МОДУЛЬ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ, СОДЕРЖАЩИЙ МНОЖЕСТВО УСТРОЙСТВ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ
ENERGY STORAGE MODULES CONTAINING PLURALITY OF ENERGY STORAGE DEVICES

Изобретение относится к модулю накопления энергии, содержащему множество устройств накопления энергии.
В рамках настоящего изобретения под «устройством накопления электрической энергии» следует понимать либо конденсатор (то есть, пассивную систему, содержащую два электрода и изолятор), либо суперконденсатор (то есть, систему, содержащую два электрода, электролит и сепаратор), либо батарею, в частности, типа литиевой батарей (то есть систему, содержащую по меньшей мере один анод, по меньшей мере один катод и электролит между анодом и катодом). Вместе с тем, в первую очередь настоящее изобретение касается модуля суперконденсаторов.
Такой модуль выделяет большое количество тепла из-за внутреннего сопротивления устройств накопления энергии, которые создают потери энергии под влиянием эффекта Джоуля. Чтобы избежать повреждения модуля из-за чрезмерной температуры устройств, модули накопления энергии оснащают средствами отвода тепла. Для этого модули объединяют с теплообменниками, например, содержащими пластины для увеличения поверхности теплообмена с воздухом или элемент, обеспечивающий прохождение текучей среды вблизи устройств для отвода тепла через эту текучую среду.
Как правило, эти теплообменники расположены снаружи модуля вблизи поверхности отвода тепла модуля, которая должна максимально проводить тепло.
Однако в модулях большой емкости, содержащих большое количество устройств накопления энергии, было отмечено, что не всегда достаточно такого объединения модуля с теплообменником.
Задачей изобретения является создание модуля накопления энергии, который обеспечивает оптимальный отвод тепла, причем при любом размере и общей емкости модуля.
В связи с этим объектом изобретения является модуль накопления энергии, содержащий множество электрически соединенных между собой устройств накопления энергии, при этом модуль содержит наружный кожух, в котором расположены устройства накопления энергии и по меньшей мере один теплообменник, в котором:
- устройства накопления энергии расположены рядом друг с другом по меньшей мере на двух разных уровнях, при этом теплообменник или по меньшей мере один из теплообменников находится между двумя смежными уровнями, входя в термический контакт по меньшей мере с одним устройством накопления энергии каждого из двух смежных уровней на двух соответствующих противоположных контактных сторонах теплообменника,
- указанный теплообменник или по меньшей мере один из указанных теплообменников закреплен на кожухе модуля на уровне по меньшей мере одной стенки крепления, отличной от контактных сторон, при этом стенки крепления теплообменника и кожуха выполнены так, что модуль содержит пространство между соответствующим стенками крепления теплообменника и кожуха по меньшей мере в одном месте, отличном от места крепления.
Таким образом, согласно изобретению, теплообменник расположен непосредственно внутри модуля, а не снаружи модуля, входя при этом в контакт с кожухом модуля. Это обеспечивает лучший отвод тепла, генерируемого устройствами накопления энергии, так как теплообменник в большей степени входит в непосредственный контакт с устройствами, чем в известных решениях, при этом кожух модуля не находится между устройствами и теплообменником.
Кроме того, поскольку теплообменник установлен посередине модуля и имеет две противоположные теплообменные стороны, каждая из сторон обеспечивает отвод тепла, генерируемого устройствами накопления энергии двух разных смежных уровней. Это позволяет еще больше повысить эффективность отвода тепла из модуля, но без существенного увеличения габарита модуля, так как в модуль добавляют всего один теплообменник. Габарит оказывается меньше, чем в случае двух смежных модулей меньшего размера, объединенных с одним теплообменником, поскольку между теплообменником и каждым уровнем устройств накопления энергии не расположен кожух.
Кроме того, даже если крепление теплообменника на кожухе, необходимое для механической прочности модуля, может стать причиной нарушений в работе теплообменника, поскольку тепло, поступающее снаружи модуля, передается на теплообменник через кожух, специальная архитектура теплообменника позволяет сделать этот фактор ничтожным. Действительно, такие нарушения могли бы привести к неравномерности охлаждения устройств, что могло бы стать причиной их старения и, следовательно, привело бы к сокращению срока службы модуля. Авторы изобретения установили, что достаточно оставить пространство между теплообменником и наружным кожухом, вследствие чего воздушная прослойка между теплообменником и кожуха позволяет изолировать эти элементы друг от друга и избежать нарушения в работе теплообменника.
