Модуль аккумуляторной электрической батареи

Полезная модель относится к области энергообеспечения, а именно к аккумуляторным электрическим батареям, которые преимущественно используются для обеспечения питания малых электротранспортных средств.
На производительность аккумуляторных элементов сильно влияют температурные градиенты во время заряда и разряда. Соответствующая средняя температура не является хорошим показателем, поскольку более горячая часть элемента имеет меньшее сопротивление, через нее протекает больший ток, выделяя больше тепла и обеспечивая механизм положительной обратной связи.
В работе [Fleckenstein M. et al. Current density and state of charge inhomogeneities in Li-ion battery cells with LiFePO4 as cathode material due to temperature gradients //Journal of Power Sources. - 2011. - Т. 196. - №. 10. - С. 4769-4778.] приводится следующая информация: "Thus temperature, current and SoC distribution indicates more harsh aging conditions for the warmer parts of a Li-ion cell as well as an accelerated aging of the complete cell in comparison to cells with homogenous temperature distributions. The importance to study the thermal-electrical inhomogeneities for accurate aging examinations can be deduced from the literature. Investigations and experiments considering aging inhomogeneities have to be done both on single cell and on battery pack level". Перевод: "Таким образом, распределение температуры, тока и SoC указывает на более суровые условия старения более теплых частей литий-ионного элемента, а также на ускоренное старение всего элемента по сравнению с элементами с однородным распределением температуры. Из литературы можно сделать вывод о важности изучения теплоэлектрических неоднородностей для точных исследований старения. Исследования и эксперименты с учетом неоднородностей старения необходимо проводить как на уровне отдельного элемента, так и на уровне аккумуляторной батареи".
Известен модуль аккумуляторной электрической батареи, содержащий корпус, в котором выполнены сквозные параллельные отверстия, расположенные в шахматном порядке в плоскости, поперечной продольным осям отверстий, в каждом отверстии размещен цилиндрический аккумулятор, плотно контактирующий своей наружной цилиндрической поверхностью с внутренней цилиндрической поверхностью отверстия с возможностью теплопередачи между указанными контактирующими поверхностями (см. патентный документ RU 2636059 С2, опубл. 28.09.2017).
Недостатками известного модуля являются сложность конструкции и неравномерное охлаждение аккумуляторных элементов по их длине.
В качестве ближайшего аналога выбран модуль аккумуляторной электрической батареи (патент RU 192515 U1, опубл. 19.09.2019). Модуль аккумуляторной электрической батареи (фиг. 1а) содержит корпус, в котором выполнены отверстия, в каждом отверстии размещен аккумуляторный элемент, контактирующий своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью отверстия с возможностью теплопередачи между указанными контактирующими поверхностями, при этом аккумуляторные элементы обращены своими торцевыми поверхностями, которые противоположны их плюсовым токовыводам, в одну сторону, противоположную краю отверстия, в которое они введены, с обеспечением электрического контакта своих минусовых токовыводов непосредственно с корпусом, к корпусу подключен электрический токопровод, а плюсовой токовывод каждого аккумулятора электрически соединен с плюсовым токопроводом, при этом корпус выполнен в виде теплоотвода, проводящего тепло между наружными поверхностями аккумуляторных элементов и средством теплообмена, расположенным на торцевой стороне корпуса, противоположной поверхности с отверстиями, в которые введены аккумуляторные элементы.
Отверстия под аккумуляторные элементы могут быть выполнены несквозными с глухой стенкой, при этом торцевая стенка аккумуляторного элемента контактирует с указанной глухой стенкой отверстия. Минусовой вывод аккумуляторного элемента расположен на его торцевой стенке, контактирующей с глухой стенкой. Средство теплообмена выполнено в виде воздушного теплообменника с охлаждающими ребрами. Плюсовые токовыводы аккумуляторных элементов связаны с плюсовым токопроводом посредством шины, закрепленной на корпусе посредством электроизолирующих прокладок. Поперечное сечение отверстия выполнено в форме многосторонней геометрической фигуры с вершинами и впадинами с возможностью контактирования внешней поверхности аккумуляторного элемента с частью внутренней поверхности отверстия.
