Область техники
Настоящее изобретение относится к кассете для батарей, имеющей новую конструкцию, и батарейному модулю открытого типа, включающему в себя такую кассету, и, в частности, к кассете для батарей, содержащей две внешние рамные детали и внутреннюю рамную деталь, расположенную между внешними рамными деталями, причем между внешними и внутренней рамными деталями установлен один или более отдельных элементов питания, а внутренняя рамная деталь имеет сквозные проемы, и к батарейному модулю открытого типа, включающему в себя такую кассету.
Уровень техники
За последнее время в качестве источника энергии для беспроводных мобильных устройств нашла широкое применение аккумуляторная батарея, которую можно заряжать и разряжать. Кроме того, аккумуляторная батарея привлекла к себе внимание в качестве источника питания для обычных электромобилей и электромобилей с гибридным приводом, которые разработаны для решения таких проблем, как загрязнение воздуха, обуславливаемых существующими бензиновыми и дизельными транспортными средствами, в которых используется ископаемое топливо.
В малогабаритных мобильных устройствах используется один или более отдельных элементов питания, например, по три или четыре отдельных элемента для каждого устройства. В отличие от этого, в среднегабаритных или крупногабаритных устройствах, таких как транспортные средства, используется средне- или крупногабаритная батарейная система, содержащая множество отдельных элементов питания, электрически соединяемых друг с другом, когда требуется батарея большой емкости с большой отдаваемой мощностью.
В качестве отдельного элемента питания для средне- или крупногабаритной батарейной системы широко применяется аккумуляторный элемент в форме пакета, который обычно упакован в корпус батареи, выполненный из листа многослойного материала, состоящего из алюминия и полимерной смолы, вследствие чего механические свойства аккумуляторного элемента в форме пакета являются невысокими. По этой причине множество отдельных элементов питания устанавливают в кассете для батарей, при этом отдельные элементы питания соединены последовательно или параллельно, а множество кассет для батарей электрически соединены друг с другом, образуя батарейный модуль.
Батарейный модуль, нашедший широкое применение в электромобилях с гибридным приводом, имеет закрытую конструкцию, в которой электролит не может вытечь из каждого отдельного элемента питания (аккумуляторного элемента). То есть батарейный модуль закрытого типа обладает преимуществом предотвращения утечки электролита. Вместе с тем, батарейный модуль закрытого типа создает проблемы, заключающиеся в том, что тепло, вырабатываемое в отдельных элементах питания, накапливается, а накопленное тепло ускоряет износ элементов питания и в том, что малое или большое количество отдельных элементов питания перегреваются, когда они работают в аномальном режиме, и поэтому отдельные элементы питания могут загореться или взорваться. Ионно-литиевые аккумуляторные элементы или ионно-литиевые полимерные аккумуляторные элементы, которые в настоящее время представляют большой интерес в свете возможных приложений отдельных элементов питания, вырабатывают тепло, когда эти аккумуляторные элементы заряжаются и разряжаются. Когда такое тепло непрерывно накапливается в отдельном элементе питания, износ отдельного элемента питания ускоряется и - помимо этого - отдельный элемент питания может загореться или взорваться.
Поэтому необходимо разработать средне- или крупногабаритную батарейную систему, выполненную с возможностью устойчивой установки отдельных элементов питания, обладающих низкой механической прочностью, эффективного отвода тепла от отдельных элементов питания и предотвращения перегрева отдельных элементов питания, когда они работают в аномальном режиме, что позволяет увеличить срок службы и безопасность отдельных элементов питания.
Краткое описание изобретения
Соответственно, целью настоящего изобретения является по существу устранение вышеупомянутых проблем, присущих известным техническим решениям, а также других технических проблем, вопрос с решением которых возник в прошлом.
Основной целью настоящего изобретения является создание кассеты для батарей, степень конструктивной интеграции и механическая прочность которой высоки, вследствие чего минимизируются размеры батарейной системы, обеспечивается возможность устойчивой установки отдельных элементов питания, обладающих малой механической прочностью, эффективного отвода тепла от отдельных элементов питания и предотвращения перегрева отдельных элементов питания.
