Батарея высокомощная на основе литий-полимерных аккумуляторов
РЕФЕРАТ
БАТАРЕЯ ВЫСОКОМОЩНАЯ НА ОСНОВЕ ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Заявляемое техническое решение относится к области устройств для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, а именно к батареям высокой мощности, и может быть использована в качестве основного и резервного источника электропитания на судах и других объектах морской техники, в частности, бортовой аппаратуре, а также в качестве стартерной для небольших двигателей.
Высокомощная батарея, содержащая блок плоских литий-полимерных аккумуляторов, последовательно соединенных в электрическую цепь и установленных в полиамидные рамки, снабженные отверстиями под стяжки, обеспечивающие фиксацию аккумуляторов в блоке и блоков в батарее, отличается тем, что между аккумуляторами в блоке установлены металлические теплоотводы с увеличенной поверхностью теплоотдачи по торцам, передающие тепло на стенки кожуха через теплопроводящие электроизоляционные прокладки, а на основание батареи через теплопроводящую электроизоляционную прокладку установлена плата силовых ключей на алюминиевой основе электронной системы контроля и управления батареей. В частном случае высокомощная батарея на основе литий-полимерных аккумуляторов отличается тем, что на внутреннюю поверхность кожуха нанесено покрытие из теплоизоляционного мелкоячеистого вспененного полиуретана.
Технический результат заключается в повышении электрической мощности до 6,4 КВт, повышении напряжения основного и резервного источника электропитания на судах и других объектах морской техники до 80 В, тока разряда источника электропитания на судах и других объектах морской техники до 80 А, увеличении показателей работы батареи в условиях низких температур (до минус 30 оС), обеспечении пыле- и влагозащиты, обеспечении защиты аккумулятора от переразряда при разряде батареи и обеспечении защиты аккумулятора от высокого напряжения при заряде батареи.
МПК 8: H01M 10/05
БАТАРЕЯ ВЫСОКОМОЩНАЯ НА ОСНОВЕ ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Область техники, к которой относится полезная модель
Заявляемое техническое решение относится к области устройств для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, а именно к высокомощным литий-полимерным батареям для применения в качестве основного и резервного источника электропитания на судах и других объектах морской техники.
Уровень техники
Известна никель-кадмиевая аккумуляторная батарея 19НКГ-10Д, ТУ16-563.024-85. Аккумуляторная батарея состоит соответственно из 19 последовательно соединенных никель-кадмиевых герметичных призматических аккумуляторов НКГ-10Д. Аккумуляторная батарея 19НКГ-10Д помещена в металлический корпус с крышкой. Положительный и отрицательный выводы батареи выведены на 2 колодки, расположенные на передней стенке корпуса батареи, и закрыты откидной крышкой.
Указанная никель-кадмиевая аккумуляторная батарея обладает необходимой для решения поставленной задачи емкостью, однако обладает рядом существенных недостатков: низкое напряжение, большие масса и габаритные размеры, низкие удельные характеристики, особенно в области низких температур (минус 30 оС).
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является «Тяговый литий-полимерный аккумулятор», патент РФ 
136644. Указанная полезная модель относится к области литий-полимерных батарей высокой емкости, которая может быть использована в качестве тяговой аккумуляторной батареи для лодочных электромоторов, а также в качестве источника электропитания для различных мобильных потребителей электроэнергии (автономные осветительные системы, портативная техника, переносные компьютерные устройства и т.д.).
Тяговый литий-полимерный аккумулятор заключен в герметичном прямоугольном пластиковом корпусе с ручкой, обеспечиваются его пыле- и влагозащита. Применение в конструкции аккумулятора термоматериалов обеспечивает его работу без потери энергетической емкости в условиях низких температур (до -20°С). Суммарная энергетическая емкость аккумулятора составляет от 60 А*ч до 120 А*ч при весе от 3 кг до 5 кг. Заявленная полезная модель снабжена внутренними защитами.
