УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ

Полезная модель относится к электротехнической промышленности. Она может быть использована при разработке и эксплуатации больших литий-ионных аккумуляторных батарей, применяемых преимущественно в электромобилях.
В электромобиле, оснащенном тяговым электродвигателем, установлено устройство накопления электроэнергии большой емкости. Аккумуляторная батарея, используемая в устройстве накопления электроэнергии, выделяет тепло всякий раз, когда происходит ее заряд или разряд. Кроме того, аккумуляторная батарея должна допускать свою эксплуатацию при внешних отрицательных температурах. Однако повышение и понижение температуры аккумуляторов аккумуляторной батареи сопровождается неблагоприятными последствиями, такими как ухудшение ее технических характеристик, сокращение срока службы, снижение эффективности работы батареи и ее надежности.
Для того чтобы обеспечить температуру аккумуляторов, близкую к оптимальной, применяются различные технические средства для охлаждения или нагрева внутреннего объема корпуса батареи.
Из уровня техники известно устройство термостатирования аккумуляторных батарей, охладитель в котором выполнен на основе компрессорной установки (см. RU 2483399 С1, публ. 27.05.2013 г.).
Известно применение для охлаждения аккумуляторной батареи термоэлектрических элементов, в основе работы которых лежит использование эффекта Пельтье (см. US 2014/0072844 А1, публ. 13.03.2014 г.; CN 103972603 А, публ. 06.08.2014 г.; US 2011287285 А1, публ. 24.11.2011 г.).
В качестве ближайшего аналога (прототипа) принято устройство автоматического поддержания теплового состояния аккумуляторной батареи, состоящей из аккумуляторных ячеек, размещенных в теплоизолированном герметичном корпусе. Устройство содержит теплообменник, встроенный в стенку упомянутого корпуса и состоящий из термоэлектрического модуля Пельтье и расположенных по разные его стороны внешнего и внутреннего радиаторов. Около внутреннего радиатора установлен вентилятор с электрическим приводом. Вход термоэлектрического модуля Пельтье подключен через фильтр, широтно-импульсный преобразователь, усилитель к элементу сравнения, подключенному своим первым входом к задатчику температуры, а вторым, инвертирующим входом, к выходу сумматора, к входу которого подключены датчики температуры аккумуляторных ячеек (см. патент №159469, опубл. 10.02.2016 г.). Однако в этом устройстве при подаче токов с аккумуляторной батареи возможны локальные перегревы внутри аккумуляторных ячеек, имеющих относительно большую теплоемкость. Кроме того, при повышении точности поддержания температуры внутри теплоизолированного герметичного корпуса в системе стабилизации теплового состояния аккумуляторной батареи возможно возникновение автоколебаний. Следствием всего этого является снижение ресурса работы аккумуляторной батареи, повышенный расход энергии системой стабилизации и снижение ресурса работы модуля Пельтье.
При создании устройства автоматической стабилизации теплового состояния аккумуляторной батареи решалась задача повышения рабочего ресурса аккумуляторной батареи и модулей Пельтье, снижение расхода энергии, затрачиваемой на поддержание требуемой температуры.
Технический результат, обеспечиваемый заявленной полезной моделью, заключается в повышении эффективности работы аккумуляторной батареи, ее надежности, а также в достижении высокой точности поддержания оптимальной температуры ячеек аккумуляторной батареи.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство автоматической стабилизации теплового состояния аккумуляторной батареи, состоящей из аккумуляторных ячеек, размещенных в теплоизолированном герметичном корпусе, содержит теплообменник, встроенный в стенку упомянутого корпуса и состоящий из термоэлектрического модуля Пельтье и расположенных по разные его стороны внешнего и внутреннего радиаторов, около внутреннего радиатора установлен вентилятор с электрическим приводом, в аккумуляторных ячейках расположены датчики температуры этих ячеек, подключенные к входам первого сумматора, выход которого подключен к первому входу второго сумматора, ко второму входу второго сумматора подключен задатчик температуры, а к третьему его входу через формирователь модуля сигнала подключен датчик электрического тока в аккумуляторной батарее, к выходу второго сумматора через усилитель, широтно-импульсный преобразователь и фильтр подключен термоэлектрический модуль Пельтье.
