ES2967717T3 - Estructura de soporte para un conducto - Google Patents

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Abstract

Una estructura de soporte 1 para un conducto flexible de intercambio de calor del tipo que se ubica proximal a las celdas 4 de un paquete de batería para gestionar térmicamente el paquete de batería. La estructura de soporte 1 está configurada para proporcionar soporte a un conducto para evitar que el conducto se doble cuando el conducto cambia de dirección. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Estructura de soporte para un conducto
La presente divulgación se refiere al soporte de un conducto flexible, tal como un conducto en un sistema de gestión térmica de paquetes de baterías.
Los requisitos clave para los paquetes de baterías próxima generación, en particular, las baterías de iones de litio para aplicaciones de movilidad son una mejor densidad de energía gravimétrica y volumétrica, un ciclo de vida mejorado y una carga rápida. Las densidades de energía gravimétrica y volumétrica se han mejorado en gran medida gracias a los avances en la electroquímica cellar y la ingeniería química. Sin embargo, las mejoras en el diseño mecánico del paquete de baterías también pueden tener un impacto apreciable en el peso y en el tamaño total del paquete de baterías.
El diseño mecánico del paquete de baterías afecta el ciclo de vida y la capacidad de carga rápida principalmente a través del sistema de gestión térmica. Es deseable minimizar las variaciones de temperatura en un paquete de baterías para evitar el envejecimiento diferencial de las celdas que, en última instancia, da como resultado un ciclo de vida reducido. Además, es importante mantener una temperatura relativamente constante de 25°C en todo el paquete de baterías para maximizar la vida útil de la celda. Este último es particularmente difícil de mantener durante la carga rápida debido a la alta generación de calor dentro de la batería.
Se conocen intercambiadores de calor que implican un conducto flexible dispuesto alrededor de celdas en una formación serpenteante y se utilizan típicamente con celdas prismáticas, porque las superficies planas de las celdas prismáticas proporcionan una gran superficie para el contacto térmico con el conducto. Es fácil envolver un conducto alrededor de celdas prismáticas en forma de serpentina mientras se mantiene el contacto térmico de esta manera. Sin embargo, un problema con esta solución es que el conducto es susceptible de plegarse en los puntos de inflexión donde invierte o cambia de dirección.
El plegado del conducto puede provocar obstrucciones y acumulaciones de presión en el intercambio de calor. Las obstrucciones puedes dificultar o impedir el flujo de refrigerante, socavando así el propósito del intercambiador de calor. Un aumento de presión puede provocar que la pared del conducto se estire y se estreche, lo que en última instancia puede provocar que el conducto explote y, por lo tanto, pierda refrigerante.
Otro problema con un conducto dispuesto en forma de serpentina alrededor de las celdas es que debe seguir una trayectoria más tortuosa para mantener contacto térmico con una batería o conjunto de celdas cilíndricas que presentan una superficie de contacto ondulada e irregular con el conducto. Esto hace que sea más difícil establecer un contacto térmico eficaz y más complicado montar la unidad de baterías. También puede empeorar el problema de los pliegues cuando el intercambiador de calor invierte la dirección entre cada rama o sección de la forma serpentina.
El documento DE102014224165 A1 divulga una estructura de soporte para un conducto flexible de intercambio de calor del tipo que se puede ubicar proximal a las celdas de un paquete de baterías.
Un objeto de la invención es obviar o mitigar los problemas antes mencionados con intercambiadores de calor para paquetes de baterías que tienen un conjunto de celdas.
Otro objeto de la invención es evitar o mitigar la aparición de pliegues en conductos flexibles en paquetes de baterías que tienen un conjunto de celdas.
Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona una estructura de soporte para un conducto flexible de intercambio de calor del tipo que se puede ubicar proximal a las celdas de un paquete de baterías, estando configurada la estructura de soporte para proporcionar soporte a un conducto para evitar el pliegue, abultamiento y/o estallido del conducto en posiciones en las que el conducto emerge desde un conjunto de celdas, cambia de dirección y vuelve a entrar en la serie de celdas, comprendiendo la estructura de soporte una formación de guía interior y la formación de guía exterior. Ventajosamente, la estructura de soporte reduce el riesgo de que se puedan formar obstrucciones en los puntos donde el conducto cambia de dirección. Cuando el conducto forma parte de una disposición de gestión térmica de un paquete de baterías, evitar el plegado reduce las pérdidas de presión dentro de la disposición de gestión térmica, mejorando el caudal de fluido a través del conducto y la disposición de gestión térmica.
Idealmente, la estructura de soporte puede comprender un canal configurado para guiar el conducto. Ubicar el conducto dentro de un canal es ventajoso, ya que el canal guía el conducto en puntos donde el conducto invierte su dirección, evitando así que el conducto se pliegue. Además, el canal proporciona soporte al conducto en ambos lados, lo que evita que el conducto se abulte y potencialmente reviente.
Preferiblemente, la estructura de soporte puede comprender al menos un rebaje o abertura configurada para recibir parcialmente el conducto en un estado desinflado, de manera que se crea holgura en el conducto. De manera beneficiosa, proporcionar al conducto un exceso de holgura ayuda a evitar que el conducto se pliegue cuando se infla. Este se debe a que a medida que se infla el conducto, queda bajo tensión y el exceso de holgura ayuda a evitar que se acumule un exceso de tensión en el conducto.
Al menos una parte de la estructura de soporte puede configurarse para proporcionar una barrera térmica entre al menos una celda y el conducto cuando está en uso. Esto es beneficioso porque es importante mantener una distribución de temperatura constante en todo el paquete de baterías para prolongar la vida útil de la batería. Al aislar térmicamente una celda en un lugar donde hay demasiado contacto térmico entre el conducto y la celda, el contacto térmico entre el conducto y las celdas se mantiene sustancialmente constante en todo el paquete de baterías. Esto, a su vez, promueve una distribución constante de la temperatura en todo el paquete de baterías.
Preferiblemente, la estructura de soporte esté configurada para ubicarse dentro del paquete de baterías en posiciones donde el conducto cambia de dirección, tal como en la porción de borde del paquete de baterías donde el conducto emerge del conjunto de celdas e invierte la dirección.
Idealmente, la estructura de soporte define una trayectoria de guía para un conducto flexible. La trayectoria de guía puede ser una ranura o canal en el cual se puede insertar un conducto flexible y que luego sigue el conducto flexible para cambiar de dirección sin plegarse, o podría ser una o más estructuras que presionan al conducto flexible a una trayectoria predeterminada cuando está fijado en posición en el paquete de baterías. La trayectoria de guía está configurada de manera que el conducto sigue la trayectoria de guía desde el punto en el que el conducto emerge del conjunto hasta el punto en que el conducto vuelve a entrar en el conjunto cuando está en uso. La trayectoria de guía evita que el conducto se abulte o entre en contacto con las celdas ubicadas en el borde del conjunto, al igual que una celda ubicada dentro del conjunto.
Idealmente, la estructura de soporte tiene una formación de guía interior. Idealmente, la formación de guía interior se puede ubicar en el interior de la vuelta de un conducto flexible cuando está en uso. Preferiblemente, la formación de guía interna tiene una cara de soporte interna que está ubicada entre una celda y conducto flexible cuando está en uso.
Idealmente, la estructura de soporte tiene una formación de guía exterior, teniendo la formación de guía exterior una cara de soporte exterior. Preferiblemente, al menos parte de la trayectoria de guía de la estructura de soporte se define entre la cara de soporte interior de la formación de guía interior y la cara de soporte exterior de la formación de guía exterior. La cara de soporte interior y/o la cara de soporte exterior pueden ser continuas o discontinuas.
Idealmente, la estructura de soporte, más preferiblemente la trayectoria de guía, está conformada para acomodar un exceso de longitud del conducto flexible. Proporcionar al conducto flexible un exceso de longitud crea cierta holgura que mitiga el pliegue cuando el conducto flexible se infla y, por lo tanto, queda bajo tensión. Por "con forma para acomodar” se quiere decir que una porción de la trayectoria de guía puede ensancharse para acomodar el conducto, o puede haber un espacio en las formaciones de guía internas o externas para permitir que una persona que ajuste el conducto coloque una longitud sobrante del conducto a través del espacio. El conducto flexible de inserta en la trayectoria de guía en un espacio desinflado para facilitar el montaje.
Preferiblemente al menos una parte de la estructura de soporte es comprimible. En su estado inflado, el conducto tiende a estirar en la dirección de cualquier curva dentro del mismo debido a la tensión. Ventajosamente, al hacer comprensible al menos una parte de la estructura de soporte se permite que la superficie contra la que estira el conducto ceda ligeramente, de modo que se evita que el volumen del conducto se pliegue en la curva.
Idealmente, la formación de guía interior, más preferentemente, al menos parte de la cara de soporte interior es comprimible. Idealmente, la formación de guía interior comprende una espuma comprimible.
Preferiblemente, la estructura de soporte está adaptada para guiar un conducto flexible suavemente a través de una o más curvas de 90°. Idealmente, la formación de guía interior está dimensionada de manera que el radio de curvatura de la cara de soporte interior sea lo suficientemente grande como para guiar el conducto flexible suavemente a lo largo de al menos 90°, más preferiblemente 180°, sin que el conducto se pliegue. La cara de soporte interior puede comprender un lado alargado plano. La cara de soporte interior puede comprender uno o más bordes redondeados adyacentes al lado alargado plano. La cara de soporte interior puede comprender un lado alargado plano entre dos bordes redondeados. Ventajosamente, la cara alargada puede enderezar y soportar el conducto flexible en el punto en el que, de otro modo, sería más probable que se plegara.
