МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ В НИКЕЛЬМЕТАЛЛГИДРИДНЫХ БАТАРЕЯХ, МОДУЛЯХ БАТАРЕЙ И ПАКЕТАХ БАТАРЕЙ Российский патент 2002 года по МПК H01M10/50 H01M10/52 H01M2/10 

Настоящая заявка является частью продолжения заявки на патент США 08/140933, поданной 25 октября 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.

Предшествующий уровень техники
Перезаряжаемые призматические батареи используются в ряде промышленных и коммерческих применений, таких как грузоподъемниках, тележках для гольфа, источниках бесперебойного питания и электромобилях.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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".

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 80^oС от окружающей температуры после циклической работы от С/10 до 120% емкости, в то время как температура корпуса из нержавеющей стали повышается только до 32^oС. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Некоторыми из факторов, которые нужно рассмотреть при тепловом управлении пакетной системы батарей, являются: все батареи и модули должны быть сохранены более холодными, чем 65^oС, чтобы избежать постоянного нанесения повреждений батареям; все батареи и модули должны быть сохранены более холодными, чем 55^oС, чтобы получить по меньшей мере 80% номинальной эффективности батареи; все батареи и модули должны быть сохранены более холодными чем 45^oС, чтобы достичь максимального срока службы, и разность температур между отдельными батареями и модулями батареи должна сохраняться ниже 8^oС для оптимальной эффективности. Следует отметить, что усовершенствования в настоящем изобретении регулируют разность температур между батареями в пределах менее чем приблизительно 2^oС.

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 -30^oС до 43^oС 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 -1^oС до 38^oС.

Никельметаллгидридные батареи обнаруживают ухудшение характеристики эффективности заряда при критически высоких температурах выше 43^oС 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 43^oС. Никельметаллгидридные батареи также обнаруживают ухудшение характеристики мощности при температурах ниже приблизительно -1^oС из-за ухудшенной характеристики отрицательного электрода. Чтобы избежать малой мощности, температура батареи должна быть удержана выше приблизительно -1^oС во время разряда.

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 8^oС и, предпочтительно, менее чем 5^oС.

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 20^oС или около того и резко снижается при температуре выше приблизительно 40^oС. 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 40^oС.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Один пример процедуры управления вентилятором обеспечивает это, если максимальная температура батареи выше 30^oС, а температура окружающего воздуха ниже (предпочтительно 5^oС или ниже), чем максимальная температура батареи, то вентиляторы включаются и нагнетают более холодный воздух в каналы хладагента.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 8^oС в одном корпусе, в то время как использование температурно-компенсированной зарядки приводит к подъему температуры на 3^oС при подобных условиях. Пределы абсолютной температуры заряда (60^oС) 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.

Пример режима температурно-зависимого заряда представлен в табл. 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.

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 3^oС выше окружающей температуры. Наоборот, фиг.23 указывает подъем температуры на 8^oС 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Раскрыты механически и термически усовершенствованные перезаряжаемые батареи, модули и охлаждаемые текучей средой системы батарей. Батарея является призматической по форме с оптимизированным отношением толщины к ширине и к высоте, которое обеспечивает батарею сбалансированными оптимальными свойствами по сравнению с призматическими батареями, испытывающими недостаток этого оптимизированного отношения. Оптимизированные толщина, ширина и высота обеспечивают максимальную емкость и выходную мощность, в то же время удаляя вредные побочные эффекты. Корпус батареи допускает расширение в одном направлении, которое легко компенсируют, прилагая внешнее механическое сжатие в этом направлении. В модуле 32 батареи связаны внутри средства связывания/сжатия под действием внешнего механического сжатия, которое оптимизировано, чтобы сбалансировать давление, направленное наружу из-за расширения, и обеспечить дополнительное направленное внутрь сжатие, чтобы уменьшить расстояние между положительными и отрицательными электродами, посредством этого увеличивая общую мощность батареи. Охлаждаемый текучей средой пакет батарей 39 включает в себя корпус 40 пакета батарей, имеющий входы 41 и выходы 42 для хладагента. Модули батареи расположены внутри корпуса так, что они удалены от стенок корпуса и друг от друга, чтобы сформировать каналы 43 для тока хладагента вдоль по меньшей мере одной поверхности связанных батарей и по меньшей мере одно средство 44 транспортировки хладагента. Изобретение позволяет создать легкую, простую и недорогую систему батарей с охлаждением. 4 c. и 21 з.п.ф-лы, 29 ил., 3 табл.