Дополнительной целью настоящего изобретения является создание батарейного модуля, включающего в себя множество кассет для батарей, обладающих высокой степенью конструктивной интеграции и механической прочностью, вследствие чего батарейный модуль можно использовать в батарейной системе большой емкости с большой отдаваемой мощностью.
В соответствии с настоящим изобретением вышеуказанные и другие цели достигнуты посредством создания кассеты для батарей, содержащей пару внешних рамных деталей для размещения отдельных элементов питания и внутреннюю рамную деталь, расположенную между внешними рамными деталями, причем один из отдельных элементов питания установлен между первой внешней рамной деталью и внутренней рамной деталью, другой отдельный элемент питания установлен между второй внешней рамной деталью и внутренней рамной деталью, а внутренняя рамная деталь имеет множество сквозных проемов, которые сообщаются с внешним пространством, когда отдельные элементы питания установлены между внешними и внутренней рамными деталями.
В соответствии с настоящим изобретением первая внешняя рамная деталь, первый отдельный элемент питания, внутренняя рамная деталь, второй отдельный элемент питания и вторая внешняя рамная деталь соединены друг с другом и при этом, по существу, уложены в стопу друг на друга. Вследствие этого возникает возможность устойчивой установки отдельных элементов питания, механическая прочность которых низка, в кассете для батарей. Кроме того, кассеты для батарей, имеющие вышеуказанную конструкцию, можно укладывать в стопу друг на друга с высокой степенью интеграции, вследствие чего можно минимизировать размеры батарейной системы.
Термин «рамная деталь» в этом описании означает решетчатую структуру, выполненную в форме прямоугольника, соответствующего прямоугольнику каждого отдельного элемента питания, и имеющую ограниченную внутри выемочную часть.
Хотя отдельные элементы питания установлены в сочлененной конструкции, состоящей из внешних рамных деталей и внутренней рамной детали, пространство между отдельными элементами питания сообщается с внешним пространством посредством сквозных проемов, выполненных во внутренней рамной детали. Кроме того, почти все поверхности отдельных элементов питания открыты наружу посредством полых частей внешних рамных деталей. Следовательно, выделение тепла из отдельных элементов питания эффективно достигается за счет наличия сквозных проемов внутренней рамной детали и выемочных частей внешних рамных деталей.
При необходимости внутренняя рамная деталь может быть снабжена на своем верхнем конце и/или нижнем конце пазами, а сквозные проемы могут быть образованы этими пазами, когда внутренняя рамная деталь соединена с внешними рамными деталями.
Термин «сквозные проемы» в данном описании распространяется на проходящие наружу воздуховоды, образованные непосредственно во внутренней рамной детали, и проходящие наружу воздуховоды, образующиеся, когда внутренняя рамная деталь соединена с внешними рамными деталями.
В предпочтительном варианте осуществления внешние рамные детали и/или внутренняя рамная деталь могут включать в себя одну или более опорных планок, которые пересекают выемочные части, образованные во внешних рамных деталях и/или внутренней рамной детали, обеспечивая более устойчивую опору отдельным элементам питания.
На количество отдельных элементов питания, установленных между первой внешней рамной деталью и внутренней рамной деталью, и отдельных элементов питания, установленных между второй внешней рамной деталью и внутренней рамной деталью, конкретные ограничения не накладываются. Между соответствующими рамными деталями можно устанавливать один или более отдельных элементов питания. Когда количество отдельных элементов питания, установленных между внешней рамной деталью и внутренней рамной деталью, составляет два или более, отдельные элементы питания располагают бок о бок, а не в стопе, чтобы можно было достичь эффективного выделения тепла. Кроме того, когда между внешней рамной деталью и внутренней рамной деталью установлены два или более отдельных элементов питания, на внешних рамных деталях и/или внутренней рамной детали можно выполнить опорные планки, создающие устойчивую опору для отдельных элементов питания, при этом опорные планки располагают между соседними отдельными элементами питания.
