МОДУЛЬ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С ПЛОСКОЙ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ПЕРЕМЫЧКОЙ
ELECTRIC ENERGY STORAGE UNITS MODULE WITH FLAT CONNECTIVE STRAP

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к накопителям электрической энергии, в частности к модулям, содержащим по меньшей мере два накопителя электрической энергии.
В дальнейшем под «накопителем электрической энергии» следует понимать либо конденсатор (то есть пассивную систему, содержащую два электрода и изолятор), либо суперконденсатор (то есть систему, содержащую по меньшей мере два электрода, электролит и по меньшей мере один разделитель), либо батарею типа литиевой батареи (то есть систему, содержащую, по меньшей мере, один анод, по меньшей мере один катод и электролитный раствор между анодом и катодом).
Уровень техники
Известны модули, показанные на фиг.1, содержащие корпус 110, в котором находятся несколько накопителей 120 электрической энергии, соединенных соединительными средствами.
Если модуль содержит более двух накопителей 120, то их соединяют попарно с чередованием на уровне верхних и нижних концов.
Как схематично показано на фиг.1, соединительные средства, обеспечивающие электрическое соединение двух смежных накопителей 120, содержат две крышки 130 и перемычку 140.
Каждая крышка 130 предназначена для закрывания соответствующего накопителя 120 таким образом, чтобы соединяться с ним электрически.
Кроме того, каждая крышка 130 содержит соединительный контакт 131, выполненный с возможностью вхождения в контакт со сквозным отверстием в перемычке 140, чтобы электрически соединить два смежных накопителя 120.
Соединение крышек 130 посредством перемычки 140 для соединения двух смежных накопителей 120 осуществляют либо путем посадки перемычки 140 с натягом на соединительные контакты 131 крышек 130, либо при помощи лазерной сварки или сварки другого типа по краям между перемычкой 140 и контактами 131, либо при помощи комбинации этих двух способов.
Эти два средства электрического соединения требуют, с одной стороны, жестких допусков при выполнении контактов и перемычек, а с другой стороны - точного взаимного выравнивания деталей для обеспечения конечного качественного выполнения модуля, поэтому они отличаются высокой стоимостью выполнения. В частности, крышки 130 соединяют с трубкой, охватывающей элемент, путем накатки или обжатия. Для обеспечения такого соединения каждая крышка 130 содержит на периферической части стороны, входящей в контакт с перемычкой 140, круглый бортик 132, выступающий в осевом направлении наружу крышки.
Наличие этого выступающего периферического бортика 132 на каждой из сторон крышек 130, входящих в контакт с перемычкой 140, требует применения какого-либо из следующих решений:
- использование перемычки 140 сложной геометрии для посадки на выступы 132 соединяемых крышек 130. При таком решении уменьшается поверхность контакта между соединительной перемычкой 140 и крышкой 111 корпуса 110 с использованием промежуточного материала или без него. Это создает трудности в управлении охлаждением такого модуля;
- использование плоской соединительной перемычки 140 (расположенной в главной плоскости), приподнятой по отношению к выступу, за счет наличия площадок (выполненных перпендикулярно к главной плоскости) и предназначенной для вхождения в контакт с крышками;
- использование плоской соединительной перемычки, приподнятой по отношению к выступу крышки и соединяемой с контактом 131, более высоким, чем выступ, но без добавления площадок, что предполагает необходимость удержания в инструмента в определенном положении во время операции сварки, либо посадки в натяг перемычки на контакт 131, чтобы удерживать ее на месте во время операции сварки.
Два последние решения приводят к уменьшению поверхности контакта между соединительной перемычкой 140 и каждой крышкой 130, поскольку контакт ограничивается толщиной перемычки и/или шириной площадок. Это создает трудности в отводе тепла, в контроле общего сопротивления, преждевременному износу устройств накопления.
Другим недостатком этих трех вариантов выполнения является сложность в получении модулей с правильным выравниванием элементов и с сохранением параллельности между перемычками и поверхностями крышек.
