CZ2018328A3 - Baterie s regulací teploty článků - Google Patents

Baterie s regulací teploty článků Download PDF

Info

Publication number
CZ2018328A3
CZ2018328A3 CZ2018-328A CZ2018328A CZ2018328A3 CZ 2018328 A3 CZ2018328 A3 CZ 2018328A3 CZ 2018328 A CZ2018328 A CZ 2018328A CZ 2018328 A3 CZ2018328 A3 CZ 2018328A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
battery
housing
cells
air flow
air
Prior art date
Application number
CZ2018-328A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ308251B6 (cs
Inventor
Jan Boháček
Miroslav RAUDENSKÝ
Original Assignee
Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vysoké Učení Technické V Brně filed Critical Vysoké Učení Technické V Brně
Priority to CZ2018-328A priority Critical patent/CZ308251B6/cs
Publication of CZ2018328A3 publication Critical patent/CZ2018328A3/cs
Publication of CZ308251B6 publication Critical patent/CZ308251B6/cs

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61Types of temperature control
    • H01M10/613Cooling or keeping cold
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625Vehicles
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6556Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6556Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange
    • H01M10/6557Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange arranged between the cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/66Heat-exchange relationships between the cells and other systems, e.g. central heating systems or fuel cells
    • H01M10/663Heat-exchange relationships between the cells and other systems, e.g. central heating systems or fuel cells the system being an air-conditioner or an engine
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)

Abstract

Baterie s regulací teploty článků je tvořena pouzdrem (2) osazeným články (3), jejichž teplota je regulována proudem vzduchu. V uzavřeném pouzdru (2) baterie je vytvořen okruh proudění vzduchu mezi články (3), které je vyvoláno (2) ventilátorem (5) vloženým do pouzdra, přičemž v cestě proudícího vzduchu jsou rozmístěny přepážky (6) tvořené v podstatě rovnoběžnými trubkami, kterými protéká teplonosná kapalina přiváděná od chladicího resp. ohřívacího zařízení umístěného vně baterie (1).