Таким образом, изобретение позволяет получить модуль большой емкости, в котором тепло удаляется в большом количестве и равномерно и который имеет ограниченный габарит.
Заявленный модуль может также иметь один или несколько следующих отличительных признаков:
- теплообменник выполнен так, что место крепления или по меньшей мере одно из мест крепления, в частности, каждое место крепления теплообменника выступает относительно остальной части стенки крепления. Это позволяет получить пространство между стенками крепления кожуха и теплообменника за счет адаптации конфигурации теплообменника и не слишком усложнить при этом наружную форму модуля. Вместе с тем, вполне можно предусмотреть реализацию заявленного модуля посредством изменения конфигурации кожуха, в частности, за счет выполнения выемок по меньшей мере на его внутренней стороне.
- теплообменник содержит по меньшей мере один канал, в котором должна циркулировать текучая среда, например, вода. В этом случае теплообменник может содержать вход и выход текучей среды, при этом кожух содержит по меньшей мере одно отверстие для прохождения текучей среды снаружи. В частности, теплообменник содержит выступающие соединители, образующие вход и выход текучей среды, причем эти соединители выполнены с возможностью прохождения через соответствующее отверстие кожуха. Между кожухом и выступающими соединителями расположена прокладка, при этом предпочтительно прокладка выполнена на кожухе посредством совместного литья. Эта конфигурация теплообменника представляет особый интерес, так как кожух имеет относительно замкнутую конфигурацию, несмотря на подвод текучей среды в модуль, что позволяет не подвергать опасности электрическую изоляцию модуля.
- теплообменник предназначен для вхождения в термический контакт со всеми устройствами накопления энергии двух смежных уровней. Действительно, это позволяет удалять максимальное количество тепла при помощи единственной детали и, следовательно, оптимизировать конструкцию модуля.
- теплообменник содержит две противоположные контактные стороны и по меньшей мере одну боковую стенку, проходящую между противоположными контактными сторонами предпочтительно по существу перпендикулярно к контактным сторонам, при этом места крепления распределены на боковой стенке или по меньшей мере на одной из указанных боковых стенок так, что эта(и) стенка(и) образует(ют) стенку или стенки крепления. Таким образом, можно получить теплообменник, связанный со всеми боковыми стенками кожуха по всему его контуру, что обеспечивает хорошую механическую прочность модуля, причем при любом положении во время работы (даже в случае, когда теплообменник расположен по существу вертикально).
- теплообменник закреплен на кожухе модуля при помощи винтов, при этом места крепления теплообменника содержат для этого крепежные отверстия, предназначенные для размещения напротив крепежных отверстий кожуха модуля. Действительно, этот вариант крепления является простым и недорогим.
- размеры пространства между стенками крепления теплообменника и кожуха рассчитаны так, чтобы расстояние между соответствующим стенками крепления кожуха и теплообменника было меньше 3 мм. Это позволяет получить максимальную площадь контактных сторон теплообменника.
- площадь участков стенки или стенок крепления теплообменника, входящих в контакт с кожухом, меньше 20%, в частности, меньше 10% общей площади указанной или указанных стенок крепления. Предпочтительно один из выступов или выступы, в которых выполнены места крепления, имеют размер, меньший 30 мм, по меньшей мере в одном направлении, предпочтительно в двух по существу нормальных направлениях стенки или стенок крепления, что позволяет минимизировать площадь контакта теплообменника с кожухом и, следовательно, нарушения в работе теплообменника по причине теплообменов с наружным пространством через стенки кожуха.
- устройства накопления энергии расположены по существу в продольном направлении и, в частности, имеют цилиндрическую форму. Они примыкают к одной из контактных сторон теплообменника на уровне одной из своих торцевых сторон в продольном направлении.
- модуль содержит по меньшей мере одну перемычку, примыкающую к торцевым сторонам двух смежных устройств накопления энергии, соединяя электрически указанные устройства.
- между устройствами и теплообменником, предпочтительно между перемычками и теплообменником расположен по меньшей мере один элемент электрической изоляции, такой как прокладка из эластомера, в частности, ЭПДМ (EPDM).
- устройства накопления энергии являются суперконденсаторами.
- модуль может также содержать более двух уровней, при этом теплообменник предпочтительно расположен между каждой парой смежных уровней модуля.
