RU2187865C2 - Mechanical and thermal perfection of nickel-cadmium-hybrid batteries, battery modules and blocks of batteries - Google Patents
Mechanical and thermal perfection of nickel-cadmium-hybrid batteries, battery modules and blocks of batteries Download PDFInfo
- Publication number
- RU2187865C2 RU2187865C2 RU99117590/09A RU99117590A RU2187865C2 RU 2187865 C2 RU2187865 C2 RU 2187865C2 RU 99117590/09 A RU99117590/09 A RU 99117590/09A RU 99117590 A RU99117590 A RU 99117590A RU 2187865 C2 RU2187865 C2 RU 2187865C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- battery
- batteries
- refrigerant
- housing
- module
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Battery Mounting, Suspending (AREA)
Abstract
Description
Настоящая заявка является частью продолжения заявки на патент США 08/140933, поданной 25 октября 1993. This application is part of a continuation of US patent application 08/140933, filed October 25, 1993.
Область изобретения
Настоящее изобретение в целом относится к усовершенствованиям батарей на основе гидрида металла (металлгидридных батарей), изготовленных из них модулей батарей и пакетов батарей, изготовленных из модулей. Более конкретно, настоящее изобретение относится к механическим и тепловым усовершенствованиям в конструкции батареи, конструкции модуля батареи и конструкции пакета батарей.Field of Invention
The present invention generally relates to improvements in batteries based on metal hydride (metal hydride batteries), battery modules made from them, and battery packs made from modules. More specifically, the present invention relates to mechanical and thermal improvements in battery design, battery module design, and battery pack design.
Предшествующий уровень техники
Перезаряжаемые призматические батареи используются в ряде промышленных и коммерческих применений, таких как грузоподъемниках, тележках для гольфа, источниках бесперебойного питания и электромобилях.State of the art
Rechargeable prismatic batteries are used in a number of industrial and commercial applications, such as forklifts, golf carts, uninterruptible power supplies and electric vehicles.
Перезаряжаемые свинцовые батареи - в настоящее время наиболее широко используемый тип батарей. Батареи свинцовых аккумуляторов являются полезным источником питания для стартеров двигателей внутреннего сгорания. Однако, их низкая плотность энергии, приблизительно 30 В•час/кг, и их неспособность адекватно отводить теплоту делает их непрактичным источником питания для электромобиля. Электромобиль, использующий батареи свинцовых аккумуляторов, имеет малую дальность поездки перед перезарядкой, требует приблизительно 6-12 часов для перезарядки и содержит токсичные вещества. Кроме того, электромобили, использующие батареи свинцовых аккумуляторов, имеют медленный разгон, недостаточный допуск при глубоком разряде, а срок службы батареи составляет только приблизительно 32200 км. Rechargeable lead batteries are currently the most widely used type of battery. Lead-acid batteries are a useful source of power for starters in internal combustion engines. However, their low energy density, approximately 30 V • h / kg, and their inability to adequately remove heat makes them an impractical power source for an electric vehicle. An electric vehicle using lead-acid batteries has a short travel distance before recharging, requires approximately 6-12 hours to recharge, and contains toxic substances. In addition, electric vehicles using lead-acid batteries have slow acceleration, insufficient tolerance for deep discharge, and battery life is only approximately 32,200 km.
Никельметаллгидридные батареи (Ni-MH батареи) имеют намного лучшее качество по сравнению со свинцовыми батареями, и Ni-MH батареи - наиболее перспективный тип батареи, доступный для электромобилей. Например, Ni-MH батареи, такие как описаны в одновременно рассматриваемой заявке на патент США 07/934976 авторов Овшинского и Феценко (Ovshinsky и Fetcenko), раскрытие которой включено в качестве ссылки, имеют намного лучшую плотность энергии, чем батареи свинцовых аккумуляторов, могут снабжать энергией электромобиль свыше приблизительно 400 км перед тем, как потребуют перезарядки, могут быть перезаряжены в течение 15 минут и не содержат никаких токсичных веществ. Электромобили, использующие Ni-MH батареи, могут иметь исключительный разгон, а срок службы батареи больше, чем приблизительно 161000 км. Nickel-metal hydride batteries (Ni-MH batteries) are of much better quality than lead batteries, and Ni-MH batteries are the most promising type of battery available for electric vehicles. For example, Ni-MH batteries, such as those described in U.S. Patent Application 07/934976, co-authored by Ovshinsky and Fetcenko, the disclosure of which is incorporated by reference, have a much better energy density than lead-acid batteries can provide An electric vehicle with an energy exceeding approximately 400 km can be recharged within 15 minutes before requiring recharging and does not contain any toxic substances. Electric cars using Ni-MH batteries can have exceptional acceleration and battery life is greater than approximately 161,000 km.
В прошлом проводилось обширное исследование по улучшению электрохимических аспектов мощности и емкости заряда Ni-MH батарей, которое описано подробно в патентах США 5096667 и 5104617 и заявках на патент США 07/746015 и 07/934976. Содержание всех эти ссылок специально включено в качестве ссылки. Extensive research has been conducted in the past to improve the electrochemical aspects of the power and charge capacity of Ni-MH batteries, which is described in detail in US Pat. The contents of all of these links are expressly incorporated by reference.
Первоначально Овшинский и его группа сосредоточились на сплавах на основе гидридов металла, которые формируют отрицательный электрод. В результате их усилий они были способны значительно увеличить обратимые характеристики хранения водорода, необходимые для эффективных и экономичных применений батареи, и получать батареи, способные аккумулировать энергию с высокой степенью плотности, с эффективной обратимостью, высокой электрической эффективностью, эффективным объемным хранением водорода без структурных изменений или отравления, продолжительным сроком службы и повторяемым глубоким разрядом. Усовершенствованные характеристики этих овониковых ("Ovonic") сплавов, как они теперь называются, явились результатом выдерживания локальной химической упорядоченности и, следовательно, локальной структурной упорядоченности посредством объединения выбранных элементов модификатора в первичную матрицу. Неупорядоченные металлгидридные сплавы имеют, по существу, увеличенную плотность каталитически активных участков и участков хранения по сравнению с однофазными или многофазными кристаллическими веществами. Эти дополнительные участки являются ответственными за улучшенную эффективность электрохимического заряда/разряда и увеличение емкости хранения электрической энергии. Характер и количество участков хранения могут быть даже спроектированы независимо от каталитически активных участков. Более конкретно, эти сплавы изготовлены так, чтобы допустить объемное хранение диссоциированных атомов водорода при прочности связи в пределах обратимости, подходящее для использования во вторичных применениях батареи. Initially, Ovshinsky and his group focused on alloys based on metal hydrides, which form a negative electrode. As a result of their efforts, they were able to significantly increase the reversible hydrogen storage characteristics necessary for efficient and economical battery applications, and to obtain batteries capable of accumulating energy with a high degree of density, with effective reversibility, high electrical efficiency, efficient bulk storage of hydrogen without structural changes or poisoning, long service life and repeated deep discharge. The improved characteristics of these ovonic ("Ovonic") alloys, as they are now called, were the result of maintaining local chemical ordering and, therefore, local structural ordering by combining the selected modifier elements into a primary matrix. Disordered metal hydride alloys have a substantially increased density of catalytically active sites and storage sites compared to single-phase or multiphase crystalline materials. These additional sites are responsible for the improved electrochemical charge / discharge efficiency and increase the storage capacity of electrical energy. The nature and number of storage sites can even be designed independently of catalytically active sites. More specifically, these alloys are made to allow bulk storage of dissociated hydrogen atoms with bond strengths within the reversibility range, suitable for use in secondary battery applications.
Некоторые чрезвычайно эффективные электрохимические вещества аккумулирования водорода были получены на основании неупорядоченных веществ, описанных выше. Ими являются активные вещества типа Ti-V-Zr-Ni, такие как раскрытые в патенте США 4551400 ("патент '400"), раскрытие которого включено в качестве ссылки. Эти вещества обратимо образуют гидриды, чтобы аккумулировать водород. Все вещества, используемые в патенте '400, используют общую композицию Ti-V-Ni, где присутствуют по меньшей мере Ti, V и Ni и могут быть модифицированы с помощью Cr, Zr и Al. Вещества патента '400 - многофазные вещества, которые могут содержать, но не ограничиваться ими, одну или большее количество фаз с кристаллическими структурами типа С14 и С15.Some extremely effective hydrogen storage electrochemicals have been derived from the disordered substances described above. They are active substances of the type Ti-V-Zr-Ni, such as those disclosed in US Pat. No. 4,551,400 ('400' patent), the disclosure of which is incorporated by reference. These substances reversibly form hydrides in order to accumulate hydrogen. All substances used in the '400 patent use the general composition Ti-V-Ni, where at least Ti, V and Ni are present and can be modified with Cr, Zr and Al. Substances of the '400 patent are multiphase substances that may contain, but are not limited to, one or more phases with crystalline structures of type C 14 and C 15 .
Другие Ti-V-Zr-Ni сплавы также используются для перезаряжаемых отрицательных электродов с аккумулированием водорода. Одним таким семейством веществ является то, что описано в патенте США 4728586 ("патент '586"), раскрытие которого включено в качестве ссылки. Патент '586 описывает специфический подкласс этих Ti-V-Ni-Zr сплавов, содержащий Ti, V, Zr, Ni и пятую составляющую, Gr. Патент '586 упоминает возможность добавок и модификаторов помимо Ti, V, Zr, Ni и Сr составляющих сплавов и вообще описывает специфические добавки и модификаторы количества и взаимодействия этих модификаторов, и определенные выгоды, которые могут ожидаться от них. Other Ti-V-Zr-Ni alloys are also used for rechargeable negative electrodes with hydrogen storage. One such family of substances is that described in US Pat. No. 4,728,586 (“the '586 patent”), the disclosure of which is incorporated by reference. The '586 patent describes a specific subclass of these Ti-V-Ni-Zr alloys containing Ti, V, Zr, Ni and the fifth component, Gr. The '586 patent mentions the possibility of additives and modifiers in addition to the Ti, V, Zr, Ni and Cr constituent alloys and generally describes the specific additives and modifiers of the quantity and interaction of these modifiers, and the specific benefits that can be expected from them.
В отличие от овониковых сплавов, описанных выше, известные ранее сплавы обычно рассматривались как "упорядоченные" вещества, которые имели отличные химизм, микроструктуру и электрохимические характеристики. Эффективность известных упорядоченных веществ была недостаточна, но в начале 1980-х годов, поскольку степень модификации увеличилась (т.е. когда увеличились количество и доза элементарных модификаторов), их эффективность начала значительно увеличиваться. Это происходит как из-за неупорядоченности, вносимой модификатором, так и из-за их электрических и химических свойств. Это развитие сплавов от определенного класса упорядоченных веществ до современных многокомпонентных, многофазных "неупорядоченных" сплавов показано в следующих патентах: (i) патент США 3874928; (ii) патент США 4214043; (iii) патент США 4107395; (iv) патент США 4107405; (v) патент США 4112199; (vi) патент США 4125688 (vii); патент США 4214043; (viii) патент США 4216274; (ix) патент США 4487817; (х) патент США 4605603; (xii) - патент США 4696873 и (xiii) патент США 4699856. (Эти ссылки пространно описаны в патенте США 5096667, и это описание специально включено в качестве ссылки). Unlike the ovonic alloys described above, previously known alloys were usually considered as “ordered” substances that had excellent chemism, microstructure and electrochemical characteristics. The effectiveness of known ordered substances was insufficient, but in the early 1980s, as the degree of modification increased (i.e., when the number and dose of elementary modifiers increased), their effectiveness began to increase significantly. This is due to both the disorder introduced by the modifier and their electrical and chemical properties. This development of alloys from a certain class of ordered substances to modern multicomponent, multiphase "disordered" alloys is shown in the following patents: (i) US patent 3874928; (ii) U.S. Patent 4,214,043; (iii) U.S. Patent 4,107,395; (iv) U.S. Patent 4,107,405; (v) U.S. Patent 4,112,199; (vi) U.S. Patent 4,125,688 (vii); U.S. Patent 4,214,043; (viii) U.S. Patent 4,216,274; (ix) U.S. Patent 4,487,817; (x) U.S. Patent 4,605,603; (xii) US Pat. No. 4,696,873; and (xiii) US Pat. No. 4,699,856. (These references are extensively described in US Pat. No. 5,096,667, and this description is expressly incorporated by reference.)
Проще говоря, установлено, что во всех металлгидридных сплавах при увеличении степени модификации роль первоначально упорядоченного основного сплава имеет меньшую важность по сравнению со свойствами и неупорядоченностью, присущим специфическим модификаторам. Кроме того, анализ многокомпонентных сплавов, в настоящее время доступных на рынке и полученных многими производителями, указывает, что эти сплавы модифицируются, следуя указаниям, установленным для систем на овониковых сплавах. Таким образом, как определено выше, все высокомодифицированные сплавы являются неупорядоченными веществами, отличающимися наличием многих компонентов и множеством фаз, то есть овониковыми сплавами. Simply put, it was found that in all metal hydride alloys, with an increase in the degree of modification, the role of the initially ordered base alloy is less important in comparison with the properties and disorder inherent in specific modifiers. In addition, analysis of multicomponent alloys currently available on the market and obtained by many manufacturers indicates that these alloys are modified following the guidelines established for ovonic alloy systems. Thus, as defined above, all highly modified alloys are disordered substances, characterized by the presence of many components and many phases, that is, ovonic alloys.
Ясно, что введение способов овоникового сплавления сделало значительные усовершенствования в активных электрохимических аспектах Ni-MH батарей. Однако, следует отметить, что до недавнего времени механическими и тепловыми аспектами эффективности Ni-MH батарей пренебрегали. It is clear that the introduction of ovonic fusion methods has made significant improvements in the active electrochemical aspects of Ni-MH batteries. However, it should be noted that until recently, the mechanical and thermal aspects of the efficiency of Ni-MH batteries were neglected.
Например, в электромобилях вес батарей является значительным фактором, так как вес батареи является наибольшей составляющей веса средства передвижения. По этой причине уменьшению веса отдельных батарей уделяют значительное внимание при проектировании батарей для средств передвижения, приводимых в действие от электричества. В дополнение к уменьшению веса батарей вес модулей батареи должен быть уменьшен, все еще обеспечивая необходимые механические требования модуля (то есть легкость транспортировки, прочность и т.д.). Также, когда эти модули батарей включены в пакетные системы батарей (такие как для использования в электромобилях) компоненты пакета батарей должны быть облегчены насколько это возможно. For example, in electric vehicles, the weight of the batteries is a significant factor, since the weight of the battery is the largest component of the weight of the vehicle. For this reason, considerable attention is paid to reducing the weight of individual batteries when designing batteries for electric powered vehicles. In addition to reducing the weight of the batteries, the weight of the battery modules must be reduced while still providing the necessary mechanical requirements of the module (i.e. ease of transport, strength, etc.). Also, when these battery modules are included in battery pack systems (such as for use in electric vehicles), the components of the battery pack should be as light as possible.
Следует особо отметить, что применения в электромобилях предъявляют критическое требование для теплового управления. Это имеет место потому, что отдельные ячейки (элементы) связываются вместе в непосредственной близости, и много элементов электрически и термически соединяются вместе. Поэтому, так как существует свойственная тенденция выделять значительное количество теплоты во время заряда и разряда, работоспособную конструкцию батареи для электромобилей оценивают тем, достаточно ли или нет осуществляется управление выделенной теплотой. It should be emphasized that applications in electric vehicles pose a critical requirement for thermal management. This is because individual cells (elements) are connected together in close proximity, and many elements are electrically and thermally connected together. Therefore, since there is a characteristic tendency to emit a significant amount of heat during charge and discharge, a workable battery design for electric vehicles is assessed by whether or not the heat generated is controlled sufficiently.
Источников теплоты прежде всего три. Первый - тепло окружающей среды из-за работы средства передвижения в жарком климате. Второй - резистизный или I2R, нагрев при заряде и разряде, где I представляет собой ток, текущий в батарею или из нее, и R - сопротивление батареи. Третий - огромное количество теплоты образуется во время перезарядки из-за рекомбинации газа.First of all, there are three sources of heat. The first is the warmth of the environment due to the operation of the vehicle in a hot climate. The second is resistive or I 2 R, heating during charge and discharge, where I represents the current flowing into or out of the battery, and R is the battery resistance. Third - a huge amount of heat is formed during recharging due to gas recombination.
В то время как вышеупомянутые параметры являются обычно общими для всех электрических систем батарей, они особенно важны для никельметаллгидридных систем батарей. Это имеет место из-за того, что Ni-MH имеет такую высокую удельную энергию, и токи заряда и разряда также являются большими. Например, чтобы зарядить батарею свинцовых аккумуляторов в течение одного часа, может быть использован ток 35 А, в то время как перезарядка Ni-MH батареи может использовать 100 А для такой же одночасовой перезарядки. Во-вторых, так как Ni-МН имеет исключительную плотность энергии (то есть энергия аккумулируется очень компактно), тепловое рассеивание более трудно, чем в батареях свинцовых аккумуляторов. Это имеет место из-за того, что отношение площади поверхности к объему намного меньше, чем в батареях свинцовых аккумуляторов, что означает, что в то время как образуемая теплота в 2,5 раза больше для Ni-MH батарей, чем для свинцовых аккумуляторов, поверхность рассеивания тепла уменьшена. While the above parameters are usually common to all electrical battery systems, they are especially important for nickel-metal hydride battery systems. This is due to the fact that Ni-MH has such a high specific energy, and the charge and discharge currents are also large. For example, to charge a lead-acid battery in one hour, a current of 35 A can be used, while recharging a Ni-MH battery can use 100 A for the same one-hour recharge. Secondly, since Ni-MN has an exceptional energy density (that is, energy is accumulated very compactly), thermal dissipation is more difficult than in lead-acid batteries. This is due to the fact that the ratio of surface area to volume is much smaller than in lead-acid batteries, which means that while the heat generated is 2.5 times greater for Ni-MH batteries than for lead-acid batteries, heat dissipation surface is reduced.
