что гибкий канал хорошо подходит для использования с цилиндрическими элементами, поскольку канал может расширяться и соответствовать волнообразной поверхности цилиндрических элементов, обеспечивая хороший тепловой контакт между элементами и каналом.
В предпочтительном варианте реализации аккумуляторная батарея содержит массив элементов.
В предпочтительном варианте реализации массив элементов находится в плотно скомпонованной конфигурации.
В предпочтительном варианте реализации минимальное расстояние между элементами составляет 0,5-5 мм.
В предпочтительном варианте реализации минимальное расстояние между элементами составляет 2 мм.
В предпочтительном варианте реализации гибкий канал располагается рядом с единственным или несколькими элементами.
В предпочтительном варианте реализации гибкий канал располагается между элементами.
В предпочтительном варианте реализации гибкий канал находится в непосредственном контакте с боковой(ыми) поверхностью(ями) единственного или нескольких элементов.
В предпочтительном варианте реализации гибкий канал находится в непрямом контакте с боковой(ыми) поверхностью(ями) одного или нескольких элементов через область сопряжения или материал сопряжения.
В предпочтительном варианте реализации гибкий канал находится в непрямом контакте с боковой(ыми) поверхностью(ями) одного или нескольких элементов через оболочку корпуса, окружающую элемент(ы).
В предпочтительном варианте реализации гибкий канал находится в непрямом контакте с боковой(ыми) поверхностью(ями) одного или нескольких элементов через теплопроводящий наполнительный материал, такой как проводящая паста или клей.
В идеальном варианте гибкий воздуховод изготавливается из материала на полимерной основе.
В предпочтительном варианте реализации гибкий канал изготавливается из надувного пластика. Надувной пластиковый материал обеспечивает преимущество, поскольку материал по своей природе является электрически изолирующим, легким, не подвергается коррозии и не вступает в химическое взаимодействие с охлаждающей жидкостью, такой как смесь гликоля и воды.
В идеальном варианте надувной пластиковый материал - полиэтилен низкой плотности (LDPE).
В идеальном варианте надувной пластиковый материал - линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE).
В идеальном варианте надувной пластиковый материал - полиэтилен высокой плотности (HDPE).
В идеальном варианте надувной пластиковый материал - полиэстер.
В идеальном варианте толщина стенок гибкого воздуховода составляет от 10 мкм до 150 мкм. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что надувной пластиковый материал может быть очень тонким, что обеспечивает хорошие свойства теплопередачи между единственным или каждым из нескольких каналов и элементами.
В предпочтительном варианте реализации гибкий канал представляет собой канал с одним просветом.
При необходимости гибкий воздуховод может быть многопросветным. Многопросветный канал может использоваться в больших аккумуляторных батареях, где однопросветный канал не способен обеспечить равномерное распределение температуры.
В идеальном варианте многопросветный канал содержит два или более просвета, по которым может течь охлаждающая жидкость.
В предпочтительном варианте реализации аккумуляторная батарея содержит корпус аккумуляторной батареи.
В предпочтительном варианте реализации аккумуляторная батарея содержит нижнюю створку «раковину».
В предпочтительном варианте реализации аккумуляторная батарея содержит верхнюю створку «раковину».
В предпочтительном варианте реализации нижняя створка и (или) верхняя створка имеют одно или несколько углублений для приема и удержания элемента (элементов).
В предпочтительном варианте реализации нижняя створка и (или) верхняя створка имеют одно или несколько отверстий для подвода электрических соединений к элементам.
В предпочтительном варианте реализации на верхней и (или) нижней створке предусмотрены одна или несколько сборных шин.
В предпочтительном варианте реализации верхняя створка и (или) нижняя створка содержат одно или несколько отверстий для электрического соединения элемента (элементов) с шиной(ами).
В предпочтительном варианте реализации аккумуляторная батарея содержит одну или несколько боковых стенок.
В предпочтительном варианте реализации одна или несколько боковых стенок прикреплены к нижней створке.
В предпочтительном варианте реализации одна или несколько боковых стенок прикреплены к верхней створке.
В предпочтительном варианте реализации аккумуляторная батарея содержит средство для впуска жидкости.
В предпочтительном варианте реализации средство впуска жидкости обеспечивает вход жидкости в единственный канал или каждый из нескольких каналов.
В предпочтительном варианте реализации средство впуска жидкости имеет входной патрубок.
В предпочтительном варианте реализации аккумуляторная батарея содержит средство для выпуска жидкости.
В предпочтительном варианте реализации средство выпуска жидкости имеет выходной патрубок.
В предпочтительном варианте реализации средство выпуска жидкости обеспечивает выход жидкости из единственного канала или каждого из нескольких каналов.
В предпочтительном варианте реализации средства впуска жидкости и (или) средства выпуска жидкости проходят через отверстия в боковой(ых) стенке(ах).
В предпочтительном варианте реализации аккумуляторная батарея содержит по меньшей мере один дополнительный гибкий канал, расположенный между дополнительными элементами.
В предпочтительном варианте реализации средство заливки компаунда включает заливочный материал.
В идеальном варианте средство для заливки компаунда содержит пену. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что пена легче других заливочных материалов и, следовательно, снижает общий вес батареи по сравнению с другими заливочными материалами (компаундами).
При необходимости средство для заливки компаунда включает термореактивный пластик, силиконовый каучук-гель или эпоксидную смолу.
В идеальном варианте средство заливки включает теплоизоляционную пену.
Термоизоляционная пена обеспечивает преимущество тем, что может предотвратить распространение теплового явления с высокой энергией через аккумуляторную батарею. Кроме того, теплоизоляционная пена может уменьшить влияние колебаний внешней температуры на аккумуляторную батарею и помогает обеспечить функцию канала в качестве основного регулятора тепловой энергии внутри аккумуляторной батареи.
В идеальном варианте средство для заливки включает пенопласт. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что использование расширяющейся пены внутри аккумуляторной батареи означает, что пена, когда она находится в расширенном состоянии, может по существу заполнить любые зазоры внутри аккумуляторной батареи. В сочетании с теплоизоляционными свойствами пены способность тепловых явлений проходить через батарею значительно снижается.
В идеальном варианте средство заливки включает вспучивающуюся пену.
В идеальном варианте средством заливки является пенополиуретан.
В идеальном варианте средство заливки действует как опора по меньшей мере для части как минимум одного канала.
В идеальном варианте средство заливки действует как жесткая опора по меньшей мере для части как минимум одного канала.
В идеальном варианте средство заливки можно заливать в батарею в жидком состоянии, и оно схватывается, вулканизируется или затвердевает внутри батареи.
В идеальном варианте средство заливки в отвержденном, вулканизированном или затвердевшем состоянии является по существу жестким, так что оно фиксирует элемент(ы) и канал(ы) на своем месте внутри аккумуляторной батареи. Обеспечивает преимущество, состоящее в снижении воздействия вибрации на компоненты внутри аккумуляторной батареи.
В предпочтительном варианте реализации средство заливки окружает по меньшей мере часть как минимум одного канала.
В предпочтительном варианте реализации средство заливки окружает канал и обеспечивает полную внешнюю опору по меньшей мере одного канала. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что окружение воздуховода заливочным материалом предотвращает чрезмерное расширение и (или) разрыв канала.
В предпочтительном варианте реализации средство заливки образует полость, в которой расположена по меньшей мере часть как минимум одного канала.
В предпочтительном варианте реализации объем внутри корпуса аккумуляторной батареи по существу заполнен элементами, опорной конструкцией, каналом и средством заливки. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что существенное заполнение аккумуляторной батареи исключает влагу и (или) коррозионные вещества из пространства внутри аккумуляторной батареи.
В предпочтительном варианте реализации средство заливки действует как клей.
В предпочтительном варианте реализации средство заливки действует как клей для закрепления канала или каждого канала на своем месте.
В предпочтительном варианте реализации единственный канал или каждый канал имеет открытую конфигурацию так, чтобы охлаждающий материал мог проходить через канал.
В предпочтительном варианте реализации единственный канал или каждый канал поддерживается в открытой конфигурации за счет охлаждающей жидкости под давлением внутри единственного канала или каждого канала и (или) посредством прилипания к средству заливки.
В предпочтительном варианте реализации средство заливки действует как клей, чтобы поддерживать единственный или несколько каналов в открытой конфигурации.
В предпочтительном варианте реализации средство заливки прикрепляют с помощью клея по меньшей мере к части одного или нескольких каналов.
В предпочтительном варианте реализации средство заливки действует как клей для фиксации элемента (элементов) на своем месте.
В предпочтительном варианте реализации средство заливки действует как клей для прикрепления внешнего корпуса к аккумуляторной батарее. Обеспечивает преимущество, состоящее в устранении потребности в дополнительных креплениях или крепежных деталях, уменьшая сложность аккумуляторной батареи и улучшая производственный процесс.
В предпочтительном варианте реализации аккумуляторная батарея содержит по меньшей мере одно опорное средство, сконфигурированное для поддержки как минимум одного канала.
В предпочтительном варианте реализации единственное или каждое опорное средство размещается на нижней створке.
В предпочтительном варианте реализации единственное или несколько опорных средств расположены на периферийном крае массива элементов батареи.
В предпочтительном варианте реализации единственное или каждое опорное средство сконфигурировано для поддержки канала в точке, где канал поворачивает и (или) меняет направление на противоположное. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что опорное средство предотвращает перегиб канала в точках, где он меняет направление. Предотвращение перегиба уменьшает засорение системы, снижает потери давления в системе и улучшает скорость потока охлаждающей жидкости через канал (каналы).
В предпочтительном варианте реализации единственное или каждое опорное средство содержит направляющий канал.
В идеальном варианте направляющий канал предназначен для направления гибкого канала.
В предпочтительном варианте реализации по меньшей мере часть гибкого канала расположена внутри канала опорного средства. Расположение гибкого канала внутри направляющего канала является целесообразным, поскольку направляющий канал направляет гибкий канал в точках, где канал меняет направление, таким образом предотвращая перегибы. Кроме того, направляющий канал поддерживает гибкий канал с обеих сторон, что предотвращает его вздутие и потенциальный разрыв.
В предпочтительном варианте реализации опорное средство содержит по меньшей мере одну выемку, выполненную с возможностью частичного приема канала в ненадутом состоянии так, чтобы в канале создавалось провисание. Обеспечивает преимущество, состоящее в придании каналу избыточного провисания, помогающего предотвратить перекручивание канала при его надувании. Это связано с тем, что при надувании канала он испытывает натяжение, и избыточное провисание помогает предотвратить накопление избыточного напряжения в канале.
В предпочтительном варианте реализации опорное средство выполнено с возможностью создания теплового барьера между по меньшей мере одним элементом и каналом. Это целесообразно, потому что поддержание постоянного распределения температуры по аккумуляторной батарее имеет важное значение для продления срока службы батареи. Путем теплоизоляции элемента в месте, где будет слишком большой тепловой контакт между каналом и элементом, тепловой контакт между каналом и элементами поддерживается практически постоянным по всей аккумуляторной батарее. Это, в свою очередь, способствует постоянному распределению температуры по аккумуляторной батарее.
В предпочтительном варианте реализации аккумуляторная батарея функционально связана с системой терморегулирования.
В предпочтительном варианте реализации система терморегулирования содержит резервуар.
В предпочтительном варианте реализации резервуар имеет гидравлическое сообщение с контуром охлаждающей жидкости.
В идеальном варианте резервуар содержит охлаждающую жидкость.
В предпочтительном варианте реализации резервуар обеспечивает гидростатическое давление для охлаждающей жидкости в контуре охлаждающей жидкости.
