RU215059U1

RU215059U1 - THERMOSTATATED BATTERY

Info

Publication number: RU215059U1
Application number: RU2022126217U
Authority: RU
Inventors: Валерий Михайлович Ярмощук; Михаил Юрьевич Чайка; Дмитрий Евгеньевич Силютин
Original assignee: ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "СОВРЕМЕННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗУМА" (ООО "СЭТРа")
Filing date: 2022-10-07
Publication date: 2022-11-28

Abstract

Полезная модель относится к конструкции литий-ионной аккумуляторной батареи с термостатированием и может быть использована в электромобилях, электробусах, а также в других областях энергетики. Внутри теплоизолированного корпуса батареи размещены литий-ионные блоки с пластинами теплосъема, примыкающими к каждой литий-ионной ячейке, а также плиты термостатирования, выполненные с каналами для соединения с трубопроводами циркуляции жидкого теплоносителя. Причем плиты термостатирования каждого литий-ионного блока выполнены с переменным сечением каналов и с увеличением площади сечения от периферии к внутренней части блока, трубопроводы внутренней части блока батареи выполнены по двухтрубной схеме и имеют подпорную магистраль. Площадь поперечного сечения подпорной магистрали равна 0,45 от площади поперечного сечения основной магистрали подачи теплоносителя. Техническим результатом является поддержание оптимального температурного режима литий-ионной аккумуляторной батареи в широком температурном диапазоне окружающей среды. 2 ил.

The utility model relates to the design of a temperature-controlled lithium-ion battery and can be used in electric vehicles, electric buses, as well as in other areas of energy. Inside the thermally insulated battery case, there are lithium-ion blocks with heat removal plates adjacent to each lithium-ion cell, as well as temperature control plates made with channels for connection to the liquid coolant circulation pipelines. Moreover, the temperature control plates of each lithium-ion block are made with a variable cross-section of channels and with an increase in the cross-sectional area from the periphery to the inner part of the block, the pipelines of the inner part of the battery block are made according to a two-pipe scheme and have a retaining line. The cross-sectional area of the retaining line is equal to 0.45 of the cross-sectional area of the main coolant supply line. The technical result is to maintain the optimal temperature regime of the lithium-ion battery in a wide temperature range of the environment. 2 ill.

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к конструкции систем для охлаждения и подогрева литий-ионных аккумуляторных батарей, которые могут быть использованы в электромобилях, электробусах, а также в других областях энергетики.The utility model relates to the field of mechanical engineering, namely to the design of systems for cooling and heating lithium-ion batteries, which can be used in electric vehicles, electric buses, and also in other areas of energy.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известен ряд устройств для термостатирования аккумуляторных батарей.A number of devices for temperature control of batteries are known from the prior art.

Известно изобретение (патент RU 2722217 В60Н 1/00 «Система термостатирования батарейного модуля и инвертора гибридного автомобиля»), в котором раскрыта система термостатирования батарейного модуля.An invention is known (patent RU 2722217 V60N 1/00 "Temperature control system for a battery module and hybrid car inverter"), which discloses a temperature control system for a battery module.

В известном решении контур охлаждения построен на принципе циркуляции охлаждающей жидкости и охлаждения в радиаторе с обдувом вентилятором, подогрев обеспечивается от ДВС или предпускового подогревателя.In the well-known solution, the cooling circuit is built on the principle of circulation of the coolant and cooling in a radiator with fan blowing, heating is provided from the internal combustion engine or preheater.

К недостаткам известного решения можно отнести то, что в нем не предусмотрен контур охлаждения, использующий фреон, что делает его менее эффективным. Также использование подогрева от ДВС делает менее эффективным процесс подогрева и не позволяет применять данную систему для электромобилей и электробусов.The disadvantages of the known solution include the fact that it does not provide a cooling circuit using freon, which makes it less efficient. Also, the use of heating from the internal combustion engine makes the heating process less efficient and does not allow the use of this system for electric vehicles and electric buses.

Известно изобретение (патент 2700158 B60K 11/02; F01P 3/20 «Устройство термостатирования агрегатов электромобиля»), касающееся системы термостатирования агрегатов электромобиля, включая аккумуляторную батарею.An invention is known (patent 2700158 B60K 11/02; F01P 3/20 "Device for temperature control of electric vehicle units") regarding the temperature control system of electric vehicle units, including the battery.