Следующий иллюстративный пример полезен в понимании проблем управления теплом, с которыми сталкиваются при проектировании Ni-MH пакетов батарей для электромобилей. В патенте США 5378555, выданном "Дженерал Моторс" (включенном в качестве ссылки), описан пакет батарей электромобиля, использующего батареи свинцовых аккумуляторов. Пакетная система батарей, использующая батареи свинцовых аккумуляторов, имеет емкость приблизительно 13 кВт•час, весит приблизительно 363 кг и имеет дальность езды средства передвижения приблизительно 145 км. Заменяя пакет батарей свинцовых аккумуляторов пакетом овониковых батарей того же размера, емкость увеличивается до 35 кВт•час, и дальность езды средства передвижения увеличивается приблизительно до 400 км. Одно свойство этого сравнения заключается в том, что за 15 минут перезарядки энергия, поданная в Ni-MH пакет батарей, в 2,7 раза больше, чем поданная в пакет батарей свинцовых аккумуляторов с его соразмерно дополнительной теплотой. Однако, ситуация несколько отлична во время разряда. Чтобы питать энергией средство передвижения на скоростной дороге при постоянной скорости, ток, текущий через батарею, является таким же, как для Ni-MH батареи или батареи свинцовых аккумуляторов (или любого другого источника питания для этой цели). По существу, электродвигатель, который приводит в действие средство передвижения, "не знает" или "не заботится", откуда он получает энергию, или какая батарея подает питание. Различие между нагревом Ni-MH батареи и батареи свинцовых аккумуляторов при разряде заключается в длительности разряда. То есть, так как Ni-MН батарея будет приводить в действие средство передвижения в 2,7 раза дольше, чем свинцовая, ей нужно намного больше времени прежде, чем она имеет возможность "остыть". The following illustrative example is useful in understanding the heat management problems encountered when designing Ni-MH battery packs for electric vehicles. US Pat. No. 5,378,555 to General Motors (incorporated by reference) describes a battery pack of an electric vehicle using lead-acid batteries. A batch battery system using lead-acid batteries has a capacity of approximately 13 kW • hour, weighs approximately 363 kg and has a vehicle driving range of approximately 145 km. Replacing a battery pack of lead batteries with a pack of ovonic batteries of the same size, the capacity increases to 35 kW • hour, and the driving distance of the vehicle increases to approximately 400 km. One property of this comparison is that in 15 minutes of recharging, the energy supplied to the Ni-MH battery pack is 2.7 times more than that supplied to the battery pack of lead batteries with its commensurate additional heat. However, the situation is somewhat different during discharge. In order to power a vehicle on a highway at a constant speed, the current flowing through the battery is the same as for a Ni-MH battery or a lead battery (or any other power source for this purpose). Essentially, the electric motor that drives the vehicle “doesn't know” or “doesn't care” where it gets its energy from, or which battery supplies power. The difference between heating a Ni-MH battery and a lead-acid battery during a discharge is the duration of the discharge. That is, since the Ni-MH battery will drive the vehicle 2.7 times longer than the lead one, it needs a lot more time before it can cool down.
Далее, в то время как теплота, порождаемая во время заряда и разряда Ni-MH батареи, обычно не является проблемой в малых бытовых батареях или даже в больших батареях, когда они используются по отдельности в течение ограниченного периода времени, большие батареи, которые служат в качестве непрерывного источника питания, особенно, когда их более одной используют последовательно или параллельно, например в спутнике или электромобиле, выделяют достаточное количество теплоты при зарядке и разряде, чтобы воздействовать на предельную эффективность модулей батареи или пакетной системы батарей. Further, while the heat generated during charging and discharging Ni-MH batteries is usually not a problem in small household batteries or even in large batteries when they are used individually for a limited period of time, large batteries that serve as as a continuous power source, especially when more than one is used in series or in parallel, for example in a satellite or electric vehicle, a sufficient amount of heat is released during charging and discharging to affect the ultimate efficiency Battery modules or battery pack systems.
Таким образом, существует потребность в батарее, модуле батарей и конструкции пакетной системы батарей, которая уменьшает ее общий вес и обладает необходимым управлением теплотой, необходимым для успешной работы в электромобилях без уменьшения ее емкости хранения энергии или выходной мощности, увеличивает надежность батарей и уменьшает стоимость. Thus, there is a need for a battery, a battery module, and a package battery system design that reduces its total weight and has the necessary heat control necessary for successful operation in electric vehicles without reducing its energy storage capacity or output power, increases battery reliability and reduces cost.
Недостатки предшествующего уровня техники
Тепловое управление системы батарей электромобиля, использующее технологию высокоэнергетической батареи, никогда прежде не демонстрировалось. Некоторые устройства, такие как Na-S, которые функционируют при повышенных температурах, сильно изолированы, чтобы поддержать специфическую рабочую температуру. Такая организация нежелательна из-за большого проигрыша в общей плотности энергии из-за чрезмерного веса (средств) теплового управления, высокой сложности и чрезмерной стоимости. В других системах, таких как Ni-Cd, в попытках теплового управления использовали систему водяного охлаждения. Снова этот тип системы теплового управления добавляет вес, сложность и стоимость пакету батарей.The disadvantages of the prior art
The thermal management of an electric vehicle’s battery system using high-energy battery technology has never been demonstrated before. Some devices, such as Na-S, which function at elevated temperatures, are highly insulated to maintain a specific operating temperature. Such an organization is undesirable due to the large loss in the total energy density due to the excessive weight (means) of thermal management, high complexity and excessive cost. Other systems, such as Ni-Cd, used a water cooling system to attempt thermal control. Again, this type of thermal management system adds weight, complexity and value to a battery pack.
Проще говоря, предшествующий уровень техники не предлагает конфигурацию/внутреннюю конструкцию интегрированной батареи, модуля батареи и термически управляемой пакетной системы батарей, которая была бы легкой, простой, недорогой и объединяла бы структурную основу батарей, модулей и пакетов с охлаждаемой воздухом системой управления теплотой. Simply put, the prior art does not offer the configuration / interior design of an integrated battery, a battery module, and a thermally controlled battery pack system that is lightweight, simple, inexpensive, and combines the structural basis of batteries, modules and bags with an air-cooled heat management system.
Сущность изобретения
Один аспект настоящего изобретения предусматривает механически усовершенствованную перезаряжаемую батарею. Батарея включает в себя: корпус батареи, который включает в себя клемму положительного электрода батареи и клемму отрицательного электрода батареи; по меньшей мере один положительный электрод батарее, расположенный внутри корпуса батареи и электрически соединенный с клеммой положительного электрода батареи; по меньшей мере один отрицательный электрод батареи, расположенный внутри корпуса батареи и электрически соединенный с клеммой отрицательного электрода батареи; по меньшей мере один сепаратор электродов батареи, расположенный между положительными и отрицательными электродами внутри корпуса батареи, чтобы электрически изолировать положительный электрод от отрицательного электрода, но все еще допускающий их химическое взаимодействие; и электролит батареи, окружающий и смачивающий положительный электрод, отрицательный электрод и сепаратор. Корпус батареи является призматическим по форме и имеет оптимизированное отношение толщины к ширине, к высоте.SUMMARY OF THE INVENTION
One aspect of the present invention provides a mechanically advanced rechargeable battery. A battery includes: a battery case, which includes a battery positive electrode terminal and a battery negative electrode terminal; at least one battery positive electrode located inside the battery case and electrically connected to the battery positive electrode terminal; at least one negative battery electrode located inside the battery case and electrically connected to the battery negative electrode terminal; at least one battery electrode separator located between the positive and negative electrodes inside the battery housing to electrically isolate the positive electrode from the negative electrode, but still allowing their chemical interaction; and a battery electrolyte surrounding and wetting the positive electrode, the negative electrode and the separator. The battery case is prismatic in shape and has an optimized ratio of thickness to width, to height.
Другой аспект настоящего изобретения включает в себя усовершенствованный модуль батареи высокой мощности. Модуль батареи, согласно настоящему изобретению включает в себя: множество отдельных батарей; множество электрических межсоединений, соединяющих отдельные батареи модуля друг с другом и обеспечивающих средство для электрического соединения отдельных модулей батареи друг с другом; и средство связывания/сжатия модуля батареи. Батареи связывают внутри средства связывания/сжатия модуля под действием внешнего механического сжатия, которое оптимизировано, чтобы сбалансировать направленное наружу давление из-за расширения компонентов батареи и обеспечить дополнительную направленную внутрь силу сжатия на электроды батареи внутри каждого элемента, чтобы уменьшить расстояние между положительными и отрицательными электродами, посредством этого увеличивая общую мощность элемента. Another aspect of the present invention includes an improved high power battery module. A battery module according to the present invention includes: a plurality of individual batteries; a plurality of electrical interconnects connecting the individual batteries of the module to each other and providing means for electrically connecting the individual battery modules to each other; and means for linking / compressing the battery module. Batteries are connected inside the module’s binding / compression means by external mechanical compression, which is optimized to balance outward pressure due to expansion of the battery components and provide additional inward compression force to the battery electrodes inside each cell to reduce the distance between the positive and negative electrodes , thereby increasing the total power of the element.
Средство связывания/сжатия модуля сконструировано, чтобы: 1) допустить применение требуемого сжатия батареи; 2) выполнить требуемую механическую функцию стойкой к вибрациям связки модулей; и 3) быть как можно более легким. The module binding / compression tool is designed to: 1) permit the use of the required battery compression; 2) to perform the required mechanical function of vibration-resistant bundles of modules; and 3) be as light as possible.
Еще один аспект настоящего изобретения заключается в механической конструкции легкой охлаждаемой текучей средой пакетной системы батарей. В своей наиболее общей форме настоящая охлаждаемая текучей средой пакетная система батарей включает в себя: корпус пакета батарей, имеющий по меньшей мере одно входное отверстие для хладагента и по меньшей мере одно выходное отверстие для хладагента; по меньшей мере один модуль батареи, расположенный и установленный внутри корпуса так, что модуль батареи удален от стенок корпуса и от любых других модулей батареи внутри корпуса, чтобы сформировать каналы для тока хладагента вдоль по меньшей мере одной поверхности связанных батарей, причем ширина каналов для тока хладагента имеет оптимальные размеры, чтоб допустить максимальную теплопередачу посредством конвективного, проводящего и излучающего механизмов теплопередачи от батарей хладагенту; и по меньшей мере одно средство транспортировки хладагента, которое вынуждает хладагент входить в средство ввода хладагента в корпусе, протекать по каналам для тока хладагента и выходить через средство вывода хладагента в корпусе. В предпочтительном варианте осуществления пакетную систему батарей охлаждают воздухом. Another aspect of the present invention is the mechanical construction of a lightweight fluid cooled packet battery system. In its most general form, the present fluid-cooled battery pack system includes: a battery pack housing having at least one refrigerant inlet and at least one refrigerant outlet; at least one battery module located and mounted inside the housing so that the battery module is remote from the walls of the housing and from any other battery modules inside the housing to form channels for refrigerant current along at least one surface of the connected batteries, the channel width for current the refrigerant is optimally sized to allow maximum heat transfer through convective, conductive, and radiative heat transfer mechanisms from batteries to the refrigerant; and at least one refrigerant conveying means that causes the refrigerant to enter the refrigerant inlet means in the housing, to flow through the refrigerant current channels and exit through the refrigerant outlet means in the housing. In a preferred embodiment, the stacked battery system is air cooled.
В еще одном аспекте настоящего изобретения описанная выше механическая конструкция батареи, модуля и пакетной системы батарей интегрирована электронным образом посредством алгоритма зарядного устройства, разработанного так, чтобы быстро зарядить пакетную систему батарей, в то же время увеличивая срок службы батареи посредством минимизированной перезарядки и управления выделением тепла. In yet another aspect of the present invention, the mechanical structure of the battery, module, and battery pack system described above is electronically integrated by means of a charging algorithm designed to quickly charge the battery pack system while increasing battery life by minimizing overcharging and controlling heat generation .
В заключение, батареи, модули и пакеты могут также включать в себя средство обеспечения переменной термоизоляции, по меньшей мере, для той части перезаряжаемой системы батарей, которая наиболее непосредственно подвергается воздействию указанных окружающих тепловых условий так, чтобы поддержать температуру перезаряжаемой системы батарей внутри требуемого рабочего диапазона при переменных условиях окружающей среды. In conclusion, batteries, modules, and packages may also include means for providing variable thermal insulation for at least the portion of the rechargeable battery system that is most directly exposed to these ambient thermal conditions so as to maintain the temperature of the rechargeable battery system within the required operating range under variable environmental conditions.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - сильно стилизованное изображение вида поперечного сечения механически усовершенствованной перезаряжаемой батареи согласно изобретению, подробно изображающей электроды батареи, сепаратор, корпуса батареи и электрические клеммы батареи;
фиг. 2 - стилизованное изображение разорванного вида поперечного сечения механически усовершенствованной перезаряжаемой батареи, подробно изображающей, сколько из компонентов батареи взаимодействуют при сборке;
фиг. 3 - увеличенное изображение клеммы, верхней части оболочки, уплотнения клеммы и гребенки электрода, изображенного на фиг.2;
фиг. 4 - стилизованное изображение вида поперечного сечения укупориванного обжимом соединения, осуществленного, чтобы герметично закрепить клемму батареи к верхней части оболочки батареи;
фиг.5 - стилизованное изображение вида поперечного сечения одного варианта осуществления клеммы батарея, подробно изображающее, как клапан высокого давления может быть встроен в клемму;
фиг. 6 - стилизованное изображение вида поперечного сечения другого варианта осуществления клеммы батареи, подробно изображающее, как электрический проводной соединитель гнездового типа может быть встроен в клемму;
фиг.7 - стилизованное изображение гребенки электрода;
фиг. 8 - стилизованное изображение вида сверху модуля батареи, согласно настоящему изобретению, подробно изображающее способ, каким связываются батареи, включающий их ориентацию, стержни и концевые пластины, которые удерживают батареи при внешнем механическом сжатии, и ось сжатия;
фиг. 9 - стилизованное изображение вида сбоку модуля батареи, изображенного на фиг.8, конкретно изображающая способ, каким металлические стержни устанавливают в прорези в ребрах концевых пластин;
фиг. 10 - стилизованное изображение вида с торца модуля батареи, изображенного на фиг.8 и 9, конкретно изображающее способ, каким взаимодействуют концевые пластины и стержни сжатия;
фиг. 11 - стилизованное изображение вида сверху модуля батареи, согласно настоящему изобретению, конкретно изображающее модульные прокладки, согласно настоящему изобретению, и выводы прокладок, присоединенных к ним;
фиг. 12 - стилизованное изображение вида сбоку модуля батареи, изображенного на фиг.11, конкретно изображающее способ, каким модульные прокладки размещены сверху и снизу модуля батареи;
фиг. 13а - стилизованное изображение одного варианта осуществления концевых пластин модулей батареи, согласно настоящему изобретению, конкретно изображающее ребристую концевую пластину;
фиг. 13b - стилизованное изображение вида поперечного сечения ребристой концевой пластины, изображенной на фиг.13а;
Фиг.14 - стилизованное изображение одного варианта осуществления соединения из кабеля в оплетке, пригодного в модулях и пакетах батареи, согласно настоящему изобретению конкретно изображающее электрическое соединение из плоского кабеля в оплетке;
фиг. 15 - стилизованное изображение вида сверху одного варианта осуществления охлаждаемого текучей средой пакета батарей, согласно настоящему изобретению, подробно изображающее матричное размещение модулей батареи в корпусе пакета, способ, которым модульные прокладки образуют каналы для тока хладагента, вводное и выводное отверстия для текучей среды и средство транспортировки текучей среды;
фиг.16 - график температуры батареи в зависимости от нерабочего времени, указывающий способ, каким алгоритмы управляемого температурой вентилятора воздействуют на температуру батареи во время саморазряда пакета;
фиг.17 - график сопротивления батареи и толщины батареи в зависимости от внешнего давления сжатия, ясно представлены оптимальные и функциональные диапазоны;
фиг. 18 иллюстрирует влияние температуры на удельную энергию батареи, изображая график температуры батареи в зависимости от удельной энергии в Вт•час/кг;
фиг. 19 иллюстрирует влияние температуры на удельную мощность батареи, изображая график температуры батареи в зависимости от удельной мощности в Вт/кг;
фиг. 20 - график объемного расхода хладагента и процентной части от максимальной теплопередачи и скорости хладагента в зависимости от интервала по средней оси разделения (относящейся к средней ширине канала хладагента) для вертикального потока хладагента через каналы для тока хладагента;
фиг. 21 - график объемного расхода хладагента и процентной части от максимальной теплопередачи и скорости хладагента в зависимости от интервала по средней оси разделения (относящейся к средней ширине канала хладагента) для горизонтального потока хладагента через каналы для тока хладагента;
фиг. 22 - график подъема температуры в зависимости от температуры окружающей среды и напряжения пакета в зависимости от времени во время циклов заряда и разряда, используя способ заряда с "температурно-компенсированным пределом напряжения";
фиг. 23 - график подъема температуры в зависимости от температуры окружающей среды и напряжения пакета в зависимости от времени во время циклов заряда и разряда, используя способ заряда с "фиксированным пределом напряжения";
фиг. 24 - график емкости батареи, измеряемой в А•час, в зависимости от типа батареи для батарей М серии;
фиг.25 - график мощности батареи, измеряемой в Вт, в зависимости от типа батареи для батарей М серии;
фиг.26 - график нормализованной емкости батареи, измеряемой в мА•час/см2, в зависимости от типа батареи для батарей М серии;
фиг. 27 - график нормализованной мощности батареи, измеряемой в мВт/см2, в зависимости от типа батареи для батарей М серии;
фиг.28 - график удельной мощности батареи, измеряемой в Вт/кг, в зависимости от типа батареи для батарей М серии; и
фиг. 29 - график удельной энергии батареи, измеряемой в Вт•час/кг, в зависимости от типа батареи для батарей М серии.Brief Description of the Drawings
Figure 1 is a highly stylized cross-sectional view of a mechanically advanced rechargeable battery according to the invention, showing in detail battery electrodes, a separator, battery cases and battery electric terminals;
FIG. 2 is a stylized cross-sectional view of a mechanically advanced rechargeable battery detailing how many of the battery components interact during assembly;
FIG. 3 is an enlarged image of the terminal, the upper part of the shell, the sealing of the terminal and the comb of the electrode shown in figure 2;
FIG. 4 is a stylized image of a cross-sectional view of a crimped-up connection made to tightly secure the battery terminal to the top of the battery shell;
5 is a stylized cross-sectional view of one embodiment of a terminal of a battery, depicting in detail how a high pressure valve can be integrated into a terminal;
FIG. 6 is a stylized cross-sectional view of another embodiment of a battery terminal, detailing how an electrical female connector of a female type can be integrated into a terminal;
Fig.7 is a stylized image of the comb of the electrode;
FIG. 8 is a stylized top view of a battery module according to the present invention, detailing the manner in which the batteries are connected, including their orientation, rods and end plates that hold the batteries during external mechanical compression, and the compression axis;
FIG. 9 is a stylized side view of the battery module of FIG. 8, specifically depicting the manner in which metal rods are mounted in slots in the ribs of the end plates;
FIG. 10 is a stylized end view of the battery module shown in FIGS. 8 and 9, specifically depicting the manner in which end plates and compression rods interact;
FIG. 11 is a stylized top view of a battery module according to the present invention, specifically depicting modular gaskets according to the present invention, and conclusions of gaskets attached thereto;
FIG. 12 is a stylized side view of the battery module of FIG. 11, specifically depicting the manner in which the modular gaskets are placed above and below the battery module;
FIG. 13 a is a stylized illustration of one embodiment of the end plates of the battery modules according to the present invention, specifically depicting a ribbed end plate;
FIG. 13b is a stylized cross-sectional view of a ribbed end plate shown in FIG. 13a;
Fig. 14 is a stylized view of one embodiment of a braided cable connection suitable in battery modules and packages, according to the present invention specifically depicting a braided flat cable electrical connection;
FIG. 15 is a stylized top view of one embodiment of a fluid-cooled battery pack according to the present invention, depicting in detail a matrix arrangement of battery modules in a package housing, the manner in which modular gaskets form channels for refrigerant current, fluid inlet and outlet ports, and conveying means fluid;
FIG. 16 is a graph of battery temperature versus idle time indicating a method by which temperature controlled fan algorithms affect battery temperature during packet self-discharge; FIG.
