Экструдированная несущая плита для регулирования температуры
EXTRUDED CARRIER PLATE FOR TEMPERATURE CONTROL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области электротехники, в частности, к экструдированной несущей плите для регулирования температуры и её применению для регулирования температуры электротехнического оборудования, такого как аккумуляторные батареи транспортных средств. Настоящее изобретение также относится к несущему теплообменнику, аккумуляторному блоку и транспортному средству, включающим указанную экструдированную несущую плиту.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В процессе эксплуатации различное электротехническое оборудование выделяет тепло, в основном в результате прохождения тока через проводники (так называемый «омический нагрев» или «джоулево тепло») и вследствие протекания экзотермических химических реакций (например, при эксплуатации аккумуляторных батарей). Зачастую необходимо обеспечить отвод излишков такого тепла, особенно в условиях эксплуатации при высоких температурах окружающей среды. Кроме того, в условиях эксплуатации при низких температурах окружающей среды, особенно при эксплуатации оборудования в периодическом режиме, зачастую необходимо обеспечить подвод тепла для поддержания рабочей температуры оборудования.
При этом как превышение, так и понижение температуры электротехнического оборудования, выходящее за установленные производителем регламентные режимы эксплуатации, сопровождается неблагоприятными последствиями, такими как ухудшение технических характеристик электротехнического оборудования, сокращение срока службы, снижение эффективности работы электротехнического оборудования и его надёжности, вплоть до выхода оборудования из строя.
В частности, при эксплуатации аккумуляторных батарей основными проблемами являются их низкая производительность при нерегламентном понижении температуры, а также пожароопасность и низкая производительность при нерегламентном повышении температуры вследствие теплового разгона. Тепловой разгон – это эффект, при котором происходит повышение температуры электролита, и ток, протекающий через аккумулятор, может расти до значения, приближающегося к току короткого замыкания. Несмотря на то, что тепловой разгон является относительно редким явлением, он может существенно влиять на безопасность эксплуатации аккумуляторной батареи, особенно в транспортных средствах, предназначенных для перевозки людей.
У широко распространённых литий-ионных батарей с последовательно соединёнными ячейками при зарядке в условиях нерегламентно низких или высоких температур возможен дисбаланс элементов в батареях, что связано с разной ёмкостью и скоростью интеркалирования ионов лития в активные материалы каждой ячейки. При этом локальный перегрев или переохлаждение и, как следствие, неравномерное распределение температур по элементам аккумуляторной батареи оказывают дополнительное негативное влияние на длительность и безопасность эксплуатации батареи.
Следует отметить, что обеспечение регламентного теплового режима электротехнического оборудования особенно затруднено по причине расположения плотно упакованных элементов в закрытом корпусе. Тенденции развития в данной области техники отражают стремление конструкторов и проектировщиков к уменьшению массы и габаритов оборудования с одной стороны, и увеличению его производительности с другой. Эти две задачи противоречивы и создают объективные трудности при выборе устройств и способов обеспечения теплового режима существующего и вновь разрабатываемого электротехнического оборудования.
Для того, чтобы обеспечить температуру электротехнического оборудования, близкую к оптимальной, применяются различные технические средства для обеспечения требуемого рабочего теплового режима электротехнического оборудования.
В настоящее время используются две основные стратегии охлаждения: воздушное охлаждение и жидкостное охлаждение. В числе преимуществ систем воздушного охлаждения можно упомянуть относительную простоту их реализации. Однако при интенсивном выделении энергии для надлежащего охлаждения требуется высокий объёмный расход воздуха, что приводит к необходимости использования более производительных воздуходувок, которые, как правило, увеличивают массу и потребляют больше энергии. В числе преимуществ жидкостного охлаждения можно упомянуть его компактность и высокую производительность. Однако, поскольку для жидкостного охлаждения зачастую требуется массивный теплообменник и жидкий теплоноситель, такие системы обычно тяжелее по сравнению с воздушным охлаждением. Кроме того, для прокачивания жидкого теплоносителя в системах с жидкостным охлаждением обычно требуется бóльшая мощность насоса, чем для системы с воздушным охлаждением.
В документе EP 3157092 А1 от Samsung SDI (KR) описан батарейный модуль для транспортного средства, включающий алюминиевую плиту охлаждения с интегрированными металлическими трубками охлаждения. Для получения указанной плиты охлаждения предварительно отформованные стальные трубки для прохождения теплоносителя размещают в форме для литья и заливают алюминием.
В документе US 2019288353 A1 описан способ получения плиты охлаждения, включающий экструдирование металлического материала через фильеру с получением охлаждающей плиты для аккумуляторных модулей. Указанная плита охлаждения включает каналы для текучей среды, сформированные в процессе экструзии.
В документе US 2011132580 A1 описано устройство для охлаждения аккумуляторной батареи транспортного средства, полученное экструзией, которое включает каналы для текучей среды.
В документе WO 2014184419 A1 описана система для корпусирования и регулирования температуры аккумуляторных элементов. Указанная система включает профиль, полученный экструзией алюминия или алюминиевого сплава, который находится в тепловом контакте с аккумуляторными элементами и теплоносителем.
Однако ни одно из описанных выше технических решений не обеспечивает наряду с комбинированным воздушным/жидкостным охлаждением плиты также возможности её подогрева, с сохранением при этом массы и габаритных размеров плиты в минимально возможных пределах.
