Литий-ионная аккумуляторная батарея

Предлагаемое техническое решение касается полезной модели как объекта промышленной собственности и относится к литиевым перезаряжаемым химическим источникам тока призматической формы и может быть использована в системах электроснабжения космических аппаратов требующих повышенных энергетических и эксплуатационных характеристик.

Целью предлагаемой полезной модели является обеспечение высоких энергетических характеристик аккумуляторной батареи при работе с большими токами заряда и разряда, повышения ресурса и надежности ее работы.

Литий-ионная аккумуляторная батарея, согласно предлагаемой полезной модели состоит из литий-ионных аккумуляторов, последовательно соединенных в электрическую цепь в количестве, необходимом для обеспечения требуемого напряжения и электрической емкости, блока электроники для контроля параметров батареи и нивелирования разбаланса напряжений аккумуляторов, силовых и измерительных линий, при этом корпуса аккумуляторов, имеющие призматическую форму, отделены друг от друга и от стенок корпуса батареи неэлектропроводящими проставками и стянуты силовыми шпильками через боковые стенки корпуса, отличающаяся тем, что неэлектропроводящие проставки между аккумуляторами и между аккумуляторами и боковыми стенками закреплены на нижнем охлажденном основании корпуса батареи и снабжены с каждой стороны выборками сложной формы с внешними проемами, принимающими части корпусов аккумуляторов, обеспечивая их фиксацию в направлениях перпендикулярных оси сборки аккумуляторов в батарее, и с внутренними проемами, допускающими расширение боковых поверхностей аккумуляторов при циклировании, а блок электроники располагается на внешней стороне боковой стенки корпуса батареи.

Предлагаемое техническое решение касается полезной модели как объекта промышленной собственности и относится к литиевым перезаряжаемым химическим источникам тока призматической формы и может быть использовано в системах электроснабжения космических аппаратов требующих повышенных энергетических и эксплуатационных характеристик.

Аккумуляторная батарея, выполненная из аккумуляторов призматической формы, как правило, состоит из аккумуляторной сборки в виде последовательно расположенных друг за другом аккумуляторов с электрически разделенными корпусами и соответствующей последовательно-параллельной коммутацией по борнам для набора требуемого напряжения и емкости и корпуса батареи, в который помещается и закрепляется тем или иным способом аккумуляторная сборка. Дополнительно аккумуляторная батарея оснащается блоками электроники для контроля и управления батареи. По такой схеме выполнены разработки литий-ионных аккумуляторных батарей с призматическими аккумуляторами Открытого акционерного общества (ОАО «Сатурн») - сайт (www.saturn.kuban.ru). Во всех разработках корпус батареи конструктивно выполнен в виде моноблока с плотно упакованными призматическими литий-ионными аккумуляторами (ЛИГП). Моноблок представляет собой контейнер из Mg-Al сплава, основанием которого служит плита. Корпуса аккумуляторов электрически развязаны друг от друга и от внутренних поверхностей контейнера и соединены в параллельно-последовательную цепь. Это обеспечивает высокую прочность моноблока и позволяет крепить батарею в нескольких точках по периметру. Однако в этой конструкции вопрос гарантированной фиксации и поведения аккумуляторов при работе на номинальном режиме и при выводе на орбиту до конца не решен.

Другим вариантом конструктивного выполнения аккумуляторной батареи с призматическими аккумуляторами может служить никель-металлгидридная батарея 22НМГ-100 разработки ОАО «Научно-Исследовательский проектно-конструкторский и технологический Аккумуляторный Институт «Источник» (ОАО «НИАИ «Источник») - сайт www.niai-istochik.ru. Эта батарея состоит из нескольких электрически последовательно соединенных аккумуляторов, которые располагаются в ряд один за другим с неэлектропроводящими проставками между ними. Эта сборка располагается между двумя боковыми стенками, которые стягиваются силовыми шпильками, воспринимающими продольные усилия, возникающие при работе батареи. Нижние днища аккумуляторов через неэлектропроводящую проставку опираются на охлаждаемое основание. Фиксация блока аккумуляторов осуществляется путем закрепления боковых стенок к охлаждаемому основанию.

