Система термостатирования литий-ионной батареи

Изобретение относится к системе термостатирования литий-ионной батареи. Система содержит литий-ионную батарею в теплоизолированном корпусе, первый и второй внешние контуры теплоносителей. Внутренняя часть батареи содержит литий-ионные блоки, плиты термостатирования и систему трубопроводов. Литий-ионные блоки включают пластины теплосъема. Система трубопроводов содержит датчики температуры. Внутренняя часть батареи через электрически управляемые краны соединена с первым внешним контуром. Первый внешний контур включает соединенные системой трубопроводов с жидким теплоносителем: расширительный бачок, электрический проточный нагреватель, помпу, трехходовой электрически управляемый кран, теплообменник жидкость-газ. Теплообменник жидкость-газ связывает первый и второй внешние контуры. Второй внешний контур включает соединенные системой трубопроводов с газообразным теплоносителем фреоном: электрический компрессор, осушитель, расширительный клапан, датчик давления газа и радиатор с вентилятором. Система трубопроводов во внутренней части батареи выполнена в виде подпорной и основной магистралей. Подпорная входная магистраль имеет площадь поперечного сечения, равную 0,45 от площади поперечного сечения основной магистрали подачи. Плиты термостатирования выполнены с увеличением площади сечения каналов от периферии к внутренней части блока. Достигается поддержание оптимального температурного режима литий-ионной аккумуляторной батареи. 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к конструкции систем для охлаждения и подогрева литий-ионных аккумуляторных батарей, которые могут быть использованы в электромобилях, электробусах, а также в других областях энергетики.

Уровень техники

Из уровня техники известен ряд устройств для термостатирования аккумуляторных батарей.

Известно изобретение по патенту RU 2722217 В60Н 1/00 «Система термостатирования батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля», в котором раскрыта система термостатирования батарейного модуля.

В известном решении контур охлаждения построен на принципе циркуляции охлаждающей жидкости и охлаждения в радиаторе с обдувом вентилятором, подогрев обеспечивается от ДВС или предпускового подогревателя.

К недостаткам известного решения можно отнести то, что в нем не предусмотрен контур охлаждения, использующий фреон, что делает его менее эффективным. Также использование подогрева от ДВС делает менее эффективным процесс подогрева и не позволяет применять данную систему для электромобилей и электробусов.

Известно изобретение по патенту 2700158 В60K 11/02; F01P 3/20 «Устройство термостатирования агрегатов электромобиля», касающееся системы термостатирования агрегатов электромобиля, включая аккумуляторную батарею.

Описываемое решение имеет в составе механические краны, что исключает возможность полностью автоматизированного процесса управления данной системой.

Известное изобретение по патенту 2558657 Н01M/00 «Теплозащищенная литий-ионная аккумуляторная батарея» не содержит решений по охлаждению батареи при высоких температурах и высоком тепловыделении при работе батареи, что не позволяет использовать его в широком диапазоне температур.

В качестве аналога к предложенному изобретению можно указать решение по патенту на полезную модель 202152 B60L 58/26 B60L 58/27 «Устройство термостатирования тяговых батарей». Отличительной особенностью является отсутствие модульности данного решения и эффективных решений по выравниванию градиента температур в структуре батареи, что в целом снижает надежность эксплуатации батарей.

Предложенное изобретение направлено на преодоление отмеченных недостатков уровня техники и при своем осуществлении позволяет обеспечить решение технической задачи по созданию эффективной системы термостатирования, обеспечивающей поддержание оптимального температурного режима литий-ионной аккумуляторной батареи в широком температурном диапазоне окружающей среды.

Технический результат изобретения достигается, в частности, за счет применения решений, способствующих эффективному выравниванию градиента температур аккумуляторных ячеек, контуров охлаждения и подогрева и модульности конструкции.

Раскрытие изобретения

Для достижения указанного выше, а также иных технических результатов, следующих из описания, предлагается система термостатирования литий-ионной батареи, содержащая, по меньшей мере, одну литий-ионную батарею в теплоизолированном корпусе, внутренняя часть которой содержит литий-ионные блоки, включающие пластины теплосъема, примыкающие к каждой литий-ионной ячейке, плиты термостатирования с каналами и систему трубопроводов для циркуляции жидкого теплоносителя с установленными в ней датчиками температуры, которая через электрически управляемые краны соединена с первым внешним контуром, включающим соединенные системой трубопроводов с жидким теплоносителем: расширительный бачок, электрический проточный нагреватель, помпу, трехходовой электрически управляемый кран, теплообменник жидкость-газ, посредством которого первый внешний контур связан со вторым внешним контуром, включающим соединенные системой трубопроводов с газообразным теплоносителем, например, фреоном: электрический компрессор, осушитель, расширительный клапан, датчик давления газа и радиатор с вентилятором, причем система трубопроводов во внутренней части батареи выполнена в виде двух магистралей - подпорной входной магистрали с площадью поперечного сечения равной 0,45 от площади поперечного сечения основной магистрали подачи, а плиты термостатирования каждого литий-ионного блока выполнены с переменным сечением каналов с увеличением площади сечения от периферии к внутренней части блока.

Осуществление изобретения

Для более полного понимания сущности изобретения в описании даны отсылки на позиции поясняющих чертежей, согласно которым представлены:

фиг. 1 - cистема термостатирования батареи;

фиг. 2 - литий-ионный блок с плитами термостатирования.