Таким образом, в области электротехники по-прежнему существует необходимость в создании альтернативных, предпочтительно усовершенствованных средств и способов регулирования температуры электротехнического оборудования. В частности, существует необходимость в обеспечении экструдированной несущей плиты для регулирования температуры, характеризующейся высоким габаритным совершенством, высокой эффективностью подвода/отвода тепла, а также с возможностью выбора подходящего агрегатного состояния теплоносителя.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Указанные технические задачи успешно решены автором настоящего изобретения посредством обеспечения экструдированной несущей плиты согласно первому аспекту настоящего изобретения, предназначенной для регулирования температуры и содержащей верхнюю поверхность, нижнюю поверхность, элементы жёсткости, сформированные в процессе экструзии металла или сплава металлов, которые расположены между указанными верхней поверхностью и нижней поверхностью, по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью размещения в нём электрического нагревателя, и по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью прохождения в нём теплоносителя в форме текучей среды, и по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью прохождения в нём газообразного теплоносителя, где указанные элементы жёсткости формируют по меньшей мере часть указанных каналов.
Автором настоящего изобретения было установлено, что указанная плита обеспечивает возможность достижения основного технического результата, заключающегося в обеспечении возможности эксплуатации указанной плиты в широком диапазоне температур окружающей среды за счёт наличия подогрева и комбинированного воздушного/жидкостного охлаждения с одновременным сохранением массы и габаритных размеров указанной плиты в минимально возможных пределах.
В одном из предпочтительных вариантов реализации настоящее изобретение относится к экструдированной несущей плите как определено выше, которая дополнительно содержит по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью размещения электропроводки.
В ещё одном из предпочтительных вариантов реализации настоящее изобретение относится к экструдированной несущей плите как определено выше, в которой по меньшей мере часть из указанных элементов жёсткости формирует ферменную конструкцию.
В ещё одном из предпочтительных вариантов реализации настоящее изобретение относится к экструдированной несущей плите как определено выше, в которой указанная ферменная конструкция формирует по меньшей мере часть по меньшей мере одного сквозного канала, выполненного с возможностью прохождения в нём газообразного теплоносителя.
Согласно второму аспекту настоящее изобретение относится к несущему теплообменнику, содержащему по меньшей мере две экструдированные несущих плиты как определено выше, соединённые встык по существу параллельно друг другу.
Согласно третьему аспекту настоящее изобретение относится к аккумуляторному блоку, содержащему экструдированную несущую плиту как определено выше или несущий теплообменник как определено выше и электротехническое оборудование, где указанные плита или теплообменник соединены с указанным электротехническим оборудованием с возможностью осуществления между ними теплового контакта.
В одном из предпочтительных вариантов реализации настоящее изобретение относится к аккумуляторному блоку как определено выше, в котором указанное электротехническое оборудование представляет собой источник тока, выбранный из группы, включающей гальванические элементы, электрические аккумуляторы, топливные элементы, ионисторы или любую их комбинацию. Предпочтительно, указанный источник тока представляет собой электрический аккумулятор. Более предпочтительно, указанный источник тока представляет собой призматический литий-никель-марганец-кобальт-оксидный (NMC) электрический аккумулятор.
Согласно четвёртому аспекту настоящее изобретение относится к транспортному средству, содержащему указанный аккумуляторный блок или указанный теплообменник или указанный аккумуляторный блок как определено выше.
В одном из предпочтительных вариантов реализации настоящее изобретение относится к транспортному средству как определено выше, которое выбрано из группы, включающей электротранспорт, гибридное транспортное средство и транспортное средство с электромеханической трансмиссией. Предпочтительно указанное транспортное средство представляет собой электромобиль, трамвай, троллейбус или электробус.
Ниже в разделе «Подробное описание» описаны различные варианты реализации настоящего изобретения. При этом следует понимать, что любой из признаков указанных конкретных вариантов реализации настоящего изобретения может относиться к любому другому аспекту изобретения. Предполагается, что слово «содержащий» означает «включающий», но не обязательно означает «состоящий из» или «выполненный из». Другими словами, перечисленные стадии или варианты не обязательно должны быть исчерпывающими. Под термином «около» согласно настоящему описанию понимают набор числовых значений в диапазоне ±10% от указанной величины, связанный с возможными погрешностями изменений. Следует отметить, что примеры, приведённые в описании ниже, предназначены для пояснения настоящего изобретения и не предназначены для ограничения настоящего изобретения указанными примерами как таковыми.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фигуре 1 представлено схематическое изображение поперечного разреза экструдированной несущей плиты с подогревом и комбинированным воздушным/жидкостным охлаждением в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фигуре 2 представлено изображение вида сбоку на один из вариантов осуществления аккумуляторного блока с подогревом и жидкостным охлаждением, включающего экструдированную несущую плиту по настоящему изобретению.
На фигуре 3 представлено изображение одного из вариантов осуществления аккумуляторного блока с подогревом и жидкостным охлаждением, включающего экструдированную несущую плиту по настоящему изобретению.
На фигуре 4 представлена блок-схема системы регулирования температуры по настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Плита
Под термином «плита» согласно настоящему описанию понимают плоский конструктивный элемент (устройство), выполняющий несущие, ограждающие, теплотехнические, электроизоляционные, звукоизоляционные и иные функции, или совмещающий одну или более указанных функций. В частности, экструдированную несущую плиту по настоящему изобретению можно рассматривать как улучшенное устройство, известное в уровне техники под названием «охлаждаемая плита», «плита охлаждения» или «холодный стол» (англ. «cold plate»). При этом экструдированная несущая плита по настоящему изобретению предназначена для регулирования температуры, то есть обеспечивает подвод тепла (нагрев, подогрев) и отвод тепла (охлаждение) как непосредственно от плиты, так и различного оборудования, с которым указанная плита находится в тепловом контакте.
