СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ БАТАРЕЙНОГО БЛОКА Российский патент 2008 года по МПК H01M10/50 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к системе охлаждения для батарейного блока, который является пригодным в качестве источника питания электромобилей и гибридных электромобилей, а более конкретно к системе охлаждения батарейных блоков для регулирования температуры батарейного блока, в которой зона введения холодильного агента и зона выпуска холодильного агента расположены на одной и той же стороне системы, и каждый из множества батарейных модулей имеет независимый канал для холодильного агента, по которому холодильный агент проходит через множество ячеек батарейных модулей, при постоянной скорости потока, что приводит к уменьшению колебания температуры между ячейками батареи, а также размера всей батарейной системы.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одной главной проблемой, связанной с транспортными средствами, в которых сжигается природное топливо, такое как бензин и дизельное топливо, является загрязнение воздуха. Для решения такой проблемы следует обратить внимание на технологию, в которой в качестве источника питания транспортных средств используется аккумуляторная вторичная батарея. Соответственно, разрабатывались электромобили (ЭМ), которые функционировали только за счет вторичных батарей, и гибридные электромобили (ГЭМ), в которых использовались, как вторичные батареи, так и двигатели внутреннего сгорания, и некоторые из этих электромобилей и гибридных электромобилей получили промышленное внедрение. Примером вторичной батареи, которая применяется в качестве источника питания ЭМ и ГЭМ, является никель-металлическая гибридная (Ni-MH) батарея, но в последнее время также проводятся попытки применения литиево-ионных батарей.

Для использования вторичной батареи в качестве источника питания ЭМ и ГЭМ, вторичная батарея должна обладать высокой производимой мощностью и высокой емкостью. Рассматривая стандартную конфигурацию, как удовлетворяющую данному требованию, множество небольших вторичных батарей (ячеек батарей) соединяется последовательно или параллельно, образуя батарейный модуль, а, в свою очередь, множество батарейных модулей соединяется последовательно или параллельно, образуя единичный батарейный блок.

Однако проблема вторичной батареи с высокой выходной мощностью и емкостью состоит в том, что во время режима зарядки/разрядки она производит большое количество тепла. Если тепло ячеек батареи, генерированное при режиме зарядки/разрядки, эффективно не отводится, то это тепло накапливается, приводя к разрушению ячеек батареи. По этой причине необходимо обеспечить такую батарею с высокой выходной мощностью и емкостью, снабженную системой охлаждения.

В качестве примера системы для охлаждения батарейного блока согласно известному уровню техники, можно рассмотреть патент США № 5589290 и Корейскую выложенную патентную заявку № 2004-45937. Далее, принцип действия стандартной системы для охлаждения батарейного блока будет разъяснен со ссылкой на фиг.1.

Как показано на фиг.1, стандартная система охлаждения батарейного блока, обозначенная ссылочной позицией 10, включает батарейный блок 20, содержащий множество батарей, секцию 30 введения холодильного агента, установленную на нижней торцевой поверхности батарейного блока 20, и секцию 40 выпуска холодильного агента, установленную на верхней торцевой поверхности батарейного блока 20. Батарейный блок 20 состоит из множества батарейных модулей 50, электрически соединенных друг с другом. Также, каждый из батарейных модулей 50 состоит из множества ячеек 60 батареи, электрически соединенных друг с другом. Ячейки 60 батареи из каждого батарейного модуля 50 образуют небольшие зазоры в областях контакта с соседними ячейками 60 батареи, вследствие чего холодильный агент, введенный через зону 30 введения, можно использовать для рассеивания тепла, генерированного в ячейках 60 батареи при его перемещении через зазоры. После этого, холодильный агент выпускают через секцию 40 выпуска, размещенную в верхней части батарейного блока 20.

Однако система 10 охлаждения батарейного блока, имеющая вышеописанную конфигурацию, как показано на фиг.1, имеет несколько проблем, как изложено ниже.

Во-первых, в случае системы 10 охлаждения стандартного батарейного блока, сложно равномерно распределять холодильный агент, проходящий через секцию 30 введения, по соответствующим батарейным модулям 50. Это неизбежно приводит к большой разнице температур между ячейками 60 батареи. Последние исследования подтверждают, что такая большая разность температур между ячейками 60 батареи является главным фактором падения общего кпд блока 20 батарей.