Задачей изобретения является создание модуля, в котором устранен по меньшей мере один из вышеуказанных недостатков.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решена в модуле, содержащем по меньшей мере два накопителя электрической энергии, каждый из которых содержит первую сторону, закрываемую крышкой, электрически соединенной с указанным накопителем энергии, и вторую сторону, противоположную первой, при этом каждая крышка входит в контакт с соответствующим концом перемычки для электрического соединения двух накопителей. При этом перемычка и стороны крышек, входящие ней в контакт, являются плоскими, а перемычка закреплена на сторонах крышек посредством сварки вдоль утонченных зон перемычек (конструктивные элементы перемычек, выполнения для осуществления сварки).
S
Таким образом, наличие сварных швов и отсутствие круглых выступающих бортов на периферии сторон крышек в сочетании с использованием плоских соединительных перемычек позволяют снизить стоимость изготовления модулей. Это сочетание позволяет также максимально увеличить поверхность контакта между перемычкой и крышками, что сводит к минимуму общее сопротивление R, а также между перемычкой и крышкой корпуса (с промежуточным материалом или без него), что способствует улучшению теплообмена между внутренним и наружным пространством модуля.
Изобретение содержит следующие предпочтительные, но неограничивающие признаки, взятые отдельно или в комбинации:
- модуль содержит корпус (10), в котором находятся накопители (20);
- каждая крышка (30) на своей наружной стороне, предназначенной для вхождения в электрический контакт с концом перемычки (40) на уровне сквозного отверстия в перемычке (40), содержит соединительный контакт (31);
- два накопителя (20) и сварные швы (50, 50') симметричны относительно центральной плоскости (A-A'), расположенной на половине расстояния от осей накопителей (20);
- сварные швы (50, 50') двух накопителей (20) расположены навстречу друг другу;
- сварные швы (50, 50') двух накопителей (20) расположены противоположно друг другу;
- перемычка (40) закреплена посредством сварки на каждой стороне крышки (30) вдоль по меньшей мере одного сварного шва (50, 50').
- каждый накопитель (20) энергии электрически соединен с перемычкой (40) вдоль по меньшей мере двух сварных швов (50, 51 и 50', 51');
- сварные швы (50, 51 и 50', 51') расположены симметрично относительно плоскости (B-B'), проходящей через оси накопителей (20) энергии;
- каждый сварной шов (50, 51 и 50', 51') выполнен в виде четверти окружности, при этом первый сварной шов (50, 50') выполнен на периферии крышки (30), а второй сварной шов (51, 51') выполнен вдоль центрального радиуса крышки (30);
- два сварных шва (50, 51 и 50', 51') являются прямолинейными и расположены параллельно плоскости симметрии (B-B'), проходящей через оси двух накопителей (20);
- два сварных шва (50, 51 и 50', 51') являются прямолинейными и расположены перпендикулярно к плоскости симметрии (B-B'), проходящей через оси накопителей (20);
- два сварных шва (50, 51 и 50', 51') являются прямолинейными и образуют угол с плоскостью симметрии (B-B'), проходящей через оси накопителей (20);
- каждый накопитель (20) содержит рулонный элемент, закрепленный сваркой на крышке (30) вдоль по меньшей мере двух образующих (60) сварного шва, при этом сварные швы (50, 51 и 50', 51') выполнены таким образом, чтобы не перекрывать образующие (60) сварного шва;
- каждый накопитель (20) содержит по меньшей мере четыре образующие (60) сварного шва, проходящие в радиальном направлении, при этом каждая образующая (60) образует угол относительно плоскости симметрии, проходящей через оси накопителей (20);
- образующие (60) сварного шва, проходящие в радиальном направлении, являются попарно симметричными относительно плоскости симметрии (B-B'), проходящей через оси накопителей (20);
- образующие (60) сварного шва проходят вдоль диаметров крышек (30);
- образующие (60) сварного шва расположены перпендикулярно друг к другу, ограничивая квадранты (61, 62, 63, 64);
- в каждом накопителе (20) сварные швы (50, 51 и 50', 51') расположены в одном квадранте (61);
- каждый из других квадрантов (62, 63, 64) содержит по меньшей мере один другой сварной шов (52, 53, 54);
- другие сварные швы (52, 53, 54) выполнены в виде четверти окружности;
- другие сварные швы (52, 53, 54) выполнены прямолинейными;
- по меньшей мере два других сварных шва расположены перпендикулярно к плоскости, проходящей через оси накопителей;
- один из других сварных швов расположен в плоскости, проходящей через оси накопителей;
- по меньшей мере три других сварных шва расположены перпендикулярно к плоскости, проходящей через оси накопителей;
- каждая перемычка выполнена путем наложения друг на друга тонких металлических листов;
- тонкие листы скреплены контактной сваркой;
- каждый тонкий лист выполнен из алюминия;
- каждая перемычка выполнена из алюминия;
- перемычка закреплена на крышках посредством сквозной лазерной сварки;
- сварка перемычки осуществлена через утонченные зоны;
- перемычка закреплена на крышке диффузионной пайкой на всех или на части поверхностей контакта между перемычкой и крышками;
- модуль содержит элементы рассеяния тепла между крышкой корпуса и перемычкой и крышками таким образом, чтобы соединять термически, но изолировать электрически корпус и накопители;
- элементы рассеяния тепла между элементами и стенкой модуля содержат слой эластомера.