La estructura de soporte puede comprender rebajes en forma de muescas en la formación de guía exterior opuestos a los bordes redondeados. Idealmente, los rebajes en forma de muescas formas parte de la cara de soporte exterior para acomodar la holgura definida por el exceso de longitud del conducto flexible. Las porciones de holgura del conducto flexible que se doblan alrededor de los bordes redondeados se pueden estirar o empujar lejos de los bordes redondeados y dentro de los rebajes. Presionar el conducto flexible dentro de los rebajes de esta manera antes de inflar el conducto flexible crea holgura en el conducto flexible en los bordes redondeados. Proporcionar esta holgura en el conducto flexible antes del inflado es ventajoso, ya que ayudan a mitigar el pliegue del conducto a medida que se infla.
Idealmente, los rebajes en forma de muescas son rebajes en la cara de soporte exterior de la formación de guía exterior y pueden tener cualquier forma adecuada para recibir parcialmente el conducto para crear holgura alrededor de los bordes redondeados.
Preferiblemente, la estructura de soporte está dimensionada de manera que las celdas ubicadas en el exterior de cada fila del conjunto tengan sustancialmente la misma área de contacto térmico con el conducto que las celdas ubicadas en el centro del conjunto cuando están en uso. Esto es ventajoso, ya que promueve una distribución más uniforme de la temperatura en todo el paquete de baterías, extendiendo así la vida útil del paquete de baterías. La estructura de soporte logra esto protegiendo o aislando térmicamente una porción de las celdas de extremo del contacto térmico con el conducto de manera que el conducto tenga sustancialmente la misma área de contacto térmico con las celdas de extremo que las celdas ubicadas dentro del conjunto.
Preferiblemente, la estructura de soporte tiene una forma tal que al menos un extremo de la cara de soporte exterior hace tope con una celda cuando está en uso. La estructura de soporte puede tener forma de manera que un extremo de la cara de soporte exterior haga tope con una celda y el otro extremo de la cara de soporte exterior haga tope con otra celda, de modo que la curvatura exterior de la trayectoria de guía esté definida por la cara de soporte exterior desde el punto que el conducto emerge del conjunto hasta el punto en que el conducto vuelve a entrar en el conjunto. La cara de soporte exterior evita que el conducto se expanda de manera que se envuelva alrededor del exterior de las celdas, lo que provocaría que la celda de extremo tuviera un mayor contacto térmico con el conducto.
Idealmente, la estructura de soporte tiene una forma tal que un extremo de la cara de soporte interior hace contacto con una celda de extremo cuando está en uso. El extremo de la cara de soporte interior que topa con la celda de extremo proporciona soporte al conducto, evitando así que el conducto se abulte y se envuelva alrededor de la celda de extremo. Preferiblemente, la estructura de soporte tiene una forma tal que la otra porción de extremo de la cara de soporte interior sigue parcialmente la superficie de otra celda de extremo de modo que la porción de extremo se envuelve alrededor de la celda de extremo para formar una barrera aislante térmica cuando está en uso.
Idealmente, la estructura de soporte tiene una forma tal que la porción de extremo de la cara de soporte interior se envuelve parcialmente alrededor de la superficie exterior de la celda de extremo de modo que cuando el conducto está ubicado dentro de la trayectoria de guía el conducto no hace contacto con la celda de extremo en la región de la porción de extremo cuando esté en uso.
La estructura de soporte puede formarse a partir de un bloque de material sólido. Idealmente, la estructura de soporte comprende una pluralidad de trayectorias de guía separadas, que se extiende más preferiblemente a través del bloque. Como la estructura de soporte tiene una pluralidad de trayectorias de guía, el conducto puede disponerse extendiéndose a través de una primera trayectoria de guía, a lo largo de una primera fila de celdas, de regreso a lo largo de una segunda fila de celdas adyacente a la primera fila, y dentro de una segunda trayectoria de guía de la misma estructura de soporte. Ventajosamente, se puede utilizar una única estructura de soporte para soportar el conducto en más de una ubicación alrededor del paquete de baterías, ya que el conducto está dispuesto alrededor de las celdas del paquete de baterías.
Idealmente, la estructura de soporte comprende un bloque interior térmicamente aislante. Preferiblemente, el bloque interior térmicamente aislante se extiende fuera de la formación de guía interna y puede estar formado integralmente con la formación de guía interna, lo más preferiblemente, desde la cara de soporte interna. Esto mejora aún más las propiedades de gestión térmica del conducto. Preferiblemente, la estructura de soporte comprende un bloque exterior térmicamente aislante que se extiende alejándose de la formación de guía exterior, más preferiblemente, desde la cara de soporte exterior. El bloque exterior térmicamente aislante puede estar formado integralmente con la formación de guía exterior. De ese modo, la estructura de soporte soporta el conducto en múltiples ubicaciones y también aísla térmicamente el paquete de baterías.
Preferiblemente, al menos parte de la estructura de soporte está formada integralmente con un alojamiento de paquete de baterías. Lo más preferiblemente, al menos parte de la estructura de soporte está formada integralmente con una cubierta inferior de un alojamiento de paquete de baterías, o una carcasa superior de un alojamiento de paquete de baterías.
Preferiblemente, al menos parte del alojamiento del paquete de baterías forma parte de la estructura de soporte. Más preferentemente, al menos parte de una pared lateral interior del alojamiento del paquete de baterías se utiliza para soportar el conducto flexible.
Según otro aspecto de la presente invención, se proporciona un alojamiento de un paquete de baterías, comprendiendo el alojamiento una estructura de soporte configurada para proporcionar soporte a un conducto flexible de intercambio de calor, estando configurada la estructura de soporte para evitar que el conducto se pliegue cuando el conducto cambia de dirección.
Según otro aspecto de la presente invención, se proporciona un paquete de baterías, comprendiendo el paquete de baterías una pluralidad de celdas y una estructura de soporte configurada para proporcionar soporte a un conducto flexible, pudiendo disponerse el conducto flexible entre las celdas para gestionar térmicamente las celdas, estando configurada la estructura de soporte para evitar que el conducto se pliegue cuando el conducto cambia de dirección.
Según otro aspecto de la presente invención, se proporciona un dispositivo de gestión térmica para un paquete de baterías, en el que el paquete de baterías comprende una pluralidad de celdas, comprendiendo el dispositivo de gestión térmica un conducto flexible configurado para colocarse alrededor de las celdas de un paquete de baterías y para transportar un fluido, comprendiendo además la disposición de gestión térmica una estructura de soporte configurada para proporcionar soporte al conducto flexible para evitar que el conducto se pliegue cuando el conducto cambiar de dirección.
El conducto puede configurarse para transportar fluido tal como aire o un fluido refrigerante.
Idealmente, el conducto está presurizado por el fluido hasta un estado inflado y en el que cuando está en el estado inflado el conducto está en conformidad con la superficie de las celdas.
Ventajosamente, inflar el conducto hace que el conducto se expanda y se adapte a la forma de las celdas. Esto mejora el contacto térmico entre el conducto y las celdas de manera que el fluido pueda transferir energía térmica entre el fluido y las celdas de manera más eficiente.
El conducto puede asegurar las celdas en su posición cuando están en estado inflado. Esto es ventajoso, ya que mejora la conexión de las celdas del paquete de baterías se utiliza en una aplicación automotriz o aeroespacial donde está sujeto a vibraciones, el conducto puede reducir los efectos de las vibraciones en el paquete de baterías sujetando las celdas individuales en posición.
La disposición de gestión térmica puede comprender unos medios de encapsulado. Los medios de encapsulado pueden ser una resina epoxi. Los medios de encapsulado pueden quedar rígidos, de manera que puedan asegurar las celdas y el conducto en posición dentro del paquete de baterías.
Los medios de encapsulado pueden comprender una espuma, tal como espuma térmicamente aislante o espuma de poliuretano. De manera beneficiosa, la espuma térmicamente aislante puede evitar que un evento térmico de alta energía se propague a través del paquete de baterías. Además, la espuma térmicamente aislante reduce el efecto de las fluctuaciones de temperatura externas en el paquete de baterías y ayuda a garantizar que el conducto sea el controlador principal de la energía térmica dentro del paquete de baterías.
La espuma térmicamente aislante puede ser expandible y rígida, lo que puede sujetar en posición los componentes dentro del paquete de baterías. Esto es ventajoso, ya que reduce los efectos de las vibraciones en los componentes dentro del paquete de baterías. Además, la espuma rígida actúa como soporte del conducto. Cuando la espuma se endurece, puede rodear el conducto, evitando así una expansión excesiva y potencialmente la rotura del conducto. La espuma térmicamente aislante puede definir una cavidad dentro de la cual se ubica el conducto.
La espuma térmicamente aislante puede actuar como un adhesivo. La disposición de gestión térmica puede comprender una carcasa exterior para el paquete de baterías. Idealmente, la espuma térmicamente aislante puede sujetar la carcasa exterior al paquete de baterías adhiriendo la carcasa exterior al paquete de baterías. Esto reduce o anula beneficiosamente la necesidad de fijaciones o sujetadores adicionales, lo que reduce la complejidad del paquete de baterías y mejora el proceso de fabricación. La espuma térmicamente aislante puede ser una espuma de poliuretano.