Во-вторых, поскольку секция 30 введения холодильного агента и секция 40 выпуска холодильного агента размещены независимо друг от друга на верхней и нижней сторонах блока 20 батарей, необходимо установить два направляющих элемента для холодильного агента на обеих, соответственно верхней и нижней сторонах блока 20 батарей. Это удваивает место для установки направляющих элементов для холодильного агента, и, таким образом, нежелательным образом увеличивает общий размер батарейной системы.

По этим причинам наиболее коммерчески используемые в настоящее время системы охлаждения блоков батарей не обеспечивают оптимального регулирования температуры ячеек батареи и имеют увеличенный размер батарейной системы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Поэтому, настоящее изобретение было разработано ввиду вышеизложенных проблем, а также других не решенных традиционных технических проблем, и задачей настоящего изобретения является обеспечение системы охлаждения для батарейного блока, которая может эффективно отводить тепло, генерированное в ячейках батарей, за счет подачи холодильного агента к ячейкам батарей при постоянной скорости потока, а также может минимизировать разность температур между ячейками батареи в ходе процесса охлаждения, предотвращая, таким образом, падение кпд ячеек батареи и облегчая оптимальное регулирование температур ячеек батареи.

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение системы охлаждения блока батарей, пригодной для осуществления желаемой операции охлаждения, при достижении уменьшения общего размера батарейной системы.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения вышеуказанные и другие задачи могут быть решены путем обеспечения системы охлаждения для блока батарей, в которой секция введения холодильного агента и зона выпуска холодильного агента расположены на одной и той же стороне блока батарей, и каждая из этих секций, секция введения холодильного агента и секция выпуска холодильного агента разделена внутри на множество каналов для прохождения холодильного агента, вследствие чего холодильный агент, проходящий через секцию введения холодильного агента, направляется к одному из соответствующих батарейных модулей для охлаждения батарейных модулей, и затем выпускается через секцию выпуска холодильного агента.

Как описывалось выше, блок батарей состоит из множества батарейных модулей, электрически соединенных друг с другом, и, в свою очередь, каждый из батарейных модулей состоит из множества небольших батарей, т.е. ячеек батарей, электрически соединенных друг с другом. Для получения батареи с желаемой выходной мощностью и емкостью, предпочтительно, батареи с высокой мощностью и высокой производительностью, необходимо электрически соединить друг с другом батарейные модули, а более конкретно ячейки батареи, последовательно или параллельно. Ячейки батареи можно свободно выбрать из различных аккумуляторных батарей без конкретных ограничений. Например, такой ячейкой батареи, предназначенной для использования в настоящем изобретении, является вторичная батарея, в которой катод, анод, сепаратор и электролит содержатся в герметизированном контейнере и работают по принципу зарядки/разрядки. Предпочтительно, чтобы типы ячеек батареи согласно настоящему изобретению включали литиево-ионные вторичные батареи, литиево-ионные полимерные вторичные батареи, или никель-металлические гибридные батареи.

Ячейки батареи в контактных областях между соседними ячейками батареи образуют небольшие зазоры, используемые для перемещения через них холодильного агента. В соответствии с требованиями ячейки батареи могут быть отделены друг от друга равными промежутками с заданным расстоянием или с различными расстояниями для обеспечения эффективного перемещения холодильного агента. Перемещаясь через промежутки, холодильный агент рассеивает тепло, генерированное в ячейках батареи.

Холодильный агент, предназначенный для использования в настоящем изобретении, можно свободно выбирать из различных охлаждающих жидкостей без конкретных ограничений. Является предпочтительным, чтобы холодильный агент был выбран из двух компонентов, воздуха или воды, а более предпочтительно, чтобы был выбран воздух. Например, когда холодильным агентом является воздух, холодильный агент, для его введения в секцию введения холодильного агента системы охлаждения согласно настоящему изобретению нагнетается с помощью отдельного устройства, такого как вентилятор.

Система охлаждения батарейного блока согласно настоящему изобретению влияет на уменьшение общего размера батарейной установки, поскольку, как секция введения холодильного агента, так и секция выпуска холодильного агента размещены на одной и той же стороне батарейного блока. Кроме того, в связи с тем, что каждый из батарейных модулей связан с определенным каналом для прохождения холодильного агента, вследствие чего батарейные модули охлаждаются независимо друг от друга, холодильный агент может перемещаться по соответствующим каналам при постоянной скорости потока, а разность температур между ячейками батареи в ходе процесса охлаждения можно снизить.

