RU2031491C1 - Method of thermal control over high-temperature storage battery - Google Patents
Method of thermal control over high-temperature storage battery Download PDFInfo
- Publication number
- RU2031491C1 RU2031491C1 SU925042474A SU5042474A RU2031491C1 RU 2031491 C1 RU2031491 C1 RU 2031491C1 SU 925042474 A SU925042474 A SU 925042474A SU 5042474 A SU5042474 A SU 5042474A RU 2031491 C1 RU2031491 C1 RU 2031491C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- battery
- heat
- temperature
- substance
- crystallization
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к химическим источникам тока и может быть использовано для терморегулирования высокотемпературных аккумуляторных батарей, например, систем натрий-сера (рабочая температура 300...350оС), натрий-хлорид никеля (250...370оС), литий-сульфид железа (400...480оС) и др.The invention relates to chemical sources of current and can be used for high temperature control of batteries, for example, sodium-sulfur systems (operating temperature of 300 ... 350 ° C), nickel chloride-sodium (250 ... 370 ° C), lithium iron sulfide (400 ... 480 ° C), and others.
Для батарей, применяемых на транспортных установках (электромобили, электропогрузчики), а также в системах с непостоянным первичным источником энергии (ветер, солнце и др.), необходимо сохранять температуру в диапазоне, близком к рабочему также и при отключении батареи от нагрузки на несколько часов, например в ночное время. Поддержание при этом расплавленного состояния электродов и достаточной электрической проводимости твердого электролита из бета-глинозема позволяет увеличить ресурс батарей и повысить эксплуатационные характеристики установок. Применение для этой цели дополнительного нагрева (электричество или сжигание топлива) не всегда возможно, особенно в отдельных местностях, в дорожных условиях и на открытых стоянках, а использование высокоэффективной экрано-вакуумной или волоконно-ампульной теплоизоляции существенно усложняет конструкцию батарей, удорожает их изготовление. При использовании менее эффективной теплоизоляции ее объем может занимать до 50...80% объема батареи, что неприемлемо для большинства транспортных установок. For batteries used in transport installations (electric cars, electric forklifts), as well as in systems with an unstable primary energy source (wind, sun, etc.), it is necessary to maintain the temperature in a range close to the working one even when the battery is disconnected from the load for several hours for example at night. At the same time, maintaining the molten state of the electrodes and sufficient electrical conductivity of the solid electrolyte from beta-alumina allows increasing the battery life and improving the operational characteristics of the plants. The use of additional heating for this purpose (electricity or burning fuel) is not always possible, especially in certain places, on road conditions and in open parking lots, and the use of high-performance screen-vacuum or fiber-ampoule thermal insulation significantly complicates the design of batteries and makes their manufacture more expensive. When using less effective thermal insulation, its volume can occupy up to 50 ... 80% of the battery volume, which is unacceptable for most transport installations.
Известен способ терморегулирования серно-натриевой батареи, при котором измеряют температуру внутреннего теплоизолированного объема батареи, где размещены высокотемпературные аккумуляторы и при снижении температуры ниже допустимого уровня осуществляют его нагрев с помощью электронагревателя или тепловой трубы с каталитической камерой сжигания углеводородного топлива. При повышении температуры выше допустимого уровня источники нагрева отключают и с помощью вентилятора пропускают воздух через названный объем, обеспечивая его циркуляцию. Когда батарея отключена от нагрузки и постепенно охлаждается, ее периодически нагревают с помощью тепловой трубы, так как электронагреватель также отключен [1]. A known method of temperature control of a sulfur-sodium battery, in which the temperature of the internal thermally insulated volume of the battery is measured, where high-temperature batteries are located and when the temperature drops below an acceptable level, it is heated using an electric heater or heat pipe with a catalytic chamber for burning hydrocarbon fuel. When the temperature rises above the permissible level, the heat sources are turned off and air is passed through the named volume using a fan, providing its circulation. When the battery is disconnected from the load and gradually cooled, it is periodically heated using a heat pipe, since the electric heater is also disconnected [1].
Недостатком известного способа является необходимость периодического использования внешнего источника нагрева - каталитической камеры сжигания с тепловой трубой, при нахождении батареи в отключенном состоянии, что требует расхода углеводородного топлива, усложняет и удорожает эксплуатацию батареи, особенно в составе транспортной установки. The disadvantage of this method is the need for periodic use of an external heating source - a catalytic combustion chamber with a heat pipe, when the battery is in the off state, which requires the consumption of hydrocarbon fuel, complicates and increases the cost of battery operation, especially as part of a transport installation.
Известен способ терморегулирования высокотемпературной серно-натриевой батареи, при котором через внутренний теплоизолированный объем с размещенными в нем аккумуляторами пропускают нагревающую или охлаждающую жидкость, регулирование потока которой осуществляют с помощью терморегулируемого клапана. При температуре выше или ниже заданной, например при 370о и 300оС, клапан открывается и пропускает соответственно холодную или горячую жидкость. Для уменьшения тепловых потерь из батареи используют экранно-вакуумную теплоизоляцию [2].A known method of thermoregulation of a high-temperature sulfur-sodium battery, in which a heating or cooling liquid is passed through an internal insulated volume with batteries placed in it, the flow control of which is carried out using a temperature-controlled valve. At temperatures above or below a given, for example at about 370 and 300 ° C, the valve opens and passes respectively cold or hot liquid. To reduce heat loss from the battery, screen-vacuum thermal insulation is used [2].