Множество кассет для батарей могут быть последовательно уложены в стопу, при этом в каждой кассете для батарей установлены отдельные элементы питания. В этом случае между уложенными стопой кассетами для батарей образованы закрытые пространства. Эти закрытые пространства образованы соседними внешними рамными деталями и отдельными элементами питания. Поэтому предпочтительно, чтобы внешние рамные детали были снабжены на своих внешних поверхностях множествами пазов, которые образуют воздуховоды, когда внешние рамные детали соединены с внешними рамными деталями соседних кассет для батарей, уложенных в стопу, что позволяет добиться более эффективного выделения тепла.
Внешние рамные детали и/или внутренняя рамная деталь имеют впадины, соответствующие толщине выводов электродов отдельных элементов питания, так что выводы электродов отдельных элементов питания открыты в области соединения внешних рамных деталей и внутренней рамной детали, когда внутренняя рамная деталь соединена с внешними рамными деталями.
На соединение между рамными деталями конкретные ограничения не накладываются. Например, соединение между рамными деталями может быть достигнуто посредством соединения «болт - гайка», заклепок, сварки, клеев либо винтового зацепления охватываемой и охватывающей деталей.
Кроме того, конкретные ограничения не накладываются и на материал для рамных деталей. Рамные детали могут быть изготовлены из различных материалов, таких как пластичная смола или металл. Вместе с тем, в случае, когда рамные детали изготовлены из металла, обязательной является электрическая изоляция открытых частей выводов электродов.
Аккумуляторные отдельные элементы питания, установленные в кассете для батарей, являются элементами питания, которые могут заряжаться и разряжаться. В предпочтительном варианте в качестве отдельных элементов питания используются прямоугольные элементы или элементы в форме пакета, которые аккумулируют электричество при высокой степени интеграции (высокой плотности). В более предпочтительном варианте в качестве отдельных элементов питания используются элементы в форме пакета.
Каждый из отдельных элементов питания имеет анод, катод, разделительный слой и электролит, находящиеся в герметизированном корпусе элемента питания. Каждый из отдельных элементов питания имеет многослойную конструкцию, в которой намотан электродный узел, включающий в себя микропористый разделительный слой между тонкопленочным анодом и катодом, или конструкцию типа стопы, в которой друг на друга последовательно уложены полнофункциональные элементы или биэлементы, содержащие анод, разделительный слой и катод. На активные материалы, применяемые для изготовления анода и катода, конкретные ограничения не накладываются. В предпочтительном варианте активный материал анода состоит из оксида на основе лития и марганца, обладающего высокой надежностью, а активный материал катода состоит из углерода. Предпочтительным отдельным элементом питания является ионно-литиевый элемент или ионно-литиевый полимерный элемент.
Кроме того, согласно настоящему изобретению создан батарейный модуль, включающий в себя множество кассет для батарей, электрически соединенных друг с другом.
В частности, батарейный модуль в соответствии с настоящим изобретением содержит: узел кассет, включающий в себя две или более кассет для батарей, описанных выше; корпус в форме ящика, имеющий открытую переднюю часть и внутреннее пространство для введения и установки узла кассет, причем корпус снабжен на своем верхнем конце и/или нижнем конце, и/или левой стороне, и/или правой стороне, и/или задней части множеством щелей; и переднюю панель, прикрепленную к открытой передней части корпуса.
Кассеты для батарей уложены в стопу друг на друга, причем уложенные в стопу кассеты для батарей установлены во внутреннем пространстве корпуса. Вследствие этого тепло, вырабатываемое из отдельных элементов питания, эффективно отводится из батарейного модуля наружным воздухом, попадающим в корпус сквозь щели, выполненные в этом корпусе.
Электрическое соединение между кассетами для батарей может осуществляться перед установкой кассет в корпусе или после нее. Например, размещают сборные шины между задней поверхностью передней панели и кассетами для батарей, а кассеты для батарей в этом случае устанавливают в корпусе, после чего проводят процесс сварки для достижения электрического соединения между кассетами для батарей.