Количество каналов для прохождения холодильного агента может быть связано с количеством батарейных модулей в соотношении один к одному с использованием различных методов. В предпочтительном варианте осуществления секция введения холодильного агента снабжена внутри множеством перегородок, которые служат для отделения каждого из соответствующих батарейных модулей от других, смежных с ним батарейных модулей, вследствие чего холодильный агент вводится в соответствующие батарейные модули для охлаждения батарейных модулей при его циркулировании через них, и последующем выпуске из соответствующих батарейных модулей. Предпочтительно, чтобы перегородки также были установлены в секции выпуска холодильного агента. В примерной конфигурации, перегородки, используемые для отделения каналов для прохождения холодильного агента батарейных модулей друг от друга, проходят от впуска, выполненного в секции введения холодильного агента, или от местоположения, находящегося вблизи входа в выпускной канал, выполненный в секции выпуска холодильного агента или в местоположении вблизи выпуска.

Как секцию введения холодильного агента, так и секцию выпуска холодильного агента можно ограничить направляющими элементами для холодильного агента, причем направляющие элементы для холодильного агента можно установить на верхней или нижней стороне, а также на боковой стороне батарейного блока. В соответствии с требованиями направляющий элемент для холодильного агента может быть расположен в центре батарейного блока, вследствие чего батарейные модули устанавливаются, соответственно, на верхней и нижней стороне направляющего элемента холодильного агента. Предпочтительно, чтобы направляющий элемент холодильного агента можно было устанавливать на верхней или нижней стороне батарейного блока.

В предпочтительном варианте осуществления как секция введения холодильного агента, так и секция выпуска холодильного агента установлены на верхней стороне батарейного блока, а каналы для прохождения холодильного агента выполнены таким образом, чтобы холодильный агент, проходящий через вход секции введения холодильного агента, сначала перемещается в направлении первой боковой стенки батарейного блока для перемещения вниз вдоль первой боковой стенки, а затем перемещается в направлении второй боковой стенки батарейного блока, расположенной напротив первой боковой стенки, проходя через зазоры, образованные между соседними ячейками батареи, для перемещения вверх вдоль второй боковой стенки, и, наконец, выходит через выход секции выпуска холодильного агента.

Предпочтительно, чтобы система охлаждения батарейного блока согласно настоящему изобретению могла использоваться в батарейной установке, являющейся источником энергии электромобилей или гибридных электромобилей, более предпочтительно гибридных электромобилей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеуказанные и другие задачи, признаки и другие преимущества настоящего изобретения будут более четко поняты из следующего подробного описания, используемого в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:

на фиг.1 изображена схема системы охлаждения стандартного батарейного блока, которая показана на частично срезанном виде внутренней части;

на фиг.2 изображена схема системы охлаждения батарейного блока согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг.3 изображен перспективный вид, иллюстрирующий направляющий элемент для холодильного агента согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения, для использования в системе охлаждения батарейного блока настоящего изобретения;

на фиг.4 изображен перспективный вид в разобранном виде системы охлаждения батарейного блока согласно настоящему изобретению, которая закреплена в верхней части батарейного блока; и

на фиг.5 изображен перспективный вид в разобранном виде системы охлаждения батарейного блока согласно настоящему изобретению, которая закреплена в нижней части батарейного блока.

<Описание основных номеров ссылок чертежей>

100: система охлаждения батарейного блока 200: батарейный модуль

300: батарейный блок 400: ячейка батареи

500, 700: направляющий элемент для холодильного агента 600: корпус

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

Далее будет описана система для охлаждения батарейного блока согласно варианту осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Последующее описание предназначено для легкого понимания настоящего изобретения, а не для ограничения объема настоящего изобретения.

На фиг.2 показана схема системы охлаждения батарейного блока согласно настоящему изобретению в виде частичного вида в разрезе внутренней части. Система 100 охлаждения батарейного блока включает батарейный блок 300, состоящий из множества батарейных модулей 200, 210, 220, и 230, электрически соединенных друг с другом, и направляющий элемент 500 для холодильного агента, установленный на верхней торцевой поверхности батарейного блока 300. Каждый из батарейных модулей 200, 210, 220, и 230 включает множество ячеек 400 батареи, электрически соединенных друг с другом.