17 is a graph of battery resistance and battery thickness versus external compression pressure, optimal and functional ranges are clearly presented;
FIG. Figure 18 illustrates the effect of temperature on the specific energy of the battery by plotting the temperature of the battery versus specific energy in W • h / kg;
FIG. 19 illustrates the effect of temperature on the specific power of the battery, plotting the temperature of the battery versus specific power in W / kg;
FIG. 20 is a graph of refrigerant volumetric flow rate and a percentage of the maximum heat transfer and the rate of refrigerant depending on the interval along the average separation axis (relative to the average width of the refrigerant channel) for the vertical flow of refrigerant through the channels for the refrigerant current;
FIG. 21 is a graph of refrigerant volumetric flow rate and a percentage of the maximum heat transfer and refrigerant speed as a function of the interval along the average separation axis (referring to the average width of the refrigerant channel) for horizontal refrigerant flow through the channels for the refrigerant current;
FIG. 22 is a graph of temperature rise versus ambient temperature and packet voltage versus time during charge and discharge cycles using a charge method with a “temperature-compensated voltage limit”;
FIG. 23 is a graph of temperature rise versus ambient temperature and packet voltage versus time during charge and discharge cycles using a “fixed voltage limit” charge method;
FIG. 24 is a graph of battery capacity, measured in A • h, depending on the type of battery for M series batteries;
25 is a graph of battery power, measured in watts, depending on the type of battery for M series batteries;
Fig is a graph of the normalized battery capacity, measured in mA • hour / cm 2 , depending on the type of battery for batteries of the M series;
FIG. 27 is a graph of the normalized battery power, measured in mW / cm 2 , depending on the type of battery for the M series batteries;
Fig. 28 is a graph of the specific power of the battery measured in W / kg, depending on the type of battery for M series batteries; and
FIG. 29 is a graph of the specific energy of the battery, measured in W • h / kg, depending on the type of battery for the M series batteries.
Описание изобретения
Один аспект настоящего изобретения предусматривает механически усовершенствованную перезаряжаемую батарею, показанную в общем виде на фиг.1. Обычно в технике перезаряжаемых батарей, таких как система никельметаллгидридных батарей, много внимания уделяют электрохимическим аспектам батарей, в то время как намного меньше времени и энергии потрачено на улучшение механических аспектов батареи, модуля и конструкции пакета.Description of the invention
One aspect of the present invention provides a mechanically improved rechargeable battery, shown generally in FIG. 1. Typically, in the technique of rechargeable batteries, such as a nickel-metal hydride battery system, much attention is paid to the electrochemical aspects of the batteries, while much less time and energy is spent on improving the mechanical aspects of the battery, module and package design.
Заявители исследовали усовершенствования в механической конструкции систем перезаряжаемых батареи, обращая внимание на такие аспекты, как плотность энергии (и объемную и гравиметрическую), прочность, долговечность, механические аспекты эффективности батареи и управление теплотой. Applicants have investigated improvements in the mechanical design of rechargeable battery systems, paying attention to aspects such as energy density (both volumetric and gravimetric), strength, durability, mechanical aspects of battery efficiency, and heat management.
В результате этих исследований заявители разработали механически усовершенствованную перезаряжаемую батарею 1, которая включает в себя: корпус 2 батареи, который включает в себя клемму 7 положительного электрода батареи и клемму 8 отрицательного электрода батареи; по меньшей мере один положительный электрод 5 батареи, расположенный внутри корпуса 2 батареи и электрически соединенный с клеммой 7 положительного электрода батареи; по меньшей мере один отрицательный электрод 4 батареи, расположенный внутри корпуса 2 батареи и электрически соединенный с клеммой 8 отрицательного электрода батареи; по меньшей мере один сепаратор 6 электродов батареи, расположенный между положительным и отрицательным электродами внутри корпуса 2 батареи, чтобы электрически изолировать положительный электрод от отрицательного электрода, но все еще допускающий их химическое взаимодействие; и электролит батареи (не показан), окружающий и смачивающий положительный электрод 5, отрицательный электрод 4 и сепаратор 6. Корпус 2 батареи является призматическим по форме и имеет оптимизированное отношение толщины к ширине к высоте. As a result of these studies, the applicants have developed a mechanically improved
Используемый термин "батарея" конкретно относится к электрохимическим элементам, которые включают в себя множество положительных и отрицательных электродов, отделяемых сепараторами, герметизированных в корпусе, имеющем положительную и отрицательную клеммы на его внешней стороне, где все соответствующие электроды соединены с их соответствующими клеммами. The term “battery” as used specifically refers to electrochemical cells that include a plurality of positive and negative electrodes separated by separators, sealed in a housing having positive and negative terminals on its outer side, where all corresponding electrodes are connected to their respective terminals.
Это оптимизированное отношение, как описано ниже, позволяет батарее иметь сбалансированные оптимальные свойства по сравнению с призматическими батареями, которые не имеют этого оптимизированного отношения. В особенности, толщина, ширина и высота оптимизированы, чтобы обеспечить максимальную емкость и выходную мощность, в то же время устраняя вредные побочные эффекты. К тому же, эта специфическая конструкция корпуса допускает однонаправленное расширение, которое можно легко компенсировать, прилагая внешнюю механическую силу сжатия в этом одном направлении. Заявители обнаружили, что оптимальное отношение толщины электрода и ширине должно быть между приблизительно 0,1-0,75, а оптимальное отношение высоты к ширине 0,75-2,1. Специфические примеры батарей и отношение их высоты электрода к ширине приведены в табл. 1. This optimized ratio, as described below, allows the battery to have balanced optimum properties compared to prismatic batteries that do not have this optimized ratio. In particular, thickness, width and height are optimized to provide maximum capacity and power output, while eliminating harmful side effects. In addition, this specific housing design allows for unidirectional expansion, which can be easily compensated by applying an external mechanical compression force in this one direction. Applicants have found that the optimal ratio of electrode thickness and width should be between approximately 0.1-0.75, and the optimal ratio of height to width 0.75-2.1. Specific examples of batteries and the ratio of their electrode height to width are given in table. 1.
Следует отметить, что даже внутри оптимального диапазона отношений, имеются оптимальные поддиапазоны в зависимости от требуемых свойств батарей. Например, фиг. 24 - 29 изображают, как различные отношения высоты к ширине батарей М серии (показанные в табл. 1) дают различные оптимальные значения в зависимости от специфических требуемых свойств. Фиг.24 и 25, которые являются графиками емкости в А•час и мощности в Вт в зависимости от типа батареи, соответственно, указывают, что для максимальной емкости и мощности М элемент является лучшим. Однако как можно видеть из фиг.26 и 27, которые являются графиками нормализованной емкости в мА•час/см2 и мощности в мВт/см2 в зависимости от типа батареи, соответственно, если емкость и мощность нормализованы к площади электродов, элемент M-40 является самым лучшим. Дополнительно, если удельная мощность батарей определена, элемент М-40 также является самым лучшим, как показано фиг. 28, которая изображает график удельной мощности батарей в Вт/кг в зависимости от типа батареи. Наконец, если важна удельная энергия батарей, элемент М-20 является лучшим, как показано на фиг. 29, которая является графиком удельной энергии батарей в Вт•час/кг в зависимости от типа батареи.It should be noted that even within the optimal range of ratios, there are optimal subranges depending on the required battery properties. For example, FIG. 24 to 29 show how different ratios of the height to width of the M series batteries (shown in Table 1) give different optimal values depending on the specific required properties. 24 and 25, which are graphs of capacity in A • hour and power in W, depending on the type of battery, respectively, indicate that for the maximum capacity and power M the cell is the best. However, as can be seen from FIGS. 26 and 27, which are graphs of the normalized capacitance in mA • h / cm 2 and power in mW / cm 2 depending on the type of battery, respectively, if the capacitance and power are normalized to the area of the electrodes, element M- 40 is the best. Additionally, if the specific power of the batteries is determined, the cell M-40 is also the best, as shown in FIG. 28, which depicts a graph of specific battery power in W / kg versus battery type. Finally, if the specific energy of the batteries is important, the M-20 cell is best, as shown in FIG. 29, which is a graph of the specific energy of the batteries in W • h / kg depending on the type of battery.
При определении оптимальных отношений заявители отметили, что, если батареи слишком высоки, имеется увеличиваемая тенденция раскола электродов при расширении и сжатии. Существуют также проблемы с увеличенным внутренним электрическим сопротивлением электродов и гравиметрической сегрегацией электролита к нижней части батареи, оставляя верхние блоки электродов сухими. Обе эти последние проблемы уменьшают емкость и выходную мощность батарей. Если, с другой стороны, электроды слишком коротки, емкость и мощность батареи уменьшаются из-за пониженных включений электрохимически активных материалов, и удельная плотность энергии батареи уменьшается из-за изменения отношений компонентов собственного веса батареи к электрохимически активным составляющим. In determining the optimal relationship, applicants noted that if the batteries are too high, there is an increasing tendency for the electrodes to split during expansion and contraction. There are also problems with increased internal electrical resistance of the electrodes and gravimetric segregation of the electrolyte to the bottom of the battery, leaving the upper electrode blocks dry. Both of these latter problems reduce battery capacity and output. If, on the other hand, the electrodes are too short, the capacity and power of the battery are reduced due to reduced inclusions of electrochemically active materials, and the specific energy density of the battery is reduced due to a change in the ratios of the components of its own weight to the electrochemically active components.
Также, если батареи слишком широки, существует увеличенная тенденция раскола электродов при расширении и сжатии. Имеется также проблема с увеличенным внутренним электрическим сопротивлением, что уменьшает емкость и выходную мощность батарей. Но, если электроды слишком узки, емкость и мощность батареи уменьшается из-за пониженного включения электрохимически активных материалов, а удельная плотность энергии батареи уменьшается из-за изменения в отношениях компонентов собственного веса батареи к электрохимически активным составляющим. Also, if the batteries are too wide, there is an increased tendency for the electrodes to split during expansion and contraction. There is also a problem with increased internal electrical resistance, which reduces battery capacity and output. But, if the electrodes are too narrow, the capacity and power of the battery decreases due to the reduced inclusion of electrochemically active materials, and the specific energy density of the battery decreases due to changes in the ratios of the components of the dead weight of the battery to the electrochemically active components.
Наконец, если батарея слишком толстая, существуют проблемы с неправильным тепловым рассеянием от центральных электродов, что уменьшает емкость батареи и мощность. Также, существует увеличенное общее расширение средств связывания электродов в направлении толщины, что вызывает коробление и повреждение корпуса батареи и создает зазоры между положительными и отрицательными электродами, таким образом уменьшая мощность и емкость батареи. Это чрезмерное расширение средств связывания электродов нужно компенсировать внешним механическим сжатием. Однако, когда батарея слишком толста, требуется чрезмерная величина внешней силы, чтобы компенсировать расширение, и происходит раскалывание электродов. С другой стороны, если батарея слишком тонка, меньшее количество электродов заполняет батарею, и, следовательно, емкость и мощность батареи уменьшается из-за пониженного включения электрохимически активных материалов и удельная плотность энергии батареи уменьшается из-за изменения в отношениях компонентов собственного веса батареи к электрохимически активным составляющим. Finally, if the battery is too thick, there are problems with improper thermal dissipation from the central electrodes, which reduces battery capacity and power. Also, there is an increased overall expansion of the electrode bonding means in the thickness direction, which causes warping and damage to the battery case and creates gaps between the positive and negative electrodes, thereby reducing battery power and capacity. This excessive expansion of the electrode bonding means must be compensated by external mechanical compression. However, when the battery is too thick, an excessive amount of external force is required to compensate for the expansion, and the electrodes crack. On the other hand, if the battery is too thin, fewer electrodes fill the battery, and therefore, the capacity and power of the battery decreases due to reduced incorporation of electrochemically active materials and the specific energy density of the battery decreases due to a change in the ratios of the components of the dead weight of the battery to electrochemically active components.
В данной заявке термин "расширение" включает в себя и тепловое и электрохимическое расширение. Тепловое расширение происходит из-за нагревания компонентов батареи посредством механизмов, описанных выше, а электрохимическое расширение имеет место из-за изменения между различными решетчатыми структурами в заряженном и разряженном состояниях электрохимически активных веществ батареи. In this application, the term "expansion" includes both thermal and electrochemical expansion. Thermal expansion occurs due to the heating of the battery components through the mechanisms described above, and electrochemical expansion occurs due to changes between different lattice structures in the charged and discharged states of the electrochemically active substances of the battery.