Description

Oblast techniky
Vynález se týká baterie tvořené pouzdrem osazeným články chlazenými, resp. ohřívanými proudem vzduchu. Baterie je určena jako zdroj energie zejména pro elektromobily a hybridní automobily.
Dosavadní stav techniky
Baterie - akumulátory elektrické energie nacházejí využití v řadě případu, např. k pohonu elektromobilů nebo automobilů s hybridním pohonem. V tomto oboru se prosadily baterie s lithium-iontovými články, které zajišťují přijatelný dojezd vozidla na jedno nabití a přijatelnou dobu nabíjení. Nevýhodou lithiových článkuje, že se zejména při nabíjení a při zvýšeném odběru energie zahřívají, což vede ke snižování jejich trvanlivosti a může způsobit i jejich destrukci. Proto se musí články chladit. Má-li se vozidlo startovat při nízkých teplotách okolí, je nutno články naopak ohřát. Pro baterie v běžném dopravním provozu je tedy třeba zajistit vhodný tepelný režim.
V běžném provedení, např. podle US 20170365895, jsou lithiové baterie tvořeny válcovitými články postavenými v řadách na podložce, např. na dně pouzdra. Jsou shodně orientovány, tj. vespod propojeny s anodovou a nahoře s katodovou sběrnicí. Mezery mezi články ponechávají prostor pro průchod teplonosného media.
Byly vytvořeny různé systémy pro regulaci tepelného režimu baterie lithiových článků, které lze v podstatě rozdělit podle skupenství užitého chladivá na kapalinové a vzduchové.
Chlazení lithium-iontových baterií proudem vzduchuje známo např. z CN 106784460. Články jsou zde v baterii uspořádány v řadách nad sebou nad větracími kanály otevřenými do okolního prostoru. Vzduch poháněný ventilátory umístěnými uvnitř baterie proudí mezerami mezi články směrem vzhůru a je odváděn do okolí. Nevýhodou tohoto uspořádání je poněkud neekonomické využití prostoru baterie.
V baterii podle CN 106972191 proudí chladicí medium kolem řady článků uzavřených v pouzdru, a to kolmo na osy článků. Během obtékání článků se teplota chladicího media postupně zvedá, takže intenzita chlazení prvního článku v řadě se významně liší od intenzity chlazení posledního článku. Má-li být teplota všech článků udržována s přijatelnými rozdíly, znamená to, že rozměr baterie ve směru proudění media vychází značně omezen.
Baterie podle US 2017187083 má obdobné uspořádání jako podle CN10678446 s tím rozdílem, že vzduch zde proudí mezerami mezi bateriemi směrem dolů.
Součástí baterie popisované v CN 106785187 je kombinované kapalinově vzduchové chlazení. Chladicí kapalina, která proudí kapsami mezi články, je čerpána z výměníku tepla umístěného uvnitř pouzdra baterie. V něm se chladicí kapalina ochlazuje vzduchem přiváděným do baterie z okolí. Systém je poněkud komplikovaný; v baterii instalovaná zařízení zabírají prostor, který by mohl být osazen dalšími články.
Nevýhodné všech uvedených chladicích systémů je, že k regulaci teploty slouží vzduch přiváděný z okolí baterie. Ten vnáší dovnitř nečistoty, jejichž pravidelné odstraňování klade nároky na údržbu.
Vynález si klade za úkol navrhnout z výrobního hlediska nenáročný systém vzduchového
- 1 CZ 2018 - 328 A3 chlazení baterie osazené např. lithiovými články, který by zajistil minimální rozdíl teplot článků v celém objemu baterie, a navíc zcela odstranil nebezpečí zanášení baterie nečistotami.
Podstata vynálezu
Uvedený úkol řeší baterie tvořená pouzdrem osazeným články, jejichž teplota je regulována proudem vzduchu. Podstata baterie spočívá v tom, že v uzavřeném pouzdru je vytvořen okruh proudění vzduchu mezi články, které je vyvoláno do pouzdra vloženým ventilátorem, přičemž v cestě proudícího vzduchu jsou rozmístěny přepážky tvořené v podstatě rovnoběžnými trubkami, kterými protéká teplonosná kapalina přiváděná z chladicího, resp. ohřívacího zařízení umístěného vně baterie.
Ve výhodném provedení baterie jsou trubkami dutá polymemí vlákna.
Články s výhodou válcovitého tvaru jsou rozestaveny na dně pouzdra, jehož vnitřní prostor je rozdělen svislou mezistěnou usměrňující proudění vzduchu, přičemž polymemí vlákna jsou vedena mezi svislými napájecími a odváděcími komorami rozmístěnými podél mezistěny, resp. podél bočních stěn pouzdra.
Komory jsou propojeny s napájecím a odváděcím potmbím vedeným podél mezistěny, resp. podél bočních stěn pouzdra.
Články v bloku baterií jsou chlazeny vzduchem proudícím mezerami mezi nimi. Mezistěna, která odděluje jednu polovinu článků od dmhé poloviny, zajišťuje uspořádanou cirkulaci vzduchu poháněného ventilátorem umístěným uvnitř pouzdra. Blok článků je uzavřen v pouzdře a nepředpokládá se výměna vzduchu s okolím. Tím je zabráněno kontaminaci vnitřního povrchu článků prachem případně dalšími látkami z okolí baterie. Zdrojem chladu nebo tepla je teplonosná kapalina běžně používaná v chladicích systémech vozidel.
Mezi některými řadami článků jsou v pravidelných intervalech umístěny kolmo na proud vzduchu přepážky z polymemích dutých vláken, kterými proudí chladicí kapalina. Přepážky vláken ochlazují proudící vzduch tak, že za každou přepážkou je vzduch ochlazen znovu na stejnou teplotu. Ochlazený vzduch proudí mezi válcovými články a odebírá z nich teplo. Stejný princip platí v případě ohřívání článků, kdy je teplonosná kapalina teplá.
Chladicí systém zajišťuje malé rozdíly mezi teplotami jednotlivých chlazených článků v celém objemu baterie. Je to dáno jednak malým kolísáním teploty chladivá uvnitř relativně krátkých dutých vláken, jednak volbou vhodné vzdáleností přepážek dutých vláken ve směru proudění vzduchu. Kolísání teploty vzduchu ve směru proudění se tím udržuje v žádoucích mezích. Dalším parametrem systému, který ovlivňuje chlazení, je dostatečná rychlost proudícího vzduchu.
Objasnění výkresů
Vynález bude dále objasněn pomocí výkresů, na nichž obr. 1 představuje v axonometrickém promítání příkladné provedení baterie osazené lithiovými články, která má sejmuté víko. Na obr. 2 je baterie podle obr. 1 vyobrazena v půdorysu a na obr. 3 je pouzdro, z nějž byly vyňaty články. Obr. 4 přestavuje konfiguraci přepážky tvořené dutými polymemími vlákny se dvěma řadami článků a obr. 5 je pohled ve směru P podle obr. 3. Obr. 6 a 7 graficky znázorňují výstupy z numerických simulací. Jedná se o závislost průměrné teploty článku na jeho pořadovém čísle/indexu určujícím polohu článku mezi dvěma libovolnými sousedícími přepážkami dutých vláken sestupně ve směru proudění.
-2 CZ 2018 - 328 A3
Příklady uskutečnění vynálezu
Baterie která je na obr. 1 a 2 vyobrazena s odejmutým víkem, je tvořena pouzdrem 2 osazeným na dně vzduchem chlazenými litinovými články 3 válcovitého tvaru, které jsou rozmístěny s mezerami v přesazených řadách. Prostor baterie 1 je rozdělen mezistěnou 4, která ponechává volný prostor mezi svými konci a stěnami pouzdra 2. Tím je vytvořen okruh proudění vzduchu poháněného ventilátorem 5 umístěným uvnitř pouzdra 2. V cestě proudícího vzduchu jsou rozmístěny přepážky 6 tvořené v podstatě vodorovnými rovnoběžně vedenými dutými polymemími vlákny 7, ve kterých proudí teplonosná kapalina; v případě chlazení je to kapalné chladivo. Jak je zřejmé z obr. 3 a 5, ústí polymemí vlákna na obou koncích do svislých komor 8, napájecích a odváděčích, které jsou rozmístěny podél mezistěny 4 a podél bočních stěn pouzdra
2. Komory 8 jsou připojeny na napájecí, resp. odváděči potrubí 9 vedená podél mezistěny 4 a podél bočních stěn pouzdra 2. Tato potrubí 9 zajišťují přívod teplonosné kapaliny ze zdroje chladu nebo tepla umístěného vně baterie 1 a odvod kapaliny tamtéž. Tímto zdrojem chladu nebo tepla může být chladicí případně topné zařízení vozidla. Pouzdro 2 je v provozu uzavřeno a vzduch uvnitř cirkuluje tak, že dochází jen k jeho minimální kontaminaci nečistotami z okolí baterie L
Svazek polymemích vláken 7 v přepážce 6 tvoří spolu s oběma navazujícími komorami 8 výměník tepla. Způsob jeho vytvoření je znám z CZ 2018016. Komory 8 jsou svými ústími vlepeny do otvorů v přiváděčích, resp. odváděčích potrubích 9.
Byly provedeny matematické simulace účinnosti tohoto chladicího systému. Výsledky jsou prezentovány na grafech viz obr. 6 a 7. Byly testovány dva geometricky různé modely. V prvním modelu byly rozmístěny přepážky dutých vláken vždy po 10 řadách článků ve směru proudění vzduchu viz obr. 6, zatímco ve druhém modelu se přepážky dutých vláken opakovaly častěji, a to vždy po 4 řadách článků - viz obr. 7. Výpočty byly provedeny za těchto předpokladů:
• konstantní teplota dutých vláken 5 °C, • fyzikální vlastnosti vzduchu při teplotě 20°C a atmosférickém tlaku, • konstantní tepelný výkon 0,8 W každého článku (Li-ion 18650).
Obr. 6 a obr. 7 znázorňují závislost průměrné teploty článku (osa y) na jeho pořadovém čísle - 1 až 10 resp. 1 až 4 - za přepážkou (osa x). Toto pořadové číslo odpovídá poloze článku mezi dvěma libovolnými sousedícími přepážkami dutých vláken, a to sestupně ve směru proudění. Logicky, článek 1 bude obvykle chlazen nejhůře. Obr. 6 zobrazuje 3 křivky teplot článků pro 3 různé průtoky chladicího vzduchu (5,5 1/s, 13,7 1/s, 27,3 1/s) a obr. 7 zobrazuje 4 křivky pro 4 různé průtoky chladicího vzduchu (2,7 1/s, 5.5 1/s, 8,2 1/s, 13,7 1/s). V legendě na obr. 6 a 7 je vedle průtoku vzduchu rovněž uvedena celková tlaková ztráta i odpovídající potřebný výkon ventilátoru.
Pakliže by byla stanovena hodnota 5°K jako maximální přípustný rozdíl průměrných teplot dvou libovolných článků, potom tomuto kritériu nevyhoví pouze průtok 5,5 1/s při řidším rozmístění přepážek (viz obr. 6) nebo průtok 2,7 1/s při hustším rozmístění přepážek (viz obr. 7).
PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (4)

