МОДУЛЬ ДЛЯ УСТРОЙСТВ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ ОБНАРУЖЕНИЕ СТАРЕНИЯ УКАЗАННЫХ УСТРОЙСТВ
MODULE FOR ELECTRIC ENERGY ACCUMULATING DEVICES WHICH PROVIDES DETECTION OF THESE DEVICES DEGRADATION

Уровень техники, к которому относится изобретение
Изобретение относится к устройствам накопления электрической энергии, в частности, к области модулей, содержащих по меньшей мере два устройства накопления электрической энергии.
В дальнейшем под «устройствами накопления электрической энергии» понимается либо конденсатор (то есть пассивная система, содержащая два электрода и изолятор), либо суперконденсатор (то есть система, содержащая два электрода, электролит и разделитель), либо батарею типа литиевой батареи (то есть система, содержащая анод, катод и раствор электролита между анодом и катодом).
Уровень техники
Известны модули, такие как показанный на фиг.1, который содержит корпус 10 с расположенными в нем несколькими устройствами 20 накопления электрической энергии, соединенными между собой соединительными средствами 30.
Как схематично показано на фиг.1, соединительные средства 30, обеспечивающие электрическое соединение двух смежных устройств 20 накопления, содержат две крышки 32 и перемычку 31.
Каждая крышка 32 предназначена для закрывания соответствующего устройства 20 накопления и электрически связана с ним. Каждая крышка 32 содержит также соединительную клемму 33, выполненную с возможностью вхождения в сквозное отверстие, выполненное в перемычке 31, для обеспечения электрического соединения двух смежных устройств 20 накопления.
Если модуль содержит более двух устройств 20 накопления, устройства 20 накопления соединены попарно с чередованием на своих верхних и нижних крышках 32.
Во время работы устройства 20 накопления и соединительные средства 30 выделяют тепло. Для обеспечения отвода этого тепла устройства 20 накопления термически соединены с корпусом 10.
В данной конструкции устройства 20 накопления прижаты к верхней и нижней стенкам 12 и 13 корпуса 10 (посредством крышек 32).
С истечением срока службы в устройстве 20 накопления повышается внутреннее давление из-за выделения устройством накопления газов, которые, учитывая герметичность корпуса, не могут выйти наружу.
Это повышение давления выгибает наружу крышку 32, связанную с устройством 20 накопления, что приводит к разрыву внутреннего соединения между устройством 20 накопления и его крышкой 32.
Разрыв внутреннего соединения приводит к повышению сопротивления устройства 20 накопления. Таким образом, конец службы устройства 20 накопления можно легко заметить, наблюдая за изменением его сопротивления.
В описанном выше модуле выгибание крышек 32 блокируется верхней и нижней стенками 12 и 13 корпуса 10, которые оказывают давление на устройства 20 накопления (через крышки).
Таким образом, оказывается невозможным повышение сопротивления устройств накопления, что затрудняет выявление конца срока их службы и не предупреждает о повышении внутреннего давления в устройствах 20 накопления.
Задачей настоящего изобретения является создание модуля, позволяющего устранить указанный недостаток.
Сущность изобретения
Указанная задача решена в модуле, содержащем корпус, в котором установлено по меньшей мере одно устройство накопления электрической энергии, первый торец которого электрически изолирован от нижней стенкой корпуса, но находится с ней в термическом контакте, а второй торец, противоположный первому, закрыт крышкой, электрически соединенной с указанным устройством накопления энергии, при этом модуль содержит средства, позволяющие удерживать один торец соответствующего устройства накопления на нижней стенке корпуса и выгибаться крышке, закрывающей второй торец.
Таким образом, модуль в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает определенное выгибание крышек, связанных с устройствами накопления, следовательно, позволяет обнаружить либо возможное повышение внутреннего сопротивления устройства накопления в модуле, что свидетельствует о конце срока службы рассматриваемого устройства накопления, либо измерить выгибание при помощи соответствующего датчика.
Так, например, для данного типа устройства накопления энергии выгибание в 1, 2 или 3 мм будет характеризовать возможный остающийся срок службы указанного устройства при нормальных условиях работы. Наличие такой информации позволяет определять необходимость профилактического обслуживания модуля в зависимости от возможного остающегося срока службы каждого из устройств.
