Автономный аккумуляторный модуль на базе литий-полимерных аккумуляторов

Полезная модель относится к области энергообеспечения, точнее к средствам аккумулирования электроэнергии и предназначена, преимущественно, для использования в транспортном машиностроении в составе энергопитающих комплексов транспортных средств, оснащенных тяговым электроприводом.
Из уровня техники известна литий-ионная аккумуляторная батарея (RU 103675 U1, 20.04.2011), которая состоит из литий-ионных аккумуляторных ячеек призматической формы, соединенных последовательно в электрическую цепь и отделенных друг от друга и от стенок корпуса батареи диэлектрическими проставками. Аккумуляторные ячейки размещены в выемках сложной формы, выполненных в проставках, которые закреплены на охлаждаемом основании батареи. Все составляющие батареи стянуты силовыми шпильками. Способ охлаждения аккумуляторных ячеек не обеспечивает получения равномерного температурного поля на всей их поверхности, т.к. теплообмен осуществляется с малой площади днищ ячеек, а неравномерный нагрев аккумуляторов может приводить к снижению электрической емкости при циклировании (заряд/разряд).
Из уровня техники известна высокомощная батарея (RU 155156 U1, 20.09.2015), содержащая блок плоских литий-полимерных аккумуляторов, соединенных в электрическую цепь последовательно и установленных в полиамидные рамки, снабженные отверстиями под стяжки, обеспечивающие фиксацию аккумуляторов в блоке и блоков в батарее. Между аккумуляторами в блоке установлены металлические теплоотводы с увеличенной поверхностью теплоотдачи по торцам, передающие тепло на стенки кожуха через теплопроводящие электроизоляционные прокладки, а на основание батареи через теплопроводящую электроизоляционную прокладку установлена плата силовых ключей на алюминиевой основе электронной системы контроля и управления батареей. На внутреннюю поверхность кожуха нанесено покрытие из теплоизоляционного мелкоячеистого вспененного полиуретана, что позволяет в условиях низких температур при небольших токах разряда сохранить тепло внутри батареи и обеспечить ее разрядную емкость до 75% от номинальной. С другой стороны, такое техническое решение значительно снижает допустимые разрядные тока батареи и, соответственно ее емкость, при положительной температуре окружающей среды. Также следует отметить наличие в батареи трех электронных плат: двух плат управления, платы силовых ключей и платы датчиков температуры, что значительно усложняет конструкцию и снижает ее показатели надежности и отказоустойчивости.
Из уровня техники известен аккумуляторный модуль на базе литий-полимерных аккумуляторов с улучшенными условиями теплообмена между ячейками (US 2007/0037051 А1, 15.02.2007), содержащий переднюю и заднюю торцевые пластины и расположенные между ними последовательно соединенные в электрическую цепь однотипные аккумуляторные ячейки призматической формы, каждая из которых размещена в проставке с обеспечением каналов воздушного охлаждения, а также стягивающие шпильки, замыкающие сжимающее усилие на торцевых пластинах. Проставки в нем установлены между аккумуляторными ячейками таким образом, что между двумя соседними ячейками размещено по одной проставке, охватывающей ячейку своими тремя сторонами: фронтальной и двумя боковыми или двумя сторонами: фронтальной и боковой, причем эти стороны проставок содержат несколько выполненных сквозными пазов, которые в собранном аккумуляторном модуле образуют горизонтально расположенные каналы для прохождения охлаждающего теплоносителя.
Однако в собранном аккумуляторном модуле такое конструктивное построение проставок при необходимости обеспечения требуемых прочностных параметров может приводить к довольно значительному перекрытию фронтальных поверхностей аккумуляторных ячеек перемычками между пазами, при этом каналы воздушного охлаждения будут иметь относительно небольшую суммарную площадь проходного сечения -это затруднит циркуляцию воздуха и отвод тепла. Следовательно, несмотря на присутствие каналов воздушного охлаждения, теплоотводящая система не способна обеспечить равномерный и достаточный отвод тепла при максимальных электрических нагрузках на аккумуляторный модуль, что следует отнести к основному его недостатку, приводящему к снижению ресурса и надежности работы модуля.