В предпочтительном варианте реализации система терморегулирования содержит насос, сконфигурированный для перекачивания охлаждающей жидкости из резервуара в контур охлаждающей жидкости для создания давления в контуре охлаждающей жидкости. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что охлаждающая жидкость в резервуаре может использоваться для повышения давления в системе терморегулирования. Обеспечивает преимущество, состоящее в возможности поддерживать давление в системе терморегулирования, при этом давление поддерживается на целевом рабочем уровне. Создание давления в канале через резервуары делает его самонесущим, благодаря чему устраняются любые потери гидродинамического давления от насоса и значительно снижается перепад давления в системе охлаждения.
В идеальном варианте система терморегулирования содержит датчик давления для контроля давления охлаждающей жидкости с целью поддержания целевого рабочего давления.
В предпочтительном варианте реализации материал канала содержит матрицу и наполнитель. В идеальном варианте теплопроводность наполнителя больше теплопроводности матрицы. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что включение наполнителя в матрицу увеличивает теплопроводность материала канала.
В предпочтительном варианте реализации матрица представляет собой гибкую матрицу.
В предпочтительном варианте реализации матрица является электроизоляционной.
В предпочтительном варианте реализации матрица представляет собой пластиковую матрицу.
В предпочтительном варианте реализации матрица представляет собой полимерную матрицу.
В предпочтительном варианте реализации матрица представляет собой матрицу из полиэтилена низкой плотности (LDPE), матрицу из линейного полиэтилена низкой плотности (LLDPE), матрицу из полиэтилена высокой плотности (HDPE), матрицу из полиэфира, силикона или каучука.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
В предпочтительном варианте реализации матрица имеет теплопроводность менее 15 Вт-мK, менее 10 Вт-мK, менее 5 Вт-мK и (или) менее 1 Вт-мK.
В предпочтительном варианте реализации наполнитель включает частицы материала наполнителя.
В предпочтительном варианте реализации частицы наполнителя рассеяны по всей матрице.
В предпочтительном варианте реализации частицы наполнителя имеют средний диаметр от 1 нм до 10 мкм.
В предпочтительном варианте реализации частицы наполнителя имеют удлиненную, трубчатую, волокнистую или в основном сферическую форму.
В предпочтительном варианте реализации удлиненные частицы наполнителя имеют диаметр 1-10 нм и в качестве варианта - длину 0,5-5 нм.
В предпочтительном варианте реализации наполнитель включает органический материал наполнителя. В предпочтительном варианте реализации наполнитель включает наполнитель на основе углерода, такой как углерод, углеродная сажа, графит, графитовые пластинки, графен, многостенные углеродные нанотрубки или одностенные углеродные нанотрубки.
При необходимости наполнитель включает неорганический наполнитель. При необходимости наполнитель включает керамический наполнитель, такой как оксид алюминия, карбид кремния, нитрид бора, нитрат кремния, оксид алюминия, нитрид алюминия или оксид цинка.
-1
-1
-1
-1
В предпочтительном варианте реализации наполнитель имеет теплопроводность более 10 Вт-мK и (или) более 100 Вт-мK.
В предпочтительном варианте реализации материал канала содержит менее 25% наполнителя по объему, 5-18% наполнителя по объему или 15% наполнителя по объему. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что включение ограниченного количества наполнителя в матрицу позволяет получить повышенную теплопроводность при сохранении низкой электропроводности и подходящей гибкости материала.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
В предпочтительном варианте реализации материал воздуховода имеет теплопроводность более 0,33 Вт-мK при комнатной температуре, более 1 Вт-мK при комнатной температуре и (или) более 10 Вт-мK при комнатной температуре.
В идеальном варианте опорное средство имеет внутреннюю направляющую формацию.
В идеальном варианте внутренняя направляющая формация может располагаться на внутренней стороне витка гибкого канала во время использования.
В предпочтительном варианте реализации внутренняя направляющая формация имеет внутреннюю опорную поверхность, которая расположена между элементом и гибким каналом во время использования.
В идеальном варианте опорное средство имеет внешнюю направляющую формацию, причем внешняя направляющая формация имеет внешнюю опорную поверхность.
В предпочтительном варианте реализации по меньшей мере часть направляющего пути опорного средства ограничена между внутренней опорной поверхностью внутренней направляющей формации и внешней опорной поверхностью внешней направляющей формации.
Внутренняя опорная поверхность и (или) внешняя опорная поверхность могут быть непрерывной или прерывистой.
В предпочтительном варианте реализации по крайней мере часть опорного средства является сжимаемой. В надутом состоянии канал имеет тенденцию тянуться в направлении любого изгиба внутри него из-за натяжения. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что выполнение по меньшей мере части опорного средства сжимаемым, позволяет поверхности, к которой тянет канал, слегка уступать таким образом, чтобы объем канала не перекрывался в месте перегиба.
В идеальном варианте внутренняя направляющая формация является сжимаемой; при наиболее предпочтительном варианте по меньшей мере часть внутренней опорной поверхности является сжимаемой. В идеальном варианте внутренняя направляющая формация содержит сжимаемый пенный материал.
В предпочтительном варианте реализации по меньшей мере часть опорного средства выполнена как одно целое с корпусом аккумуляторной батареи. В наиболее предпочтительном варианте реализации по меньшей мере часть опорного средства выполнена как одно целое с нижней створкой корпуса аккумуляторной батареи или с верхним кожухом корпуса аккумуляторной батареи.
В предпочтительном варианте реализации по меньшей мере часть корпуса аккумуляторной батареи является составной частью опорной конструкции. В наиболее предпочтительном варианте реализации для поддержки гибкого канала используется по меньшей мере часть внутренней боковой стенки корпуса аккумуляторной батареи.
Согласно второму аспекту изобретения предусматривается способ изготовления аккумуляторной батареи, включающий: обеспечение одного или нескольких элементов; размещение гибкого канала близко к поверхности по меньшей мере одного или нескольких элементов так, чтобы тепло могло передаваться между каналом и по меньшей мере одним или несколькими элементами; ввод жидкости в канал; и обеспечение средства заливки, приспособленного действовать в качестве опоры по меньшей мере для части канала. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что способ предусматривает изготовление улучшенной аккумуляторной батареи, включающей в себя канал, который может точно соответствовать форме поверхности элементов и усилен средством заливки.
В предпочтительном варианте реализации способ включает обеспечение массива элементов.
В предпочтительном варианте реализации способ включает обеспечение одного или нескольких цилиндрических элементов.
В предпочтительном варианте реализации способ включает создание массива плотно скомпонованных цилиндрических элементов, в котором минимальное расстояние между элементами составляет 0,5-5 мм.
В предпочтительном варианте реализации способ включает создание массива плотно скомпонованных цилиндрических элементов, в котором минимальное расстояние между элементами составляет 2 мм.
В предпочтительном варианте реализации способ включает построение корпуса аккумуляторной батареи.
В предпочтительном варианте реализации способ включает обеспечение нижней створки.
В предпочтительном варианте реализации способ включает размещение одного или нескольких элементов в углублениях в нижней створке.
В предпочтительном варианте реализации способ включает обеспечение одной или нескольких боковых стенок.
В предпочтительном варианте реализации способ включает прикрепление одной или нескольких боковых стенок к нижней створке.
В предпочтительном варианте реализации способ включает обеспечение верхней створки.
В предпочтительном варианте реализации способ включает размещение одного или нескольких элементов в углублениях в верхней створке.
В предпочтительном варианте реализации способ включает прикрепление одной или нескольких боковых стенок к верхней створке.
В предпочтительном варианте реализации способ включает прикрепление одной или нескольких сборных шин к верхней створке и (или) нижней створке.
В предпочтительном варианте реализации способ включает установку средства впуска жидкости в единственный канал или в каждый из нескольких каналов.
В предпочтительном варианте реализации способ включает установку средства выпуска жидкости в единственный канал или в каждый из нескольких каналов.
В предпочтительном варианте реализации способ включает пропускание впускного патрубка и выпускного патрубка через отверстия в боковой(ых) стенке(ах).
В предпочтительном варианте реализации способ включает размещение единственного или каждого гибкого канала рядом с одним или несколькими элементами.
В предпочтительном варианте реализации способ включает размещение единственного гибкого канала или каждого из нескольких гибких каналов между элементами.
В предпочтительном варианте реализации способ включает размещение одного или нескольких дополнительных гибких каналов близко к поверхности одного или нескольких элементов, так чтобы тепло могло передаваться между гибким каналом или каждым дополнительным гибким каналом и по меньшей мере одним или несколькими элементами.
В предпочтительном варианте реализации этап размещения гибкого(их) канала(ов) между элементами выполняется после этапа размещения одного или нескольких элементов в углублениях в нижней створке.
В предпочтительном варианте реализации этап размещения гибкого(их) канала(ов) между двумя или более элементами выполняется перед этапом размещения одного или нескольких элементов в выемках в верхней створке.
В предпочтительном варианте реализации способ включает размещение гибкого канала или каждого гибкого канала по извилистому пути внутри аккумуляторной батареи.
В предпочтительном варианте реализации способ включает размещение единственного канала или каждого канала близко к поверхности по меньшей мере одного или нескольких элементов, когда единственный канал или каждый канал находится по существу в ненадутом состоянии.
В предпочтительном варианте реализации этап введения жидкости в единственный канал или каждый канал вызывает расширение канала(ов).
В предпочтительном варианте реализации этап введения жидкости в единственный канал или каждый канал включает по существу заполнение канала (каналов) жидкостью.
В предпочтительном варианте реализации способ включает надувание канала(ов) жидкостью.
В предпочтительном варианте реализации способ включает надувание канала(ов) рабочей жидкостью, такой как воздух или охлаждающая жидкость.
В предпочтительном варианте реализации этап введения жидкости в единственный или каждый гибкий канал включает создание давления в канале(ах).
В предпочтительном варианте реализации этап введения жидкости в единственный или каждый гибкий канал включает в себя создание давления в канале(ах) так, чтобы давление жидкости в канале(ах) превышало атмосферное давление.
В предпочтительном варианте реализации способ включает надувание единственного или каждого гибкого канала таким образом, чтобы форма единственного или каждого канала соответствовала по меньшей мере части формы поверхности одного или нескольких элементов. Обеспечивает преимущество, состоящее в увеличении площади теплового контакта между каналом и элементами, что улучшает передачу тепловой энергии между охлаждающей жидкостью в канале и отдельными элементами батареи.
В идеальном варианте способ включает закрепление с помощью канала(ов) одного или нескольких элементов на своем месте. Обеспечивает преимущество, состоящее в устранении необходимости в клее для фиксации элементов на своем месте в аккумуляторной батарее. Кроме того, когда аккумуляторная батарея используется в автомобильной или аэрокосмической отрасли, где она подвержена вибрации, канал может уменьшить влияние вибрации на аккумуляторную батарею путем закрепления отдельных элементов на своем месте.
В предпочтительном варианте реализации способ включает размещение одного или нескольких опорных средств на нижней створке.
В предпочтительном варианте реализации способ включает размещение одного или нескольких опорных средств на нижней створке у периферийного края массива элементов.
В предпочтительном варианте реализации способ включает размещение части канала внутри опорных средств для обеспечения поддержки по меньшей мере части канала. Размещение канала в опорном средстве является целесообразным, поскольку оно предотвращает изгибание канала при расширении канала.
В предпочтительном варианте реализации способ включает размещение части канала внутри выемки в опорном средстве, когда канал находится по существу в ненадутом состоянии. Обеспечивает преимущество, состоящее в размещении канала в выемке, благодаря чему обеспечивается избыточное провисание в канале перед его надуванием. Обеспечение излишнего провисания канала уменьшает перекручивание канала во время процесса надувания.
В предпочтительном варианте реализации способ включает окружение по меньшей мере части одного или нескольких каналов средством заливки.