Хотя экструдированная несущая плита по настоящему изобретению подходит для регулирования температуры любых устройств и оборудования, нуждающихся в таком регулировании и приведённых в тепловой контакт с указанной плитой, предпочтительно, указанное оборудование представляет собой электротехническое оборудование. Под термином «электротехническое оборудование», «электрооборудование» или «электрическое оборудование» согласно настоящему описанию понимают совокупность устройств (источники тока, электромашины, электроаппараты, кабельно-проводниковые изделия и тому подобное), предназначенных для производства, распределения, передачи и потребления электроэнергии, в основу работы которых положены принципы электротехники. Указанное электротехническое оборудование может относиться к любой области техники, предпочтительно указанное электротехническое оборудование относится к электрооборудованию наземных транспортных средств, авиационному электрооборудованию, судовому электрооборудованию, рудничному электрооборудованию, общепромышленному электрооборудованию, электрооборудованию электрических сетей и бытовому электрооборудованию.
Электротехническое оборудование по настоящему изобретению предпочтительно представляет собой источник тока, выбранный из группы, включающей гальванические элементы, электрические аккумуляторы, топливные элементы, ионисторы или любую их комбинацию. Указанных источников тока может быть один или более. Указанные источники тока могут быть соединены последовательно или параллельно. Предпочтительно, электротехническое оборудование по настоящему изобретению представляет собой электрический аккумулятор. Под термином «электрический аккумулятор» или «аккумулятор» согласно настоящему описанию понимают вторичный химический источник тока многоразового действия, который может быть вновь заряжен после разряда, применяемый для циклического накопления энергии (заряд-разряд) и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования, а также для обеспечения резервных источников энергии в медицине, производстве, транспорте и в других сферах. Как правило, электрический аккумулятор включает узел электродов, включающий положительный электрод, отрицательный электрод и сепаратор, расположенный между указанными положительным и отрицательным электродами, а также корпус, в котором размещён указанный узел электродов, и клеммы, электрически соединённые с указанным узлом электродов. Корпус электрического аккумулятора может иметь цилиндрическую или прямоугольную форму в зависимости от цели использования и назначения аккумуляторной батареи. Предпочтительно, электротехническое оборудование по настоящему изобретению представляет собой призматический литий-никель-марганец-кобальт-оксидный (NMC) электрический аккумулятор.
Экструдированная несущая плита по настоящему изобретению обеспечивает повышение параметра средней наработки на отказ электротехнического оборудования, приведённого в тепловой контакт с указанной плитой, посредством обеспечения температуры эксплуатации указанного оборудования в рамках установленных регламентных диапазонов.
Плита по настоящему изобретению является экструдированной, то есть получена технологическим процессом экструзии. Под термином «экструзия» согласно настоящему описанию понимают технологию получения изделий путём продавливания вязкого расплава металла или сплава металлов через формующее отверстие в экструзионной головке (фильере). Далее полученная плита может быть обработана любым подходящим способом, например, отшлифована или фрезерована, в зависимости от целей и задач конкретного варианта реализации изобретения. Корпус (тело) плиты по настоящему изобретению экструдируют из любого подходящего материала, в частности из металла или сплава металлов. Предпочтительно, корпус плиты по настоящему изобретению экструдируют из алюминия, магния или их сплавов, ещё более предпочтительно, указанный корпус плиты экструдируют из сплава алюминия. Экструдированная из металла или сплава металлов плита по настоящему изобретению обладает высокой теплопроводностью для эффективной передачи тепла, проста в сборке и обеспечивает высокую механическую прочность и жёсткость, что позволяет указанной плите нести нагрузку от размещённого на ней электротехнического оборудования и обеспечивает защиту указанного оборудования от механических воздействий, возникающих в процессе его эксплуатации, например, таких как деформация корпуса, удары или проколы, что особенно важно при эксплуатации энергонасыщенного оборудования, такого как аккумуляторные батареи. Экструдированная несущая плита по настоящему изобретению водонепроницаема и может представлять собой или составлять часть водозащитной преграды, такой как перегородка, перекрытие, стена и подобные. Экструдированная несущая плита по настоящему изобретению огнеупорна и может представлять собой или составлять часть противопожарной преграды, такой как перегородка, перекрытие, стена и подобные. Размеры экструдированной плиты по настоящему изобретению могут быть легко масштабированы. Также экструдированная несущая плита по настоящему изобретению проста в сборке и более надёжна, поскольку за счёт монолитной конструкции позволяет отказаться от трубок для теплоносителя и устройств для их прикрепления к плите охлаждения, а также свободна от сварных швов, подверженных растрескиванию вследствие механического и/или теплового напряжения.
Предпочтительно, верхняя и/или нижняя поверхность экструдированной несущей плиты по настоящему изобретению выполнена с возможностью осуществления теплового контакта с электротехническим оборудованием, в частности, может включать теплопроводную прокладку, более предпочтительно, указанная верхняя и/или нижняя поверхность может включать теплопроводную электроизолирующую прокладку. При этом экструдированная несущая плита по настоящему изобретению предпочтительно свободна от каких-либо дополнительных теплообменных элементов конструкции, что обеспечивает дополнительное упрощение сборки, а также дополнительное снижение массы и габаритных размеров плиты.
Экструдированная плита по настоящему изобретению является несущей, то есть как таковая обеспечивает прочность, жёсткость и устойчивость конструкции, а также способна выдерживать дополнительные нагрузки, например, массу оборудования, с которым указанная плита приведена в тепловой контакт, и иные нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации.