При таком выполнении устройства автоматической стабилизации теплового состояния аккумуляторной батареи существенно уменьшается вероятность возникновения локальных перегревов в ячейках аккумуляторной батареи за счет упреждающего изменения режима работы устройства и повышаются динамические характеристики процесса стабилизации оптимальной температуры. В результате повышается эффективность работы аккумуляторной батареи, ее надежность и достигается высокая точность поддержания оптимальной температуры ячеек аккумуляторной батареи.
Устройство автоматической стабилизации теплового состояния аккумуляторной батареи, состоящей из аккумуляторных ячеек 1, размещенных в теплоизолированном герметичном корпусе 2, содержит теплообменник 3, встроенный в стенку корпуса 2. Теплообменник 3 состоит из термоэлектрического модуля 4 Пельтье и расположенных по разные его стороны внешнего и внутреннего радиаторов 5, 6 соответственно. Около внутреннего радиатора 6 установлен вентилятор 7 с электрическим приводом. Вход термоэлектрического модуля 4 Пельтье подключен через фильтр 8, широтно-импульсный преобразователь (ШИП) 9, выполненный по мостовой схеме, усилитель 10 к выходу сумматора 11. Первый, инвертирующий, вход сумматора 11 подключен к выходу другого сумматора 12. К входам сумматора 12 подключены датчики 13 температуры аккумуляторных ячеек. Второй вход сумматора 11 подключен к задатчику 14 температуры. Третий, инвертирующий, вход сумматора 11 подключен через формирователь 15 модуля сигнала к выходу датчика 16 электрического тока в аккумуляторной батарее.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
На сумматор 12 поступают сигналы с датчиков 13 температуры. Другой сумматор 11 сравнивает опорный сигнал U с выхода задатчика 14 температуры, определяющий исходную точку стабилизации температуры аккумуляторной батареи, с сигналом с выхода сумматора 12 и с сигналом с выхода формирователя 15 модуля сигнала, поступающего с датчика 16 тока. Затем полученный на выходе сумматора 11 сигнал рассогласования усиливается по напряжению усилителем 10 и подается на вход широтно-импульсного преобразователя (ШИП) 9, где преобразуется в широтно-импульсный сигнал, разность положительного и отрицательного импульсов в котором пропорциональна сигналу рассогласования. Далее полученные импульсы усиливаются по мощности в преобразователе 9, выполненном по мостовой схеме, и сглаживаются фильтром 8. При этом получаемое выходное напряжение фильтра 8 пропорционально величине сигнала рассогласования на выходе сумматора 11 и имеет такую же полярность. Это напряжение поступает на вход термоэлектрического модуля 4, обеспечивая требуемый по условиям термостатирования токовый режим его работы. В случае, если уровень температуры аккумуляторных ячеек выше требуемого, сигнал рассогласования становится отрицательным, и тогда устройство стабилизации теплового состояния аккумуляторной батареи обеспечивает охлаждение внутренней стороны термоэлектрического модуля. При пониженной, относительно требуемой, температуре аккумуляторных ячеек знак сигнала рассогласования становится положительным и тогда обеспечивается нагрев внутренней стороны термоэлектрического модуля. При этом, вследствие подключения к одному из входов сумматора 11 через формирователь 15 модуля сигнала датчика 16 электрического тока, осуществляется упреждающее регулирование, учитывающее изменение амплитуды токов через аккумуляторную батарею и, соответственно, прогнозируемое изменение тепловых потерь. В результате достигается высокая точность поддержания оптимальной температуры аккумуляторной батареи и тем самым повышается эффективность работы аккумуляторной батареи и ее надежность.