Краткое описание чертежей
Другие особенности, задачи и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничивающего примера со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 показан вариант выполнения известного модуля;
на фиг.2, 2а, 2b показан модуль в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.3 показан вариант выполнения сварных швов;
на фиг.4а-4h и 5 показаны другие варианты выполнения сварных швов;
на фиг.6 показан другой вариант выполнения сварных швов и сварных точек перемычки модуля в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
Далее со ссылками на фигуры следует описание различных вариантов выполнения модуля в соответствии с настоящим изобретением. На разных фигурах эквивалентные элементы модуля обозначены одинаковыми цифровыми позициями.
Как показано на фиг.2b, модуль 1 содержит корпус 10, в котором размещены по меньшей мере два накопителя 20 электрической энергии.
Накопители 20 имеют общую цилиндрическую форму. Накопители 20 расположены в корпусе рядом друг с другом, так что их оси параллельны между собой. В варианте выполнения, показанном на фиг.2a и 2b, накопители 20 расположены таким образом, что их оси вращения перпендикулярны к нижней стенке корпуса 10. В других, не показанных на чертежах вариантах выполнения, накопители могут иметь форму параллелепипеда, квадрата, овала, шестиугольника, что не меняет основных принципов настоящего изобретения.
Каждый накопитель 20 содержит первую сторону, закрытую крышкой 30, электрически соединенной с накопителем 20 энергии вдоль образующих сварного шва.
Каждая крышка может содержать или не содержать соединительный контакт в центре своей стороны, предназначенной для вхождения в контакт с соединительной перемычкой.
Особенностями модуля в соответствии с настоящим изобретением является то, что:
- соединительная перемычка 40 и сторона каждой крышки 30, предназначенная для вхождения в контакт с перемычкой 40, являются плоскими;
- перемычка 40 и крышки 30 соединены при помощи сквозной сварки с образованием сварных швов вдоль зон утончения толщины перемычек.
В рамках настоящего изобретения под «плоской стороной» крышки следует понимать по существу плоскую сторону с соединительным контактом или без него. Иначе говоря, под термином «плоская сторона» крышки следует понимать сторону крышки, периферия которой не содержит бортика, направленного наружу параллельно оси накопителя.
Под сквозной сваркой следует понимать соединение сваркой двух наложенных друг на друга деталей пучком энергии, проходящим через соединяемую сваркой верхнюю деталь через ее утонченную часть, если деталь является толстой, либо через всю ее толщину, если деталь является тонкой. Сквозная сварка отличается от сварки встык, при которой две детали, расположенные встык своими краями сваривают пучком энергии, не проходящим насквозь, а адаптируемым к форме свариваемых краев и точно позиционируемым по границе раздела между свариваемыми краями.
