Литий-ионная аккумуляторная батарея
Использование: полезная модель относится к области электротехники, в частности к батареям на основе литиевых химических источников тока (ЛХИТ). Задача: создание взрывобезопасной батареи с увеличенным сроком службы и надежностью работы, исключающих механические и тепловые воздействия на литий-ионные источники. Сущность полезной модели: литий-ионная аккумуляторная батарея (далее батарея) включает корпус герметичной крышкой, с установленными в нем литий-ионными источниками тока. Корпус и крышка выполнены в виде термостата, в корпусе размещена кассета литий-ионных источников, электрически связанных между собой последовательно или параллельно посредством токоведущих шин, причем каждый литий-ионный источник тока связан с шиной через прерыватель электрической цепи, каждый из которых связан с электронными блоками контроля давления и контроля температуры. В полости корпуса и крышки с каждого торца размещены элементы жесткости в виде герметичного сильфона, внутри каждого закреплен на внутренней стенке корпуса и крышки подвижный элемент с теплопередающей поверхностью, эквидистантной наружной стенке корпуса и крышки, и имеющих возможность контактировать с наружной стенкой корпуса и крышки, при этом последние имеют соответствующие разъемные электрические контакты. Внутренняя полость корпуса заполнена элегазом. Наружная стенка корпуса может быть выполнена из трех теплопроводящих слоев, внутренний слой при этом выполнен механически вязким. Батарея может быть снабжена сенсорными устройствами. Подвижные элементы могут быть выполнены в виде сильфонов, на торце которых герметично установлены теплопередающие поверхности. 1 н.п. ф-лы, 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к области электротехники, в частности к батареям на основе литиевых химических источников тока (ЛХИТ).
Известна тепловая электрохимическая батарея (п. США N 3899353. кл. 136-83, 1975), содержащая корпус, отделенный от корпуса слоем теплоизоляционного материала блок электрохимических элементов, в котором электрохимические элементы электрически соединены друг с другом перемычками из металлической фольги и разделены пиронагревателями и теплоаккумуляторные таблетки, содержащие хлорид лития и хлорид натрия, размещены между электрохимическими элементами и по торцам блока. Рядом с аккумулятором тепла размещен дополнительный пиронагреватель, тепловыделение которого несколько больше (но не более чем в 2 раза), чем у пиронагревателей, размешенных между электрохимическими элементами. На каждом конце блока размешены дополнительные тепловые аккумуляторы другого состава, чем в середине блока, и дополнительные пиронагреватели. Анод состоит из кальция или магния, катод из хромата свинца или хромата кальция. При работе этого источника тока температура в середине блока электрохимических элементов длительное время поддерживается на одном уровне благодаря выделению тепла при кристаллизации вещества теплового аккумулятора. Вследствие этого продолжительность разряда увеличивается, а напряжение при разряде почти постоянно.
Недостатком известной тепловой батареи является то, что тепловые аккумуляторы в центре блока и на его концах имеют разный состав, а пиронагреватели имеют различное тепловыделение. Отсутствие унификации деталей приводит к возможности ошибок при сборке. Опасность таких ошибок заключается в трудности их обнаружения методами неразрушающего контроля. Кроме того, известная тепловая батарея недостаточно устойчива к воздействию механических перегрузок.
Известна батарея ЛХИТ (п. РФ 
2373614, Н01М 6/16, опубл. 10.04.2009), содержащая герметизированный контейнер с крышкой, набор электрически соединенных ЛХИТ, размещенных в контейнере, и электрические разъемы для подключения нагрузки и средств контроля и управления.
Недостатком данной батареи ЛХИТ является недостаточная надежность в эксплуатации и устойчивость к воздействию механических перегрузок.
Данная батарея ЛХИТ выбрана в качестве прототипа.
Задача полезной модели состоит в создании взрывобезопасной литий-ионная аккумуляторная батареи с увеличенным сроком службы и надежностью работы, исключающих механические и тепловые воздействия на литий-ионные источники.
Для обеспечения безопасности и долговечности, каждый пакет аккумуляторов должен быть оборудован электрической схемой управления, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Кроме того, должен быть ограничен максимальный ток заряда и разряда и должна контролироваться температура элемента. При соблюдении этих предосторожностей, возможность образования металлического лития на поверхности электродов в ходе эксплуатации (что наиболее часто приводит к нежелательным последствиям), практически устранена.