Недостатки известного способа заключаются в сложности подбора жидкости, не кипящей в указанном диапазоне температур; в аппаратурной сложности системы для прокачки жидкости, ее подогрева и охлаждения. Кроме того, при этом в данном способе так же, как и при предыдущем, требуется периодическое включение внешнего источника тепла - электронагревателя для подогрева батареи во время ее хранения. The disadvantages of this method are the difficulty of selecting a liquid that does not boil in the specified temperature range; in the hardware complexity of the system for pumping fluid, its heating and cooling. In addition, with this method, as well as with the previous one, it is necessary to periodically turn on an external heat source - an electric heater to heat the battery during storage.
Известен способ терморегулирования высокотемпературной серно-натриевой батареи, установленной на электромобиле, при котором для охлаждения аккумуляторов используют наружный воздух, продувая его в промежутках между аккумуляторами. Для этого предварительно устанавливают соотношение между температурной внутри батареи и потребляемой нагрузкой и одновременно с подачей воздуха изменяют отдаваемую мощность батареи с учетом соответствующего изменения внутреннего тепловыделения в ее теплоизолированном объеме. Непрерывно фиксируют рабочую температуру батареи и при ее достижении включают воздушное охлаждение. Если температура продолжает увеличиваться, то уменьшают нагрузку батареи до тех пор, пока температура не начнет уменьшаться, и при достижении ее нижнего значения нагрузку увеличивают, при необходимости отключая воздушное охлаждение [3]. There is a method of thermoregulation of a high-temperature sulfur-sodium battery mounted on an electric vehicle, in which external air is used to cool the batteries, blowing it in between the batteries. To do this, pre-establish the relationship between the temperature inside the battery and the consumed load, and simultaneously with the air supply, the output power of the battery is changed taking into account the corresponding change in internal heat generation in its heat-insulated volume. Continuously record the operating temperature of the battery and, when reached, turn on air cooling. If the temperature continues to increase, then reduce the load of the battery until the temperature starts to decrease, and when it reaches its lower value, the load is increased, if necessary, turning off the air cooling [3].
Недостатки этого способа заключаются в том, что на режиме хранения батареи для поддержания температуры аккумуляторов их необходимо периодически подогревать. Кроме того, необходимость частого изменения величины потребляемой нагрузки снижает эффективность работы батареи и электромобиля в целом. The disadvantages of this method are that in battery storage mode to maintain the temperature of the batteries, they must be periodically heated. In addition, the need for frequent changes in the amount of consumed load reduces the efficiency of the battery and the electric vehicle as a whole.
Наиболее близким к предложенному способу терморегулирования высокотемпературной аккумуляторной батареи по технической сущности является способ, при котором между аккумуляторами, находящимися во внутреннем теплоизолированном объеме батареи, дополнительно размещают объем с теплоаккумулирующим веществом, которое распределяют в отдельных ампулах между аккумуляторами. Вещество выбирают с температурой плавления в диапазоне максимально допустимой температуры работы батареи под нагрузкой и при ее превышении используют теплоту фазового перехода вещества плавление-кристаллизация для термостабилизации батареи и обеспечении запаса времени на включение системы охлаждения (газовой или жидкостной). При последующем охлаждении до температуры ниже максимально допустимой расплав кристаллизуется, что сопровождается выделением тепла в ампулах и распространением его во внутреннем объеме батареи. В качестве теплоаккумулирующих веществ могут использоваться композиции на основе хлоридов калия, натрия, магния, лития с температурой плавления в диапазоне 350...400оС [4].Closest to the proposed method of thermoregulation of a high-temperature battery in technical essence is a method in which between batteries located in the internal heat-insulated volume of the battery, an additional volume is placed with heat-storage substance, which is distributed in separate ampoules between the batteries. The substance is selected with a melting temperature in the range of the maximum allowable battery operating temperature under load and, when it is exceeded, the heat of the phase transition of the melting-crystallization substance is used to thermally stabilize the battery and provide a reserve of time for turning on the cooling system (gas or liquid). Subsequent cooling to a temperature below the maximum allowable melt crystallizes, which is accompanied by the release of heat in ampoules and its distribution in the internal volume of the battery. As heat-accumulating substances, compositions based on potassium, sodium, magnesium, lithium chlorides with a melting point in the range of 350 ... 400 o C can be used [4].
Недостаток этого способа заключается в том, что теплота высокоэффективного фазового перехода используется для термостабилизации батареи только при перегреве аккумуляторов. На всех других режимах и особенно при отключенном состоянии батареи (в течение нескольких часов) теплота фазового перехода не используется, что также требует применения электронагревателей или других источников тепла. В результате снижается эффективность процесса терморегулирования батареи и усложняется процесс его осуществления. The disadvantage of this method is that the heat of a highly efficient phase transition is used to thermally stabilize the battery only when the batteries overheat. In all other modes, and especially when the battery is off (for several hours), the phase transition heat is not used, which also requires the use of electric heaters or other heat sources. As a result, the efficiency of the battery thermal control process decreases and the process of its implementation is complicated.