Из уровня техники известна электрическая батарея (US 2009/0253026 А1, 08.10.2009), содержащая множество генерирующих энергию элементов (электрохимическая ячейка литий-ионного или литий-полимерного типа) упакованных в гибкую герметичную оболочку, которая защищает от механических и термических повреждений корпус, выполненный из теплопроводного материала. Этот корпус имеет два продольных элемента и множество поперечных элементов, соединяющих указанные продольные элементы, образуя отсеки для электрохимических ячеек. Указанный корпус включает в себя каналы циркуляции для жидкого теплоносителя. Серьезным недостатком данной конструкции можно назвать невозможность обеспечения плотного прилегания электрохимических ячеек к поперечным элементам, по которым проходит жидкий теплоноситель. Это связано с наличием допуска по толщине ячеек и размерам корпуса, поэтому равновероятны возможности как наличия воздушного зазора, снижающего интенсивность теплопередачи и вызывающего чрезмерный нагрев ячеек, так и превышения допустимых нагрузок сжатия ячеек, что может привести к их механическому повреждению.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является аккумуляторный модуль на базе литий-полимерных аккумуляторов (RU 142206 U1, 20.06.2014), содержащий переднюю и заднюю торцевые пластины и расположенные между ними последовательно соединенные в электрическую цепь однотипные аккумуляторные ячейки, каждая из которых размещена в проставке с обеспечением каналов воздушного охлаждения. Проставки выполнены в виде разъемного корпусного элемента, составленного из двух пар противолежащих боковых стоек. Передняя и задняя крышки модуля вместе с проставками образуют корпус модуля, защищающий аккумуляторные ячейки от вероятных механических повреждений во время эксплуатации.
Такое конструктивное выполнение аккумуляторного модуля увеличивает вес аккумуляторного модуля, а также усложняет конструкцию при относительно неинтенсивном воздушном охлаждении аккумуляторных ячеек, что снижает надежности эксплуатации автономного аккумуляторного модуля с воздушным охлаждением, снижает срок его службы и ограничивает диапазон возможных рабочих токов разряда.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на разработку эффективного автономного аккумуляторного модуля на базе литий-полимерных аккумуляторов, обладающего увеличенным ресурсом и надежностью работы.
Технический результат заключается в повышении надежности эксплуатации автономного аккумуляторного модуля с воздушным охлаждением на базе литий-полимерных аккумуляторов призматической формы, увеличении его срока службы и расширении диапазона рабочих токов, сохраняя при этом уровень защищенности от механических повреждений и простую конструкцию.
Технический результат достигается тем, что автономный аккумуляторный модуль на базе литий-полимерных аккумуляторов призматической формы, содержащий расположенные с постоянным интервалом, обеспечивающим проходное сечение каналов воздушного охлаждения, последовательно соединенные в электрическую цепь однотипные аккумуляторные ячейки, три электронных блока для контроля параметров и нивелирования разбалансировки напряжений аккумуляторных ячеек, к которому подсоединены контакты ячеек, снабжен внутренним корпусом, выполненным в виде четырех пластин, соединенных друг с другом по контуру аккумуляторных ячеек, образовывая две скошенных боковых, заднюю и переднюю стенки, которые также соединены с двумя продольно расположенными планками, на которые опираются аккумуляторные ячейки, наружным корпусом, выполненным в виде пластин, образовывая две верхних боковых, две нижних боковых, верхнюю заднюю, нижнюю заднюю, верхнюю переднюю, нижнюю переднюю стенки, крышку и основание, которые закреплены на металлическом каркасе, выполненным из профильных труб, вертикальными проставками, расположенными между аккумуляторными ячейками, а также между первой крайней аккумуляторной ячейкой и передней стенкой внутреннего корпуса, между второй крайней аккумуляторной ячейкой и задней стенкой внутреннего корпуса, предотвращающие соприкосновение ячеек друг с другом и соприкосновение ячеек с передней и задней стенками внутреннего корпуса, причем толщина зафиксированной проставки определяет величину воздушных каналов, обеспечивающих охлаждение аккумуляторных ячеек, как и воздушные каналы, образованные каркасом, наружным и внутренним корпусами, при этом стенки наружного корпуса соединены с металлическим каркасом, образуя разборный корпус-защиту для контактов аккумуляторных ячеек и электронных блоков от механических повреждений, причем на нижней передней стенке наружного корпуса аккумуляторного модуля выполнено отверстие, через которое поступает принудительно циркулируемый охлаждающий воздух от электровентилятора, закрепленного на этой стенке, а на задней стенке наружного корпуса выполнено отверстие для выхода воздуха, причем в пространстве между внутренним и наружным корпусами в нижней части аккумуляторного модуля установлен распределитель воздуха, формирующий канал переменного сечения, а дополнительные горизонтальные перегородки, расположенные между стенками внутреннего и наружного корпусов, предотвращают возникновения завихрений в воздушном потоке, снижая аэродинамическое сопротивление и увеличивая интенсивность отвода тепловой энергии.
