СПОСОБ ЖИДКОСТНОЙ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ПЛОСКИХ ЯЧЕЕК БАТАРЕЙНОГО МОДУЛЯ ТЯГОВОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
METHOD FOR LIQUID THERMAL STABILISATION OF FLAT CELLS OF THE BATTERY MODULE OF A TRACTION ACCUMULATOR BATTERY

Изобретение относится к области энергообеспечения, точнее к средствам аккумулирования электроэнергии, и предназначено для использования в транспортном машиностроении в составе энергопитающих комплексов транспортных средств, оснащенных тяговым электроприводом.
Из уровня техники известна высокомощная батарея (RU 155156, 20.09.2015 г.), содержащая блок плоских литий-полимерных аккумуляторов, соединенных в электрическую цепь последовательно и установленных в полиамидные рамки с отверстиями под стяжки, обеспечивающие фиксацию аккумуляторов в блоке и прижим их к установленным между аккумуляторами металлическим теплоотводам, передающим тепло на стенки металлического кожуха батареи через теплопроводящие электроизоляционные прокладки. В указанной полезной модели решается задача теплообмена плоских литий-полимерных аккумуляторных ячеек с окружающей средой по цепочке: аккумуляторная ячейка - металлический теплоотвод - теплопроводящие электроизоляционные прокладки - металлический кожух - окружающая среда.
Недостатками известной полезной модели являются: пассивный теплообмен с окружающей средой; большое термическое сопротивление цепочки теплообмена; высокие требования к точности изготовления деталей и сборки конструкции; стремление удовлетворить противоречивым требованиям: с одной стороны обеспечить хороший теплообмен аккумуляторных ячеек с окружающей средой при эксплуатации батареи при повышенных температурах, а с другой проводить их термоизоляцию от корпуса с помощью полиуретановой пленки при отрицательных температурах внешней среды, приводит к значительному снижению допустимых разрядных токов батареи и, следовательно, к уменьшению ее емкости при положительной температуре окружающей среды.
Из литературы известно, что системы жидкостной термостабилизации более эффективны по сравнению с воздушной термостабилизацией, так как вода имеет более высокую теплопроводность (может быстрее передавать тепло) и более высокую удельную теплоемкость (может поглощать больше тепла, чем воздух).
Известна батарея электрохимических ячеек (RU №165161,10.10.2016), в которой решается задача отвода тепла от ячеек на внешние радиаторы. Ячейки собираются в пакеты и сжимаются с двух сторон плоскими радиаторами посредством шпилек, при этом с помощью боковых стенок образуется замкнутый герметичный объем. Свободный объем батареи заполняется жидкостью.
Недостатками известного решения являются: неравномерный отвод тепла от ячеек: чем ближе к центру пакета, тем хуже отвод тепла; значительные масса (жидкость заполняет все свободное место), а также габариты и сложность конструкции: трудно обеспечивать герметичность оболочки аккумуляторной батареи.
Известна модульная сборка аккумуляторных батарей с повышенной эффективностью охлаждения (RU №2479895, 20.04.2013), в которой элементы расположены в виде многослойной структуры и в которой решается задача отвода тепла от батарейного модуля путем прижима металлических пластин со встроенными трубками к его стенкам.
Недостатками известного технического решения являются: сложность обеспечения теплового контакта с ячейками модуля; маленькая площадь отвода тепла непосредственно от аккумуляторной ячейки, и как следствие неравномерный нагрев ячейки; относительно большая масса пластин, так как трубки с теплоносителем размещаются в канавках металлических пластин и фиксируются с помощью упругих элементов.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предложенному является охлаждающий модуль и способ изготовления, по которому тепло от плоских ячеек аккумуляторной батареи отводится с помощью соединительных металлических пластин, которые, в свою очередь, вставляются в рамку из металлического U-образного полого профиля с помощью соединения типа паз-гребень, образуя охлаждающие каналы, концы которых состыкованы с присоединительными патрубками распределителя и коллектора модуля с циркулирующим жидким теплоносителем со стороны полюсных выводов аккумуляторных ячеек. При сборке рамки вставляются друг в друга, образуя пространственную конструкцию, в гнезда которой встраиваются аккумуляторные ячейки посредством прессования или приклеивания к металлическим пластинам (RU №2559214, 10.08.2015).
