БЛОК ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
BLOCK OF LITHIUM-ION BATTERIES FOR ACCUMULATOR BATTERIES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к накопителям энергии, используемым в тяговых аккумуляторах.
Уровень техники
Из уровня техники известна батарея (RU 2477548, Н01М 2/10, 10.03.2013), состоящая из множества цилиндрических или призматических ячеек, которые расположены рядом друг с другом.
Недостатком данного аналога является невозможность обеспечения эффективного пассивного охлаждения и взрыво-пожаробезопасности блока литий-ионных аккумуляторов.
Из уровня техники известна батарея литий-ионных аккумуляторов (RU 125394, Н01М 10/00, 27.02.2013), содержащая контейнер, блок электрически соединенных между собой параллельно-последовательно литий-ионных аккумуляторов, размещенный в контейнере.
Недостатком данного аналога является невозможность обеспечения эффективного пассивного охлаждения и взрыво-пожаробезопасности блока литий-ионных аккумуляторов, возможность термального разгона аккумуляторов при проколе одного или нескольких из них, низкие срок службы и номинальная емкость блока.
Раскрытие изобретения
Техническая задача заключается в разработке взрыво-пожаробезопасного устройства с пассивным охлаждением, с увеличенным сроком службы и повышенной номинальной емкостью.
Технический результат заключается в повышении эффективности пассивного охлаждения и обеспечении взрыво-пожаробезопасности блока литий-ионных аккумуляторов, в исключении термального разгона аккумуляторов при проколе одного или нескольких из них, в увеличении срока службы и номинальной емкости блока.
Технический результат достигается за счет того, что блок литий-ионных аккумуляторов для аккумуляторных батарей содержит корпус, аккумуляторные ячейки, параллельно установленные внутри корпуса, при этом корпус выполнен из однородной композиции, содержащей следующее соотношение компонентов, мас. %: теплопроводящий пластик - 93, теплопоглощающие компоненты с изменяющееся фазой - 5, антипирены - 2.
В корпусе блока установлен композитный медно-никелевый лист с выполненным в нем плавкими предохранителями, приваренный к каждой аккумуляторной ячейке через упомянутые плавкие предохранители.
Блок выполнен на основе ячеек формата 18650.
Краткое описание чертежей
На фигуре показан блок литий-ионных аккумуляторов.
На фигуре цифрами обозначены следующие позиции:
1 - Корпус из композиции теплопроводящего пластика, теплопоглощающих компонентов с изменяющейся фазой и антипиренов;
2 - Крышка из композиции теплопроводящего пластика, теплопоглощающих компонентов с изменяющейся фазой и антипиренов;
3 - Токовывод;
4 - Плавкий предохранитель;
5 - Аккумуляторная ячейка;
6 - Медно-никелевый лист.
Прилагаемый чертеж включен сюда с тем, чтобы перечисленные выше признаки, преимущества и объект изобретения стали очевидными и могли быть поняты в деталях. Данный чертеж является частью подробного описания. Однако следует отметить, что прилагаемый чертеж лишь иллюстрирует предпочтительное осуществление изобретения и его не следует рассматривать как ограничение объема притязаний изобретения.
Осуществление изобретения
Блок литий-ионных аккумуляторов, выполненный, например, на основе ячеек формата 18650 - NCR18650BD2 (литий никель кобальт алюминий) для тяговых аккумуляторных батарей, состоит из не менее 70 (например, 77) параллельно соединенных ячеек 5. Аккумуляторные ячейки 5 установлены в корпусе 1 из однородной композиции, содержащей теплопроводящий пластик (93 мас. %), теплопоглощающие компоненты с изменяющейся фазой (5 мас. %) и антипирены (до 2 мас. %). Композиция является диэлектриком и хорошим проводником тепла (более 12 Вт/(м⋅K)), что позволяет распределить температуру между ячейками внутри блока и не позволяет образовываться локальным тепловым пятнам. Применение теплопроводящего пластика позволяет максимально эффективно использовать пассивное охлаждение аккумуляторов, не прибегая к сложным принудительным системам охлаждения, а применение в составе антипиренов позволяет минимизировать возможность возгорания блока в непредвиденных ситуациях (соответствует классу горючести UL94-V0).
Для уменьшения тепловых потерь при передаче энергии для соединения ячеек 5 используется композитный медно-никелевый лист 6 (содержание меди 80 мас. %) с токовыводом 3 и плавким предохранителем 4. Композитный медно-никелевый лист 6 выполнен из листов меди и никеля прессованием при высокой температуре, что позволяет уменьшить общее удельное сопротивление композиции.
Плавкий предохранитель 4 предусмотрен на каждую ячейку для экстренных случаев (короткого замыкания ячейки), который разрывает электрическую цепь между отдельным элементом и всей сборкой при нештатных ситуациях.
