Аккумуляторная батарея для электромобилей со встроенным электрообогревателем
BATTERY FOR ELECTRIC VEHICLES WITH BUILT-IN ELECTRIC HEATER

Настоящее изобретение относится к аккумуляторной батарее для электромобиля и аккумуляторному блоку, имеющему встроенный обогреватель, способный нагревать аккумуляторный элемент для стабилизации работы аккумулятора в условиях низкой температуры.
На мировом автомобильном рынке меняется тенденция развития автомобилей с двигателем внутреннего сгорания на электромобили из-за растущих проблем загрязнения окружающей среды, связанных с выхлопными газами, ужесточения международных санкций, перспективы истощения запасов нефти и сохраняющихся высоких цен на нефть. Экологически чистые электромобили становятся мощной альтернативой для устойчивого развития окружающей среды, поскольку они считаются эффективным средством сокращения глобальных выбросов парниковых газов. Более того, из-за давления роста стоимости топлива потребители предпочитают автомобили с меньшими затратами на горючее, поэтому показатели продаж электромобилей и гибридных автомобилей в развитых странах увеличиваются.
Поэтому емкость и эффективность аккумуляторной батареи, которая является ключевым компонентом для работы электромобиля, становятся самым важным фактором для электромобиля, а пробег в соответствии с характеристиками становится большой проблемой. В связи с этим растет интерес производителей автомобилей и потребителей автомобилей к решению данной проблемы.
В обычной аккумуляторной батарее для электромобиля в основном используется свинцовая аккумуляторная батарея, но свинцовая аккумуляторная батарея используется в качестве источника питания автомобиля, и поэтому свинцовая аккумуляторная батарея имеет низкую емкость заряда по сравнению с весом и объемом. В связи с этим в основном используется батарея на основе лития.
Аккумулятор – это устройство, в основном сконфигурированное для замены химической энергии на электрическую. Использование вторичного аккумулятора, который может заряжаться и разряжаться вместе из-за характеристик транспортного средства, является основной предпосылкой.
Однако на химическую реакцию внутри аккумуляторной батареи влияют окружающие условия, такие как общая химическая реакция, и, в частности, температура. Например, в диапазоне высоких температур, где аномальные реакции могут снизить самостабильность и вызвать самоповреждение, может произойти самоповреждение батареи и возгорание транспортного средства.
Напротив, в условиях низкой температуры и холодной атмосферы, когда химическая реакция ухудшается, аккумулятор может не проявлять достаточной эффективности, и в результате управление транспортным средством может быть затруднено.
Литий-ионный аккумулятор наиболее часто используется для электромобиля в Корее с четырьмя четко выраженными временами года, и в связи с этим трудно обеспечить достаточную мощность транспортному средству из-за ухудшения характеристик при низких температурах зимой. Эффективность заряда также снижается, поэтому аккумуляторная батарея не заряжается до ожидаемой емкости, и время зарядки увеличивается. Например, даже при температуре -6°C аккумуляторная батарея не заряжается полностью из-за увеличения сопротивления, а его мощность составляет 50% или меньше из-за деградации мощности, а также если аккумулятор постоянно используется при низкой температуре, срок его службы уменьшается, и вскоре наступает время замены.
Эта проблема усугубляется зимой, когда температура превышает минус десятки градусов по Цельсию в странах высоких широт, таких как Россия, Канада и Северная Европа, что может стать фатальным недостатком эксплуатации автомобилей, которые должны быть доступны в любое время года.
Соответственно, в электромобиле используется средство, такое как обогреватель, способное нагревать батарею с помощью устройства, способного поддерживать температуру батареи в заранее определенном диапазоне, чтобы справиться со снижением эффективности из-за снижения температуры окружающей среды и проблемой эксплуатации автомобиля.
Традиционно используемый метод нагрева батареи может состоять из прямого метода и косвенного метода. В качестве одного из прямых методов используется метод нагрева батареи при основном использовании фазового изменения нагревающей среды в непосредственном контакте с батареей, а в косвенном методе - фазы нагревающей среды. Может быть использован метод нагрева компонента батареи, служащего источником тепла, с помощью преобразования или приложения тепла путем приведения источника тепла батареи в контакт с теплоотводом батареи.