El conducto puede formarse a partir de un material de plástico inflable. El material plástico inflable puede ser polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) o polietileno de alta densidad (HDPE). Un material plástico inflable es ventajoso, ya que el material es intrínsecamente aislante eléctrico, liviano y no se corroe ni interactúa químicamente con un refrigerante, tal como una mezcla de agua y glicol. Además, el material plástico inflable puede hacerse muy delgado, lo que permite buenas propiedades de transferencia térmica entre el conducto y las celdas. Por ejemplo, la pared del conducto puede tener un espesor de entre 50 pm y 150 pm.
La disposición de gestión térmica puede comprender un depósito en comunicación fluida con el conducto. Idealmente, la disposición de gestión térmica comprende un circuito de refrigerante. Idealmente, el circuito de refrigerante está en comunicación fluida con el depósito. El depósito puede comprender un fluido refrigerante y el depósito puede proporcionar presión hidrostática al fluido refrigerante en el circuito de refrigerante. La disposición de gestión térmica puede comprender una bomba para bombear fluido a través del conducto. Idealmente, la bomba puede configurarse para bombear refrigerante desde el depósito al circuito de refrigerante para presurizar el circuito de refrigerante. Ventajosamente, se puede utilizar refrigerante en el depósito para presurizar la disposición de gestión térmica. Ventajosamente, esto permite mantener la presión dentro de la disposición de gestión térmica de manera que la presión se mantenga en una presión operativa objetivo. La disposición de gestión térmica puede comprender un sensor de presión para controlar la presión del fluido de manera que se mantenga una presión operativa objetivo.
Las celdas pueden ser celdas cilíndricas. La disposición de gestión térmica es muy adecuada para su uso con celdas cilíndricas, ya que el conducto puede expandirse y adaptarse a la superficie ondulada de las celdas cilíndricas. Esto es ventajoso, ya que mejora el contacto térmico entre las celdas y el conducto.
Las celdas pueden tener un tamaño de 18650 o 2170 celdas. La altura de la estructura de soporte puede ser sustancialmente igual a la altura de las celdas. La altura del conducto, en su estado inflado, puede ser igual o menor que la altura de las celdas.
El conducto puede ser un conducto de múltiples lúmenes. El conducto de múltiples lúmenes puede comprender dos o más lúmenes a lo largo de los cuales puede fluir fluido refrigerante. Se pueden utilizar un conducto de múltiples lúmenes en paquetes de baterías grandes donde un conducto de un solo lumen no es capaz de promover una distribución uniforme de la temperatura. Ventajosamente, se pueden utilizar un conducto de múltiples lúmenes en combinación con la estructura de soporte como se describió anteriormente para evitar que el conducto de múltiples lúmenes se pliegue. Además, el conducto de múltiples luces puede presurizarse de manera que se expanda y se ajuste a las celdas de manera similar a la del conducto de una sola luz.
Preferiblemente, el material del conducto comprende una matriz y un relleno. Idealmente, la conductividad térmica del relleno es mayor que la conductividad térmica de la matriz. Ventajosamente, la inclusión de relleno dentro de la matriz aumenta la conductividad térmica del material conducto.
Preferiblemente la matriz es una matriz flexible.
Preferiblemente la matriz es eléctricamente aislante.
Preferiblemente, la matriz es una matriz de plástico.
Preferiblemente, la matriz es una matriz polimérica.
Preferiblemente la matriz es una matriz de polietileno de baja densidad (LDPE), una matriz de polietileno lineal de baja densidad (LLDPE), matriz de polietileno de alta densidad (HDPE), poliéster, silicona o matriz de caucho.
Preferiblemente, la matriz tiene una conductividad térmica inferior a 15 Wm-1K-1, inferior a 10 Wm-1K-1, inferior a 5 Wm-1K-1 y/o inferior a 1 Wm-1K-1.
Preferiblemente, la carga comprende partículas de un material de carga.
Preferiblemente, las partículas de material de carga están dispersas por toda la matriz.
Preferiblemente, las partículas de material de relleno tienen un diámetro promedio de entre 1 nm y 10 pm.
Preferiblemente, las partículas de material de relleno tienen una forma alargada, tubular, fibrosa o sustancialmente esférica.
Preferiblemente, las partículas alargadas de material de relleno tienen un diámetro de 1 a 10 nm y opcionalmente una longitud de 0,5 a 5 nm.
Preferiblemente la carga comprende un material de carga orgánico. Preferiblemente, la carga comprende un material de carga a base de carbono tal como carbono, negro de humo, grafito, plaquetas de grafito, grafeno, nanotubos de carbono de paredes múltiples o nanotubos de carbono simple.
Opcionalmente, la carga comprende un material de carga inorgánico. Opcionalmente, la carga comprende un material de carga cerámico tal como óxido de aluminio, carburo de silicio, nitruro de boro, nitrato de silicio, alúmina, nitruro de aluminio u óxido de zinc.
Preferiblemente, la carga tiene una conductividad térmica superior a 10 Wm-1K-1 y/o superior a 100 Wm-1K-1.
Preferiblemente, el material del conducto comprende menos del 25% en volumen de relleno, del 5 al 18% en volumen de relleno o del 15% en volumen de relleno. Ventajosamente, incorporar una cantidad limitada de relleno en la matriz proporciona una conductividad térmica aumentada manteniendo al mismo tiempo una conductividad eléctrica baja y una flexibilidad adecuada del material.
Preferiblemente, el material del conducto tiene una conductividad térmica superior a 0,33 Wm-1K-1 a temperatura ambiente, superior a 1 Wm-1K-1 a temperatura ambiente y/o superior a 10 Wm-1K-1 a temperatura ambiente.
Una o más realizaciones de la invención se describirán ahora, a modo de ejemplo solamente, con referencia a los siguientes dibujos, en los que:
La figura 1 es una vista en perspectiva ampliada que muestra una pluralidad de estructura de soporte montadas en el borde periférico de un conjunto de celdas;
La figura 2 es una vista en planta ampliada de la estructura de soporte y un conducto flexible en un estado desinflado;
La figura 3 es una vista en planta ampliada de la estructura de soporte y de un conducto flexible ubicado en su posición;
La figura 4 es una vista en planta ampliada de la estructura de soporte y un conducto flexible en estado inflado;
La figura 5 es una vista en perspectiva de otra realización de una estructura de soporte según la invención;
La figura 6 es una vista en perspectiva de otra realización de una estructura de soporte según la invención;
La figura 7 es una vista en planta de la estructura de soporte de la figura 6;
La figura 8 es una vista en perspectiva de otra realización de una estructura de soporte según la invención;
La figura 9 es una vista en perspectiva de la estructura de soporte de la figura 8 instalada dentro de un paquete de baterías;
La figura 10 es una vista perspectiva adicional de la estructura de soporte de la figura 8 instalada dentro de un paquete de baterías.
La figura 11 es una vista en planta superior de un conjunto de celdas y un conjunto serpenteante con un espesor de pared del conducto que varía a lo largo de la longitud del conducto;
La figura 12 es una vista en sección de una parte del conducto de la figura 11;
La figura 13 es una vista en perspectiva en corte de una parte de un paquete de baterías que muestra el material de encapsulado.
La figura 14 es una vista esquemática en sección transversal de un conducto en el que el material del conducto comprende una matriz.
En los dibujos se muestra una estructura de soporte para un conducto según la invención, indicada generalmente con el número de referencia 1. En la figura 1 se ilustra la estructura de soporte 1in situen un paquete de baterías 2, en particular, en una cubierta inferior del paquete de baterías 2. La estructura de soporte 11 se puede utilizar como guía para un conducto flexible 3, como se muestra en las figuras 2 a 4, en particular, donde el conducto 3 cambia de dirección.
La estructura de soporte 1 se utiliza para evitar que el conducto 3 se pliegue, se abombe y/o reviente cuando el conducto cambia de dirección. El plegado del conducto 3 puede dar como resultado que el conducto flexible 3 se doble sobre si mismo y cree bloqueos dentro del conducto 3. Los bloqueos debidos al pliegue se pueden superar presurizando el fluido refrigerante dentro del conducto 3 lo suficiente para superar el pliegue y forzar la apertura del conducto flexible 3. Sin embargo, el uso de una presión excesiva no es deseable, ya que la presión requerida para superar el efecto de plegado puede hacer que el conducto flexible 3 se estire, provocando por tanto que las paredes del conducto 3 se estrechen y potencialmente exploten. Además, la pérdida de presión dentro del sistema debido al plegado en una serie de múltiples curvaturas puede ser significativa, reduciendo el rendimiento general de la disposición de gestión térmica.
La presión necesaria para superar el problema de los pliegues en cada curvatura de un conducto flexible 3 suele exceder la presión que el conducto flexible 3 puede soportar sin reventar. La presión interna dentro del conducto 3 está limitada por la resistencia a la tracción del tubo inflable y, en consecuencia, su diámetro máximo inflado. La estructura de soporte 1 limita el diámetro máximo del conducto 3 y también proporciona soporte mecánico directo al conducto 3, particularmente en lugares donde el conducto 3 cambia de dirección.