Описываемое решение имеет в составе механические краны, что исключает возможность полностью автоматизированного процесса управления данной системой.The described solution includes mechanical cranes, which excludes the possibility of a fully automated control process for this system.

Известное изобретение (патент 2558657 H01M 10/00 «Теплозащищенная литий-ионная аккумуляторная батарея»), которое не содержит решений по охлаждению батареи при высоких температурах и высоком тепловыделении при работе батареи, что не позволяет использовать его в широком диапазоне температур.A well-known invention (patent 2558657 H01M 10/00 "Heat-protected lithium-ion battery"), which does not contain solutions for cooling the battery at high temperatures and high heat during battery operation, which does not allow it to be used in a wide temperature range.

Известно решение (патент на полезную модель 202152 B60L 58/26 B60L 58/27 «Устройство термостатирования тяговых батарей»), отличительной особенностью является отсутствие модульности данного решения и эффективных решений по выравниванию градиента температур в структуре батареи, что в целом снижает надежность эксплуатации батарей.A solution is known (utility model patent 202152 B60L 58/26 B60L 58/27 "Traction battery temperature control device"), a distinctive feature is the lack of modularity of this solution and effective solutions for equalizing the temperature gradient in the battery structure, which generally reduces the reliability of battery operation.

Известно решение (патент RU 2713618 Н01М 2/10 «Автомобильная аккумуляторная батарея»), в котором на противоположных боковых стенках модуля аккумуляторной батареи, между теплоотводом и нижней стороной модуля аккумуляторной батареи расположена теплопроводящая прокладка, которая термически соединяет модуль аккумуляторной батареи с теплоотводом.A solution is known (patent RU 2713618 H01M 2/10 "Automobile battery"), in which on opposite side walls of the battery module, between the heat sink and the bottom side of the battery module, there is a heat-conducting gasket that thermally connects the battery module with the heat sink.

Однако данное решение имеет низкую эффективность по управлению охлаждением и не способно обеспечить равномерность градиента температуры в объеме батарейного модуля.However, this solution has low efficiency in terms of cooling control and is not able to ensure the uniformity of the temperature gradient in the volume of the battery module.

Предложенная полезная модель направлена на преодоление отмеченных недостатков уровня техники и при своем осуществлении позволяет обеспечить решение технической задачи по обеспечению возможности поддержания оптимального температурного режима литий-ионной аккумуляторной батареи в широком температурном диапазоне окружающей среды.The proposed utility model is aimed at overcoming the noted shortcomings of the prior art and, in its implementation, allows to solve the technical problem of ensuring the possibility of maintaining the optimal temperature regime of a lithium-ion battery in a wide temperature range of the environment.

Технический результат полезной модели достигается за счет применения решений, способствующих эффективному выравниванию градиента температур аккумуляторных ячеек.The technical result of the utility model is achieved through the use of solutions that contribute to the effective equalization of the temperature gradient of the battery cells.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Для достижения указанного выше, а также иных технических результатов, следующих из описания, предлагается термостатированная батарея, содержащая теплоизолированный корпус, внутренняя часть которого содержит литий-ионные блоки, включающие пластины теплосъема, примыкающие к каждой литий-ионной ячейке, плиты термостатирования с каналами для соединения с трубопроводами циркуляции жидкого теплоносителя, причем плиты термостатирования каждого литий-ионного блока выполнены с переменным сечением каналов с увеличением площади сечения от периферии к внутренней части блока.To achieve the above, as well as other technical results following from the description, a temperature-controlled battery is proposed, containing a heat-insulated housing, the inner part of which contains lithium-ion blocks, including heat removal plates adjacent to each lithium-ion cell, temperature control plates with channels for connecting with pipelines for circulation of the liquid heat carrier, and the temperature control plates of each lithium-ion block are made with a variable section of the channels with an increase in the cross-sectional area from the periphery to the inner part of the block.

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

Для более полного понимания сущности полезной модели в описании даны отсылки на позиции поясняющих чертежей, согласно которым представленыFor a more complete understanding of the essence of the utility model, the description contains references to the positions of the explanatory drawings, according to which

фиг. 1 - система термостатирования батареи;fig. 1 - battery temperature control system;

фиг. 2 - литий-ионный блок с плитами термостатирования.fig. 2 - lithium-ion block with temperature control plates.