Модуль в соответствии с настоящим изобретением имеет следующие предпочтительные, но неограничивающие отличительные признаки:
- средства, обеспечивающие удержание устройства накопления, выполнены из сжимаемого материала, который сжимается на номинальное значение, меньшее его максимальной степени сжатия для обеспечения выгибания устройств накопления на величину, находящуюся в пределах от значения, соответствующего указанному номинальному значению материала, до значения, соответствующего максимальной степени сжатия указанного материала. В результате участок стенки корпуса, находящийся напротив устройства накопления, может деформироваться, позволяя выгнуться крышке устройства накопления, что позволяет, в частности, улучшить удержание устройств накопления в корпусе, давая возможность крышкам выгибаться, и облегчить сборку модуля;
- средства, обеспечивающие удержание устройства накопления, имеют на внутренней стороне верхней стенки корпуса напротив крышки по меньшей мере одну выемку, которая выполнена напротив устройства накопления таким образом, чтобы по меньшей мере один участок края выемки входил в термический контакт, оставаясь электрически изолированным, с устройством накопления и/или со средствами соединения по меньшей мере двух устройств накопления. Это обеспечивает термический контакт между краями выемки и крышкой и выгибание крышки;
- выемка представляет собой глухое отверстие с сечением, подобным сечению крышки, при этом размеры глухого отверстия меньше размеров крышки соответствующего устройства накопления, или выемка является глухим отверстием круглого сечения, при этом диаметр глухого отверстия меньше диаметра соответствующего устройства накопления. Это обеспечивает термический контакт между краями глухого отверстия и крышкой;
- соединительные средства между двумя смежными устройствами накопления содержат крышки, соответствующие двум устройствам накопления и электрически соединенные с перемычкой, при этом каждая крышка предназначена для вхождения в электрический контакт с одним концом перемычки;
- соединительные средства между двумя смежными устройствами накопления содержат крышки, соответствующие двум устройствам накопления и электрически соединенные с перемычкой, при этом каждая крышка содержит соединительную клемму для обеспечения электрического контакта с концом перемычки, проходя через отверстие в перемычке;
- поверхность отверстия в перемычке имеет повышенную шероховатость для улучшения электрического контакта с соединительной клеммой;
- перемычки могут быть выполнены из меди, что позволяет уменьшить электрическое сопротивление соединительных средств и тем самым свести к минимуму потери от эффекта Джоуля, т.е. уменьшить выделение тепла соединительными средствами;
- перемычки могут быть выполнены из алюминия, что позволяет улучшить теплопроводность между устройствами накопления и корпусом и уменьшить массу соединительных средств;
- перемычки могут содержать покрытие, выполненное лужением или никелированием, для защиты поверхности и/или улучшения электрического контакта;
- соединительные средства между двумя смежными устройствами накопления содержат две крышки, электрически соединенные перемычкой, при этом каждая крышка закреплена сквозной лазерной сваркой, пайкой или диффузионной пайкой;
- сварное соединение перемычки может осуществляться через зоны утонения;
- площадь контакта между перемычкой и крышкой предпочтительно больше или равна одной четверти площади крышки, а еще предпочтительнее - больше или равна половине площади крышки;
- выемка по меньшей мере по своему краю может содержать слой эластомера, находящегося в термическом контакте, оставаясь одновременно электрически изолированным, с устройством накопления и/или с соединительными средствами двух устройств накопления. Это позволяет обеспечить термический контакт между краями выемки и крышкой и выгибание крышки;
- два смежных устройства накопления могут быть соединены электрически продольной деталью, концы которой образуют, соответственно, верхнюю и нижнюю крышки каждого из смежных устройств накопления, электрически соединяя указанные смежные устройства накопления. Это позволяет максимально увеличить площадь контакта между устройствами накопления энергии и стенками корпуса для обеспечения передачи тепла в направлении корпуса, тогда как использование соединительных средств, выполненных в виде единой детали, позволяет уменьшить внутреннее сопротивление соединительных средств (и, следовательно, выделение тепла за счет эффекта Джоуля);
- каждый конец продольной детали предпочтительно содержит зоны радиального утонения;
- зоны утонения могут быть перпендикулярными попарно друг к другу и образовать угол 45° с продольной осью детали;
- зоны утонения могут быть перпендикулярными попарно друг к другу, при этом по меньшей мере одна зона на каждом конце расположена вдоль продольной оси детали;
- модуль может содержать слой эластомера между нижней стенкой и устройствами накопления, что позволяет изолировать электрически и соединять термически устройства накопления с нижней стенкой корпуса;
- средства, обеспечивающие удержание одного торца соответствующего устройства накопления на нижней стенке корпуса и выгибание крышки, закрывающей второй торец, содержат разные зоны сжимаемости;
- модуль может содержать зоны разной сжимаемости на каждой крышке устройства накопления энергии, при этом зона, находящаяся напротив центральной части каждой крышки, является менее сжимаемой, чем зона, находящаяся напротив периферии каждой крышки;
- модуль может содержать зоны разной сжимаемости в зависимости от их положения напротив крышек, повергающихся действию разных температур в различных местах в модуле;
- корпус может содержать ребра на по меньшей мере наружной стороне корпуса. В данном случае ребрами названо любое средство, позволяющее увеличить площадь конвективного теплообмена детали. В рамках настоящего изобретения можно считать, что элементы жесткости стенок, равно как и пластины радиаторов, могут являться ребрами. Это позволяет увеличить поверхность контакта между корпусом и внешней средой для улучшения теплообмена с внешней средой и, следовательно, охлаждения внутреннего пространства модуля;
- ребра выполнены на наружной стороне по меньшей мере одной стенки корпуса, находящейся в термическом контакте с элементами рассеяния тепловой энергии, связанными с устройствами накопления. Это позволяет улучшить охлаждение устройств накопления;
- корпус может быть выполнен из алюминия или из углеродосодержащего композитного материала. Это позволяет улучшить теплопроводность между внутренним пространством корпуса и наружным пространством по сравнению с пластиковыми или стальными корпусами при одинаковых прочих механических характеристиках;