1. Baterie s regulací teploty článků tvořená pouzdrem (2) osazeným články (3), jejichž teplota je regulována proudem vzduchu, vyznačující se tím, že v uzavřeném pouzdru (2) baterie je vytvořen okruh proudění vzduchu mezi články (3), které je vyvoláno (2) ventilátorem (5) vloženým do pouzdra, přičemž v cestě proudícího vzduchu jsou rozmístěny přepážky (6) tvořené
-3 CZ 2018 - 328 A3 v podstatě rovnoběžnými trubkami, kterými protéká teplonosná kapalina přiváděná od chladicího resp. ohřívacího zařízení umístěného vně baterie (1).
2. Baterie podle nároku 1, vyznačující se tím, že trubkami jsou dutá polymemí vlákna (7).
3. Baterie podle nároku 2, vyznačující se tím, že články (3) válcovitého tvaru jsou rozestaveny na dně pouzdra (2), jehož vnitřní prostor je rozdělen svislou mezistěnou (4) usměrňující proudění vzduchu, přičemž polymemí vlákna (7) jsou vedena mezi svislými napájecími a odváděcími komorami (8) rozmístěnými podél mezistěny (4) a podél bočních stěn pouzdra (2).
4. Baterie podle nároku 3, vyznačující se tím, že komory (8) jsou propojeny s napájecím, resp. odváděcím potrubím (9) vedeným podél mezistěny (4) a podél bočních stěn pouzdra (2).
CZ2018-328A 2018-07-03 2018-07-03 Baterie s regulací teploty článků CZ308251B6 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2018-328A CZ308251B6 (cs) 2018-07-03 2018-07-03 Baterie s regulací teploty článků