Характеристики и работоспособность литий-ионных аккумуляторных батареи напрямую зависят от температуры их эксплуатации. Эксплуатация и хранение литий-ионных аккумуляторных батарей при повышенных и особенно пониженных температурах, даже в границах рабочего диапазона, резко негативно сказывается на их основных характеристиках, таких как емкость, рабочие токи заряда и разряда, и прочих характеристиках, включая ресурс. А при пониженных температурах (до - 40 градусов Цельсия), как правило, невозможно использовать литий-ионные аккумуляторные батареи, и как следствие эксплуатировать электромобили, электробусы и другие решения, в которых данные батареи используются как основной источник электрического питания.

согласно фиг. 1 предложенная система термостатирования состоит из внутренней и внешней части, а также модуля управления с микропроцессорным управлением (не показан). Внутренняя часть (часть литий-ионной батареи 1) содержит литий-ионные блоки 2, включающие пластины теплосъема, примыкающие к каждой литий-ионной ячейке, плиты термостатирования с каналами и систему трубопроводов 3 и 4 для циркуляции жидкого теплоносителя, теплоизоляцию корпуса батареи (не показана), а также датчики температуры 5 и электрически управляемые краны 6.

Внешняя часть, содержит два контура: контур, включающий расширительный бачок 7, электрический проточный нагреватель 8, помпу 9, трехходовой электрически управляемый кран 10, теплообменник жидкость-газ 11, систему трубопроводов и жидкий теплоноситель; а также контур, включающий электрический компрессор 12, осушитель 15, расширительный клапан 17, датчик давления газа 16, радиатор 13 с вентилятором 14, а также систему трубопроводов с газообразным теплоносителем, например, фреоном.

Отличительными особенностями изобретения является наличием в объеме батареи подпорной входной магистрали 4 площадью поперечного сечения равной 0,45 от площади поперечного сечения основной магистрали подачи 3. Кроме того, предложено переменное сечение (S) каналов плит термостатирования каждого литий-ионного блока в пределах 20% (фиг. 2).

Технический результат изобретения достигается за счет применения решений, способствующих эффективному выравниванию градиента температур аккумуляторных ячеек, контуров охлаждения и подогрева и модульности конструкции.

Система трубопроводов внутренней части блока выполнена по двухтрубной схеме и имеет подпорную магистраль 4, при этом площадь поперечного сечения равна 0,45 от площади поперечного сечения основной магистрали подачи 3. Данное значение является оптимальным и определено экспериментально, при этом при меньших значениях выравнивание градиента температур будет незначительно, а при больших значениях будет происходить эффект обратного течения жидкости в основной магистрали, что не является допустимым.

Площадь сечения каналов плит термостатирования может различаться в пределах 20% в зависимости от компоновки батареи, при этом центральные плиты термостатирования имеют большую площадь сечения по сравнению с периферийными, что в совокупности обеспечивает выравнивание градиента температур между отдельными литий-ионными ячейками в объеме батареи.

Внешняя часть системы термостатирования может быть выполнена как в модульном исполнении в едином корпусе на единой рамной конструкции, так и в декомпонизированном, что обеспечивает широкие возможности по конструированию и компоновке отсеков электромобилей, электробусов и прочих применений.

При этом возможно решение по компоновке нескольких аккумуляторных батарей с параллельным гидравлическим подключением и внешней системы термостатирования.

Изобретение функционирует следующим образом.

Микропроцессорный модуль управления на основе данных от датчиков температуры и давления обеспечивает автоматическое управление помпой, электрическим проточным нагревателем, трехходовым электрически управляемым клапаном и электрическим компрессором. При этом при низких температурах окружающей среды трехходовой клапан оказывается закрытым относительно контура системы термостатирования, обеспечивающего охлаждение - контура с фреоном, электрический нагреватель обеспечивает нагрев и поддержание температуры жидкого теплоносителя в оптимальном диапазоне. При высоких температурах окружающей среды, а также при избыточном тепловыделении литий-ионных ячеек трехходовой клапан оказывается открытым относительно контура системы, обеспечивающего охлаждение, и посредством работы электрического компрессора, вентилятора и прочих компонентов происходит охлаждение жидкого теплоносителя в теплообменнике в оптимальном температурном диапазоне.

Таким образом, благодаря применению решений, способствующих эффективному выравниванию градиента температур аккумуляторных ячеек, а также контуров охлаждения и подогрева, обеспечивается поддержание оптимального температурного режима литий-ионной аккумуляторной батареи в широком температурном диапазоне окружающей среды, и, следовательно, надежности эксплуатации батарей.

Система термостатирования литий-ионной батареи, содержащая по меньшей мере одну литий-ионную батарею в теплоизолированном корпусе, внутренняя часть которой содержит литий-ионные блоки, включающие пластины теплосъема, примыкающие к каждой литий-ионной ячейке, плиты термостатирования с каналами и систему трубопроводов для циркуляции жидкого теплоносителя с установленными в ней датчиками температуры, которая через электрически управляемые краны соединена с первым внешним контуром, включающим соединенные системой трубопроводов с жидким теплоносителем: расширительный бачок, электрический проточный нагреватель, помпу, трехходовой электрически управляемый кран, теплообменник жидкость-газ, посредством которого первый внешний контур связан со вторым внешним контуром, включающим соединенные системой трубопроводов с газообразным теплоносителем, например фреоном: электрический компрессор, осушитель, расширительный клапан, датчик давления газа и радиатор с вентилятором, причем система трубопроводов во внутренней части батареи выполнена в виде двух магистралей - подпорной входной магистрали с площадью поперечного сечения, равной 0,45 от площади поперечного сечения основной магистрали подачи, а плиты термостатирования каждого литий-ионного блока выполнены с переменным сечением каналов с увеличением площади сечения от периферии к внутренней части блока.