Эти методы являются методами, которые могут быстро нагреть батарею самостоятельно, но при использовании фазового перехода теплоносителя он включает случай, когда материал с фазовым переходом находится в жидком состоянии, поэтому необходимо индуцировать поток или циркуляцию жидкости и теплопередачу в процессе, для чего потребуется использовать дополнительные детали. В целом, возникает проблема в том, что увеличивается объем и вес аккумуляторного блока, усложняется его конструкция, а также может возникнуть проблема утечки жидкого материала в процессе. Утечка может воздействовать на открытые клеммные части в корпусе батарейного блока, вызывая серьезные проблемы, такие как короткое замыкание в батарейном блоке.
Между тем, в литий-ионной батарее, используемой в электромобиле, множество элементов батареи тесно соединены друг с другом, образуя модуль, чтобы обеспечить стабильную емкость. Кроме того, множество модулей объединяются в блок аккумуляторов с достаточной емкостью. В некоторых случаях небольшое количество модулей может быть объединено для формирования субпакета, а субпакеты могут быть объединены для формирования целого аккумуляторного блока. Однако даже в этом случае субпакет можно рассматривать как разновидность батарейного блока.
В батарее электромобиля, включающей этот тип модуля, общий вес увеличен, и для его стабильного размещения и механической защиты используется корпус или кожух.
Кроме того, поскольку батарея электромобиля подвергается вибрации и ударам в зависимости от условий движения транспортного средства, таких как состояние дорожного покрытия, необходимо спроектировать жесткость корпуса, чтобы реагировать на такие вибрации и удары. Если достаточная жесткость против вибрации и ударов не обеспечена, могут возникнуть проблемы деформации, такие как изгиб самого корпуса. Вследствие такой деформации может возникнуть дефектное крепление деталей внутри корпуса, повреждения и проблемы с работой батареи.
Поэтому, когда аккумулятор электромобиля должен быть устойчиво и прочно прикреплен к кузову транспортного средства, используются средства крепления, такие как рама, кронштейн, болт и гайка, чтобы предотвратить легкое отделение модулей, цепей и других частей от их исходных положений, и обеспечить устойчивость к вибрациям и ударам в аккумуляторном блоке.
Однако в модуле электрические клеммы ячейки обычно устанавливаются так, чтобы они были видны сбоку или вверх для простоты подключения, а такие детали, как нагреватели, часто устанавливаются сбоку или сверху аккумуляторного модуля. При креплении модуля батареи к кронштейну винтами для установки модуля в корпус часто приходится работать сверху или сбоку.
В общем, в аккумуляторном блоке крышка устанавливается так, чтобы можно было открыть верхнюю сторону корпуса контейнерного типа, чтобы открыть его, или, открыв боковую сторону корпуса, необходимо установить детали внутрь аккумулятора без необходимости вынимать аккумуляторный модуль или другие внутренние детали из аккумуляторной батареи, чтобы можно было проверить и отремонтировать проводку. Эта конфигурация, естественно, соответствует установке проводных клемм, датчиков, нагревателей, плат управления и других частей, связанных со схемой, сбоку или сверху модуля.
Когда модуль установлен в батарейном блоке, определенная сторона или верхняя сторона, которую легко увидеть снаружи, представляют собой сложную конфигурацию компонентов аккумуляторного блока из-за такой причины установки, что может вызывать взаимные помехи. В частности, в случае аккумуляторов для электромобилей, если количество модулей и количество элементов, составляющих модуль, увеличивается в аккумуляторной батарее, увеличиваются электропроводка для отвода питания автомобиля через их электрическую комбинацию, проводка для различных датчиков проверки состояния ячеек и модулей, цепи управления и проводка для контроля работы ячеек и модулей, в связи с чем скорее всего будут возникать помехи между ними.