Направляющий элемент 500 для холодильного агента включает секцию 510 введения холодильного агента и секцию 520 выпуска холодильного агента. В настоящем изобретении секция 510 введения холодильного агента и секция 520 выпуска холодильного агента расположены на верхней части батарейного блока 300. Секция 510 введения холодильного агента включает вход 512 для введения холодильного агента, подаваемого из внешнего подающего устройства (не показано) для подачи холодильного агента в герметизированное внутреннее пространство системы 100 охлаждения, и множество перегородок 514 для разделения секции 510 введения на множество каналов для прохождения холодильного агента, проходящих к батарейным модулям 200, 210, 220 и 230 соответственно. Секция 520 выпуска включает множество перегородок 524 для разделения секции 520 выпуска на множество каналов для прохождения холодильного агента, вдоль которых перемещается относительно высокотемпературный холодильный агент, проходящий через соответствующие батарейные модули 200, 210, 220, и 230, и выход 522 для выпуска высокотемпературного холодильного агента из системы 100 охлаждения.

Система 100 охлаждения герметично закрыта корпусом 600, за исключением входа 512 и выхода 522, вследствие чего холодильный агент перемещается только вдоль каналов без риска рассеивания.

В описанной выше конфигурации холодильный агент после его введения через вход 512 проходит вдоль заданных каналов, разделенных перегородками 514, так что в каждом соответствующем канале он имеет постоянную скорость потока. То есть скорость потока холодильного агента, проходящего через каждый конкретный канал из каналов FC₁, который проходит к первому батарейному модулю 200, скорость потока холодильного агента, проходящего через каждый конкретный канал из каналов FC₂, который проходит ко второму 210 батарейному модулю, скорость потока холодильного агента, проходящего через каждый конкретный канал из каналов FC₃, который проходит к третьему 220 батарейному модулю, и скорость потока холодильного агента, проходящего через каждый конкретный канал из каналов FC₄, который проходит к четвертому 230 батарейному модулю, идентична одна другой. Перегородки 514 секции 510 введения проходят вниз вдоль первой боковой стенки 110 к нижней торцевой поверхности батарейного блока 300. Таким образом, холодильный агент после его введения через вход 512 проходит по направлению к первой боковой стенке 110, а затем проходит ко второй боковой стенке 120, расположенной напротив первой боковой стенки 110, проходя через зазоры, образованные между соседними ячейками 400 батареи. Поскольку соответствующие батарейные модули 200, 210, 220 и 230 изолированы друг от друга, отсутствует какой-либо риск того, что холодильный агент, предназначенный для использования в охлаждении каждого конкретного батарейного модуля, например батарейного модуля 200, при его перемещении от первой боковой стенки 110 ко второй боковой стенке 120, позволяет на другой батарейный модуль, например батарейный модуль 210. При перемещении холодильного агента от первой боковой стенки 110 ко второй боковой стенке 120 тепло, генерированное в ячейках 400 батареи, передается холодильному агенту.

После достижения второй боковой стенки 120 холодильный агент проходит вверх в секцию 520 выпуска вдоль соответствующих каналов, разделенных перегородками 524, так что он выходит из системы 100 наружу через выход 522. Когда холодильный агент проходит вверх вдоль второй боковой стенки 120, скорость потока холодильного агента, проходящего через ячейки 400 батареи, не изменяется. Поэтому может рассматриваться, что перегородки 524 секции 520 выпуска выполнены только у второй боковой стенки 120.

На фиг.3 показан направляющий элемент для холодильного агента согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения.

Как показано на фиг.3, направляющий элемент 700 для холодильного агента согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения включает секцию 710 введения холодильного агента и секцию 720 выпуска холодильного агента, которая имеет приблизительно те же каналы для прохождения холодильного агента, что и на фиг.2, но отличающиеся формой перегородок 714 и 724. А именно, перегородки 714 секции 710 введения, проходящие ко входу (не показан) секции 710 введения, незначительно наклонены к первой боковой стенке 110. Кроме того, перегородки 724 секции 720 введения, проходящие к выходу (не показан) секции 720 выпуска, незначительно наклонены ко второй боковой стенке 120.

Из вышеприведенного описания следует понимать, что для реализации сущности настоящего изобретения можно использовать различные типы направляющих элементов для холодильного агента, и все из них включены в объем настоящего изобретения.

На фиг.4 и 5 показаны различные батарейные установки, в которых направляющий элемент для холодильного агента на фиг.3 установлен в верхней или нижней части батарейного блока.

Что касается фиг.4, между соседними батарейными модулями 200, 210, 220 и 230 вставлены разделительные элементы 800. Разделительные элементы 800 выступают из противоположных боковых поверхностей батарейного блока 300, вследствие чего они входят в тесное соприкосновение с крышкой 610 корпуса. Таким образом, как показано на фиг.4, является необязательным, чтобы в корпусе батарейной установки перегородки 714 и 724 проходили к боковым поверхностям батарейного блока 300.