Целью изобретения является повышение эффективности и упрощение процесса терморегулирования батареи. The aim of the invention is to increase the efficiency and simplify the process of thermal control of the battery.
Это достигается тем, что при способе терморегулирования высокотемпературной аккумуляторной батареи, включающем использование теплоты фазового перехода плавление-кристаллизация при термостабилизации внутреннего теплоизолированного объема батареи, в названном объеме размещают объем с теплоаккумулирующим веществом, имеющим температуру плавления в диапазоне оптимальной рабочей температуры батареи под нагрузкой, регулируют величину теплосброса из объема батареи и поддерживают вещество в двухфазном состоянии на рабочем режиме, а перед режимом хранении батареи с отключенной нагрузкой или режимом ее заряда термостатируют объем батареи и используют теплоту кристаллизации вещества на указанных режимах. This is achieved by the fact that with the method of thermoregulation of a high-temperature storage battery, including the use of the heat of the melting-crystallization phase transition when the internal heat-insulated volume of the battery is thermally stabilized, a volume with a heat-storage substance having a melting temperature in the range of the optimum operating temperature of the battery under load is placed in the said volume, the value is controlled heat transfer from the battery and support the substance in a two-phase state in the operating mode, and By the storage mode of the battery with the load off or by the mode of its charge, thermostat the battery volume and use the heat of crystallization of the substance in the indicated modes.
При этом для регулирования величины теплосброса используют объемное изменение теплоаккумулирующего вещества при его плавлении и кристаллизации, величину которого задают из соотношения объемов расплавленной и кристаллизованной фаз и поддерживают путем регулируемого изменения условий теплоотдачи, например, обдувом батареи или изменением толщины ее теплоизоляции на локальных участках со стороны фронта кристаллизованной фазы. Moreover, to control the amount of heat loss, a volumetric change in the heat-accumulating substance is used during its melting and crystallization, the value of which is set from the ratio of the volumes of the molten and crystallized phases and is supported by a controlled change in heat transfer conditions, for example, by blowing the battery or changing the thickness of its heat insulation in local areas from the front crystallized phase.
Кроме того, соотношение масс расплавленной и кристаллизованной фаз поддерживают в диапазоне (10-15):1. In addition, the mass ratio of the molten and crystallized phases is maintained in the range (10-15): 1.
Использование теплоаккумулирующего вещества, имеющего температуру плавления в диапазоне оптимальной рабочей температуры батареи, позволяет достаточно просто, например, за счет регулирования конвективного теплообмена с внешней средой, за счет изменения толщины теплоизоляции батареи, поддерживать вещество в двухфазном состоянии. При этом часть его объема, расположенная в непосредственной близости с тепловыделяющими аккумуляторами, будет находиться в виде расплава, а часть, расположенная вблизи теплоизолированной и менее нагретой стенки корпуса батареи, - в кристаллизованном состоянии. The use of a heat-accumulating substance having a melting point in the range of the optimum operating temperature of the battery makes it quite simple, for example, by controlling the convective heat exchange with the external environment, by changing the thickness of the thermal insulation of the battery, to maintain the substance in a two-phase state. At the same time, a part of its volume located in close proximity to the heat-generating accumulators will be in the form of a melt, and a part located near the heat-insulated and less heated wall of the battery case will be in a crystallized state.
В случае перегрева аккумуляторов и увеличения тепловыделения внутри батареи фронт расплава будет постепенно перемещаться к стенке корпуса и до полного расплавления всего объема вещества температура внутри корпуса будет сохраняться на уровне оптимальной. Время, в течение которого происходит расплавление вещества, может быть использовано для приведения в готовность системы аварийного охлаждения или системы отключения нагрузки, для локализации аварийных аккумуляторов или секций и т.д. In the event of overheating of the batteries and an increase in heat generation inside the battery, the melt front will gradually move toward the wall of the housing and until the entire volume of the substance is completely melted, the temperature inside the housing will remain at the optimal level. The time during which the substance melts can be used to alert the emergency cooling system or load shedding system, to localize emergency batteries or sections, etc.
Сигналом для срабатывания этих систем, используемым для регулирования величины теплосброса из батареи, может служить увеличение объема теплоаккумулирующего вещества при его плавлении, которое может достигать 20...30%, т. е. сигнал об опасности перегрева батареи вырабатывается заранее еще до развития этого процесса в масштабах батареи при ее нахождении в диапазоне оптимальной рабочей температуры несмотря на рост ее внутреннего тепловыделения. The signal for the operation of these systems, used to control the amount of heat loss from the battery, can be an increase in the volume of the heat-accumulating substance during its melting, which can reach 20 ... 30%, i.e., a signal about the danger of overheating of the battery is generated before this process develops. on the scale of the battery when it is in the range of optimal operating temperature despite the increase in its internal heat generation.
