ТЕРМОСТАТИРОВАННАЯ БАТАРЕЯ

Область техники
Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к конструкции систем для охлаждения и подогрева литий-ионных аккумуляторных батарей, которые могут быть использованы в электромобилях, электробусах, а также в других областях энергетики.
Уровень техники
Из уровня техники известен ряд устройств для термостатирования аккумуляторных батарей.
Известно изобретение (патент RU 2722217 В60Н 1/00 «Система термостатирования батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля»), в котором раскрыта система термостатирования батарейного модуля.
В известном решении контур охлаждения построен на принципе циркуляции охлаждающей жидкости и охлаждения в радиаторе с обдувом вентилятором, подогрев обеспечивается от ДВС или предпускового подогревателя.
К недостаткам известного решения можно отнести то, что в нем не предусмотрен контур охлаждения, использующий фреон, что делает его менее эффективным. Также использование подогрева от ДВС делает менее эффективным процесс подогрева и не позволяет применять данную систему для электромобилей и электробусов.
Известно изобретение (патент 2700158 B60K 11/02; F01P 3/20 «Устройство термостатирования агрегатов электромобиля»), касающееся системы термостатирования агрегатов электромобиля, включая аккумуляторную батарею.
Описываемое решение имеет в составе механические краны, что исключает возможность полностью автоматизированного процесса управления данной системой.
Известное изобретение (патент 2558657 H01M 10/00 «Теплозащищенная литий-ионная аккумуляторная батарея»), которое не содержит решений по охлаждению батареи при высоких температурах и высоком тепловыделении при работе батареи, что не позволяет использовать его в широком диапазоне температур.
Известно решение (патент на полезную модель 202152 B60L 58/26 B60L 58/27 «Устройство термостатирования тяговых батарей»), отличительной особенностью является отсутствие модульности данного решения и эффективных решений по выравниванию градиента температур в структуре батареи, что в целом снижает надежность эксплуатации батарей.
Известно решение (патент RU 2713618 Н01М 2/10 «Автомобильная аккумуляторная батарея»), в котором на противоположных боковых стенках модуля аккумуляторной батареи, между теплоотводом и нижней стороной модуля аккумуляторной батареи расположена теплопроводящая прокладка, которая термически соединяет модуль аккумуляторной батареи с теплоотводом.
Однако данное решение имеет низкую эффективность по управлению охлаждением и не способно обеспечить равномерность градиента температуры в объеме батарейного модуля.
Предложенная полезная модель направлена на преодоление отмеченных недостатков уровня техники и при своем осуществлении позволяет обеспечить решение технической задачи по обеспечению возможности поддержания оптимального температурного режима литий-ионной аккумуляторной батареи в широком температурном диапазоне окружающей среды.
Технический результат полезной модели достигается за счет применения решений, способствующих эффективному выравниванию градиента температур аккумуляторных ячеек.
Раскрытие полезной модели
Для достижения указанного выше, а также иных технических результатов, следующих из описания, предлагается термостатированная батарея, содержащая теплоизолированный корпус, внутренняя часть которого содержит литий-ионные блоки, включающие пластины теплосъема, примыкающие к каждой литий-ионной ячейке, плиты термостатирования с каналами для соединения с трубопроводами циркуляции жидкого теплоносителя, причем плиты термостатирования каждого литий-ионного блока выполнены с переменным сечением каналов с увеличением площади сечения от периферии к внутренней части блока.
Осуществление полезной модели
Для более полного понимания сущности полезной модели в описании даны отсылки на позиции поясняющих чертежей, согласно которым представлены
фиг. 1 - система термостатирования батареи;
фиг. 2 - литий-ионный блок с плитами термостатирования.
Характеристики и работоспособность литий-ионных аккумуляторных батареи напрямую зависят от температуры их эксплуатации. Эксплуатация и хранение литий-ионных аккумуляторных батарей при повышенных и особенно пониженных температурах, даже в границах рабочего диапазона, резко негативно сказывается на их основных характеристиках, таких как емкость, рабочие токи заряда и разряда, и прочих характеристиках, включая ресурс. А при пониженных температурах (до -40°С), как правило, невозможно использовать литий-ионные аккумуляторные батареи, и как следствие эксплуатировать электромобили, электробусы и другие решения, в которых данные батареи используются как основной источник электрического питания.