Корпус 2 батареи предпочтительно изготавливают из любого материала, который является теплопроводяшим, механически прочным и жестким и химически инертным к химии батареи, такого как металл. В качестве альтернативы могут использоваться полимер или композитные вещества в качестве материала для корпуса батареи. При выборе такого материала внимание должно быть уделено теплопередаче. Как подробно описано в заявке на патент США 08/238570 от 5 мая 1995, содержание которой включено в качестве ссылки, эксперименты с пластмассовыми корпусами показывают, что внутренняя температура заключенной в пластмассовый корпус металлгидридной батареи возрастает до приблизительно 80oС от окружающей температуры после циклической работы от С/10 до 120% емкости, в то время как температура корпуса из нержавеющей стали повышается только до 32oС. Таким образом, корпуса из теплопроводящего полимера или композитного вещества являются предпочтительными. Наиболее предпочтительно, если корпус изготавливают из нержавеющей стали. Выгодно электрически изолировать внешнюю поверхность металлического корпуса от среды, покрывая ее непроводящим полимерным покрытием (не показано). Примером одного такого слоя является изолирующий полимерный слой в виде ленты, изготовленный из полимера, такого как сложный полиэфир. Механическая прочность и жесткость полимерной ленты являются важными, также как и изолирующие свойства. К тому же, она является предпочтительно недорогой, однородной и тонкой.The
Внутренность корпуса 2 батареи должна быть также электрически изолирована от электродов батареи. Это может быть выполнено, нанося покрытие электрически изолирующего полимера (не показан) на внутреннюю поверхность корпуса батареи, или, в качестве альтернативы, заключая электроды батареи и электролит в электрически изолирующий полимерный резервуар (не показан), который является инертным к химии батареи. Это резервуар затем закупоривают и вставляют в корпус 2 батареи. The inside of the
В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг.2, корпус батареи включает в себя верхнюю часть 3 корпуса, к которой прикреплены клемма 7 положительного электрода батареи и клемма 8 отрицательного электрода батареи, и оболочка 9 корпуса батареи, в которой расположены электроды 4, 5. На фиг.3 показано, что верхняя часть 3 корпуса включает в себя отверстия 13, через которые положительные и отрицательные клеммы 7, 8 батареи находятся в электрической связи с электродами 4, 5 батареи. Диаметр отверстий 13 немного больше, чем внешний диаметр клеммы 1, 8, но меньше, чем внешний диаметр уплотнения 10, используемого, чтобы герметизировать клемму 7, 8 к верхней части 3 корпуса. Клеммы 7, 8 включают в себя уплотняющий фланец 11, который помогает герметизировать клеммы 1, 8 к верхней части 3 корпуса, используя уплотнение 10. Уплотнением 10 обычно является уплотнительное кольцо. Уплотнение 10 включает в себя паз 12 уплотняющего фланца, в который вставляют уплотняющий фланец 11 клеммы 7, 8. Этот паз 12 помогает получить хорошее уплотнение высокого давления между клеммой 7, 8 и верхней частью 3 корпуса и сохранить уплотнение 10 на месте, когда клемму 7, 3 закупоривают обжимом в верхнюю часть 3 корпуса. Уплотнение 10 предпочтительно изготавливают из эластомерного диэлектрического непроницаемого для водорода вещества, такого как, например, полисульфон. Верхняя часть 3 корпуса также включает в себя кожух 14, окружающий каждое из отверстий 13 и выступающий наружу из верхней части 3 корпуса. Кожух 14 имеет внутренний диаметр немного больше, чем внешний диаметр уплотнения 10. Кожух 14 обжимают вокруг уплотнения 10 и уплотняющего фланца 11 вывода 7, 8 батареи, чтобы сформировать электрически непроводящее уплотнение повышенного давления между клеммой 7, 8 и верхней частью 3 корпуса. Закупоренное обжимом уплотнение клеммы обеспечивает сопротивление вибрациям по сравнению с резьбовым уплотнением предшествующего уровня техники. Верхняя часть 3 корпуса, оболочка 9 корпуса и кольцевой кожух 14 могут быть изготовлены из нержавеющей стали 304L. In the preferred embodiment shown in FIG. 2, the battery case includes an
Фиг. 4 изображает часть батареи, согласно настоящему изобретению, подробно изображающая способ, каким клемму 7, 8 батареи упаривают обжимом в верхнюю часть 3 корпуса. Из этого чертежа может быть ясно определено, как кожух 14 верхней части 3 корпуса является закупоренным обжимом вокруг уплотнения 10, которое, в свою очередь, герметизировано вокруг уплотняющего фланца 11 клеммы 7, 8 батареи. Этим способом формируют уплотнение, стойкое к вибрациям. FIG. 4 depicts a portion of a battery according to the present invention, depicting in detail the method by which the
Способ присоединения клеммы 7, 8 к верхней части 3 корпуса включает закупоривание обжимом клеммы 7, 8 к верхней части 3 корпуса. Этот способ закупоривания обжимом имеет ряд преимуществ перед предшествующим уровнем техники закупоривание обжимом может быть выполнено быстро на высокоскоростном оборудовании, приводя к непосредственному уменьшению стоимости. Кроме того, этот способ использует меньшее количество материала, чем предшествующий уровень техники, что уменьшает вес клемм, приводя к косвенному уменьшению стоимости. Увеличенная площадь поверхности этой конструкции вместе с уменьшенным весом веществ также приводит к увеличенному тепловому рассеянию от клемм. Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что оно позволяет изготавливать корпус батареи и другие части из любого ковкого материала и специально не требует лазерного уплотнения, специального уплотнения керамика-металл, или каких-либо специальных (и следовательно, дорогих) способов. К тому же, уменьшается общее количество частей и устраняется потребность в высокоточной механической обработке изготовления частей. The method of attaching the
Клеммы 7, 8 батареи обычно изготавливают из меди или медного сплава, предпочтительно металлизированного никелем для коррозионной стойкости. Однако может использоваться любой, электрически проводящий материал, который является совместимым с химией батареи. Следует отметить, что у клемм 7, 8 батареи, описанных в контексте представленного изобретения, меньше толщина кольца и больше диаметр, чем таковые предшествующего уровня техники. В результате клеммы, согласно настоящему изобретению, являются очень эффективными рассеивателями теплоты, и таким образом значительно способствуют тепловому управлению батареи.
Клеммы 7, 8 могут также включать в себя выровненное по оси центральное отверстие 15. Центральное отверстие 15 служит многим целям. Одно важное использование заключается в том, что оно служит для уменьшения веса батареи. Оно может также служить в качестве отверстия, в которое может быть вставлен, осуществляя фрикционное соединение, внешний электрический соединитель. То есть, цилиндрический или кольцевой проводной соединитель батареи может быть вставлен, осуществляя фрикционное соединение, в центральное отверстие 15, чтобы обеспечить внешнее электрическое подключение к батарее. Наконец, оно может служить как местоположение для клапана сброса давления для сброса избыточного давления из внутренней части батареи. Отверстие 15 может проходить частично через клемму (если оно предназначено только в качестве гнезда соединителя) или полностью насквозь (если предназначено для сброса давления и служит в качестве гнезда соединителя). Когда, по меньшей мере, одна из клемм 7, 8 включает в себя клапан высокого давления для сброса внутреннего давления батареи до давления окружающей атмосферы, клапан может быть закреплен в осевом отверстии внутри клеммы, см. фиг.5.
Наиболее предпочтительно клапан высокого давления 16 включает в себя: корпус 17 клапана, имеющий полую внутреннюю область 21, находящуюся в связи по газу с окружающей атмосферой и внутренней областью корпуса батареи через отверстия 15, 18 и 23; поршень 19 сброса давления, расположенный внутри полой внутренней области 21, причем поршень 19 сброса давления имеет такие размеры, чтобы герметизировать осевое отверстие 18, и имеет канавку 20 уплотнения на своей поверхности, противоположной осевому отверстию 18; эластомерное диэлектрическое уплотнение (не показано) находится внутри канавки уплотнения, причем канавка 20 уплотнения имеет такую форму, чтобы охватить все поверхности уплотнения, кроме одной, таким образом оставляя неохваченную поверхность уплотнения незащищенной; и пружину 22 сжатия, расположенную так, чтобы заставить поршень 19 сброса давления сжимать уплотнение в канавке 20 уплотнения и блокировать соевое отверстие 18 в клемме 7, 8. Подробности см. патент США 5258242 от 2 ноября 1993 "ELECTROCHEMICAL CELL HAVING IMPROVED PRESSURE VENT", раскрытие которого включено здесь в качестве ссылки. Снова, предпочтительно эластомерное диэлектрическое уплотнение изготовлено из непроницаемого для водорода вещества полисульфона. Дополнительно предпочтительно, чтобы клапан был сконструирован так, чтобы спускать избыточное внутреннее давление, большее приблизительно 8,436 кг/см2, чтобы обеспечить целостность батареи, так как для оболочек батареи обычно нормой является давление, самое большее, приблизительно 10,545 кг/см2.Most preferably, the
В дополнение к повторно уплотняемому клапану, описанному выше, в батареях могут использоваться другие типы клапанов, согласно настоящему изобретению. В частности, могут быть использованы разрушаемые диски, заглушки для высокого давления и мембранные клапаны. Один такой мембранный клапан описан в патенте США 5171647, содержание которого тем самым включено здесь в качестве ссылки. Также, в то время как предпочтительно, чтобы клапан высокого давления был размещен внутри полой клеммы батареи, клапан может также эффективно размещен в другом месте на верхней части батареи в собственном защитном корпусе или просто присоединен к отверстию в верхней части корпуса батареи. In addition to the resealable valve described above, other types of valves according to the present invention may be used in batteries. In particular, destructible discs, high pressure plugs and diaphragm valves can be used. One such membrane valve is described in US Pat. No. 5,171,647, the contents of which are hereby incorporated by reference. Also, while it is preferable that the high pressure valve be placed inside the hollow terminal of the battery, the valve can also be effectively placed elsewhere on the top of the battery in its own protective housing or simply attached to an opening in the upper part of the battery case.
Другой альтернативный вариант осуществления клеммы батареи представлен на фиг.6, которая изображает клемму 7, 8, в которую может быть плотно посажен, осуществляя фрикционное соединение, внешний соединитель 24 вывода батареи. Соединитель 24 присоединен к внешнему выводу 25 батареи. Вывод 25 может быть любого обычно известного типа, такого как сплошной стержень; металлическая лента; одножильный или многожильный провод; или кабель в оплетке для больших токов батареи (который описан ниже). Предпочтительно соединитель 24 вывода является полым кольцевым барабанным соединителем, который, осуществляя фрикционное соединение, вставляют в выровненное по оси центральное отверстие 15 клеммы 7, 8 батареи. Соединитель 24 вывода удерживается в клемме 7, 8 батареи посредством перегородки 26 барабанного соединителя. Сплошной барабанный соединитель описан в патентах США 4657335 от 14 апреля 1937 и 4734063 от 29 марта 1988 "RADIALLY RESILIENT ELECTRICAL SOCKET", которые включены здесь в виде ссылок. Another alternative embodiment of the battery terminal is shown in FIG. 6, which depicts a
Если необходимо, варианты осуществления, представленные на фиг.5 и 6, могут быть объединены в один вариант осуществления, который включает и клапан 16 повышенного давления, и внешний соединитель 24 вывода батареи. Кроме того, разрушаемый диск (то есть уплотняемое средство сброса излишнего давления, не являющееся повторно используемым) может быть включен вместо или в дополнение к клапану высокого давления. If necessary, the embodiments shown in FIGS. 5 and 6 can be combined into one embodiment, which includes both an
В то время как закупоренные обжимом клеммы и верхняя часть корпуса являются предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, могут быть использованы другие типы клемм и, поэтому, другие типы верхних частей корпуса. В частности, может быть использован винт на клемме, объединяющий уплотнение в виде O-кольца. Вообще, может быть использован любой тип известной уплотненной клеммы, пока она может сдерживать рабочие давления батареи и быть стойкой к электрохимической среде батареи. While crimped plugs and the upper case are a preferred embodiment of the present invention, other types of terminals and, therefore, other types of upper cases can be used. In particular, a screw can be used on a terminal uniting an O-ring seal. In general, any type of known sealed terminal may be used as long as it can withstand the operating pressure of the battery and be resistant to the electrochemical environment of the battery.
В то время как любая система батарей может выгодно использовать представленные улучшения конструкции батареи, модуля и пакета, предпочтительно, чтобы положительные электроды были изготовлены из гидроксида никеля, а отрицательные электроды изготовлены из поглощающего водород сплава. Предпочтительно, веществом отрицательного электрода является овониковый металлгидридный сплав (то есть неупорядоченный многокомпонентный металлгидридный сплав, который описан в заявке на патент США 08/259793 от 14 июня 1994, патенте США 5407781 от 18 апреля 1995 (оба документа специально включены здесь в качестве ссылки), и применениях и ссылках, которые зависят от них и на которые специально ссылаются в этих документах. Также предпочтительно, чтобы электроды отделялись неткаными фетровыми нейлоновыми или полипропиленовыми сепараторами, а электролит являлся щелочным электролитом, например, содержащим 20-45 вес. % гидроксида калия. Такие сепараторы описаны в патенте США 5330861, который приведен здесь в качестве ссылки. While any battery system can take advantage of the improvements presented in the design of the battery, module, and bag, it is preferred that the positive electrodes are made of nickel hydroxide and the negative electrodes are made of a hydrogen-absorbing alloy. Preferably, the negative electrode material is an ovonic metal hydride alloy (i.e., a disordered multicomponent metal hydride alloy, which is described in US patent application 08/259793 of June 14, 1994, US patent 5407781 of April 18, 1995 (both documents are expressly incorporated herein by reference), and applications and references which depend on them and which are specifically referred to in these documents. It is also preferred that the electrodes are separated by non-woven felt nylon or polypropylene separators, and electrolytes t was an alkaline electrolyte, for example, containing 20-45 wt.% potassium hydroxide. Such separators are described in US Pat. No. 5,330,861, which is incorporated herein by reference.
Ni-MH батареи для бытового применения на рынке использовали металл-гидридные электроды на основе пасты, чтобы достичь достаточной степени рекомбинации газа и защитить основной сплав от окисления и коррозии. Такие электроды на основе пасты обычно объединяют смесь порошка активного вещества с пластиковыми связующими и другими непроводящими гидрофобными веществами. Ненужным следствием этого способа является значительное уменьшение теплопроводности структуры электрода по сравнению с структурой, согласно настоящему изобретению, которая состоит по существу из 100%-ного проводящего активного вещества, напрессованного на проводящую подложку. Domestic Ni-MH batteries used paste-based metal hydride electrodes to achieve a sufficient degree of gas recombination and protect the base alloy from oxidation and corrosion. Such paste based electrodes typically combine a mixture of the active substance powder with plastic binders and other non-conductive hydrophobic substances. An unnecessary consequence of this method is a significant decrease in the thermal conductivity of the electrode structure compared to the structure according to the present invention, which consists essentially of a 100% conductive active substance pressed onto a conductive substrate.
В закупоренной призматической Ni-MH батарее, согласно настоящему изобретению, увеличения теплоты, выделяемой во время перезарядки, избегают, используя связку элементов из теплопроводящего электродного вещества на основе гидрида металла. Это теплопроводящее на основе гидрида металла электродное вещество содержит частицы гидрида металла в близком контакте друг с другом. Газообразный кислород, сгенерированный во время перезарядки, рекомбинирует с образованием воды и теплоты на поверхности этих частиц. В настоящем изобретении эта теплота передается по веществу теплопроводящего отрицательного электрода на коллектор тока и затем - к поверхности корпуса. Тепловая эффективность связки из теплопроводящего на основе гидрида металла электродного вещества дополнительно улучшается, если эта связка электродов находится в тепловом контакте с корпусом батареи, который является также теплопроводящим. In a sealed prismatic Ni-MH battery according to the present invention, an increase in heat released during recharging is avoided using a bundle of metal hydride-based thermally conductive electrode materials. This thermally conductive metal hydride-based electrode substance contains particles of metal hydride in close contact with each other. Oxygen gas generated during recharging recombines to form water and heat on the surface of these particles. In the present invention, this heat is transferred through the material of the heat-conducting negative electrode to the current collector and then to the surface of the housing. The thermal efficiency of a bunch of thermally conductive metal hydride-based electrode material is further improved if this bundle of electrodes is in thermal contact with the battery case, which is also thermally conductive.
В настоящем изобретении вещество на основе гидрида металла отрицательного электрода предпочтительно является агломерированным веществом электрода, таким которое описано в патентах США 4765598; 4820481; 4915898, 5507761 и заявке на патент США 08/259793 (которые приведены здесь в качестве ссылки), изготовленным с использованием спекания так, чтобы частицы Ni-MH находились в тесном тепловом контакте друг с другом. In the present invention, the negative electrode metal hydride material is preferably an agglomerated electrode material, such as that described in US Pat. Nos. 4,765,598; 4,820,481; 4915898, 5507761 and US patent application 08/259793 (which are incorporated herein by reference) made by sintering so that Ni-MH particles are in close thermal contact with each other.
Положительный электрод, используемый в настоящем изобретении, изготовлен из веществ на основе гидроксида никеля. Положительные электроды могут быть агломерированы так, как описано в патенте США 5344728 (включенного в качестве ссылки), также как введены в виде пасты в никелевую пену или штейн никелевых волокон, как описано в патенте США 5348822 и его продолжениях (включенных в качестве ссылки). The positive electrode used in the present invention is made of nickel hydroxide based materials. Positive electrodes can be agglomerated as described in US Pat. No. 5,347,728 (incorporated by reference), as well as pasted into nickel foam or matte of nickel fibers, as described in US Pat. No. 5,348,822 and its extensions (incorporated by reference).
Один аспект настоящего изобретения указывает, что в герметизированных Ni-MH батареях генерация тепла особенно высока во время перезарядки, особенно при коммерчески необходимых применениях с быстрым зарядом. Примечательно, что теплота, сгенерированная во время перезарядки, выделяется из-за рекомбинации кислорода на поверхности металлгидридного электрода. Следовательно, возможно использовать теплопроводящий металлгидридный электрод вместе с положительным электродом на основе пасты. Этот предпочтительный вариант осуществления особенно полезен для оптимизации удельной энергии, общей эффективности и стоимости батареи. Для более подробного описания использования агломерированных электродов см. заявку на патент США 08/238570 "OPTIMIZED CELL PACK FOR LARGE SEALED NICKEL-METAL HYDRIDE BATTERIES" от 5 мая 1994, приведенную здесь в качестве ссылки. One aspect of the present invention indicates that in sealed Ni-MH batteries, heat generation is particularly high during recharging, especially in commercially necessary fast charge applications. It is noteworthy that the heat generated during recharging is released due to the recombination of oxygen on the surface of the metal hydride electrode. Therefore, it is possible to use a thermally conductive metal hydride electrode together with a positive paste-based electrode. This preferred embodiment is particularly useful for optimizing specific energy, overall efficiency and battery cost. For a more detailed description of the use of agglomerated electrodes, see US Patent Application 08/238570 "OPTIMIZED CELL PACK FOR LARGE SEALED NICKEL-METAL HYDRIDE BATTERIES" dated May 5, 1994, incorporated herein by reference.