На фигуре 1 показано поперечное сечение корпуса экструдированной несущей плиты по настоящему изобретению, который содержит верхнюю поверхность (1), нижнюю поверхность (2), и расположенные между указанными верхней и нижней поверхностями элементы жёсткости (3), сформированные в процессе экструзии. Указанные элементы жёсткости воспринимают и распределяют нагрузки, при этом по меньшей мере часть из указанных элементов жёсткости предпочтительно формирует ферменную конструкцию (ферменную структуру, ферму). Такая конструкция обеспечивает экструдированной несущей плите по настоящему изобретению высокое массовое совершенство при сохранении эффективности теплообмена, что особенно важно для применения указанной плиты в транспортных средствах. Хотя экструдированная несущая плита по настоящему изобретению может содержать дополнительные несущие/усиливающие элементы конструкции, предпочтительно указанная плита свободна от каких-либо дополнительных несущих/усиливающих элементов конструкции, что обеспечивает дополнительное упрощение конструкции, а также дополнительное снижение массы и габаритных размеров плиты.
Элементы жёсткости по настоящему изобретению формируют по меньшей мере часть каналов, предпочтительно проходящих насквозь вдоль продольной плоскости плиты и по существу параллельно друг другу. Размеры указанных элементов жёсткости могут быть подобраны специалистом в данной области техники в зависимости от целей и задач конкретного варианта реализации изобретения. Оставшуюся часть стенок указанных каналов могут формировать сплошные части корпуса экструдированной несущей плиты по настоящему изобретению, а именно его поверхности (верхняя, нижняя, правая и левая). Указанные каналы обеспечивают прохождение (пропускание) теплоносителя по всей длине корпуса плиты для равномерного подвода и/или отвода тепла от него и находящегося с ним в тепловом контакте электротехнического оборудования. Такая конструкция обеспечивает равномерное распределение тепловой нагрузки по всей поверхности экструдированной несущей плиты по настоящему изобретению и позволяет избежать зон локального перегрева/переохлаждения, что обеспечивает соблюдение регламентного температурного режима электротехнического оборудования, находящегося в тепловом контакте с указанной плитой, и снижает потери ёмкости при балансировке элементов аккумуляторных батарей. Дополнительно, указанные каналы не занимают дополнительного места и защищены корпусом указанной плиты от внешних механических воздействий, таких как давление или удары.
При этом хотя экструдированная несущая плита по настоящему изобретению может включать дополнительные элементы конструкции, формирующие стенки или поверхность указанных каналов, например, такие как защитные покрытия стенок указанных каналов или размещённые в указанных каналах трубки/воздуховоды меньшего диаметра для прохождения в них теплоносителя, предпочтительно, указанная плита свободна от каких-либо дополнительных элементов конструкции, формирующих каналы. Такая конструкция обеспечивает дополнительное упрощение сборки, надёжность, а также снижение массы экструдированной несущей плиты по настоящему изобретению.
Сечение указанных каналов может быть подобрано в зависимости от целей и задач конкретного варианта реализации настоящего изобретения. В частности, поперечное сечение канала, выполненного с возможностью прохождения в нём теплоносителя в форме текучей среды, предпочтительно выполняют в форме полукруга или круга. Такая конструкция позволяет увеличить внутреннее давление прокачки теплоносителя в форме текучей среды в указанном канале, что обеспечивает повышение эффективности передачи тепла. Далее, поперечное сечение канала, выполненного с возможностью прохождения в нём газообразного теплоносителя, может быть выполнено в форме треугольника или трапеции. Такая конструкция обеспечивает бóльшую площадь контакта теплоносителя со стенками канала в экструдированной несущей плите по настоящему изобретению, что обеспечивает повышение эффективности передачи тепла.
Экструдированная несущая плита по изобретению наряду с облегчёнными участками, включающими каналы и элементы жёсткости, может дополнительно включать сплошные (полнотелые) участки с целью улучшения механической прочности и жёсткости указанной плиты. Указанные сплошные участки дополнительно могут включать каналы, в частности такие как раскрыты в настоящем описании, или полости, предназначенные, в частности, для облегчения конструкции, теплоизоляции отдельных участков или для звукоизоляции.
Под термином «теплоноситель» согласно настоящему описанию понимают движущуюся среду, применяемую для передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Экструдированная несущая плита по настоящему изобретению позволяет осуществлять нагрев и/или охлаждение как посредством теплоносителя в форме текучей среды, так и газообразного теплоносителя, и также позволяет осуществлять нагрев и/или охлаждение посредством комбинированного охлаждения посредством теплоносителя в форме текучей среды и газообразного теплоносителя. Хотя указанный теплоноситель может быть предназначен для подвода и отвода тепла как непосредственно от экструдированной несущей плиты по настоящему изобретению, так и от электротехнического оборудования, приведённого в тепловой контакт с указанной плитой, предпочтительно, теплоноситель по настоящему изобретению предназначен для охлаждения, то есть для отвода тепла. Такие теплоносители, предназначенные для отвода тепла, также известны как «хладагенты». Теплоноситель по настоящему изобретению представляет собой любую подходящую текучую среду (например, жидкость или гель) или газ, такую как вода, гликоли и их водные растворы, бишофит, нефтяные масла, расплавы металлов (Sn, Pb, Na, К), воздух, азот (в том числе жидкий), фреоны.
Указанные теплоносители в форме текучей среды или газообразные теплоносители для передачи тепла проходят сквозь корпус экструдированной несущей плиты по настоящему изобретению по сквозным каналам, выполненным с возможностью прохождения в них газообразного теплоносителя или теплоносителя в форме текучей среды, соответственно. При этом в зависимости от целей и задач конкретного варианта реализации настоящего изобретения для прохождения теплоносителя может быть использован только по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью прохождения в нём теплоносителя в форме текучей среды, или только по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью прохождения в нём газообразного теплоносителя, или оба указанных канала, параллельно или последовательно, или в произвольном порядке. Например, при необходимости отвода небольшого количества тепла для прокачки теплоносителя может быть задействован сначала по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью прохождения в нём газообразного теплоносителя, и далее при необходимости отвода бóльшего количества тепла может быть задействован по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью прохождения в нём теплоносителя в форме текучей среды, или оба указанных канала одновременно при максимальной тепловой нагрузке.