Если же батарея работала в нормальном режиме без перегрева и ее необходимо отключить от нагрузки на несколько часов, то перед этим ее термостатируют, обеспечивая минимально достижимый теплосброс в окружающую среду. Термостатирование может заключаться, например, в том, что прекращают принудительное (воздушное или жидкостное) охлаждение батареи, увеличивают толщину теплоизоляции с помощью дополнительного чехла или слоя и т.д. Замедление скорости охлаждения батареи позволяет замедлить скорость перемещения фронта кристаллизации в направлении от стенки корпуса батареи к аккумуляторам. До наступления полной кристаллизации расплава температура в объеме батареи будет сохраняться на уровне оптимальной. Как показывают расчетные и экспериментальные оценки, оптимальное соотношение масс расплавленной и кристаллизованной фаз составляет (10-15):1. Масса кристаллизованной фазы выбирается из условия, чтобы обеспечить запас времени на рассасывание области локального перегрева при разрушении отдельных аккумуляторов, аварийное отключение нагрузки, а также приведение в действие системы аварийного охлаждения. Масса расплавленной фазы должна быть достаточной для поддержания требуемого уровня температуры в течение нескольких часов хранения батареи с отключенной нагрузкой (7. ..10 ч) без дополнительного подогрева. При этом тепловые потери из батареи в окружающую среду будут компенсироваться за счет тепловыделения в процессе постепенной кристаллизации расплава. If the battery worked in normal mode without overheating and it must be disconnected from the load for several hours, then before that it is thermostated, providing the minimum achievable heat loss to the environment. Thermostating can consist, for example, in that the forced (air or liquid) cooling of the battery is stopped, the thickness of the insulation is increased with the help of an additional cover or layer, etc. Slowing down the cooling rate of the battery allows you to slow down the speed of movement of the crystallization front in the direction from the wall of the battery to the batteries. Until the full crystallization of the melt, the temperature in the volume of the battery will remain at the optimal level. As the calculated and experimental estimates show, the optimal mass ratio of the molten and crystallized phases is (10-15): 1. The mass of the crystallized phase is selected from the condition in order to provide a margin of time for the resorption of the local overheating region during the destruction of individual batteries, emergency shutdown of the load, as well as the activation of the emergency cooling system. The mass of the molten phase should be sufficient to maintain the required temperature level for several hours of storage of the battery with the load off (7. ..10 h) without additional heating. In this case, the heat loss from the battery to the environment will be compensated by heat release during the gradual crystallization of the melt.
При времени кристаллизации не меньшем, чем время хранения батареи, она будет находиться при постоянной температуре, близкой к оптимальному рабочему диапазону и, следовательно, может быть в любой момент на этом отрезке времени приведена в рабочее состояние. When the crystallization time is not less than the storage time of the battery, it will be at a constant temperature close to the optimal operating range and, therefore, can be brought into working condition at any time on this period of time.
Размещение объема с теплоаккумулирующим веществом в батарее осуществляется с учетом ее конструктивных особенностей. Например, если между отдельными аккумуляторами имеются охлаждаемые промежутки, то кристаллизованная часть вещества может содержаться в ампулах, размещенных в этих промежутках, а расплавленная часть содержится в полости общего теплоизолированного основания аккумуляторной сборки. При плотной упаковке аккумуляторов теплоаккумулирующее вещество может размещаться в полости экранов, закрепленных внутри на стенках корпуса батареи. The placement of the volume with heat-accumulating substance in the battery is carried out taking into account its design features. For example, if there are cooled gaps between the individual batteries, the crystallized part of the substance can be contained in ampoules placed in these gaps, and the molten part is contained in the cavity of the common heat-insulated base of the battery assembly. When the batteries are tightly packed, the heat-accumulating substance can be placed in the cavity of the screens fixed inside on the walls of the battery case.
Ампулы, капсулы, экраны и подобные элементы с теплоаккумулирующим веществом также могут быть размещены в батарее с возможностью их извлечения и замены. Ampoules, capsules, screens and similar elements with a heat-accumulating substance can also be placed in the battery with the possibility of their removal and replacement.
На чертеже приведена конструкция батареи применительно к варианту с размещением теплоаккумулирующего вещества внутри основания аккумуляторной сборки, разрез. The drawing shows the design of the battery in relation to the option with the placement of heat-accumulating substances inside the base of the battery assembly, section.