Такое техническое решение при всей его простоте не позволяет обеспечить надежную работу батареи, особенно в условиях экстремальных механических и токовых нагрузок, характерных для изделий космической техники. При воздействии механических перегрузок перемещения аккумуляторов в направлении перпендикулярном продольной оси батареи ограничиваются силой трения при сжатии сборки аккумуляторов силовыми шпильками. Для надежной фиксации аккумуляторов даже при отсутствии тока сила сжатия должна быть достаточно велика. Однако у рассматриваемого технического решения применительно к литий-ионным аккумуляторам (ЛИА) имеются дополнительные недостатки, которые проявляются при работе (при выполнении циклов заряд-разряд) в космических условиях. Внутри герметичного объема ЛИА всегда имеется некоторое остаточное давление либо давление газов, в атмосфере которых осуществлялась сборка аккумулятора, либо давление насыщенных паров электролита. В любом случае оно меньше атмосферного и при нахождении в нормальных климатических условиях на поверхность аккумулятора воздействует всестороннее сжимающее усилие. При попадании аккумулятора в условия космического пространства он начинает «распухать» под воздействием внутреннего давления. При этом деформация плоских поверхностей корпуса может быть достаточно велика. Ситуация усугубляется еще тем, что при зарядке аккумулятора происходит интеркаляция ионов лития в графитовый электрод, в результате чего он также увеличивает свои размеры. При разряде ионы лития покидают графитовый электрод и его размеры уменьшаются. Если не принимать специальных мер, то есть не сжимать аккумуляторную сборку силовыми шпильками, то суммарная деформация поверхности аккумуляторов батареи будет столь велика, что напряжения в материале корпуса превысят предел текучести, и после снятия всех нагрузок аккумулятор останется в деформированном состоянии, и боковые стенки уже не обеспечат надежного фиксирования внутреннего содержимого корпуса аккумулятора, что не допустимо. Для ограничения деформации поверхности аккумуляторов в допустимых пределах при работе в космических условиях требуется применять очень толстые силовые шпильки, что значительно увеличивает массу аккумуляторной батареи. Кроме того, отсутствие в данной конструкции аккумуляторной батареи возможности незначительно расширения аккумулятора не позволяет получить высокие энергетические характеристики при работе с большими токами заряда, что ограничивает ресурс батареи и снижает надежность ее работы.

Предлагаемым техническим решением решается задача обеспечения высоких энергетических характеристик аккумуляторной батареи при работе с большими токами заряда и разряда, повышения ресурса и надежности ее работы.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается литий-ионная аккумуляторная батарея содержащая литий-ионные аккумуляторы, последовательно соединенные в электрическую цепь в количестве, необходимом для обеспечения требуемого напряжения и электрической емкости, блок электроники для контроля параметров батареи и нивелирования разбаланса напряжений аккумуляторов, силовые и измерительные линии, при этом корпуса аккумуляторов, имеющие призматическую форму, отделены друг от друга и от стенок корпуса батареи неэлектропроводящими проставками и стянуты силовыми шпильками через боковые стенки корпуса, а неэлектропроводящие проставки между аккумуляторами и между аккумуляторами и боковыми стенками закреплены на нижнем охлажденном основании корпуса батареи и снабжены с каждой стороны выборками сложной формы с внешними проемами, принимающими части корпусов аккумуляторов, обеспечивая их фиксацию в направлениях перпендикулярных оси сборки аккумуляторов в батарее, и с внутренними проемами, допускающими расширение боковых поверхностей аккумуляторов при циклировании, а блок электроники располагается на внешней стороне боковой стенки корпуса батареи.

