CZ308251B6

CZ308251B6 - Baterie s regulací teploty článků

Info

Publication number: CZ308251B6
Application number: CZ2018-328A
Authority: CZ
Inventors: Jan Boháček; Miroslav RAUDENSKÝ
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2020-03-25
Also published as: CZ2018328A3

Abstract

Pouzdro baterie s regulací teploty článků na dně osazené řadami článků (3), jejichž teplota je regulována proudem vzduchu, je uzavřeno a opatřeno mezistěnou (4) kolmou na řady článků (3) a dělící vnitřní prostor pouzdra (2) na poloviny, mezi jejímiž konci a stěnou pouzdra (2) jsou ponechány mezery, z nichž jedna je osazena ventilátorem (5) k vytvoření cirkulace vzduchu kolem mezistěny (4). Kolmo na mezistěnu (4) jsou mezi řadami článků (3) rozmístěny přepážky (6) tvořené rovnoběžnými trubkami protékanými teplonosnou kapalinou přiváděnou od chladicího resp. ohřívacího zařízení umístěného vně baterie (1).

Description

Baterie s regulací teploty článků

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 případů, např. k pohonu elektromobilů nebo automobilů s hybridním pohonem. V tomto oboru se prosadily baterie s lithium-iontovými články, které zajišťují přijatelný dojezd vozidla najedno 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 CN 10678446 stím 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 308251 B6 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 s regulací teploty článků tvořená pouzdrem, jehož dno je osazeno řadami článků, jejichž teplota je regulována proudem vzduchu. Podstata baterie spočívá v tom, že pouzdro baterie je uzavřeno a opatřeno mezistěnou kolmou na řady článků a dělicí vnitřní prostor pouzdra na poloviny, mezi jejímiž konci a stěnou pouzdra jsou ponechány mezery, z nichž jedna je osazena ventilátorem k vytvoření cirkulace vzduchu kolem mezistěny, přičemž kolmo na mezistěnu jsou mezi řadami článků rozmístěny přepážky tvořené rovnoběžnými trubkami protékanými teplonosnou kapalinou přiváděnou od chladicího resp. ohřívacího zařízení umístěného vně baterie.

Ve výhodném provedení baterie jsou trubkami dutá polymemí vlákna, která mohou být vedena mezi svislými napájecími a odváděcími komorami rozmístěnými podél mezistěny, resp. podél bočních stěn pouzdra.

Komory jsou propojeny s napájecím a odváděcím potrubím 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 druhé 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 308251 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Baterie 1, která je na obr. 1 a 2 vyobrazena s odejmutým víkem, je tvořena pouzdrem 2 osazeným na dně vzduchem chlazenými lithiovými 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 1.

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 potmbích 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, • fýzikální 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).

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Baterie s regulací teploty článků tvořená pouzdrem (2), jehož dno je osazeno řadami článků (3), jejichž teplota je regulována proudem vzduchu, vyznačující se tím, že pouzdro (2) baterie je

-3 CZ 308251 B6 uzavřeno a opatřeno mezistěnou (4) kolmou na řady článků (3) a dělicí vnitřní prostor pouzdra (2) na poloviny, mezi jejímiž konci a stěnou pouzdra (2) jsou ponechány mezery, z nichž jedna je osazena ventilátorem (5) k vytvoření cirkulace vzduchu kolem mezistěny (4), přičemž kolmo na mezistěnu (4) jsou mezi řadami článků (3) rozmístěny přepážky (6) tvořené rovnoběžnými 5 trubkami protékanými teplonosnou kapalinou přiváděnou od chladicího resp. ohřívacího zařízení umístěného vně baterie (1).
2. Baterie podle nároku 1, vyznačující se tím, že trubkami jsou dutá polymemí vlákna (7).

to
3. Baterie podle nároku 2, vyznačující se tím, 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. 15 odváděcím potmbím (9) vedeným podél mezistěny (4) a podél bočních stěn pouzdra (2).