El plegado del conducto 3 es más propenso en los puntos donde el conducto 3 cambia de dirección. Como tales, las estructuras de soporte 1 están ubicadas en el borde del paquete de baterías 2 donde el conducto flexible 3 emerge del conjunto de celdas 4 e invierte la dirección. La figura 1 muestra las estructuras de soporte 1 colocadas en el paquete de baterías 2 en la periferia de las celdas 4. Las estructuras de soporte 1 están colocadas a lo largo de lados opuestos del paquete de baterías 2 en cada punto en el que el conducto 2 emerge del conjunto de celdas 4. Como se explica con más detalle a continuación, las estructuras de soporte 1 pueden estar hechas de cualquier material rígido, semirrígido o comprimible adecuado que tenga suficiente rigidez para soportar el conducto flexible, por ejemplo, metal, plástico, caucho o un material de encapsulado tal como una resina epoxi o espuma de poliuretano.
Las respectivas estructuras de soporte 1 están colocadas en lados opuestos del paquete de baterías 2 para guiar el conducto flexible 3 donde el conducto flexible 3 emerge del conjunto de celdas 4 y cambia de dirección. Para ello, la estructura de soporte 1 define una trayectoria de guía 5 para el conducto flexible 3. La trayectoria de guía 5 es una ranura o canal en el que se puede insertar el conducto flexible 3 y que luego sigue el conducto flexible 3 para cambiar de dirección sin plegarse. La trayectoria de guía 5 de la estructura de soporte 1 se define entre una cara de soporte interna 7 de una formación de guía interna 6 y una cara de soporte externa 9 de una formación de guía externa 8 como se muestra en la figura 2. Una base se extiende entre la formación de guía interior 6 y la formación de guía exterior 8 conectándolas de ese modo.
El conducto flexible 3 se inserta primero en la estructura de soporte 1 en un estado desinflado para seguir la trayectoria de guía 5. La trayectoria de guía 5 está conformada para acomodar un exceso de longitud del conducto flexible 3. Proporcionar al conducto flexible 3 un exceso de longitud crea cierta holgura que mitiga el plegado cuando el conducto flexible 3 se infla y, por lo tanto, queda bajo tensión. El conducto flexible 3 se inserta en la trayectoria de guía 5 en un estado desinflado para facilitar el montaje. Sin embargo, el lector experto apreciará que se puede usar una pequeña cantidad de fluido de trabajo para presurizar el conducto flexible 3 para darle al conducto flexible 3 cierta rigidez para ayudar al montaje. El fluido de trabajo puede ser, por ejemplo, aire o un fluido refrigerante.
La formación de guía interior 6, más específicamente la cara de soporte interior 7, puede formarse a partir de un material comprimible, tal como espuma polimérica o caucho, donde el conducto 3 hace contacto con la formación de guía interior 6 cuando se infla. La formación de guía interior 6 está dimensionada de manera que el radio de curvatura de la cara de soporte interior 7 sea suficientemente grande para guiar el conducto flexible 3 suavemente a través de 180° en curvas sucesivas de 90° sin que el conducto 3 se pliegue. Como se muestra en la figura 2, la cara de soporte interior 7 comprende un lado alargado plano 10 entre dos bordes redondeados 11. El lado alargado 10 sirve para enderezar y soportar el conducto flexible 3 en el punto en el que, de otro modo, sería más probable que se plegara.
Los rebajes 12 en forma de muescas en la formación de guía exterior 8 opuestos a los bordes redondeados 11 forman parte de la cara de soporte exterior 9 para acomodar la holgura definida por el exceso de longitud del conducto flexible 3. Específicamente, las porciones de holgura del conducto flexible 3 que se doblan alrededor de los bordes redondeados 11 se pueden estirar o empujar lejos de los bordes redondeados 11 y dentro de los rebajes 12. Presionar el conducto flexible 3 dentro de los rebajes 12 de esta manera antes de inflar el conducto flexible 3 crea holgura en el conducto flexible 3 en los bordes redondeados 11. Proporcionar esta holgura en el conducto flexible 3 antes del inflado es ventajoso, ya que ayuda a mitigar el plegado del conducto 3 a medida que se infla.
Los rebajes 12 en forma de muescas son rebajes en la cara de soporte exterior 9 de la formación de guía exterior 8 y pueden tener cualquier forma adecuada para recibir parcialmente el conducto 3 para crear holgura alrededor de los bordes redondeados 11.
La figura 3 muestra el conducto flexible 3 ubicado dentro de la trayectoria de guía 5 de la estructura de soporte 1 en un estado desinflado. Cuando el conducto flexible 3 se ubica por primera vez dentro de la trayectoria de guía 5, se puede usar una varilla o herramienta alargada 15 empuja el conducto flexible 3 hacia los rebajes 12, de manera que se crea holgura en el conducto flexible 3.
En particular, la holgura se crea en la región de los bordes redondeados 11 de manera que cuando el conducto flexible 3 infla, quedando así baja la tensión, el conducto flexible 3 no se pliegue.
La figura 4 muestra el conducto flexible 3 en un estado inflado dentro de la estructura de soporte 1 y las celdas 4. Cuando el conducto 3 está en estado inflado, la tensión en el conducto flexible 3 elimina cualquier exceso de holgura en el conducto 3. A medida que el exceso de holgura se elimina en el conducto 3, el conducto flexible 3 se extrae de los rebajes 12 como se muestra en la figura 4. En el estado inflado, el conducto 3 hace contacto con los bordes redondeados 11 en la cara de soporte interior 7 y está soportando por el lado alargado 10.
La estructura de soporte 1 está dimensionada de manera que las celdas 17 colocadas en el extremo de cada fila del conjunto tengan sustancialmente la misma área de contacto térmico con el conducto 3 que las celdas ubicadas en el centro del conjunto. Esto es ventajoso, ya que promueve una distribución más uniforme de la temperatura en todo el paquete de baterías 2, extendiendo así la vida útil del paquete de baterías 2. La estructura de soporte 1 logra esto protegiendo o aislando térmicamente una porción de las celdas de extremo 17 del contacto térmico con el conducto 3 de modo que el conducto 3 tenga sustancialmente la misma área de contacto térmico con las celdas de extremo 17 que las celdas ubicadas dentro del conjunto.
Como se muestra en las figuras 2 a 4, los extremos de la cara de soporte exterior 9 se apoyan en las celdas de extremo 17, de manera que la curvatura exterior de la trayectoria de guía 5 está definida por la cara de soporte exterior 9 desde el punto en el que el conducto 3 emerge del conjunto al punto en que el conducto 3 vuelve a entrar en el conjunto. La cara de soporte exterior 9 evita que el conducto 3 se expanda de manera que se envuelva alrededor del exterior de las celdas 17, lo que provocaría que la celda de extremo 17 tuviera un mayor contacto térmico con el conducto 3.
De manera similar, un extremo 18 de la cara de soporte interior 7 hace tope con una celda de extremo 17 como se muestra en las figuras 2 a 4. El extremo 18 de la cara de soporte interior 7 que topa con la celda de extremo 17 proporciona soporte al conducto 3, evitando así que el conducto 3 se abulte y se envuelva alrededor de la celda extremo 17.
La otra porción de extremo 19 de la cara de soporte interior 7 sigue parcialmente la superficie de otra celda de extremo 17 de manera que la porción de extremo 19 se envuelve alrededor de la celda de extremo 17 para formar una barrera aislante térmica. La porción de extremo 19 de la cara de soporte interior 7 se envuelve parcialmente alrededor de la superficie exterior de la celda de extremo 17, de manera que cuando el conducto 3 está ubicado dentro de la trayectoria de guía 5, el conducto 3 no hace contacto con la celda de extremo 17 en la región del extremo porción 19. El lector experto comprenderá que el grado en el que la porción 19 se extiende alrededor de la celda de extremo 17 depende del contacto térmico entre el conducto 3 y las celdas 4. La porción 19 debe extenderse alrededor de la celda de extremo 17 lo suficiente como para garantizar que el conducto 3 no entre en contacto con la celda de extremo 17 más que cualquier otra celda 4 dentro del conjunto.
La trayectoria de guía 5 define un canal para que el conducto 3 siga desde el punto en que el conducto 3 emerge del conjunto hasta el punto en que el conducto 3 vuelve a entrar em el conjunto. La trayectoria de guía 5 evita que el conducto 3 se abombe o entre en contacto térmico con las celdas 17 ubicadas en el borde del conjunto, al igual que una celda ubicada dentro del conjunto.
Con referencia ahora a la figura 5, se muestra una realización adicional de una estructura de soporte indicada generalmente con el número de referencia 101. La estructura de soporte 101 está formada a partir de un bloque de material sólido, con una pluralidad de trayectorias de guía 105 separadas que se extienden a través del mismo. Las trayectorias de guía 105 tienen sustancialmente la misma forma y tamaño que la trayectoria de guía 5 de la realización ilustrada en las figuras 1 a 4. Como la estructura de soporte 101 comprende una pluralidad de trayectorias de guía 105, el conducto 3 puede disponerse extendiéndose a través de una primera trayectoria de guía 105, a lo largo de una primera fila de celdas 4, de regreso a lo largo de una segunda fila de celdas 4 adyacentes a la primera fila, y hacia una segunda trayectoria de guía 105 de la misma estructura de soporte 101. Ventajosamente, se puede usar una única estructura de soporte 101 para soportar el conducto 3 en más de una ubicación alrededor del paquete de baterías 2, ya que el conducto 3 está dispuesto alrededor de las celdas 4 del paquete de baterías 2.