Основным недостатком ближайшего аналога является неравномерное охлаждение аккумуляторных элементов по их длине (фиг. 1б), возникающее вследствие расположения средства теплообмена со стороны торцов указанных элементов. Кроме того, существенным недостатком аналога является низкая эффективность отвода тепла от аккумуляторных элементов, возникающая вследствие относительно небольшой площади поверхности средства теплообмена.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является эффективный и равномерный отвод тепла от аккумуляторных элементов.
Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что модуль аккумуляторной электрической батареи содержит корпус с отверстиями, в которых размещены аккумуляторные элементы, контактирующие своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью отверстия с возможностью теплопередачи между указанными контактирующими поверхностями, при этом отверстия под аккумуляторные элементы выполнены несквозными с глухой стенкой, торцевая стенка аккумуляторного элемента контактирует с указанной глухой стенкой отверстия, аккумуляторные элементы обращены своими торцевыми поверхностями, которые противоположны их плюсовым токовыводам, в одну сторону, противоположную краю отверстия, в которое они введены, с обеспечением электрического контакта своих минусовых токовыводов непосредственно с корпусом, к корпусу подключен электрический токопровод, а плюсовой токовывод каждого аккумулятора электрически соединен с токоведущими шинами, корпус выполняет функцию теплоотвода, проводящего тепло между наружными поверхностями аккумуляторных элементов и средством теплообмена, при этом указанный корпус выполняет функцию средства теплообмена и представляет собой ячеистую структуру, выполненную в виде трехмерной монолитной решетки, состоящей из регулярно повторяющихся элементарных ячеек в форме бипирамиды, сформированной из стержней, образующих ребра бипирамиды, соединенные с вершинами пирамид, образующих бипирамиду, при этом корпус изготовлен из порошка металла аддитивным методом. В одном из вариантов реализации стержни, образующие ребра бипирамиды, могут иметь круглое сечение диаметром 1-3 мм. Элементарные ячейки могут быть вписаны в куб со стороной 8-12 мм. Корпус может быть изготовлен с помощью технологии селективного лазерного плавления. Корпус может быть выполнен из сферического порошка бронзового или алюминиевого сплава. Корпус может иметь форму цилиндра. Отверстия под аккумуляторные элементы могут быть расположены в шахматном порядке. К корпусу со стороны плюсовых токовыводов аккумуляторных элементов при помощи разъемных резьбовых соединений может быть присоединена крышка, изготовленная из диэлектрического материала. Плюсовые токовыводы аккумуляторных элементов могут быть связаны с плюсовым токопроводом посредством контактной шины, при этом токовыводы могут быть соединены с контактной шиной посредством пайки, сварки или электропроводящего клея.
Таким образом, за счет изменения конструкции средства теплообмена, функцию которого выполняет корпус, представляющий собой ячеистую структуру, выполненную в виде трехмерной монолитной решетки, достигается технический результат - равномерное поле температур аккумуляторного элемента.
Полезная модель поясняется при помощи чертежей:
на фиг.1 - неравномерное охлаждение аккумуляторных элементов по их длине;
на фиг.2 - верхняя часть корпуса модуля аккумуляторной электрической батареи;
на фиг.3 - электрическое соединение аккумуляторных элементов в корпусе;
на фиг.4 - элементарная ячейка;
на фиг.5 - крышка модуля аккумуляторной электрической батареи;
на фиг.6 - верхняя часть модуля аккумуляторной электрической батареи;
на фиг.7 - нижняя часть корпуса модуля аккумуляторной электрической батареи;
на фиг.8 - нижняя часть модуля аккумуляторной электрической батареи.
Модуль аккумуляторной электрической батареи содержит корпус 1 с отверстиями 2, в каждом из которых размещен аккумуляторный элемент 3, контактирующий своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью отверстия 2 с возможностью теплопередачи между указанными контактирующими поверхностями.
Отверстия 2 под аккумуляторные элементы 3 выполнены несквозными с глухой стенкой, при этом торцевая стенка аккумуляторного элемента 3 контактирует с указанной глухой стенкой отверстия 2.
Корпус 1 выполняет функцию средства теплообмена и представляет собой трехмерную монолитную решетку из регулярно повторяющихся элементарных ячеек 4.
Корпус 1 изготовлен при помощи аддитивных технологий, в частности методом 3D-печати SLM. Материал корпуса 1 должен обладать высокими свойствами электропроводности и теплопроводности, а также быть доступен в виде порошка для аддитивных производств. Корпус 1 может быть выполнен, например, из порошка бронзовых или алюминиевых сплавов, в частности из порошка бронзового сплава БрХЦрТ В или порошка алюминиевого сплава АК9ч.