Батарейный модуль предпочтительно содержит: систему управления батареями (СУБ), включающую в себя схему для поддержания разности потенциалов между отдельными элементами питания на надлежащем уровне и предотвращения чрезмерной зарядки или чрезмерной разрядки отдельных элементов питания, и печатную плату (ПП), включающую в себя схему для измерения напряжения и температуры отдельных элементов питания. В предпочтительном варианте СУБ установлена на боковой поверхности корпуса, а ПП установлена на задней поверхности передней панели.
Кроме того, можно электрически соединять друг с другом множество батарейных модулей для изготовления батарейной системы (или портативного батарейного источника питания) большой емкости с большой отдаваемой мощностью. Батарейная система предпочтительно может включать в себя дополнительные соединительные элементы для эффективного соединения батарейных модулей.
Батарейную систему в соответствии с настоящим изобретением можно применять в качестве батарейной системы большой емкости с большой отдаваемой мощностью. Например, эту батарейную систему можно применять в качестве батарейной системы для обычных электромобилей и электромобилей с гибридным приводом, предпочтительно для электромобилей с гибридным приводом.
Краткое описание чертежей
Вышеуказанные и другие цели, признаки и остальные преимущества настоящего изобретения можно будет лучше понять из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - вид в перспективе, иллюстрирующий внешнюю рамную деталь в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 - вид в перспективе, иллюстрирующий внутреннюю рамную деталь в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3 - вид в перспективе, иллюстрирующий два отдельных элемента, установленные между парой внешних рамных деталей, показанных на Фиг.1, и внутренней рамной деталью, показанной на Фиг.2;
Фиг.4 - частичный вид в увеличенном масштабе, иллюстрирующий соединение между внешними рамными деталями и внутренней рамной деталью, показанными на Фиг.3;
Фиг.5 - вид в перспективе, иллюстрирующий батарейный модуль в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.6 - вид в перспективе, иллюстрирующий корпус батарейного модуля, показанного на Фиг.5;
Фиг.7 - вид в перспективе, иллюстрирующий переднюю панель батарейного модуля, показанного на Фиг.5.
Описание основных ссылочных позиций чертежей
100: внешняя рамная деталь,
200: внутренняя рамная деталь,
300: кассета для батарей,
400: отдельные элементы питания,
500: батарейный модуль,
600: корпус,
700: передняя панель,
800: крышка СУБ.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Теперь со ссылками на прилагаемые чертежи будет приведено подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения. Вместе с тем, следует отметить, что объем притязаний настоящего изобретения не ограничивается иллюстрируемыми вариантами осуществления.
На Фиг.1 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий внешнюю рамную деталь 100 в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, на Фиг.2 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий внутреннюю рамную деталь 200 в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, а на Фиг.3 представлен вид в перспективе, иллюстрирующий два отдельных элемента, установленных между парой внешних рамных деталей, показанных на Фиг.1, и внутренней рамной деталью, показанной на Фиг.2.
Как показано на Фиг.1, внешняя рамная деталь 100 включает в себя прямоугольную раму 110, имеющую образованную в ней выемочную часть 120, и опорные планки 130, прикрепленные к прямоугольной раме 110, пересекая выемочную часть 120. Например, на раме 110 помещают отдельный элемент питания в форме пакета (не показан), а краевая часть отдельного элемента питания при этом располагается у внутренней части 140 рамы 110.
Как показано на Фиг.2, внутренняя рамная деталь 200 включает в себя прямоугольную раму 210, имеющую образованную в ней выемочную часть 220, и опорные планки 230, прикрепленные к прямоугольной раме 210, пересекая выемочную часть 220. В левой стороне рамы 210, то есть в левой части 211 рамы, и в правой стороне рамы 210, то есть в правой части 212 рамы, выполнены множества сквозных проемов 240. На верхнем конце рамы 210, то есть в верхней части 213 рамы, выполнены две впадины 250, в которые выступают выводы электродов (не показаны).
В соответствии с настоящим изобретением пару внешних рамных деталей (см. Фиг.1) располагают напротив друг друга, а внутреннюю рамную деталь (см. Фиг.2) располагают между внешними рамными деталями, при этом отдельные элементы питания устанавливают между внутренней рамной деталью и внешними рамными деталями и затем надежно соединяют эти рамные элементы друг с другом для изготовления кассеты для батарей.