La estructura de soporte 101 tiene un bloque interior térmicamente aislante 125 que está formado integralmente con, y se extiende alejándose de, la formación de guía interior 106 hacia las celdas exteriores del paquete de baterías 2 cuando está en uso, de modo que el volumen entre las celdas exteriores del paquete de baterías 2 y la formación de guía interior 106 están llenos de material térmicamente aislante. Esto mejora aún más las propiedades de gestión térmica del conducto 3. La estructura de soporte 101 tiene además un bloque exterior térmicamente aislante 126 que está formado integralmente y se extiendo hacia afuera alejándose de la formación de guía exterior 108. La estructura de soporte 101 soporta así el conducto 3 en múltiples ubicaciones y también aísla térmicamente el paquete de baterías 2.
Con referencia ahora a las figuras 6 y 7, se muestra una realización adicional de una estructura de soporte según la invención, indicada generalmente con el número de referencia 201. La estructura de soporte 201 de esta realización tiene una formación de guía exterior, una formación de guía interior y un canal de guía 205 entre las mismas. La estructura de soporte 201 se usa para evitar que un conducto flexible se pliegue, se abulte y/o reviente cuando el conducto cambia de dirección.
La estructura de soporte 201 está dimensionada de manera que las celdas colocadas en el extremo de cada fila del conjunto tengan sustancialmente la misma área de contacto térmico con el conducto que las celdas ubicadas en el centro del conjunto. Esto es ventajoso, ya que promueve una distribución más uniforme de la temperatura en todo el paquete de baterías, extendiendo así la vida útil del paquete de baterías. La estructura de soporte 201 logra esto protegiendo o aislando térmicamente una porción de las celdas de extremo del contacto térmico con el conducto de manera que el conducto tenga sustancialmente la misma área de contacto térmico con las celdas de extremo que las celdas ubicadas dentro del conjunto.
La formación de guía exterior de la estructura de soporte 201 está formada por la combinación de un soporte exterior 208 y la superficie interior 211 de una pared 210 de la carcasa exterior del paquete (ver la figura 7). El soporte exterior 208 está situado junto a al menos una celda en el borde del conjunto de celdas. El soporte exterior 208 es un bloque que tiene una cara de tope de celda 235 que está curvada para coincidir con la forma de una pared lateral de la celda, y una cara de soporte exterior 209 que se extiende desde la cara tope de celda 235. El soporte exterior 208 está formado integralmente con la cubierta inferior 237 del alojamiento 236 del paquete de baterías.
El conducto inflable está soportando tanto por la cara de soporte exterior 209 del soporte 208 como por la superficie interior 211 de la pared 210 del paquete de baterías. El uso de la pared 210 del paquete de baterías como parte de la formación de guía exterior elimina la necesidad de una estructura de soporte más grande y, por lo tanto, reduce el ancho del paquete de baterías y elimina el espacio muerto dentro del mismo. En última instancia, el paquete de baterías puede incorporar más celdas dentro de un volumen fijo de, aumentando la densidad de energía volumétrica y gravimétrica del paquete.
La cara de soporte exterior 209 del soporte 208 evita que el conducto se expanda de tal manera que se envuelva alrededor del exterior de una celda de extremo, provocando que la celda extrema tenga un mayor contacto térmico con el conducto.
La formación de guía interior de la estructura de soporte 201 está formada por una combinación de un soporte interior 206a y una porción de interfaz 206b. El soporte interior 206 a es similar en construcción al soporte exterior 208. El soporte interior 206a es un bloque que está formado integralmente con la cubierta inferior 237 del alojamiento 238 del paquete de baterías. El soporte interno 206a está situado en el lado opuesto del canal de guía 205 a la formación de guía exterior. El soporte interior 206a tiene dos caras curvadas de tope de celda 239a, 239b para que se topan con dos celdas adyacentes y separadas.
El soporte interior 206a tiene además una cara de soporte interior que se extiende entre las caras de tope de celda 239a, 239b. la cara de soporte interior 207 del soporte interior 206a tiene una porción sustancialmente plana y una porción sustancialmente curvada que se extiende desde la porción sustancialmente plana hacia la pared lateral de una celda. La cara de soporte interior 207 proporciona soporte al conducto 3, evitando así que el conducto 3 se abulte y se envuelva alrededor de una celda de extremo.
La porción de interfaz 2206b está proporcionada por una almohadilla comprimible adherida a la superficie de una celda. Especificadamente, la almohadilla es una cinta de cloruro de polivinilo (PV) de celda abierta. Alternativamente, se podría utilizar PVC de celdas cerradas o espuma de poliuretano, u otro material comprimible adecuado. En uso, la porción de interfaz 206a y alrededor de una porción de la celda a la que está adherida. Cuando se infla el conducto flexible (no mostrado), presiona contra el soporte interior 206a y una porción de interfaz 206b de la formación de guía interior.
La porción de interfaz 206b se usa para limitar el contacto térmico entre el conducto y la celda periférica a la que está unido. La porción de interfaz 206b envuelve la superficie exterior de una celda de extremo de manera que cuando el conducto está ubicado dentro de la trayectoria de guía 205, el conducto no hace contacto con la celda de extremo en la región de la porción de interfaz 206b. El lector experto comprenderá que la medida en que la porción de interfaz 206b se extiende alrededor de la celda de extremo depende del contacto térmico requerido entre el conducto y las celdas. La porción de interfaz 206b debe extenderse alrededor de la celda de extremo lo suficiente para garantizar que el conducto no entre en contacto con la celda de extremo más que cualquier otra celda dentro del conjunto.
El experto apreciará que tanto el soporte interior 206a como una porción de interfaz 206b pueden ser comprimibles y/o pueden estar conectados integralmente entre sí. La porción de interfaz 206b puede formarse integralmente con la cubierta inferior 237.
Con referencia ahora las figuras 8 a 10, se muestra otra realización más de una estructura de soporte según la invención, indicada generalmente con el número de referencia 301. La estructura de soporte 201 de esta realización tiene una formación de guía exterior 208, una formación de guía interior 306 y un canal de guía 305 entre las mismas. La estructura de soporte 301 se usa para evitar que un conducto flexible se pliegue, se abulte y/o reviente cuando el conducto cambia de dirección.
La estructura de soporte 301 está dimensionada de manera que las celdas colocadas en el extremo de cada fila del conjunto tengas sustancialmente la misma área de contacto térmica con el conducto que las celdas ubicadas en el centro del conjunto. Esto es ventajoso, ya que promueve una distribución más uniforme de la temperatura en todo el paquete de baterías, extendiendo así la vida útil del paquete de baterías. La estructura de soporte 301 logra esto protegiendo o asilando térmicamente una porción de las celdas de extremo de contacto térmico con las celdas de extremo que las celdas ubicadas dentro del conjunto.
La formación de guía exterior de la estructura de soporte 301 está formada por la combinación de un primer soporte exterior 208a, un segundo soporte exterior 208b y la superficie interior 311 de una pared 310 de la carcasa exterior del paquete (ver la figura 9). La primera y segunda estructuras verticales 308a, 308b están separadas y ambas están conectadas a una base de estructura de soporte 312. La cubierta inferior 337 de la carcasa del paquete de baterías 338 puede incluir rebajes apropiados para acomodar la base de la estructura de soporte 312 en el borde del conjunto de celdas, aunque en realizaciones opcionales la estructura de soporte 301 puede estar formada integralmente con la cubierta inferior 337.
El conducto inflable está soportado por el primer soporte exterior 308a, el segundo soporte exterior 308b y la superficie interior 311 de la pared del paquete de baterías 310. El uso de la pared 310 del paquete de baterías como parte de la formación de guía exterior elimina la necesidad de una estructura de soporte más grande y, por lo tanto, reduce el ancho del paquete de bacterias y elimina el espacio muerto dentro del mismo. En última instancia, el paquete de baterías puede incorporar más celdas dentro de un volumen fijo, aumentando la densidad de energía volumétrica y gravimétrica del paquete.
Las estructuras verticales 308a, 308b están curvadas y definen esquinas de la formación de guía 305. El espacio entre las estructuras verticales 308a, 308b se puede utilizar para tirar cantidades excesivas del conducto a través de la estructura de soporte 301 cuando se dispone el conducto en el paquete de baterías.
El primer montante exterior 308a y el segundo montante exterior 308b evitan que el conducto se expanda de tal manera que se envuelva alrededor del exterior de una celda de extremo, provocando que la celda de extremo tenga un mayor contacto térmico con el conducto.
La formación de guía interior 306 es generalmente similar a la formación de guía interior 6 mostrada, por ejemplo, en las figuras 2 a 4 y puede estar unida a la base de la estructura de soporte 312 o formarse integralmente con la cubierta inferior del paquete de baterías.