В предпочтительном варианте реализации способ включает окружение в основном единственного канала или каждого канала целиком средством заливки.
В предпочтительном варианте реализации способ включает введение средства заливки через верхнюю створку, нижнюю створку и (или) боковую(ые) стенку(и).
В предпочтительном варианте реализации способ включает введение в аккумуляторную батарею расширяемого средства заливки.
В предпочтительном варианте реализации способ включает выполнение испытания под давлением гибкого канала перед введением средства заливки в аккумуляторную батарею.
В предпочтительном варианте реализации способ включает введение пены в аккумуляторную батарею.
В предпочтительном варианте реализации способ включает введение вспучивающейся пены в аккумуляторную батарею.
В предпочтительном варианте реализации способ включает введение пенополиуретана в аккумуляторную батарею.
В предпочтительном варианте реализации способ включает введение в аккумуляторную батарею термореактивного пластика, геля силиконового каучука или эпоксидной смолы.
В предпочтительном варианте реализации способ включает введение средства заливки в аккумуляторную батарею.
В предпочтительном варианте реализации способ включает установку средства заливки в аккумуляторную батарею, когда средство заливки находится в вязком или жидком состоянии.
В предпочтительном варианте реализации способ включает введение жидкости в единственный канал или каждый канал перед тем, как ввести средство для заливки в аккумуляторную батарею.
В предпочтительном варианте реализации способ включает нагнетание давления и (или) надувание единственного гибкого канала или каждого гибкого канала перед тем, как ввести средство заливки в аккумуляторную батарею.
В предпочтительном варианте реализации способ включает вулканизацию или затвердевание средства заливки внутри аккумуляторной батареи.
В предпочтительном варианте реализации этап введения жидкости в единственный гибкий канал или каждый гибкий канал заставляет канал(ы) расширяться в открытую конфигурацию.
В предпочтительном варианте реализации способ включает поддержание, посредством приклеивания к средству заливки, единственного канала или каждого из нескольких каналов в открытой конфигурации внутри аккумуляторной батареи.
В предпочтительном варианте реализации способ включает вулканизацию или затвердевание средства заливки внутри аккумуляторной батареи, когда единственный канал или каждый канал находится в существенно надутом состоянии и (или) в открытой конфигурации.
В идеальном варианте способ включает поддержание давления внутри единственного канала или каждого из нескольких каналов до тех пор, пока средства заливки не отвердеют или не затвердеют и не перейдут в существенно жесткое состояние. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что надувание канала перед нагнетанием средства заливки позволяет получить достаточное место в канале для расширения после того, как средство заливки станет жестким.
В предпочтительном варианте реализации способ включает расширение средства заливки для заполнения зазоров внутри аккумуляторной батареи. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что расширение пены означает заполнение ею любых зазоров внутри аккумуляторной батареи. Это улучшает общую механическую прочность батареи.
В предпочтительном варианте реализации способ включает теплоизоляцию элементов путем окружения элементов термоизолирующей пеной. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что термоизоляционная пена может предотвратить распространение теплового явления с высокой энергией через аккумуляторную батарею. Кроме того, теплоизоляционная пена может уменьшить влияние колебаний внешней температуры на аккумуляторную батарею и помогает обеспечить функцию канала в качестве основного регулятора тепловой энергии внутри аккумуляторной батареи.
В предпочтительном варианте реализации способ включает закрепление, с помощью средства заливки, канала и (или) элементов на своем месте внутри аккумуляторной батареи.
В предпочтительном варианте реализации способ включает поддержание посредством прилипания к средству заливки единственного или каждого канала в открытой конфигурации внутри аккумуляторной батареи.
В предпочтительном варианте реализации способ включает прикрепление, с помощью средства заливки, внешнего корпуса к аккумуляторной батарее. Обеспечивает преимущество, состоящее в устранении потребности в дополнительных креплениях или крепежных деталях, уменьшая сложность аккумуляторной батареи и улучшая производственный процесс.
В предпочтительном варианте реализации способ включает электрическое соединение элементов батареи с шинами.
В предпочтительном варианте реализации способ включает электрическое соединение элементов с шинами с использованием ультразвуковой сварки, лазерной сварки, ультразвуковой сварки или контактной сварки.
В предпочтительном варианте реализации способ включает электрическое соединение элементов с шинами, в то время как элементы удерживаются на своем месте гибким каналом.
В предпочтительном варианте реализации способ включает электрическое соединение элементов с шинами до того, как заливочный материал будет введен в аккумуляторную батарею.
В предпочтительном варианте реализации способ включает введение средства заливки в аккумуляторную батарею после электрического соединения элементов с шинами. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что средство заливки служит для защиты алюминиевых ультразвуковых проволочных соединений от внешней влаги, тем самым предотвращая гальваническую коррозию проволочных соединений.
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предусматривается метод электрического соединения элемента с шиной, при этом способ включает: удерживание элемента в желаемом положении с использованием надутого гибкого канала; и обеспечение электрического соединения между элементом и шиной. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что гибкий канал может закреплять элемент(ы) на своем месте внутри батареи, устраняя необходимость в клее при электрическом соединении элемента(ов) с шиной(ами).
В предпочтительном варианте реализации этап обеспечения электрического соединения между элементом и шиной включает ультразвуковое соединение провода с элементом и (или) сборной шиной.
В предпочтительном варианте реализации этап обеспечения электрического соединения между элементом и шиной включает ультразвуковое соединение, лазерную сварку, ультразвуковую сварку или контактную сварку.
В предпочтительном варианте реализации этап обеспечения электрического соединения между элементом и шиной включает присоединение алюминиевого провода к элементу и (или) сборной шине.
В предпочтительном варианте реализации способ включает заливку по крайней мере одного элемента после ультразвукового соединения элементов со сборными шинами.
Следует понимать, что дополнительные особенности, применимые к одному аспекту изобретения, могут использоваться в любой комбинации и в любом количестве. Более того, они также могут использоваться с любым из других аспектов изобретения в любой комбинации и в любом количестве. Это включает, без ограничения, зависимые пункты формулы из любого пункта формулы, используемые в качестве зависимых пунктов формулы для любого другого пункта формулы изобретения данной заявки.
Теперь изобретение будет описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых в качестве примера показан только один вариант воплощения устройства в соответствии с изобретением.
Рис. 1 - схематическая диаграмма системы терморегулирования и модуля управления, подходящих для использования с аккумуляторной батареей в соответствии с изобретением.
Рис. 2 - вид в перспективе аккумуляторной батареи, снабженной верхней и нижней створками и боковыми стенками.
Рис. 3 - вид в перспективе аккумуляторной батареи, показанной на рис. 2, со снятыми боковыми стенками.
Рис. 4 - вид в перспективе нижнего компонента створки аккумуляторной батареи, показанной на рис. 2.
Рис. 5 - вид в перспективе нижней створки с рис. 4, снабженной массивом элементов.
Рис. 6 - увеличенный вид в перспективе, показывающий массив элементов с рис. 5, снабженный термистором.
Рис. 7 - увеличенный вид в перспективе, показывающий опорную конструкцию, установленную на массив элементов, показанный на рис. 5.
Рис. 8 - вид в перспективе опорной конструкции, подходящей для использования с вариантами воплощения изобретения.
Рис. 9 - вид в перспективе гибкого канала, присоединяемого к массиву элементов, показанному на рис. 5.
Рис. 10 - вид в перспективе многопросветного гибкого канала, подходящего для использования с вариантами воплощения изобретения.
Рис. 11 - вид сверху теплообменника, содержащего множество гибких каналов, подходящих для использования с вариантами воплощения изобретения.
Рис. 12 - вид в перспективе теплообменника, показанного на рис. 11.
Рис. 13 - вид сверху теплообменника, содержащего множество гибких многопросветных каналов, подходящих для использования с вариантами воплощения изобретения.
Рис. 14 - вид в перспективе теплообменника, показанного на рис. 13.
Рис. 15 - вид сверху теплообменника, содержащего множество гибких многопросветных каналов, подходящих для использования с вариантами воплощения изобретения.
Рис. 16 - вид в перспективе теплообменника, показанного на рис. 15.
Рис. 17 - вид в перспективе аккумуляторной батареи, снабженной верхней и нижней створками, боковыми стенками и коллектором наддува.
Рис. 18 - вид в разрезе гибкого канала, расположенного между элементами батареи в ненадутом состоянии.
Рис. 19 - вид в разрезе гибкого канала, расположенного между элементами батареи в надутом состоянии.
Рис. 20 - увеличенный вид сверху опорной конструкции и гибкого канала в не надутом состоянии.
Рис. 21 - увеличенный вид сверху поддерживающей конструкции и гибкого канала, установленных на месте.
Рис. 22 - увеличенный вид сверху опорной конструкции и гибкого канала в надутом состоянии.
Рис. 23 - вид в перспективе аккумуляторной батареи, заполненной материалом заливки в автоматизированном процессе.
Рис. 24 - схематическая диаграмма системы терморегулирования, подходящей для использования с вариантами воплощения изобретения, содержащими резервуар.
Рис. 25 - схематическая диаграмма системы терморегулирования, показанной на рис. 24, под давлением.
Рис. 26 - схематическая диаграмма системы терморегулирования, показанной на рис. 24, в рабочем состоянии.
Рис. 27 - схематическая диаграмма альтернативной системы терморегулирования, подходящей для использования с вариантами воплощения изобретения.
Рис. 28 - вид сверху массива элементов и змеевидного канала с толщиной стенок канала, изменяющейся по длине канала.
Рис. 29 - вид в перспективе множества прямых каналов с толщиной стенок канала, изменяющейся по длине каналов.
Рис. 30 - вид в перспективе с вырезом части аккумуляторной батареи, показывающим материал заливки.
Рис. 31 - схематический вид в поперечном разрезе канала, в котором материал канала содержит матрицу и наполнитель.
Рис. 32 - вид в перспективе дополнительной опорной конструкции.
Рис. 33 - вид сверху опорной конструкции, показанной на рис. 32.
Рис. 34 - вид в перспективе дополнительной опорной конструкции.
Рис. 35 - вид в перспективе опорной конструкции, показанной на рис. 34, установленной внутри аккумуляторной батареи.
Рис. 36 - дополнительный вид в перспективе опорной конструкции по рис. 35, установленной внутри аккумуляторной батареи.
На рис. 1 показана система 18 терморегулирования для аккумуляторной батареи 21. Термин «батарея» используется здесь для описания одного или нескольких отдельных гальванических элементов, например группы элементов, расположенных в виде массива. Термин «элемент» может использоваться для обозначения любой разновидности гальванического элемента, включая, помимо прочего, литий-ионные или никель-металл-гидридные элементы. Аккумуляторная батарея 21 содержит один или несколько элементов 30, гибкий канал 50/230, расположенный близко к поверхности по меньшей мере одного или нескольких элементов 30, так что тепло может передаваться между гибким каналом 50/230 и по меньшей мере одним или несколькими элементами 30, и материал заливки (компаунд) 231, приспособленный действовать в качестве опоры по меньшей мере для части канала 50/230. Любое количество отдельных элементов может быть использовано для создания желаемого напряжения и емкости аккумуляторной батареи 21.
Система терморегулирования 18 используется для управления тепловой энергией в аккумуляторной батарее 21, чтобы поддерживать отдельные элементы при соответствующей рабочей температуре, например около 25°С. Отдельные элементы в аккумуляторной батарее 21 выделяют тепло по мере их зарядки и (или) разрядки. Система терморегулирования 18 управляет тепловой энергией в аккумуляторной батарее 21 путем циркуляции охлаждающей жидкости, такой как смесь гликоля и воды, по гибкому каналу, который расположен близко к поверхности и (или) контактирует с отдельными элементами.