- по меньшей мере одна стенка, находящаяся в термическом контакте с устройствами накопления и изолированная от них электрически (например, нижняя стенка корпуса) может содержать или может быть соединена с основанием, в котором находится устройство охлаждения. Это позволяет улучшить охлаждение устройств накопления;
- устройство охлаждения может содержать контур циркуляции охлаждающей жидкости. Это позволяет улучшить теплообмен между внутренним пространством и наружным пространством модуля;
- модуль может дополнительно содержать электронную управляющую плату для управления энергией и для диагностики устройств накопления энергии;
- электронная управляющая плата может находиться в термическом контакте с по меньшей мере одной боковой стенкой корпуса, оставаясь электрически изолированной от нее. Термический контакт устройств накопления с первой стенкой корпуса и их электрическая изоляция от нее, а также термический контакт электронной платы со второй стенкой (отличной от первой стенки) и ее электрическая изоляция от второй стенки позволяют улучшить отвод в окружающую среду тепла, выделяемого внутри модуля одной или несколькими электронными управляющими платами, соединительными средствами и устройствами накопления;
- электронная плата может входить в контакт с внутренней стороной боковой стенки корпуса или с наружной стороной боковой стенки корпуса;
- электронная управляющая плата может содержать слой эпоксидного полимера, на который наклеена медная печатная схема, при этом слой эпоксидного полимера входит в контакт с внутренней стороной другой стенки корпуса. Слой эпоксидного полимера обеспечивает термической контакт печатной схемы с корпусом, обеспечивая одновременно их электрическую изоляцию;
- электронная управляющая плата может содержать на слое эпоксидного полимера алюминиевую пластину, которая входит в контакт с внутренней стороной боковой стенки корпуса. Алюминиевая пластина способствует удалению тепла, выделяемого медной печатной схемой, в направлении стенки корпуса;
- количество управляющих электронных плат в модуле равно количеству стенок корпуса, при этом указанные платы входят в контакт с соответствующей боковой стенкой корпуса. Это позволяет улучшить охлаждение электронных плат, оптимизировать объем модуля и обеспечить равномерное распределение температур внутри модуля. При этом электронные платы выполняют функцию теплового буфера, позволяющего избежать перепада температур устройств между серединой и периферией модуля по сравнению с известными модулями, в которых платы расположены в центре над или под модулем и усиливают температурный перепад между центральными и периферическими устройствами накопления устройствами накопления. Такое расположение оказывает существенное влияние на общий срок службы модуля, в свою очередь, тесно связанный с дисбалансом температур, влияющим на различные устройства накопления в модуле;
- две стенки могут входить в термический контакт с устройствами накопления энергии, оставаясь электрически изолированными. Это позволяет увеличить площадь теплообмена между корпусом и устройствами накопления и, следовательно, улучшить охлаждение устройств накопления;
- две стенки, входящие в термический контакт с устройствами накопления энергии, оставаясь изолированными электрически, являются верхней и нижней стенками корпуса;
- крышки устройств накопления могут быть выполнены из деформируемого электропроводящего материала с образованием барьера для газов, выделяемых в устройствах накопления во время их работы;
- крышки устройств накопления могут быть выполнены из алюминия с предпочтительным его содержанием более 99,5%;
- модуль может содержать средства обнаружения выгибания одного или каждого устройства накопления энергии, причем эти средства обнаружения могут представлять собой датчик давления, расположенный внутри кожуха модуля напротив каждого устройства, или датчик деформации, установленный на крышках или на перемычках, или простой выключатель, выдающий информацию о выгибании соответствующего устройства накопления энергии;
- информация, выдаваемая средством обнаружения выгибания, может обрабатываться электронной платой (40) управления энергией и диагностики устройств накопления энергии;
- информация, выдаваемая средством обнаружения выгибания, может передаваться через разъем модуля во внешнее электронное средство управления энергией и диагностики устройств накопления энергии.
Краткое описание чертежей
Другие особенности, задачи и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 показан вариант выполнения известного модуля;
на фиг.2 с левой и правой сторон показаны два варианта выполнения модуля в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.3a и 3b показан один вариант выполнения модуля в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.4 показан другой вариант выполнения модуля;
на фиг.5 показаны ребра в одном из вариантов выполнения модуля;
на фиг.6-9 показаны примеры выполнения соединительных средств для соединения между собой устройств накопления внутри модуля;
на фиг.10 и 11 показаны примеры выполнения электронной управляющей платы модуля;
на фиг.12 и 13 показаны варианты выполнения сжимаемого материала, при этом на фиг.13, показаны разные зоны сжимаемости напротив каждой крышки устройства накопления;
на фиг.14 показан другой вариант выполнения сжимаемого материала, в котором разные зоны сжимаемости выполнены вблизи наиболее горячих частей модуля;
на фиг.15 показана возможная комбинация зон, изображенных на фиг.13 и 14;
на фиг.16 показаны средства для образования разных зон сжимаемости согласно вариантам, изображенным на фиг.13-15, до закрывания кожуха модуля на верхней части фигуры и после закрывания - на нижней части фигуры.
Варианты осуществления изобретения
Далее со ссылками на фиг.2-16 следует описание различных вариантов выполнения модуля в соответствии с настоящим изобретением. На различных фигурах идентичные элементы обозначены одинаковыми цифровыми позициями.
Как показано на фиг.2, модуль содержит корпус 10, в котором установлено по меньшей мере одно устройство 20 накопления электрической энергии.
Устройство 20 накопления электрической энергии содержит первый торец, находящийся в термическом контакте с нижней стенкой 13 корпуса 10 и электрически изолированный от нее.
Устройство 20 накопления содержит также второй торец, противоположный первому, который закрыт крышкой 32, электрически соединенной с устройством накопления энергии.
Крышка 32 является элементом соединительных средств 30, обеспечивающих соединение двух смежных устройств 20 накопления.
Предпочтительно модуль содержит средства 16, обеспечивающие удержание устройства 20 накопления на нижней стенке 13 корпуса и позволяющие выгибаться крышке 32, закрывающей второй торец.