Целью настоящего изобретения является создание аккумуляторной батареи для электромобиля, конструкция которой позволяет упростить проверку состояния, а также облегчает процесс решения проблем установки нагревателя элемента батареи в аккумуляторной батарее для электромобиля, и в целом, в возможности упрощения внутренней структуры аккумуляторной батареи.
Целью настоящего изобретения является создание аккумуляторной батареи для электромобиля, имеющей конструкцию, которая может легко повысить тепловую эффективность, когда элемент батареи нагревается для поддержания соответствующей температуры батареи в низкотемпературной среде.
В настоящем изобретении для достижения вышеуказанной цели рассматривается аккумуляторный модуль, в котором объединено множество аккумуляторных элементов, и корпус, в который встроено множество аккумуляторных модулей. Кроме того, предусмотрен аккумуляторный блок для электромобиля, имеющий блок схемы управления для управления аккумуляторным модулем и нагревательную пластину, находящуюся в прямом или косвенном контакте с элементом для нагрева аккумуляторного элемента аккумуляторного модуля.
Нагревательная пластина расположена между днищем корпуса и модулем, при этом нагревательная пластина и модуль поддерживают контакт с помощью собственной нагрузки модуля.
В настоящем изобретении предпочтительно, чтобы между пластиной нагревателя и модулем была установлена термопрокладка из материала, такого, как теплопроводящий силикон, обладающий адгезией, для увеличения адгезии при тепловом контакте.
В настоящем изобретении, в дополнение к использованию собственного веса для поддержания контакта между пластиной нагревателя и модулем, может быть дополнительно предусмотрено простое упругое средство соединения в виде резиновой ленты или пружины.
В настоящем изобретении нагревательная пластина может быть соединена последовательно с выходным терминалом для приведения в движение транспортного средства аккумуляторной батареи для получения электрической энергии для выработки тепла Джоуля.
Согласно настоящему изобретению, нагреватель устанавливается на нижней поверхности, избегая боковой и верхней поверхности батарейного модуля, которые образуют сложную форму для подключения и установки обычной электропроводки, датчика, схемы управления, средств крепления и тому подобного. В целом, внутренняя структура батарейного блока может быть упрощена, а состояние клемм, датчиков и проводки через боковую или верхнюю поверхность может быть проверено легче, чем в известных ранее из уровня техники решениях.
Согласно настоящему изобретению, контакт для передачи тепла между нагревателем и элементом батареи может поддерживаться естественным образом благодаря весу самого модуля батареи без каких-либо сложных устройств или средств для крепления. Общая эффективность нагрева батареи может быть улучшена за счет использования физического явления, при котором высокотемпературный воздух поднимается вверх.
Фиг. 1 и 2 - вид в перспективе и вид в разобранном виде, схематично показывающие конфигурацию аккумуляторного блока, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 - частичный перспективный вид спереди и вид сбоку в поперечном сечении аккумуляторного блока в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 - частичный увеличенный вид, более подробно показывающий расположение и связь аккумуляторного модуля и нагревательной пластины, а также аспект перемещения тепла на виде сбоку в поперечном сечении, согласно Фиг. 3.
Фиг. 5 - вид в перспективе, схематически показывающий упрощенный батарейный модуль, представляющий собой вариант осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 - схематическая структурная концептуальная диаграмма для иллюстративного объяснения формы и способа расположения элемента батареи и нагревателя в модуле батареи.
Фиг. 7 - вид в перспективе пластины нагревателя, по существу, такой же, как пластина нагревателя, представляющая собой вариант осуществления настоящего изобретения, с верхней и нижней сторон.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно на конкретных примерах его осуществления со ссылкой на чертежи.
Фиг. 1 и 2 представляют собой вид в перспективе и вид в разобранном виде, схематично показывающие конфигурацию аккумуляторного блока в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Батарейный блок, снабженный нагревателем, схематично представляет собой корпус (600), модуль батареи (100), обогреватель, имеющий пластину нагревателя (300) и разъем нагревателя (803), тепловую прокладку (400), крышку модуля (804), Он выполнен с крышкой (800), и, если смотреть схематично, два модуля батареи размещены в корпусе контейнерного типа с открытой верхней частью и закрыты крышкой.