Таким образом, экструдированная несущая плита по настоящему изобретению наряду со снижением массы и габаритных размеров обеспечивает возможность равномерного подвода и/или отвода тепла, а также обеспечивает возможность выбора подходящего агрегатного состояния теплоносителя в зависимости от целей и задач конкретной реализации настоящего изобретения. Дополнительно, за счёт способности заявленного по меньшей мере одного сквозного канала выдерживать высокое внутреннее давление, экструдированная несущая плита по настоящему изобретению обеспечивает возможность охлаждения непосредственно газообразным хладагентом под высоким давлением, без необходимости применения дополнительных холодильных установок (чиллеров).
Экструдированная несущая плита по настоящему изобретению включает по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью размещения (прохождения) в нём средств, нагреваемых электричеством, таки как электрический нагреватель. Под термином «электрический нагреватель» согласно настоящему описанию понимают устройство, преобразующее электрическую энергию в тепловую. Электрический нагреватель по настоящему изобретению представляет собой любой подходящий электрический нагреватель, например, такой как трубчатый электронагреватель (ТЭН) или греющий кабель. Предпочтительно, указанный электрический нагреватель представляет собой греющий кабель, такой как резистивный, секционный (зональный) или саморегулируемый греющий кабель. Электрический нагреватель по настоящему изобретению расположен в корпусе экструдированной несущей плиты в по меньшей мере одном канале, выполненном с возможностью подвода тепла электрическим нагревателем, и предназначен для подогрева указанной плиты и электротехнического оборудования, находящегося в тепловом контакте с указанной плитой. Таким образом, экструдированная несущая плита по настоящему изобретению обеспечивает расширение диапазона температур окружающей среды, при котором становится возможным эксплуатация электротехнического оборудования, приведённого в тепловой контакт с указанной плитой.
Более подробно, с помощью указанного электрического нагревателя можно поддерживать температуру экструдированной несущей плиты по настоящему изобретению, а также электротехнического оборудования, приведённого в тепловой контакт с указанной плитой, внутри оптимального диапазона эксплуатационных температур, например, при эксплуатации в зимнее время, особенно при эксплуатации указанного электротехнического оборудования в зимнее время в периодическом режиме. При этом электрический нагреватель, расположенный в канале продольно по всей длине указанной плиты, позволяет равномерно прогревать весь корпус указанной плиты и находящееся с ним в тепловом контакте электротехническое оборудование, что особенно важно для балансировки элементов аккумуляторных батарей. Дополнительно, указанный электрический нагреватель не занимает дополнительного места и защищён корпусом указанной плиты от механических воздействий, таких как перетирание или удары.
Экструдированная несущая плита по настоящему изобретению дополнительно может включать по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью размещения электропроводки. Под термином «электропроводка» или «проводка» согласно настоящему описанию понимают электротехническое изделие или устройство, служащее для соединения источника электрического тока с потребителем, компонентами электрической схемы, в частности провод или кабель. Электропроводка по настоящему изобретению расположена в корпусе экструдированной несущей плиты по настоящему изобретению в по меньшей мере одном канале, выполненном с возможностью размещения электропроводки, и предназначена для соединения электротехнического оборудования, расположенного на указанной плите или рядом с ней, с источником электрического тока и устройством управления. Указанная электропроводка предпочтительно представляет собой низковольтную (слаботочную) проводку, использование которой позволяет выполнять контроль и управление электротехническим оборудованием, которое находится в тепловом контакте с экструдированной несущей плитой по настоящему изобретению. Таким образом, экструдированная несущая плита по настоящему изобретению обеспечивает экономию пространства и защищает указанную электропроводку от механических воздействий, таких как перетирание или удары, что особенно важно для обеспечения безопасной эксплуатации энергонасыщенного оборудования, такого как аккумуляторные батареи.
На фигуре 1 приведён один из предпочтительных вариантов осуществления экструдированной несущей плиты по настоящему изобретению. Более подробно, на указанной фигуре представлено схематическое изображение поперечного разреза экструдированной несущей плиты по настоящему изобретению, включающей верхнюю поверхность (1), нижнюю поверхность (2), элементы жёсткости (3), сформированные в процессе экструзии сплава металлов и расположенные между указанными верхней поверхностью и нижней поверхностью, сквозные каналы (4), выполненные с возможностью подвода тепла греющим кабелем, сквозные каналы (5), выполненные с возможностью прохождения антифриза, сквозные каналы (6), выполненные с возможностью прохождения воздуха, сквозные каналы (7) для установки электропроводки.
Экструдированная несущая плита по настоящему изобретению за счёт комбинирования возможности применения теплоносителей, находящихся в различных агрегатных состояниях, с дополнительным электрическим подогревом обеспечивает возможность эксплуатации оборудования в широком диапазоне температур окружающей среды с одновременным сохранением массы и габаритных размеров в минимально возможных пределах.
Таким образом, согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечена экструдированная несущая плита, содержащая верхнюю поверхность, нижнюю поверхность, элементы жёсткости, сформированные в процессе экструзии металла или сплава металлов, которые расположены между указанными верхней поверхностью и нижней поверхностью, по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью подвода тепла электрическим нагревателем, и по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью прохождения в нём теплоносителя в форме текучей среды, и по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью прохождения в нём газообразного теплоносителя, где указанные элементы жёсткости формируют по меньшей мере часть указанных каналов.
Далее, согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечена экструдированная несущая плита для применения для регулирования температуры оборудования, предпочтительно такого как электротехническое оборудование, и также применение указанной плиты для регулирования температуры указанного оборудования.