Характеристики и работоспособность литий-ионных аккумуляторных батареи напрямую зависят от температуры их эксплуатации. Эксплуатация и хранение литий-ионных аккумуляторных батарей при повышенных и особенно пониженных температурах, даже в границах рабочего диапазона, резко негативно сказывается на их основных характеристиках, таких как емкость, рабочие токи заряда и разряда, и прочих характеристиках, включая ресурс. А при пониженных температурах (до -40°С), как правило, невозможно использовать литий-ионные аккумуляторные батареи, и как следствие эксплуатировать электромобили, электробусы и другие решения, в которых данные батареи используются как основной источник электрического питания.The characteristics and performance of lithium-ion batteries are directly dependent on the temperature of their operation. Operation and storage of lithium-ion batteries at elevated and especially low temperatures, even within the operating range, has a sharp negative effect on their main characteristics, such as capacity, charge and discharge operating currents, and other characteristics, including resource. And at low temperatures (down to -40 ° C), as a rule, it is impossible to use lithium-ion batteries, and as a result, operate electric vehicles, electric buses and other solutions in which these batteries are used as the main source of electrical power.

Согласно фиг. 1 предложенная полезная модель предназначена для функционирования в составе системы термостатирования, которая состоит из внутренней и внешней части, а также модуля управления с микропроцессорным управлением (не показан). Внутренняя часть (часть литий-ионной батареи 1) содержит литий-ионные блоки 2, включающие пластины теплосъема, примыкающие к каждой литий-ионной ячейке, плиты термостатирования с каналами и систему трубопроводов 3 и 4 для циркуляции жидкого теплоносителя, теплоизоляцию корпуса батареи (не показана), а также датчики температуры 5 и электрически управляемые краны 6.According to FIG. 1, the proposed utility model is designed to function as part of a temperature control system, which consists of an internal and external part, as well as a control module with microprocessor control (not shown). The inner part (part of the lithium-ion battery 1) contains lithium-ion blocks 2, including heat removal plates adjacent to each lithium-ion cell, temperature control plates with channels and a piping system 3 and 4 for circulating liquid coolant, thermal insulation of the battery case (not shown ), as well as temperature sensors 5 and electrically controlled taps 6.

Внешняя часть содержит два контура: контур, включающий расширительный бачок 7, электрический проточный нагреватель 8, помпу 9, трехходовой электрически управляемый кран 10, теплообменник жидкость-газ 11, систему трубопроводов и жидкий теплоноситель; а также контур, включающий электрический компрессор 12, осушитель 15, расширительный клапан 17, датчик давления газа 16, радиатор 13 с вентилятором 14, а также систему трубопроводов с газообразным теплоносителем, например, фреоном.The outer part contains two circuits: a circuit including an expansion tank 7, an electric flow heater 8, a pump 9, a three-way electrically controlled valve 10, a liquid-gas heat exchanger 11, a piping system and a liquid heat carrier; as well as a circuit including an electric compressor 12, a dryer 15, an expansion valve 17, a gas pressure sensor 16, a radiator 13 with a fan 14, and a piping system with a gaseous coolant, for example, freon.

Отличительными особенностями полезной модели является наличие в объеме батареи плит термостатирования каждого литий-ионного блока с переменным сечением (S) каналов в пределах 20% (фиг. 2). Причем площадь сечения увеличивается от периферии к внутренней части блока.Distinctive features of the utility model is the presence in the volume of the battery of temperature control plates of each lithium-ion block with a variable cross section (S) of channels within 20% (Fig. 2). Moreover, the cross-sectional area increases from the periphery to the inner part of the block.

В дополнительном варианте осуществления система трубопроводов внутренней части блока батареи выполнена по двухтрубной схеме и имеет подпорную магистраль 4, при этом площадь поперечного сечения равна 0,45 от площади поперечного сечения основной магистрали подачи 3. Данное значение является оптимальным и определено экспериментально, при этом при меньших значениях выравнивание градиента температур будет незначительно, а при больших значениях будет происходить эффект обратного течения жидкости в основной магистрали, что не является допустимым.In an additional embodiment, the piping system of the inner part of the battery block is made according to a two-pipe scheme and has a retaining line 4, while the cross-sectional area is 0.45 of the cross-sectional area of the main supply line 3. This value is optimal and determined experimentally, while at lower values, the equalization of the temperature gradient will be insignificant, and at large values, the effect of a reverse flow of liquid in the main line will occur, which is not acceptable.

