RU221522U1

RU221522U1 - Battery module thermal stabilization device

Info

Publication number: RU221522U1
Application number: RU2023121613U
Authority: RU
Inventors: Сергей Евгеньевич Манянин; Александр Михайлович Беляев; Владимир Сергеевич Макаров; Юрий Игоревич Молев; Умар Шахидович Вахидов; Артем Юрьевич Золотарев; Рустем Нурисламович Ибрагимов; Тимур Наилович Мансуров
Original assignee: Публичное акционерное общество "КАМАЗ"
Filing date: 2023-08-18
Publication date: 2023-11-09

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, в частности для термостабилизации батарейного модуля транспортного средства с электрической тягой. Сокращение времени подготовки батареи к работе после длительной стоянки в неблагоприятных условиях за счет быстрого прогрева теплоносителя является техническим результатом от использования полезной модели, который достигается использованием в устройстве термостабилизации батарейного модуля расширительно-накопительного резервуара с термоизолированными стенками, оснащенного нагревательными элементами и клапанами на входе и выходе теплоносителя, подаваемого к батарейному модулю. Устройство термостабилизации батарейного модуля обеспечивает снижение тепловых потерь при прогреве большого объема теплоносителя. 1 ил. The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular for thermal stabilization of the battery module of a vehicle with electric traction. Reducing the time to prepare the battery for operation after a long stay in unfavorable conditions due to rapid warming up of the coolant is a technical result from the use of the utility model, which is achieved by using in the thermal stabilization device of the battery module an expansion and storage tank with thermally insulated walls, equipped with heating elements and valves at the inlet and outlet coolant supplied to the battery module. The thermal stabilization device of the battery module ensures a reduction in heat losses when heating a large volume of coolant. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при создании транспортного средства с электрической тягой, в частности электромобилей и троллейбусов с автономным ходом.The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used to create a vehicle with electric traction, in particular electric vehicles and autonomous trolleybuses.

Известна система энергопитания электромобиля, в которой задача термостатирования аккумуляторных батарей в сложных погодных условиях решается с помощью замкнутого жидкостного контура циркуляции теплоносителя в теплообменнике батареи, выполненном в виде отдельных секций, размещенных между накопителями батареи (см. патент РФ на изобретение №2144869, опубл. 27.01.2000 г.).There is a known power supply system for an electric vehicle, in which the problem of thermostatting batteries in difficult weather conditions is solved using a closed liquid circuit of coolant circulation in the battery heat exchanger, made in the form of separate sections located between battery storage devices (see RF patent for invention No. 2144869, publ. 27.01 .2000).

Секционное выполнение теплообменника аккумуляторной батареи в известной системе позволяет улучшить условия теплоотвода и выровнить поле температур в батарее. Однако недостатком данного решения является большое число теплообменников и коммутационных элементов по теплоносителю, при котором практически невозможно добиться удовлетворительной герметичности и надежности системы термостабилизации.The sectional design of the battery heat exchanger in the known system makes it possible to improve heat removal conditions and equalize the temperature field in the battery. However, the disadvantage of this solution is the large number of heat exchangers and switching elements for the coolant, which makes it almost impossible to achieve satisfactory tightness and reliability of the thermal stabilization system.

Недостатком известного решения является сложность конструкции.The disadvantage of the known solution is the complexity of the design.

Известно устройство термостатирования аккумуляторных батарей с использованием жидкого теплоносителя (тосола), циркулирующего по теплообменным каналам в аккумуляторных батареях, нагрев которого, при необходимости, осуществляется предпусковым подогревателем, а охлаждение происходит с помощью охладителя на основе компрессора, конденсатора, обдуваемого вентилятором и хладагента (фреона) (см. патент РФ на изобретение №2483399, опубл. 27.05.2013 г.). A device is known for thermostatting batteries using a liquid coolant (antifreeze) circulating through heat exchange channels in the batteries, heating of which, if necessary, is carried out by a pre-heater, and cooling occurs using a cooler based on a compressor, a condenser blown by a fan and a refrigerant (freon) (see RF patent for invention No. 2483399, published on May 27, 2013).

Недостатком известного устройства является его сложность и громоздкость, а также наличие источника выхлопных газов, загрязняющих окружающую среду.The disadvantage of the known device is its complexity and bulkiness, as well as the presence of a source of exhaust gases that pollute the environment.