На Фиг.3 показана кассета 300 для батарей в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, изготовленная так, как описано выше.
Как показано на Фиг.3, кассета 300 для батарей имеет конструкцию, в которой первая внешняя рамная деталь 100 и вторая внешняя рамная деталь 101 соединены друг с другом, а внутренняя рамная деталь расположена между первой и второй рамными деталями 100 и 101, так что отдельные элементы 400 питания установлены между этими рамными деталями. Один отдельный элемент питания установлен между первой внешней рамной деталью 100 и внутренней рамной деталью 200, а другой отдельный элемент питания установлен между внутренней рамной деталью 200 и второй внешней рамной деталью 101. Следовательно, в кассете 300 для батарей установлены два отдельных элемента. Вместе с тем, как описано выше, количество отдельных элементов питания, установленных между первой внешней рамной деталью 100 и внутренней рамной деталью 200, может составлять два или более. Точно так же количество отдельных элементов питания, установленных между второй внешней рамной деталью 101 и внутренней рамной деталью 200, может составлять два или более.
Первый отдельный элемент 400 питания, установленный между первой внешней рамной деталью 100 и внутренней рамной деталью 200, имеет вывод 410 анода и вывод 420 катода, которые открыты на верхнем конце кассеты 300 для батарей. Второй отдельный элемент питания (не показан), установленный между второй внешней рамной деталью 101 и внутренней рамной деталью 200, имеет вывод 411 анода и вывод 421 катода, которые также открыты на верхнем конце кассеты 300 для батарей. Вывод 410 анода первого отдельного элемента 400 питания соединен с выводом 421 катода второго отдельного элемента питания, а вывод 420 катода первого отдельного элемента 400 питания соединен с выводом анода отдельного элемента питания другой кассеты А для батарей, которая будет уложена на кассете 300 для батарей, вследствие чего отдельные элементы питания будут соединены друг с другом последовательно. Аналогичным образом вывод 411 анода второго отдельного элемента питания соединен с выводом катода отдельного элемента питания еще одной кассеты В для батарей, которая также будет уложена на кассету А для батарей.
На Фиг.4 представлен частичный вид в увеличенном масштабе, иллюстрирующий соединение между внешними рамными деталями 100 и 101 и внутренней рамной деталью 200.
Как показано на Фиг.4, пространство, ограниченное между отдельными элементами 400 питания за счет соединения между внешними рамными деталями 100 и 101 и внутренней рамной деталью 200, сообщается с внешним пространством через сквозные проемы 240. Следовательно, наружный охлаждающий воздух, который попадает в кассету для батарей через сквозные проемы 240, эффективно отводит тепло, вырабатываемое из отдельных элементов 400 питания, а потом выходит наружу через сквозные проемы 240. Кроме того, внешние поверхности отдельных элементов 400 питания открыты посредством выемочных частей 120 (см. Фиг.1) внешних рамных деталей и поэтому отвод тепла осуществляется эффективно.
Когда множество кассет 300 для батарей укладывают в стопу друг на друга для изготовления батарейного модуля, пространства, ограниченные между уложенными в стопу кассетами 300 для батарей, закрываются, и поэтому тепло, вырабатываемое из отдельных элементов 400 питания, может накапливаться в батарейном модуле. По этой причине во внешних поверхностях внешних рамных деталей 100 и 101 выполнено множество пазов 150 и 151 и поэтому пространства, ограниченные между уложенными стопой кассетами 300 для батарей, сообщаются с внешним пространством.
На Фиг.5 показан вид в перспективе, иллюстрирующий батарейный модуль 500 в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. На Фиг.6 показан вид в перспективе, иллюстрирующий корпус 600 батарейного модуля 500, а на Фиг.7 показан вид в перспективе, иллюстрирующий переднюю панель 700 батарейного модуля 500.