Сочетание указанных выше особенностей способствует получению следующих преимуществ:
- позволяет снизить стоимость изготовления таких модулей;
- позволяет максимально увеличить поверхность контакта между перемычкой и крышкой (что снижает общее сопротивление модуля) с одной стороны, и между перемычкой и крышкой корпуса (что максимально увеличивает теплопередачу между перемычкой и корпусом) с другой стороны;
- повышает жесткость соединения, состоящего из накопителей, крышек и перемычек;
- улучшает также вибрационную стойкость соединения, состоящего из накопителей, крышек и перемычек;
- позволяет уменьшить высоту соединения накопители/перемычки и, следовательно, уменьшить общий объем модуля, повышая тем самым энергию и общую емкость на единицу объема модуля.
Кроме того, использование плоской перемычки 40 и плоских крышек 30 позволяет также максимально использовать поверхность контакта между перемычкой 40 и крышкой 30 для выполнения сварных швов, длину и положение которых определяют в зависимости от вариантов применения и от требуемых параметров модуля.
На фиг.3 показан пример расположения и формы сварных швов.
Каждый конец соединительной перемычки крепят сваркой на стороне соответствующей крышки 30 вдоль сварного шва 50, 50'.
Каждый сварной шов 50, 50' имеет форму четверти окружности вдоль периферии крышки 30.
Сварные швы 50, 50' выполняют навстречу друг другу. Это позволяет свести к минимуму общее сопротивление соединения крышка/перемычка/крышка.
Действительно, как было указано выше, электрическое сопротивление R соединительной перемычки в центральной зоне, находящейся между двумя ближайшими сварными швами 50 и 50', соединяющими перемычку 40 с отдельной отдельной крышкой 30, выражается следующим образом:
,
где d - расстояние между двумя сварными швами, расположенными навстречу друг другу;
S - площадь сечения перемычки между двумя сварными швами (S=L×е, где e - толщина перемычки, a L - ее ширина);
ρ - удельное электрическое сопротивление материала перемычки.
Для снижения до минимума электрического сопротивления R соединения крышка /перемычка/ крышка можно уменьшить расстояние d между сварными швами до минимума и/или максимально увеличить длину сварных швов. Действительно, при соединении сваркой считают, что 95% тока проходит через сварные швы 50, 50', и только 5% - за счет контакта между деталями за пределами шва.
Таким образом, необходимо найти компромисс между длиной и количеством выполняемых сварных швов 50, 50' и числом выполняемых операций сварки.
Форма сварного шва в виде четверти окружности каждого и его расположение на периферии крышки позволяют максимально увеличить длину сварных швов. Это способствует прохождению тока (вдоль силовых линий 60' поля) от одного накопителя к другому и, следовательно, позволит уменьшить электрическое сопротивление перемычки.
Сведение к минимуму количества сварных швов 50, 50' на крышку позволяет сократить стоимость и время изготовления.
Разумеется, в зависимости от варианта использования возможны и другие варианты выполнения сварных швов.
На фиг.4а-4h и 5 показаны различные варианты выполнения соединительных швов.
Два накопителя располагают симметрично относительно центральной плоскости A-A', находящейся на половине расстояния между осями двух накопителей 20.
Каждую крышку 30 электрически соединяют с соответствующим концом перемычки (не показана) на уровне по меньшей мере двух сварных швов 50, 51 и 50', 51'.
Эти сварные швы 50, 51 и 50', 51' будут в дальнейшем называться «главными сварными швами», поскольку ток между двумя накопителями в основном проходит в ограничиваемой ими зоне. Это связано с различными параметрами, такими как положение этих главных сварных швов относительно друг друга на крышке или форма этих главных сварных швов.
Форма главных сварных швов 50, 51 и 50', 51' может меняться.
Согласно варианту выполнения, показанному на фиг.4а и 5, главные сварные швы 50, 51 и 50', 51' имеют форму четверти окружности, что позволяет максимально увеличить их длину.
Согласно другому варианту (показан на фиг.4h), главные сварные швы 50, 51 и 50', 51' имеют форму участка окружности.
Согласно еще одному варианту выполнения, показанному на фиг.4b-4g, главные сварные швы 50, 51 и 50', 51' имеют прямолинейную форму. Это позволяет облегчить операцию сварки перемычек с крышками, поскольку прямолинейный сварной шов выполнить проще криволинейного.