Далее, согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечен способ получения экструдированной несущей плиты, включающий экструдирование металла или сплава металлов через фильеру с получением несущей плиты по настоящему изобретению, содержащей верхнюю поверхность, нижнюю поверхность, элементы жёсткости, сформированные в процессе экструзии металла или сплава металлов, которые расположены между указанными верхней поверхностью и нижней поверхностью, по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью подвода тепла электрическим нагревателем, и по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью прохождения в нём теплоносителя в форме текучей среды, и по меньшей мере один сквозной канал, выполненный с возможностью прохождения в нём газообразного теплоносителя, где указанные элементы жёсткости формируют по меньшей мере часть указанных каналов. Согласно способу по настоящему изобретению указанная плита может быть далее обработана любым подходящим способом, например, отшлифована или фрезерована, в зависимости от целей и задач конкретного варианта реализации настоящего изобретения.
Теплообменник
Под термином «теплообменник» согласно настоящему изобретению понимают устройство для передачи теплоты от среды или тела с более высокой температурой к среде или телу с более низкой температурой.
Две или более экструдированные несущие плиты по настоящему изобретению могут быть соединены с получением несущего теплообменника посредством объединения встык по существу параллельно друг другу любым подходящим способом в зависимости от целей и задач конкретного варианта реализации настоящего изобретения, например, путём механического соединения или сварки, предпочтительно посредством сварки трением.
Несущий теплообменник по настоящему изобретению предназначен для регулирования температуры, то есть обеспечивает подвод тепла (нагрев, подогрев) и отвод тепла (охлаждение) как непосредственно от теплообменника, так и различного оборудования, с которым указанный теплообменник находится в тепловом контакте. Хотя несущий теплообменник по настоящему изобретению подходит для регулирования температуры любых устройств и оборудования, нуждающихся в таком регулировании и приведённых в тепловой контакт с указанным теплообменником, предпочтительно, указанное оборудование представляет собой электротехническое оборудование как определено выше.
Теплообменник по настоящему изобретению является несущим, то есть как таковой обеспечивает прочность, жёсткость и устойчивость конструкции, а также способен выдерживать дополнительные нагрузки, например, массу оборудования, с которым указанная плита приведена в тепловой контакт, и иные нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации.
В несущем теплообменнике по настоящему изобретению указанные по меньшей мере две плиты стыкуют так, чтобы обеспечить возможность соединения их каналов в общий контур. В частности, сквозные каналы по меньшей мере двух экструдированных несущих плит по настоящему изобретению, выполненные с возможностью прохождения в них теплоносителя в форме текучей среды, и/или сквозные каналы по меньшей мере двух указанных плит, выполненные с возможностью прохождения газообразного теплоносителя, предпочтительно соединены последовательно или параллельно с получением общего контура жидкостного и/или воздушного охлаждения, соответственно, что позволяет обеспечивать равномерный подвод/отвод тепла от электротехнического оборудования, находящегося в тепловом контакте с указанным теплообменником. Таким образом, теплообменник по настоящему изобретению обеспечивает универсальность и масштабируемость конструкции.
Хотя любая из поверхностей несущего теплообменника по настоящему изобретению может быть выполнена с возможностью осуществления теплового контакта с электротехническим оборудованием, предпочтительно таковой является верхняя и/или нижняя сторона несущего теплообменника по настоящему изобретению. В частности, может включать теплопроводную прокладку, более предпочтительно, указанная верхняя и/или нижняя поверхность может включать теплопроводную электроизолирующую прокладку. При этом несущий теплообменник по настоящему изобретению предпочтительно свободен от каких-либо дополнительных несущих/усиливающих или теплообменных элементов конструкции.
Таким образом, согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечен несущий теплообменник, включающий две или более экструдированных несущих плиты по настоящему изобретению, соединённые встык по существу параллельно друг другу.
Далее, согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечен несущий теплообменник для применения для регулирования температуры оборудования, предпочтительно такого как электротехническое оборудование, и также применение указанного теплообменника для регулирования температуры указанного оборудования.
Далее, согласно одному из аспектов настоящее изобретение обеспечен способ получения несущего теплообменника, включающий соединение встык по существу параллельно друг другу двух или более экструдированных несущих плит как определено выше с получением указанного теплообменника.
Способ
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечен способ регулирования температуры электротехнического оборудования, включающий обеспечение теплового контакта экструдированной несущей плиты или несущего теплообменника по настоящему изобретению с электротехническим оборудованием как определено выше, подвод или отвод указанной экструдированной несущей плитой или указанным несущим теплообменником тепла к или от указанного электротехнического оборудования, прокачивание теплоносителя через указанную экструдированную несущую плиту или несущий теплообменник и подвод и/или отвод тепла от указанного теплоносителя.
Аккумуляторный блок
Под термином «аккумуляторный блок» или «блок аккумуляторных батарей» согласно настоящему изобретению понимают устройство для накопления энергии с целью её последующего использования.
Несущая экструдированная плита или несущий теплообменник по настоящему изобретению могут быть соединены с получением аккумуляторного блока по настоящему изобретению с электротехническим оборудованием как определено выше с возможностью осуществления теплового контакта между ними любым подходящим способом в зависимости от целей и задач конкретного варианта реализации настоящего изобретения, например, посредством теплопроводящей прокладки, предпочтительно, посредством электроизолирующей теплопроводящей прокладки. При этом хотя указанное электротехническое оборудование может представлять собой, например, тепловые резисторы, контроллеры, предохранители и другие элементы, обычно используемые в аккумуляторных блоках, предпочтительно, указанное электротехническое оборудование представляет собой источник тока как определено выше, более предпочтительно, указанное электротехническое оборудование представляет собой призматические литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC) аккумуляторы. За счёт комбинации несущей экструдированной плиты или несущего теплообменника по настоящему изобретению и призматических литий-никель-марганец-кобальт-оксидных аккумуляторов удаётся обеспечить особенно существенное уменьшение общей высоты и массы аккумуляторного блока. Таким образом, аккумуляторный блок по настоящему изобретению обеспечен простыми и универсальными средствами, обеспечивающими наряду с повышением его удельной мощности эффективную работу источника тока в сложных условиях эксплуатации.