Система терморегулирования 18 включает теплообменник 23, насос 25 и гибкий канал (не показан), по которому охлаждающая жидкость проходит через аккумуляторную батарею 21. Гибкий канал сообщается жидкостью с теплообменником 23 и насосом 25 как часть того же контура охлаждающей жидкости 183. Охлаждающая жидкость в системе терморегулирования 18 находится под давлением, а насос 25 вызывает поток охлаждающей жидкости через контур охлаждающей жидкости 183. Давление охлаждающей жидкости заставляет гибкий канал расширяться. По мере того как гибкий канал расширяется, он соответствует волнообразной поверхности, представленной формой цилиндрических элементов, тем самым увеличивая площадь поверхности гибкого канала, которая находится в контакте с каждым из цилиндрических элементов. Этим обеспечивается преимущество, состоящее в увеличении площади теплового контакта и контактного давления между элементами и гибким каналом, а также улучшении передачи тепловой энергии между гибким каналом и отдельными элементами.
Регулируя расход охлаждающей жидкости в гибком канале, насос 25 настраивается для поддержания температуры аккумуляторной батареи 21 на желаемой рабочей температуре. Теплообменник 23 может рассеивать тепловую энергию от охлаждающей жидкости, когда аккумуляторная батарея 21 требует охлаждения. Теплообменник 23 может добавлять тепловую энергию к охлаждающей жидкости, когда аккумуляторная батарея 21 требует нагрева. Дополнительная система нагрева или охлаждения может взаимодействовать с теплообменником 23 по мере необходимости.
Система терморегулирования 18 подключена к модулю управления 27. Модуль управления 27 принимает входные сигналы, указывающие температуру внутри аккумуляторной батареи 21. Модуль управления 27 может выводить управляющий сигнал в систему терморегулирования 18, чтобы регулировать систему терморегулирования 18 в ответ на принятые входные сигналы температуры, благодаря чему поддерживается желаемая рабочая температура.
Аккумуляторная батарея 21 содержит массив или матрицу цилиндрических элементов 30. Элементы 30 зажаты между нижней и верхней створками 20, 80, которые соединены периферийными боковыми стенками 90, 92, показанными на рис. 2. На рис. 3 показана батарея с рядом компонентов (включая боковые стенки 90, 92) для того, чтобы можно было видеть элементы 30 внутри батареи. Элементы 30 отцентрованы по параллельным осям и расположены в виде массива прямых параллельных рядов. Нижняя и верхняя створки 20, 80 включают в себя сборные шины, которые электрически соединяют отдельные элементы 30 и составляют аккумуляторную батарею 21.
Квалифицированный читатель понимает, что элементы могут иметь форму, отличную от цилиндрической, например кубовидные, призматические или пакетные элементы. Однако цилиндрические элементы имеют относительно низкую стоимость и высокую плотность энергии, что делает их привлекательным выбором для использования в аккумуляторных батареях. Кроме того, цилиндрические элементы легче изготавливать в массовом производстве, чем элементы другой формы, такие как пакетные элементы или кубовидные элементы, и они являются самонесущими (для пакетных элементов требуется держатель или опора, в то время как призматические элементы также являются самонесущими). В примерах реализации элементы представляют собой литий-ионные элементы 18650 или 2170.
На рис. 4 показан вид в перспективе нижней створки 20 аккумуляторной батареи 21. Нижняя створка 20 представляет собой пластину с массивом выемок в виде круглых гнезд 22. Основание каждого гнезда 22 содержит выступающий внутрь фланец, который окружает отверстие, пронизывающее створку 20. Каждое гнездо 22 выполнено с возможностью приема концевой части соответствующего цилиндрического элемента 30. В показанном примере гнезда 22 расположены в виде массива с шестнадцатью параллельными рядами, причем длина каждого ряда составляет тринадцать гнезд. Гнезда 22 каждого ряда расположены в шахматном порядке по отношению к гнездам соседнего ряда или рядов, так что каждое из гнезд 22 вложено между парой гнезд 22 одного или двух соседних рядов. Это максимизирует эффективность использования пространства и удельную мощность, но усложняет поддержание правильной рабочей температуры элементов 30.
Квалифицированный читатель понимает, что в аккумуляторной батарее 21 может использоваться любое количество рядов элементов любой подходящей длины. Увеличение количества отдельных элементов 30 в аккумуляторной батарее 21 увеличивает общую емкость и (или) напряжение аккумуляторной батареи 21. Кроме того, элементы 30 в аккумуляторной батарее 21 могут быть расположены вертикально в вертикально сложенной аккумуляторной батарее.
Изготовление аккумуляторной батареи 21 включает использование одного или нескольких элементов 30, например массива элементов, показанного на рис. 5. В примере воплощения множество элементов 30 вставлено в соответствующие гнезда 22 нижней створки 20. Элементы 30 расположены рядом с гнездами 22, а сборные шины, расположенные на нижней стороне нижней створки 20 (не показана), соединены с отдельными элементами 30.
Многие производители батарейных элементов для предотвращения распространения тепла рекомендуют минимальное расстояние между элементами равное 2 мм. Квалифицированный читатель понимает, что расположенный в шахматном порядке массив цилиндрических элементов с плотной укладкой является наиболее эффективным, с точки зрения объема, способом укладки цилиндрических элементов в заданный объем при сохранении минимального рекомендованного расстояния между элементами. Гибкий канал 50, описанный здесь, имеет стенки толщиной от 10 до 150 мкм, и канал 50 может легко помещаться в шахматном канале 2 мм между соседними цилиндрическими элементами 30. Системы терморегулирования предшествующего уровня техники обычно требуют увеличенного шага между элементами для размещения канала, что увеличивает общий размер батареи и уменьшает объемную плотность энергии. Настоящее изобретение предлагает значительное улучшение по сравнению с существующим уровнем техники в этом отношении. Кроме того, настоящее изобретение позволяет разделить соседние элементы 30 зазором минимального предела, рекомендованным производителями элементов, или любым минимальным зазором в диапазоне 0,5-5 мм.
На рис. 6 показано, как датчики температуры 40, например набор термисторов, могут быть подключены к элементам 30 с подходящим шагом в аккумуляторной батарее 21. Во время сборки кабель 42, прикрепленный к датчику температуры 40, оставлен свободным. Это сделано для того, чтобы кабель 42 можно было прикрепить к верхней створке 80, когда верхняя створка 80 прикрепляется к аккумуляторному блоку 21. Датчики температуры 40 отслеживают температуру отдельных элементов 30 в аккумуляторной батарее 21 и передают показания температуры модулю управления 27. Если температура элементов 30 отклоняется от целевой рабочей температуры, модуль управления 27 может настраивать систему терморегулирования 18 для поддержания целевой рабочей температуры.
Как будет понятно квалифицированному читателю, настоящее изобретение может быть использовано в аккумуляторных батареях, в которых используются, как правило, прямые, параллельные, коллекторные и (или) змеевидные теплообменники/каналы. Змеевидные каналы обычно используются с призматическими элементами, поскольку плоские поверхности призматических элементов обеспечивают большую площадь поверхности для теплового контакта с каналом. Обернуть гибкий канал вокруг призматических элементов змеевидным способом, сохраняя таким образом тепловой контакт, - нетрудно. Однако змеевидные каналы подвержены перегибам в точках изгиба, где направление канала изменяется на обратное или изменяется на иное направление. Перегиб теплообменника может вызвать закупорку и повышение давления в канале, что может затруднить или предотвратить поток охлаждающей жидкости. Перегиб приводит к складыванию гибкого канала 50 внутрь самого себя, что может привести к закупорке внутри канала 50. Потери давления в системе из-за перегиба в серии множественных изгибов могут быть значительными, что снижает общую производительность системы терморегулирования 18. Кроме того, повышение давления может привести к растяжению и истончению стенки канала, что в конечном итоге может привести к разрыву и потере охлаждающей жидкости.
Засорения из-за перегиба могут быть преодолены путем повышения давления охлаждающей жидкости внутри канала 50 до достаточного уровня, который заставляет гибкий канал 50 открываться даже на изгибах. Однако использование высокого давления для преодоления перегиба может привести к растяжению, утонению и разрыву гибкого канала 50. Давление, необходимое для преодоления перегибов на каждом изгибе гибкого канала 50, часто превышает давление, которое гибкий канал 50 может выдержать без разрыва.
В вариантах воплощения, в которых гибкий канал 50 должен следовать по извилистому пути между и (или) вокруг элементов 30 в аккумуляторной батарее 21, необходимо обеспечить способ надежной поддержки канала 50 в углах, чтобы предотвратить его перегиб и (или) разрыв. Как показано на рис. 7, опорные конструкции 70 используются в аккумуляторной батарее 21 в качестве направляющих в местах, где гибкий канал 50 меняет направление, то есть там, где он склонен к перегибу. Опорные конструкции 70 расположены на краю аккумуляторной батареи 21, где гибкий канал 50 выходит из массива элементов 30 и меняет направление на обратное. На рис. 7 показаны опорные конструкции 70, расположенные на аккумуляторной батарее 21 на периферии элементов 30. Опорные конструкции 70 расположены вдоль противоположных сторон аккумуляторной батареи 21 в каждой точке, где канал 50 выходит из массива элементов 30 и снова входит в него.
Соответствующие опорные конструкции 70 расположены на противоположных сторонах аккумуляторной батареи 21, чтобы направлять гибкий канал 50, где гибкий канал 50 выходит из массива элементов 30 и меняет направление. Для этой цели, как показано на рис. 8, опорная конструкция 70 определяет направляющий путь 74 для гибкого канала 50. Направляющий путь 74 представляет собой паз или канавку, в которую может быть вставлен гибкий канал 50 и по которой затем следует гибкий канал 50, чтобы изменить направление без перегиба. Направляющий путь 74 опорной конструкции 70 ограничен между внутренней опорной поверхностью 77 внутренней направляющей формации 72 и внешней опорной поверхностью 78 внешней направляющей формации 79.
Гибкий канал 50 может быть вставлен в опорную конструкцию 70 в ненадутом состоянии для следования по направляющему пути 74. Направляющий канал 74 имеет форму, позволяющую вместить избыточную длину гибкого канала 50. Обеспечение гибкого канала 50 избыточной длиной создает некоторые провисание, которое уменьшает перекручивание, когда гибкий канал 50 надувается и, таким образом, испытывает напряжение. Гибкий канал 50 вставляется в направляющую 74 в ненадутом состоянии для облегчения сборки. Однако квалифицированный читатель поймет, что небольшое количество рабочей жидкости можно использовать для создания давления в гибком канале 50, чтобы придать гибкому каналу 50 некоторую жесткость для облегчения сборки. Рабочей жидкостью может быть, например, воздух или охлаждающая жидкость.
Внутренняя направляющая формация 72 имеет такие размеры, что радиус изгиба внутренней опорной поверхности 77 достаточно большой, чтобы плавно направлять гибкий канал 50 на 180° в следующих друг за другом 90° - изгибах без перегиба канала 50. Как показано на рис. 8, внутренняя опорная поверхность 77 содержит плоскую продолговатую грань 73 между двумя закругленными краями 75. Удлиненная грань 73 служит для выпрямления и поддержки гибкого канала 50 в точке, в которой в противном случае наиболее вероятен перегиб.
Углубления в виде вырезов 76 во внешней направляющей формации 79 напротив закругленных краев 75 образуют часть внешней опорной поверхности 78, чтобы вмещать провисание, определяемое избыточной длиной гибкого канала 50. В частности, прогибающиеся участки гибкого канала 50 вокруг закругленных краев 75 можно вытянуть или оттолкнуть от закругленных краев 75 и направить в выемки 76. Вдавливание гибкого канала 50 в 35 углублений 76 таким образом перед надуванием гибкого канала 50 создает провисание гибкого канала 50 на закругленные края 75. Обеспечение этого провисания гибкого канала 50 перед надуванием является целесообразным, так как помогает уменьшить перегиб канала 50 при его надувании. Углубления в виде вырезов 76 представляют собой выемки на внешней опорной поверхности 78 внешней направляющей формации 79 и могут иметь любую форму, подходящую для частичного приема канала 50 для создания провисания вокруг закругленных краев 75.