Конструкция автономного аккумуляторного модуля также имеет следующие дополнительные отличия.
- Проставки равноудалены от боковых краев, заполненной электролитом части аккумуляторной ячейки, с которой они закреплены, и расположены вертикально, указанное расположение проставок позволяет предотвратить соприкосновение ячеек друг с другом и соприкосновение ячеек с крышками корпуса. Такое расположение проставок обеспечивает постоянную по высоте ширину воздушного зазора, одновременно с этим значительно не уменьшая площадь его сечения. Меньшее количество проставок (одна) приведут к неравномерности ширины (со стороны, где есть проставка ширина зазора максимальна, а с противоположной стремится к нулю).
- Проставки выполнены в виде удлиненных плоских прямоугольных пластин, широкой стороной примыкая к аккумуляторным ячейкам, что обеспечивает упрощение процесса изготовления, и сборки аккумуляторного модуля за счет их простой формы.
- Проставки соединены с аккумуляторными ячейками клеевым соединением, а нижние и верхние стенки наружного корпуса, соответствующих сторон, соединены друг с другом пазовым соединением так же, как и нижние боковые, нижняя задняя, нижняя передняя стенки с основанием наружного корпуса, и верхние боковые и верхняя задняя, верхняя передняя стенки с крышкой наружного корпуса, а стенки внутреннего корпуса соединены друг с другом системой «шип-паз»,
что обеспечивает упрощение процесса сборки аккумуляторного модуля, разборки в случае неисправности аккумуляторной ячейки, а также уменьшение веса автономного аккумуляторного модуля за счет исключения других распространенных видов крепежных соединений, обладающих более высокой массой.
- Наружный и внутренний корпуса выполнены из композитного материала, в основе которого лежат пластики, что обеспечивает уменьшение массы автономного аккумуляторного модуля с сохранением надежности конструкции, а также исключает возможность замыкания любого электрического контакта на корпус.
- Стенки наружного корпуса закреплены на металлическом каркасе с помощью крепежных элементов, как и электровентилятор на передней стенке наружного корпуса,
что обеспечивает надежную фиксацию элементов друг с другом и повышает защитные свойства при транспортировке и внешнего воздействия.
На представленных чертежах:
на фиг. 1 показан общий вид автономного аккумуляторного модуля (изометрическая проекция);
на фиг. 2 показан вид автономного аккумуляторного модуля, иллюстрирующий его внутреннюю конструкцию (изометрическая проекция);
на фиг. 3 показан вид автономного аккумуляторного модуля, иллюстрирующий внутреннюю конструкцию (вид сбоку);
на фиг. 4 показан трехмерный вид аккумуляторных ячеек в сборе с проставками (изометрический вид).
1 - Аккумуляторная ячейка
2 - Выступ аккумуляторной ячейки
3 - Заполненная электролитом часть ячейки
4 - Контакты аккумуляторной ячейки
5 - Монтажная пластина
6 - Планка прижимная
7 - Электронный блок
8 - Стойка
9 - Вертикальная проставка
10 - Стенка внутреннего корпуса
11 - Верхняя боковая стенка наружного корпуса
12 - Нижняя боковая стенка наружного корпуса
13 - Верхняя задняя стенка наружного корпуса
14 - Нижняя задняя стенки наружного корпуса
15 - Верхняя передняя стенка наружного корпуса
16 - Нижняя передняя стенка наружного корпуса
17 - Крышка наружного корпуса
18 - Основание наружного корпуса
19 - Металлический каркас
20 - Крепежный элемент
21 - Планка продольная
22 - Распределитель воздуха
23 - Горизонтальная перегородка
24 - Клемма
25 - Отверстие для входа воздуха из электровентилятора в наружном корпусе
26 - Электровентилятор
27 - Отверстие для выхода воздуха из наружного корпуса.