Как изображено на фиг. 2, каждый из электродов 4, 5, которые образуют пакет электродов, имеет электрические соединительные выводы 27, присоединенные к ним. Эти выводы 27 используют для передачи тока, созданного в батарее и текущего к клеммам 7, 8 батареи. Выводы 27 электрически соединены с клеммами 7, 8, которые могут включать в себя выступ 28 для как раз такого присоединения. В качестве альтернативы этот выступ 28 может использоваться для электрического и физического присоединения клеммы 7, 8 к коллекторной гребенке 29 вывода электрода. Как показано на фиг.7, гребенка 29 является обычно электрически проводящим стержнем, который включает в себя множество принимающих выводы электрода параллельных прорезей 30, которые удерживают выводы 27 электрода трением, сваркой или пайкой тугоплавким припоем. Фиг.7 также изображает отверстие 31 соединителя клеммы батареи в гребенке 29, принимающей выводы. Приваривающийся/припаивающийся фланец 28 клеммы батареи вставляют посредством прессовой посадки в отверстие 31, и затем он может быть припаян твердым припоем или приварен на место, если это необходимо или желательно. As shown in FIG. 2, each of the
Гребенка 29 обеспечивает устойчивый к вибрациям соединитель для передачи электрической энергии от электродов 4, 5 к клеммам 7, 8. Гребенка 29 обеспечивает большую устойчивость к вибрациям по сравнению с предшествующим способом болтового соединения собираемых выводов 27 к фланцу 28 нижней части клеммы 7, 8. Известный способ присоединения выводов 27 к клемме 7, 8 также требует более длинных выводов и более длинного корпуса (корпус, имеющий большее пространство над текучей средой). Это увеличивает общий вес и объем батарей. Отсутствие болтов значительно уменьшает пространство над текучей средой, приводя к увеличению объемной плотности энергии. Гребенка 29 и клеммы 7, 8 батареи предпочтительно изготовлены из меди или медного сплава, который, более предпочтительно, покрыт никелем для стойкости к коррозии. Однако они могут быть изготовлены из любого электрически проводящего вещества, которое является совместимым с химией батареи. В то время как гребенка, принимающая выводы электрода, является предпочтительным средством присоединения выводов электрода к клеммам батареи, другие известные средства, такие как болты, винты, сварка или пайка тугоплавким припоем также могут использоваться, и, следовательно, заявители не ограничены предпочтительным вариантом осуществления.
Положительные и отрицательные электроды 4, 5 батареи могут быть расположены в корпусе 2 батареи так, что их соответствующие электрические коллекторные выводы 27 расположены напротив друг друга в верхней части корпуса. То есть, все электрические коллекторные выводы отрицательного электрода расположены с одной стороны батареи, а все электрические коллекторные выводы положительного электрода расположены с противоположной стороны батареи. Предпочтительно, положительные и отрицательные электроды батареи имеют вырезанные углы (не показано), где расположены электрические коллекторные выводы электродов противоположной полярности, таким образом избегая короткого замыкания между электродами и удаляя неиспользуемый собственный вес вещества электрода. Короткое замыкание может происходить, когда электрические коллекторные выводы одного электрода скручиваются или имеют острые выступы, которые затем могут проткнуть сепаратор электродов и осуществить короткое замыкание со смежным противоположной полярности электродом. Собственный вес вещества электрода образуется из-за внедрения активного вещества в электроды, которые являются неактивными, так как они не являются смежными с веществами их противоположного электрода. The positive and
Хотя батареи могут иметь любое число электродов, в зависимости от их толщины, предпочтительно батарея включает в себя 19 положительных электродов и 20 отрицательных электродов, поочередно расположенных внутри указанного корпуса. То есть, электроды являются чередующимися, причем отрицательные расположены с внешней стороны, и чередующимися положительными и отрицательными внутри всего пакета электродов. Эта конфигурация избегает возможных коротких замыканий, когда батареи находятся под действием внешней механической силы сжатия. То есть, если имеются положительный и отрицательный электроды с внешней стороны пакета электродов, будет возможность формирования электродами электрического короткого замыкания через металлический корпус батареи, когда батарея подвергается внешнему механическому сжатию. Although the batteries can have any number of electrodes, depending on their thickness, preferably the battery includes 19 positive electrodes and 20 negative electrodes, alternately located inside the specified housing. That is, the electrodes are alternating, with the negative ones located on the outside, and alternating positive and negative inside the entire package of electrodes. This configuration avoids possible short circuits when the batteries are exposed to an external mechanical compression force. That is, if there are positive and negative electrodes on the outside of the electrode stack, it will be possible for the electrodes to form an electrical short circuit through the metal housing of the battery when the battery is subjected to external mechanical compression.
В то время как необходимо иметь сепараторы 6 только для электродов, окружающие один набор электродов батареи (то есть сепараторы вокруг только отрицательных или только положительных электродов), может быть выгодно включить сепараторы 6, окружающие каждый набор электродов. Данные указывают, что использование двойных сепараторов может уменьшить уровень саморазряда батарей. В частности, удержание заряда увеличилось от приблизительно 80% после двух дней для батарей с одиночным сепаратором до приблизительно 93% после двух дней для батарей, имеющих двойные сепараторы. Сепараторы 6 являются хорошо известными обычными полипропиленовыми сепараторами. Они имеют ориентированные зерна или структуру с канавками, которая, как думается, должна быть получена машинной обработкой, и предпочтительно, чтобы зерна или канавки вещества сепаратора полипропилена были ориентированы вдоль длины электродов. Эта ориентация уменьшает трение и предотвращает захват и прилипание зерен или канавок одного сепаратора с таковыми смежного сепаратора во время механического сжатия и/или расширения электродов, так как прилипание и захват может вызывать раскалывание электродов. While it is necessary to have
Другой аспект настоящего изобретения включает в себя усовершенствованный модуль батареи высокой мощности (термин "модуль батареи" или "модуль", используемый здесь, определяет два или более электрически взаимосвязанных элементов), специально показанный на фиг.8-12. Чтобы быть пригодным, батареи в модуле должны быть плотно упакованы, переносными и механически прочными при использовании. К тому же, вещества, используемые в конструкции модулей батареи (кроме самих батарей), не должны чрезмерно увеличивать собственный вес модуля, или плотности энергии модулей будут снижаться. Также, так как батареи генерируют большое количество теплоты во время циклической работы, вещества конструкции должны быть теплопроводящими и достаточно малыми, чтобы не сталкиваться с проблемой передачи тепла далеко от батарей, или действовать как радиатор, захватывая теплоту внутри батарей и модулей. Чтобы удовлетворить эти и другие требования, заявители настоящего изобретения разработали усовершенствованный модуль батареи высокой мощности. Another aspect of the present invention includes an improved high power battery module (the term “battery module” or “module” as used herein defines two or more electrically interconnected cells) specifically shown in FIGS. 8-12. To be suitable, the batteries in the module must be tightly packed, portable, and mechanically durable when used. In addition, the substances used in the design of battery modules (except for the batteries themselves) should not excessively increase the module's own weight, or the energy density of the modules will decrease. Also, since the batteries generate a large amount of heat during cyclic operation, the structural substances must be heat-conducting and small enough not to face the problem of heat transfer far from the batteries, or act like a radiator, trapping heat inside the batteries and modules. To meet these and other requirements, the applicants of the present invention have developed an improved high power battery module.
Модуль 32 батареи согласно настоящему изобретению включает в себя: множество отдельных батарей 1; множество электрических межсоединений 25, соединяющих отдельные батареи 1 модуля 32 друг с другом и предоставляющих средство для электрического межсоединения отдельных модулей 32 батареи друг с другом; и средство связки/сжатия модуля батареи. Батареи связывают вместе при внешнем механическом сжатии (преимущества которого описаны ниже) внутри средства модуля связки/сжатия так, что они являются закрепленными и не поворачиваются или не смещаются, когда подвергаются воздействию механическим вибрациям при транспортировке или использовании. The
В то время как любое число батарей может быть связано в модуль, 2-15 батареи на "связку" является типовым. Модули 32 батареи обычно являются связками призматических батарей, согласно настоящему изобретению. Предпочтительно, они являются связанными так, что они все ориентируются одинаковым образом, причем каждая батарея имеет электрические клеммы, размещенные на верхней части (см. фиг.9 и 12). Батареи ориентированы в модуле так, что их самые узкие боковые поверхности обращены к сторонам модуля, а их более широкие стороны (те, которые при расширении батарей будут деформироваться) размещены смежными с другими батареями в модуле. Такое расположение допускает расширение только в одном направлении внутри модуля, которое является желательным. While any number of batteries can be connected in a module, 2-15 batteries per “bundle” is typical.
Батареи 1 связывают внутри средства связки/сжатия модуля под действием внешней механической силы сжатия, которая оптимизирована так, чтобы сбалансировать давление, направленное наружу из-за расширения компонентов батареи, и обеспечить дополнительную внутреннюю силу сжатия на электроды батареи внутри каждой батареи, чтобы уменьшить расстояние между положительными и отрицательными электродами, посредством этого увеличивая общую мощность батареи.
Как описано выше, расширение призматических батарей, предпочтительно используемое в настоящих модулях, спроектировано однонаправленным, следовательно, сжатие для смещения расширения требуется только в этом одном направлении (см. стрелку 33 в направлении сжатия). Если смещения нет, это расширение вызовет прогиб и коробление внешнего корпуса батареи и большие, чем оптимальные, разделительные зазоры между электродами, таким образом уменьшая мощность батарей. Также, было обнаружено, что перекомпенсация для расширения до некоторой степени полезна. То есть, до некоторой степени излишнее сжатие фактически увеличивает выходную мощность (уменьшает внутреннее сопротивление) связанных батарей. Однако чрезмерное сжатие ведет к раскалыванию и короткому замыканию электродов внутри батарей. Механизм этой увеличенной мощности при чрезмерном сжатии, как полагают, следует из сжатия положительного электрода, что снижает сопротивление посредством уменьшения контактного сопротивления между частицами активного вещества в электроде и коллектором тока электрода. Также, сжатие сепаратора приводит к уменьшенному расстоянию между пластинами положительных и отрицательных электродов батареи, что делает более короткими пути перемещения ионов между электродами, таким образом уменьшая сопротивление электролита между ними. As described above, the extension of the prismatic batteries, preferably used in these modules, is designed unidirectional, therefore, compression to offset the expansion is required only in this one direction (see
Фиг. 17 показывает корреляцию сжатия модуля и сопротивления батареи. Модули, имеющие концевые пластины, были сжаты, используя отличающиеся величины силы и внутреннего сопротивления батареи (относящиеся к общей выходной мощности и эффективности заряда), и измерялась толщина батареи. Как можно видеть из фиг.17, имеется оптимальный диапазон сжатия для этих модулей между приблизительно 4,921 и 11,951 кг/см2 (сила приблизительно 500-1180 кг на площадь приблизительно 100 см2) и функциональным диапазоном между приблизительно 3,5 до приблизительно 12,65 кг/см2 (приблизительно 363 кг приблизительно 1270 кг на площадь приблизительно 100 см2). Можно ясно видеть, что для этих специфических батарей, используемых в этом модуле, сжатие выше верхнего предела и сжатие ниже нижнего предела функционального диапазона вызывает увеличение внутреннего сопротивления батарей и, следовательно, уменьшает мощность. Следует отметить, что, в то время как оптимальные и функциональные диапазоны сжатия различны для батарей различных размеров, все графики зависимости сопротивления от сжатия для этих батарей различных размеров аналогичны в том, что имеются функциональные и оптимальные диапазоны сжатия для соответствующей эффективности элемента.FIG. 17 shows the correlation of module compression and battery resistance. Modules having end plates were compressed using different amounts of battery strength and internal resistance (related to the total output power and charge efficiency), and the thickness of the battery was measured. As can be seen from FIG. 17, there is an optimal compression range for these modules between about 4.921 and 11.951 kg / cm 2 (force of about 500-1180 kg per area of about 100 cm 2 ) and a functional range between about 3.5 to about 12, 65 kg / cm 2 (approximately 363 kg approximately 1270 kg per area of approximately 100 cm 2 ). It can be clearly seen that for these specific batteries used in this module, compression above the upper limit and compression below the lower limit of the functional range causes an increase in the internal resistance of the batteries and therefore reduces power. It should be noted that while the optimal and functional compression ranges are different for batteries of different sizes, all the graphs of the resistance to compression for these batteries of different sizes are similar in that there are functional and optimal compression ranges for the corresponding cell efficiency.
Найти конфигурацию конструкции/вещества, которая: допускает применение требуемого сжатия; выполняет требуемую механическую функцию устойчивости к вибрациям средства связывания/сжатия модуля и является легкой насколько возможно, представляет собой огромную задачу. Заявители обнаружили, что модули батареи могут быть связаны вместе под действием большой механической силы сжатия, используя металлические стержни 34 (предпочтительно, из нержавеющей стали), которые установлены вдоль всех четырех сторон модуля 32 батареи и сварены в четырех углах модуля, где встречаются стержни, таким образом формируя пояс вокруг периферии модуля батареи. Предпочтительно, сварные металлические стержни 34 расположены посередине между верхом и низом модуля батареи, которые находятся там, где расширение наибольшее. Сжатие батарей в областях, не содержащих пакет электродов, не является полезным, так как при этом не сжимаются электроды. Фактически, это может быть вредно, так как это приводит к замыканию электродов на металлический кожух через внутренний изолятор. Find a structure / substance configuration that: allows the use of the required compression; performs the required mechanical function of vibration resistance of the module binding / compression means and is as light as possible, it is a huge task. Applicants have discovered that battery modules can be bonded together by high mechanical compression forces using metal rods 34 (preferably stainless steel) that are installed along all four sides of the
Следует отметить, что размеры толщины и ширины по периметру верхней и нижней частей корпуса батареи меньше на 0,5-1,0 мм, чем общие размеры толщины и ширины. Эти уменьшенные габариты гарантируют, чтобы все сжимающее усилие передается только пакету пластин электрода и сепараторам. It should be noted that the thickness and width dimensions along the perimeter of the upper and lower parts of the battery case are less by 0.5-1.0 mm than the total thickness and width dimensions. These reduced dimensions ensure that all compressive force is transmitted only to the electrode plate pack and separators.
