PL211980B1 - Moduł baterii elektrycznych stabilizowany termicznie - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest moduł baterii elektrycznych stabilizowany termicznie mający zastosowanie w stacjonarnych i mobilnych urządzeniach elektrycznych, a zwłaszcza w samochodach z napędem elektrycznym lub hybrydowym.

Moduły baterii elektrycznych stosowane w samochodach elektrycznych składają się z zespołu ogniw połączonych w moduły. Aby uzyskać pożądane napięcie, natężenie prądu lub pojemność elektryczną, ogniwa są łączone elektrycznie w sposób szeregowy, równoległy lub w sposób mieszany, czyli szeregowo - równoległy i układane w stosy jeden nad drugim, tak aby zajmowały najmniej miejsca. W celu zapewnienia jak największej przestrzeni w kabinie pasażerskiej oraz przestrzeni bagażowej w pojeździe zasilanym elektrycznie, przestrzeń przewidziana na umieszczenie modułów baterii powinna być zminimalizowana. Z drugiej jednak strony, baterie akumulatorów wydzielają duże ilości ciepła podczas pracy, zarówno w czasie procesu rozładowywania jak i ładowania, co wiąże się z koniecznością regulacji temperatury modułów bateryjnych. Kryterium minimalnej przestrzeni wymaga, aby ogniwa baterii były układane bardzo blisko siebie, natomiast dla spełnienia kryterium regulacji temperatury należy przewidzieć odpowiednie kanały przepływu ciepła pomiędzy poszczególnymi ogniwami modułu bateryjnego, co powoduje zwiększenie przestrzeni, zatem spełnienie tych dwóch kryteriów jest realizowane w stanie techniki przez wzajemnie sprzeczne rozwiązania.

Znany jest z opisu patentowego EP1753058 moduł baterii elektrycznych z kanałami przepływu powietrza pomiędzy ogniwami baterii. Chłodzenie baterii jest realizowane poprzez żeberkowe przegrody z otworami, przez które może przepływać czynnik odbierający ciepło.

Znany jest również z opisu patentowego US4314008 system stabilizacji temperatury modułu bateryjnego, w którym zestaw ogniw elektrycznych może być ogrzewany lub chłodzony w zależności od potrzeb. W tym celu stabilizowane termicznie baterie elektryczne są umieszczone w izolującej obudowie i współpracują z pompą ciepła, która w zależności od aktualnych warunków termicznych odprowadza lub doprowadza ciepło do baterii. Jako pompa ciepła jest wykorzystane ogniwo Peltiera posiadające dwie równoległe płaszczyzny, pomiędzy którymi odbywa się transfer ciepła. Ogniwo Peltiera z jednej strony, przez termicznie przewodzący blok pośredniczący, styka się z pakietem baterii, a z drugiej strony styka się bezpośrednio z radiatorem stanowiącym zamknięcie izolującej obudowy. Zmieniając polaryzację i napięcie prądu podawanego do ogniwa Peltiera uzyskuje się żądany efekt chłodzenia lub ogrzewania baterii, a przez to również lepsze parametry eksploatacyjne i poprawę żywotności ogniw elektrycznych.

Znana jest również ze zgłoszenia patentowego US 2004/0086780 konstrukcja obudowy baterii elektrycznych, w której ogniwa elektryczne są ustawione na półkach będących w termicznym kontakcie z ogniwami Peltiera. Ogniwo to zapewnia transfer ciepła z albo do obudowy w celu chłodzenia albo ogrzewania ogniw elektrycznych, w zależności od potrzeb. Ponadto znana konstrukcja zawiera kanałowy wymiennik ciepła z wentylatorem, stykający się z boczną ścianą obudowy.

Celem wynalazku jest opracowanie takiej konstrukcji modułu baterii, która umożliwi stabilizację temperatury ogniw elektrycznych, a jednocześnie nie spowoduje znacznego zwiększenia przestrzeni przewidzianej na umieszczenie modułów bateryjnych.

Innym celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji obudowy, mieszczącej w sobie pakiety ogniw elektrycznych, prostej w montażu i zapewniającej skuteczną transmisję ciepła.