En uso, la estructura de soporte, 1, 101, 201, 301 está dispuesta en ubicación en el paquete de baterías 2 donde el conducto 3 cambia de dirección, tal como en el borde del paquete de baterías 2. El conducto desinflado 3 está dispuesto entre las celdas 4 y se inserta en la formación de guía 5, 105, 205, 305. Se inserta una herramienta alargada 15, tal como un destornillador, en la formación de guía 5, 105, 205, 305 y se utiliza para empujar el conducto desinflado 3 hacia los rebajes 12, generando así holgura dentro de la formación de guía 5, 105, 205, 305. A continuación, se infla el conducto 3 bombeando un fluido a través del conducto 3. El conducto 3 se aleja de los rebajes 12 y se extiende alrededor de la formación de guía interior 6, 106, 206, 306, que es comprimida por el conducto 3. La estructura de soporte 1, 101, 201, 301 retiene el conducto inflado alejado de las celdas externas 17 de manera que no estén expuestas a una mayor cantidad del conducto 3 que cualquier otra celda 4 en el conjunto. A estructura de soporte 1, 101, 201, 301 evita además que el conducto 3 se pliegue cuando cambia de dirección donde el conducto 3 sale del conjunto y regresa de nuevo al conjunto.
Además, dentro del alcance de la invención se encuentra un paquete de baterías 2 que tiene una pluralidad de celdas 4 y una estructura de soporte 1, 101,201,301 configurada para proporcionar soporte a un conducto flexible 3, estando dispuesto el conducto flexible proximal a (es decir, adyacente a y/o entre) las celdas 4 para gestionar térmicamente las celdas 4, y donde la estructura de soporte 1, 101,201, 301 está configurada para evitar que el conducto 3 se pliegue cuando el conducto cambia de dirección.
También dentro del alcance la de la invención se encuentra un dispositivo de gestión térmica 30 para un paquete de baterías 2, en el que el paquete de baterías 2 tiene una pluralidad de celdas 4 y en el que el dispositivo de gestión térmica 30 tiene un conducto flexible 3 configurado para colocarse alrededor de las celdas 4 del paquete de baterías y lleva un fluido para gestionar térmicamente el paquete de baterías 2. La disposición de gestión térmica 30 tiene además una estructura de soporte 1, 101,201,301 configurada para proporcionar soporte al conducto flexible 3 para evitar que el conducto 3 se pliegue cuando el conducto 3 cambia de dirección.
El fluido dentro del conducto 3 puede ser un fluido refrigerante usado para gestionar térmicamente las celdas 4 mediante calentamiento y/o enfriamiento. El conducto 3 es presurizado por el fluido hasta un estado inflado como se muestra en la figura 4. Cuando está en estado inflado, el conducto 3 está en conformidad con la superficie de las celdas 4. Esto mejora el contacto térmico entre el conducto 3 y las celdas 4 de manera que el fluido puede transferir energía térmica entre el fluido y las celdas 4 de manera más eficiente. El conducto 3 sujeta demás las celdas 4 en su posición cuando están infladas. Esto mejora la conexión de las celdas 4 en el paquete de baterías 2. Además, cuando el paquete de baterías 2 se utiliza en una aplicación automotriz o aeroespacial donde está sujeto a vibraciones, el conducto 3 puede reducir los efectos de las vibraciones en el paquete de baterías 2 sujetando las celdas individuales 4 en posición.
La disposición de gestión térmica 30 implica demás un material encapsulado 231 en forma de una espuma térmicamente aislante situada dentro del paquete de baterías. El material de relleno/espuma termoaislante evita que un evento térmico de alta energía se propague a través del paquete de baterías 2 y reduce el efecto de las fluctuaciones de temperatura externas en el paquete de baterías 2, ayudando a garantizar que el conducto 3 sea el controlador principal de la energía térmica dentro del paquete de baterías 2.
Durante la construcción del paquete de baterías, el material de encapsulado/espuma térmicamente aislante 231 se vierte en el paquete de baterías mientras el conducto está en estado inflado ubicado dentro de las estructuras de soporte 1, 101, 201, 301 y entre/adyacente a las celdas 4. La espuma térmicamente aislante es expandible y se pone rígida de manera que sujeta las celdas 4 y el conducto 3 en su posición dentro del paquete de baterías 2 y actúa como soporte para el conducto 3. Cuando la espuma se endurece, rodea el conducto inflado 3 y proporciona soporte externo al conducto 3, evitando así una expansión excesiva y potencialmente el estallido del conducto 3. La espuma aislante térmica también actúa como adhesivo.
La disposición de gestión térmica 30 tiene además una carcasa exterior (no mostrada) para el paquete de baterías 2. La espuma térmicamente aislante fija la carcasa exterior al paquete de baterías 2 adhiriendo a la carcasa exterior al paquete de baterías 2. Esto reduce o anula beneficiosamente la necesidad de fijaciones o sujetadores adicionales, lo que reduce la complejidad del paquete de baterías 2 y mejora el proceso de fabricación. La espuma aislante térmica es espuma de poliuretano.
Las estructuras de soporte 1, 101, 201, 301 pueden estar hechas de cualquier material rígido, semirrígido o comprimible adecuado que tenga suficiente rigidez para soportar un conducto flexible 3, por ejemplo, metal, plástico o caucho. En un ejemplo importante, las estructuras de soporte 1, 101, 201, 302 está hechas del material de encapsulado usado dentro del paquete de baterías 2 o poseen propiedades de prevención de propagación térmica similares a las del compuesto de encapsulado a granel. Por ejemplo, las estructuras de soporte 1, 101,201, 302 se pueden fabricar vertiendo un material de encapsulado en un molde adecuado, o cortando una estructura de soporte, por ejemplo, de un molde, un bloque de espuma precurada térmicamente aislante.
Como se señaló anteriormente, las estructuras de soporte 1, 101, 201, 302 se usan para evitar que el conducto 3 se pliegue, se abombe y/o reviente cuando el conducto 3 está en su estado inflado y cambia de dirección. Después de que el conducto se haya colocado dentro del conjunto de celdas y dentro de las estructuras de soporte 1, 101, 201, 301, se vierte material de encapsulado en el paquete de baterías mientras el conducto está en el estado inflado. En los casos en los que el material de encapsulado es térmicamente aislante o espuma de poliuretano, el material de encapsulado se expande para rodear y soportar el conducto inflado en lugares donde está soportado por una estructura de soporte y/o no está en contacto con la pared lateral de una celda. En los casos en los que las estructuras de soporte 1, 101,201, 302, estén hechas de espuma térmicamente aislante, una vez que el material de encapsulado dentro del paquete de baterías se haya curado o endurecido entonces habrá una interfaz perfecta entra la estructura de soporte y el material de encapsulado dentro del paquete. Ventajosamente, las estructuras de soporte 1, 101, 201, 301 y el material de encapsulado tendrán las mismas propiedades de aislamiento térmico.
En alternativas, la estructura de soporte 1, 101, 201, 301 puede formarse integralmente con las paredes del paquete de baterías 2, por ejemplo, con la cubierta superior o inferior. En tales ejemplos, las estructuras de soporte 1, 101,201,301, son extrusiones de las carcasas de plástico en lugar de un inserto dentro del paquete de baterías 2. La cubierta inferior y/o la cubierta superior pueden comprender una pluralidad de rebajes circulares, estando configurado cada rebaje para recibir una porción de extremo de una celda cilíndrica respectiva. Los rebajes están dispuestos en una serie compacta para mantener el conjunto de celdas en posición dentro del paquete. Las aberturas en los rebajes permiten que las celdas se conecten eléctricamente a barras colectoras en la cubierta superior y/o inferior.
El conducto 3 se formará a partir de un material plástico inflable tal como polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno lineal de baja densidad (LLDPE) o polietileno de alta densidad (HDPE). Un material plástico inflable es ventajoso, ya que el material es intrínsicamente aislante eléctrico, liviano y no se corroe ni interactúa químicamente con un refrigerante, tal como una mezcla de agua y glicol. La pared del conducto es delgada, lo que permite buenas propiedades de transferencia térmica entre el conducto 3 y las celdas 4. Por ejemplo, la pared del conducto puede tener un espesor de entre 50 pm y 150 pm. la disposición de gestión térmica tiene un depósito (no mostrado) en comunicación fluida con el conducto 3.
La disposición de gestión térmica 30 tiene además un circuito de refrigerante (no mostrado). El circuito de refrigerante está en comunicación fluida con el depósito. El depósito contiene un fluido refrigerante y proporciona presión hidrostática al fluido refrigerante en el circuito de refrigerante. La disposición de gestión térmica tiene además una bomba (no mostrada) para bombear fluido a través del conducto 3. La bomba está configurada para bombear refrigerante dese el depósito al circuito de refrigerante para presurizar el circuito de refrigerante. De este modo, se puede utilizar fluido refrigerante en el depósito para presurizar la disposición de gestión térmica 30. Esto permite que la presión se mantenga dentro de la disposición térmica 30 de manera que la presión se mantenga en una presión operativa objetivo. La disposición de gestión térmica 30 tiene un sensor de presión para controlar la presión del fluido de manera que se mantenga una presión operativa objetivo.
Las celdas 4 son celdas cilindricas, más preferiblemente 18650 o 2170 celdas de iones de litio. La disposición de gestión térmica 30 es muy adecuada para su uso con celdas cilíndricas ya que el conducto 3 puede expandirse y adaptarse a la superficie ondulada de las celdas cilíndricas. Esto es ventajoso, ya que mejora y contacto térmico entre las celdas y el conducto. La altura de las estructuras de soporte 1, 101, 201, 301 puede ser sustancialmente igual a la altura de las celdas. La altura del conducto, en su estado inflado, puede ser igual o menor que la altura de las celdas.