Известно устройство автоматического поддержания теплового состояния аккумуляторной батареи, состоящей из аккумуляторных ячеек, размещенных в теплоизолированном герметичном корпусе, содержащее теплообменник, встроенный в стенку упомянутого корпуса и состоящий из термоэлектрического модуля Пельтье и расположенных по разные его стороны внешнего и внутреннего радиаторов, около внутреннего радиатора установлен вентилятор с электрическим приводом, вход термоэлектрического модуля Пельтье подключен через фильтр, широтно-импульсный преобразователь, усилитель и элемент сравнения к выходу сумматора, ко входу которого подключены датчики температуры аккумуляторных ячеек (см. патент на полезную модель RU №159469, опубликовано 10.02.2016).A device is known for automatically maintaining the thermal state of a battery, consisting of battery cells placed in a heat-insulated sealed housing, containing a heat exchanger built into the wall of the said housing and consisting of a Peltier thermoelectric module and external and internal radiators located on opposite sides; a fan is installed near the internal radiator with an electric drive, the input of the Peltier thermoelectric module is connected through a filter, pulse-width converter, amplifier and comparison element to the output of the adder, to the input of which battery cell temperature sensors are connected (see utility model patent RU No. 159469, published 02/10/2016).

Недостатки известного устройства заключаются в сравнительно низкой эффективности.The disadvantages of the known device are its relatively low efficiency.

Известна модульная сборка аккумуляторных батарей с повышенной эффективностью термостабилизации, в которой предложено устройство батарейного модуля с жидкостной термостабилизацией накопителей, соединенных последовательно друг с другом и размещенных в общем корпусе. Новым в предложенном устройстве является то, что съем тепла в батарейном модуле производится непосредственно со стенок накопителей путем омывания их теплоносителем, протекающим по теплообменным каналам батарейного модуля, образуемым корпусами накопителей и установленными в корпус модуля патрубками, перегородками и прокладками. Жидкий теплоноситель был выбран морозоустойчивым с нейтральной реакцией на материал корпуса накопителя батареи. Корпус батарейного модуля выполнен из легкого сплава с высоким коэффициентом теплопередачи и малым удельным весом. Корпус батарейного модуля содержит приваренные вдоль длинных сторон кронштейны для крепления батарейного модуля к транспортному средству, а также патрубки с коллекторами подачи и слива теплоносителя, расположенные снизу вдоль продольных стенок корпуса и снабженные отверстиями для протекания теплоносителя. Блок управления модулем производит обработку полученных от блоков управления накопителями данных и через соединители выдает команды на включение вентиляторов воздушного охлаждения радиатора, через который, под действием циркуляционного насоса, пропускается теплоноситель в случае повышенной температуры накопителей, либо на включение электрических нагревателей, установленных на трубопроводах с теплоносителем и дополнительно на боковых стенках корпусов батарейных модулей, в случае пониженной температуры накопителей (см. патент на изобретение РФ №2564509, опубл. 10.10.2015г.).A modular assembly of rechargeable batteries with increased thermal stabilization efficiency is known, in which a battery module with liquid thermal stabilization of storage devices connected in series to each other and placed in a common housing is proposed. What is new in the proposed device is that the heat in the battery module is removed directly from the walls of the storage devices by washing them with coolant flowing through the heat exchange channels of the battery module, formed by the storage housings and pipes, partitions and gaskets installed in the module housing. The coolant liquid was chosen to be frost-resistant with a neutral reaction to the material of the battery storage housing. The battery module body is made of light alloy with a high heat transfer coefficient and low specific gravity. The battery module housing contains brackets welded along the long sides for attaching the battery module to the vehicle, as well as pipes with coolant supply and drain manifolds, located below along the longitudinal walls of the housing and equipped with holes for coolant flow. The module control unit processes the data received from the drive control units and, through connectors, issues commands to turn on the air cooling fans of the radiator, through which, under the action of a circulation pump, coolant is passed in the event of an increased temperature of the drives, or to turn on electric heaters installed on pipelines with coolant and additionally on the side walls of the battery module housings, in case of low storage temperature (see RF patent for invention No. 2564509, published on October 10, 2015).

Недостатком данной конструкции является то, что для подготовки батареи к работе требуется значительное время на прогрев жидкости с учетом тепловых потерь на рассеяние тепловой энергии в окружающую среду.The disadvantage of this design is that preparing the battery for operation requires considerable time to warm up the liquid, taking into account heat losses due to the dissipation of thermal energy into the environment.