Батарея содержит секции аккумуляторов 1, соединенные электрической цепью 2 и размещенные внутри корпуса 3, снабженного теплоизоляцией 4. Секции установлены на поверхности коробчатого контейнера 5, заполненного теплоаккумулирующим веществом, одна (большая) часть которого находится в расплавленном состоянии 6, а другая (меньшая) - в кристаллизованном состоянии 7. В верхней части поддона выполнена компенсационная трубка 8, выведенная в один из промежутков между секциями 1, в которую введен электрический уровнемер 9. The battery contains
В основании батареи теплоизоляция выполнена с двумя подвижными слоями 10, 11. В зависимости от конструкции батареи теплоаккумулирующее вещество может быть разделено на части, которые размещены также между отдельными секциями и аккумуляторами или во внутренних стенках корпуса; поддон 5 может быть выполнен с возможностью замены без разгерметизации корпуса батареи и т. д. Сущность способа при подобных конструктивных вариантах батареи остается неизменной. At the base of the battery, the thermal insulation is made with two
При разогреве батареи и выводе ее на рабочий режим с подключением нагрузки возрастает тепловыделение в аккумуляторных секциях 1 и происходит постепенное расплавление вещества в поддоне 5 с увеличением его объема и повышением уровня расплава в трубке 8. При выходе батареи на номинальный режим уровнемер 9 фиксирует заданный уровень расплава в трубке 8. Сигнал от уровнемера используется для регулирования величины зазора между теплоизоляционными слоями 10 и 11, которые раздвигают или сдвигают в направлении стрелок 12 или 13, устанавливая тем самым величину теплосброса из батареи через зазор между торцами слоев 10 и 11, обеспечивающую поддержание заданного уровня расплава в трубке 8. When the battery is warmed up and brought to the operating mode with the load connected, the heat release in the
Регулирование теплосброса из батареи, кроме того, может быть осуществлено, например, с помощью дополнительного обдува корпуса батареи воздухом. Также могут быть применены другие известные схемы уровнемеров, например, поплавкового или мембранного типа. The regulation of heat dissipation from the battery, in addition, can be carried out, for example, by additional blowing the battery housing with air. Other well-known level gauge circuits, for example, float or membrane types, can also be used.
При незапланированном увеличении тепловыделения в секциях 1, когда эффективность системы теплосброса недостаточна, начинается постепенное расплавление кристаллизованной массы 7, сопровождающееся увеличением объема жидкой фазы 6 и повышением ее уровня в трубке 8. Этот процесс идет при постоянной температуре внутри корпуса 3 батареи, мало отличающейся от температуры номинального режима. Изменение электрического сигнала от уровнемера 9 служит для принятия подготовительных мер к отключению нагрузки и/или дополнительному охлаждению батареи. Процесс плавления растянут во времени и предотвращает резкое повышение температуры внутри батареи. Это позволяет использовать несколько аварийных систем, построенных на разных физических принципах и дублирующих друг друга. В результате постепенного снижения температуры в объеме батареи начинается постепенная кристаллизация расплава практически при ее постоянном значении. Уровень расплава в трубке 8 снижается и при достижении номинального значения уровнемер вырабатывает соответствующий сигнал на срабатывание системы рабочего регулирования теплосброса. Батарея приходит в нормальное эксплуатационное состояние. With an unplanned increase in heat dissipation in
При переводе батареи в режим хранения обеспечивают ее термостатирование, минимизируя теплосброс из корпуса. Для этого сдвигают слои теплоизоляции 10 и 11 в направлении по стрелкам 13, прекращают обдув корпуса воздухом, надевают дополнительный теплоизоляционный чехол и отключают внешнюю электрическую нагрузку от батареи. В результате процесс кристаллизации расплава 6 резко замедляется и осуществляется термостабилизация внутреннего объема корпуса при постоянном уровне температуры. Этот процесс сопровождается постепенным снижением уровня расплава в трубке 8 и при достижении заданного минимального значения уровнемер 9 вырабатывает сигнал на включение нагрузки или на принудительный нагрев батареи. When the battery is in storage mode, it is provided with temperature control, minimizing heat loss from the case. To do this, shift the insulation layers 10 and 11 in the direction of the
Масса расплава выбирается из расчета, чтобы за время хранения батареи с отключенной нагрузкой не произошла ее полная кристаллизация, вплоть до объема в трубке 8. Например, при максимальном времени хранения батареи 7 ч масса расплава выбирается из расчета ее полной кристаллизации за 7,5 ч, т. е. с запасом на непредвиденные обстоятельства, способные задержать включение батареи. Это условие легко выполняется для стационарных энергетических установок, не имеющих жестких ограничений по весогабаритным характеристикам. Однако и для транспортных установок имеется достаточно большой резерв, чтобы разместить требуемое количество теплоаккумулирующего вещества или существенно приблизиться к оптимальной его загрузке. The mass of the melt is selected from the calculation so that during storage of the battery with the load off, its full crystallization does not occur, up to the volume in the tube 8. For example, with a maximum storage time of 7 hours, the mass of the melt is selected from the calculation of its full crystallization in 7.5 hours, i.e., with a margin for unforeseen circumstances that could delay the inclusion of the battery. This condition is easily fulfilled for stationary power plants that do not have strict restrictions on weight and size characteristics. However, for transport installations there is a sufficiently large reserve to accommodate the required amount of heat-accumulating substance or to substantially approach its optimal loading.
Таким образом, функционирование батареи осуществляется на рабочем режиме и при ее хранении практически при одном и том же уровне температуры, обеспечивающем поддержание оптимальных условий для аккумуляторов. Thus, the functioning of the battery is carried out in the operating mode and during its storage at almost the same temperature level, ensuring the maintenance of optimal conditions for the batteries.