Главные сварные швы 50, 51 и 50', 51' крышек симметричны относительно центральной плоскости A-A', т.е. главные сварные швы 50, 51 одной из крышек симметричны главным сварным швам 50', 51' другой крышки относительно центральной плоскости A-A'. Кроме того, главные сварные швы 50, 51 и 50', 51' симметричны относительно плоскости B-B', проходящей через оси накопителей 20.
Это обеспечивает равномерное прохождение тока между двумя накопителями 20.
В варианте выполнения, показанном на фиг.5, главные сварные швы 50, 51 и 50', 51' расположены на соответствующей крышке 30 противоположно друг другу.
Это позволяет лучше распределить прохождение тока по всей поверхности соединительной перемычки, за счет чего обеспечивается равномерность распределения тока во всей обмотке накопителя 20, что увеличивает срок службы модуля, так как предупреждает асимметричную перегрузку вышеуказанного рулона и в любом случае уменьшает износ соединительной перемычки 40.
В вариантах выполнения, показанных на фиг.4а-4h, главные сварные швы 50, 51 и 50', 51' расположены навстречу друг другу.
Это позволяет снизить электрическое сопротивление перемычки 40 за счет уменьшения расстояния между главными сварными швами 50, 50' и 51, 51'.
Каждая крышка 30 на своей наружной стороне может содержать или не содержать соединительный контакт 31, предназначенный для вхождения в электрический контакт с концом перемычки 40 на уровне сквозного отверстия в ней. Наличие соединительного контакта 31 позволяет облегчить позиционирование перемычки 40 на крышках 30. Отсутствие соединительного контакта 31 на крышках 30 позволяет уменьшить общий объем модуля и, следовательно, повысить удельную мощность модуля.
Положение главных сварных швов 50, 51 и 50', 51' на крышках 30 может меняться.
При выполнении главных сварных швов в виде четверти окружности их располагают следующим образом: один на периферии, а другой - в центральной зоне крышки (фиг.4a и 5).
При выполнении главных сварных швов 50, 51 и 50', 51' прямолинейными их можно располагать параллельно плоскости B-B', проходящей через оси двух накопителей (фиг.4b, 4g).
Это позволяет снизить электрическое сопротивление перемычки 40 (и, следовательно, образование тепла в перемычке за счет эффекта Джоуля). Однако в этом случае ток проходит в основном вдоль главных сварных швов 50, 51 и 50', 51', что может привести к локальному нагреву перемычки 40 вдоль главных сварных швов 50, 51 и 50', 51'.
Прямолинейные главные сварные швы 50, 51 и 50', 51' можно также расположить перпендикулярно к плоскости B-B', проходящей между осями накопителей 20 (фиг.4c).
Это позволяет избежать опасности разрушения, связанной с вышеупомянутым локальным нагревом, за счет распределения тока от одного накопителя 20 к другому по всей ширине перемычки 40.
Главные сварные швы 50, 51 и 50', 51' могут также образовывать угол с плоскостью В-В', проходящей через оси накопителей 20 (фиг.4d-4f).
Их можно располагать в радиальном направлении, то есть вблизи друг от друга на уровне центра крышки 30, при этом расстояние между главными сварными швами 50, 51 и 50', 51' увеличивается по мере приближения к периферии крышки 30 (фиг.4d и 4e).
Это способствует прохождению тока на периферии перемычки 40.
Их можно также располагать на расстоянии друг от друга на уровне центра крышки 30, при этом расстояние между главными сварными швами 50, 51 и 50', 51' уменьшается по мере приближения к периферии крышки 30 (фиг.4f).
Это способствует прохождению тока через центр перемычки 40.
Как показано на фиг.4а-4h и 5, крышку 30 соединяют также сваркой с накопителями 20 вдоль образующих 60 сварного шва.
Как вариант, каждый накопитель можно соединить сваркой с соответствующей крышкой вдоль двух образующих 60 сварного шва или вдоль более чем двух образующих 60 сварного шва.