Аккумуляторный блок по настоящему изобретению может дополнительно содержать источники тока, корпус, крышку, основание, плату балансировки и контроля температуры, тепловые резисторы, контроллеры, предохранители, датчики тока, контакторы, соединители, разъёмы интерфейсов и другие элементы, обычно используемые в таких устройствах.
В аккумуляторном блоке по настоящему изобретению, включающем корпус аккумуляторного блока, указанные несущая экструдированная плита или несущий теплообменник предпочтительно представляют собой элемент указанного корпуса, такой как основание, крышка или стенки аккумуляторного блока, более предпочтительно, несущая экструдированная плита или несущий теплообменник по настоящему изобретению представляют собой основание указанного блока. При этом аккумуляторный блок по настоящему изобретению предпочтительно свободен от каких-либо дополнительных несущих/усиливающих или теплообменных элементов конструкции. Таким образом, аккумуляторный блок по настоящему изобретению обеспечивает упрощение конструкции, экономию высоты и улучшение удельных габаритных показателей.
Аккумуляторный блок по настоящему изобретению предпочтительно может быть выполнен электрически изолированным. Далее, аккумуляторный блок по настоящему изобретению предпочтительно может быть выполнен в герметичном корпусе. Таким образом, аккумуляторный блок по настоящему изобретению обеспечивает повышение безопасности и возможность эксплуатации в транспортных средствах, таких как троллейбус или электробус.
На фигурах 2 и 3 приведён один из предпочтительных вариантов осуществления экструдированной несущей плиты по настоящему изобретению. Более подробно, на фигуре 2 представлено изображение одного из вариантов осуществления аккумуляторного блока по настоящему изобретению, содержащего крышку (21), несущий теплообменник по настоящему изобретению (22) и разъёмы (23).
Таким образом, согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечен аккумуляторный блок, содержащий экструдированную несущую плиту по настоящему изобретению или несущий теплообменник по настоящему изобретению, и электротехническое оборудование, в котором указанные экструдированная несущая плита или несущий теплообменник соединены с указанным электротехническим оборудованием с возможностью осуществления между ними теплового контакта.
Согласно ещё одному из аспектов настоящего изобретения обеспечен аккумуляторный блок для применения для циклического накопления энергии и электропитания, в том числе автономного электропитания, различных электротехнических устройств и оборудования, а также для обеспечения резервных источников энергии в медицине, производстве, транспорте и в других сферах. Согласно ещё одному из аспектов настоящего изобретения обеспечено применение указанного аккумуляторного блока для циклического накопления энергии и электропитания, в том числе автономного электропитания, различных электротехнических устройств и оборудования, а также для обеспечения резервных источников энергии в медицине, производстве, транспорте и в других сферах. Предпочтительно, согласно настоящему изобретению обеспечен аккумуляторный блок для применения в транспортных средствах как определено выше, и также обеспечено применение указанного аккумуляторного блока в указанных транспортных средствах.
Далее, согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечен способ получения аккумуляторного блока, включающий приведение в тепловой контакт описанных выше экструдированной несущей плиты и/или несущего теплообменника с электротехническим оборудованием с получением указанного аккумуляторного блока.
Система регулирования температуры
В одном из аспектов настоящее изобретение относится к системе регулирования температуры (thermal management system, TMS), включающей экструдированную несущую плиту или несущий теплообменник по настоящему изобретению, теплоноситель и насос.
Указанный насос прокачивает указанный теплоноситель или теплоносители через каналы указанной плиты или теплообменника в течение времени, достаточного для подвода или отвода тепла от или к указанной плите или теплообменнику, соответственно. Указанная система может включать один или более дополнительных теплообменников для охлаждения указанного теплоносителя, соединённых последовательно или параллельно и расположенных вне экструдированной несущей плиты или несущего теплообменника по настоящему изобретению.
На фигуре 4 представлена блок-схема одного из предпочтительных вариантов реализации системы регулирования температуры по настоящему изобретению, включающая несущий теплообменник (41) по настоящему изобретению, дополнительный теплообменник (42) и насос теплоносителя (43).
Таким образом, согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечена система регулирования температуры, включающая экструдированную несущую плиту или несущий теплообменник по настоящему изобретению, теплоноситель и насос.
Система хранения энергии
В одном из аспектов настоящее изобретение относится к системе хранения энергии (energy storage system, ESS), включающей описанную выше систему регулирования температуры. Указанная система хранения энергии может включать электротехническое оборудование, такое как аккумуляторные батареи, которое приведено в тепловой контакт с теплообменником.
Таким образом, согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечена система хранения энергии, включающая систему регулирования температуры по настоящему изобретению и электротехническое оборудование.
Транспортное средство
Под термином «транспортное средство» согласно настоящему описанию понимают устройство, предназначенное для перевозки по дорогам людей, грузов или оборудования, установленного на нём. Предпочтительно, транспортное средство по настоящему изобретению выбрано из группы, включающей электротранспорт (battery electric vehicle, BEV), транспортное средство с электромеханической трансмиссией и гибридное транспортное средство (hybrid electric vehicle, HEV), более предпочтительно, указанное транспортное средство представляет собой пассажирское транспортное средство, такое как электромобиль, трамвай, троллейбус или электробус.