Таким образом, модуль в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает выгибание крышки 32, закрывающей второй торец устройства накопления. Это позволяет обнаружить конец срока службы соответствующего устройства накопления либо при помощи отдельных для каждого устройства накопления датчиков, соединенных со средствами обработки информации, либо путем прямого измерения возможного увеличения внутреннего сопротивления устройства накопления энергии.
Датчики могут измерять либо давление на стенку, на которой они установлены, либо деформацию крышки или соединительной перемычки. Датчики также могут не измерять выгибания, а просто указывать на достижение заранее заданного уровня выгибания при помощи простого выключателя. Во всех этих случаях полученная информация передается либо на плату управления энергией и диагностики модуля, либо через разъем модуля на внешнее электронное средство управления энергией и диагностики устройств накопления энергии.
В варианте выполнения, показанном на фиг.2, средства, обеспечивающие удержание устройства 20 с одного торца и выгибание крышки 32 с другого торца, имеют выемку 16 на внутренней стороне верхней стенки 12 корпуса 10 напротив крышки 32. Выемка 16 выполнена напротив устройства 20 накопления. Эта выемка 16 может быть выполнена, например, в виде паза или глухого отверстия.
Если выемка выполнена в виде глухого отверстия, ее контур идентичен контуру устройств накопления, т.е. если устройства имеют цилиндрическую форму, то и глухое отверстие имеет такую же форму. Точно так же, если общая форма устройств накопления является квадратной, глухое отверстие тоже будет квадратным. Во всех случаях выемку выполняют таким образом, чтобы ее размеры были меньше размеров крышки соответствующего устройства накопления, так чтобы это устройство, несмотря на выгибание, которому оно подвергается, постоянно оставалось в термическом контакте с верхней стенкой модуля через край выемки, оставаясь при этом электрически от него изолированным.
В качестве альтернативы выемкам средство, обеспечивающее удержание соответствующего устройства накопления на нижней стенке корпуса с одного торца и выгибание крышки, закрывающей второй торец, может быть выполнено из сжимаемого материала. При этом указанный материал сжимается на номинальное значение, меньшее величины его максимального сжатия, чтобы обеспечивать выгибание устройств накопления энергии на величину, находящуюся в пределах от значения, соответствующего указанному номинальному значению материала, до значения, соответствующего максимальной степени сжатия указанного материала.
Таким образом, во время закрывания модуля материал сжимается и удерживает устройства накопления в контакте с нижней стенкой модуля. Однако за счет того, что максимальная степень сжатия материала не достигается, крышка элемента может выгибаться на величину, соответствующую свободному пространству, остающемуся до достижения сжимаемым материалом максимальной степени его сжатия.
Как показано на фиг.12-16, возможны разные типы формования сжимаемого материала 60.
На фиг.12 показан материал, равномерно покрывающий все устройства накопления.
На фиг.13 показан материал, содержащий зоны 61 разной сжимаемости напротив каждой крышки, так что он больше прижимает край крышки, чем ее центр, что позволяет иметь больший запас сжатия в центре, механически блокируя при этом края, что создает «виртуальную выемку» только за счет свойств используемого материала.
На фиг.14 показан случай, в котором использован материал, сжатие которого в центральной зоне модуля больше, чем по краям, так что степень сжатия на крышках больше в центральной зоне 62, более подверженной термическим воздействиям, чем по краям, где устройства накопления энергии охлаждаются лучше. Это специальное расположение позволяет лучше отслеживать более короткий срок службы устройств накопления, находящихся в центре модуля по сравнению с устройствами накопления, находящимися на периферии, т.е. учитывать их расположение в модуле. Кроме того, более сильное сжатие в центре может задерживать выгибание устройств накопления, подверженных более сильным термическим воздействиям и уменьшить тем самым дисбаланс внутренних сопротивлений в модуле.
Вариант, показанный на фиг.15, сочетает в себе преимущества вариантов, показанных на фиг.13 и 14, концентрируя более высокую сжимаемость в центральной зоне модуля и еще более выраженную разницу в сжимаемости по краям каждой из крышек устройств накопления, расположенных в центральной зоне.
Чтобы получить различную сжимаемость в кольцевой зоне по краям крышек можно использовать способ, показанный на фиг.16.
В верхней части фигуры показан сжимаемый материал до закрывания модуля. Этот материал содержит утолщенную кольцевую зону 63, поэтому после сжатия эта зона 64 (показана в нижней части чертежа) имеет более высокую степень сжатия по сравнению с остальной частью материала.
При выборе материала крышек устройств накопления предпочтительно использовать электропроводящий материал, обладающий способностью к деформации и который образует барьер для газов, выделяемых в устройствах накопления во время их работы. Толщину крышек тоже определяют в зависимости от материала, так чтобы обеспечить выгибание крышки.
Предпочтительно таким материалом является алюминий, в частности, алюминиевый сплав с содержанием алюминия более 99,5%. Механические свойства алюминия напрямую связаны со степенью его чистоты: чем меньше он содержит примесей, тем лучше он деформируется.
Если модуль содержит несколько устройств накопления, для каждого устройства 20 накопления выполняют выемку, при этом устройства 20 накопления между собой попарно электрически соединены при помощи соединительных средств 30.
Как вариант, соединительные средства 30, обеспечивающие электрическое соединение двух смежных устройств 20 накопления, содержат две крышки 32, соединенные, соответственно, с двумя устройствами 20 накопления, и перемычку 31.
Размеры выемки определяют так, чтобы по меньшей мере один участок края выемки 16 находился в термическом контакте с соединительными средствами 30, оставаясь электрически изолированным от них.