Фиг. 3 представляет собой вид спереди и вид сбоку в поперечном сечении, рассматриваемый сбоку, при этом перспективно показана часть спереди этого варианта осуществления изобретения, а Фиг. 2 представляет собой частичный увеличенный вид для более подробного объяснения положения и взаимосвязи между элементами и корпусом (600).
Ссылаясь на эти чертежи, нагревательная пластина (300) установлена на днище корпуса (601) или на нижней поверхности, тепловая прокладка (400) установлена на нагревательной пластине (300), на ней установлен модуль батареи (100), где видно, что тепловая прокладка (400) находится в прямом контакте с увеличенной частью теплоотвода (101) модуля батареи (100).
Части источника тепла (302 и 303) нагревательной пластины (300), тепловая прокладка (400) и увеличенная часть (101) нагревателя, открытая на нижней торцевой поверхности батарейного модуля (100), естественным образом прижимаются весом батарейного модуля. Для того чтобы сохранить это состояние, корпус должен быть снабжен опорной пластиной, составляющей нижнюю часть (601) корпуса.
Если нижняя часть провисает, пластина нагревателя также провисает и может провалиться между модулем батареи и модулем батареи. Предпочтительно сформировать на пластине каркасную структуру для предотвращения провисания днища, и эта каркасная структура может быть сформирована путем сгибания части дна или добавления кронштейна.
На задней (нижней поверхностной) части пластины нагревателя расположена изолирующая губка (301) для повышения эффективности нагрева аккумуляторного элемента (200) модуля путем предотвращения утечки тепла частей (302 и 303) источника тепла нагревателя через дно корпуса (601) или прикреплена изолирующая пенопластовая прокладка.
Силовая линия (501) нагревателя собрана путем двойной изоляции с помощью изолирующей гильзы, причем гильза предпочтительно изготовлена из волокнистого материала с силиконовым покрытием, обладающего превосходной термостойкостью и сопротивлением напряжению. В пространстве между корпусом (600) и батарейным модулем (500) прокладывается силовая линия нагревателя (501), покрытая гильзой (Фиг. 3).
Разъем (803), который выводится через отверстие между крышкой модуля (804) и крышкой батарейного блока (800) в верхней части батарейного блока, установлен на конце линии питания нагревателя, чтобы обеспечить простой ввод питания (Фиг. 2).
На Фиг. 4 тепло, выделяемое пластиной нагревателя (300), передается на увеличенный теплоотвод (101), который представляет собой нагревательную структуру модуля, через термопрокладку (400), и теплоотвод (201) расположен в поверхностном контакте с элементом (200). Способ передачи показан стрелками.
Структура передачи тепла между модулем и нагревательной пластиной будет описана более подробно со ссылкой на Фиг. 5-7.
Во-первых, рассматривая конфигурацию модуля, подходящего для аккумуляторного блока для электромобиля настоящего изобретения со ссылкой на Фиг. 5 и 6, в данном случае отдельные «мешочные» ячейки объединены для формирования аккумуляторного модуля в общем виде.
В общем, минимальная структурная единица, способная заряжаться и разряжаться, имеющая энергию для изготовления батареи, выражается как ячейка, а батарея с желаемыми характеристиками, то есть блок батарей, изготавливается путем объединения этих ячеек. В данном случае аккумуляторный блок изготавливается путем последовательного и параллельного соединения нескольких «мешочных» ячеек, представляющих собой разновидность вторичного литий-ионного полимерного аккумулятора. Поскольку он обычно хорошо известен, данная часть подробно не рассматривается и не заявляется.
Для формирования аккумуляторного модуля тонкий периметр или уплотнительная часть отдельных «мешочных» ячеек (200) помещается между левой вспомогательной (111) и правой рамой (113), образуя одну отдельную раму в форме четырехугольной рамы, и закрепляется, так что отдельная рама образует ячейки в сборе вместе с мешочными» ячейками. В этом случае в сборке чехла обе поверхности большой площади ячейки (200) открыты, а электродные выводы (202) ячейки (200) открыты через зазор между левой и правой подрамниками спереди и сзади ячейки.