Недостатки известного способа заключаются в том, что под каждую толщину ячейки требуется свой профиль; необходимо обеспечить точную гибку U-образного полого профиля, иначе рамки не вставятся друг в друга; стыковка каналов рамки с распределителем и коллектором модуля сложная и ненадежная: есть большая вероятность утечки теплоносителя, а также в том, что способ предназначен только для охлаждения ячеек.
Перед заявленным изобретением была поставлена задача создания такого способа термостабилизации плоских ячеек батарейного модуля тяговой аккумуляторной батареи, при котором конструкция отвода тепла от аккумуляторных ячеек значительно упрощается и слабо зависит от их толщины и точности изготовления каналов для теплоносителя и может быть использована как для охлаждения, так и для нагрева аккумуляторных ячеек.
Поставленная задача решается тем, что предложен способ жидкостной термостабилизации плоских ячеек батарейного модуля тяговой аккумуляторной батареи, при котором тепло от аккумуляторных ячеек отводят с помощью металлических пластин и U-образных каналов с жидким теплоносителем, которые состыковывают с соответствующими патрубками распределителя и коллектора со стороны полюсов батарейных ячеек, и подключают к штуцерам нагнетающей и сливной магистрали батареи.
Новым в предложенном способе является то, что батарейный модуль собирают в виде пакетной конструкции, состоящей из перемежающихся плоских спаренных аккумуляторных ячеек и двух спаренных металлических теплоотводящих пластин, по периметру которых по трем сторонам с их торцов из самих пластин выполняют фигурные выштамповки, в которые укладывают тонкостенную U- образную металлическую трубку для жидкого теплоносителя с образованием теплообменника; одноименные полюсные выводы двух соседних аккумуляторных ячеек, между которыми пластины не устанавливают, для соединения в параллель сгибают в одну сторону с образованием накопителя, а для соединения накопителей в последовательную электрическую цепь их полюсные выводы сгибают так, чтобы совместить разноименные выводы соседних накопителей, которые перфорируют и формуют, после чего накопители и теплообменники собирают в пакетную конструкцию в один ряд в порядке: теплообменник-накопитель-теплообменник, которую стягивают с помощью больших струбцин, механически фиксируют болтами к стенкам и уголкам батарейного модуля и сверху на конструкцию в зависимости от числа накопителей в модуле устанавливают одну или две печатных платы сопряжения, в которые предварительно вставляют резьбовые элементы к которым прижимают винтами выводы накопителей через ранее сделанные в них отверстия; U-образные трубки теплообменников с одного конца подключают к распределителю, а с другого к коллектору, которые в свою очередь подсоединяют с помощью соответствующих штуцеров к шлангам нагнетающей и сливной магистрали батареи и далее к системе охлаждения и подогрева теплоносителя транспортного средства.
Технический результат заявленного изобретения состоит в упрощении конструкции устройства жидкостной термостабилизации плоских ячеек батарейного модуля тяговой аккумуляторной батареи, которая не критична к толщине ячеек и точности сгибания металлических трубок для теплоносителя и позволяет использовать аккумуляторную батарею как при повышенных, так и пониженных температурах окружающей среды.
На фиг. 1 представлен общий вид батарейного модуля в сборе, реализующего предлагаемый способ жидкостной термостабилизации плоских ячеек батарейного модуля тяговой аккумуляторной батареи. На фиг. 2 изображен батарейный модуль без накопителей, на фиг. 3 - батарейный модуль без накопителей и теплообменников, на фиг. 4 представлена одиночная плоская аккумуляторная ячейка, на фиг. 5 представлен накопитель в сборе, на фиг. 6 изображена U-образная трубка теплообменника, на фиг. 7 - теплоотводящая металлическая пластина теплообменника с фигурными выштамповками, на фиг. 8 изображен теплообменник в сборе.
