АВТОНОМНЫЙ АККУМУЛЯТОРНЫЙ МОДУЛЬ НА БАЗЕ ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Полезная модель относится к области энергообеспечения, точнее к средствам аккумулирования электроэнергии, создаваемым на базе перезаряжаемых электрохимических накопителей электроэнергии призматической формы с литий-ионным полимерным электролитом, и предназначена, преимущественно, для использования в транспортном машиностроении в составе энергопитающих комплексов транспортных средств, оснащенных тяговым электроприводом.
Известны средства аккумулирования электроэнергии, например, литий-ионная аккумуляторная батарея (RU №103675, 2011 г.), которая состоит из литий-ионных аккумуляторных ячеек призматической формы, соединенных последовательно в электрическую цепь и отделенных друг от друга и от стенок корпуса батареи диэлектрическими проставками. Аккумуляторные ячейки размещены в выемках сложной формы, выполненных в проставках, которые закреплены на охлаждаемом основании батареи. Все составляющие батареи стянуты силовыми шпильками.
Способ охлаждения аккумуляторных ячеек в этом аналоге не обеспечивает получения равномерного температурного поля на всей их поверхности, т.к. теплообмен осуществляется с малой площади днищ ячеек, а неравномерный нагрев аккумуляторов может приводить к снижению электрической емкости при циклировании (заряд/разряд).
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является аккумуляторный модуль на базе литий-полимерных аккумуляторов с улучшенными условиями теплообмена между ячейками (US №20070037051, 2007 г.), содержащий переднюю и заднюю торцевые пластины и расположенные между ними последовательно соединенные в электрическую цепь однотипные аккумуляторные ячейки призматической формы, каждая из которых размещена в проставке с обеспечением каналов воздушного охлаждения, а также стягивающие шпильки, замыкающие сжимающее усилие на торцевых пластинах. Проставки в нем установлены между аккумуляторными ячейками таким образом, что между двумя соседними ячейками размещено по одной проставке, охватывающей ячейку своими тремя сторонами: фронтальной и двумя боковыми (фиг 3 описания патента) или двумя сторонами: фронтальной и боковой (фиг. 8 описания патента), причем эти стороны проставок содержат несколько выполненных сквозными пазов, которые в собранном аккумуляторном модуле образуют горизонтально расположенные каналы для прохождения охлаждающего теплоносителя.
Однако в собранном аккумуляторном модуле такое конструктивное построение проставок при необходимости обеспечения требуемых прочностных параметров может приводить к довольно значительному перекрытию фронтальных поверхностей аккумуляторных ячеек перемычками между пазами, при этом каналы воздушного охлаждения будут иметь относительно небольшую суммарную площадь проходного сечения - это затруднит циркуляцию воздуха и отвод тепла. Следовательно, несмотря на присутствие каналов воздушного охлаждения, теплоотводящая система в прототипе не способна обеспечить равномерный и достаточный отвод тепла при максимальных электрических нагрузках на аккумуляторный модуль, что следует отнести к основному его недостатку, приводящему к снижению ресурса и надежности работы модуля.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на разработку эффективного автономного аккумуляторного модуля на базе литий-полимерных аккумуляторов, обладающего увеличенным ресурсом и надежностью работы.
Технический результат состоит в улучшении условий охлаждения аккумуляторных ячеек, входящих в состав модуля, путем обеспечения зазоров постоянной величины для вертикального воздушного охлаждения между поверхностями аккумуляторных ячеек и минимизации перекрытия охлаждаемых поверхностей аккумуляторной ячейки проставками.