En realizaciones de ejemplo (no mostradas), el conducto es un conducto de múltiples lúmenes que tiene dos o más lúmenes lo largo de los cuales puede fluir el fluido refrigerante. Se puede utilizar un conducto de múltiples lúmenes en paquetes de baterías grandes donde un conducto de un solo lumen no es capaz de promover una distribución uniforme de la temperatura. Ventajosamente, se puede usar un conducto de múltiples lúmenes en combinación con la estructura de soporte 1, 101, 201, 302, para evitar que el conducto de múltiples lúmenes se pliegue. Además, el conducto de múltiples luces puede presurizarse de manera que se expanda y se ajuste a las celdas de manera similar a la del conducto de una sola luz.
Con referencia a los dibujos e inicialmente a las figuras 11 a 12, se muestra un conducto 230/3 capaz de acoplarse con al menos parte de una área superficial de una fuente de calor 17/30, extendiéndose el conducto 230/3 a lo largo y siendo acoplable con al menos parte del área superficial de la fuente del calor 17/30 a lo largo de toda o parte de a longitud de la fuente de calor 17/30 desde una primera posición de acoplamiento después de la entrada 52 hasta al menos una posición de acoplamiento final después de la salida 54 entre el conducto 230/3 y la fuente de calor 17/30. Un fluido de transferencia de calor fluye a lo largo de conducto interno del conducto 230/3 de manera que se puede transferir calor entre el conducto 230/3 y la fuente de color 17/30 a través del fluido de transferencia de calor alrededor de las áreas superficiales acoplables del conducto 230/3 y la fuente de calor 30/17.
El conducto 230/3 está adaptado para permitir una transferencia térmica variable a través del fluido de trasferencia de calor entre las áreas superficiales acoplables del conducto 230/3 y la fuente de calor 30/17 a lo largo de la longitud del conducto 230/3.
Ventajosamente, el conducto 230 que está adaptado para permitir una trasferencia térmica variable a través del fluido de transferencia de calor entre las áreas superficiales acoplables del conducto 230 y la fuente de calor 17/30 a lo largo de la longitud del conducto 230 compensa la variación en la temperatura de la transferencia de calor del fluido como resultado de la transferencia térmica en curso a medida que el fluido de transferencia de calor fluye a lo largo del conducto 230. Esto asegura una transferencia térmica uniforme entre la fuente de calor 17/30 y el conducto 230 a través de fluido de transferencia de calor a lo largo del conducto 230 a medida que varían otros parámetros tales como la temperatura del fluido. La fuente de calor 17/30 comprende un paquete de baterías 2 que comprende una pluralidad de celdas 17/30. El conducto 230 es un conducto flexible.
El conducto 230 está colocado proximalmente a la superficie de la fuente de calor 17/30 de manera que ese pueda intercambiar calor entre el conducto 230 y la fuente de calor 17/30. El conducto 230 está colocado proximalmente a la superficie de las celdas 17/30 de manera que se pueda intercambiar calor entre el conducto 230 y las celdas 17/30.
En una realización, donde el conducto 230/3 se un conducto flexible 3/230, se proporciona un material de encapsulado 231 (véase la figura 13) adaptado para actuar como soporte para al menos una parte del conducto 230. Ventajosamente, el conducto flexible 3/230 puede adaptarse estrechamente a la forma de la superficie de la fuente de calor/celdas 17/30 dentro del paquete 2 mientras está reforzado por el material de encapsulado 231 que actúa para evitar que el conducto flexible 3/230 se infle excesivamente y/o estalle.
El conducto 3/230 está configurado para transportar el fluido de transferencia de calor desde una entrada 52 a una salida 54 para transferir energía térmica entre la fuente de calor/celdas 17/30 y el conducto 3/230 en sus superficies de contacto acoplables a través del fluido de transferencia de calor, y en el que la resistencia térmica del conducto 230 en la entrada 53 es mayor que la resistencia térmica del conducto de en la salida 54. Esto es ventajoso, ya que variar la resistencia térmica del conducto 3/120 a lo largo del conducto 230 promueve una distribución uniforme de la temperatura a través de la fuente de calor/paquete de baterías 2. En particular, tener una mayor resistencia térmica en la entrada al conducto 230 evita el enfriamiento o calentamiento excesivo de la fuente/celdas de calor 17/30 ubicadas proximales a la entrada 52 donde el diferencial de temperatura entre el fluido de trasferencia de calor y la fuente/celdas de calor 17/30 está en su punto máximo. A resistencia térmica del conducto 230/3 varia linealmente o no linealmente a lo largo de la longitud del conducto 230/3, de manera que la resistencia térmica del conducto 230 disminuye a medida que el diferencial de la temperatura entre el fluido de transferencia de calor y la fuente/celdas de calor 17/30 también disminuye, promoviendo así una disipación de potencia uniforme a lo largo de la longitud del conducto 230.
En una realización, el espesor de la pared del conducto 230/3 puede ser más grueso en la entrada 52 en comparación con la salida 53 como se ilustra en la figura 12, donde se muestra una sección vertical a través del conducto 230 en la salida y la entrada que ilustra la variación en el espesor de la pared del conducto. Esto es ventajoso, ya que aumentar el espesor de la pared también aumenta la resistencia térmica del conducto 230. Como tal, aumentar el espesor de la pared del conducto 230 en la entrada también aumenta la resistencia térmica del conducto 230.
En una realización, el espesor de la pared del conducto puede variar linealmente a lo largo de la longitud longitudinal del conducto 3/230. En otra realización, el espesor de la pared del conducto 230 puede variar de forma no lineal a lo largo de la longitud longitudinal del conducto 230. Variar el espesor de pared del conducto 230 a lo largo de su longitud longitudinal tiene el efecto de variar la resistencia térmica del conducto 230 a lo largo de su longitud longitudinal.
En una realización, el espesor de la pared se puede variar de manera que se logre una disipación de energía sustancialmente constante a lo largo de la longitud longitudinal del conducto 230/3. Esto es ventajoso ya que promueve una distribución uniforme de la temperatura en todo el conjunto de celdas 17/30. Esto se puede lograr aumentando la resistencia térmica a lo largo del conducto 230.
En la figura 14 se muestra una sección trasversal esquemática de un paquete de baterías indicado generalmente por el número 2000. El paquete de baterías 2000 incluye un conducto 2011 utilizado para gestionar térmicamente las celdas 2020. El conducto 2011 comprende un material de conducto flexible 2001 que comprende una matriz 2002 y un relleno 2002. El conducto flexible transporta un fluido 2004, tal como aire, agua o una mezcla de agua y glicol. El calor se transfiere entre las celdas 2020 y el refrigerante 204 a través del material del conducto 2001.
La matriz 2002 es un material platico o polimétrico flexible, en este caso LDPE, LLDPE, poliéster HOPE, silicona i caucho. La matriz 2002 es eléctricamente aislante. La matriz 2002 tiene una conductividad térmica inferior a 15 Wm 1k-1, idealmente menos de 10 Wm-1k-1 y/o 1 Wm-1k-1.
El relleno 2003 comprende partículas de un material de relleno y estas están dispersas por toda la matriz 2002. En realizaciones preferidas, el relleno 2003 comprende nanotubos de carbono delgados de paredes múltiples de la serie NANOCYL (RTM) NC7000; sin embargo, se puede usar cualquier material de relleno adecuado, tal como un material de relleno a base de carbono, tal como carbono, negro de humo, grafito, plaquetas de grafito, grafeno, carbono de paredes múltiples nanotubos o nanotubos de carbono de pared simple o un material de carga cerámico tal como oxido de aluminio, carburo de silicio, nitruro de boro, nitrato de silicio, alumina, nitruro de aluminio u oxido de zinc. Las partículas de material de relleno pueden ser alargadas y tubulares con un diámetro de 1 a 10 nm y una longitud de 0,5 a 5nm. Alternativamente, las partículas de carga pueden ser sustancialmente esféricas con un diámetro promedio de entre 1 nm y 10 pm.
La conductividad térmica del relleno 2003 es mayor que la conductividad térmica de la matriz 2002. Lo ideal es que el relleno 2003 tenga una conductividad térmica superior a 10 Wm-1k-1 y/o superior a 100 Wm-1k-1. El material del conducto 2001 comprende menos del 25% en volumen de relleno 2003, idealmente entre 5 y 18% en volumen de relleno o 15% en volumen de relleno 2003. La incorporación de una cantidad limitada de relleno 2003 en la matriz proporciona una conductividad térmica aumentada manteniendo al mismo tiempo una conductividad eléctrica baja y propiedades mecánicas favorables (es decir, flexibilidad adecuada para un conducto inflable).
En este ejemplo, el material del conducto 2001 tiene una conductividad térmica superior a 0,33 Wm-1k-1 a temperatura ambiente, idealmente superior a 1 Wm-1k-1 y/o 10 Wm-1k-1. Esto significa que la transferencia de calor a través del material del conducto 2011 es mejor que la de un conducto de polímero convencional. El propio material del conducto 2001 es eléctricamente aislante, ya que la conductividad eléctrica del material del conducto 2001 está dominada por las propiedades eléctricas de la matriz no conductora 2002. La naturaleza eléctricamente aislante del material/matriz del conducto reduce significativamente el riesgo de cortocircuitos en comparación con el conducto metálico.