Как будет понятно квалифицированному читателю, если аккумуляторная батарея 21 не имеет существенных изгибов и (или) маловероятен перегиб (например, когда используется незмеевидный или обычно прямой канал), тогда опорные конструкции обычно не требуются.
Изготовление аккумуляторной батареи 21 включает размещение гибкого канала 50 близко к поверхности по меньшей мере одного или нескольких элементов 30, так что тепло может передаваться между гибким каналом 50 и по меньшей мере одним или несколькими элементами 30. На рис. 9 показан гибкий канал 50, вставляемый в массив элементов 30. Канал 50 размещен змеевидным образом внутри аккумуляторной батареи 21 так, чтобы охлаждающая жидкость 20 проходила через аккумуляторную батарею 21. В частности, канал 50 имеет ряд обычно прямых участков, которые проходят между соседними рядами элементов 30. Прямые участки канала 50 чередуются с изгибами, где канал 50 выходит из массива элементов 30 и меняет направление, чтобы проходить вдоль следующей пары рядов элементов 30 и между ними.
Змеевидное расположение гибкого канала 50 обеспечивает нахождение гибкого канала 50 в тепловом контакте со всеми элементами 30 в аккумуляторной батарее 21. Гибкий канал 50 может, например, представлять собой надувную ленту из пластикового материала, такого как полиэстер, LDPE, LLDPE, HDPE, любой другой пластиковый материал или материал на основе полимера, который является гибким и способен выдерживать давление охлаждающей жидкости. Надувной пластиковый материал является целесообразным, поскольку материал по своей природе является электрически изолирующим, легким и не подвержен коррозии или химическому взаимодействию с охлаждающей жидкостью, такой как смесь гликоля и воды.
Гибкий канал 50 снабжен входом 52 и выходом 54. При использовании вход 52 и выход 54 соединены с насосом 25. Насос 25 выполнен с возможностью создания потока охлаждающей жидкости внутри гибкого канала 50 таким образом, чтобы охлаждающая жидкость протекала через гибкий канал 50. Повышение давления охлаждающей жидкости в системе терморегулирования 18 до давления выше атмосферного заставляет гибкий канал 50 расширяться и принимать форму цилиндрических элементов 30. Подробные сведения о том, как охлаждающая жидкость подается под давлением, приведены в описании ниже.
Как лучше всего видно на рис. 9, патрубки соединены с гибким каналом на входе 52 и выходе 54 соответственно. Патрубки сконфигурированы для присоединения к контуру 183 охлаждающей жидкости системы терморегулирования 18 так, чтобы охлаждающая жидкость могла перемещаться по системе терморегулирования 18. Область гибкого канала 50, соединенная с впускным и выпускным патрубками, может быть усилена, чтобы предотвратить разрыв или чрезмерное расширение канала 50. Канал 50 может быть усилен путем изготовления конца канала 50 из более прочного пластикового материала или путем обеспечения внешней втулки материала поверх гибкого канала 50 для предотвращения расширения гибкого канала 50 в области входа 52 или выхода 54.
Канал 50, показанный на рис. 9, представляет собой однопросветный расширяемый канал 50. Однако, как показано на рис. 10, в системе терморегулирования 18 можно использовать многопросветный расширяемый канал 223. Многопросветный канал 223 содержит входной проход 221 и выходной проход 220. Входной проход 221 и выходной проход 220 сконфигурированы так, чтобы пропускать охлаждающую жидкость через аккумуляторную батарею 21. Это целесообразно для использования в больших аккумуляторных батареях 21, поскольку улучшает распределение тепловой энергии по аккумуляторной батарее 21. В больших аккумуляторных батареях 21 однопросветный канал 50 может быть не в состоянии обеспечить достаточное охлаждение или нагрев элементов 30, расположенных далее по потоку в канале 50. Эта проблема решается за счет использования многопросветного канала 223, который обеспечивает более равномерное распределение температуры в аккумуляторной батарее 21.
Многопросветный канал 223 изготовлен из того же пластика, что и однопросветный канал 50. Для создания многопросветного канала 223 между впускным и выпускным проходами 221, 220 создается уплотнение 222. Уплотнение 222 может быть создано путем плавления пластикового материала канала 223 для создания соединения. Действие многопросветного канала 223 по существу такое же, как и однопросветного канала 50, за исключением того, что многопросветный канал имеет двунаправленный поток охлаждающей жидкости. Многопросветный канал 223 может быть расположен внутри опорной конструкции 70 аналогично однопросветному каналу 50. Кроме того, многопросветный канал 223 может находиться под давлением охлаждающей жидкости, как описано выше, с тем, чтобы канал 223 расширялся в соответствии с формой поверхности элементов 30. В реализации многопросветного канала 223, как будет понятно квалифицированному читателю, коллектор будет расположен на конце канала 223 напротив входа в канал 223. Коллектор позволит охлаждающей жидкости переходить от впускного прохода 221 к выпускному проходу 220, тем самым облегчая двунаправленный поток охлаждающей жидкости в канале 223.
Хотя в варианте воплощения, показанном на рис. 9, используется змеевидный канал 50, квалифицированный специалист поймет, что возможны и другие геометрические формы канала, которые могут быть использованы для реализации изобретения. На рис. 11 и 12 показано множество в основном прямых однопросветных каналов 550 в их расширенном состоянии (для ясности элементы не показаны). Каждый из отдельных прямых каналов 550 соединен через вход 552 и выход 554 и должен быть расположен между соседними рядами элементов. На рис. 13 и 14 показано множество в основном прямых, многопросветных каналов 650 в их расширенном состоянии (для ясности элементы батареи не показаны). Первый просвет каждого канала 650 соединен со входом 652 и выходом 654. Второй просвет каждого канала 650 соединен со входом 651 и выходом 653. На рис. 15 и 16 показано множество в основном прямых, многопросветных каналов 750 в развернутом состоянии (для наглядности элементы не показаны). Каждый из отдельных прямых каналов 750 соединен через вход 752 и выход 754 и должен быть расположен между соседними рядами элементов. Просветы в каждом из прямых каналов 750 соединены на конце канала 750, который находится напротив входа и выхода.
Возвращаясь к варианту воплощения, показанному на рис. 9, отметим, что после того, как гибкий канал 50 будет расположен на своем месте внутри аккумуляторной батареи 21 и между/рядом с элементами 30, построение корпуса аккумуляторной батареи завершится. Корпус содержит нижнюю и верхнюю створки 20, 80, которые соединены четырьмя периферийными боковыми стенками, включая боковые стенки 90, 92, показанные на рис. 17. Боковая стенка 92 содержит два отверстия, соответствующие входу 52 и выходу 54 гибкого канала 50. Вход 52 и выход 54 совмещены с соответствующими отверстиями в боковой стенке 92 так, чтобы гибкий канал 50 мог быть соединен с насосом 25 и теплообменником 23 системы терморегулирования 18.
Как будет понятно квалифицированному специалисту, одна или несколько боковых стенок 90, 92 могут быть прикреплены к нижней створке 20 до того, как элементы 30 будут вставлены в соответствующие гнезда 22 нижней створки 20 и (или) гибкий канал 50 будет вставлен между элементами 30 и вокруг них.
Верхняя створка 80 помещается поверх массива элементов 30 в аккумуляторной батарее 21 после того, как гибкий канал 50 будет размещен, как описано выше. Сборные шины (не показаны) расположены внутри углублений 82 наверху верхней створки 80 для электрического соединения отдельных элементов 30. Вышеупомянутые провода 42, подключенные к термисторам 40, проходят через верхнюю створку 80 и проходят по канавкам 84, расположенным на верхней поверхности верхней створки 80.
Как показано на рис. 17, коллектор 100 подачи под давлением соединен с гибким каналом 50 аккумуляторной батареи 21 через вход 52 и выход 54. Запорные клапаны 101 действуют между коллектором 100 подачи под давлением и входом 52 и выходом 54. Коллектор 100 подачи под давлением создает давление в гибком канале 50 путем подачи рабочей жидкости, такой как воздух, в гибкий канал 50 под давлением выше окружающего. Например, коллектор 100 подачи под давлением создает в гибком трубопроводе 50 избыточное давление от 0,5 до 1,5 бар во время процесса сборки. Это заставляет гибкий канал 50 расширяться до надутого состояния.
Создание давления в гибком канале 50 таким образом заставляет канал 50 расширяться и принимать форму элементов 30 и, в частности, волнообразную форму рядов элементов 30. Давление в гибком канале 50 можно контролировать на предварительно определенный период времени во время производственного процесса, чтобы обеспечить отсутствие утечек в гибком канале 50.
Во время сборки запорные клапаны 101 могут быть закрыты, а коллектор 100 подачи под давлением снят с аккумуляторной батареи 21. Это целесообразно, поскольку сборка аккумуляторной батареи 21 может быть продолжена с гибким каналом 50 в надутом состоянии. Целесообразно выполнять этапы присоединения аккумуляторной батареи 21 и добавления материала заливки к аккумуляторной батарее 21, когда гибкий канал 50 находится в расширенном состоянии. Это связано с тем, что гибкий канал 50 удерживает элементы 30 в их положении, когда он в расширенном состоянии (как обсуждается ниже), а также с тем, что добавление материала заливки, когда гибкий канал 50 находится в нерасширенном состоянии, помешает последующему надуванию канала 50.
На рис. 18 показан гибкий канал 50 в нерасширенном состоянии, когда он вставлен в аккумуляторную батарею 21 между соседними рядами элементов 30. Гибкий канал 50 является в основном прямым в нерасширенном состоянии с тем, чтобы область контакта между гибким каналом 50 и каждым элементом 30 была относительно малой, будучи по существу касательной к поверхности элемента и проходящей в виде узкой полосы вдоль каждого элемента 30 без значительного удлинения по окружности.
На рис. 19 показан гибкий канал 50 в расширенном рабочем состоянии. Когда гибкий канал 50 находится под давлением рабочей жидкости перед использованием или охлаждающей жидкости во время использования, гибкий канал 50 расширяется и принимает волнообразную форму рядов элементов 30. Как можно видеть на рис. 19, в расширенном состоянии гибкий канал 50 более полно соответствует форме отдельных элементов 30, тем самым увеличивая площадь теплового контакта между каналом 50 и элементами 30. Сжатая охлаждающая жидкость внутри канала 50 также увеличивает контактное давление между каналом и каждым отдельным элементом 30, улучшая тепловую связь между ними. Кроме того, столкновение естественных потоков вызывает сильное перемешивание потоков охлаждающей жидкости внутри канала 50.
На рис. 20 показан гибкий канал 50 в ненадутом состоянии, расположенный внутри направляющего пути 74 опорной конструкции 70. На рис. 21 показано провисание гибкого канала, вводимого в выемки 76. На рис. 22 показан гибкий канал 50 в надутом состоянии внутри опорной конструкции 70 и элементов 30.
При первой установке гибкого канала 50 внутри направляющего пути 74 можно воспользоваться удлиненным стержнем или инструментом 120 для размещения гибкого канала 50 внутри выемок 76, как показано на рис. 21. Удлиненный стержень или инструмент 120 проталкивает гибкий канал 50 внутрь выемки 76 так, чтобы в гибком канале 50 создалось провисание. В частности, провисание создается в области закругленных краев 75 с тем, чтобы, когда гибкий канал 50 надувается, подвергаясь тем самым натяжению, гибкий канал 50 не изгибался.