Dodatkowym celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji mocowania ogniwa Peltiera zapewniającej jego łatwy montaż do obudowy pakietów ogniw elektrycznych.

Zgodnie z wynalazkiem, w module baterii elektrycznych stabilizowanym termicznie, ogniwa elektryczne są umieszczone wewnątrz obudowy i mają termiczny kontakt, poprzez płyty przekładkowe stykające się z co najmniej jedną ścianą boczną, z ogniwem Peltiera zapewniającym transfer ciepła z albo do pakietu ogniw elektrycznych. Rozwiązanie charakteryzuje się tym, że ogniwa elektryczne umieszczone wewnątrz obudowy są zaciśnięte pomiędzy termicznie przewodzącymi płytami przekładkowymi będącymi w kontakcie termicznym poprzez ścianę boczną z ogniwem Peltiera, przy czym ogniwo Peltiera jest w kontakcie termicznym z cieczowym wymiennikiem ciepła.

Korzystnie, ogniwo Peltiera jest w kontakcie termicznym z cieczowym wymiennikiem ciepła, przy czym wymiennik ten ma chłodnicę oraz kolektor płynu chłodzącego z otworami wylotowymi i dolotowymi.

PL 211 980 B1

Również korzystnym jest gdy ogniwo Peltiera wraz z cieczowym wymiennikiem ciepła są umieszczone w ramce pozycjonującej i dociśnięte poprzez płytę mocującą zasadniczo do środkowej części ściany bocznej obudowy za pomocą śrub dwustronnych.

W innym korzystnym rozwiązaniu, ogniwa elektryczne umieszczone w obudowie i przedzielone płytami przekładkowymi są zaciśnięte razem dwustronnymi śrubami.

Korzystnym jest, gdy płyty przekładkowe mają krawędź tylną zagiętą pod kątem prostym stykającą się ze ścianą boczną i są znitowane ze ścianą boczną obudowy.

W korzystnym rozwiązaniu, płyty przekładkowe oraz ściana boczna obudowy są wykonane z aluminium.

Przedmiot wynalazku jest zilustrowany w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój przez obudowę ogniw elektrycznych oraz przez ogniwo Peltiera i cieczowy wymiennik ciepła, fig. 2 przekrój przez cieczowy wymiennik ciepła, fig. 3 rozdetalowany cieczowy wymiennik ciepła w widoku perspektywicznym, fig. 4 przekrój przez moduł baterii elektrycznych, fig. 5 widok perspektywiczny obudowy z częściowo wysuniętymi ogniwami elektrycznymi oraz z rozdetalowanym cieczowym wymiennikiem ciepła, fig. 6 ścianę boczną obudowy, fig. 7 płytę przekładkową obudowy, fig. 8 płytę podstawy obudowy, zaś fig. 9 płytę górną obudowy.

Jak przedstawiono w przykładzie wykonania na fig. 1 obudowa 1 modułu baterii elektrycznych według wynalazku ma ścianę boczną 2 połączoną z - płytą podstawy 3 oraz z płytą górną 4. Pomiędzy płytą podstawy 3 i płytą górną 4 jest umieszczone osiem równoległych płyt przekładkowych 5, pomiędzy którymi są ułożone ogniwa elektryczne 6 pokazane na fig. 2, przy czym skrajne dolne ogniwo elektryczne 6 mieści się w przestrzeni pomiędzy dolną płytą przekładkową 5 a płytą podstawy 3, zaś skrajne górne ogniwo elektryczne 6 w przestrzeni pomiędzy górną płytą przekładkową 5 a płytą górną 4.

W celu zapewnienia termicznego kontaktu płyt łączonych ze ścianą boczną 2 obudowy 1, płyty przekładkowe 5 oraz płyta górna 4 i płyta podstawy 3 są połączone ze ścianą boczną 2 przez nitowanie. Nitowanie zapewnia wzajemny docisk i umożliwia przez to skuteczny transfer ciepła pomiędzy połączonymi płytami. Dalszą poprawę skuteczności transferu ciepła pomiędzy aluminiową ścianą boczną 2 i aluminiowymi płytami przekładkowymi 5 uzyskano przez zastosowanie pasty termoprzewodzącej, którą nanosi się na wzajemne powierzchnie stykowe znitowanych ze sobą płyt przed ich połączeniem.