Во внутренние проемы выборок происходит расширение боковых стенок аккумуляторов при циклировании, причем толщина проемов такова, что при заданных размерах боковой стенки аккумулятора (длина, ширина, толщина) ее прогиб в условиях циклирования не приводит к переходу через предел текучески материала. Это обеспечивает получение высоких энергетических характеристик при работе с большими токами заряда и разряда. Повышает надежность работы аккумуляторной батареи. Блок электроники крепится с внешней стороны боковой стенки, что позволяет в силовом отношении разделить аккумуляторы и блок электроники и_обеспечить надежный сброс тепла с блока электроники.

Конструкция предлагаемой аккумуляторной батареи изображена на Фигуре.

Аккумуляторная батарея содержит призматические аккумуляторы 1, которые отделены друг от друга и от боковых стенок 2 неэлектропроводящими проставками 3. Неэлектропроводящие проставки посредством болтов 4 крепятся к охлаждаемому основанию 5. Между нижними днищами аккумуляторов и охлаждаемым основанием батареи располагается слой пластичной электроизоляции 6 для исключения электрического контакта между корпусами аккумуляторов и обеспечения гарантированного прижатия аккумуляторов неэлектропроводящими проставками в поперечном направлении. В осевом направлении аккумуляторы 1 фиксируются боковыми стенками 2, которые стянуты силовыми шпильками 7. На одной из боковых стенок с внешней стороны располагается блок электроники 8, который обеспечивает контроль параметров аккумуляторов батареи и выравнивание напряжения на аккумуляторах при работе.

Аккумуляторная батарея работает следующим образом. Собирается аккумуляторная сборка - аккумуляторы 1 обкладываются с обеих сторон неэлектропроводящими проставками 3, которые фиксируют аккумуляторы бортиками внешней части выборки, помещается в корпус батареи между боковыми стенками 2 и стягивается силовыми шпильками 7. Блок электроники 8 крепится с внешней стороны боковой стенки 2. Проводятся силовые и измерительные линии между аккумуляторами 1 и блоком электроники 8. При подаче зарядного тока ионы лития с положительного электрода аккумуляторов протекают через электролит на отрицательный графитовый электрод (на фигуре не показан) и внедряются в поры внутри графита. В результате этого происходит распухание графита, увеличивается объем электрогенерирующей матрицы и она начинает воздействовать на боковые стенки 2 аккумулятора. По ходу продолжения заряда боковые стенки 2 аккумуляторов все больше изгибаются в объем выборки неэлектропроводящей проставки 3, и это продолжается до тех пор, пока боковые стенки не придут в соприкосновение с материалом неэлектропроводящей проставки. Начиная с этого момента, возникающие при расширении аккумуляторов усилия воспринимают силовые шпильки 7. Поскольку глубина выборки сделана такой, что материал боковых стенок аккумулятора при расширении не претерпевает пластических деформаций, то при разряде, когда ионы лития покидают графит и объем его уменьшается, боковые стенки 2 за счет упругости начинают сжимать электрогенерирующую матрицу, что обеспечивает ее надежную фиксацию внутри аккумулятора. На следующем цикле процесс повторяется.

Литий-ионная аккумуляторная батарея, содержащая литий-ионные аккумуляторы, последовательно соединенные в электрическую цепь в количестве, необходимом для обеспечения требуемого напряжения и электрической емкости, блок электроники для контроля параметров батареи и нивелирования разбаланса напряжений аккумуляторов, силовые и измерительные линии, при этом корпуса аккумуляторов, имеющие призматическую форму, отделены друг от друга и от стенок корпуса батареи неэлектропроводящими проставками и стянуты силовыми шпильками через боковые стенки корпуса, отличающаяся тем, что неэлектропроводящие проставки между аккумуляторами и между аккумуляторами и боковыми стенками закреплены на нижнем охлажденном основании корпуса батареи и снабжены с каждой стороны выборками сложной формы с внешними проемами, принимающими части корпусов аккумуляторов, обеспечивая их фиксацию в направлениях перпендикулярных оси сборки аккумуляторов в батарее, и с внутренними проемами, допускающими расширение боковых поверхностей аккумуляторов при циклировании, а блок электроники располагается на внешней стороне боковой стенки корпуса батареи.