Когда канал 50 находится в надутом состоянии, напряжение в гибком канале 50 устраняет любое избыточное провисание в канале 50. Поскольку избыточное провисание канала 50 устраняется, гибкий канал 50 вытягивается из углубленных канавок 76, как показано на рис. 22. В надутом состоянии канал 50 контактирует с закругленными краями 75 на внутренней опорной поверхности 77 и поддерживается удлиненной гранью 73.
Опорная конструкция 70 имеет такие размеры, что элементы 130, расположенные на конце каждого ряда массива, имеют по существу такую же площадь теплового контакта с каналом 50, что и элементы 30, расположенные в центре массива. Это целесообразно, так как способствует более равномерному распределению температуры в аккумуляторной батарее 21, тем самым продлевая срок службы аккумуляторной батареи 21. Опорная конструкция 70 достигает этого путем экранирования или теплоизоляции части концевых элементов 130 от теплового контакта с каналом 50 с тем, чтобы канал 50 имел по существу такую же площадь теплового контакта с концевыми элементами 130, что и элементы 30, расположенные внутри массива.
Как показано на рис. 20-22, концы внешней опорной поверхности 78 примыкают к концевым элементам 130 таким образом, чтобы внешний изгиб направляющего пути 74 определялся внешней опорной поверхностью 78 от точки, в которой канал 50 выходит из массива, до точки, в которой канал 50 снова входит в массив. Наружная опорная поверхность 78 предотвращает расширение канала 50 таким образом, чтобы он охватывал внешнюю часть элементов 130, что вызовет усиленный тепловой контакт концевого элемента 130 с каналом 50.
Аналогичным образом один конец внутренней опорной поверхности 77 упирается в концевой элемент 130. Конец внутренней опорной поверхности 77, упирающийся в концевой элемент 130, обеспечивает поддержку каналу 50, предотвращая тем самым выпячивание канала 50 и оборачивание его вокруг концевого элемента 130. Другая концевая часть 110 внутренней опорной поверхности 77 частично следует за поверхностью другого концевого элемента 130 так, чтобы концевая часть 110 огибала концевой элемент 130, образуя теплоизоляционный барьер. Концевая часть 110 внутренней опорной поверхности 77 частично оборачивается вокруг внешней поверхности концевого элемента 130 так, чтобы, когда канал 50 расположен внутри направляющего пути 74, канал 50 не контактировал с концевым элементом 130 в области концевой части 110. Квалифицированный читатель поймет, что степень, в которой часть 110 простирается вокруг концевого элемента 130, зависит от теплового контакта между каналом 50 и элементами 30. Часть 110 простирается вокруг концевого элемента 130 в достаточной степени, чтобы обеспечить контакт канала 50 с концевым элементом 130 не больше, чем с любым другим элементом 30 в массиве.
Опорная конструкция 70 служит для уменьшения перегиба канала 50 в точках, где канал 50 выходит из массива и меняет направление на обратное. Направляющий путь 74 определяет дорожку для канала 50, который должен следовать от точки выхода канала 50 из массива до точки, в которой канал 50 снова входит в массив. Направляющий путь 74 предотвращает чрезмерное вздутие и (или) разрыв канала 50.
Гнезда 22 на нижней и верхней створках 20, 80 имеют размеры, обеспечивающие посадку с зазором относительно отдельных элементов 30. Это целесообразно, поскольку позволяет легко размещать отдельные элементы 30 в гнездах 22 с помощью автоматизированного производственного процесса; однако элементы 30 могут двигаться в своих соответствующих гнездах 22, что нежелательно при присоединении аккумуляторной батареи 21 с использованием, например, ультразвукового соединения проводов для соединения элементов 30 со сборными шинами. Это связано с тем, что как элементы, так и шины должны быть механически жесткими для процесса ультразвуковой сварки проводов, чтобы создать между ними высококачественное электрическое соединение. Для решения этой проблемы на предшествующем уровне техники известно склеивание отдельных элементов 30 в таком положении, чтобы обеспечить прочное механическое соединение между отдельными элементами 30 и нижней и верхней створками 20, 80. Однако это дополнительный и неэффективный шаг в процессе производства. Создание давления в гибком канале 50 не только заставляет гибкий канал 50 расширяться и принимать форму отдельных элементов 30, но также фиксирует отдельные элементы 30 в гнездах 22. Таким образом, надутый гибкий канал 50 может использоваться для закрепления элемента(ов) 30 на месте при образовании электрического соединения между элементом(ами) и шиной(ами). Фиксация элементов 30 в нужном положении с помощью надутого канала 50 исключает необходимость склеивания отдельных элементов 30 в нужном положении на створке 20, 80.
Отдельные элементы 30 могут присоединяться с помощью автоматизированного процесса ультразвукового соединения проводов. Этот процесс выполняется как на нижней, так и на верхней створках 20, 80. Квалифицированный специалист поймет, что отдельные элементы 30 могут быть присоединены с помощью любого другого подходящего процесса. Кроме того, на этом этапе процесса сборки к сборным шинам присоединяется модуль управления 27. Встроенный электронный тест аккумуляторной батареи 21 может быть выполнен на этом этапе процесса сборки в качестве этапа обеспечения качества, чтобы убедиться, что соединения были выполнены правильно, перед продолжением процесса сборки. Желательно выполнять процесс соединения проводов, когда гибкий канал 50 находится в расширенном состоянии так, чтобы отдельные элементы 30 были закреплены на свое место, поскольку это улучшает качество соединения. Кроме того, материал заливки служит для защиты алюминиевых ультразвуковых проволочных соединений от внешней влаги, тем самым предотвращая гальваническую коррозию проволочных соединений.
Изготовление аккумуляторной батареи 21 включает обеспечение материала заливки, приспособленного действовать в качестве опоры по меньшей мере для части канала 50. В предпочтительном варианте воплощения материал заливки представляет собой вспучивающуюся пену, такую как расширяющаяся полиуретановая пена, хотя можно использовать другие материалы заливки, такие как термореактивный пластик, гель силиконового каучука или эпоксидную смолу.
Материал заливки вводится в аккумуляторную батарею 21 в жидком или вязком состоянии после завершения сборки корпуса и после завершения соединения проводов. В случае расширяемого материала заливки, такого как вспучивающаяся пена, расширяющийся материал заливки расширяется, чтобы заполнить зазоры внутри аккумуляторной батареи 21 так, чтобы гибкий канал 50 и отдельные элементы 30 были окружены материалом заливки. После полного расширения объем внутри корпуса аккумуляторной батареи по существу заполняется элементами 30, опорными конструкциями 70, каналом 50 и средством заливки. Расширяющийся материал заливки расширяется из жидкого состояния и становится жестким после введения так, чтобы он мог ослабить и (или) предотвратить распространение тепла по аккумуляторной батарее 21. Расширяющийся материал заливки может представлять собой пенополиуретан, который предназначен для обугливания при воздействии высоких температур, например до 1000°С. Это целесообразно, так как обугленный слой из чистого углерода действует как отличный теплоизолятор, тем самым предотвращая распространение теплового явления с высокой энергией по аккумуляторной батарее 21. Таким образом аккумуляторная батарея является огнестойкой.
Материал заливки вводится в аккумуляторную батарею 21, когда канал 50 находится в надутом состоянии. Материал заливки затвердевает вокруг надутого канала 50 так, чтобы внутри материала заливки образовалась полость, внутри которой расположен канал 50. Полость обеспечивает полную внешнюю опору каналу 50, тем самым предотвращая чрезмерное надувание и (или) разрыв канала 50. Материал заливки становится в основном жестким, чтобы закрепить канал 50 в нужном положении, а также действует как внешняя опора для канала 50, обеспечивая механическую опору каналу 50. Пенополиуретан имеет преимущество, поскольку он чрезвычайно легкий из-за высокого содержания воздуха по сравнению с другими материалами заливки, такими как гели на водной основе или силиконовые гели.
После того как материал заливки вулканизируется или затвердеет, единственный канал или каждый канал 50 поддерживается в своей открытой конфигурации за счет прилипания к материалу заливки. Это означает, что рабочая жидкость может быть удалена изнутри канала 50, а канал, несмотря на это, останется в своей открытой конфигурации.
Использование материала заливки, такого как пена, внутри аккумуляторной батареи 21 также термоизолирует аккумуляторную батарею 21 от внешней среды. Это целесообразно, поскольку означает, что система терморегулирования 18 является значительным терморегулятором аккумуляторной батареи 21 (в отличие от факторов внешней среды), упрощая общее управление системой терморегулирования 18. Изоляция аккумуляторной батареи 21 улучшает тепловую «выносливость» аккумуляторной батареи 21, снижая потребность в периодическом охлаждении аккумуляторной батареи 21, когда аккумуляторная батарея 21 не используется в условиях окружающей среды с устойчиво низкой или высокой температурой. Пена внутри аккумуляторной батареи 21 также обеспечивает повышенную защиту от вибрации и механическую защиту внутренних компонентов аккумуляторной батареи 21. Пена затвердевает, а это означает, что она служит для фиксации элементов 30 и гибкого канала 50 в своем положении внутри аккумуляторной батареи 21. Это особенно целесообразно в случае автомобильных видов применения, где аккумулятор 21 подвергается периодам непрерывной вибрации.
На рис. 23 показан аккумулятор 21, в который вводится материал заливки. Материал заливки может быть введен в аккумуляторный источник 21 с помощью автоматизированного процесса через отверстия в створке 20, 80 с использованием патрубков 130. Материал заливки течет в аккумуляторный источник 21 в виде жидкости, тем самым заполняя аккумуляторный источник 21. Материал заливки затем затвердевает со временем. Как показано на рис. 23, модуль управления 27 прикреплен к боковой стенке 92; кроме того, модуль управления 27 также залит материалом заливки.
Как только аккумуляторная батарея 21 будет залита материалом заливки, нижняя и верхняя створки 20, 80 будут закрываться внешним кожухом. Внешний кожух представляет собой компонент из листового металла, который размещается на аккумуляторной батарее 21 до затвердевания материала заливки. В случае вспучивающейся пены в качестве материала заливки по мере схватывания пена расширяется, контактируя с внешней оболочкой. Материал заливки действует как клей после отверждения, тем самым прикрепляя внешний кожух к аккумуляторной батарее 21. В одном из вариантов реализации внешний кожух прикреплен к аккумуляторной батарее 21 с помощью внешних крепежных элементов и материала заливки. В другом варианте реализации внешний кожух прикреплен к аккумуляторной батарее 21 только затвердевшим/схватившимся/ вулканизированным материалом заливки.
На рисунках 24-26 показаны схематические диаграммы системы терморегулирования 18. Система терморегулирования 18 включает резервуар 150, насос 25, теплообменник 23, аккумуляторную батарею 21, трехходовой регулирующий клапан 180 и модуль переключения 181, соединенный с модулем управления 27. Резервуар 150 представляет собой резервуар, сконфигурированный для хранения охлаждающей жидкости 151. Резервуар 150 избирательно сообщается жидкостью с контуром охлаждающей жидкости 183 так, чтобы жидкость внутри резервуара 150 могла подаваться в контур охлаждающей жидкости 183 для создания давления в контуре охлаждающей жидкости 183. Аналогичным образом охлаждающая жидкость может быть удалена из контура охлаждающей жидкости 183, чтобы снизить давление в контуре охлаждающей жидкости 183, если это необходимо. Резервуар 150 может дополнительно сообщаться с атмосферой так, чтобы воздушный карман 152 мог быть расположен над охлаждающей жидкостью 151, когда резервуар 150 не заполнен. Если уровень охлаждающей жидкости 151 в резервуаре 150 падает ниже порогового значения, пользователь аккумуляторной батареи 21 может ввести охлаждающую жидкость 151 в резервуар 150.