Ponadto płyta podstawy 3 i płyta górna 4 są skręcone ze sobą czterema śrubami dwustronnymi 7. Ogniwa elektryczne 6 ułożone wewnątrz obudowy 1 i rozdzielone płytami przekładkowymi 5 są zaciśnięte pomiędzy sąsiednimi płytami poprzez skręcenie dwustronnych śrub 7, przez co uzyskuje się przyleganie całej powierzchni ogniwa do odpowiedniej płyty odprowadzającej albo doprowadzającej ciepło. Transfer ciepła ulega istotnej poprawie po zaaplikowaniu pasty termoprzewodzącej na powierzchnie styku ogniw 6 z płytami przekładkowymi 5.

Ogniwo Peltiera 8 jest dociśnięte jedną płaszczyzną do zewnętrznej powierzchni aluminiowej ściany bocznej 2, a drugą płaszczyzną do cieczowego wymiennika ciepła 9 składającego się z chłodnicy 10 i kolektora 11 z otworem dolotowym i wylotowym płynu chłodzącego. Cieczowy wymiennik ciepła 9 jest usytuowany w ramce pozycjonującej 12 i dociśnięty do ogniwa Peltiera 8 poprzez płytę mocująca 13 za pomocą śrub dwustronnych 14 wkręconych do ściany bocznej 2.

Na fig. 3 pokazano dokładniej, w widoku perspektywicznym, rozdetalowany cieczowy wymiennik ciepła 9. Śruby dwustronne 14 są wkręcone w środkową część płyty bocznej 2, a na nie nałożona jest ramka pozycjonująca 12 z kwadratowym otworem pozycjonującym ogniwo Peltiera 8, z którym styka się chłodnica 10 szczelnie połączona poprzez pierścień uszczelniający z kolektorem 11. Dla poprawienia transferu ciepła, na styku płyty tylnej i ogniwa Peltiera 8 oraz na styku ogniwa Peltiera 8 z wymiennikiem ciepła 9 jest naniesiona warstwa pasty termoprzewodzącej.

Cały moduł baterii elektrycznych według wynalazku przedstawiony na fig. 4 ma obudowę 1, w której pomiędzy płytami przekładkowymi 5 są zaciśnięte ogniwa elektryczne 6. Z jednej strony, do ściany bocznej 2 obudowy 1 jest zamocowane ogniwo Peltiera 8 stykające się z wymiennikiem ciepła 9, a po drugiej stronie pokazane są czujniki temperatury 15 umiejscowione w pobliżu złącz biegunów ogniw 16 oraz płyta elektroniki 17 zbierająca napięcie wszystkich ogniw elektrycznych 6, połączona z systemem nadzoru baterii.

Widok perspektywiczny części składowych modułu według wynalazku, przed dokonaniem montażu, został zilustrowany na fig. 5. Figura ta przedstawia dziewięć ogniw elektrycznych 6 częściowo wysuniętych z obudowy 1 oraz widok rozdetalowanego cieczowego wymiennika ciepła 9 z ogniwem

Peltiera 8.

PL 211 980 B1

Jak przedstawiono na fig. 6, w środkowej części ściany bocznej 2 wkręcone są cztery śruby dwustronne 14, a po jej bokach są wykonane pięćdziesiąt cztery otwory do umieszczenia nitów mocujących osiem płyt przekładkowych 5 i płytę górną 4, zaś dolna część ściany bocznej 2 przeznaczona do połączenia z płytą podstawy jest zagięta pod kątem prostym.

Kształt płyty przekładkowej 5 jest zilustrowany na fig. 7. Płyta przekładkowa 5 ma krawędź tylną 18 zagiętą pod kątem prostym, w której wykonane są otwory pod nity. Ponieważ każda z płyt przekładkowych 5 umieszczonych w obudowie 1 styka się swoją krawędzią tylną 18 ze ścianą boczną 2 i jest do niej przynitowana, skuteczność przejmowania ciepła pomiędzy połączonymi płytami zależy w głównej mierze od powierzchni styku, a zatem wysokość krawędzi tylnej 18 powinna być jak największa, jednak ze względów konstrukcyjnych wysokość ta musi być mniejsza od wysokości ogniwa elektrycznego 6 przeznaczonego do ułożenia na płycie przekładkowej 5.