- каждое устройство модуля электрически соединено по меньшей мере с одним другим устройством модуля. Все устройства могут быть электрически соединены друг с другом (например, последовательно), или устройства могут образовать электрически соединенные между собой независимые группы устройств. Все устройства одного уровня могут, в частности, быть электрически соединены друг с другом, в частности, последовательно.
Объектом изобретения является также способ сборки модуля накопления энергии, содержащего множество устройств накопления энергии и по меньшей мере один теплообменник, при этом способ содержит следующие этапы:
- формируют первую и вторую группы расположенных рядом друг с другом устройств накопления энергии, которые соединяют друг с другом электрически, в частности, при помощи соединительных перемычек,
- между двумя группами устройств устанавливают теплообменник или теплообменники, содержащие две противоположные контактные стороны, так, чтобы каждая из контактных сторон соответственно входила в термический контакт по меньшей мере с одним устройством накопления энергии одной из групп,
- располагают наружный кожух так, чтобы он охватывал группы устройств и теплообменник, и закрепляют теплообменник по меньшей мере на одной стенке кожуха на уровне по меньшей мере одной из его стенок, отличной от контактных сторон, при этом теплообменник и кожух выполнены так, что модуль содержит пространство между соответствующими стенками крепления теплообменника и кожуха по меньшей мере в одном месте, отличном от места крепления.
Далее следует описание заявленного модуля согласно частному и неограничивающему примеру осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показан модуль согласно частному варианту осуществления изобретения, вид с пространственным разделением деталей;
на фиг. 2 показан модуль после его сборки, вид в перспективе и с вырезом;
на фиг. 3 показан теплообменник модуля, изображенного на фиг. 1, вид в перспективе.
На фиг. 1 в разборе показан модуль 10 согласно частному варианту осуществления изобретения. Этот модуль содержит множество устройств 12 накопления энергии, расположенных на двух разных уровнях N1 и N2.
Каждое устройство 12 имеет общую цилиндрическую форму и имеет корпус, содержащий боковую стенку, расположенную вдоль продольной оси устройства, закрытую торцевой стенкой на одном из концов боковой стенки и открытую на своем противоположном конце. Крышка закрывает корпус на уровне его открытого конца. Таким образом, корпус имеет вторую торцевую стенку на продольном конце боковой стенки. Корпус содержит намотанный элемент накопления энергии, содержащий обмотку из двух наложенных друг на друга электродов, разделенных сепаратором. Для пропитки электродов в корпус залит также электролит. Каждый электрод обмотки электрически соединен с торцевой стороной устройства, при этом каждая из торцевых сторон образует контактный вывод устройства.
Этим можно ограничить описание архитектуры устройств, которая не является объектом изобретения. Читатель может отметить, что архитектура каждого из устройств может отличаться от описанной. Например, устройство может содержать трубчатый корпус, закрытый на каждом из своих концов крышкой, или может иметь форму, отличную от цилиндрической.
Таким образом, каждый уровень N1, N2 содержит множество идентичных устройств 12, расположенных так, что их продольные оси по существу являются параллельными. Они электрически последовательно соединены при помощи проводящих перемычек 14. Для этого каждое устройство содержит перемычку 14 на одной из своих торцевых сторон, электрически соединяющую его с первым смежным устройством, и другую перемычку 14 на другой из своих торцевых сторон, соединяющую его с другим смежным устройством. Устройства входят в контакт друг с другом и электрически изолированы на своих контактных выводах, которые не находятся под одинаковым потенциалом (контактные выводы, не соединенные перемычками), при помощи изолирующих фланцев 16, надетых на каждое из устройств. Таким образом, перемычки расположены в каждой плоскости продольного конца группы устройств, образующей уровень N1, N2. Все устройства одного уровня последовательно соединены электрически. Они также соединены в направлении наружу при помощи выходных контактов 18А, 18В, каждый из которых соединен с контактным выводом устройства, потенциал которого соответственно является самым высоким или самым низким.
В данном случае тоже представлено краткое описание структуры группы устройств, образующей один из уровней N1, N2 модуля согласно представленному частному варианту выполнения, но эта группа устройств может быть конфигурирована по-другому. Все перемычки могут быть расположены в одной концевой плоскости группы устройств. Не все устройства одного уровня могут быть электрически соединены между собой. Два смежных устройства могут также не входить в контакт друг с другом на уровне своей боковой стенки.