Как показано на Фиг.6, корпус 600 включает в себя открытую переднюю часть 610 и внутреннее пространство 620 для размещения множества кассет 300 для батарей (см. Фиг.3). Корпус 600 выполнен приблизительно в форме ящика. Корпус 600 снабжен на своем верхнем конце 630 и нижнем конце 640 множествами щелей 660, сообщающихся с внутренним пространством 620. При необходимости щели 660 также могут быть выполнены в задней части (не показана) корпуса 600. В боковой части 650 корпуса 600 установлена система управления батареями (СУБ), которая не показана.
Как показано на Фиг.7, передняя панель 700 имеет размеры, соответствующие размерам открытой передней части 610 корпуса 600 (см. Фиг.6), так что переднюю панель 700 можно крепить к открытой передней части 610 корпуса 600. Передней панели 700 придана форма, приблизительно соответствующая форме пластины. К задней поверхности передней панели 700 прикреплены сборные шины (не показаны) для обеспечения электрического соединения между отдельными элементами 400 питания (см. Фиг.3) и/или электрического соединения между кассетами 300 для батарей (см. Фиг.4). Сквозь переднюю панель 700 проделано множество проемов 710, посредством которых сборные шины крепятся к задней поверхности передней панели 700. К задней поверхности передней панели 700 также крепится печатная плата (ПП), которая не показана. ПП включает в себя схему для измерения разности потенциалов между отдельными элементами 400 питания и/или температур отдельных элементов 400 питания.
Как показано на Фиг.5, переднюю панель 700 крепят к корпусу 600, а множество кассет для батарей (не показаны) устанавливают во внутреннем пространстве 620 корпуса 600, и к этому корпусу 600 крепят крышку 800 СУБ, причем СУБ устанавливают на корпусе 600, после чего батарейный модуль 500 готов. Сборные шины 720 частично открыты через проемы 710 передней панели 700. Крышка 800 СУБ предпочтительно изготовлена из листа металла для защиты СУБ от электромагнитных волн и физических ударных воздействий извне.
Множество батарейных модулей 500, таких как показанный на Фиг.5, последовательно укладывают в стопу и электрически соединяют батарейные модули 500 друг с другом для изготовления портативного батарейного источника питания большой емкости с большой отдаваемой мощностью. Этот портативный батарейный источник питания очень полезен в качестве источника питания для электромобилей, особенно для электромобилей с гибридным приводом.
Хотя в иллюстративных целях описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, специалисты в данной области техники поймут, что в рамках объема и существа притязаний изобретения, охарактеризованных в прилагаемой формуле изобретения, возможны различные изменения, дополнения и замены.
Промышленная применимость
Из вышеизложенного описания очевидно, что кассета для батарей и батарейный модуль, включающий в себя эту кассету, обладают высокой степенью конструктивной интеграции и механической прочностью. Поэтому настоящее изобретение обеспечивает эффект минимизации размеров батарейной системы, устойчивой установки отдельных элементов питания, имеющих низкую механическую прочность, и эффективного отвода тепла из отдельных элементов питания.
Изобретение относится к кассете для батарей. Кассета для батарей включает в себя пару внешних рамных деталей для размещения отдельных элементов питания и внутреннюю рамную деталь, расположенную между внешними рамными деталями. Отдельные элементы питания установлены между внешними и внутренней рамными деталями. Внутренняя рамная деталь имеет множество сквозных проемов, которые сообщаются с внешним пространством, когда отдельные элементы питания установлены между внешними и внутренней рамными деталями. Предложенный батарейный модуль открытого типа включает в себя такую кассету для батарей. Кассета для батарей и батарейный модуль обладают высокой степенью конструктивной интеграции и механической прочностью. Техническим результатом является обеспечение эффекта минимизации размеров батарейной системы, устойчивой установки отдельных элементов питания, имеющих низкую механическую прочность, и эффективного отвода тепла из отдельных элементов питания. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.
| US 5487955 А, 30.01.1996 | |||
| КОНТЕЙНЕР ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ | 1980 |
|
RU828913C |
| US 4396689 А, 02.08.1983 | |||
| US 5364711 А, 15.11.1994. | |||