Технический результат достигается тем, что автономный аккумуляторный модуль, содержащий переднюю и заднюю торцевые пластины и расположенные между ними последовательно соединенные в электрическую цепь однотипные аккумуляторные ячейки, каждая из которых размещена в проставке с обеспечением каналов воздушного охлаждения, а также стягивающие шпильки, замыкающие сжимающее усилие на торцевых пластинах, в отличие от известных аналогов, снабжен дополнительной промежуточной пластиной, размещенной со стороны передней торцевой пластины; установленным на промежуточной пластине электронным блоком для контроля параметров и нивелирования разбалансировки напряжений аккумуляторных ячеек, к которому подсоединены клеммы ячеек; передней крышкой, закрепленной на промежуточной пластине, и задней крышкой, закрепленной на задней торцевой пластине, проставки в нем выполнены в виде разъемного корпусного элемента, составленного из двух пар противолежащих боковых стоек, имеющих разную ширину, определяемую из условия размещения аккумуляторных ячеек с постоянным интервалом между ними, при этом стойки выполнены с верхними и нижними горизонтальными полками и на нижних горизонтальных полках стоек имеются опорные площадки под ячейку, а стягивающие шпильки проходят в отверстиях, предусмотренных в теле боковых стоек корпусов проставок за пределами боковых поверхностей ячеек.
Дополнительное отличие модуля состоит в том, что он содержит установленные на передней крышке внешние клеммы для соединения с потребителем или зарядным устройство, что способствует расширению его функциональных возможностей.
Предлагаемое исполнение элементов крепления аккумуляторных ячеек обеспечивает благоприятные условия для охлаждения каждой аккумуляторной ячейки модуля, достигаемые за счет обеспечения постоянного воздушного зазора между фронтальными поверхностями аккумуляторных ячеек и значительного снижения перекрытия фронтальных поверхностей аккумуляторных ячеек, через которые происходит охлаждение ячеек, в результате чего достигается равномерное распределение температуры на поверхности каждой аккумуляторной ячейки. Это позволяет эффективно использовать аккумуляторные ячейки при высоких зарядно-разрядных токах без риска их перегрева, способного привести к необратимым реакциям, которые могут стать причиной резкого уменьшения ресурса ячеек, или даже их полного выхода из строя.
На представленных чертежах: на фиг. 1 дан общий вид автономного аккумуляторного модуля (изометрическая проекция - разнесенный вид); на фиг. 2 - фрагмент поперечного разреза модуля по оси шпилек (вид с частичным разнесением).
Предлагаемый автономный аккумуляторный модуль содержит последовательно установленные аккумуляторные ячейки 1 призматической формы с литий-ионным полимерным электролитом, переднюю 2 и заднюю 3 крышки модуля.
В проставки, выполненные в виде разъемного корпусного элемента, составленного из двух пар противолежащих боковых стоек 4 и 5, имеющих разную ширину, устанавливаются аккумуляторные ячейки 1, имеющие боковые выступы 6.
Боковые стойки 4 и 5 выполнены с нижними и верхними горизонтальными полками, и на нижних горизонтальных полках пары стоек имеются опорные площадки 7 и 8 под размещение ячейки 1.
Стягивающие шпильки 9, проходящие в сквозных отверстиях 10 и 11 боковых стоек 4 и 5, замыкают усилие резьбового соединения с помощью гаек 12 на передней 13 и задней 14 торцевых пластинах.
В промежуточной пластине 15 расположен электронный блок 16, который предназначен для контроля параметров батареи и нивелирования разбалансировки напряжений аккумуляторных ячеек 1.
Жгут проводов 17 служит для соединения клемм аккумуляторных ячеек 1 с электронным блоком 16.
Внешние клеммы 18 модуля, предназначенные для соединения с потребителем или зарядным устройством, установлены на промежуточной пластине 15.
Передняя 2 и задняя 3 крышки модуля вместе с проставками образуют корпус модуля, защищающий аккумуляторные ячейки от вероятных механических повреждений во время эксплуатации, при этом передняя 13 и задняя 14 торцевые пластины оптимизированы по массе за счет выполненных в них отверстий.