Теплоотвод (201), изготовленный из алюминиевой пластины с отличной теплопроводностью, расположен между двумя сборами ячеек, и теплоотвод (201) может обмениваться теплом, контактируя с поверхностями большой площади ячеек в сборе (левой и правой боковых поверхностей) двух соседних мешочных» ячеек. Передний конец алюминиевой пластины выведен вперед через зазор между двумя соседними отдельными рамами и имеет увеличенную часть (101) с увеличенной площадью для повышения эффективности теплообмена с нагревателем.
Увеличенная часть (101) может быть сформирована в Т-образной или L-образной форме на виде в плане или на виде горизонтального плоского поперечного сечения, при этом увеличенная часть (101) может быть сформирована путем сгибания части алюминиевой пластины, контактирующей с ячейками в сборе, или иметь форму с самого начала, когда алюминиевая пластина отливается под давлением.
Множество ячеек в сборе расположены и перекрываются слева и справа. Поэтому лицевые стороны большой площади обращены друг к другу. Множество отдельных рамок пакета в сборе также расположены с левой и правой сторон. Отдельные рамы имеют сквозные отверстия, проходящие через отдельные рамы в левом и правом направлениях. Oдин длинный болт проходит через эти отверстия. А на конце болта набита гайка, поэтому множество ячеек в сборе образуют аккумуляторный модуль.
Для защиты аккумуляторного модуля на левом и правом концах множества расположенных в сборе чехлов установлена защитная панель в форме пластины. Защитная панель также имеет сквозные отверстия, совмещенные со сквозными отверстиями отдельных рам, так что они могут быть соединены вместе с множеством сборок ячеек с помощью болтов и гаек.
Хотя электродная клемма «мешочных» ячеек здесь не показана, она соединена с частью схемы для модуля батареи, которая является соединителем с BMS и в основном составляет часть BMS через общий провод или провод типа FPCB. Элемент схемы для батарейного модуля может быть установлен на крышке, которая полностью или частично закрывает множество ячеек в сборе в верхней части батарейного модуля.
Таким образом один обогреватель (радиатор) может быть установлен между двумя ячейками, или же по одному радиатору может быть установлено между всеми ячейками в количестве, подходящем для передачи тепла в соответствии с потребностями окружающей среды и условиями нагрева.
Когда два батарейных модуля помещаются в корпус в форме контейнера, их можно устойчиво зафиксировать в корпусе с помощью фиксирующего кронштейна, панели или рамы и соединительных средств в корпусе. При этом клеммы электродов батареи совместно соединяются последовательно и параллельно с электрическими клеммами для внешнего источника питания аккумуляторной батареи и электрическими клеммами BMS.
Хотя это и не проиллюстрировано здесь ясно, нагревательный провод пластины нагревателя может получать питание от линии электропередачи батареи для выработки тепла, и в этом случае пластина нагревателя может быть в конечном итоге электрически соединена с электрическим выводом элемента батареи.
Использование такой пластины нагревателя с электрическим нагревом в качестве средства нагрева элемента батареи может значительно упростить внутреннюю структуру по сравнению с обычным методом, использующим фазовый переход нагревательного элемента, а линия питания для питания батареи используется непосредственно последовательно для работы. Это может привести к упрощению конструкции обогревателя, упрощению общей конфигурации аккумуляторной батареи и уменьшению увеличения объема и веса аккумуляторной батареи из-за компонентов.
Конечно, в этом случае используются средства блокировки тока, такие как термостат, предохранитель, которые могут предотвратить перегрев пластины нагревателя, а также средства контроля тока, такие как датчик тока, подключенный к BMS.
Что касается использования термопрокладки (400), то нагревательная пластина (300) обычно изготавливается из теплопроводящего жесткого тела, включающего нагревательный элемент, который вырабатывает тепло путем преобразования тока батареи в тепло Джоуля, а увеличенная часть (101) алюминиевой пластины, представляющая собой теплоотвод (201), также представляет собой тело большой жесткости. Если обе контактные поверхности не очень ровные, то при контакте легко возникает плавающая часть, и в этой части образуется тонкий воздушный слой, что снижает эффективность теплопроводности.