Примером реализации заявленного способа может служить батарейный модуль 1 в виде пакетной конструкции (см. фиг. 1), содержащей накопители 2 (см. фиг. 5) из соединенных в параллель плоских аккумуляторных ячеек 3 (см. фиг. 4), теплообменники 4 (см. фиг. 8) из спаренных металлических теплоотводящих пластин 5 (см. фиг. 7), в фигурные выштамповки 6 которых по торцам пластин с трех сторон укладываются U-образные металлические тонкостенные трубки 7(см. фиг. 6) для жидкого теплоносителя. U-образные трубки 7 со стороны полюсных выводов 8 плоских аккумуляторных ячеек 3 состыковываются с распределителем 9 и коллектором 10 с помощью соответствующих патрубков 11 (см. фиг. 1). Сверху пакетной конструкции устанавливаются две печатных платы сопряжения 12 (см. фиг 1), с помощью которых аккумуляторные ячейки 3, между которыми не установлены теплообменники 4, попарно соединяются в параллель, для чего их одноименные выводы 8 сгибаются в одну сторону и совмещаются с разноименными выводами соседнего накопителя для соединения в последовательную электрическую цепь, затем перфорируются, а полученные отверстия 13 в количестве, например, четырех штук, формуются (см. фиг. 5). Соединенные таким образом в параллель аккумуляторные ячейки 3 в накопителях 2 соединяются в последовательную электрическую цепь с фиксацией с помощью печатных плат сопряжения 12, в которые устанавливаются резьбовые элементы 14, в которые вкручиваются винты 15 для крепления накопителей 2 к платам сопряжения 12. Вся конструкция батарейного модуля 1 стягивается в пакет с помощью больших струбцин (на чертежах не показаны) и механически фиксируется с помощью болтов 16 к центральной и боковым стенкам 17 и уголкам 18 батарейного модуля. Батарейный модуль 1 крепится к контейнеру батареи (на чертежах не показан) с помощью винтов 19 через отверстия 20 в уголках 18 батарейного модуля 1. Для электрического соединения двух половин батарейного модуля 1, соответствующих платам сопряжения 12, используется металлическая перемычка 21, которая, как и центральная стенка, не требуется в варианте устройства с одной платой сопряжения (при меньшем числе накопителей).
При эксплуатации устройство термостабилизации 1 по заявленному способу работает следующим образом. Тепло от работающих аккумуляторных ячеек 3 накопителей 2 передается к теплоотводящим металлическим пластинам 5 теплообменников 4 за счет их плотного механического прижима к ячейкам 3 с помощью стягивания всей пакетной конструкции на этапе сборки батарейного модуля с помощью больших струбцин (на чертежах не показаны). Теплоотводящие пластины 5 передают полученное от ячеек 3 накопителей 2 тепло через U- образные металлические трубки 7, уложенные в фигурные выштамповки 6 пластин 5 к циркулирующей по ним жидкости. Жидкий теплоноситель может направляться от коллектора 10 к теплообменнику транспортного средства (на чертеже не показан), чтобы довести его до нужной температуры прежде, чем он снова будет направлен в распределитель 9. Этим обеспечивается возможность эксплуатации батареи из модулей 1 как при положительной, так и при отрицательной температуре окружающей среды. Измерение и регулирование температуры батареи может осуществляться батарейной системой управления (BMS), размещенной с одного из торцов батарейного модуля 1 и подключенной к накопителям 2 с помощью гибкого кабеля, проложенного поверх печатной платы сопряжения 12 (на чертеже не показаны как и другие элементы батарейного модуля 1, не имеющие отношения к заявленному способу) по информации от датчиков температуры, установленных в клеммах каждого накопителя 2 (на чертежах не показаны).
В качестве плоских аккумуляторных ячеек 3 могут быть использованы литий-полимерные ячейки южно-корейской фирмы «КОКАМ». В качестве жидкого теплоносителя может быть использован 50% раствор этиленгликоля в воде. Металлические теплоотводящие пластины 5 и U -образные трубки для них 7 могут быть изготовлены из алюминия и термически отделяют соединенные в параллель аккумуляторные ячейки 3 накопителей 2 друг от друга, не давая распространяться теплу по батарее.
Распределитель 9 и коллектор 10 могут быть изготовлены в виде пластиковой или алюминиевой отливки под давлением или прецизионным литьем. Они герметично состыковываются с трубками 7 теплообменников 4 за счет патрубков 11, обеспечивающих влагонепроницаемое соединение.
U-образная форма трубки 7 для теплоносителя может быть получена путем сгиба прямолинейного отрезка трубки в двух местах под прямым углом. За счет этого накопители 2 охлаждаются с трех сторон.
Таким образом, заявленный способ жидкостной термостабилизации плоских ячеек батарейного модуля тяговой аккумуляторной батареи может иметь компактную и простую реализацию и обеспечивать эффективный теплообмен аккумуляторных ячеек с жидким теплоносителем так, чтобы поддерживать температуру батарейных модулей в узких пределах во избежание локальных перегревов отдельных ячеек при повышенных или пониженных температурах окружающей среды.