Существенным недостатком рассматриваемой полезной модели является то, что ее мощности недостаточно для обеспечения длительной работы энергонезависимых устройств высокой мощности.
Раскрытие полезной модели
Сведения, раскрывающие сущность полезной модели
Техническим результатом заявленной полезной модели является:
- повышение электрической мощности литий-полимерной батареи до 6,4 КВт;
- повышение напряжения основного и резервного источника электропитания на судах и других объектах морской техники до 80 В;
- увеличение максимального тока разряда источника электропитания на судах и других объектах морской техники до 80 А;
- увеличение показателей работы батареи в условиях низких температур (до минус 30 о С);
- обеспечение пыле- и влагозащиты;
- обеспечение защиты аккумулятора от переразряда при разряде батареи;
- обеспечение защиты аккумулятора от высокого напряжения при заряде батареи.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является долговременное обеспечение автономным электропитанием аппаратуры судов и других объектов морской техники за счет использования высокомощной батареи на основе литий-полимерных аккумуляторов с высоким напряжением (80 В), высоким током разряда (80 А), работоспособной в области низких температур (минус 30 оС), с высокими удельными энергетическими характеристиками и электронной системой контроля, управления и диагностики (СКУ).
Данная задача решается за счет того, что в конструкции батареи с СКУ используются 22 плоских литий-полимерных аккумулятора (1) емкостью 16 А*ч, напряжением 3,65 В, обладающих высокой удельной энергией (150 Вт*ч/кг), соединенных последовательно в электрическую цепь для обеспечения напряжения батареи 80 В.
СКУ включает две платы управления (11), плату силовых ключей (12) и плату термодатчиков (13).
Аккумуляторы (1) в батарее соединены в два блока (3) по 11 штук, имеющих индивидуальную плату управления СКУ (11). Блоки (3) соединены последовательно через плату силовых ключей СКУ (12), установленную на основание (7) батареи через теплопроводящую электроизоляционную прокладку (14), которая обеспечивает отвод тепла от платы ключей СКУ.
Аккумуляторы (1) установлены в полиамидные рамки (2), снабженные отверстиями под стяжки (5, 6), обеспечивающие фиксацию аккумуляторов в блоке (3) и блоков в батарее. Между аккумуляторами в блоках установлены металлические теплоотводы (4), конструкция которых имеет на торцах увеличенную теплоотводящую поверхность, что обеспечивает улучшенную теплоотдачу от аккумуляторов при высоком токе разряда. Тепло от аккумуляторов через теплопроводящие прокладки (14) передается на металлический кожух (8) батареи и рассеивается в окружающее пространство.
На внутреннюю поверхность кожуха (8) нанесено покрытие из теплоизоляционного мелкоячеистого вспененного полиуретана (10).
В условиях низких температур (минус 30 оС) при небольших токах разряда теплоизоляционное покрытие внутри кожуха батареи обеспечивает сохранение тепла внутри батареи и, соответственно, разрядную емкость до 75 % от номинальной.
В конструкции батареи имеются два соединителя (9) для подключения к нагрузке и диагностирующему устройству.
Заявленная полезная модель обеспечивает заявленный технический результат: она представляет собой перезаряжаемую высокомощную батарею высокого напряжения (80 В) на основе плоских литий-полимерных аккумуляторов, обеспечивающую разряд высоким током (80 А), высокую разрядную емкость при температуре минус 30 оС (75 % Сном. ); обеспечены её пыле- и влагозащита, а также высокая степень электрической защиты за счет применения электронной системы контроля, управления и диагностики.
Таким образом, заявленная полезная модель решает поставленную задачу и может быть использована в качестве основного и резервного источника электропитания на судах и других объектах морской техники, в том числе в области низких температур, а также в качестве стартерного для запуска небольших электродвигателей.