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2018-328A CZ308251B6 (cs) 2018-07-03 2018-07-03 Baterie s regulací teploty článků

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2018328A3 true CZ2018328A3 (cs) 2020-01-15
CZ308251B6 CZ308251B6 (cs) 2020-03-25

Family

ID=69140721

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2018-328A CZ308251B6 (cs) 2018-07-03 2018-07-03 Baterie s regulací teploty článků

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ308251B6 (cs)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ310052B6 (cs) * 2020-09-10 2024-06-19 Qoolers S.R.O. Tepelný výměník pro cylindrické bateriové články plněný kapalinou

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006000885B3 (de) * 2006-01-04 2007-08-02 Daimlerchrysler Ag Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscher-Rohrbündels für Wärmetauscher von elektrochemischen Energiespeichern
DE102007021309A1 (de) * 2007-05-07 2008-11-13 Valeo Klimasysteme Gmbh Antriebsbatteriebaugruppe eines Elktro-, Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeugs
US20080311468A1 (en) * 2007-06-18 2008-12-18 Weston Arthur Hermann Optimized cooling tube geometry for intimate thermal contact with cells
DE102007044461A1 (de) * 2007-09-11 2009-03-12 Daimler Ag Wärmeaustauschereinheit und Elektrochemischer Energiespeicher mit einer Wärmeaustauschereinheit
JP5204797B2 (ja) * 2010-02-25 2013-06-05 株式会社日立製作所 二次電池モジュールおよび二次電池モジュール装置
US9653762B2 (en) * 2010-08-12 2017-05-16 Furukawa Electric Co., Ltd. Battery temperature regulation system and battery temperature regulation unit
DE102011103984A1 (de) * 2011-06-10 2012-12-13 Daimler Ag Kühlvorrichtung für eine Batterie
US20160079639A1 (en) * 2014-09-15 2016-03-17 James O. Pinon Cooling fin for a battery cell
US9960402B2 (en) * 2016-09-07 2018-05-01 Thunder Power New Energy Vehicle Development Company Limited Process of manufacturing a battery system assembly using the battery system assembly press

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ310052B6 (cs) * 2020-09-10 2024-06-19 Qoolers S.R.O. Tepelný výměník pro cylindrické bateriové články plněný kapalinou

Also Published As

Publication number Publication date
CZ308251B6 (cs) 2020-03-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103648824B (zh) 用于电池组的空气调节控制装置
CN104577254B (zh) 一种电动汽车电池组热管理系统及其工作方法
CN105552474B (zh) 一种动力电池循环流动风冷散热装置
CN106207303B (zh) 车辆部件
US10873115B2 (en) Housing for accommodation of a plurality of battery cells having a cooling device integrated in the housing
US20070037050A1 (en) Thermal control device
CN105637674B (zh) 电池系统以及电池模块
US10427538B2 (en) Vehicle thermal management system with vortex tube
US20140342195A1 (en) Fluid-cooled battery module containing battery cells
Öztop et al. Control of temperature distribution for Li-ion battery modules via longitudinal fins
EP2353898A1 (en) Electric heating device and vehicle air conditioner
US20140141288A1 (en) Battery assembly for vehicle and vehicle having the same
CN104756305A (zh) 电池调温装置
US20180290558A1 (en) Vehicle thermal management system with vortex tube
JP2009302054A (ja) 自動車用バッテリの温度制御モジュール
EP2775552A1 (en) Battery structure
US10186697B1 (en) Battery module with cooling aspects
SE1150239A1 (sv) Gasavlägsningsmodul
CN212161902U (zh) 一种小型储能电池柜
CN105098105A (zh) 用于电池系统的除湿腔和相关方法
US9644868B2 (en) Combined intake and exhaust manifold for a thermoelectric temperature control device
CZ2018328A3 (cs) Baterie s regulací teploty článků
CN204514020U (zh) 一种托盘隧道炉
JP2023525011A (ja) 電力貯蔵装置
CN109757062B (zh) 冷却设备

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20210703