Площадь сечения каналов плит термостатирования может различаться в пределах 20% в зависимости от компоновки батареи, при этом центральные плиты термостатирования имеют большую площадь сечения по сравнению с периферийными, что в совокупности обеспечивает выравнивание градиента температур между отдельными литий-ионными ячейками в объеме батареи.The cross-sectional area of the temperature control plate channels can vary within 20% depending on the battery layout, while the central temperature control plates have a larger cross-sectional area compared to the peripheral ones, which together ensures the alignment of the temperature gradient between individual lithium-ion cells in the battery volume.

Внешняя часть системы термостатирования может быть выполнена как в модульном исполнении в едином корпусе на единой рамной конструкции, так и в декомпонизированном, что обеспечивает широкие возможности по конструированию и компоновке отсеков электромобилей, электробусов и прочих применений.The external part of the thermostating system can be made both in a modular design in a single housing on a single frame structure, and in a decomposed one, which provides ample opportunities for the design and layout of compartments for electric vehicles, electric buses and other applications.

При этом возможно решение по компоновке нескольких аккумуляторных батарей с параллельным гидравлическим подключением и внешней системы термостатирования.In this case, a solution is possible for the layout of several batteries with parallel hydraulic connection and an external temperature control system.

Полезная модель функционирует следующим образом.The utility model functions as follows.

Микропроцессорный модуль управления на основе данных от датчиков температуры и давления обеспечивает автоматическое управление помпой, электрическим проточным нагревателем, трехходовым электрически управляемым клапаном и электрическим компрессором. При этом при низких температурах окружающей среды трехходовой клапан оказывается закрытым относительно контура системы термостатирования, обеспечивающего охлаждение - контура с фреоном, электрический нагреватель обеспечивает нагрев и поддержание температуры жидкого теплоносителя в оптимальном диапазоне. При высоких температурах окружающей среды, а также при избыточном тепловыделении литий-ионных ячеек трехходовой клапан оказывается открытым относительно контура системы, обеспечивающего охлаждение, и посредством работы электрического компрессора, вентилятора и прочих компонентов происходит охлаждение жидкого теплоносителя в теплообменнике в оптимальном температурном диапазоне.The microprocessor control module, based on data from temperature and pressure sensors, provides automatic control of the pump, electric flow heater, three-way electrically controlled valve and electric compressor. At the same time, at low ambient temperatures, the three-way valve is closed relative to the circuit of the thermostating system that provides cooling - the circuit with freon, the electric heater provides heating and maintaining the temperature of the liquid heat carrier in the optimal range. At high ambient temperatures, as well as with excessive heat generation of lithium-ion cells, the three-way valve is open relative to the system circuit that provides cooling, and through the operation of the electric compressor, fan and other components, the heat transfer liquid in the heat exchanger is cooled in the optimal temperature range.

Таким образом, благодаря применению решений, способствующих эффективному выравниванию градиента температур аккумуляторных ячеек, обеспечивается поддержание оптимального температурного режима литий-ионной аккумуляторной батареи в широком температурном диапазоне окружающей среды, и, следовательно, надежности эксплуатации батарей.Thus, thanks to the use of solutions that contribute to the effective equalization of the temperature gradient of the battery cells, it is ensured that the optimal temperature regime of the lithium-ion battery is maintained in a wide temperature range of the environment, and, consequently, the reliability of battery operation.

Claims

1. A temperature-controlled battery containing a heat-insulated housing, the inner part of which contains lithium-ion blocks, including heat removal plates adjacent to each lithium-ion cell, temperature control plates with channels for connecting to liquid coolant circulation pipelines, and temperature control plates of each lithium-ion block made with a variable cross-section of the channels with an increase in the cross-sectional area from the periphery to the inner part of the block.

2. Thermostatic battery according to claim 1, characterized in that the pipelines of the inner part of the battery block are made according to a two-pipe scheme and have a retaining line, while the cross-sectional area of the retaining line is equal to 0.45 of the cross-sectional area of the main supply line.