Трехходовым регулирующим клапаном 180 можно управлять выборочное включение резервуара 150 в гидравлическом взаимодействии с контуром охлаждающей жидкости 183. Кроме того, трехходовой регулирующий клапан 180 может быть приведен в действие для закрытия контура охлаждающей жидкости 183 так, чтобы охлаждающая жидкость не могла течь по контуру охлаждающей жидкости 183, когда аккумуляторная батарея 21 выключена.
Резервуар 150 частично заполнен охлаждающей жидкостью 151 и частично заполнен воздухом 152. Резервуар 150 может быть расположен с гидравлическим взаимодействием вертикально над контуром охлаждающей жидкости 183 так, чтобы охлаждающая жидкость в контуре охлаждающей жидкости 183 находилась под гидростатическим давлением за счет давления охлаждающей жидкости 151 в резервуаре 150. В качестве альтернативы воздух 152 внутри резервуара 150 может находиться под давлением так, чтобы на охлаждающую жидкость 151 внутри резервуара 150 воздействовала сила, которая, в свою очередь, воздействует на охлаждающую жидкость в контуре охлаждающей жидкости.
На рис. 24 показана система терморегулирования 18 в нерабочем состоянии, когда трехходовой регулирующий клапан 180 закрыт.В нерабочем состоянии регулирующий клапан 180 закрыт и давление в замкнутом контуре охлаждающей жидкости поддерживается на желаемом рабочем давлении.
Вернемся к рис. 25: система терморегулирования 18 может находиться под давлением посредством запуска цикла повышения давления, в котором охлаждающая жидкость 151 из резервуара 150 втягивается в контур охлаждающей жидкости 183 для повышения давления охлаждающей жидкости в контуре 183. При запуске цикла повышения давления модуль переключения 181 приводит в действие трехходовой регулирующий клапан 180 для открытия двух из трех клапанов так, чтобы между резервуаром 150 и насосом 25 образовался путь потока. Третий клапанный компонент закрывается так, чтобы контур охлаждающей жидкости 183 заблокировался. Одновременно насос 25 приводится в действие для создания перепада давления на насосе 25 так, чтобы из резервуара 150 в контур охлаждающей жидкости 183 всасывалась жидкость. Втягивание жидкости 151 из резервуара 150 в контур охлаждающей жидкости 183 вызывает повышение давления внутри контура охлаждающей жидкости 183. Создание давления в канале через резервуары делает его самонесущим, благодаря чему устраняются любые потери гидродинамического давления от насоса и значительно снижается перепад давления в системе охлаждения.
Датчик давления (не показан) контролирует давление в контуре охлаждающей жидкости 183 во время цикла создания давления, и когда достигается желаемое давление в контуре охлаждающей жидкости 183, регулирующий клапан 180 приводится в действие таким образом, чтобы путь между резервуаром 150 и контуром охлаждающей жидкости закрылся. Одновременно с этим можно остановить насос 25 так, чтобы система терморегулирования 18 переключилась в нерабочее состояние, или, в качестве альтернативны, насос 25 может быть приведен в действие, а регулирующий клапан 180 задействован для приведения системы терморегулирования 18 в рабочее состояние.
На рис. 26 показана система терморегулирования 18 в рабочем состоянии. В рабочем состоянии регулирующий клапан 180 приводится в действие таким образом, чтобы через регулирующий клапан 180 образовался путь потока, позволяющий охлаждающей жидкости циркулировать по контуру охлаждающей жидкости 183. В рабочем состоянии резервуар 150 не находится в гидравлическом взаимодействии с контуром охлаждающей жидкости 183. Модуль управления 27 может контролировать давление охлаждающей жидкости в контуре охлаждающей жидкости 183, для обеспечения поддержания давления охлаждающей жидкости на желаемом значении рабочего давления. Если давление в контуре охлаждающей жидкости 183 падает ниже порогового значения, может запускаться цикл повышения давления в контуре охлаждающей жидкости 183 до целевого рабочего давления, как описано выше. Целевое рабочее давление может составлять, например, от 0,5 до 1,5 бар.
На рис. 27 показан альтернативный вариант системы терморегулирования 18. Как показано на рис. 27, система терморегулирования 18 содержит двухходовой регулирующий клапан 182, расположенный выше по потоку от резервуара 150. Насос 210 расположен между резервуаром 150 и двухходовым регулирующим клапаном 182. Насос 210 сконфигурирован для создания давления в резервуаре 150 путем нагнетания воздуха из атмосферы в резервуар 150, когда двухходовой регулирующий клапан 182 находится в открытом положении. Двухходовой регулирующий клапан 182 может быть закрыт, когда будет достигнуто желаемое давление в резервуаре 150. Это обеспечивает поддержание давления в резервуаре 150.
Резервуар 150, показанный на рис. 27, находится в постоянном гидравлическом взаимодействии с контуром охлаждающей жидкости 183 так, чтобы давление в контуре охлаждающей жидкости 183 могло поддерживаться давлением воздуха 152 внутри резервуара 150. Давление внутри резервуара 150 может контролироваться, и когда давление внутри резервуара падает ниже целевого рабочего значения, клапан 182 и насос 210 могут быть задействованы для повышения давления в резервуаре 150 и, таким образом, в контуре охлаждающей жидкости 183 до целевого рабочего давления.
На чертежах и первоначально на рис. 28-29, показан канал 230, способный входить в контакт по меньшей мере с частью площади поверхности источника тепла 30; канал 230 проходит вдоль и взаимодействует по меньшей мере с частью площади поверхности источника тепла 30 вдоль всей или части длины источника тепла 30 от первого положения контакта после впускного отверстия 52 по меньшей мере до одного конечного положения контакта после выпуска 54 между каналом 230 и источником тепла 30. Жидкий теплоноситель течет по внутренней трубке канала 230, так что тепло может передаваться между каналом 230 и источником тепла 30 через жидкий теплоноситель по взаимодействующим участкам поверхности канала 230 и источника тепла 30. Канал 230 приспособлен для обеспечения переменной теплопередачи через жидкий теплоноситель между контактируемыми участками поверхности канала 230 и источником тепла 30.
Канал 230 приспособлен для обеспечения переменной теплопередачи через жидкий теплоноситель между контактируемыми участками поверхности канала 230 и источником тепла 30 по длине канала 230.
Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что канал 230 адаптирован для создания переменной теплопередачи через жидкий теплоноситель между контактируемыми участками поверхности канала 230 и источником тепла 30 по длине канала 230, чтобы компенсировать изменение температуры теплоносителя в результате продолжающейся теплопередачи, когда жидкий теплоноситель течет по длине канала 230. Этим обеспечивается равномерная теплопередача между источником тепла 30 и каналом 230 через жидкий теплоноситель по длине канала 230, по мере того, как меняются другие параметры, такие как температура жидкости. Источником тепла 30 является аккумуляторная батарея 21, содержащая множество элементов 30. Канал 230 представляет собой гибкий канал, хотя в некоторых вариантах воплощения канал 230 является жестким. В этих жестких вариантах воплощения канал 230 представляет собой канал из металла или металлического сплава.
Канал 230 расположен близко к поверхности источника тепла 30 так, чтобы тепло могло передаваться между каналом 230 и источником тепла 30. Канал 230 расположен близко к поверхности элементов 30 так, чтобы тепло могло передаваться между каналом 230 и элементами 30.
В одном варианте реализации, где канал 230 представляет собой гибкий канал 50/230, предусматривается материал заливки 231 (см. рис. 30), приспособленный действовать в качестве опоры по меньшей мере для части канала 50/230. Обеспечивает преимущество, состоящее в том, что гибкий канал 50/230 может точно соответствовать форме поверхности источника тепла/элементов 30 внутри батареи 21, будучи усиленным материалом заливки 231, который предотвращает чрезмерное раздувание и (или) разрыв гибкого канала 50/230.
Канал 230 сконфигурирован для переноса теплоносителя от входа 52 к выходу 54 для передачи тепловой энергии между источником тепла/элементами 30 и каналом 230 на их взаимодействующих контактных поверхностях через жидкий теплоноситель, при этом тепловое сопротивление канала 230 на входе 52 выше, чем тепловое сопротивление канала на выходе 54. Это целесообразно, поскольку изменение теплового сопротивления канала 230 по длине канала 230 способствует равномерному распределению температуры по источнику тепла/аккумуляторной батарее 21. В частности, наличие более высокого теплового сопротивления на входе в канал 230 предотвращает переохлаждение или нагрев источника тепла/элементов 30, расположенных вблизи входа 52, где разница температур между теплоносителем и источником тепла/элементами 30 максимальна. Тепловое сопротивление канала 230 изменяется линейно или нелинейно по длине канала 230; тепловое сопротивление канала 230 уменьшается, поскольку разница температур между теплоносителем и источником тепла/элементами 30 также уменьшается, тем самым способствуя равномерному рассеянию мощности по длине канала 230.
В одном варианте реализации толщина стенки канала 230 может быть больше на входе 52 по сравнению с выходом 54, как показано на рис. 29; на рис. 29 изображено вертикальное сечение канала 230 на выходе и входе, иллюстрирующее изменение толщины стенки канала. Это целесообразно, поскольку увеличение толщины стенки также увеличивает тепловое сопротивление канала 230. По существу, увеличение толщины стенки канала 230 на входе также увеличивает тепловое сопротивление канала 230.
В одном варианте реализации толщина стенки канала может линейно изменяться по продольной длине канала 230. В другом варианте реализации толщина стенки канала 230 может изменяться нелинейно по продольной длине канала 230. Изменение толщины стенки канала 230 по продольной длине канала 230 имеет эффект изменения теплового сопротивления канала 230 по его продольной длине.
В одном варианте реализации толщина стенки может быть изменена таким образом, чтобы по существу было достигнуто постоянное рассеивание мощности по продольной длине канала 230. Это целесообразно, поскольку способствует равномерному распределению температуры во всем массиве элементов 30. Это может быть достигнуто путем увеличения теплового сопротивления по длине канала 230.
На рис. 31 показано схематическое поперечное сечение аккумуляторной батареи, обозначенной в целом цифрой 2000. Аккумуляторная батарея 2000 включает в себя канал 2011, используемый для терморегулирования элементов 2020. Канал 2011 содержит материал 2001 гибкого канала, содержащий матрицу 2002 и наполнитель 2003. По гибкому каналу проходит жидкость 2004, например воздух, вода или водно-гликолевая смесь. Тепло передается между элементами 2020 и охлаждающей жидкостью 204 через материал канала 2001.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
Матрица 2002 представляет собой гибкий пластик или полимерный материал, в данном случае LDPE, LLDPE, HDPE, полиэстер, силикон или резину. Матрица 2002 электрически изолирующая. Матрица 2002 имеет теплопроводность менее 15 Вт-мK, в идеальном варианте, менее 10 Вт-мK, 5 Вт-мK и (или) 1 Вт-мK.
Наполнитель 2003 содержит частицы наполнителя; они рассеяны по всей матрице 2002. В предпочтительных вариантах реализации наполнитель 2003 содержит тонкие многостенные углеродные нанотрубки серии NANOCYL (RTM) NC7000, однако может быть использован любой подходящий наполнитель, такой как материал наполнителя на основе углерода, такой как углерод, углеродная сажа, графит, графитовые пластинки, графен, многостенные углеродные нанотрубки или одностенные углеродные нанотрубки, или керамический наполнитель, такой как оксид алюминия, карбид кремния, нитрид бора, нитрат кремния, оксид алюминия, нитрид алюминия или оксид цинка. Частицы наполнителя могут быть удлиненными и трубчатыми, иметь диаметр 1-10 нм и длину 0,5-5 нм. В качестве альтернативы частицы наполнителя могут быть в основном сферическими со средним диаметром от 1 нм до 10 мкм.