На фиг.2 показаны два разных примера образования термического контакта между соединительными средствами 30 и выемкой 16.
В одном примере (на схеме слева) края выемки 16 входят в термический контакт с крышкой 32, оставаясь от нее электрически изолированными.
В другом примере (на схема справа) края выемки 16 входят в термический контакт с перемычкой 31, оставаясь электрически изолированными от нее.
В этих двух примерах деформация крышки 32 (и перемычки) обеспечивается за счет наличия выемки 16.
Для обеспечения термического контакта и одновременно электрической изоляции в некоторых вариантах выполнения модуля выемка по меньшей мере по своему краю содержит слой эластомера, входящего в термический контакт с соединительными средствами 30 и электрически изолированного от них.
На фиг.3a показан вариант выполнения модуля, предназначенного для подключения к внешнему устройству (не показано) при помощи клемм 50.
Модуль содержит корпус 10, в котором находятся устройства 20 накопления электрической энергии, соединенные между собой соединительными средствами 30.
Модуль содержит также электронную управляющую плату 40 для управления энергией и для диагностики устройств 20 накопления энергии, которая показана на фиг.11.
Устройства 20 накопления имеют в основном цилиндрическую форму и установлены рядом друг с другом в корпусе 10. Иначе говоря, оси вращения устройств 20 накопления являются параллельными. В других, не показанных вариантах выполнения модуля, устройства накопления могут иметь форму параллелепипеда, квадратную, овальную, шестиугольную форму, что не меняет основных принципов изобретения.
В варианте выполнения, показанном на фиг.3a-3d, устройства 20 накопления расположены таким образом, чтобы их оси вращения были перпендикулярны верхней 12 и нижней 13 стенкам корпуса 10.
Предпочтительно различные стенки 12, 13 и 14 корпуса 10 находятся в термическом контакте, оставаясь электрически изолированными, соответственно:
- по меньшей мере для одной стенки - с элементами рассеяния тепла, связанными с устройствами накопления электрической энергии;
- по меньшей мере для другой стенки - с управляющей электронной платой.
Это способствует охлаждению модуля.
Действительно, термическое соединение устройств 20 накопления с первой стенкой 12, 13 и электронной управляющей платы 40 со второй стенкой 14, отличной от первой стенки 12, 13, позволяет максимально рассеивать наружу модуля тепло, выделяемое платой 40 и устройствами 20 накопления.
Элементы термического рассеяния могут включать в себя соединительные средства 30.
Элементы 38 рассеяния (фиг.2 и 4) могут также содержать слой эластомера, расположенный между соединительными средствами 30 и стенкой корпуса, входящей в термический контакт с устройствами 20 накопления.
Слой эластомера одновременно выполняет несколько функций:
- обеспечивает электрическую изоляцию устройств 20 накопления от корпуса 10 с напряжением пробоя, превышающим 1 кВ;
- обеспечивает компенсацию геометрических разбросов устройств 20 накопления, связанных с заводскими допусками, благодаря своему свойству сжимаемости;
- улучшает теплообмен между устройствами 20 накопления и наружным пространством модуля.
В предпочтительном варианте выполнения стенка, входящая в контакт с элементами термического рассеяния, является нижней стенкой 13 корпуса 10, а стенка, входящая в контакт с электронной управляющей платой 40, является боковой стенкой 14 корпуса 10.
Действительно, устройства 20 накопления проводят тепло преимущественно вдоль своей оси вращения (продольной оси), поэтому осевое охлаждение устройств 20 накопления более эффективно, чем радиальное.
В зависимости от варианта выполнения модуля устройства 20 накопления термически соединены либо с верхней стенкой 12, либо с нижней стенкой 13, либо с верхней и нижней стенками 12 и 13 корпуса 10.
В варианте выполнения, показанном на фиг.4, устройства 20 накопления соединены термически с верхней и нижней стенками 12 и 13. Ребра 15, 15' улучшают охлаждение устройства.
Термический контакт устройств накопления с двумя стенками позволяет улучшить охлаждение устройств накопления за счет увеличения площади теплообмена между ними и окружающей средой.
Корпус 10 позволяет манипулировать модулем, усиливает электрическую изоляцию и защищает сердцевину модуля и его электронику от возможных внешних воздействий.
Этот корпус может иметь форму параллелепипеда и может быть установлен на месте батареи автомобиля, или может иметь форму цилиндра и может быть установлен вместо запасного колеса, или иметь форму призмы, но в любом случае корпус имеет верхнюю и нижнюю и боковые стороны.
Как вариант, верхняя 12, нижняя 13 и боковые 14 стенки корпуса 10 выполнены из анодированного алюминия, что способствует как охлаждению модуля за счет улучшения излучательного теплопереноса, так и усилению коррозионной стойкости модуля.
Таким образом, использование стенок 12, 13 и 14 из алюминия или из углеродосодержащего композитного материала позволяет улучшить теплопроводность между внутренним пространством и наружным пространством корпуса по сравнению со стенками из пластического материала или из стали при идентичных механических характеристиках. Это позволяет повысить эффективность охлаждения устройств 20 накопления и электронной платы 40.
В некоторых вариантах выполнения корпус 10 содержит ребра 15, как показано на фиг.4 и 5.
Ребра позволяют увеличить площадь контакта между корпусом 10 и окружающей средой, что способствует лучшему теплообмену с окружающей средой и улучшению охлаждения модуля.