П р и м е р. Осуществляли терморегулирование серно-натриевой батареи, имеющей 56 аккумуляторов емкостью по 50 А˙ч каждый, объединенных в две секции 1 по 28 аккумуляторов в каждой. Энергоемкость батареи составляет 5 кВт˙ ч. Секции размещены внутри корпуса 2, имеющего следующие габаритные размеры: длина 580 мм, ширина 520 мм, высота 300 мм. Слой порошково-волокнистой теплоизоляици 4 батареи (материал типа ТЗМК-10) размещен в герметичной полости, образованной между внутренними и наружными стенками корпуса и вакуумированной до 10-2 мм рт.ст. Коэффициент эффективной теплопроводности такой теплоизоляции составляет 0,01 Вт/м ˙К. Оптимальная температура внутри батареи на рабочем режиме 350оС. Минимально допустимая температура при хранении батареи с отключенной нагрузкой 300оС. Максимально допустимая температура в случае непредвиденного подогрева батареи 400оС. Батарея предназначена для использования в качестве источника энергии для тягового двигателя электромобиля. Тепловые потери через ее корпус оцениваются на уровне 180 Вт. Время хранения батареи с отключенной нагрузкой может достигать 8 ч (время, в течение которого температура внутри батареи может снизиться от 350 до 300оС). Контейнер-поддон 5, выполненный из коррозионной стали типа 12Х18Н10Т толщиной 1 мм, имеет длину 540 мм, ширину 480 мм, высоту 30 мм и занимает ≈10% объема батареи. Поддон снабжен трубкой 8 с внутренним диаметром 7 мм и высотой 200 мм, через крышку которой введен щуп электрического уровнемера, имеющий покрытие из коррозион- но-стойкого материала. Поддон заполнен теплоаккумулирующей смесью, состоящей из (мас.%): карбоната лития 3,2-3,4, хлорида калия 46,8-47,0, фторида лития 2,1-2,4, хлорида лития - остальное. Смесь плавится при температурах 340-343оС, имеет теплоту плавления 375 Дж/г, ее загрузка в поддоне 5 составляет 15 кг.PRI me R. Thermal control of the sodium-sulfur battery was carried out, having 56 batteries with a capacity of 50 Ah each, combined in two
При сборке батареи поддон 5 заполняют порошкообразной массой смеси с учетом ее пористости и 20%-ного объемного расширения при плавлении, устанавливают в трубку 8 щуп предварительно оттарированного уровнемера 9, вакуумируют и герметизируют всю систему. When assembling the battery, the
При выходе холодной батареи на рабочий режим ее температуру постепенно увеличивают, непрерывно снимая сигнал с уровнемера 9 и при достижении его заданного значения, соответствующего температуре 350оС, устанавливают зазор между слоя- ми 10 и 11 теплоизоляции, при котором внутри батареи, за счет теплосброса через зазор устанавливается температура 350± 2оС, а на днище поддона 336 ±2оС, что обеспечивает получение в большей части поддона расплава, а в его придонной части - кристаллизованной массы в количествах, отвечающих расчетному диапазону, т.е. ≈90% и 10% соответственно.Upon exiting the cold battery to the operation mode its temperature is gradually increased, continuously removing the signal from the transmitter 9 and when it reaches its predetermined value corresponding to a temperature of 350 ° C, establish a gap between sloya- 10 and insulation 11, wherein inside the battery due teplosbrosa through the gap 350 is set temperature ± 2 ° C, and on the bottom pallet 336 ± 2 ° C, which provides much of the molten sump, and in its bottom part - the crystallized mass in amounts corresponding to the calculated range, i.e. ≈90% and 10%, respectively.
Поддержание этого соотношения при дальнейшей работе батареи осуществляется с помощью автоматического регулирования ширины зазора в соответствии с изменениями сигнала от уровнемера. Maintaining this ratio during further battery operation is carried out by automatically adjusting the gap width in accordance with changes in the signal from the level gauge.
При переводе батареи в режим хранения с отключенной нагрузкой слои 10 и 11 плотно сдвигают, обеспечивая тем самым термостатирование батареи. В результате медленного теплосброса из батареи фронт кристаллизации фазы 7 постепенно распространяется вверх по высоте поддона 5, что сопровождается выделением ранее запасенной теплоты плавления смеси внутри термостатированного объема батареи. Кристаллизация ≈90% расплава происходит за 7 ч, что удовлетворяет требованиям эксплуатации батареи. При этом температура внутри батареи в течение времени кристаллизации расплава не снижается ниже 340-343оС и, следовательно, имеется дополнительный запас времени ( 2,5 ч) до снижения температуры до 300оС. Это позволяет предотвратить быстрое захолаживание батареи в случае каких-либо нарушений теплоизоляции, например, из-за потери вакуума, когда при ускоренном снижении уровня расплава в трубке 8 сигнал от уровнемера выдает команду на включение специальной системы обогрева батареи. Время хранения батареи без теплоаккумулирующего поддона составляет ≈3 ч, при этом ее температура снижается до 300оС.When the battery is put into storage mode with the load off, the