Монтаж модуля начинается с задней торцевой пластины 14, в соответствующие отверстия пластины устанавливаются шесть силовых шпилек 9, которые фиксируются в этой пластине гайками 12, после чего на шпильки 9 надевается пара узких стоек 5 проставки с левой и правой стороны модуля. Затем в установленные узкие стойки 5 помещается первая аккумуляторная ячейка 1, на которую, аналогично установке стоек 5 на шпильках, укладывается пара широких стоек 4 проставки, на которые устанавливается следующая аккумуляторная ячейка 1 и цикл повторяется снова. Различная ширина боковых стоек проставки определяется формой аккумуляторной ячейки и необходимостью размещения аккумуляторных ячеек с постоянным воздушным зазором L (фиг. 2).
В процессе монтажа производится постоянный контроль параллельности расположения боковых стоек 4 и 5 проставок, обеспечивающий точное позиционирование аккумуляторных ячеек 1 модуля, необходимое для надежной электрической коммутации аккумуляторных ячеек 1. После установки на шпильках 9 последней ячейки 1 и передней торцевой пластины 13 шпильки стягиваются с помощью гаек 12. При этом сжимающее усилие шпилек 9 не воздействует на тело аккумуляторной ячейки, а распространяется только на ее выступ 6 (фиг. 2), обеспечивая надежную фиксацию ячеек 1 модуля и гарантированное усилие прижатия стоек 4 и 5 проставок к выступам 6 аккумуляторных ячеек 1. Далее на переднюю торцевую пластину 13 устанавливается промежуточная пластина 15, в которую помещается электронный блок 16 и к нему подсоединяются клеммы аккумуляторных ячеек 1.
После установки крышек 2 и 3 на передней крышке 2 размещаются внешние клеммы 18 модуля, связанные с электропроводящими шинами (на чертежах не показаны), которые последовательно соединяют аккумуляторные ячейки 1 в электрическую цепь.
Работа автономного аккумуляторного модуля разделена на два режима: заряд модуля и его разряд, осуществляемые в штатном режиме.
Тепловая энергия, выделяемая при циклировании аккумуляторных ячеек 1, передается с фронтальных поверхностей ячеек в предусмотренный в модуле воздушный зазор L между ячейками 1. Боковые стойки 4 и 5 проставок формируют вертикальные каналы воздушного охлаждения ячеек 1, не перекрывая их охлаждаемые фронтальные поверхности и не препятствуют конвективному движению воздуха снизу вверх между ячейками 1.
При необходимости, когда конвективного переноса теплоты недостаточно для охлаждения аккумуляторных ячеек 1, модуль может быть оснащен электровентиляторами или прочими источниками подачи воздуха, обеспечивающими принудительную циркуляцию охлаждающего воздуха.
Поскольку, как известно, разбалансировка отдельных аккумуляторных ячеек 1 является отрицательным явлением в работе модуля, приводящим к уменьшению величины рабочего напряжения и уменьшению количества запасаемой энергии, что снижает значение электрической емкости модуля и, соответственно, сокращает запас хода электрического транспортного средства, а основных причин разбалансировки несколько, например: неидентичные характеристики ячеек 1, определяемые отклонениями во время производственного процесса, неодинаковое исходное состояние ячеек 1 перед установкой их в модуль, а также различное температурное состояние ячеек 1, то во время этих режимов очень важен контроль величины разбалансировки аккумуляторных ячеек 1, под которой подразумевается различие в значении оставшегося заряда отдельных ячеек 1.
В предлагаемом модуле при достижении хотя бы одной аккумуляторной ячейкой 1 максимального/минимального значения по величине заряда/разряда ячейки электронный блок 16, получая информацию о состоянии ячеек по жгуту проводов 17, прекращает процесс заряда/разряда в соответствии с требованиями безопасности при эксплуатации аккумуляторных ячеек с литий-ионным полимерным электролитом, которые могут представлять пожароопасность при перезаряде/переразряде, характеризуемом выходом напряжения аккумуляторной ячейки 1 за допустимые пределы.
К тому же благодаря функциональным возможностям блока 16 конкурентным преимуществом предлагаемого автономного аккумуляторного модуля является возможность его самодиагностики, динамической оценки степени заряженности, коррекция выходных характеристик в зависимости как от текущего состояния, так и от прогнозируемого.