Ребра 15 могут быть выполнены, по меньшей мере, на наружной стороне стенки 12, 13 или 14 корпуса 10. Элементы жесткости 15', выполненные на боковых стенках, тоже образуют ребра, так как они позволяют увеличить площадь конвективного обмена стенок.
Например, ребра 15 могут быть выполнены на наружной стороне стенки корпуса, входящей в термический контакт с устройствами 20 накопления, чтобы улучшить охлаждение этих устройств 20 накопления.
В варианте, показанном на фиг.4, ребра 15 выполнены в центральной области наружной стороны верхней стенки 12 корпуса 10.
Это позволяет облегчить отвод тепла, выделяемого устройствами 20, находящимися в центре корпуса 10 (то есть устройствами 20, наиболее удаленными от боковых стенок 14), для которых отвод тепла более затруднителен, чем для устройств 20, находящихся на периферии корпуса 10 (то есть устройств 20, ближайших к боковым стенкам 14).
В другом варианте ребра 15 выполнены на наружной стороне стенки корпуса 10, входящей в термический контакт с электронной управляющей платой 40, для улучшения ее охлаждения.
В другом варианте предпочтительно наружные стороны стенок 12, 13 и 14, находящихся с одной стороны в термическом контакте с устройствами 20 накопления, а другой стороны - с одной или несколькими электронными управляющими платами 40, содержат ребра 15.
В случае, когда несколько стенок корпуса входят в термический контакт с устройствами накопления и с управляющей электронной платой (управляющими электронными платами), все эти входящие в термический контакт стенки или только некоторые из них могут содержать ребра на своей наружной стороне.
Чтобы еще больше улучшить отвод тепла, выделяемого устройствами 20 накопления, в одном из вариантов осуществления изобретения стенка, входящая в термический контакт с устройствами 20 накопления, содержит основание или соединена с основанием (не показано), в котором находится устройство охлаждения (не показано).
Устройство охлаждения может содержать контур циркуляции охлаждающей жидкости.
Когда несколько стенок корпуса входят в термический контакт с устройствами накопления, модуль может содержать устройство охлаждения как только в одной стенке, так и во всех стенках, входящих в термический контакт с устройствами 20.
В варианте выполнения, показанном на фиг.3a-3d, модуль содержит двадцать устройств 20 накопления электрической энергии, имеющих в основном цилиндрическую форму.
Устройства 20 накопления расположены в корпусе 10 параллельно друг другу и боковым стенкам корпуса. Иначе говоря, оси вращения устройств 20 накопления параллельны между собой и параллельны каждой плоскости, в которой находится соответствующая боковая стенка.
Устройства 20 накопления соединены между собой попарно соединительными средствами, подробное описание которых будет представлено ниже.
Следует отметить, что в варианте выполнения, показанном на фиг.3a-3d, двадцать устройств 20 накопления электрической энергии соединены последовательно.
Эти устройства 20 накопления соединены попарно с чередованием по своим верхним и нижним крышкам 32 и 32', соответственно. Иначе говоря, если рассматривать одно устройство накопления, то оно соединено своей верхней крышкой с первым смежным устройством накопления и своей нижней крышкой со вторым смежным устройством накопления, отличным от первого.
Разумеется, в зависимости от варианта использования можно предусмотреть другие конфигурации, отличные от последовательного соединения. Например, в модуле, содержащем двадцать устройств 20 накопления, можно соединить последовательно одну пару из десяти последовательно соединенных устройств 20 накопления и затем соединить эту пару параллельно и т.д.
Устройства накопления изолированы электрически от стенок 12, 13 и 14 корпуса 10.
В варианте выполнения, показанном на фиг.3a-3d, модуль содержит также четыре электронные управляющие платы 40.
Электронная управляющая плата 40 позволяет управлять зарядкой и разрядкой и производить диагностику устройств 20 накопления энергии. В данном случае под диагностикой понимается совокупность измерений температуры, давления, напряжения и тока, позволяющих измерить и/или вычислить состояние зарядки или эксплуатационное состояние модуля во время срока его активной службы.
В частности, электронная плата позволяет выполнить два отдельных требования:
- согласовывать напряжения в конце зарядки устройств 20 накопления в модуле;
- измерять и контролировать напряжение в модуле.
Действительно, характеристики (емкость, сопротивление) устройств 20 накопления имеют разбросы, связанные с заводскими допусками и/или со старением и т.д. Эти различия приводят к тому, что во время зарядки модуля не все устройства 20 накопления имеют одинаковое напряжение зарядки, поэтому согласование напряжений обеспечивает равномерное распределение этих напряжений относительно одного значения напряжения, определяемого в зависимости от назначения.
Управляющая электронная плата соединена параллельно с устройствами накопления, соединенными между собой последовательно, и изолирована электрически от стенок корпуса 10.
Управляющая электронная плата 40 содержит слой 42 эпоксидного полимера, на который наклеена медная печатная схема 41.
Слой 42 эпоксидного полимера обеспечивает термический контакт, а также электрическую изоляцию медной печатной схемы 41 от корпуса 10.
Управляющую электронную плату 40 располагают таким образом, чтобы слой 42 эпоксидного полимера входил в контакт с внутренней стороной стенки 14 корпуса 10.
В дальнейшем подразумевается, что, если элемент А упоминается как находящийся «на» элементе В, то он может находиться непосредственно на элементе В или может находиться над элементом В и быть отделенным от этого элемента В одним или несколькими промежуточными элементами.
Подразумевается также, что, если элемент А упоминается как находящийся «на» элементе В, то он может покрывать всю поверхность элемента В или только его участок.