Элементарная ячейка 4 представляет собой бипирамиду, образованную из стержней 5, образующих ребра пирамиды, соединенных в вершинах пирамиды. В зависимости от решаемых задач и размеров аккумуляторных элементов 3 элементарные ячейки 4 могут иметь разные размеры, а стержни 5 - разную форму сечения. В частности стержни 5 могут иметь круглое сечение диаметром 1-3 мм, а элементарные ячейки 4 могут быть вписаны в куб со стороной 8-12 мм.
К корпусу 1 при помощи разъемных соединений присоединена крышка 6. Конструкция, обеспечивающая фиксацию крышки 6, может быть выполнена, например, следующим образом. В корпусе 1 могут быть выполнены глухие отверстия 7 с нарезанной резьбой, предназначенные для фиксации крышки 6 при помощи крепежных наборов 8. Крепежные наборы 8 могут содержать винт и шайбу либо шпильку, шайбу и гайку, при этом винт или шпилька вворачиваются в отверстие 7.
Крышка 6, изготовленная из диэлектрического материала, содержит крепежный элемент 9, который может быть выполнен в виде выступа со сквозными отверстиями 10. Отверстия 10 используются для фиксации модуля по месту установки при помощи разъемных соединений, в частности при помощи винтов и гаек.
Крышка 6 включает бобышку 11 с резьбовым отверстием под клемму 12. Клемма 12 касается токоведущей шины 13 одной своей стороной, а на другой стороне имеет разъемное соединение для подключения плюсового токовывода модуля аккумуляторной электрической батареи. Крышка 6 содержит отверстия 14, положение которых соответствует положению отверстий 7 корпуса 1. Отверстия 14 предназначены для крепления крышки 6 к корпусу 1 при помощи крепежных наборов 8.
Аккумуляторные элементы 3 обращены своими торцевыми поверхностями, которые противоположны их плюсовым токовыводам, в одну сторону, противоположную краю отверстия 2, в которое они введены, с обеспечением электрического контакта своих минусовых токовыводов непосредственно с корпусом 1.
Изолятор 15 находится над корпусом 1 и под токоведущими шинами 13. Изолятор имеет отверстия соосные отверстиям 2 и отверстиям 7 для аккумуляторных элементов 3 и для крепежных наборов 8 соответственно.
Изолятор 15 предотвращает контакт между токоведущими шинами 13 и корпусом 1. Изолятор 15 изготовлен из диэлектрического материала.
Токоведущая шина имеет неразъемное соединение с плюсовыми токовыводами каждого аккумуляторного элемента 3. Токоведущая шина изготовлена из материала с высокой электропроводностью.
Корпус 1 содержит глухие резьбовые отверстия 16 для крепления изолирующего слоя 17 и глухое резьбовое отверстие 18 под отрицательную клемму 19.
Изолирующий слой 17 изготовлен из диэлектрического материала. Изолирующий слой 17 находится под корпусом 1 и имеет отверстия соосные отверстиям 16 для крепежных компонентов 20.
Крепежные компоненты 20 изготовлены из диэлектрического материала и могут содержать винт и шайбу либо шпильку, шайбу и гайку, при этом винт или шпилька вворачиваются в отверстие16.
Отрицательная клемма 19 вворачивается одной своей стороной в отверстие 18, а на другой стороне имеет разъемное соединение для подключения минусового токовывода модуля аккумуляторной электрической батареи.
Таким образом, использование полезной модели позволяет выровнять поле температур аккумуляторных элементов 3.
Описываемая полезная модель функционирует следующим образом. Во время эксплуатации модуля в аккумуляторных элементах 3 происходит выделение тепла. Аккумуляторные элементы 3 охлаждаются путем передачи тепла корпусу 1, который в свою очередь пассивно охлаждается воздухом. Благодаря тому, что корпус 1 обладает большой поверхностью теплообмена, происходит эффективное охлаждение аккумуляторных элементов 3. Благодаря тому, что корпус 1 имеет контакт со всей поверхностью аккумуляторных элементов 3 по высоте, поле температур аккумуляторных элементов 3 равномерное.