Согласно фиг. 1 предложенная полезная модель предназначена для функционирования в составе системы термостатирования, которая состоит из внутренней и внешней части, а также модуля управления с микропроцессорным управлением (не показан). Внутренняя часть (часть литий-ионной батареи 1) содержит литий-ионные блоки 2, включающие пластины теплосъема, примыкающие к каждой литий-ионной ячейке, плиты термостатирования с каналами и систему трубопроводов 3 и 4 для циркуляции жидкого теплоносителя, теплоизоляцию корпуса батареи (не показана), а также датчики температуры 5 и электрически управляемые краны 6.
Внешняя часть содержит два контура: контур, включающий расширительный бачок 7, электрический проточный нагреватель 8, помпу 9, трехходовой электрически управляемый кран 10, теплообменник жидкость-газ 11, систему трубопроводов и жидкий теплоноситель; а также контур, включающий электрический компрессор 12, осушитель 15, расширительный клапан 17, датчик давления газа 16, радиатор 13 с вентилятором 14, а также систему трубопроводов с газообразным теплоносителем, например, фреоном.
Отличительными особенностями полезной модели является наличие в объеме батареи плит термостатирования каждого литий-ионного блока с переменным сечением (S) каналов в пределах 20% (фиг. 2). Причем площадь сечения увеличивается от периферии к внутренней части блока.
Технический результат полезной модели достигается за счет применения решений, способствующих эффективному выравниванию градиента температур аккумуляторных ячеек.
В дополнительном варианте осуществления система трубопроводов внутренней части блока батареи выполнена по двухтрубной схеме и имеет подпорную магистраль 4, при этом площадь поперечного сечения равна 0,45 от площади поперечного сечения основной магистрали подачи 3. Данное значение является оптимальным и определено экспериментально, при этом при меньших значениях выравнивание градиента температур будет незначительно, а при больших значениях будет происходить эффект обратного течения жидкости в основной магистрали, что не является допустимым.
Площадь сечения каналов плит термостатирования может различаться в пределах 20% в зависимости от компоновки батареи, при этом центральные плиты термостатирования имеют большую площадь сечения по сравнению с периферийными, что в совокупности обеспечивает выравнивание градиента температур между отдельными литий-ионными ячейками в объеме батареи.
Внешняя часть системы термостатирования может быть выполнена как в модульном исполнении в едином корпусе на единой рамной конструкции, так и в декомпонизированном, что обеспечивает широкие возможности по конструированию и компоновке отсеков электромобилей, электробусов и прочих применений.
При этом возможно решение по компоновке нескольких аккумуляторных батарей с параллельным гидравлическим подключением и внешней системы термостатирования.
Полезная модель функционирует следующим образом.
Микропроцессорный модуль управления на основе данных от датчиков температуры и давления обеспечивает автоматическое управление помпой, электрическим проточным нагревателем, трехходовым электрически управляемым клапаном и электрическим компрессором. При этом при низких температурах окружающей среды трехходовой клапан оказывается закрытым относительно контура системы термостатирования, обеспечивающего охлаждение - контура с фреоном, электрический нагреватель обеспечивает нагрев и поддержание температуры жидкого теплоносителя в оптимальном диапазоне. При высоких температурах окружающей среды, а также при избыточном тепловыделении литий-ионных ячеек трехходовой клапан оказывается открытым относительно контура системы, обеспечивающего охлаждение, и посредством работы электрического компрессора, вентилятора и прочих компонентов происходит охлаждение жидкого теплоносителя в теплообменнике в оптимальном температурном диапазоне.
Таким образом, благодаря применению решений, способствующих эффективному выравниванию градиента температур аккумуляторных ячеек, обеспечивается поддержание оптимального температурного режима литий-ионной аккумуляторной батареи в широком температурном диапазоне окружающей среды, и, следовательно, надежности эксплуатации батарей.