В некоторых вариантах выполнения, таких как показанный на фиг.4h, каждую крышку 30 соединяют сваркой с соответствующим накопителем 20 вдоль четырех образующих 60 сварного шва, проходящих в радиальном направлении, при этом каждая образующая 60 сварного шва расположена под углом к плоскости B-B', проходящей между осями накопителей 20. В частности, образующие 60 сварного шва, которые должны находиться напротив электрически соединяемого смежного накопителя 20, образуют с плоскостью B-B' угол α, меньший угла β между этой плоскостью B-B' и образующими, наиболее удаленными от соединяемого смежного накопителя 20.
Это позволяет облегчить прохождение тока от одного накопителя 20 к другому и повысить прочность соединения между накопителем 20 и его соответствующей крышкой 30 в зоне прохождения тока.
В других вариантах выполнения, показанных на фиг.4а-4g и 5, каждую крышку соединяют сваркой с соответствующим накопителем вдоль двух образующих 60 сварного шва, проходящих вдоль диаметров крышки 30, ограничивающих участки круга крышки.
Это позволяет упростить операцию сварочного соединения крышек 30 с накопителем 20.
Для обеспечения определенной равномерности крепления крышки с накопителем по всей поверхностью крышки 30 образующие 60 сварного шва могут быть перпендикулярны друг другу (фиг.4а, 4b, 4d-4g и 5), ограничивая квадранты.
Предпочтительно главные сварные швы 50, 51 и 50', 51' можно располагать таким образом, чтобы они не перекрывали образующие 60 сварного шва.
Это позволяет снизить локальный нагрев перемычки 40.
Как вариант, главные сварные швы 50, 51 и 50', 51' расположены в одном 61 из четырех участков 61, 62, 63, 64 крышки, ограниченных образующими 60 сварного шва, независимо от того, имеют ли эти участки одинаковую площадь или нет.
Предпочтительно каждый из других участков 62, 63, 64 крышки может содержать один или несколько дополнительных соответствующих сварных швов 52, 53, 54. Этот сварной шов в дальнейшем будет называться вспомогательным сварным швом.
Это позволяет повысить качество соединения крышки 30 с перемычкой 40.
Как показано на фиг.4а, 4e-4g и 5, каждый другой квадрант 61, 62, 63, 64 может содержать вспомогательный сварной шов 52, 53, 54 в виде четверти окружности, расположенный на периферии крышки 30.
Это позволяет максимально увеличить длину вспомогательных швов 52, 53, 54.
Эти вспомогательные сварные швы 52, 53, 54, показанные на фиг.4b-4d и 4h, могут быть прямолинейными, параллельными, перпендикулярными или образовать угол с плоскостью B-B' по тем же соображениям, что были указаны в связи с главными сварными швами 50, 51 и 50', 51'.
В варианте выполнения, показанном на фиг.6, каждая перемычка 40 выполнена путем наложения друг на друга и сварки контактной сваркой тонких металлических листов, например, из алюминия. Наложенные тонкие листы скрепляют контактной точечной сваркой в сварных точках 41, 42, 43, 44. Предпочтительно эти сварные точки 41, 42, 43, 44 не находятся на одной линии со сварными швами и с образующими сварного шва.
Сварное соединение перемычки с крышкой можно выполнять сквозной лазерной сваркой, например, вдоль утонченных зон на перемычке 40.
Альтернативой сквозной лазерной сварке может быть диффузионная пайка, например, при помощи галлия на всех или на части поверхностей контакта между перемычкой и крышками.
Следует отметить, что предпочтительно сварное соединение перемычек с крышками накопителей, выполняемое в соответствии с настоящим изобретением, позволяет получить полностью скомплектованный модуль либо перед операциями заполнения накопителей электролитом, либо после этих операций, если в крышках и перемычках предварительно выполнены отверстия для заполнения.
Понятно, что в описанные способ и устройство можно вносить многие изменения, не выходя за рамки настоящего изобретения.
В частности, понято, что соединения при помощи перемычек в соответствии с настоящим изобретением можно производить на обеих крышках каждого элемента, а не только на верхней крышке.
Все изменения подобного типа не выходят за рамки объема защиты модуля в соответствии с настоящим изобретением, определенные прилагаемой формулой изобретения.