Более предпочтительно, чтобы сварные металлические стержни 34 включали в себя два или три набора стержней, установленных посередине между верхней и нижней границами модуля батареи. Если используют три набора стержней, то первый набор стержней должен быть расположен на половине расстояния между верхней и нижней границами модуля батареи, второй набор стержней затем размещают между первым набором стержней и верхней границей модуля батареи, и третий набор стержней размещают между первым набором стержней и нижней границей модуля батареи. Это допускает однородное распределение сжатия и ослабление напряжения на любом одном наборе стержней. Это распределение сжатия также допускает использование самых малых, самых легких металлических стержней, таким образом уменьшая собственный вес модуля. More preferably, the welded
Другая предпочтительная конструкция использует металлические концевые пластины 35 на концах модуля. Стержни из нержавеющей стали расположены вдоль поверхностей модуля батареи и приварены в углах модуля к прямоугольной металлической трубке (45 на фиг. 9), которая заменяет концевые стержни и удерживает концевые пластины 35 на месте. Эта конструкция допускает даже лучшее распределение усилий сжатия. Концевые пластины 35 предпочтительно изготавливают из алюминия и могут включать в себя ребра 36, выступающие перпендикулярно плоскости концевых пластин 35, таким образом обеспечивая дополнительную прочность пластинам 35 и допуская использование более легких веществ. (Один вариант осуществления концевых пластин показан на фиг.13а и 13b. Другие варианты осуществления описаны в заявке на патент США 08/238570 от 5 мая 1995, приведенной здесь в качестве ссылки.) Когда концевые пластины 35 имеют такую ребристость 36, необходимо иметь прорези (фиг.9) в ребристости, чтобы разместить прямоугольную металлическую трубку 45. Концевые пластины 35 предпочтительно могут быть термически изолированы или изолированы от батарей, связанных в модуль 32, теплоизолирующим веществом, таким как теплоизолирующий слой полимера или полимерной пены. Эта изоляция предотвращает неравномерное распределение температуры батареи внутри модуля, которое может быть вызвано охлаждающим действием ребер 36 концевых пластин 35. Однако ребра 36 могут обеспечивать дополнительное тепловое рассеивание для батарей 1 внутри модуля 32, если необходимо, осуществляя тепловой сток с концевых пластин 35 к смежным батареям 1. Another preferred design utilizes
Каждый из модулей 32 может дополнительно включать в себя модульные прокладки 37 (см. фиг.11 и 12), которые удерживают модули 32 на расстоянии от любых других модулей 32 и от корпуса пакета батарей. Эти модульные прокладки 37 размещены сверху и снизу модуля 32, чтобы обеспечить защиту углам батарей 1 внутри модуля 32 и электрическим межсоединениям 25 и клеммам 7, 3 батарей 1. Более важно, выводы 38 на поверхностях прокладок 37 удерживают модули 32 на оптимальном расстоянии. Прокладки 37 предпочтительно изготовлены из легкого электрически непроводящего вещества, такого как прочный полимер. Также, это важно для общей плотности энергии пакета, чтобы прокладки включали в себя возможно меньше общего количества вещества, чтобы выполнять требуемую от них функцию и все еще оставаться такими легкими, насколько это возможно. Each of the
Батареи и модули согласно настоящему изобретению предпочтительно электрически соединены проводящими проводами 25 (см. фиг.8 и 9), которые обеспечивают соединение между ними с низким сопротивлением. Общее сопротивление, включающее в себя сопротивление провода и контактное сопротивление, не должно превысить предпочтительно 0,1 мОм. Провода прикреплены к клеммам винтом или болтом или, предпочтительно, гнездовым барабанным соединителем 24. Электрические межсоединения 25 модуля 32 батареи, согласно настоящему изобретению, предпочтительно являются соединениями из кабеля в оплетке (см. фиг.14), которые обеспечивают высокое тепловое рассеяние и гибкость конструкции/конфигурации модуля. То есть, соединения 25 из кабеля в оплетке выполняют две важные функции внутри модулей батареи, согласно настоящему изобретению (кроме их нормальной функции передачи электрической энергии вне батарей). Во-первых, кабель 25 в оплетке является гибким, который приспосабливается к расширению и сжатию отдельных батарей 1, что приводит к изменению расстояния между клеммами 7, 8 отдельных батарей внутри модуля 32. Во-вторых, соединение 25 из кабеля в оплетке имеет значительно большую площадь поверхности, чем сплошной кабель или шина. Это важно для теплового управления батарей, модулей и пакетов, согласно настоящему изобретению, так как электрическое соединение является частью теплового пути, который начинается во внутренней части батареи, проходит через электроды 4, 5, через вывод электрода 27, через клемму батареи 7, 8 и выходит к электрическому межсоединению 25. Поэтому, чем выше площадь поверхности электрического межсоединения 25, тем больше тепловое рассеяние и лучше тепловое управление батареями 1. Электрическое межсоединение 25 из кабеля в оплетке предпочтительно изготавливают из меди или медного сплава, который предпочтительно покрывают никелем для стойкости против коррозии. The batteries and modules of the present invention are preferably electrically connected by conductive wires 25 (see FIGS. 8 and 9), which provide a low resistance connection between them. The total resistance, including the resistance of the wire and the contact resistance, should not exceed preferably 0.1 mOhm. The wires are attached to the terminals with a screw or bolt, or preferably a
Еще одним аспектом настоящего изобретения (показанным на фиг.15) является механическая конструкция охлаждаемых текучей средой пакетных систем батарей (используемые термины "пакет батарей" или "пакет" относятся к двум или более электрически соединенным модулям батарей). Снова следует отметить, что во время циклической работы батарей они выделяют большое количество ненужного тепла. Это является особенно истинным во время заряда батарей. Это излишнее тепло может быть вредным и даже катастрофичным для системы батарей. Another aspect of the present invention (shown in FIG. 15) is the mechanical design of a fluid-cooled battery pack system (the terms “pack of batteries” or “pack” are used to refer to two or more electrically connected battery modules). Again, it should be noted that during the cyclic operation of the batteries they emit a large amount of unnecessary heat. This is especially true during battery charging. This excess heat can be harmful and even disastrous for the battery system.
Некоторые из отрицательных характеристик, с которыми сталкиваются, когда пакетные системы батарей не имеют никакого или имеют неподходящее тепловое управление, включают в себя: существенно более низкая емкость и мощность; существенно увеличенный саморазряд; несбалансированные температуры между батареями и модулями, ведущие к неправильному обращению с батареей и уменьшенный срок службы батарей. Поэтому, ясно, что для оптимально полезной пакетной системы батарей необходимо соответствующее тепловое управление. Some of the negative characteristics encountered when packaged battery systems do not have any or have inadequate thermal management include: significantly lower capacity and power; significantly increased self-discharge; unbalanced temperatures between the batteries and the modules leading to improper battery handling and reduced battery life. Therefore, it is clear that an optimally useful battery pack system requires adequate thermal management.
Некоторыми из факторов, которые нужно рассмотреть при тепловом управлении пакетной системы батарей, являются: все батареи и модули должны быть сохранены более холодными, чем 65oС, чтобы избежать постоянного нанесения повреждений батареям; все батареи и модули должны быть сохранены более холодными, чем 55oС, чтобы получить по меньшей мере 80% номинальной эффективности батареи; все батареи и модули должны быть сохранены более холодными чем 45oС, чтобы достичь максимального срока службы, и разность температур между отдельными батареями и модулями батареи должна сохраняться ниже 8oС для оптимальной эффективности. Следует отметить, что усовершенствования в настоящем изобретении регулируют разность температур между батареями в пределах менее чем приблизительно 2oС.Some of the factors that need to be considered when thermal management of a batch battery system are: all batteries and modules should be kept colder than 65 o C in order to avoid permanent damage to batteries; all batteries and modules should be kept colder than 55 ° C in order to obtain at least 80% of the nominal battery efficiency; all batteries and modules should be kept colder than 45 ° C in order to achieve maximum service life, and the temperature difference between individual batteries and battery modules should be kept below 8 ° C for optimal efficiency. It should be noted that the improvements in the present invention regulate the temperature difference between the batteries within less than about 2 o C.
Тепловое управление пакетной системой батарей должно обеспечить адекватное охлаждение, чтобы обеспечить оптимальную эффективность и долговечность Ni-MH батарей в широком разнообразии рабочих режимов. Температуры окружающего воздуха в США находятся в широком диапазоне, по меньшей мере, от -30oС до 43oС в 49 штатах нижних широт. Необходимо достичь рабочей полноценности пакетов батареи при этом диапазоне температур окружающего воздуха, в то же время поддерживая батареи в их оптимальном диапазоне эффективности приблизительно от -1oС до 38oС.Thermal management of the battery pack system should provide adequate cooling to ensure optimal performance and longevity of Ni-MH batteries in a wide variety of operating modes. Ambient temperatures in the United States are in a wide range, at least from -30 o C to 43 o C in 49 states of lower latitudes. It is necessary to achieve the working usefulness of the battery packs at this ambient temperature range, while at the same time maintaining the batteries in their optimal efficiency range from about -1 o C to 38 o C.
Никельметаллгидридные батареи обнаруживают ухудшение характеристики эффективности заряда при критически высоких температурах выше 43oС из-за проблем, возникающих из-за выделения кислорода на никелевом положительном электроде. Чтобы избежать этих неэффективностей, температура батареи во время заряда должна быть в идеальном случае удержана ниже 43oС. Никельметаллгидридные батареи также обнаруживают ухудшение характеристики мощности при температурах ниже приблизительно -1oС из-за ухудшенной характеристики отрицательного электрода. Чтобы избежать малой мощности, температура батареи должна быть удержана выше приблизительно -1oС во время разряда.Nickel-metal hydride batteries exhibit a deterioration in charge efficiency characteristics at critically high temperatures above 43 ° C due to problems arising from oxygen evolution on the nickel positive electrode. To avoid these inefficiencies, the temperature of the battery during charging should ideally be kept below 43 ° C. Nickel-metal hydride batteries also show a deterioration in power performance at temperatures below about -1 ° C due to the degraded performance of the negative electrode. To avoid low power, the temperature of the battery should be kept above about -1 o C during discharge.
Как упомянуто выше, в дополнение к ухудшенной эффективности при высоких и низких температурах, вредные эффекты могут иметь место в результате разностей температуры между батареями внутри модуля во время заряда. Большие разности температуры вызывают несбалансированности в эффективности заряда батарей, которые, в свою очередь, могут вызывать несбалансированности состояния заряда, приводя к пониженной емкостной характеристике и потенциально ведущие к неправильному использованию значительного перезаряда и переразряда. Чтобы избежать этих проблем, разность температур между батареями должна управляться в пределах менее чем 8oС и, предпочтительно, менее чем 5oС.As mentioned above, in addition to poor performance at high and low temperatures, harmful effects can occur as a result of temperature differences between the batteries inside the module during charging. Large temperature differences cause imbalances in the battery charge efficiency, which, in turn, can cause imbalances in the state of charge, leading to reduced capacitive characteristics and potentially leading to improper use of significant overcharging and overdischarging. To avoid these problems, the temperature difference between the batteries should be controlled within less than 8 o C. and preferably less than 5 o C.
Фиг. 18 показывает соотношение между удельной энергией батареи, измеряемой в Вт•час/кг, и температурой батареи для никельметаллгидридной батареи, согласно настоящему изобретению. Как можно видеть, удельная энергия батареи начинает падать выше приблизительно 20oС или около того и резко снижается при температуре выше приблизительно 40oС. Фиг.19 показывает соотношение между удельной мощностью батареи, измеряемой в Вт/кг, и температурой батареи для никельметаллгидридной батареи, согласно настоящему изобретению. Как может быть замечено, удельная мощность батареи растет с температурой, но выравнивается выше приблизительно 40oС.FIG. 18 shows the relationship between the specific energy of a battery, measured in W • h / kg, and the temperature of a battery for a nickel metal hydride battery according to the present invention. As you can see, the specific energy of the battery begins to fall above about 20 o C or so and decreases sharply at temperatures above about 40 o C. Fig.19 shows the relationship between the specific power of the battery, measured in W / kg, and the temperature of the battery for Nickel-metal hydride batteries according to the present invention. As can be seen, the specific power of the battery increases with temperature, but evens out above about 40 o C.
Другие факторы в конструкции охлаждаемой текучей средой пакетной системы батарей включают в себя механические вопросы. Например, плотности упаковки батареи и модуля должны быть как можно более высокими, чтобы сохранить пространство в конечном продукте. К тому же, что-нибудь добавляемое к системе пакета батарей для обеспечения теплового управления в конечном счете уменьшает общую плотность энергии системы батарей, так как это само по себе не дает вклада в непосредственно электрохимическую емкость батарей. Чтобы удовлетворить эти и другие требования, заявители разработали охлаждаемую текучей средой пакетную систему батарей согласно настоящему изобретению. Other factors in the design of a fluid-cooled packet battery system include mechanical issues. For example, the packing densities of the battery and module should be as high as possible to save space in the final product. In addition, anything added to the battery pack system to provide thermal management ultimately reduces the overall energy density of the battery system, since this alone does not contribute directly to the electrochemical capacity of the batteries. To meet these and other requirements, applicants have developed a fluid-cooled packaged battery system according to the present invention.
В своей наиболее общей форме (вариант осуществления, показанный на фиг. 15) настоящая охлаждаемая текучей средой пакетная система 39 батарей включает в себя: корпус 40 пакета батарей, имеющий по меньшей мере одно входное отверстие 41 для хладагента и по меньшей мере одно выходное отверстие 42 для хладагента; по меньшей мере один модуль 32 батареи, расположенный и установленный внутри корпуса 40 так, что модуль 32 батареи удален от стенок корпуса и от любых других модулей 32 батареи внутри корпуса 40, чтобы сформировать каналы 43 для тока хладагента вдоль, по меньшей мере, одной поверхности связанных батарей, ширина каналов 43 для тока хладагента имеет оптимальные размеры, чтобы учесть максимальную теплопередачу посредством конвективных, проводящих и излучающих механизмов теплопередачи от батарей хладагенту и по меньшей мере одно средство 44 транспортировки хладагента, которое заставляет хладагент поступать в средство 41 входного отверстия для хладагента в корпусе 40, протекать через каналы 43 для тока хладагента и выходить через средство 42 выходного отверстия для хладагента из корпуса 40. Предпочтительно, и более реалистично, пакетная система 39 батарей включает в себя множество модулей 32 батареи, обычно от 2 до 100 модулей, размещаемых в 2- или 3-мерной матричной конфигурации внутри корпуса. Матричная конфигурация допускает высокую плотность упаковки, в то же время позволяя хладагенту течь через по меньшей мере одну поверхность каждого из модулей 32 батареи. In its most general form (the embodiment shown in FIG. 15), the present fluid-cooled
Корпус 40 пакета батарей предпочтительно изготовлен из электрически изолирующего вещества. Более предпочтительно, корпус 40 изготавливают из легкого электрически изолирующего полимерного вещества с длительным сроком службы. Вещество должно электрически изолировать так, чтобы не было короткого замыкания батарей и модулей, если корпус касается их. Также, вещество должно быть легким, чтобы увеличить общую плотность энергии пакета. В заключение, вещество должно быть прочным и способно противостоять жестким предельным условиям использования пакета батарей. Корпус 40 пакета батарей включает в себя одно или более входных отверстий 41 хладагента и выходных отверстий 42, которые могут быть специализированными портами для текучей среды, если необходимо, но предпочтительно являются просто отверстиями в корпусе 40 пакета батарей, через которые охлаждающий воздух входит и выходит из пакета батареи. The
Охлаждаемая текучей средой система 39 пакета батарей разработана, чтобы использовать электрически изолирующий хладагент, который может быть или газообразным, или жидким. Предпочтительно, хладагент является газообразным и, более предпочтительно, хладагент является воздухом. Когда воздух используют в качестве хладагента, средство 44 транспортировки хладагента является предпочтительно нагнетательным вентилятором, и более предпочтительно вентилятором, который обеспечивает расход воздуха 28317-84951 см3/мин воздуха на элемент в пакете.The fluid-cooled
Вентиляторы не должны непрерывно нагнетать охлаждающий воздух в пакет батареи, но могут управляться так, чтобы поддерживать температуры пакета батарей в пределах оптимальных уровней. Необходимо предусмотреть управление вентилятором для включения и выключения вентилятора и предпочтительно для управления скоростью вентилятора для обеспечения эффективного охлаждения во время заряда, запуска и неактивных состояний без нагрузки. Обычно охлаждение является наиболее критичным во время заряда, но также необходимо во время агрессивного запуска. Скорость вентилятора управляется на основании разности температур пакета батарей и окружающей среды, а также на основании абсолютной температуры, последнее - чтобы не охладить батарею, когда уже холодно, или так, чтобы обеспечить дополнительное охлаждение, когда батарея имеет температуру вблизи верхней границы ее идеального интервала температур. Fans do not need to continuously inject cooling air into the battery pack, but can be controlled so as to maintain the temperature of the battery pack at optimum levels. It is necessary to provide fan control to turn the fan on and off, and preferably to control the fan speed to ensure efficient cooling during charging, starting, and inactive states without load. Typically, cooling is most critical during a charge, but also necessary during an aggressive start. The fan speed is controlled based on the temperature difference between the battery pack and the environment, as well as on the basis of the absolute temperature, the latter not to cool the battery when it is already cold, or to provide additional cooling when the battery has a temperature near the upper limit of its ideal temperature range .
Для никельметаллгидридной батареи вентиляторы также необходимы в неактивные периоды после заряда. Прерывистое охлаждение необходимо при этом условии, чтобы обеспечить эффективное охлаждение и приводит к экономии электроэнергии сети, сохраняя скорость саморазряда ниже потребляемой вентилятором мощности. Типичный результат (фиг.16) показывает вентилятор в момент времени 2,4 часа после начального охлаждения после заряда. Обычно нормальная процедура управления вентилятором работает хорошо в этом сценарии. Управление вентилятором при необходимости допускает использование мощных вентиляторов для эффективного охлаждения без потребления полной мощности вентилятора в течение всей работы, таким образом сохраняя энергетическую эффективность высокой. Использование более мощных вентиляторов полезно для поддержания оптимальной температуры пакета, что помогает оптимизировать эффективность и срок службы пакета. For a nickel-metal hydride battery, fans are also needed during inactive periods after charging. Intermittent cooling is necessary under this condition to ensure efficient cooling and leads to energy saving of the network, while maintaining the self-discharge rate below the power consumed by the fan. A typical result (Fig. 16) shows a fan at a point in time of 2.4 hours after initial cooling after charging. Normally, the normal fan control routine works well in this scenario. Fan control, if necessary, allows the use of powerful fans for efficient cooling without consuming the full power of the fan during the entire operation, thus maintaining high energy efficiency. The use of more powerful fans is useful for maintaining the optimum temperature of the bag, which helps optimize the efficiency and life of the bag.
Один пример процедуры управления вентилятором обеспечивает это, если максимальная температура батареи выше 30oС, а температура окружающего воздуха ниже (предпочтительно 5oС или ниже), чем максимальная температура батареи, то вентиляторы включаются и нагнетают более холодный воздух в каналы хладагента.One example of a fan control procedure ensures that if the maximum temperature of the battery is higher than 30 ° C and the ambient temperature is lower (preferably 5 ° C or lower) than the maximum temperature of the battery, then the fans turn on and pump cooler air into the refrigerant channels.
