СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И БАТАРЕЙ НА ИХ ОСНОВЕ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
METHOD TO PROVIDE SERVICEABILITY OF LITHIUM-ION ACCUMULATORS AND BATTERIES ON THEIR BASIS UNDER NEGATIVE TEMPERATURES

Изобретение «Способ обеспечения работоспособности литий-ионных аккумуляторов и батарей на их основе при низких температурах» относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве промышленных литий-ионных аккумуляторов и батарей на их основе, работающих в температурном диапазоне от минус 40°С до плюс 50°С.
Литий-ионные аккумуляторы являются одними из наиболее перспективных для использования в качестве тяговых батарей для электротранспорта. Технология производства литий-ионных аккумуляторов постоянно совершенствуется, улучшаются характеристики, уменьшается стоимость производства аккумуляторов. В перспективе литий-ионные аккумуляторы могут стать основным источником питания транспортного и стационарного назначения. Преимуществами данного типа аккумуляторов являются:
- наибольшая плотность энергии из всех разновидностей аккумуляторов - как объемная, так и весовая;
- напряжение питания на элементе - 3,6 В, что в 3 раза выше, чем у NiMH и NiCd аккумуляторов, и почти в 2 раза выше, чем для свинцово-кислотных аккумуляторов;
- быстрый процесс заряда батарей - до 90% емкости за 30-40 минут;
- высокий показатель ресурса - свыше 1000 циклов разряда/заряда;
- низкий показатель саморазряда - до 5% в месяц;
- экологическая безопасность - могут утилизироваться без предварительной переработки.
Однако, помимо упомянутых преимуществ, данным аккумуляторам присущ и такой крупный недостаток, как низкая работоспособность при отрицательных температурах, что не приемлемо при работе любого транспорта в России. Чтобы исправить данный недостаток и увеличить температурный диапазон работоспособности литий-ионной батареи, предлагаем использовать в конструкции данной батареи подогреватель.
Известна система подогрева батареи [1], состоящая из нескольких нагревательных элементов, помещенных в защитный кожух, размещаемый вблизи батареи. Нагреватель оснащается двухпозиционным выключателем и термостатическим управляющим таймером с отдельным источником питания. Последний представляет собой еще одну батарею либо обычный внешний сетевой блок питания. Термостатический управляющий таймер позволяет пользователю периодически эксплуатировать подогреватель в режиме повышенной мощности. Кроме того, термостатическая система управления оснащена функцией повышения температуры подогревателя для подогрева батареи непосредственно перед пуском.
Недостатками данного способа являются сложность изготовления, неудобство при использовании и удорожание самой батареи.
Известен подогреватель аккумуляторной батареи [2], включающий в себя нагревательное сопротивление для подогрева батареи и комбинированный источник питания в диэлектрическом корпусе, обеспечивающий подачу выпрямленного тока к токоотводам аккумуляторной батареи и управляющий величиной переменного тока, подаваемого на нагревательное сопротивление, и регулирующий таким образом температуру подогревателя.
Недостатком данного способа является сложность конструкции за счет применения дополнительного отсека для источника питания.
Известна батарея традиционной конструкции [3], помещенная в теплоизолирующий бокс совместно с аккумулятором, подключенным к схеме, состоящей из нагревательного элемента и термостатического выключателя, настроенного на включение подогревателя при падении температуры внутри бокса ниже заданного порога.
Недостатками данного способа являются необходимость в дополнительных затратах на изготовление бокса, его монтаж и комплектование дополнительным аккумулятором.
Известен подогреватель батареи [4], включающий в себя элемент с положительным температурным коэффициентом, размеры которого позволяют поддерживать температуру батареи, к которой крепится подогреватель, в диапазоне 7,22 до 37,78°С при температуре окружающей среды от -34,44 до 23,89°С, и корпус для размещения элемента, предпочтительно из вспененной пластмассы. Корпус крепится к плоской стенке батареи с помощью клея или механического соединения.
Недостатками данного способа являются неудобства при использовании, и подогрев батареи происходит только с одной стороны, что требует значительных затрат на электроэнергию, чтобы подогреть всю батарею.