Прочная и лёгкая экструдированная несущая плита по настоящему изобретению, а также включающие её несущий теплообменник, аккумуляторный блок или системы как определено выше особенно подходят для применения в конструкциях транспортных средств. При этом наряду с высокой удельной эффективностью теплопередачи и универсальностью конструкции плита по настоящему изобретению служит эффективным средством защиты энергонасыщенного электротехнического оборудования (например, аккумуляторных батарей) от механических повреждений, таких как удары, проколы или деформация корпуса, и их последствий, таких как короткое замыкание, пожар или вытекание электролита, и таким образом служит целям повышения безопасности транспорта.
Таким образом, согласно одному из аспектов настоящего изобретения обеспечено транспортное средство, содержащее экструдированную несущую плиту или несущий теплообменник или аккумуляторный блок или систему по настоящему изобретению.
Эффективность конструкции описанных выше экструдированной несущей плиты, несущего теплообменника, аккумуляторного блока, систем и транспортного средства по настоящему изобретению будет подробнее рассмотрена далее на конкретных примерах их реализации.
ПРИМЕРЫ
Пример 1. Получение экструдированной несущей плиты и несущего теплообменника по настоящему изобретению.
Способом по настоящему изобретению, включающим экструзию расплава сплава алюминия через фильеру, автором настоящего изобретения была получена экструдированная несущая плита по настоящему изобретению (см. фигуру 1).
Далее, способом по настоящему изобретению, включающим соединение встык параллельно друг другу при помощи сварки трением двух экструдированных несущих плит как описано выше был получен несущий теплообменник по настоящему изобретению. Указанный теплообменник далее был отшлифован, торцы и верхняя поверхность указанного теплообменника были отфрезерованы для монтажа заглушек и соединяющих устройств, обеспечивающих общий контур для циркуляции антифриза, воздуховодов для прохождения воздуха, прокладки греющего кабеля и низковольтной проводки. Высота указанного теплообменника составляет около 20 мм, эффективная площадь теплообмена составляет 100 % площади указанного теплообменника.
При этом высота аналогичного коммерчески доступного теплообменника для электротехнического оборудования от другого производителя составляет около 90 мм, а его эффективная площадь теплообмена составляет около 60%.
Таким образом, при аналогичной тепловой производительности, экструдированная несущая плита по настоящему изобретению и теплообменник, включающий указанную плиту, были на 75% меньше по высоте и на 40 % больше по эффективной площади теплообмена по сравнению с аналогичными коммерчески доступными охлаждающими пластинами и теплообменниками от других производителей. При этом экструдированная несущая плита по настоящему изобретению и теплообменник, включающий указанную плиту, имели высокую механическую прочность при меньшей высоте, а также комбинированное воздушное/жидкостное охлаждение и встроенный подогрев.
Пример 2. Сравнение с коммерчески доступными аккумуляторными блоками
Способом по настоящему изобретению, включающим приведение в тепловой контакт несущего теплообменника из примера 1 с призматическими литий-никель-марганец-кобальт-оксидными (NMC) аккумуляторами, автором настоящего изобретения был получен аккумуляторный блок по настоящему изобретению (см. фигуры 2 и 3). Высота указанного аккумуляторного блока составляет около 130 мм, масса составляет около 190 кг, скорость разряда составляет 3С.
При этом высота аналогичного коммерчески доступного аккумуляторного блока от другого производителя, который был собран на основе традиционных теплообменников и литий-никель-марганец-кобальт-оксидных аккумуляторов, составляла более 200 мм. Более того, указанным аналогичный коммерчески доступный аккумуляторный блок не обеспечивал подогрева.
Таким образом, при аналогичной запасённой энергии и схожей производительности, аккумуляторный блок, включающий экструдированную несущую плиту по настоящему изобретению, на 35% меньше по высоте по сравнению с аналогичным коммерчески доступным аккумуляторным блоком от другого производителя. При этом аккумуляторный блок по настоящему изобретению имеет высокую механическую прочность при меньшей высоте, а также встроенный подогрев.
Пример 3. Сравнение с коммерчески доступными аккумуляторными системами
Аккумуляторные блоки из примера 2 (см. фигуры 2 и 3) далее были объединены в аккумуляторную систему для регулирования температуры согласно настоящему изобретению, которая предназначена для применения в транспортном средстве. Масса указанной аккумуляторной системы составляет около 1950 кг, запасённая энергия составляет более 300 кВт·ч.
При этом масса аналогичной коммерчески доступной аккумуляторной системы от другого производителя, которая была собрана на основе традиционных теплообменников, составляет более 3100 кг. Более того, указанная аналогичная коммерчески доступная аккумуляторная система блок не обеспечивала подогрева и имела возможность только жидкостного охлаждения.
Таким образом, при равной массе аккумуляторов и аналогичной производительности, аккумуляторная система на основе экструдированной несущей плиты по настоящему изобретению на 37% легче по сравнению с аналогичными коммерчески доступными аккумуляторными системами от другого производителя. При этом аккумуляторная система по настоящему изобретению имеет высокую механическую прочность при меньшей высоте, а также комбинированное воздушное/жидкостное охлаждение и встроенный подогрев.
Пример 4. Сравнение с коммерчески доступными транспортными средствами
Аккумуляторная система из примера 3 (см. фигуру 4) была установлена на транспортное средство по настоящему изобретению, в частности электробус. Несмотря на то, что указанная система как таковая обеспечивает по сравнению с коммерчески доступными системами экономию массы около 1150 кг, снижение массы электробуса в целом существенно превышает эту величину, поскольку более лёгкая конструкция аккумуляторной системы по настоящему изобретению позволяет облегчить конструкцию электробуса за счёт уменьшения необходимого усиления и укрепления кузова электробуса.