Если при максимальной интенсификации теплосброса через максимальный зазор между слоями 10 и 11 уровень расплава в трубке 8 продолжает расти и превышает заданное верхнее значение, сигнал от уровнемера (дублируя показания термопары) выдает команду на срочное отключение батареи от нагрузки и включение системы аварийного охлаждения батареи. При этом даже после полного расплавления всей смеси в поддоне, когда плавление шло без повышения температуры в батареи выше 350оС, имеется запас времени до достижения максимально допустимой температуры 400оС, так как дальнейшее поглощение тепла будет происходить за счет теплоемкости батареи. Таким образом, при возникновении аварийного перегрева батареи имеются два барьера безопасности, обусловленных теплотой плавления и теплоемкостью. Это позволяет обеспечить достаточный запас времени на принятие соответствующих противоаварийных мер безопасности.If, at the maximum intensification of heat loss through the maximum gap between
В режиме заряда батареи, когда ее температура может снизиться до 300оС и ниже, ее терморегулирование осуществляют, как и в режиме хранения, т.е. плотно сдвигают слои 10 и 11, термостатируют батарею и используют теплоту кристаллизации расплава 6 в течение времени заряда.In battery mode when its temperature may go down to 300 ° C and lower its temperature control is performed as in the storage mode, i.e. layers 10 and 11 are tightly shifted, the battery is thermostated and the heat of crystallization of
В случае, если температура батареи все-таки начинает снижаться ниже 300оС, сигнал от уровнемера выдает команду на дополнительный нагрев батареи, например, от встроенных между секциями 1 электронагревателей (на чертеже не показаны). Дополнительный нагрев также может быть осуществлен от внешнего источника тепла через зазор между слоями 10 и 11.In case the battery temperature is still starts to decrease below 300 ° C, the signal from the transmitter issues a command to auxiliary heating batteries, e.g., from embedded between the
Для рассматриваемой серно-натриевой батареи в качестве теплоаккумулирующей смеси также может быть использована композиция, содержащая, мас.%: кадмий хлористый 18,36 и кадмий иодистый 81,64. Температура плавления смеси 350±2оС, удельная теплота плавления 350 Дж/г.For the sodium-sulfur battery in question, a composition containing, wt%: cadmium chloride 18.36 and cadmium iodide 81.64 can also be used as a heat storage mixture. The melting point of a mixture of 350 ± 2 ° C, heat of fusion 350 J / g.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение эффективности процесса терморегулирования на всех режимах эксплуатации батареи, включая ее хранение и аварийный перегрев или расхолаживание. Способ протекает в саморегулируемом режиме и не требует каких-либо насосных устройств и специальных регулировочных элементов типа клапанов. Thus, the proposed method provides an increase in the efficiency of the thermoregulation process in all operating modes of the battery, including its storage and emergency overheating or cooling. The method proceeds in a self-regulating mode and does not require any pumping devices and special adjusting elements such as valves.
Предлагаемый способ может быть эффективно использован также при эксплуатации высокотемпературных аккумуляторных батарей на основе других электрохимических систем. Например, для батареи на основе системы натрий-хлорид никеля с оптимальной рабочей температурой 350оС может быть использована указанная композиция, содержащая хлористый и иодистый кадмий. Для батареи на основе системы литий-сульфид железа с рабочей температурой 475оС может быть использована щелочь LiOH, имеющая температуру плавления 471оС и удельную теплоту плавления 1080 Дж/г. Если рабочую температуру такой батареи задать на уровне 400оС, то для нее может быть использована смесь, содержащая, мас. % : натрий хлористый 22, барий азотно-кислый 78, имеющая температуру плавления 400± 2оС и удельную теплоту плавления 360 Дж/г.The proposed method can also be effectively used in the operation of high-temperature batteries based on other electrochemical systems. For example, for the battery based on the system sodium-nickel chloride with an optimum working temperature of 350 C can be used, said composition containing cadmium chloride and iodide. Battery based on lithium-iron sulfide system with a working temperature of 475 C can be used alkali LiOH, having a melting point of 471 C and a specific melting heat of 1080 J / g. If such a battery operating temperature set at 400 ° C, the mixture comprising, by weight can be used for it. %: 22 sodium chloride, barium nitric acid 78, having a melting point of 400 ± 2 ° C and a specific heat of fusion of 360 J / g.