Что касается фиг.5, направляющий элемент 700 для холодильного агента установлен в нижней части батарейного блока 300. В данном случае, холодильный агент проходит в направлении, обратном тому, которое описано со ссылкой на фиг.2.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Как ясно из вышеприведенного описания, настоящее изобретение включает относится к системе охлаждения батарейного блока, имеющей следующие преимущества.

Во-первых, система охлаждения батарейного блока согласно настоящему изобретению выполнена для подачи холодильного агента к соответствующим ячейкам батареи при постоянной скорости потока и достижения, таким образом, эффективного рассеивания тепла, генерированного в ячейках батареи. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает уменьшение разности температур между ячейками батареи в процессе охлаждения. Это предотвращает падение кпд ячеек батареи, облегчая, таким образом, оптимальное регулирование температуры ячеек батареи. Более того, в настоящем изобретении использован только один направляющий элемент для холодильного агента, установленный на верхней или нижней стороне батарейного блока, что приводит к уменьшению общего размера батарейной установки.

Хотя предпочтительные варианты настоящего изобретения были раскрыты для иллюстративных целей, специалисты в данной области техники должны принять во внимание, что возможны различные модификации, добавления и замены, без отклонения от объема и сущности изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системе охлаждения для батарейного блока, который используется в качестве источника питания электромобилей и гибридных электромобилей. Система охлаждения обеспечивает эффективное рассеивание тепла, генерируемого в ячейках батареи, за счет подачи холодильного агента к ячейкам батареи при постоянной скорости потока, а также уменьшения разности температур между ячейками батареи в процессе охлаждения. Это предотвращает падение кпд ячеек батареи и способствует достижению оптимального регулирования температуры, что является техническим результатом изобретения. Кроме того, в системе охлаждения использован единственный направляющий элемент для холодильного агента, установленный на одной стороне батарейного блока, что приводит к уменьшению общего размера батарейной установки. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система охлаждения для батарейного блока, в которой секция введения холодильного агента и секция выпуска холодильного агента расположены на одной и той же стороне батарейного блока, причем каждая из секций, секция введения холодильного агента и секция выпуска холодильного агента, разделена внутри на множество каналов для прохождения холодильного агента, так что холодильный агент, проходящий через секцию введения холодильного агента, направляется к одному из соответствующих батарейных модулей для охлаждения батарейных модулей, а затем выпускается через секцию выпуска холодильного агента, при этом каждый из батарейных модулей содержит множество ячеек батарей, причем холодильный агент подается к ячейкам батарей при постоянной скорости потока.2. Система охлаждения по п.1, в которой ячейки батареи представляют собой литиево-ионные вторичные батареи, литиево-ионные полимерные вторичные батареи, или никель-металлические гибридные батареи.3. Система охлаждения по п.1, в которой холодильный агент представляет собой воздух.4. Система охлаждения по п.1, в которой секция введения холодильного агента снабжена внутри множеством перегородок, которые служат для отделения одного соответствующего батарейного модуля от других, прилегающих к нему батарейных модулей, посредством которой холодильный агент вводится в соответствующие батарейные модули для охлаждения батарейных модулей, при его циркулировании через них, а затем выводится из соответствующих батарейных модулей.5. Система охлаждения по п.4, в которой в секции выпуска холодильного агента также выполнены перегородки.6. Система охлаждения по п.1, в которой, как секция введения холодильного агента, так и секция выпуска холодильного агента ограничена направляющим элементом для холодильного агента, и направляющий элемент холодильного агента установлен на верхней или нижней стороне батарейного блока.7. Система охлаждения по п.6, в которой направляющий элемент для холодильного агента установлен на верхней стороне батарейного блока, и каналы для прохождения холодильного агента выполнены так, что холодильный агент, проходящий через вход, выполненный в секции введения холодильного агента, сначала перемещается в направлении первой боковой стенки батарейного блока для прохождения вниз вдоль первой боковой стенки, а затем перемещается ко второй боковой стенке батарейного блока, расположенной напротив первой боковой стенки, проходя через зазоры, образованные между соседними ячейками батареи, для прохождения вверх вдоль второй боковой стенки, и затем выходит через выход секции выпуска холодильного агента.8. Система охлаждения по п.1, в которой система охлаждения используется в батарейной установке, которая служит в качестве источника питания электромобилей или гибридных электромобилей.9. Система охлаждения по п.8, в которой система охлаждения используется в батарейной установке, которая служит в качестве источника питания гибридных электромобилей.