Композитный медно-никелевый лист 6 при помощи контактной, или лазерной, или плазменной сварки приварен к ячейкам через плавкий предохранитель, выполненный в листе, например, фрезеровкой.
Плавкий предохранитель 4 может быть выполнен, например, из никеля, а токовывод 3, например, из меди. Токовывод и предохранитель являются частью медно-никелевого листа.
Корпус 1 блока по сути представляет собой матрицу из однородной композиции, состоящую из двух одинаковых половинок, в которой неподвижно установлены аккумуляторные ячейки 5. С внешней стороны каждой половинки, сверху неподвижно закрепленных в матрице ячеек 5, установлен медно-никелевый лист 6 с плавкими предохранителями и токовыводом, приваренный к ячейкам через плавкие предохранители, поверх всего крышки 2, выполненные из той же композиции, что и матрица. Все разъемные части корпуса блока могут быть соединены между собой широко известными крепежными элементами, например болтами, винтами, штифтами и пр.
В качестве теплопоглощающих компонентов с изменяющейся фазой выступают, например, воскосодержащие компоненты, в качестве антипиренов выступают, например, фтор(хлор, бром)содержащие смеси.
Вышеописанный вариант осуществления является только лишь предпочтительным вариантом осуществления изобретения и не может быть трактован как ограничивающий объем притязаний формулы изобретения.
∧
Эффективное пассивное охлаждение блока литий-ионных аккумуляторов достигается за счет применения композиции из теплопроводящего пластика, теплопоглощающих компонентов с изменяющейся фазой и антипиренов в качестве матрицы держателя для ячеек и крышек. Теплопроводность такой композиции более 12 Вт/м⋅К, при этом она обладает диэлектрическими свойствами - удельное поверхностное электрическое сопротивление 1⋅108 Ом⋅см.
На практике это показало, что даже при многократно увеличенной нагрузке до 6С по сравнению с допустимой 3С, температура ячеек не превысила 60°С при температуре окружающего воздуха 25°С, что является допустимым безопасным тепловым максимумом для этих аккумуляторов. В обычном эксплуатационном режиме (до 3С включительно) температура ячеек не превышает 40°С.
Взрыво-пожаробезопасность блока литий-ионных аккумуляторов и отсутствие термального разгона аккумуляторов при проколе одного или нескольких из них при отсутствии активного охлаждения достигается за счет того, что прокол одного из аккумуляторов не ведет к термическому разгону соседних аккумуляторов (при проколе одного из аккумуляторов происходит мгновенный выброс энергии), что достигается путем быстрого и равномерного распределения тепловой энергии в толще теплопроводного пластика. Распространению огня препятствует наличие антипирена в составе пластиков, а наличие теплопоглощающих компонентов с изменяющейся фазой обеспечивает значительное увеличение теплоемкости материала, что в свою очередь позволяет отводить излишки температуры от ячеек в пиковые моменты нагрузки или при тепловом разгоне без разрушений.
Для предотвращения распространения огня к ячейкам могут быть выполнены канавки в стенках со стороны положительного полюса ячеек.
Повышенный ресурс службы (циклов заряд/разряда) по сравнению с аналогами достигается за счет того, что для литий-ионных аккумуляторов (например, NCR18650BD2) срок службы составляет 500 циклов до падения емкости на 20%. Обеспечение оптимального теплового режима и ограничений по заряду и разряду в пределах 2,9 и 4,0 В позволило продлить срок службы более чем до 1000 циклов, при этом конечная емкость составляет не менее 166 А⋅ч (падение емкости 17%).
Заявленный блок был испытан в лаборатории при ФТИ им. А.Ф. Иоффе, а также международной лаборатории AVL.
В ходе экспериментов была проверена защита от КЗ (блок выдержал краткосрочную нагрузку в 2500 А, что составило 12С, предохранитель на отдельной ячейке перегорел при 50 А меньше чем за 1 с, при этом был способен выдерживать долгосрочно ток 20 А), внутреннее сопротивление блока не более 0,36 мОм. Прокол ячеек аккумулятора не вызвал термического расширения соседних ячеек к проколу. При проколе одного из аккумуляторов происходил мгновенный выброс энергии из положительного токовывода ячейки, при этом все остальные части блока остались термостабильными - возгорание блока не возникло.
Последний момент является самым значимым, аналогичные испытания с проколом аккумуляторов проводились компанией Tesla, прокол их автомобильного аккумулятора вызвал общий пожар аккумулятора.
Применение заявленного решения из вышеуказанной композиции позволяет равномерно распределить температуру между аккумуляторами внутри блока без применения специализированных радиаторов и принудительных систем охлаждения. Весь корпус является эффективным радиатором с высокой теплоемкостью и способен выдерживать продолжительное воздействие высоких температур, позволяет существенно увеличить безопасность сборок аккумуляторов на основе литий-ионных ячеек.