Использование предлагаемого способа позволяет расширить эксплуатационные возможности высокотемпературных аккумуляторных батарей, предназначенных для стационарных и транспортных установок, стабилизировать их температурный режим. Особенно эффективным является использование способа при терморегулировании батарей в период их хранения с отключенной нагрузкой. Using the proposed method allows to expand the operational capabilities of high-temperature batteries designed for stationary and transport installations, to stabilize their temperature. Particularly effective is the use of the method for thermoregulation of batteries during storage with the load off.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU925042474A RU2031491C1 (en) | 1992-05-18 | 1992-05-18 | Method of thermal control over high-temperature storage battery |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU925042474A RU2031491C1 (en) | 1992-05-18 | 1992-05-18 | Method of thermal control over high-temperature storage battery |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2031491C1 true RU2031491C1 (en) | 1995-03-20 |
Family
ID=21604379
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU925042474A RU2031491C1 (en) | 1992-05-18 | 1992-05-18 | Method of thermal control over high-temperature storage battery |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2031491C1 (en) |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2748858A1 (en) * | 1996-05-14 | 1997-11-21 | Renault | Car battery for preforming in extreme weather conditions |
WO2012169928A1 (en) * | 2010-12-29 | 2012-12-13 | Avetisov Vladik Avanesovich | Thermal energy store |
RU2479895C2 (en) * | 2008-10-14 | 2013-04-20 | ЭлДжи КЕМ, ЛТД. | Modular assembly of accumulator batteries with higher efficiency of cooling |
RU2547680C1 (en) * | 2013-11-26 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Heat accumulator with phase transition material |
RU2605989C1 (en) * | 2015-09-01 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Heat-accumulating composition |
US11387497B2 (en) * | 2012-10-18 | 2022-07-12 | Ambri Inc. | Electrochemical energy storage devices |
US11411254B2 (en) | 2017-04-07 | 2022-08-09 | Ambri Inc. | Molten salt battery with solid metal cathode |
US11611112B2 (en) | 2012-10-18 | 2023-03-21 | Ambri Inc. | Electrochemical energy storage devices |
US11840487B2 (en) | 2015-03-05 | 2023-12-12 | Ambri, Inc. | Ceramic materials and seals for high temperature reactive material devices |
US11909004B2 (en) | 2013-10-16 | 2024-02-20 | Ambri Inc. | Electrochemical energy storage devices |
US11929466B2 (en) | 2016-09-07 | 2024-03-12 | Ambri Inc. | Electrochemical energy storage devices |
-
1992
- 1992-05-18 RU SU925042474A patent/RU2031491C1/en active
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
1. Патент Великобритании N 2153136, кл. H 01M 10/50, 1985. * |
2. Патент Великобритании N 2081000, кл. H 01M 10/39, 1982. * |
3. Патент ФРГ N 3734221, кл. H 01M 10/50, 1989. * |
4. A.A.Koenig, J.W.Braithwaite and J.R.Armijo. Considerations and measurements of latent-heat-storage salts for secondary thermal battery applications. Proceedings of Beta (sodium/sulfur) Battery Workshop VII, June 1988, 44 (1-15). * |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2748858A1 (en) * | 1996-05-14 | 1997-11-21 | Renault | Car battery for preforming in extreme weather conditions |
RU2479895C2 (en) * | 2008-10-14 | 2013-04-20 | ЭлДжи КЕМ, ЛТД. | Modular assembly of accumulator batteries with higher efficiency of cooling |
WO2012169928A1 (en) * | 2010-12-29 | 2012-12-13 | Avetisov Vladik Avanesovich | Thermal energy store |
RU2516080C2 (en) * | 2010-12-29 | 2014-05-20 | Владик Аванесович Аветисов | Heat energy accumulator |
US11387497B2 (en) * | 2012-10-18 | 2022-07-12 | Ambri Inc. | Electrochemical energy storage devices |
US11611112B2 (en) | 2012-10-18 | 2023-03-21 | Ambri Inc. | Electrochemical energy storage devices |
US11909004B2 (en) | 2013-10-16 | 2024-02-20 | Ambri Inc. | Electrochemical energy storage devices |
RU2547680C1 (en) * | 2013-11-26 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Heat accumulator with phase transition material |
US11840487B2 (en) | 2015-03-05 | 2023-12-12 | Ambri, Inc. | Ceramic materials and seals for high temperature reactive material devices |
RU2605989C1 (en) * | 2015-09-01 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Heat-accumulating composition |
US11929466B2 (en) | 2016-09-07 | 2024-03-12 | Ambri Inc. | Electrochemical energy storage devices |
US11411254B2 (en) | 2017-04-07 | 2022-08-09 | Ambri Inc. | Molten salt battery with solid metal cathode |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2031491C1 (en) | Method of thermal control over high-temperature storage battery | |
US4037650A (en) | Thermal storage apparatus | |
US3110633A (en) | Temperature-sustaining apparatus for automobiles | |
US5449571A (en) | Encapsulations for thermal management system for battery | |
US7058292B2 (en) | Heat storage type heater and method of controlling input and output of heat of the same | |
EP1251261B1 (en) | Engine exhaust heat recovering apparatus | |
EP1258051B1 (en) | Method and device relating to battery temperature regulation | |
PT2321869E (en) | Method and device providing the temperature regulation of a rechargeable electrical energy storage battery | |
US6089218A (en) | Vaporization acceleration device for high-calorie gas appliance | |
FI76205B (en) | SYSTEM OVERHEAD ENCLOSURE OAK EN VAERMEVAEXLARE. | |
JP2010212099A (en) | Battery system | |
US4246466A (en) | Electric heat storage apparatus | |
CN205692890U (en) | Battery box component and the vehicle with it | |
US4187904A (en) | Heat transfer installation having storage reservoir containing a salt as a heat carrier | |
US20100108415A1 (en) | Thermo-electric, rechargeable vehicle powering system | |
JP2004111123A (en) | Method for controlling heater for sodium-sulfur battery module | |
GB2134698A (en) | Power storage battery | |
JPH07226228A (en) | Heat insulation container for high temperature battery | |
FI90724C (en) | electric heater | |
RU2030036C1 (en) | High-temperature storage battery | |
JP2004232897A (en) | Complex heat storage device | |
JPH02251021A (en) | Device for heat storage type floor heating | |
CN114046296B (en) | Intelligent temperature control system of hydraulic oil tank and design method thereof | |
EP3631339A1 (en) | Active crystallisation control in phase change material thermal storage systems | |
CN214039065U (en) | Cold storage device for ice rink cold quantity compensation |