Признаки, используемые для характеристики полезной модели:
- последовательное соединение аккумуляторов обеспечивает номинальное напряжение батареи 80 В;
- теплоотводы в блоке аккумуляторов обеспечивают теплоотдачу при разряде током 80 А;
- теплопроводящие электроизолирующие прокладки между кожухом и блоками аккумуляторов, между основанием батареи и платой ключей СКУ обеспечивают оптимальный тепловой режим работы батареи;
- покрытие кожуха теплоизоляционным вспененным мелкоячеистым полиуретаном обеспечивает высокую емкость батареи в области низких температур;
- конструкция корпуса обеспечивает пыле- и влагозащиту заявленной модели;
- удельная энергия батареи на основе плоских литий-полимерных аккумуляторов в 2-3 раза выше удельной энергии традиционных аккумуляторных батарей (свинцово-кислотных, никель-кадмиевых и др.);
- электронная система контроля, управления и диагностики обеспечивает оптимальный режим эксплуатации.
Краткое описание чертежа
Фигура 1 представляет схему устройства заявленной полезной модели.
1 - Аккумулятор
2 - Полиамидная рамка
3 - Блок аккумуляторов
4 - Теплоотвод
5 - Стяжка
6 - Силовая стяжка
7 - Основание
8 - Кожух
9 - Соединители
10 - Полиуретановое покрытие
11 - Плата управления СКУ
12 - Плата силовых ключей СКУ
13 - Плата термодатчиков СКУ
14 - Теплопроводящая прокладка
Осуществление полезной модели
Вторичные литиевые батареи коммерчески доступны более 15 лет. Преимущества литиевых батарей по сравнению с кислотно-свинцовыми заключаются в высокой плотности энергии на единицу объема и единицу веса, большем количестве рабочих циклов.
Недостатком литиевых батарей является их высокая стоимость по сравнению с альтернативными химическими источниками автономной энергии (свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, металлогидридные аккумуляторы), однако этот недостаток компенсируется уникальными показателями удельной энергии, которые превышают аналогичные показатели альтернативных аналогов.
Наиболее часто используемыми батареями являются литий-ионные, которые содержат жидкий электролит, а также литий-полимерные, которые содержат гелеобразный электролит. Различия в составе и плотности электролитов обуславливают преимущества литий-полимерных аккумуляторов над литий-ионными: литий-полимерные аккумуляторы могут принимать более разнообразные формы (для работоспособности литий-ионных аккумуляторов необходимо поддерживать непрерывное давление внутри корпуса для предотвращения распада жидкого электролита, что накладывает ограничения на форму и материалы внешних кожухов), вероятность вытекания электролита у них ниже, а показатели работоспособности при низких температурах выше.
Литий-полимерные аккумуляторы, как правило, используются небольшой (обычно до 20 А*ч) емкости из-за их дороговизны и применяются в устройствах, где небольшие габариты и масса батареи имеют высокое значение.
Для задач, решение которых предполагает использование аккумуляторов большой мощности, используются, как правило, свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, металлогидридные аккумуляторы, однако они обладают низкими (относительно литий-полимерных и литий-ионных) показателями удельной энергетической емкости, что обуславливает их большие габариты и вес.
Для создания высокомощной батареи, заявленной в качестве полезной модели, используются перезаряжаемые литий-полимерные аккумуляторы плоской конструкции, напряжением 3,65 В, емкостью 16 А*ч. Высокое выходное напряжение батареи достигается последовательным соединением двух блоков аккумуляторов, состоящих из одиннадцати соединенных последовательно аккумуляторов, и электронной системы контроля, управления и диагностики (СКУ). В блоках аккумуляторов установлены металлические теплоотводы с увеличенной поверхностью теплоотдачи по торцам, обеспечивающие теплоотвод от аккумуляторов при высоких (80 А) токах разряда на кожух батареи через теплопроводящую прокладку.
При низких (минус 30 оС) температурах теплоизоляционное покрытие кожуха обеспечивает сохранение тепла в корпусе батареи и разрядную емкость до 75 % от номинальной.