В варианте выполнения, показанном на фиг.10, управляющая электронная плата 40 содержит алюминиевую пластину 43 на слое 42 эпоксидного полимера, так что слой эпоксидного полимера расположен между медной печатной схемой и алюминиевой пластиной. В этом случае с внутренней стороной стенки 14 корпуса 10 контактирует алюминиевая пластина.
Разумеется, электронные платы 40 могут быть расположены снаружи корпуса, следовательно, они входят в термический контакт с наружными сторонами его боковых стенок. Такое расположение позволяет улучшить охлаждение плат и обеспечивает более легкое обслуживание, не открывая корпуса, однако недостатком является то, что они подвержены внешним ударам и требуют улучшения герметичности стенок корпуса.
Наличие на электронной управляющей плате 40 алюминиевого слоя 43 способствует удалению тепла от медной печатной схемы 41 в сторону стенки 14 корпуса 10, находящейся в контакте с электронной управляющей платой 40.
Предпочтительно модуль может содержать столько управляющих электронных плат 40, сколько корпус 10 содержит боковых стенок 14.
В варианте выполнения, показанном на фиг.3a-3d, модуль содержит четыре электронные управляющие платы 40, термически соединенные с внутренними сторонами четырех боковых стенок 14 корпуса 10.
Наличие четырех электронных плат на четырех боковых стенках модуля позволяет избежать более быстрого охлаждения устройств накопления, находящихся на периферии корпуса, чем устройств 20 накопления, расположенных в центре корпуса.
Действительно, в этом случае электронные платы 40 играют роль теплового буфера. Наличие этих тепловых буферов на боковых стенках приводит к тому, что устройства 20 накопления, расположенные вблизи боковых стенок 14, охлаждаются медленнее, поэтому все устройства 20 накопления модуля охлаждаются с одинаковой скоростью.
Поскольку тепло является главной причиной старения устройств 20 накопления, равномерное распределение температуры внутри модуля способствует равномерному старению устройств 20 накопления модуля.
Разумеется, число электронных плат можно оптимизировать в зависимости от требуемого термического результата, при этом число электронных плат не обязательно должно быть равным числу боковых стенок корпуса, в частности, когда корпус имеет круглую или сложную форму, связанную с особой окружающей средой, в которой используется модуль.
В варианте выполнения, показанном на фиг.6, соединительные средства 30 между двумя смежными устройствами 20 накопления содержат две крышки 32, соединенные электрически перемычкой 31.
Каждая крышка 32 предназначена для закрывания одного устройства 20 накопления и содержит соединительную клемму 33 для вхождения в сквозное отверстие (не показано) в перемычке 31. Для улучшения электропроводимости между клеммой 33 и перемычкой 31 поверхность сквозного отверстия выполнена шероховатой для увеличения площади контакта.
Перемычки 31 могут быть выполнены из меди. Это позволяет снизить электрическое сопротивление соединительных средств 30 и, следовательно, свести к минимуму потери от эффекта Джоуля. В результате внутри модуля снижается выделение тепла соединительными средствами 30.
В другом варианте выполнения перемычки 31 выполнены из алюминия. Это позволяет уменьшить массу соединительных средств при сохранении электрического сопротивления между устройствами накопления и достаточной теплопроводности между устройствами 20 накопления и корпусом 10.
Как вариант, перемычки 31 могут содержать покрытие, выполненное путем поверхностной обработки типа никелирования или лужения, для защиты от коррозии, а также для улучшения электрического контакта.
В каждом устройстве 20 накопления верхняя крышка 32 соединена электрически с верхней крышкой 32 смежного устройства, тогда как нижняя крышка 32' того же устройства электрически соединена с нижней крышкой 32' другого смежного устройства, так что каждое устройство 20 накопления может быть соединено с двумя смежными устройствами 20 накопления, с одним на уровне его верхней крышки, а с другим - на уровне его нижней крышки.
В варианте выполнения, показанном на фиг.7a, устройства накопления энергии содержат плоские крышки без соединительной клеммы. В этом случае их соединяют или крепят пайкой попарно с соседними крышками при помощи сварных или паяных перемычек при такой же компоновке, что и в предыдущем случае. В случае сквозной лазерной сварки перемычки могут содержать зоны утонения, аналогичные зонам, которые будут описаны ниже в связи со сваркой сдвоенных крышек.
Предпочтительно площадь контакта между перемычкой 31 и крышкой 32 превышает или равна одной четверти площади крышки 32, а еще предпочтительнее - превышает или равна половине площади крышки 32 и даже равна всей площади крышки.
Такая конфигурация устройств накопления позволяет получить максимальную площадь контакта между перемычкой 31 и крышкой, что способствует теплообмену между крышкой и корпусом через перемычку 31.
В другом варианте выполнения, показанном на фиг.7, 8 и 9, соединительные средства 30 содержат продольную деталь 34, называемую сдвоенной крышкой, концы 35 и 36 которой образуют верхние или нижние крышки двух смежных устройств 20 накопления для их электрического соединения.
Использование продольной детали 34 для электрического соединения двух смежных устройств накопления позволяет улучшить электрические и термические характеристики модулей.
Действительно, что касается электрических характеристик, использование соединительных средств, выполненных в виде одной детали, позволяет уменьшить внутреннее сопротивление соединительных средств (и, следовательно, выделение тепла за счет эффекта Джоуля). Что касается термических характеристик, использование соединительных средств в виде одной детали, которые могут образовывать верхние (или нижние) крышки двух устройств накопления, позволяет увеличить площадь контакта между устройствами 20 накопления и стенками модуля, что способствует передаче тепла в сторону корпуса 10.