1. Охлаждаемая текучей средой пакетная система батарей, содержащая корпус пакета батарей, который включает в себя, по меньшей мере, одно средство для ввода хладагента и, по меньшей мере, одно средство для вывода хладагента, множество модулей батарей, расположенных и образующих матричную конфигурацию внутри указанного корпуса, модуль батарей содержит множество отдельных батарей, связанных вместе, при этом указанная матричная конфигурация обеспечивает прохождение потока хладагента вдоль по меньшей мере одной поверхности указанных связанных батарей, каждого из модулей батарей, при этом указанные модули батарей расположены в указанном корпусе с промежутком от корпуса и с промежутком от других модулей батарей, расположенных в корпусе, для образования каналов для потока хладагента вдоль, по меньшей мере, одной поверхности указанных связанных батарей, причем ширина указанных каналов для тока хладагента имеет оптимальные размеры для обеспечения максимальной теплопередачи посредством конвективных, проводящих и излучающих механизмов теплопередачи от указанных батарей хладагенту, и, по меньшей мере, одно средство транспортировки хладагента, которое вынуждает хладагент поступать в указанное средство для ввода хладагента, выполненное в указанном корпусе, для протекания хладагента по указанным каналам и затем выхода хладагента через указанное средство для вывода хладагента, выполненное в указанном корпусе. 2. Охлаждаемая текучей средой пакетная система батарей по п.1, в которой матричная конфигурация обеспечивает протекание потока хладагента сквозь, по меньшей мере, одну поверхность связанных батарей каждого из модулей батареи. 3. Охлаждаемая текучей средой пакетная система батарей по п.1, в которой указанная охлаждаемая текучей средой пакетная система батарей выполнена с возможностью использования электрически изолирующего газообразного или жидкого хладагента. 4. Охлаждаемая текучей средой пакетная система батарей по п.3, в которой указанным газообразным хладагентом является воздух и в которой указанное средство транспортировки хладагента включает в себя нагнетательный воздушный вентилятор. 5. Охлаждаемая текучей средой пакетная система батарей по п.3, в которой указанное средство транспортировки хладагента включает в себя насос и в которой указанное средство транспортировки хладагента также включает в себя магистраль возврата хладагента, присоединенную к указанному средству выхода хладагента, что вызывает рециркуляцию нагретого хладагента к резервуару хладагента, из которого он транспортируется к теплообменнику хладагента для извлечения из него теплоты и, наконец, повторно направляется к указанному насосу хладагента для многократного использования при охлаждении пакета батарей. 6. Охлаждаемая текучей средой пакетная система батарей по п.1, в которой указанная система поддерживает температуру указанных модулей батареи ниже 45^oС и в которой указанная система поддерживает разность температур между модулями батареи менее 8^oС. 7. Усовершенствованный модуль батареи большой мощности, содержащий множество отдельных батарей, множество электрических межсоединений, которые электрически соединяют отдельные батареи указанного модуля друг с другом и предоставляют средство для электрического соединения отдельных модулей батареи друг с другом, средство связывания/сжатия модуля батареи, указанные батареи связывают внутри указанного средства связывания/сжатия так, что указанное множество батарей скрепляется так, чтобы они противостояли перемещению или повороту, когда подвергаются механическим вибрациям, или транспортировке, или использованию; указанные батареи связывают в указанном средстве связывания/сжатия при внешнем механическом сжатии, при котором указанное внешнее механическое сжатие оптимизировано так, чтобы сбалансировать давление, направленное наружу из-за расширения компонентов батареи, и обеспечить дополнительную направленную внутрь силу сжатия, приложенную к электродам батареи внутри каждой батареи, для уменьшения расстояния между положительными и отрицательными электродами, посредством этого увеличивая общую мощность батареи. 8. Модуль батареи по п.7, в котором указанные модули батареи связывают вместе под действием большой механической силы сжатия, используя металлические стержни, которые установлены вдоль всех четырех сторон модуля батареи и сварены по четырем углам модуля, где стержни встречаются, таким образом формируя пояс вокруг периферии модуля батареи. 