Предлагаемый автономный аккумуляторный модуль содержит последовательно установленные аккумуляторные ячейки 1 призматической формы с литий-ионным полимерным электролитом.
Аккумуляторные ячейки 1 расположены вертикально параллельно друг другу таким образом, чтобы отрицательные и положительные контакты соседних ячеек располагались друг против друга. Каждая ячейка 1 содержит выступ 2 и заполненную 3 электролитом часть. Выступ 2 ячейки сверху содержит анод и катод, переходящие в контакты 4. Контакты 4 аккумуляторных ячеек 1 проходят сквозь прорези в монтажной пластине 5 и зафиксированы прижимными планками 6. Планки 6 крепятся к монтажной пластине винтами, что обеспечивает прижим.
Контроль параметров и нивелирования разбалансировки напряжений аккумуляторных ячеек осуществляют три электронных блока 7, к ним подсоединены контакты 4 ячеек 1. Находятся они в верхней части аккумуляторного модуля над монтажной пластиной 5 и закреплены на ней на стойках 8, которые выполняют роль крепежных элементов.
Между всеми ячейками расположены вертикальные проставки 9, выполненные в виде прямоугольных пластин, из диэлектрического материала, оснащенные клеевым слоем на поверхностях, контактирующих с аккумуляторными ячейками 1. Вертикальные проставки 9 обеспечивают равномерное распределение ячеек в модуле и гарантируют наличие воздушных каналов между ячейками. Проставки 9 предотвращают соприкосновение ячеек друг с другом. Воздух, проходящий по этим каналам, охлаждает ячейки в процессе их работы. Проставки 9 равноудалены от краев заполненной 3 электролитом части аккумуляторных ячеек и расположены вертикально, с расстоянием между двумя проставками большим, чем от проставки до края ячейки 1. Клеевое соединение обеспечивает упрощение процесса сборки аккумуляторного модуля, разборки в случае неисправности аккумуляторной ячейки, а также уменьшение массы автономного аккумуляторного модуля.
Для направления воздушных потоков аккумуляторный модуль имеет внутренний корпус, выполненный в виде четырех пластин, соединенных друг с другом по контуру аккумуляторных ячеек системой «шип-паз», образовывая две боковых, заднюю и переднюю стенки 10. К передней и задней стенкам 10 подсоединены проставки 9, которые предотвращают соприкосновение ячеек с внутренним корпусом. Для защиты от механических воздействий аккумуляторный модуль снабжен наружным корпусом, выполненным из пластин, образующих две верхних боковых 11, две нижних боковых 12, верхнюю заднюю 13, нижнюю заднюю 14, верхнюю переднюю 15, нижнюю переднюю 16 стенки, крышку 17, основание 18, которые закреплены на металлическом каркасе 19, выполненным из профильных труб, с помощью крепежных элементов 20. Нижние 12, 14, 16 и верхние 11, 13, 15 стенки наружного корпуса, соответствующих сторон, соединены друг с другом пазовым соединением так же, как и нижние боковые 12, нижняя задняя 14, нижняя передняя 16 стенки с основанием 18 наружного корпуса, и верхние боковые 11 и верхняя задняя 13, верхняя передняя 15 стенки с крышкой 17 наружного корпуса. Каркас 19, наружный и внутренний корпусы образуют воздушные каналы для охлаждения аккумуляторных ячеек 1.
Аккумуляторные ячейки 1 опираются на две расположенные продольно планки 21, с которыми соединены снизу стенки 10 внутреннего корпуса изнутри, образуя основание. Планки 21 опираются на каркас 19 и приварены к нему.
В пространстве между внутренним и наружным корпусами в нижней части аккумуляторного модуля установлен распределитель воздуха 22, формирующий канал переменного сечения. Боковые стенки, образованные пластинами внутреннего корпуса также выполнены скошенными для формирования воздушного канала переменного сечения. Дополнительные горизонтальные перегородки 23, расположенные между стенками, внутреннего и наружного корпусов предотвращают возникновения завихрений в воздушном потоке, снижая аэродинамическое сопротивление и увеличивая интенсивность теплоотвода.