-1
-1
-1
-1
Теплопроводность наполнителя 2003 больше, чем теплопроводность матрицы 2002. В идеальном варианте наполнитель 2003 имеет теплопроводность более 10 Вт-мK и (или) более 100 Вт-мK. Материал канала 2001 содержит менее 25% по объему наполнителя 2003; в идеальном варианте 5-18% по объему наполнителя или 15% по объему наполнителя 2003. Включение ограниченного количества наполнителя 2003 в матрицу обеспечивает повышенную теплопроводность при сохранении низкой электропроводности и благоприятных механических свойств (т.е. подходящая гибкость для надувного канала).
-1
-1
-1
-1
-1
-1
В этом примере материал 2001 канала имеет теплопроводность более 0,33 Вт-мKпри комнатной температуре, в идеальном варианте - более 1 Вт-мK и (или) 10 Вт-мK. Это означает, что теплопередача через материал канала 2011 лучше, чем у обычного полимерного канала. Материал канала 2001 сам по себе является электроизоляционным, так как в электропроводности материала канала 2001 преобладают электрические свойства непроводящей матрицы 2002. Электроизоляционная природа материала канала/матрицы значительно снижает риск коротких замыканий по сравнению с металлическим каналом.
Канал 2011 по крайней мере частично окружен материалом заливки 2005, который укрепляет канал 2011 в местах, где он не соприкасается со стенкой элемента 2020. Включение наполнителя 2003 в матрицу 2002 может изменить механические свойства канала 2001, особенно для высоких концентраций наполнителя 2003. Там, где это приводит к какому-либо снижению механической прочности, можно использовать армирующий материал 5, чтобы противодействовать таким эффектам. Этот вариант воплощения может использоваться как альтернатива или в сочетании с вариантом воплощения с переменной толщиной стенки.
На рис. 32 и 33 показана дополнительная опорная конструкция 1201, имеющая внешнюю направляющую формацию, внутреннюю направляющую формацию и направляющий канал 1205 между ними. Опорная конструкция 1201 используется для предотвращения перегиба, вздутия и (или) разрыва гибкого канала, где канал меняет направление. Опорная конструкция 1201 имеет такие размеры, что элементы, расположенные на конце каждого ряда массива, имеют по существу такую же площадь теплового контакта с каналом, что и элементы, расположенные в центре массива. Опорная конструкция 1201 достигает этого путем экранирования или теплоизоляции части концевых элементов от теплового контакта с каналом.
Наружная направляющая формация опорной конструкции 1201 образована комбинацией внешней стойки 1208 и внутренней поверхности 1211 стенки 1210 внешнего кожуха батареи (см. рис. 33). Наружная стойка 1208 расположена рядом по меньшей мере с одним элементом на краю массива элементов. Внешняя стойка 1208 представляет собой блок, который имеет поверхность 1235, примыкающую к элементу, которая изогнута, чтобы соответствовать форме боковой стенки элемента, и внешнюю опорную поверхность 1209, которая проходит от поверхности 1235, примыкающей к элементу. Внешняя стойка 1208 сформирована как единое целое с нижней створкой 1237 корпуса 1236 аккумуляторной батареи.
Надувной канал поддерживается как внешней опорной поверхностью 1209 стойки 1208, так и внутренней поверхностью 1211 стенки 1210 аккумуляторной батареи. Использование стенки 1210 аккумуляторной батареи как части внешней направляющей формации устраняет необходимость в более крупной опорной конструкции и таким образом уменьшает ширину и устраняет мертвое пространство внутри аккумуляторной батареи.
Внутренняя направляющая формация опорной конструкции 1201 образована комбинацией внутренней стойки 1206а и сопрягаемой части 1206b. Внутренняя стойка 1206а аналогична по конструкции внешней стойке 1208. Внутренняя стойка 1206а представляет собой блок, который выполнен как одно целое с нижней створкой 1237 корпуса 1238 аккумуляторной батареи. Внутренняя стойка 1206а расположена на противоположной стороне направляющей канавки 1205 к внешней направляющей формации. Внутренняя стойка 1206а имеет две изогнутые грани 1239а, 1239b, примыкающие к элементам батареи, для примыкания к двум соседним, разнесенным элементам.
Внутренняя стойка 1206а дополнительно имеет внутреннюю опорную поверхность 1207, которая проходит между поверхностями 1239а, 1239b, примыкающими к элементам. Внутренняя опорная поверхность 1207 внутренней стойки 1206а имеет в основном плоскую часть и в основном изогнутую часть, которая проходит от в основном плоской части к боковой стенке элемента. Внутренняя опорная поверхность 1207 обеспечивает поддержку канала, тем самым предотвращая вздутие канала и его оборачивание вокруг концевого элемента.
Сопрягаемая часть 1206b обеспечивается сжимаемой подушкой, приклеенной к поверхности элемента. В частности, подушка представляет собой поливинилхлоридную (ПВХ) ленту с открытыми ячейками. В качестве альтернативы можно использовать ПВХ или пенополиуретан с закрытыми ячейками или другой подходящий сжимаемый материал. При использовании интерфейсная часть 1206b внутренней направляющей формации проходит от грани 1239а, примыкающей к элементу, первой части 1206а и вокруг части элемента, к которой она прикреплена. Когда гибкий канал (не показан) надувается, он прижимается к внутренней стойке 1206а и сопрягаемой части 1206b внутренней направляющей формации.
Сопрягаемая часть 1206b используется для ограничения теплового контакта между каналом и периферийной элементом, к которому он прикреплен. Сопрягаемая часть 1206b огибает внешнюю поверхность конечного элемента так, чтобы, когда канал расположен внутри направляющего пути 1205, он не контактировал с концевым элементом в области сопрягаемой части 1206b. Квалифицированный читатель поймет, что степень, в которой сопрягаемая часть 1206b проходит вокруг концевого элемента, зависит от необходимого теплового контакта между каналом и элементами. Сопрягаемая часть 1206b должна проходить вокруг концевого элемента в достаточной степени, чтобы обеспечивать контактирование канала с концевым элементом не больше, чем с любым другим элементом в массиве.
Квалифицированный специалист поймет, что как внутренняя стойка 1206а, так и сопрягаемая часть 1206b могут быть сжимаемыми и (или) могут быть соединены друг с другом как одно целое. Сопрягаемая часть 1206b может быть выполнена как единое целое с нижней створкой 1237.
Обращаясь теперь к рис. 34-36, можно видеть еще один вариант воплощения опорной конструкции, обозначенный в целом справочной позицией 1301. Опорная конструкция 1301 этого варианта воплощения имеет внешнюю направляющую формацию 1308, внутреннюю направляющую формацию 1306 и направляющий канал 1305 между ними. Опорная конструкция 1301 используется для предотвращения перегиба, вздутия и (или) разрыва гибкого канала, когда канал меняет направление. Опорная конструкция 1301 имеет такие размеры, что элементы, расположенные на конце каждого ряда массива, имеют по существу такую же площадь теплового контакта с каналом, что и элементы, расположенные в центре массива. Опорная конструкция 1301 достигает этого путем экранирования или теплоизоляции части концевых элементов от теплового контакта с каналом.
Внешняя направляющая формация опорной конструкции 1301 образована сочетанием первой внешней стойки 1308а, второй внешней стойки 1308b и внутренней поверхности 1311 стенки 1310 внешнего кожуха батареи (см. рис. 36). Первая и вторая вертикальные конструкции 1308а, 1308b разнесены друг от друга, и обе соединены с основанием 1312 опорной конструкции. Нижняя створка 1337 корпуса 1338 аккумуляторной батареи может включать в себя соответствующие выемки для размещения основания 1312 опорной конструкции на краю массива элементов, хотя в дополнительных вариантах воплощения опорная конструкция 1301 может быть выполнена как одно целое с нижней створкой 1337.
Надувной канал поддерживается первой внешней стойкой 1308а, второй внешней стойкой 1308b и внутренней поверхностью 1311 стенки 1310 аккумуляторной батареи. Использование стенки 1310 аккумуляторной батареи в качестве части внешней направляющей формации устраняет необходимость в более крупной опорной конструкции и, следовательно, уменьшает ширину и устраняет мертвое пространство внутри аккумуляторной батареи.
Вертикальные конструкции 1308а, 1308b изогнуты и образуют углы направляющей формации 1305. Зазор между вертикальными конструкциями 1308а, 1308b может использоваться для протягивания избыточного канала через опорную конструкцию 1301 при размещении канала в аккумуляторной батарее. Первая внешняя стойка 1308а и вторая внешняя стойка 1308b предотвращают расширение канала, при котором он бы оборачивался вокруг внешней части концевого элемента, вызывая повышенный контакт концевого элемента с каналом.
Опорные конструкции могут быть изготовлены из любого подходящего жесткого, полужесткого или сжимаемого материала, который имеет достаточную жесткость для поддержки гибкого канала, например из металла, пластика или резины. В важном примере опорные конструкции изготовлены из материала заливки, используемого в аккумуляторной батарее, или обладают свойствами предотвращения теплового распространения, аналогичными свойствам компаунда для заливки. Например, опорные конструкции могут быть изготовлены путем заполнения материала заливки в подходящую форму или путем вырезания опорной конструкции, например, из блока предварительно отвержденной термоизоляционной пены. В качестве альтернативы опорная(ые) конструкция(и) может (могут) быть выполнена(ы) как одно целое со стенками аккумуляторной батареи, например либо с верхней, либо с нижней створкой. В таких примерах опорные конструкции представляют собой экструзии из пластиковых оболочек, а не вставку внутри аккумуляторной батареи.
Квалифицированный читатель поймет, что в настоящее изобретение могут быть внесены различные изменения и модификации, не выходящие за рамки области применения настоящей заявки. Описанная здесь система терморегулирования может использоваться с любым типом аккумуляторной батареи, имеющей один или несколько отдельных элементов. Например, настоящее изобретение может быть использовано в аккумуляторной батарее внутри вспомогательной силовой установки (ВСУ) для грузовика для перевозки на большие расстояния, в тяговом аккумуляторе аккумуляторного электрического или гибридного автомобиля, в системе накопления энергии или в любой другой аккумуляторной батарее в морской, аэрокосмической, автомобильной, промышленной отрасли и отрасли хранения энергии, требующих терморегулирования.
Гибкий канал 50 может находиться в непрямом контакте с боковой(ыми) поверхностью(ями) или любой(ыми) другой(ими) поверхностью(ями) одного или нескольких элементов 30 через область сопряжения или материал сопряжения, такой как оболочка кожуха, окружающая элемент(ы) 30, или теплопроводный наполнитель, паста или клей. В необязательных вариантах воплощения гибкий канал может по меньшей мере частично контактировать с торцевой(ыми) поверхностью(ями) элемента(ов).
В предшествующем обсуждении изобретения, если не указано иное, раскрытие альтернативных значений для верхнего или нижнего предела разрешенного диапазона параметра в сочетании с указанием того, что одно из значений является более предпочтительным, чем другое, следует истолковывать как подразумеваемое утверждение, что каждое промежуточное значение параметра, лежащее между более предпочтительным и менее предпочтительным из альтернатив, само по себе предпочтительнее менее предпочтительного значения, а также каждого значения, лежащего между менее предпочтительным значением и промежуточным значением.
Свойства, раскрытые в предшествующем описании или на следующих чертежах, выраженные в их конкретных формах или в условиях средств для выполнения раскрытой функции, или способа или процесса достижения раскрытого результата, в зависимости от обстоятельств, могут отдельно или в любом сочетании таких характеристик быть использованы для реализации изобретения в его различных формах.