Поэтому предпочтительно использовать мягкую термопрокладку, которая гарантирует адгезию между увеличенной частью (101) и пластиной нагревателя (300), таким образом она частично деформируется при небольшом давлении и заполняет зазор для облегчения теплопроводности между ними. В качестве термопрокладки (400) обычно используется кремниевая прокладка с отличной теплопроводностью. В данном случае силиконовая прокладка обладает клейкостью, поэтому она может быть хорошо соединена с нагревательной пластиной (300) и увеличенной частью (101) без отдельных вспомогательных средств.
Термопрокладка (400) также служит для предотвращения теплового выброса. То есть, если нагреватель не находится в контакте с теплопередающим материалом (приёмник отводимого тепла), тепловой разгон предотвращается путем нанесения тепловой прокладки (400) из силиконового материала, который является гибким и обладает отличной способностью к теплопередаче, на поверхность неровного теплопередающего металлического материала, поскольку это создает опасность из-за теплового разгона самого нагревателя.
Если ссылаться на Фиг. 7, пластина-нагреватель, которая в данном варианте осуществления изобретения является устройством для преобразования электричества в тепло и содержит корпус пластины-нагревателя, включающий источники тепла 302 и 303 с одной стороны, и источник тепла, получаемый от источника тепла при установке на противоположной стороне. Прокладка из вспененной синтетической смолы или теплорассеивающая губка (301), которая блокирует передачу тепла, одновременно предотвращая и поглощая вибрационный удар и шум, прикреплена к противоположной стороне источника тепла нагревателя (302, 303) посредством силиконового литья. Устройство, блокирующее нагреватель от повышения температуры выше заданной, снабжено термопротектором или термомуфтой (305).
В продольной центральной боковой канавке (308) пластины нагревателя (300) установлены линия питания (304) нагревателя и линия питания (304), отходящая от термомуфты (305), а на конце предусмотрен разъем (803). Он собран таким образом, чтобы сборка ответного элемента была легкой, и он сконфигурирован для изоляции.
Хотя это не показано в приведенном выше варианте осуществления изобретения, в корпусе, согласно варианту осуществления изобретения, может быть дополнительно установлена простая дополнительная конфигурация, такая как эластичная лента или пружина для прижима батарейного модуля в целом к термопрокладке. Такая конфигурация упругого корпуса обеспечивает простое и надежное крепление по сравнению с массивным крепежным средством, таким как болт или гайка, и такой конфигурацией, как скоба для крепления, и является выгодной с точки зрения веса или с точки зрения предотвращения усложнения внутренней конфигурации, и используется вместе с теплорассеивающей губкой тепловой прокладки или нагревательной пластины. Она также может служить для подавления вибрации и ударов.
Согласно конфигурации варианта осуществления настоящего изобретения, описанной выше, теплопередача может стабильно поддерживаться за счет сохранения тесной связи между термопрокладкой, пластиной нагревателя и аккумуляторным модулем без отдельной структуры для прочной связи с использованием веса самого аккумуляторного модуля. Поскольку пластина нагревателя расположена внизу, тепло, генерируемое бесконтактной поверхностью, также поднимается вверх, нагревая окружающий воздух, и в процессе подъема оно также может служить для нагрева элементов батареи в модуле батареи в целом.
Поскольку использование нагревателя обычно может осуществляться без ударов или вибрации из-за движения на этапе запуска электромобиля, нет необходимости соединять нагреватель, термопрокладку и модуль с помощью прочного винтового соединения. В результате может произойти износ и повреждение, и эта проблема может быть уменьшена в настоящем изобретении.
Выше настоящее изобретение было описано со ссылкой на ограниченные примеры, но настоящее изобретение не ограничивается этими конкретными примерами осуществления.
Соответственно, специалисты в области техники, к которой относится настоящее изобретение, смогут сделать различные изменения или примеры применения на основе настоящего изобретения, и естественно, что такие изменения или примеры применения относятся к прилагаемой формуле изобретения.