Известна батарея [5], включающая в себя электродные блоки, составленные из анодных и катодных пластин; корпус, в котором размещаются электродные блоки и электролит; крышку, закрывающую корпус; нагревательные элементы со специально обработанной поверхностью для достижения стойкости к электролиту, помещенные в корпус. Электролит эффективно подогревается с целью предотвращения падения ЭДС в результате понижения температуры электролита. Таким образом, величина ЭДС постоянно поддерживается на надлежащем уровне.
Недостатком данного способа является сложность изготовления, так как нагревательный элемент должен быть установлен в саму батарею, что приводит к уменьшению полезного места.
Из известных способов наиболее близким по совокупности существенных признаков является батарейный блок с подогревом [6], состоящий из нескольких аккумуляторов, корпуса и двух нагревателей, установленных с таким расчетом, чтобы избежать вероятности неравномерного подогрева батарей и перепада температур между ними.
Однако указанный способ содержит явный недостаток, применение двух нагревателей вместо одного, что влечет за собой повышенный расход электроэнергии и сложность при изготовлении, также эти нагреватели имеют разные размеры, что влечет за собой неравномерное нагревание батареи.
Технической задачей изобретения является разработка экономически эффективного способа обеспечения работоспособности литий-ионных аккумуляторов и батарей на их основе при отрицательных температурах.
Указанный технический результат достигается способом изготовления литий-ионных аккумуляторов и батарей на их основе путем использования при их сборке температурных датчиков и систем подогрева.
Способ обеспечения работоспособности литий-ионных аккумуляторов и батарей на их основе при низких температурах заключается в следующем.
Батарейный блок с подогревателем включает в себя батарейный блок и нагреватель. На приведенном рисунке упрощенно показано устройство батарейного блока с подогревателем.
Батарейный блок состоит из корпуса, составленного из верхней поз.1 и нижней поз.2 половин, и батареи из нескольких литий-ионных аккумуляторов поз.3, расположенных внутри корпуса.
Верхняя половина корпуса поз.1 представляет собой прямоугольный металлический бокс с фланцем поз.4. Аналогично, нижняя часть корпуса поз.2 представляет собой металлический поддон с фланцем поз.5.
Верхняя поз.1 и нижняя поз.2 половины корпуса соединяются в местах контакта фланцев поз.4 и поз.5 болтовыми соединениями поз.6 таким образом, что аккумулятор или аккумуляторная батарея поз.3 фиксируется внутри корпуса.
В нижней части составленного, таким образом, из двух половин батарейного блока остается пустое пространство 7.
Нагреватель состоит из нагревательного элемента поз.8, держателя поз.9 и теплоизоляции поз.10. Держатель поз.9 крепится к днищу нижней половины корпуса поз.2 посредством болтового соединения поз.11 либо сварки.
В боковых стенках корпуса предусматриваются технологические отверстия поз.12 для обеспечения циркуляции воздуха.
Кроме того, внутри корпуса размещен температурный датчик поз.13, который соединен с контроллером и нагревателем поз.8 и настроен на срабатывание при температуре воздуха менее 0°С. При достижении данного порогового значения температуры датчик поз.13 посылает сигнал на контроллер, который, в свою очередь, включает нагреватель поз.8.
Нагреватель поз.8 вырабатывает тепло, которое поднимается и нагревает воздушное пространство поз.7 под аккумуляторной батареей поз.3, тем самым обеспечивая уровень температуры, оптимальный для нормальной работы батареи.
Как только температура в корпусе батареи достигла значения более 0°С на температурном датчике поз.13, датчик посылает сигнал на контроллер, и тот, в свою очередь, отключает нагреватель поз.8.
Данная схема позволяет обеспечить работоспособность литий-ионного аккумулятора и батареи при низких значениях температуры.
Полученные данные подтверждают возможность практической реализации заявленного изобретения с достижением заявленного технического результата.
На основании вышеизложенного следует, что заявленное изобретение соответствует критерию "новизна".
Предлагаемый экономически эффективный способ позволяет изготавливать литий-ионные аккумуляторы и батареи на их основе, работающие при низких температурах.
Источники информации
1. Патент США №5,994,669 от 30 ноября 1999 г.
2. Патент США №5,281,792 от 25 января 1994 г.
3. Патент США №5,039,927 от 13 августа 1991 г.
4. Патент США №4,591,692 от 27 мая 1986 г.
5. Патент США №3,723,187 от 27 марта 1973 г.
6. Заявка США №2008/0096072 от 24 апреля 2008 г.