В качестве прототипа, по совокупности существенных признаков, принимаем устройство термостатирования тяговых батарей, содержащее насос с электроприводом для подачи жидкого теплоносителя к тяговым батареям, радиатор со встроенным вентилятором, электронагреватель, соединенный через гидролинии с тяговыми батареями, на выходе из которого установлен датчик температуры теплоносителя, компенсационно-расширительный бачок, вход которого сообщен с выходом тяговых батарей, а выход сообщен с входом в насос. Устройство также содержит блок терморегулирования, вход которого с одной стороны соединен через гидролинии с тяговыми батареями, а выход через электроклапаны с электронагревателем и радиатором, причем электроклапаны расположены на гидравлических линиях. При этом в блоке терморегулирования расположен насос и компрессорно-холодильная установка, предназначенная для охлаждения теплоносителя и поддержания оптимальной температуры для предотвращения перегрева тяговых батарей, а на входе в блок терморегулирования установлен датчик температуры теплоносителя.As a prototype, based on a set of essential features, we accept a thermostatting device for traction batteries, containing an electric-driven pump for supplying liquid coolant to the traction batteries, a radiator with a built-in fan, an electric heater connected through hydraulic lines to the traction batteries, at the outlet of which a coolant temperature sensor is installed, a compensation expansion tank, the input of which is connected to the output of the traction batteries, and the output is connected to the input of the pump. The device also contains a thermal control unit, the input of which on one side is connected through hydraulic lines with traction batteries, and the output through electric valves with an electric heater and a radiator, and the electric valves are located on the hydraulic lines. At the same time, in the thermal control unit there is a pump and a compressor-refrigeration unit designed to cool the coolant and maintain an optimal temperature to prevent overheating of the traction batteries, and a coolant temperature sensor is installed at the entrance to the thermal control unit.

Недостатки прототипа заключаются в сравнительно низкой экономичности, обусловленной необходимостью прогрева большого объема теплоносителя для подготовки батареи к работе после длительной стоянки в неблагоприятных условиях.The disadvantages of the prototype are its relatively low efficiency, due to the need to warm up a large volume of coolant to prepare the battery for operation after a long stay in unfavorable conditions.

Была поставлена задача повысить экономичность подготовки батарейного модуля к работе за счет оптимизации времени подготовки батарейного модуля к рабочим нагрузкам. The goal was to increase the cost-effectiveness of preparing the battery module for operation by optimizing the time it takes to prepare the battery module for workloads.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве термостабилизации батарейного модуля, содержащем насос для подачи жидкого теплоносителя к батареям, радиатор, нагревательные элементы, соединительные трубы, запорные устройства, датчики температуры и расширительный резервуар, в соответствии с предложенным техническим решением, предусмотрен расширительно-накопительный резервуар с термоизолированными стенками, оснащенный нагревательными элементами и клапанами на входе и выходе жидкого теплоносителя.The problem is solved due to the fact that in the thermal stabilization device of the battery module, containing a pump for supplying liquid coolant to the batteries, a radiator, heating elements, connecting pipes, shut-off devices, temperature sensors and an expansion tank, in accordance with the proposed technical solution, an expansion and storage tank with thermally insulated walls is provided, equipped with heating elements and valves at the inlet and outlet of the coolant liquid.

Совокупность отличительных признаков, заключающаяся в том, что «предусмотрен расширительно-накопительный резервуар с термоизолированными стенками, оснащенный нагревательными элементами и клапанами на входе и выходе жидкого теплоносителя», позволяет сократить время подготовки батареи к работе, после длительной стоянки в неблагоприятных условиях, за счет оптимизации тепловых потерь теплоносителя и тем самым повысить экономичность работы устройства термостабилизации при прогреве большого объема теплоносителя.The set of distinctive features, which consists in the fact that “an expansion and storage tank with thermally insulated walls is provided, equipped with heating elements and valves at the inlet and outlet of the coolant liquid,” makes it possible to reduce the time it takes to prepare the battery for operation after a long stay in unfavorable conditions, due to optimization heat losses of the coolant and thereby increase the efficiency of operation of the thermal stabilization device when heating a large volume of coolant.

Новым в предложенном устройстве является то, что в период, когда батарейный модуль находится в состоянии, не требующем охлаждения, основной объём теплоносителя находится в расширительно-накопительном резервуаре с термоизолированными стенками, оснащенном нагревательными элементами, в котором автоматически поддерживается необходимая температура. При этом излучение тепловой энергии в окружающую среду уменьшено как за счёт наличия термоизолирующих стенок, так и за счёт отсутствия контакта с частью теплоносителя, находящегося в контакте со стенками аккумуляторных батарей и радиатором.What is new in the proposed device is that during the period when the battery module is in a state that does not require cooling, the main volume of the coolant is located in an expansion and storage tank with thermally insulated walls, equipped with heating elements, in which the required temperature is automatically maintained. At the same time, the radiation of thermal energy into the environment is reduced both due to the presence of thermally insulating walls and due to the lack of contact with part of the coolant in contact with the walls of the batteries and the radiator.

Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, позволяет предположить, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности полезной модели «новизна». An analysis of known technical solutions, carried out according to scientific, technical and patent documentation, suggests that the set of essential features of the proposed technical solution is not known from the prior art, therefore, it meets the “novelty” condition for patentability of a utility model.

На чертеже схематично представлен общий вид устройства термостабилизации батарейного модуля.The drawing schematically shows a general view of the thermal stabilization device for the battery module.