Чтобы изолировать устройства 12 каждого уровня N1, N2 от окружающих их элементов, изолирующий элемент расположен в каждой плоскости продольного конца каждого из уровней N1, N2. На одной из концевых плоскостей, которая должна находиться с внутренней стороны модуля, располагают, в частности, прокладку 20, выполненную из теплопроводящего и электроизоляционного материала, которая закрывает торцевые стороны устройств. На уровне другой концевой плоскости каждого из уровней расположено кольцо 22, охватывающее все устройства 12. Прокладка 20 и кольцо 22 выполнены, например, из эластомера, в частности, из ЭПДМ (этилен-пропилен-диен-мономер).
Разумеется, электрическую изоляцию можно выполнить иначе. Термическую прокладку 20 можно, в частности, расположить на каждой концевой плоскости каждого уровня N1, N2 модуля. Изоляцию можно также реализовать при помощи элементов, выполненных за одно целое с кожухом, или других элементов, таких как теплообменник.
Как показано также на фиг. 1, модуль содержит теплообменник 24, находящийся в модуле между двумя уровнями N1, N2 устройств 12. Этот теплообменник имеет две противоположные контактные стороны 26А, 26В, каждая из которых предназначена для отвода тепла, исходящего соответственно от уровней N1 и N2 модуля. Для этого каждая из сторон 26А, 26В входит в контакт с прокладками 20, расположенными на группах устройств 12 каждого из уровней N1, N2, и в термический контакт с устройствами. Теплообменник содержит также периферическую боковую стенку 28, соединяющую между собой две контактные стороны и ограничивающую по существу замкнутое пространство между сторонами 26А, 26В, внутри которого в виде змеевика проходит канал 30 (более наглядно показан на фиг. 3), предназначенный для циркуляции текучей среды-теплоносителя, такой как вода, через которую удаляется тепло. Для питания канала текучей средой теплообменник 24 содержит вход 32 и выход 34 текучей среды, каждый из которых представляет собой соединитель и которые выполнены на периферической боковой стенке. Более подробно теплообменник будет описан ниже. Размеры теплообменника рассчитаны так, чтобы он примыкал ко всем устройствам, при этом контактная сторона входит в термический контакт со всеми устройствами каждого из уровней.
Модуль содержит также кожух 40, который охватывает устройства 12 уровней N1 и N2 и теплообменник. Этот кожух имеет форму параллелепипеда и содержит шесть не зависимых друг от друга стенок.
В частности, модуль содержит верхнюю и нижнюю стенки 42А, 42В, входящие в контакт с торцевыми сторонами устройств 12 на уровне концевых плоскостей каждого из уровней N1, N2, называемых наружными плоскостями, то есть противоположными плоскости, входящей в термический контакт с теплообменником. Каждая из этих стенок содержит на своей внутренней стороне, обращенной внутрь модуля, пеноматериал 43, позволяющий оптимизировать электрическую изоляцию модуля дополнительно к кольцу 22.
Кожух содержит также четыре боковые стенки 44A-44D, охватывающие боковые стенки устройств 12, а также стенку 28 теплообменника. Эти стенки образуют границы раздела модуля с наружным пространством и предназначены также для установки функциональных элементов модуля. Например, как показано на фиг. 1, на стенке 44 В находятся электронные платы 46, обеспечивающие управление уравновешиванием электрически соединенных устройств 12 накопления энергии одного уровня. Стенка 44А содержит также электронные элементы 48 на своей наружной стороне, заключенные в корпус. Кроме того, стенка 44А имеет отверстия 50, позволяющие вывести выходные контакты 18А, 18В наружу модуля. Стенка 44С тоже имеет отверстия 52, которые позволяют вывести наружу соединители 32, 34 теплообменника. Для обеспечения герметичности вблизи каждого отверстия 52 располагают прокладку 54, которая находится между соединителем. 32, 34 и соответствующим отверстием стенки 44С. Эту прокладку можно присоединить или выполнить путем совместного литья на кожухе. Следует отметить, что вокруг боковых стенок устройств 12 можно также намотать полоску из пеноматериала для оптимизации их электрической изоляции.
Стенки 42, 44 соединены между собой посредством завинчивания. Для этого стенки 42 содержат крепежные отверстия 58, а стенки 44 содержат находящиеся напротив каналы 60, предназначенные для установки винтов. Каналы 60 выступают из стенки 44 на ее наружной стороне. Внутренняя сторона стенок 44, напротив, является по существу плоской.