В случае, когда сдвоенные крышки сварены при помощи сквозной лазерной сварки, каждый конец 35 и 36 сдвоенной крышки 34 содержит зоны 37 утонения для образования зон сварки.
В вариантах выполнения, показанных на фиг.8 и 9, зоны 37 утонения являются радиальными и попарно перпендикулярными.
В варианте выполнения, показанном на фиг.8, зона 37 утонения каждого конца 35 и 36 расположена вдоль продольной оси В-В продольной детали 34.
Это позволяет уменьшить внутреннее сопротивление продольной детали 34 (и, следовательно, выделение тепла соединительными средствами 30 за счет эффекта Джоуля). Однако в этом случае ток проходит в основном по прямолинейным зонам утонения, выполненным вдоль продольной оси В-В продольной детали 34. Это может привести к местному нагреву продольной детали в области прямолинейных зон утонения, расположенных вдоль продольной оси В-В продольной детали 34.
В варианте выполнения, показанном на фиг.9, радиальные прямолинейные зоны 37 утонения являются попарно перпендикулярными и образуют угол 45° с продольной осью детали. Это позволяет избежать опасности повреждения, связанной с вышеупомянутым локальным нагревом.
Понятно, что в описанный выше модуль можно внести многочисленные изменения, без выхода за рамки изобретения и описанных выше его преимуществ, следовательно, все такие изменения должны быть включены в объем правовой защиты модуля, определенный прилагаемой формулой изобретения.
Например, число устройств накопления в модуле может быть больше или меньше 20. Например, модуль может содержать два устройства накопления электрической энергии или более двух устройств накопления.
Устройства накопления энергии могут быть соединены между собой при помощи комбинации описанных выше средств:
- сдвоенных крышек снизу и крышек с клеммами сверху (фиг.7);
- сдвоенных крышек снизу и плоских сварных или паяных крышек сверху (фиг.7a);
- сдвоенных крышек снизу и сверху (фиг.7b);
- сварных перемычек сверху и снизу (фиг.7c);
- крышек с клеммами сверху и сварных крышек снизу (фиг.7d),
- крышек с клеммами сверху и снизу (фиг.6),
в зависимости от условий сборки и производственных требований.
Возможны также варианты осуществления изобретения, в которых края выемки 16 находятся в термическом контакте с устройством 20 накопления, оставаясь электрически изолированными от него. Например, когда крышка запрессована внутрь устройства. В этом случае крышку 32 неподвижно соединяют с внутренней стороной боковой стенки устройства 20 накопления вблизи его верхнего конца (таким образом, чтобы крышка 32 полностью находилась под верхним краем устройства 20 накопления). Возможны также варианты осуществления, в которых выемка находится в термическом контакте одновременно с крышкой 32 и устройством 20 накопления, оставаясь электрически изолированной от них.
Кроме того, корпус может содержать более одной выемки для каждого устройства накопления. В частности, для каждого устройства накопления корпус может содержать две выемки, одна из которых выполнена с внутренней стороны верхней стенки, а другая - с внутренней стороны нижней стенки.
Точно так же, не выходя за рамки изобретения, можно предусмотреть случай, когда выемки находятся напротив нижней стенки, то есть выгибание устройств накопления происходит в нижней части модуля.
Точно так же, число электронных управляющих плат может быть больше или меньше 4. Например, модуль может содержать только одну управляющую плату.
В этом случае два устройства накопления термически соединяют с первой стенкой, а электронную управляющую плату соединяют со второй стенкой, отличной от первой, чтобы увеличить теплообмен с окружающей средой и, следовательно, способствовать отводу тепла, выделяемого устройствами накопления, соединительными средствами и электронной управляющей платой.
Кроме того, в описанных выше различных вариантах выполнения были представлены:
- устройства накопления, соединенные термически либо с нижней стенкой корпуса, либо с верхней стенкой корпуса, либо с верхней и нижней стенками корпуса, и
- управляющая электронная плата, соединенная с одной, двумя, тремя или четырьмя боковыми стенками корпуса.
Точно так же, геометрическая компоновка устройств накопления была описана выше в виде квадратной решетки, но она может иметь любую форму, например, форму треугольника, параллелограмма, шестиугольника, восьмиугольника и т.д.
Понятно, что термические соединения устройств накопления и электронных управляющих плат могут быть изменены на обратные:
- устройства накопления могут быть соединены с одной или несколькими боковыми стенками корпуса, например, в случае, когда устройства накопления энергии расположены в плоскости так, чтобы обеспечить удаление тепла от устройств накопления наружу корпуса вдоль оси;
- электронные управляющие платы могут быть соединены с верхней стенкой или с нижней стенкой, или с верхней и нижней стенками.
Для упрощения описания были представлены только модули, расположенные вертикально. Разумеется, модулям можно придать любое направление, не выходя за рамки настоящего изобретения.
В настоящем описании устройства накопления и их ориентация определены в связи с устройствами накопления, имеющими круглое сечение. Разумеется, устройства накопления могут иметь любое сечение.
Наконец, описание было представлено в связи с конструкцией модуля, содержащей устройства накопления, расположенные только на одном уровне, но разумеется, изобретение можно также применять для модулей, содержащих несколько слоев с устройствами накопления, при этом теплообмен с корпусом происходит в наружных слоях множества устройств накопления.