9. Модуль батареи по п.7, в котором указанные модули батареи связывают под действием механического сжатия, приблизительно равного 3,5-12,65 кг/см². 10. Модуль батареи по п.7, в котором указанные модули батареи связаны вместе под действием сильного механического сжатия, используя металлические стержни, которые расположены вдоль двух сторон модуля батареи и приварены в углах модуля к металлической трубке, которая удерживает концевые пластины на месте, в котором указанная концевая пластина включает в себя ребра, выступающие перпендикулярно плоскости указанных концевых пластин, таким образом обеспечивая дополнительную прочность указанным концевым пластинам и прорезям для указанной металлической трубки, и в котором указанные концевые пластины термически изолированы от указанных батарей, связанных в модуль. 11. Модуль батареи по п.7, в котором каждый из указанных модулей батареи включает в себя модульные прокладки, которые удерживают модули на расстоянии от любых других модулей и от корпуса пакета батарей, в котором указанные модульные прокладки изготовлены из электрически непроводящего вещества. 12. Модуль батареи по п.7, в котором указанные электрические межсоединения являются соединениями из кабеля в оплетке, которые обеспечивают высокое тепловое рассеяние и гибкость конструкции/конфигурации модуля, в котором указанные электрические соединения из кабеля в оплетке изготовлены из меди, медного сплава, покрытой никелем меди или покрытого никелем медного сплава. 13. Механически усовершенствованная перезаряжаемая батарея, которая содержит корпус, имеющий клемму положительного электрода и клемму отрицательного электрода, при этом по меньшей мере один положительный электрод расположен внутри указанного корпуса и электрически соединен с указанной клеммой положительного электрода, по меньшей мере один отрицательный электрод расположен внутри указанного корпуса и электрически соединен с указанной клеммой отрицательного электрода, по меньшей мере один сепаратор, расположенный между указанными положительным и отрицательным электродами, обеспечивающий электрическую изоляцию указанных электродов и который допускает химическое взаимодействие указанных электродов, и электролит, расположенный в указанном корпусе, который окружает и смачивает указанные положительный электрод, отрицательный электрод и сепаратор, при этом корпус батареи выполнен призматическим по форме и имеет оптимизированное отношение толщины к ширине и к высоте, которое обеспечивает максимальные емкость и выходную мощность батареи. 14. Механически усовершенствованная перезаряжаемая батарея по п.13, в которой указанный корпус изготовлен из верхней части корпуса, которая включает в себя указанную клемму положительного электрода батареи и указанную клемму отрицательного электрода батареи, и оболочку корпуса батареи, в которой указанные электроды расположены, в которой указанная верхняя часть корпуса включает в себя кольцевой кожух, определяющий периферию, по меньшей мере, одного отверстия сквозь указанную верхнюю часть и указанные клеммы имеют уплотняющий фланец по их окружности, указанные закупоренные обжимы клеммы герметизированы в указанном кольцевом кожухе в указанном уплотняющем фланце, в которой эластомерное диэлектрическое уплотнение расположено между указанным уплотняющим фланцем и указанным кольцевым кожухом, в которой указанное эластомерное диэлектрическое уплотнение изготовлено из непроницаемого для водорода вещества полисульфона. 15. Механически усовершенствованная перезаряжаемая батарея по п.13, в которой, по меньшей мере, одна из клемм включает в себя клапан высокого давления для сброса внутреннего давления батареи до давления окружающей атмосферы, при этом клапан закреплен в осевом отверстии внутри клеммы и включает в себя корпус клапана, имеющий полую внутреннюю область в связи по газу с указанной окружающей атмосферой и внутренней частью указанного корпуса посредством указанного отверстия; поршень сброса давления, установленный внутри указанной полой внутренней области, указанный поршень сброса давления имеет размеры, чтобы герметизировать указанное осевое отверстие, и имеет уплотняющую канавку на поверхности, противоположной указанному осевому отверстию; эластомерное диэлектрическое уплотнение, установленное внутри указанной уплотняющей канавки, указанная уплотняющая канавка имеет конфигурацию, чтобы охватить все, кроме одной, поверхности указанного уплотнения, таким образом оставляя неохваченную поверхность указанного уплотнения незащищенной; указанное эластомерное диэлектрическое уплотнение изготовлено из непроницаемого для водорода вещества полисульфона и пружину сжатия, расположенную так, чтобы заставить указанный поршень сброса давления сжимать указанное уплотнение в указанной уплотняющей канавке и блокировать указанное осевое отверстие в указанной клемме. 