Последовательное соединение двух блоков аккумуляторов осуществляется через плату силовых ключей СКУ, установленную на основание батареи через теплопроводящую электроизоляционную прокладку, которая обеспечивает отведение тепла при разряде током 80 А.
Благодаря высокому напряжению батарея может обеспечить высокую мощность при использовании в качестве источника электропитания на судах и других объектах морской техники.
Наличие электронной системы контроля, управления и диагностики на блоках аккумуляторов обеспечивает оптимальные условия эксплуатации батареи за счет контроля предельных напряжений при заряде и разряде каждого из 22-х аккумуляторов, контроля температуры на аккумуляторах и степени их заряженности
Каждый аккумулятор в блоке установлен в полиамидную рамку, снабженную отверстиями под силовую стяжку и стяжку в блоке, обеспечивающую как фиксацию аккумуляторов в блоках и батарее, так и механическую прочность конструкции в составе батареи при внешних механических воздействиях.
Кожух и основание батареи выполнены из алюминиевого сплава и обеспечивают защиту блока аккумуляторов и системы СКУ от пыли, брызг и механических повреждений.
Батарея имеет два соединителя: силовой и диагностический для подключения к нагрузке и диагностирующему устройству.
Батарея имеет высокие удельные энергетические характеристики, в 2-3 раза превышающие характеристики свинцовых и никель-кадмиевых батарей.
Проведенные испытания показывают, что батарея напряжением 80 В и емкостью 16 А*ч обеспечивает потребителя током 3,2 А в течение 5 часов при температуре 20 о С и в течение 3,5-4 часов при температуре минус 30 . оС, током 80 А - в течение 7 минут при температуре 20 оС.
Протоколы испытаний подтверждают возможность практической реализации заявленной полезной модели с достижением заявленного технического результата.
Пример 1. Батарея высокомощная на основе литий-полимерных аккумуляторов, состоящая из 22 плоских литий-полимерных аккумуляторов, установленных в полиамидные рамки, соединенных последовательно в два блока, и системы контроля, управления и диагностики, размещенных в металлическом корпусе.
Пример 2. Батарея высокомощная на основе литий-полимерных аккумуляторов, между которыми в блоке установлены металлические теплоотводы с увеличенной поверхностью теплоотдачи по торцам.
Пример 3. Батарея высокомощная на основе литий-полимерных аккумуляторов, в которой блоки аккумуляторов отделены от стенок корпуса батареи теплопроводящими электроизоляционными прокладками.
Пример 4. Батарея высокомощная на основе литий-полимерных аккумуляторов, на основание которой через теплопроводящую электроизоляционную прокладку установлена плата силовых ключей электронной системы контроля и управления батареей.
Пример 5. Батарея высокомощная на основе литий-полимерных аккумуляторов, на внутренней поверхности кожуха которой нанесено покрытие из теплоизоляционного мелкоячеистого вспененного полиуретана.
Формула полезной модели
1. Высокомощная батарея, содержащая блок плоских литий-полимерных аккумуляторов, соединенных в электрическую цепь последовательно и установленных в полиамидные рамки, снабженные отверстиями под стяжки, обеспечивающие фиксацию аккумуляторов в блоке и блоков в батарее, отличающаяся тем, что между аккумуляторами в блоке установлены металлические теплоотводы с увеличенной поверхностью теплоотдачи по торцам, передающие тепло на стенки кожуха через теплопроводящие электроизоляционные прокладки, а на основание батареи через теплопроводящую электроизоляционную прокладку установлена плата силовых ключей на алюминиевой основе электронной системы контроля и управления батареей.
2. Высокомощная батарея на основе литий-полимерных аккумуляторов по п.1, отличающаяся тем, что на внутреннюю поверхность кожуха нанесено покрытие из теплоизоляционного мелкоячеистого вспененного полиуретана. 