Заявленный модуль содержит также усиления 62, обеспечивающие хорошую механическую прочность кожуха, при этом указанные усиления соединены с двумя противоположными стенками 42А, 42В, проходя через устройства обоих уровней N1, N2 и через предусмотренные для этого отверстия 64 теплообменника.
Конфигурация кожуха не ограничивается описанным вариантом осуществления. Стенки кожуха могут быть выполнены в виде единой детали. Кроме того, функциональные элементы могут быть расположены на других стенках. Усиления могут быть факультативными или могут быть выполнены в другом виде.
Далее следует более подробное описание конфигурации теплообменника 24 и его взаимодействия с кожухом 40. Как было указано выше, этот теплообменник находится внутри модуля и для обеспечения механической прочности модуля закреплен на стенках 44 кожуха при помощи винтов. Для этого теплообменник 24 содержит множество мест 70 крепления на. своей боковой стенке. Эти места 70 крепления распределены по всему контуру теплообменника так, чтобы соединить его со всеми стенками 44 кожуха. Его размеры по существу соответствуют размерам кожуха. Каждое из мест 70 крепления содержит крепежное отверстие 72, в которое вставляют крепежный винт, который проходит также через находящееся напротив отверстие 74 стенки 44 кожуха, более наглядно показанное на фиг. 2.
Как показано на фиг. 3, каждое место 70 крепления выступает относительно остальной части боковой стенки так, чтобы в контакт со стенкой 44 кожуха входили только места крепления. Так, места крепления выступают примерно на 1 мм относительно остальной части боковой стенки 44. Таким образом, между теплообменником и кожухом остается пространство (поскольку внутренняя сторона стенок 44 кожуха является плоской), обеспечивающее изоляцию теплообменника от кожуха при помощи воздушной прослойки. Это позволяет избегать нарушения в работе теплообменника по причине тепла, циркулирующего в стенках кожуха (исходящего от устройств или снаружи). Размеры этих мест крепления рассчитаны так, чтобы выступ был как можно меньшим для минимизации поверхности боковой стенки теплообменника, входящей в контакт с кожухом. В частности, его размеры не превышают 30 мм в двух перпендикулярных направлениях, включающих в себя, в частности, направление, нормальное к контактным сторонам, и 20% общей площади боковой стенки 28 теплообменника. Это позволяет обеспечить нормальную работу теплообменника, несмотря на его установку внутри модуля.
Форма теплообменника 24 не ограничивается описанной в этом варианте. Например, кожух можно выполнить так, чтобы он имел выемки на уровне своей внутренней стороны, тогда как боковая стенка 28 теплообменника остается плоской. Конфигурация боковой стенки 28 тоже может быть другой, даже если форма стенок 44 не меняется, главное, чтобы она имела зоны крепления, выступающие относительно остальной части стенки.
Далее следует описание способа, позволяющего изготовить модуль в соответствии с изобретением. Прежде всего, формируют группы устройств 12, которые должны образовать уровни N1 и N2, и их последовательно электрически соединяют между собой при помощи перемычек 14. Затем устанавливают элементы 20, 22 электрической изоляции на торцевых сторонах групп уровней N1 и N2. После этого каждую из сборок располагают на противоположной контактной стороне 26А, 26В теплообменника 24. Устанавливают также функциональные элементы (электронные платы 46, 48, прокладки и т.д.) на различных стенках 44 теплообменника, затем устанавливают на место эти оснащенные таким образом стенки кожуха 40 вокруг двух уровней устройств и теплообменника, возможно, прокладывая их пеноматериалом. Затем подключают провода устройств к электронным платам, вводят контакты 18А, 18А и соединители входа 32 и выхода 34 теплообменника в соответствующие отверстия 50, 52 кожуха, после чего различные стенки 42, 44 кожуха соединяют винтами, а также соединяют боковые станки 44 кожуха с боковой стенкой 28 теплообменника 24.
Таким образом, изобретение позволяет получить модуль, который обеспечивает вполне удовлетворительный отвод тепла, генерируемого устройствами, содержащимися в модуле, несмотря на ограниченный габарит.
Разумеется, модуль и способ изготовления в соответствии с изобретением могут иметь различные версии представленного на фигурах варианта выполнения. Можно, в частности, применять описанные выше версии. Модуль может также содержать теплообменник, который перекрывает не всю площадь устройств или входит в термический контакт только с частью устройств. Модуль может также содержать несколько теплообменников между уровнями. Модуль может также иметь более двух уровней и содержать один теплообменник между каждой парой смежных уровней или между некоторыми парами уровней.