Jak pokazano na fig. 8, płyta podstawy 3, obudowy 1 jest wykonana w kształcie płaskiego arkusza blachy z otworami przeznaczonymi do osadzenia dwustronnych śrub 7, natomiast płyta górna 4 przedstawiona na fig. 9 oprócz otworów na dwustronne śruby 7 ma ponadto krawędź tylną 19 zagiętą pod kątem prostym, w której wykonane są otwory pod nity.

W zależności od tego, czy moduł baterii elektrycznych wymaga chłodzenia czy ogrzewania, system nadzoru baterii wysyła rozkaz zmiany polaryzacji napięcia ogniwa Peltiera 8. W module baterii elektrycznych według wynalazku dla sygnału rozpoczęcia chłodzenia baterii została ustawiona temperatura 25°C natomiast dla ogrzewania 0°C.

W zależności od rzeczywistej temperatury wskazywanej przez czujniki temperatury 15, warunki zasilania ogniwa Peltiera 8, a wiec polaryzacja napięcia oraz wartość natężenia prądu są ustawiane dynamicznie, w zakresie napięcia od - 12 V do + 12 V, i w zakresie natężenia prądu od - 6 A do + 6 A. Zatem, w zależności od polaryzacji napięcia zasilającego ogniwo Peltiera 8, w module według wynalazku następuje chłodzenie albo ogrzewanie ściany bocznej 2 oraz połączonych z nią płyt przekładkowych 5, płyty podstawy 3 i płyty górnej 4, a przez to każdego z ogniw elektrycznych 6 umieszczonych pomiędzy tymi płytami w obudowie 1.

Claims (7)

1. Moduł baterii elektrycznych stabilizowany termicznie, w którym ogniwa elektryczne są umieszczone wewnątrz obudowy i mają termiczny kontakt, poprzez płyty przekładkowe stykające się z co najmniej jedną ścianą boczną, z ogniwem Peltiera zapewniającym transfer ciepła z albo do pakietu ogniw elektrycznych, znamienny tym, że ogniwa elektryczne (6) umieszczone wewnątrz obudowy (1) są zaciśnięte pomiędzy termicznie przewodzącymi płytami przekładkowymi (5) będącymi w kontakcie termicznym poprzez ścianę boczną (2) z ogniwem Peltiera (8), przy czym ogniwo Peltiera (8) jest w kontakcie termicznym z cieczowym wymiennikiem ciepła (9).

2. Moduł według zastrz. 1, znamienny tym, że W cieczowy wymiennik ciepła (9) ma chłodnicę (10) oraz kolektor (11) płynu chłodzącego z otworami wylotowymi i dolotowymi.

3. Moduł według zastrz. 1, znamienny tym, że ogniwo Peltiera (8) wraz z cieczowym wymiennikiem ciepła są umieszczone w ramce pozycjonującej (12) i dociśnięte poprzez płytę mocującą (13) zasadniczo do środkowej części ściany bocznej (2) obudowy (1) za pomocą śrub dwustronnych (14).

4. Moduł według zastrz. 1, znamienny tym, że ogniwa elektryczne (6) umieszczone w obudowie (1) i przedzielone płytami przekładkowymi (5) są zaciśnięte razem dwustronnymi śrubami 7.

5. Moduł według zastrz. 1, znamienny tym, że płyty przekładkowe (5) mają krawędź tylną (18) zagiętą pod kątem prostym stykającą się ze ścianą boczną (2).

6. Moduł według zastrz. 5, znamienny tym, że płyty przekładkowe (5) są znitowane ze ścianą boczną (2) obudowy (1).

7. Moduł według zastrz. 1, znamienny tym, że płyty przekładkowe (5) oraz ściana boczna (2) obudowy (1) są wykonane z aluminium.