16. Механически усовершенствованная перезаряжаемая батарея по п.13, которая дополнительно включает в себя, по меньшей мере, одну гребенку, образующую электрическое соединение между внутренними выводами электрода и указанными клеммами, в которой указанная, по меньшей мере, одна гребенка является электрически проводящим стержнем, имеющим множество параллельных прорезей, в которые указанные внутренние выводы электрода вставлены, осуществляя фрикционное соединение, и в которой указанная, по меньшей мере, одна гребенка изготовлена из меди, медного сплава, покрытой никелем меди или покрытого никелем медного сплава. 17. Охлаждаемая текучей средой пакетная система батарей по п.13, в которой указанные сепараторы изготовлены из полипропилена, имеющего ориентированное зерно или структуру канавки, и в которой указанные сепараторы установлены так, что указанная ориентированная структура зерна ориентирована вдоль направления высоты указанного, по меньшей мере, одного положительного электрода и указанного, по меньшей мере, одного отрицательного электрода. 18. Механически усовершенствованная перезаряжаемая батарея по п.13, в которой указанные положительные и отрицательные электроды батареи расположены в указанном корпусе так, что их соответствующие электрические коллекторные выводы расположены напротив друг друга в верхней части указанного корпуса, и в которой указанные положительные и отрицательные электроды батареи имеют вырезанные углы, где размещены электрические коллекторные выводы электродов противоположной полярности, таким образом избегая короткого замыкания между электродами и удаляя неиспользуемое вещество собственно электрода. 19. Механически усовершенствованная перезаряжаемая батарея по п.13, в которой внутренний указанный металлический призматический корпус батареи электрически изолирован от электродов и электролита. 20. Механически усовершенствованная перезаряжаемая батарея по п.13, в которой указанные отрицательные электроды изготовлены из теплопроводящего агломерированного металлгидридного вещества электрода и находятся в тепловом контакте с корпусом батареи. 21. Перезаряжаемая система батарей, изготовленная, по меньшей мере, из одной связанной перезаряжаемой батареи, указанная перезаряжаемая система батарей подвержена воздействию тепловых условий окружающей среды и, чтобы отладить ухудшающиеся тепловые условия эксплуатации, указанная система содержит средство для обеспечения переменной термоизоляции, по меньшей мере, той части указанной перезаряжаемой системы батарей, которая наиболее непосредственно подвержена указанному тепловому состоянию окружающей среды, чтобы поддержать температуру перезаряжаемой системы батарей в пределах требуемого ее рабочего диапазона при переменных условиях окружающей среды. 22. Перезаряжаемая система батареи по п.21, в которой указанное средство для обеспечения переменной термоизоляции включают в себя температурный датчик, средство сжимаемой термоизоляции и средство для сжатия средства сжимаемой термоизоляции в ответ на температуру, определенную тепловым датчиком. 23. Перезаряжаемая система батареи по п.22, в которой указанные температурные датчики включают в себя электронные датчики, указанное средство сжимаемой термоизоляции включает в себя теплоизолирующий слой полимера или полимерную пену, и указанное средство для сжатия средства сжимаемой термоизоляции включает в себя поршневое устройство, которое попеременно увеличивает или уменьшает величину сжатия на сжимаемую пену или волоконную изоляцию в ответ на сигналы от электронных датчиков. 24. Перезаряжаемая система батареи по п.23, в которой указанные температурные датчики и указанное средство для сжатия средства сжимаемой термоизоляции объединены в единый модуль. 25. Перезаряжаемая система батареи по п.24, в которой указанный единый модуль включает в себя биметаллическое вещество, такое, как полоса, которая позволяет средству сжимаемой термоизоляции расширяться до места, чтобы защитить систему батарей от низких температур окружающей среды, и снижать изоляцию, чтобы устранить изоляционный эффект от системы батарей в теплых условиях окружающей среды.