К контактам первой и последней ячеек 1 с помощью прижимных планок 6 прикреплены клеммы 24, предназначенные для соединения с потребителем и зарядным устройством.
Элементы обоих разборных корпусов выполнены из композитного материала, в основе которого лежат пластики, что обеспечивает уменьшение массы автономного аккумуляторного модуля с сохранением надежности конструкции, а также исключает возможность замыкания любого электрического контакта на корпус.
Для более интенсивного охлаждения аккумуляторных ячеек 1, на передней нижней 16 стенке наружного корпуса аккумуляторного модуля выполнено отверстие 25, через которое поступает принудительно циркулируемый охлаждающий воздух от электровентилятора 26, а на задней нижней стенке 14 наружного корпуса выполнено отверстие 27 для выхода поступившего воздуха. Вентилятор 26 закреплен на наружном корпусе с помощью крепежных элементов 20. Размеры отверстия 25 на корпусе совпадают с размерами входного отверстия (на чертеже не показано) вентилятора 26.
Работа автономного аккумуляторного модуля разделена на два режима: заряд модуля и его разряд, осуществляемые в штатном режиме.
Тепловая энергия, выделяемая при циклировании аккумуляторных ячеек 1, передается с фронтальных поверхностей ячеек в предусмотренный в модуле воздушный зазор между ячейками 1. Проставки 9 формируют вертикальные каналы воздушного охлаждения ячеек 1, воздух по которым проходит от впускного отверстия 25 к выпускному отверстию 27 в корпусе.
Вентилятор 26 создает избыточное давление, под действием которого он поступает в воздушный зазор между наружным и внутренним корпусами. Проходя в нижней части аккумуляторного модуля воздух, равномерно разделяется по многочисленным зазорам между ячейками распределителем 22. Поднимаясь снизу вверх, по зазорам между ячейками, воздух отбирает излишки тепловой энергии, а затем выходит через отверстие в задней стенки в окружающую среду.
Конструкция корпуса оптимизирована с целью равномерного распределения теплоносителя по воздушным зазорам между аккумуляторными ячейками 1 для более равномерного и эффективного охлаждения во время работы. Равномерность охлаждения позволяет увеличить надежность и долговечность аккумуляторного модуля и входящих в его состав аккумуляторных ячеек 1.
Поскольку, как известно, разбалансировка отдельных аккумуляторных ячеек 1 является отрицательным явлением в работе модуля, приводящим к уменьшению величины рабочего напряжения и уменьшению количества запасаемой энергии, что снижает значение электрической емкости модуля и, соответственно, сокращает запас хода электрического транспортного средства, а основных причин разбалансировки несколько, например: неидентичные характеристики ячеек 1, определяемые отклонениями во время производственного процесса, неодинаковое исходное состояние ячеек 1 перед установкой их в модуль, а также различное температурное состояние ячеек 1, то во время этих режимов очень важен контроль величины разбалансировки аккумуляторных ячеек 1, под которой подразумевается различие в значении оставшегося заряда отдельных ячеек 1.
В предлагаемом модуле при достижении хотя бы одной аккумуляторной ячейкой 1 максимального/минимального значения по величине заряда/разряда ячейки блок управления 7 прекращает процесс заряда/разряда в соответствии с требованиями безопасности при эксплуатации аккумуляторных ячеек с литий-ионным полимерным электролитом, которые могут представлять пожароопасность при перезаряде/переразряде, характеризуемом выходом напряжения аккумуляторной ячейки 1 за допустимые пределы.
Таким образом, за счет своей конструкции достигается повышение надежности эксплуатации автономного аккумуляторного модуля с воздушным охлаждением на базе литий-полимерных аккумуляторов призматической формы, увеличение его срока службы и расширение диапазона рабочих токов, сохраняя при этом уровень защищенности от механических повреждений и простую конструкцию.
К тому же благодаря функциональным возможностям платы 27 конкурентным преимуществом предлагаемого автономного аккумуляторного модуля является возможность его самодиагностики, динамической оценки степени заряженности, коррекция выходных характеристик в зависимости, как от текущего состояния, так и от прогнозируемого.
Кроме того, за счет своей конструкции, а именно за счет уменьшения количества и массы корпусных деталей упрощается процесс изготовления и сборки аккумуляторного модуля и достигается увеличение удельной емкости модуля.