Другой полезный алгоритм управления вентилятором использует вентиляторы с переменными скоростями в зависимости от некоторого критерия. Этот критерий включает в себя максимальную температуру батареи; температуру окружающей среды; текущее использование батареи (то есть заряд, ожидание заряда, высокая температура, большая глубина разряда (БГР) при приведении в действие, остановка и т.д.); напряжение любой вспомогательной батареи, которая питает вентиляторы хладагента: этот алгоритм изображен в табл. 2. Another useful fan control algorithm uses variable speed fans depending on some criteria. This criterion includes the maximum battery temperature; ambient temperature current battery usage (i.e. charge, standby charge, high temperature, large depth of discharge (BHG) when powered, stop, etc.); voltage of any auxiliary battery that supplies refrigerant fans: this algorithm is shown in table. 2.
В алгоритме, приведенном в табл. 2:
Tbatmax - максимальная температура модуля;
Tamb - температура окружающего воздуха;
Delta - Tbatmax-Tamb (отрицательные значения принимают равными нулю)
PWM - величина в процентах сигнала управления модуляции ширины импульса вентилятора (PWM) (0=выкл., 100=полной мощности);
Vauxbat - напряжение дополнительной батареи вентилятора;
Minspeed - минимальная скорость вентилятора, 30% PWM при зарядке, ожидании заряда, высокой температуре, большой глубине разряда (БГР) при запуске; или
0% PWM в противном случае; и
Maxspeed - максимальная скорость вентилятора,
100% PMW при зарядке или ожидании заряда, или 65% PMW в противном случае.In the algorithm given in table. 2:
Tbatmax - maximum module temperature;
Tamb - ambient temperature;
Delta - Tbatmax-Tamb (negative values are set to zero)
PWM - percentage of the fan pulse width modulation control signal (PWM) (0 = off, 100 = full power);
Vauxbat - voltage of the additional fan battery;
Minspeed - minimum fan speed, 30% PWM when charging, waiting for charge, high temperature, large discharge depth (BGR) at startup; or
0% PWM otherwise; and
Maxspeed - maximum fan speed,
100% PMW when charging or waiting for a charge, or 65% PMW otherwise.
Расход и давление охлаждающей текучей среды должны быть достаточными, чтобы обеспечить достаточную теплоемкость и теплопередачу для охлаждения пакета. Расход текучей среды должен быть достаточным, чтобы обеспечить установившееся состояние удаления теплоты при максимальной ожидаемой поддерживаемой скорости выделения тепла, чтобы привести к приемлемому подъему температуры. В типовых Ni-MH пакетах батарей с теплотой 5-10 Вт на элемент, выделенной во время перезарядки (максимальное тепловыделение), необходим расход 28317-84951 см3/мин воздуха на элемент, чтобы обеспечить адекватное охлаждение просто на основе теплоемкости воздуха и достижения приемлемого подъема температуры. Может быть использован радиальный тип вентиляторов, чтобы обеспечить наиболее эффективный воздушный поток для теплового управления. Это имеет место из-за более высокого атмосферного давления, формируемого этими типами вентиляторов, в противоположность давлению, сформированному осевыми вентиляторами. Обычно, требуется падение давления по меньшей мере 1,27 см водного столба в рабочей точке вентилятора, который установлен в пакет. Чтобы получить это падение давления при высоких значениях расхода обычно требуется возможность создания вентилятором статического давления 3,8-7,62 см водного столба.The flow rate and pressure of the cooling fluid must be sufficient to provide sufficient heat capacity and heat transfer to cool the bag. The flow rate of the fluid must be sufficient to provide a steady state heat removal at the maximum expected supported rate of heat generation, in order to lead to an acceptable temperature rise. Typical Ni-MH battery packs with a heat of 5-10 W per cell released during recharging (maximum heat) require 28317-84951 cm 3 / min of air per cell to ensure adequate cooling simply based on the heat capacity of the air and achieve acceptable rise in temperature. A radial type of fan can be used to provide the most efficient airflow for thermal management. This is due to the higher atmospheric pressure generated by these types of fans, as opposed to the pressure generated by axial fans. Typically, a pressure drop of at least 1.27 cm of water is required at the operating point of the fan that is installed in the bag. To obtain this pressure drop at high flow rates, the ability to create a static pressure of 3.8-7.62 cm of water column is usually required by the fan.
В дополнение к использованию вентиляторов для охлаждения пакета батарей, когда он является горячим, вентиляторы могут нагревать пакет батареи, когда он слишком холоден. То есть, если температура пакета батарей ниже его минимальной оптимальной температуры, а температура окружающего воздуха выше, чем пакета батареи, вентиляторы могут быть включены, чтобы нагнетать более теплый окружающий воздух в пакет батареи. Более теплый воздух затем передает свою тепловую энергию пакету батарей, и нагревает его, по меньшей мере, до нижней границы оптимального диапазона температуры. In addition to using fans to cool the battery pack when it is hot, fans can heat the battery pack when it is too cold. That is, if the temperature of the battery pack is lower than its minimum optimum temperature and the ambient temperature is higher than the battery pack, fans can be turned on to pump warmer ambient air into the battery pack. The warmer air then transfers its thermal energy to the battery pack, and heats it at least to the lower limit of the optimum temperature range.
Средство 44 транспортировки одного или больше хладагентов может быть расположено во входном отверстии 41 для хладагента, чтобы подавать новый хладагент в корпус 40 пакета батарей через каналы 43 для тока хладагента, и из выходного отверстия 42 хладагента. В качестве альтернативы, одно или более средств 44 транспортировки хладагента может быть установлено в выходном отверстии 42 для хладагента, чтобы удалить нагретый хладагент вне корпуса пакета батарей 40, вызывая вовлечение свежего хладагента в корпус 40 пакета батарей через входное отверстие 41 для хладагента, и протекание через каналы 43 для тока хладагента. A means for transporting one or more refrigerants may be located in the
Хладагент может течь параллельно самому длинному измерению каналов 43 для тока хладагента (то есть в направлении длины модулей батареи) или, в качестве альтернативы, он может течь перпендикулярно самому длинному измерению указанных каналов 43 для тока хладагента (то есть в направлении высоты модуля батареи). Следует отметить, что, так как хладагент отбирает отходящее тепло от батарей, когда он течет через охлаждающий канал 43, хладагент нагревается. Поэтому, предпочтительно, чтобы текучая среда текла перпендикулярно самому длинному измерению охлаждающего канала 43. Это следует из-за того, что, когда хладагент нагревается, разность температур между батареями и хладагентом уменьшается, и следовательно, скорость охлаждения также уменьшается. Таким образом, общее тепловое рассеяние снижается. Чтобы минимизировать этот эффект, путь тока хладагента должен быть более коротким из двух, то есть проходить вдоль высоты батарей. The refrigerant can flow parallel to the longest measurement of the
В то время как воздух является наиболее предпочтительным хладагентом (так как он легко доступен и прост для транспортировки внутрь и вне корпуса), могут использоваться другие газы и даже жидкости. В особенности, могут использоваться жидкие хладагенты, такие как фреон или этиленгликоль, также как другие коммерчески доступные вещества на основе фторуглерода и нефторуглерода. Когда эти другие газы или жидкости используют в качестве хладагента, средством 44 транспортировки хладагента может быть предпочтительно насос. При использовании хладагентов, отличных от воздуха, средство транспортировки хладагента может предпочтительно включать в себя магистраль возврата хладагента, присоединенную к выходному отверстию 42 для хладагента, что осуществляет рециркуляцию нагретого хладагента к резервуару хладагента (не показан), из которого его транспортируют к теплообменнику хладагента (не показан), чтобы отобрать от него теплоту, и, наконец, повторно подают к насосу 44 хладагента для многократного использования в охлаждении пакета 39 батарей. While air is the most preferred refrigerant (as it is easily accessible and easy to transport inside and outside the enclosure), other gases and even liquids can be used. In particular, liquid refrigerants such as freon or ethylene glycol can be used, as well as other commercially available fluorocarbon and petroleum carbon based materials. When these other gases or liquids are used as a refrigerant, the refrigerant transporting means 44 may preferably be a pump. When using refrigerants other than air, the refrigerant conveying means may preferably include a refrigerant return line connected to a
Оптимизированная ширина канала для тока хладагента включает много различных факторов. Часть этих факторов включает в себя количество батарей, их плотности энергии и емкости, скорости их заряда и разряда, направление, скорость и объемный расход хладагента, теплоемкость хладагента и другие. Было обнаружено, что независимо от большинства этих факторов важно сконструировать охлаждающие каналы 43, чтобы препятствовать или замедлять объем охлаждающего потока текучей среды, когда она проходит между модулями. В идеале, задержка в потоке преимущественно имеет место из-за трения с охлаждающими поверхностями элемента, что приводит к уменьшению потока на 5-30% объема потока. Когда зазоры между модулями составляют главное ограничение потока в системе управления охлаждающей текучей средой, это вызывает однородный и приблизительно равный объемный расход охлаждающей текучей среды в зазорах между всеми модулями, приводя к равномерному охлаждению и уменьшению влияния других ограничений потока (такие как входные отверстия или выходные отверстия), что могло в противном случае давать неравномерный поток между модулями. Кроме того, одинаковая площадь каждого элемента подвергается действию охлаждающей текучей среды с аналогичной скоростью и температурой. The optimized channel width for the refrigerant current includes many different factors. Part of these factors includes the number of batteries, their energy density and capacity, the speed of their charge and discharge, direction, speed and volumetric flow rate of the refrigerant, heat capacity of the refrigerant, and others. It has been found that, irrespective of most of these factors, it is important to design cooling
Модули батареи организованы для эффективного охлаждения элементов батареи, посредством максимизации скорости охлаждающей жидкости, чтобы достичь высокого коэффициента теплопередачи между поверхностью элемента и охлаждающей текучей средой. Этого достигают сужением межмодульного зазора до величины, при которой охлаждающий объемный поток текучей среды начинает уменьшаться, но скорость текучей среды все еще увеличивается. Более узкий зазор также помогает поднять коэффициент теплопередачи, поскольку меньшее расстояние для теплопередачи в охлаждающей текучей среде увеличивает градиент температуры от элемента к текучей среде. Battery modules are designed to efficiently cool battery cells by maximizing the speed of the coolant in order to achieve a high heat transfer coefficient between the cell surface and the cooling fluid. This is achieved by narrowing the intermodular gap to a value at which the cooling volumetric fluid flow begins to decrease, but the fluid velocity is still increasing. A narrower gap also helps to increase the heat transfer coefficient, since a shorter distance for heat transfer in the cooling fluid increases the temperature gradient from the cell to the fluid.
Оптимальная ширина канала для тока хладагента зависит от длины пути потока в направлении потока, также как от площади канала для тока хладагента в плоскости, перпендикулярной потоку хладагента. Имеется более слабая зависимость оптимального промежутка на характеристики вентилятора. Для воздуха ширина каналов 43 для тока хладагента равна приблизительно между 0,3-12 мм, предпочтительно между 1-9 мм и наиболее предпочтительно между 3-8 мм. The optimum channel width for the refrigerant current depends on the length of the flow path in the flow direction, as well as on the channel area for the refrigerant current in a plane perpendicular to the refrigerant flow. There is a weaker dependence of the optimal gap on the fan characteristics. For air, the width of the
Для вертикального воздушного потока через модуль высотой 17,78 см, оптимальный достижимый средний зазор между модулями (ширина каналов 43 для тока хладагента) приблизительно равен 3 - 4 мм (расстояние по средней линии длиной 105 мм). For vertical airflow through a module 17.78 cm high, the optimal achievable average clearance between the modules (
Для горизонтального воздушного потока, текущего поперек четырех модулей длиной 40,64 см в ряду с общим расстоянием 162,56 см, оптимальный достижимый средний интервал модуля (ширина каналов 43 для тока хладагента) приблизительно равен 7-8 мм (расстояние по средней линии длиной 109 мм). Немного меньший межмодульный зазор в дальнем конце этого ряда приведет к более высокому расходу воздуха и, следовательно, более высокому коэффициенту теплопередачи, таким образом компенсируя более высокую температуру воздуха на выходе. Вторичное входное отверстие или ряд входных отверстий вдоль части горизонтального пути тока хладагента могут также использоваться в качестве средства введения дополнительного хладагента, таким образом создавая теплопередачу между элементами батареи и хладагентом более однородной вдоль всего пути потока. For a horizontal air flow flowing across four modules with a length of 40.64 cm in a row with a total distance of 162.56 cm, the optimal achievable average interval of the module (
Следует отметить, что термин "расстояние по средней линии" иногда используется как синоним ширине канала для тока хладагента. Причина этого заключается в том, что упомянутые значения ширины канала для тока хладагента являются средними числами. Причина для этого усреднения в том, что поверхности модулей батареи, которые формируют каналы 43 для тока, не являются однородно плоскими и ровными, связка, которая связывает модули вместе, и сами поверхности батарей вызывают изменение фактической ширины канала вдоль их длины. Поэтому, иногда проще описать ширину в терминах расстояния между центрами отдельных модулей, то есть ширины по средней линии, которая изменяется для батарей различных размеров. Поэтому, обычно более удобно описать среднюю ширину канала, которая применяется к модулям батареи независимо от используемого фактического размера батареи. It should be noted that the term “midline distance” is sometimes used as a synonym for channel width for refrigerant current. The reason for this is that the aforementioned channel widths for the refrigerant current are averages. The reason for this averaging is that the surfaces of the battery modules that form the
Фиг.20 и 21 изображают графики зависимости между шириной канала для тока хладагента (то есть расстояния по средней линии) в зависимости от объемного расхода хладагента, процентной части от максимальной скорости хладагента и процентном части от максимальной теплопередачи для вертикального и горизонтального потока хладагента, соответственно. Графики приведены для воздуха в качестве хладагента и предполагают турбулентный поток и ограничение свободного воздуха 30%. Как можно видеть, существуют явно оптимальные интервалы, которые отличаются в зависимости от направления тока хладагента. Наиболее эффективное функционирование осуществляется в диапазоне ±10% от оптимальной теплопередачи, однако при необходимости система может эксплуатироваться вне этого диапазона, увеличивая объемный расход хладагента. 20 and 21 are graphs of the relationship between the channel width for the refrigerant current (i.e., the distance along the midline) as a function of the volume flow of the refrigerant, a percentage of the maximum refrigerant speed and a percentage of the maximum heat transfer for the vertical and horizontal refrigerant flow, respectively. The graphs are given for air as a refrigerant and suggest a turbulent flow and a free air restriction of 30%. As you can see, there are clearly optimal intervals, which differ depending on the direction of the refrigerant flow. The most efficient operation is carried out in the range of ± 10% of the optimal heat transfer, however, if necessary, the system can be operated outside this range, increasing the volume flow of the refrigerant.
На чертежах кривые, обозначенные квадратами (■), представляют собой объемный расход хладагента (воздуха) и отсчитываются от левой ординаты, в то время как кривые, обозначенные треугольниками и ромбами представляют собой процентную часть от максимальной теплопередачи и процентную часть от максимальной скорости потока хладагента, соответственно, и отсчитываются от правой ординаты.In the drawings, the curves indicated by squares (■) represent the volumetric flow rate of the refrigerant (air) and are counted from the left ordinate, while the curves indicated by triangles and diamonds represent a percentage of the maximum heat transfer and a percentage of the maximum flow rate of the refrigerant, respectively, and are counted from the right ordinate.
Чтобы помочь в достижении и поддержании необходимого расстояния модулей внутри корпуса пакета и обеспечить электрическую изоляцию между модулями, каждый модуль включает в себя прокладки 37 хладагент-поток-канал, которые удерживают модули 32 на оптимальном расстоянии от любых других модулей 32 и от корпуса 40 пакета батарей, чтобы сформировать каналы 43 для тока хладагента. Как раскрыто выше, прокладки 37 хладагент-поток-канал предпочтительно установлены сверху и снизу модулей батареи 32, обеспечивая защиту углам модулей 32, клеммам 7, 8 батареи и электрическим межсоединениям 25. Более важно, выводы на поверхностях прокладок 38 удерживают модули на оптимальном расстоянии друг от друга. Прокладки 37 предпочтительно изготавливают из легкого, электрически непроводящего вещества, такого как прочный полимер. Также важно для общей плотности энергии пакета, чтобы прокладки включали в себя как можно меньше вещества, чтобы выполнить требуемую функцию и быть насколько возможно легкими. To help achieve and maintain the required module distance within the package housing and to provide electrical isolation between the modules, each module includes refrigerant-flow-
Как отмечено выше, Ni-MH батареи функционируют лучше всего в определенном интервале температур. В то время как система охлаждения, описанная выше, дает возможность системам пакета батарей, согласно настоящему изобретению, поддерживать рабочие температуры ниже высшей границы оптимального температурного диапазона (и иногда функционировать выше нижней границы оптимальною температурного диапазона, если температура окружающего воздуха выше, чем у батареи, и выше нижней границы оптимального температурного диапазона), существуют моменты, когда температура системы батареи будет ниже, чем нижняя граница оптимального интервала температур. Поэтому, имеется потребность так или иначе обеспечить переменную термоизоляцию для некоторых или всех или батарей и модулей в пакетной системе батарей. As noted above, Ni-MH batteries work best in a certain temperature range. While the cooling system described above enables the battery pack systems of the present invention to maintain operating temperatures below the upper limit of the optimum temperature range (and sometimes operate above the lower limit of the optimal temperature range if the ambient temperature is higher than that of the battery, and above the lower limit of the optimal temperature range), there are times when the temperature of the battery system will be lower than the lower limit of the optimal temperature range ur Therefore, there is a need to somehow provide variable thermal insulation for some or all of the batteries or modules in a batch battery system.
