RU225425U1 - Устройство подогрева литий-ионных аккумуляторных батарей - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике, к литий-ионным аккумуляторным батареям (ЛИАБ) с аккумуляторными элементами, выполненными в виде тонких пленочных элементов, и предназначена для использования в случаях пониженной температуры окружающей среды, например на транспорте, в частности на летательных аппаратах. Технической задачей является обеспечение равномерного прогрева каждого элемента блока аккумуляторов, а также обеспечение возможности регулировки температуры включения либо выключения нагрева ЛИАБ и возможности принудительной блокировки или разрешения запуска процесса нагрева. Для этого устройство подогрева литий-ионных аккумуляторных батарей содержит блок аккумуляторных элементов, нагревательные элементы, которые выполнены в виде тонких пленочных элементов; датчики температуры, размещенные между всеми соседними аккумуляторными элементами и расположенные непосредственно на каждом аккумуляторном элементе; а также устройство контроля и управления процессом подогрева и силовое реле.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к литий-ионным аккумуляторным батареям (далее - ЛИАБ) с аккумуляторными элементами в гибком корпусе из ламинированной фольги (pouch cell), которые входят в состав различных систем электропитания постоянного тока, и предназначена для использования в случаях пониженной температуры окружающей среды, например, на транспорте, в частности на летательных аппаратах. Характеристики литий-ионных аккумуляторных батарей, в частности, их емкость, существенно зависят от температуры эксплуатации (см. «Проблемы низкотемпературных литий-ионных аккумуляторов / Т.Л. Кулова, A.M. Скундин // ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА, 2017, Т. 17, №2. С. 61-88), поэтому задача подогрева ЛИАБ при низких температурах весьма актуальна. Полезная модель может значительно расширить температурный диапазон применения литий-ионных батарей для различных областей использования.

Из уровня техники известны, например, патент № RU 201905 U1 с приоритетом от 21.01.2021 «Устройство подогрева аккумуляторных батарей электрического транспортного средства для работы в условиях низких температур окружающего воздуха»; патент № RU 2788540 C1, приоритет от 23.01.2023 «Система термостатирования литий-ионной батареи», RU 2394307 С1 от 10.07.2010 «Аккумуляторная батарея с автономной системой терморегулирования», и патент № RU 2483399 C1 от 27.05.2013 «Устройство термостатирования аккумуляторных батарей». В указанных патентах описываются системы термостатирования аккумуляторных батарей, которые позволяют использовать их при низких температурах окружающей среды. Эти системы основаны на использовании движения жидкого либо газообразного теплоносителя. Теплоноситель подается циркуляционным насосом в теплообменные каналы в аккумуляторных элементах, таким образом, обогревая их. Общим недостатком указанных устройств является то, что они сложны, громоздки, дороги и поэтому малоприменимы для относительно маломощных аккумуляторных батарей, особенно использующих не жесткий, а гибкий корпус из ламинированной фольги (pouch cell). В силу использования жидких или газообразных теплоносителей под большим давлением подобные системы потенциально имеют более низкую надежность.

Известны также патент № RU 140018 U1 от 27.04.2014 «Устройство для обогрева аккумуляторных батарей», патент № RU 2398315 С1 с приоритетом от 27.08.2010 «Аккумуляторная батарея с автоматическим внутренним подогревом», патент № RU 2451370 C1 с приоритетом от 20.05.2012 «Способ обеспечения работоспособности литий-ионных аккумуляторов и батарей на их основе при отрицательных температурах». Описанные устройства выполнены для аккумуляторных батарей в жестком призматическом либо цилиндрическом корпусе и используют для поддержания заданной температуры ЛИАБ электрический подогрев. В указанных устройствах осуществляют подогрев аккумуляторной батареи либо как единого объекта, либо подогревают воздух в отсеке, в котором она размещается, и используют для включения и отключения нагревательного элемента единый датчик температуры, размещаемый возле аккумуляторной батареи, а не непосредственно внутри неё, что не обеспечивает равномерный прогрев каждого элемента.

Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является принятый за прототип «Способ обеспечения работоспособности литий-ионных аккумуляторов и батарей на их основе при отрицательных температурах» по патенту № RU 2451370 C1 с приоритетом от 20.05.2012.

Техническими задачами, на решение которых направлена заявляемая полезная модель, являются обеспечение равномерного прогрева каждого элемента блока аккумуляторов, а также обеспечение возможности регулировки температуры включения либо выключения нагрева ЛИАБ и возможности принудительной блокировки или разрешения запуска процесса нагрева.

Указанные задачи решаются за счет того, что в устройстве подогрева литий-ионных аккумуляторных батарей, содержащих блок аккумуляторных элементов, включающем нагревательные элементы и датчики температуры, нагревательные элементы, выполненные в виде тонких пленочных элементов, и датчики температуры выполнены с возможностью размещения между всеми соседними аккумуляторными элементами, при этом датчики температуры могут быть расположены непосредственно на каждом аккумуляторном элементе, а также устройство подогрева содержит блок контроля и управления процессом подогрева и силовое реле.