El conducto 2011 está rodeado al menos parcialmente por un material de encapsulado 2005 que actúa para reforzar el conducto 2011 en lugar donde no hace contacto con la pared de una celda 2020. La incorporación de relleno 2003 dentro de la matriz 2002 puede alterar las propiedades mecánicas del conducto 2001, particularmente para altas concentraciones de relleno 2003. Cuando esto conduzca a una reducción de la resistencia mecánica, se puede utilizar el material de refuerzo 5 para contrarrestar tales efectos. Esta realización se puede utilizar como alternativa o en combinación con la realización espesor de pared variable.
En el análisis anterior de la invención, a menos que se indique el contrario, la divulgación de valores alternativos para el límite superior o inferior del rango permitido de un parámetro, junto con una indicación de que uno de los valores es más preferido que el otro, debe interpretarse como una declaración implícita de que cada valor intermedio del parámetro, que se encuentra entre la alternativa más preferida y la menos preferida, es en si mismo preferido al valor menos preferido y también a cada valor que se encuentra entre el valor menos preferido y el valor intermedio.
Las características divulgadas en la descripción anterior o en los siguientes dibujos, expresadas en sus formas especificas o en términos de un medio para realizar una función revelada, o un método o proceso para lograr el resultado revelado, según corresponda, pueden utilizarse por separado, o en cualquier combinación de tales características para realizar la invención en diversas formas de la misma como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (30)

REIVINDICACIONES
1. Una estructura de soporte (1,101,201,301) para un conducto flexible de intercambio de calor (3, 230, 2011) de tipo que se puede ubicar proximal a las celdas (4, 172020) de un paquete de baterías (2, 2000), estando configurada la estructura de soporte (1, 101, 201, 301) para proporcionar soporte a un conducto (3, 230, 2011) para evitar que el conducto (3, 230, 2011) se pliegue, se abulte y/o reviente en posiciones donde el conducto (3, 230, 2011) emerge de un conjunto de celdas (4,17, 2020), cambia de dirección y vuelve a entrar en el conjunto de celdas (4,17, 2020), formación de guía externa (8,108, 208, 308) y una trayectoria de guía (5, 105, 205, 305) ubicada entre la formación de guía inferior (6,106,206,306) y la formación de guía exterior (8, 108, 208, 308).
2. Una estructura de soporte según la reivindicación 1, en la que la estructura de soporte (1, 101, 201, 301) está adaptada para guiar un conducto flexible (3, 320, 2011) suavemente a través de una o más curvas de 90°.
3. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que la trayectoria de guía (5, 105, 205, 305) está configurada de manera que el conducto (3, 230, 2011) sigue la trayectoria de guía (5, 105, 205, 305) desde el punto en que el conducto (3, 230, 20119 emerge desde el conjunto hasta el punto en que el conducto (3, 230, 2011) vuelve a entrar en el conjunto cuando está en uso.
4. Una estructura de soporte (1, 101,201,301) según cualquier reivindicación anterior, en la que la trayectoria de la guía (5, 105, 205, 305) es una ranura o canal en el que se puede insertar un conducto flexible (3, 230, 2011) y que el conducto flexible (3, 230, 2011) sigue luego de manera que cambie de dirección sin plegarse.
5. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según la reivindicación 4, en la que el canal proporciona soporte al conducto (3, 230, 2011) en ambos lados.
6. Una estructura de soporte (1, 101,201,301) según cualquier reivindicación anterior, en la que la formación de guía interior (6, 106, 206, 306) se puede ubicar en el interior de la vuelta de un conducto flexible (3, 230, 2011) cuando está en uso.
7. Una estructura de soporte (1, 101,201, 301) según la reivindicación 6, en la que la formación de guía interna (6, 106, 206, 306) tiene una cara de soporte interna (7, 207) que se puede ubicar entre una celda (4, 17, 2020) y el conducto flexible (3, 230, 2011) cuando está en uso.
8. Una estructura de soporte (1,101, 201, 301) según la reivindicación 7, en la que la formación de guía interior (6, 106, 206, 306) está dimensionada de manera que el radio de curvatura de la cara de soporte interior (7, 207) sea suficientemente grande para guiar el conducto flexible (3, 230,2011) suavemente a través de 180° sin que el conducto (3, 230, 2011) se pliegue.
9. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según las reivindicaciones 7 u 8, en la cara de soporte interior (7, 207) es discontinua.
10. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según la reivindicación 7, en la que la cara de soporte interior (7, 207) comprende un lado largado plano (10) entre dos bordes redondeados (11).
11. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, en la que la estructura de soporte (1, 101, 201, 30) comprende un bloque interior térmicamente aislante (125) que se extiende alejándose de la formación de guía interior (6, 106, 206, 306).
12. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11, en la que al menos parte de la formación de guía interior (6, 106, 206, 306) es comprimible.
13. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la formación de guía exterior (8, 108, 208, 308) tiene una cara de soporte exterior (9, 2099).
14. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según la reivindicación 13, que comprende un bloque exterior térmicamente aislante (126) que se extiende hacia fuera y alejándose de la formación de guía exterior (8, 108, 208, 308).
15. Una estructura de soporte (1, 101,201, 301) según las reivindicaciones 13 o 14, en la que la cara de soporte exterior (9, 209) es discontinua.
16. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según la reivindicación 13 cuando depende de la reivindicación 7, en la que al menos parte de la trayectoria de guía (5, 105, 205, 305) de la estructura de soporte (1, 101, 201, 301) se define entre la cara de soporte interior (7, 207) y la cara de soporte exterior (9, 209).
17. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según cualquier reivindicación anterior, en la que la estructura de soporte (1,101, 201, 301) comprende al menos un rebaje (12) o abertura configurada para recibir parcialmente el conducto (3,230, 2011) en un estado desinflado, de manera que se crea holgura en el conducto (3,230, 2011).
18. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según la reivindicación 17 cuando depende de la reivindicación 13, en la que la estructura de soporte (1, 101,201, 301) comprende rebajes (12) en forma de muescas en la formación de guía exterior (8, 108, 208, 308) opuestos a los bordes redondeados (11).
19. Una estructura de soporte (1, 101,201,301) según la reivindicación 18, en la que los rebajes en forma de muescas son rebajes en la cara de soporte exterior (9, 209) de la formación de guía exterior (8, 108, 208, 308) y pueden tener cualquier forma adecuada para recibir parcialmente el conducto (3, 230, 2011) para crear holgura alrededor de los bordes redondeados (11).
20. Una estructura de soporte (1, 101,201,301) según cualquier reivindicación anterior en la que la estructura de soporte (1, 101, 201, 301) está configurada para proporcionar una barrera térmica entre al menos una celda y el conducto (3, 230, 2011) cuando está en uso.
21. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según cualquier reivindicación anterior, en la que la estructura de soporte (1, 101,201,301) está configurada para ubicarse dentro del paquete de baterías (2, 2000) en posiciones donde el conducto (3, 230, 2011) cambia de dirección.
22. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la estructura de soporte (1, 101,201, 301) está formada a partir de un bloque de material sólido.
23. Una estructura de soporte (1, 101,201,301) según la reivindicación 22, en la que la estructura de soporte (1, 101, 201, 301) comprende una pluralidad de trayectorias de guía (5, 105, 205, 305) separadas que se extienden a través del bloque.
24. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según cualquier reivindicación anterior, en la que la estructura de soporte (1, 101, 201, 301) está formada integralmente con un alojamiento de paquete de baterías (236, 338).
25. Una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según la reivindicación 24, en la que al menos parte de la estructura de soporte (1, 101,201, 301) está formada íntegramente con una cubierta inferior (237, 337) de un alojamiento de paquete de baterías (236, 338), o una carcasa superior de un alojamiento de paquete de baterías (236, 338).
26. Un paquete de baterías (2, 2000) que comprende un conjunto de celdas (4, 17, 2020), un conducto flexible (3, 230, 2011) y al menos una estructura de soporte (1, 101, 201, 301) según cualquier reivindicación anterior.
27. Un paquete de baterías (2, 2000) según la reivindicación 26 cuando depende de una cualquier de las reivindicaciones 7 a 9, en el que la estructura de soporte (1, 101,201,301) está dimensionada de manera que las celdas (4, 17, 2020) colocadas en el extremo de cada fila de conjunto tienen la misma área de contacto térmico con el conducto (3, 230, 2011) que las cedas (4, 17, 2929) ubicadas en el centro del conjunto.
28. Un paquete de baterías (2, 2000) según la reivindicación 27, en el que un extremo de la cara de soporte interior (7, 207) hace tope con una celda de extremo (17).
29. Un paquete de baterías (2, 2000) según la reivindicación 28, en el que la estructura de soporte (1, 101,201,301) tiene una forma tal que la otra porción de extremo de la cara de soporte interior (7, 207) sigue parcialmente la superficie de otra celda de extremo (17) de modo que la porción de extremo se envuelve alrededor de la celda de extremo (17) para formar una barrera aislante térmica.
30. Un paquete de baterías (2, 2000) según cualquier de las reivindicaciones 26 a 29, en el que la estructura de soporte (1, 101, 201, 301) tiene una forma tal que al menos un extremo de la cara de soporte exterior (9, 209) hace tope con una celda (4, 17, 2020).
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