В дополнение к системам охлаждения, описанным выше, другой способ термического управления пакетными системами батарей, согласно настоящему изобретению, заключается в использовании температурно-зависимых режимов заряда. Температурно-зависимые режимы заряда допускают эффективную зарядку при разнообразии условий температуры окружающего воздуха. Один способ включает зарядку батарей до непрерывно обновляемой температурно-зависимой границы напряжения, которая удерживается до тех пор, пока ток не снизится до заданного значения, после чего определенный входной заряд подают при постоянном токе. In addition to the cooling systems described above, another method for thermally controlling packaged battery systems according to the present invention is to use temperature-dependent charge modes. Temperature-dependent charge modes allow efficient charging under a variety of ambient temperature conditions. One method involves charging the batteries to a continuously updated temperature-dependent voltage limit, which is held until the current drops to a predetermined value, after which a certain input charge is supplied at constant current.
Другой способ включает в себя серию этапов с уменьшающимися постоянным током или постоянной мощностью до предела температурно-компенсированного напряжения с последующей подачей определенного заряда, осуществляемой при постоянном токе или мощности. Another method includes a series of steps with decreasing direct current or constant power to the limit of the temperature-compensated voltage, followed by the supply of a certain charge, carried out at constant current or power.
Другой способ включает серию этапов уменьшающегося постоянного тока или постоянной мощности, завершающуюся максимально измеряемой скоростью подъема температуры с последующей подачей определенного заряда, осуществляемой при постоянном токе или мощности. Использование температурно-зависимых пределов напряжения гарантирует равномерную емкость в широком диапазоне температур и гарантирует, что завершение заряда происходит с минимальным подъемом температуры. Например, использование фиксированных пределов заряда напряжения приводит к подъему температуры на 8oС в одном корпусе, в то время как использование температурно-компенсированной зарядки приводит к подъему температуры на 3oС при подобных условиях. Пределы абсолютной температуры заряда (60oС) требуются для этой батареи, чтобы избежать серьезного перегрева, который может происходить в случае одновременного отказа зарядного устройства и системы охлаждения. Определение скорости изменения напряжения от времени (dV/dt) на основе пакета или модуля позволяет отрицательному значению dV/dt служить в качестве признака окончания заряда. Это может предотвратить чрезмерный перезаряд и улучшить эффективность эксплуатации батареи, а также служить в качестве дополнительного ограничения безопасности.Another method involves a series of steps of decreasing direct current or constant power, culminating in the maximum measurable rate of temperature rise, followed by the supply of a certain charge carried out with direct current or power. The use of temperature-dependent voltage limits ensures uniform capacitance over a wide temperature range and ensures that charge completion occurs with a minimum rise in temperature. For example, the use of fixed limits of the voltage charge leads to a temperature rise of 8 o C in one housing, while the use of temperature-compensated charging leads to a temperature rise of 3 o C under similar conditions. The limits of the absolute temperature of the charge (60 o C) are required for this battery in order to avoid serious overheating, which can occur in the event of a simultaneous failure of the charger and cooling system. Determining the rate of change of voltage over time (dV / dt) based on a packet or module allows a negative value of dV / dt to serve as a sign of the end of charge. This can prevent overcharging and improve battery performance, and also serve as an additional safety limitation.
Пример режима температурно-зависимого заряда представлен в табл. 3. An example of a temperature-dependent charge mode is presented in table. 3.
Фиг. 22 и 23 иллюстрируют, как режим зарядки с температурно-компенсированным пределом напряжения может уменьшать подъем температуры во время заряда пакетных систем батарей. Эти чертежи изображают график подъема температуры пакета батареи и напряжение пакета в зависимости от времени во время заряда и разряда пакета. FIG. 22 and 23 illustrate how a charging mode with a temperature-compensated voltage limit can reduce temperature rise during charging of packaged battery systems. These drawings depict a graph of the rise in temperature of the battery pack and the voltage of the pack versus time during charge and discharge of the pack.
На фиг. 22 (температурно-компенсированный предел напряжения), верхняя кривая представляет собой напряжение пакета, а нижняя кривая представляет температуру пакета выше окружающей. Фиг.22 указывает, что в конце цикла заряда, обозначенного пиком кривой напряжения, пакет батарей испытал только подъем температуры на 3oС выше окружающей температуры. Наоборот, фиг.23 указывает подъем температуры на 8oС от температуры окружающей среды при использовании способа зарядки с "фиксированным пределом напряжения". Здесь кривая, показанная штриховой линией, представляет напряжение пакета, а кривая, показанная сплошной линией, представляет температуру пакета. Поэтому, можно видеть, что большая часть сгенерированной теплоты при стандартном заряде была удалена с использованием режима зарядки с температурно-компенсированным пределом напряжения.In FIG. 22 (temperature-compensated voltage limit), the upper curve represents the voltage of the packet, and the lower curve represents the temperature of the packet above ambient. Fig. 22 indicates that at the end of the charge cycle indicated by the peak of the voltage curve, the battery pack only experienced a temperature rise of 3 ° C above ambient temperature. On the contrary, FIG. 23 indicates a temperature rise of 8 ° C. from the ambient temperature when using the “fixed voltage limit” charging method. Here, the curve shown by the dashed line represents the voltage of the packet, and the curve shown by the solid line represents the temperature of the packet. Therefore, it can be seen that most of the heat generated during the standard charge was removed using a charging mode with a temperature-compensated voltage limit.
Как описано выше, в дополнение к наличию верхнего предела рабочего интервала температур батарей, согласно настоящему изобретению, имеется также нижняя граница. Как также описано выше, когда температура окружающего воздуха выше температуры батареи, "система охлаждения" может использоваться в качестве системы нагрева. Однако намного более вероятно то, что, если температура пакета батарей низка, то температура окружающего воздуха будет также низка, и, вероятно, ниже температуры пакета батарей. Поэтому должны быть моменты во время рабочего использования пакетной системы батарей, когда будет выгодно термически изолировать батареи от окружающей среды. Однако, потребность в термоизоляции не будет постоянной и может сильно изменяться только на очень короткий интервал времени. Поэтому, необходимость в термоизоляции также будет переменная. As described above, in addition to having an upper limit on the operating temperature range of the batteries according to the present invention, there is also a lower limit. As also described above, when the ambient temperature is higher than the temperature of the battery, the “cooling system” can be used as a heating system. However, it is much more likely that if the temperature of the battery pack is low, then the ambient temperature will also be low, and probably lower than the temperature of the battery pack. Therefore, there must be moments during the operational use of the packet battery system when it will be beneficial to thermally isolate the batteries from the environment. However, the need for thermal insulation will not be constant and can vary greatly only for a very short time interval. Therefore, the need for thermal insulation will also be variable.
Чтобы приспособить эту переменную потребность для термоизоляции, заявители изобрели средство для обеспечения переменной термоизоляции. Новое средство переменной термоизоляции может использоваться на отдельных батареях, модулях батареи и также пакетных системах батарей. To adapt this variable need for thermal insulation, applicants have invented a means for providing variable thermal insulation. The new variable thermal insulation can be used on individual batteries, battery modules and also packaged battery systems.
В наиболее общей форме средство обеспечивают переменную термоизоляцию, по меньшей мере, для части перезаряжаемой системы батарей, которая наиболее непосредственно подвержена указанным окружающим температурным условиям так, чтобы поддержать температуру перезаряжаемой системы батарей в требуемом рабочем диапазоне при переменных условиях окружающей среды. In its most general form, the tool provides variable thermal insulation for at least the portion of the rechargeable battery system that is most directly affected by the indicated ambient temperature conditions so as to maintain the temperature of the rechargeable battery system in the required operating range under varying environmental conditions.
Чтобы обеспечить эту переменную термоизоляцию, изобретатели объединили средство температурного датчика, средство сжимаемой термоизоляции и средство для сжатия сжимаемого средства термоизоляции в ответ на температуру, определенную тепловым датчиком. Когда температурный датчик указывает, что температура окружающей среды мала, термоизоляцию располагают в необходимых областях для изоляции подвергаемых воздействию областей батареи, модуля или пакетной системы батарей. Когда температура окружающей среды более высокая, температурный датчик заставляет термоизоляцию частично или полностью сжиматься так, что фактор изоляции, обеспечиваемый для системы батарей посредством сжимаемой изоляции, частично или полностью удаляется. To provide this variable thermal insulation, the inventors combined a temperature sensor means, a compressible thermal insulation means and means for compressing a compressible thermal insulation means in response to a temperature detected by the thermal sensor. When the temperature sensor indicates that the ambient temperature is low, thermal insulation is placed in the necessary areas to isolate the exposed areas of the battery, module or battery pack system. When the ambient temperature is higher, the temperature sensor causes the thermal insulation to partially or completely compress so that the insulation factor provided to the battery system by compressible insulation is partially or completely removed.
Тепловые датчики могут быть электронными датчиками, которые подают информацию на поршневые устройства, которые переменно увеличивают или уменьшают силу сжатия на сжимаемую пену или волоконную изоляцию. В качестве альтернативы (и более предпочтительно, исходя из использования электрической энергии и с точки зрения механической надежности) датчик и устройства сжатия могут быть объединены в одиночные механические устройства, которые вызывают переменную силу сжатия на термоизоляцию в качестве непосредственной реакции на окружающие тепловые условия. Такое объединенное устройство датчик/устройство сжатия может быть изготовлено из биметаллического вещества, такого как полосы, используемые в термостатах. При низких температурах окружающего воздуха биметаллическое устройство будет разрешать термоизоляции растягиваться на место, чтобы защитить систему батареи от холодных условий окружающей среды, но, когда температура батареи или окружающей среды повышена, биметаллическое устройство сжимает изоляцию, чтобы устранить изолирующий эффект из системы батарей. Thermal sensors can be electronic sensors that provide information to piston devices that alternately increase or decrease the compressive force on compressible foam or fiber insulation. Alternatively (and more preferably, based on the use of electrical energy and from the point of view of mechanical reliability), the sensor and compression devices can be combined into single mechanical devices that cause a variable compression force on thermal insulation as a direct reaction to ambient thermal conditions. Such a combined sensor / compression device may be made of a bimetallic substance, such as strips used in thermostats. At low ambient temperatures, the bimetallic device will allow the thermal insulation to stretch in place to protect the battery system from cold environmental conditions, but when the temperature of the battery or the environment is elevated, the bimetallic device compresses the insulation to eliminate the insulating effect from the battery system.
В то время как переменная термоизоляция может использоваться, чтобы полностью окружить всю батарею, модуль или пакетную систему батарей, делать так не всегда необходимо. Переменная термоизоляция может быть как раз эффективной, когда она только изолирует проблемные точки системы. Например, в модулях батареи и пакетных системах, согласно настоящему изобретению, которые используют ребристые концевые пластины, может только быть необходимо термически изолировать концы модулей, на которые наиболее непосредственно влияют условия низких температур окружающей среды. Эти условия окружающей среды могут вызывать большие температурные дисбалансы между батареями модуля(ей) и в результате ухудшить эффективность модуля или пакетной системы. Обеспечивая переменную изоляцию для подверженному(ым) воздействию концу(ам) модуля(ей), разность температур между батареями может быть уменьшена или устранена и общая температура модуля(ей) может быть управляемой. Наконец, должно также быть отмечено, что термоизоляция не обязательно должна касаться батарей или модулей, но может быть расположена вдали от модулей и оставить мертвую воздушную зону вблизи батареи или модуля, которая действует в качестве дополнительной термоизоляции. While variable thermal insulation can be used to completely surround an entire battery, module, or battery pack system, this is not always necessary. Variable thermal insulation can be just effective when it only isolates the problem points of the system. For example, in battery modules and packet systems according to the present invention that use ribbed end plates, it may only be necessary to thermally isolate the ends of the modules that are most directly affected by low ambient temperature conditions. These environmental conditions can cause large temperature imbalances between the batteries of the module (s) and, as a result, degrade the efficiency of the module or batch system. By providing variable isolation for the exposed end (s) of the module (s), the temperature difference between the batteries can be reduced or eliminated and the total temperature of the module (s) can be controlled. Finally, it should also be noted that thermal insulation does not have to touch the batteries or modules, but can be located away from the modules and leave a dead air zone near the battery or module, which acts as additional thermal insulation.
Описание, представленное здесь в виде подробных вариантов осуществления, полностью раскрывает настоящее изобретение, и представленные в нем подробности не должны интерпретироваться как ограничение истинного объема изобретения, который изложен и определен в формуле изобретения. The description presented here in the form of detailed embodiments fully discloses the present invention, and the details presented therein should not be interpreted as limiting the true scope of the invention, which is set forth and defined in the claims.
Claims (25)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99117590/09A RU2187865C2 (en) | 1997-01-13 | 1997-01-13 | Mechanical and thermal perfection of nickel-cadmium-hybrid batteries, battery modules and blocks of batteries |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99117590/09A RU2187865C2 (en) | 1997-01-13 | 1997-01-13 | Mechanical and thermal perfection of nickel-cadmium-hybrid batteries, battery modules and blocks of batteries |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU99117590A RU99117590A (en) | 2001-07-27 |
RU2187865C2 true RU2187865C2 (en) | 2002-08-20 |
Family
ID=20223829
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99117590/09A RU2187865C2 (en) | 1997-01-13 | 1997-01-13 | Mechanical and thermal perfection of nickel-cadmium-hybrid batteries, battery modules and blocks of batteries |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2187865C2 (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456366C2 (en) * | 2007-03-30 | 2012-07-20 | Арселормитталь - Стейнлесс Энд Никель Эллойз | Austenitic iron-nickel-chromium copper alloy |
RU2474931C2 (en) * | 2007-04-24 | 2013-02-10 | Бэтскеп | Module for electric accumulator |
RU2477548C2 (en) * | 2007-09-06 | 2013-03-10 | Пелленк (Сосьете Аноним) | Battery consisting of multiple cells installed and interconnected without application of welding |
RU2485615C2 (en) * | 2008-12-09 | 2013-06-20 | Косталь Контакт Зюстеме Гмбх | Electric device |
RU2490755C1 (en) * | 2009-08-28 | 2013-08-20 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Battery package and method for battery package manufacturing |
RU2496185C2 (en) * | 2008-12-16 | 2013-10-20 | Импэкт Клин Пауэр Текнолоджи Спулка Акцыйна | Thermostabilised module from electric batteries |
RU2517195C2 (en) * | 2012-06-05 | 2014-05-27 | Закрытое акционерное общество "ЭЛЕКТРОТЯГА" | Apparatus for catalytic recombination lead accumulator gases |
RU2577325C2 (en) * | 2010-09-23 | 2016-03-20 | Гезда С.Р.О. | Lithium battery |
-
1997
- 1997-01-13 RU RU99117590/09A patent/RU2187865C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456366C2 (en) * | 2007-03-30 | 2012-07-20 | Арселормитталь - Стейнлесс Энд Никель Эллойз | Austenitic iron-nickel-chromium copper alloy |
RU2474931C2 (en) * | 2007-04-24 | 2013-02-10 | Бэтскеп | Module for electric accumulator |
RU2477548C2 (en) * | 2007-09-06 | 2013-03-10 | Пелленк (Сосьете Аноним) | Battery consisting of multiple cells installed and interconnected without application of welding |
RU2485615C2 (en) * | 2008-12-09 | 2013-06-20 | Косталь Контакт Зюстеме Гмбх | Electric device |
RU2496185C2 (en) * | 2008-12-16 | 2013-10-20 | Импэкт Клин Пауэр Текнолоджи Спулка Акцыйна | Thermostabilised module from electric batteries |
RU2490755C1 (en) * | 2009-08-28 | 2013-08-20 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Battery package and method for battery package manufacturing |
RU2577325C2 (en) * | 2010-09-23 | 2016-03-20 | Гезда С.Р.О. | Lithium battery |
RU2517195C2 (en) * | 2012-06-05 | 2014-05-27 | Закрытое акционерное общество "ЭЛЕКТРОТЯГА" | Apparatus for catalytic recombination lead accumulator gases |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4286909B2 (en) | Mechanical and thermal improvements in metal hydride batteries, battery modules, and battery packs | |
US7217473B2 (en) | Mechanical and thermal improvements in metal hydride batteries, battery modules, and battery packs | |
US5879831A (en) | Mechanical and thermal improvements in metal hydride batteries, battery modules and battery packs | |
US6372377B1 (en) | Mechanical and thermal improvements in metal hydride batteries, battery modules and battery packs | |
US6330925B1 (en) | Hybrid electric vehicle incorporating an integrated propulsion system | |
US6759034B2 (en) | Very low emission hybrid electric vehicle incorporating an integrated propulsion system including a hydrogen powered internal combustion engine and a high power Ni-MH battery pack | |
EP1118132B1 (en) | Battery pack and power tool using the same | |
EP0998765B1 (en) | Thermal management system and method for a solid-state energy storing device | |
TWI342631B (en) | Battery pack comprising combined temperature-controlling system | |
RU2187865C2 (en) | Mechanical and thermal perfection of nickel-cadmium-hybrid batteries, battery modules and blocks of batteries | |
JP2001076696A (en) | Secondary battery pack and power tool using the same | |
AU5443001A (en) | Mechanical and thermal improvements in battery modules | |
MXPA99006499A (en) | Mechanical and thermal improvements in metal hydride batteries, battery modules and battery packs | |
AU5443401A (en) | Rechargeable battery system | |
AU5443101A (en) | Mechanical and thermal improvements in metal hydride batteries |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050114 |