Устройство термостабилизации батарейного модуля состоит из: батарейного модуля 1, расширительного-накопительного резервуара 2 с термоизолированными стенками, радиатора 3, реверсивного насоса 4, клапанов 5 и 6 и нагревательных элементов 7.The thermal stabilization device for the battery module consists of: battery module 1, expansion and storage tank 2 with thermally insulated walls, radiator 3, reversible pump 4, valves 5 and 6 and heating elements 7.

Устройство термостабилизации батарейного модуля работает следующим образом: во время работы батарейного модуля 1 происходит его нагрев и через стенки модуля тепловая энергия передаётся жидкому теплоносителю. За счёт конвективного теплообмена и прямой подачи насоса 4, через открытый клапан 5 нагретая жидкость попадает в расширительно-накопительный резервуар 2 с термоизолирующими стенками, оснащенный нагревательными элементами 7. В режиме охлаждения нагревательные элементы отключены и теплоноситель через открытый клапан 6 попадает в радиатор 3, где рассеивает в окружающую среду накопленную тепловую энергию, а потом, за счёт прямой подачи насоса 4 попадает к нагретым стенкам батарейного модуля 1. После прекращения работы батарейного модуля 1 и прекращения нагрева, за счёт конвективного теплообмена в расширительно-накопительном резервуаре 2 накапливается наиболее нагретая жидкость. В случае длительного простоя батарейного модуля клапан 5 закрывается, прерывая контакт теплоносителя, находящегося в батарейном модуле 1 и в расширительно-накопительном резервуаре 2, уменьшая теплообмен между более тёплым и более холодным жидким теплоносителем. В дальнейшем насос 4 переходит в кратковременный режим реверса и через радиатор 3 закачивает часть теплоносителя в расширительно-накопительный резервуар 2, через открытый клапан 6. Обратное попадание теплоносителя в систему предотвращается тем, что клапан 5 находится в закрытом положении. После кратковременного включения насос 4 выключается и клапан 6 закрывается. Тем самым в расширительно-накопительном резервуаре 2, в режиме наименьшей теплоотдачи в окружающую среду, будет храниться большее количество теплоносителя, чем это имело место при работе батарейного модуля. При длительной стоянке заданный температурный режим в расширительно-накопительном резервуаре 2 поддерживается с использованием нагревательных элементов 7. При необходимости начала работы батарейного модуля в неблагоприятных температурных условиях происходит открытие клапанов 5 и 6 в результате чего за счёт гравитации и за счет работы насоса 4 происходит быстрое заполнение системы охлаждения батарейного модуля 1 предварительно подогретым теплоносителем, обеспечивая его быстрый прогрев до рабочей температуры.The thermal stabilization device of the battery module works as follows: during operation of the battery module 1, it is heated and thermal energy is transferred through the walls of the module to the coolant liquid. Due to convective heat exchange and direct supply of the pump 4, through the open valve 5, the heated liquid enters the expansion and storage tank 2 with thermally insulating walls, equipped with heating elements 7. In cooling mode, the heating elements are turned off and the coolant through the open valve 6 enters the radiator 3, where dissipates the accumulated thermal energy into the environment, and then, due to the direct supply of the pump 4, it reaches the heated walls of the battery module 1. After the operation of the battery module 1 stops and the heating stops, due to convective heat exchange, the most heated liquid accumulates in the expansion and storage tank 2. In case of prolonged inactivity of the battery module, valve 5 closes, interrupting the contact of the coolant located in the battery module 1 and in the expansion and storage tank 2, reducing the heat exchange between the warmer and colder coolant liquid. Subsequently, pump 4 switches to a short-term reverse mode and, through radiator 3, pumps part of the coolant into the expansion and storage tank 2, through the open valve 6. The return of coolant into the system is prevented by the fact that valve 5 is in the closed position. After switching on for a short time, pump 4 is switched off and valve 6 is closed. Thus, in the expansion and storage tank 2, in the mode of least heat transfer to the environment, a larger amount of coolant will be stored than was the case during operation of the battery module. During long-term parking, the specified temperature regime in the expansion and storage tank 2 is maintained using heating elements 7. If it is necessary to start operating the battery module in unfavorable temperature conditions, valves 5 and 6 open, resulting in rapid filling due to gravity and due to the operation of pump 4 cooling system of battery module 1 with preheated coolant, ensuring its rapid warming up to operating temperature.

Заявляемое устройство термостабилизации батарейного модуля соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании с применением ранее освоенных технологий.The inventive device for thermal stabilization of the battery module meets the requirement of industrial applicability and can be implemented on standard technological equipment using previously developed technologies.

Claims

A device for thermal stabilization of a battery module, containing a pump for supplying liquid coolant to the batteries, a radiator, heating elements, connecting pipes, valves and temperature sensors, an expansion tank, characterized in that it contains an expansion and storage tank with thermally insulated walls, equipped with heating elements and valves at the inlet and coolant outlet.