Техническим результатом использования данной полезной модели является возможность обеспечения в ЛИАБ на базе аккумуляторных элементов с гибким корпусом из ламинированной фольги (pouch cell) равномерного прогрева каждого аккумуляторного элемента блока аккумуляторов с передачей тепла непосредственно к каждому аккумуляторному элементу; организация управления включением и отключением подогрева по сигналам датчиков температуры, установленных непосредственно на аккумуляторных элементах ЛИАБ; предотвращение переохлаждения либо превышения допустимой температуры отдельных аккумуляторных элементов ЛИАБ в процессе нагрева; обеспечение возможности гибкой настройки температуры включения и отключения подогрева ЛИАБ, а также удаленной блокировки либо разрешения включения подогрева ЛИАБ.

Достижение технического результата обеспечивается за счет того, что в предлагаемой полезной модели управление нагревом осуществляется с помощью датчиков температуры отдельных аккумуляторных элементов, размещенных между этими элементами. В отличие от прототипа, где отдельные элементы аккумуляторной батареи нагреваются не напрямую, а опосредованно, при этом разные элементы разогреваются по-разному в зависимости от близости к нагревательному элементу и месту расположения в аккумуляторном блоке, в предлагаемой полезной модели каждый аккумуляторный элемент блока прогревается индивидуально, что обеспечивает равномерность нагрева. В предлагаемой полезной модели благодаря устройству контроля и управления процессом подогрева имеется возможность управлять по температуре непосредственно каждым аккумуляторным элементом батареи, принудительно блокировать или разрешать запуск нагрева, а также регулировать температуру включения и выключения нагрева. Эти факторы приводят к снижению времени нагрева отдельных аккумуляторных элементов, к их равномерному прогреву и отсутствию их возможного перегрева выше допустимого уровня.

На фиг. 1 представлена структурная схема заявленного устройства подогрева литий-ионных аккумуляторных батарей. Устройство содержит аккумуляторные элементы 1, нагревательные элементы 2 и датчики температуры 3, размещенные между аккумуляторными элементами 1, систему контроля и управления 6 и силовое реле 5.

Заявленное устройство подогрева литий-ионных аккумуляторных батарей работает следующим образом. Нагрев аккумуляторных элементов 1 ЛИАБ осуществляется с помощью тонких пленочных нагревательных элементов 2, размещенных между отдельными аккумуляторными элементами 1 батареи, выполненными в гибком корпусе из ламинированной фольги (pouch cell). Каждый пленочный нагревательный элемент 2 одновременно нагревает два аккумуляторных элемента 1 по их плоской стороне.

Управление нагревом осуществляется от системы контроля и управления (далее - СКУ) 4 аккумуляторной батареей. СКУ 4 получает информацию о температуре аккумуляторных элементов 1 от датчиков температуры 3, размещаемых между аккумуляторными элементами 1. При понижении температуры хотя бы одного аккумуляторного элемента ниже установленного порога включения подогрева СКУ 4 выдает управляющий сигнал, который замыкает силовое реле 5 и подает напряжение от ЛИАБ на пленочные нагревательные элементы 2, включая нагрев. По достижении температуры отключения нагрева на любом из аккумуляторных элементов 1 СКУ 4 снимает управляющий сигнал с реле 5, отключая напряжение ЛИАБ от пленочных нагревательных элементов 2, прекращая тем самым нагрев ЛИАБ.

Температурные пороги включения и отключения нагрева ЛИАБ могут изменяться удаленно внешней системой управления верхнего уровня путем передачи в СКУ 4 соответствующих команд по последовательному интерфейсу.

Блокировка или разрешение включения подогрева ЛИАБ осуществляется двумя способами. Либо удаленно внешней системой управления верхнего уровня путем передачи в СКУ 4 соответствующих команд по последовательному интерфейсу, либо локально путем замыкания сигнальных контактов на входе СКУ 4.

По мнению авторов, предлагаемая полезная модель может быть использована в случаях существенной нестабильности температуры окружающей среды как в устройствах наземного оборудования, так и на подвижных объектах, включая авиационно-космическую технику, при размещении ЛИАБ в отсеках, где поддержание комфортной температуры невозможно, а совокупность ее существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.

Claims (4)

1. Устройство подогрева литий-ионных аккумуляторных батарей, содержащих блок аккумуляторных элементов, включающее нагревательные элементы, датчики температуры, отличающееся тем, что нагревательные элементы, выполненные в виде тонких пленочных элементов, и датчики температуры выполнены с возможностью размещения между всеми соседними аккумуляторными элементами, при этом датчики температуры могут быть расположены непосредственно на каждом аккумуляторном элементе, а также дополнительно содержит устройство контроля и управления подогревом и силовое реле.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включение или выключение подогрева литий-ионных аккумуляторных батарей может осуществляться локально посредством замыкания сигнальных контактов на входе устройства контроля и управления подогревом.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что включение или выключение подогрева литий-ионных аккумуляторных батарей может осуществляться удаленно посредством внешней системы управления верхнего уровня путем передачи в устройство контроля и управления подогревом соответствующих команд по последовательному интерфейсу.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что температурные пороги включения и отключения нагрева литий-ионных аккумуляторных батарей могут изменяться удаленно и передаваться в устройство контроля и управления подогревом в виде соответствующих команд по последовательному интерфейсу.