Задача решается тем, что литий-ионная аккумуляторная батарея (далее батарея) включает корпус герметичной крышкой, с установленными в нем литий-ионными источниками тока. Корпус и крышка выполнены в виде термостата, в корпусе размещена кассета литий-ионных источников, электрически связанных между собой последовательно или параллельно посредством токоведущих шин, причем каждый литий-ионный источник тока связан с шиной через прерыватель электрической цепи, каждый из которых связан с электронными блоками контроля давления и контроля температуры. В полости корпуса и крышки с каждого торца размещены элементы жесткости в виде герметичного сильфона, внутри каждого закреплен на внутренней стенке корпуса и крышки подвижный элемент с теплопередающей поверхностью, эквидистантной наружной стенке корпуса и крышки, и имеющих возможность контактировать с наружной стенкой корпуса и крышки, при этом последние имеют соответствующие разъемные электрические контакты. Внутренняя полость корпуса заполнена элегазом. Наружная стенка корпуса может быть выполнена из трех теплопроводящих слоев, внутренний слой при этом выполнен механически вязким. Батарея может быть снабжена сенсорными устройствами. Подвижные элементы могут быть выполнены в виде сильфонов, на торце которых герметично установлены теплопередающие поверхности. Внутренние полости подвижных элементов, выполненные в виде герметичных сильфонов, могут быть заполнены капиллярной структурой, отвакуумированны и заполнены аммиаком или эфиром, либо спиртом с объемной концентрацией от 10000 ppm - 50000 ppm.
В связи с тем, что эффект «старения» литий-ионных батарей резко усиливается при слишком низкой или слишком высокой температуре, корпус и крышка выполнены в виде в виде термостата, в полости которых установлены подвижные элементы с теплопередающей поверхностью, которые установлены, в свою очередь, в герметичных сильфонах, что надежно сохраняет конструкцию батареи в целом и литий-ионных источников от нежелательных механических воздействий. Выполнение наружной стенки корпуса из трех теплопроводящих слоев, внутренний слой при этом выполнен механически вязким, также повышает безопасность от механических воздействий. То, что каждый литий-ионный источник тока связан с шиной через прерыватель электрической цепи, каждый из которых связан с электронными блоками контроля давления и контроля температуры, позволяет контролировать работоспособность батареи повышает ее взрывобезопасность.
На фиг. изображена конструкция батареи, где 1 - корпус, 2 - крышка, 3 - литий-ионные источники, 4 - электронный блок контроля температуры и прерывания электрической цепи, 5 - электронный блок контроля давления и прерывания электрической цепи, 6 - сильфоны термопередающие, 7 - элементы жесткости, 8 - прерыватель электрической цепи, 9 - токоведущие шины, 10 - разъемные электрические контакты.
Батарея включает корпус 1 с герметичной крышкой 2, выполненными в виде термостата. Внутренняя полость корпуса 1 заполнена элегазом. В корпусе 1 размещена кассета литий-ионных источников 3, электрически связанных между собой последовательно или параллельно посредством токоведущих шин 9, причем каждый литий-ионный источник тока 3 связан с шиной 9 через прерыватель электрической цепи 8, каждый из которых связан с электронными блоками контроля давления и прерывания электрической цепи 5 и контроля температуры и прерывания электрической цепи 4. В полости корпуса 1 и крышки 2 с каждого торца размещены элементы жесткости 7 в виде герметичного сильфона, внутри каждого закреплен на внутренней стенке корпуса и крышки подвижный элемент 6 с теплопередающей поверхностью, эквидистантной наружной стенке корпуса 1 и крышки 2, и имеющих возможность контактировать с наружной стенкой корпуса 1 и крышки 2, при этом последние имеют соответствующие разъемные электрические контакты 10. Подвижные элементы 6 выполнены в виде сильфонов, на торце которых герметично установлены теплопередающие поверхности. В батарее блоки контроля температуры и давления связаны с блоком контроля и сигнализации по CAN-интерфейсу (на фиг. не показан).
Алгоритм работы батареи заключается в следующем: в батарее имеются специальные устройства защиты, предотвращающие превышение напряжения заряда выше определенного порогового значения. Электронный блок контроля температуры и прерывания электрической цепи 4 обеспечивает завершение заряда, если температура батареи достигнет 90°C. Кроме того, при превышении допустимой температуры срабатывают подвижные элементы 6 выполненные в виде сильфонов, на торце которых герметично установлены теплопередающие поверхности, которые растягиваются до соприкосновения с внешней стенкой корпуса 1, при этом происходит теплопередача и часть тепла уходит извне корпуса 1. Имеется еще один элемент защиты - электронный блок контроля давления и прерывания электрической цепи 5, который срабатывает при увеличении внутрикорпусного давления батареи. От внешних механических повреждений защищают элементы жесткости 7, выполненные в виде сильфонов.
Таким образом, предложенная конструкция батареи позволила обеспечить улучшение эксплуатационных характеристик и безопасность ее эксплуатации, а именно позволила увеличить время работы батареи в 1,3 1,5 раза, повысить ее устойчивость к воздействию механических перегрузок, а также расширить температурный интервал работоспособности батареи на 30 40°C.
1. Литий-ионная аккумуляторная батарея, включающая корпус с герметичной крышкой с установленными в нем литий-ионными источниками тока, отличающаяся тем, что корпус и крышка выполнены в виде термостата, в корпусе размещена кассета литий-ионных источников, электрически связанных между собой последовательно или параллельно посредством токоведущих шин, причем каждый литий-ионный источник тока связан с шиной через прерыватель электрической цепи, каждый из которых связан с электронными блоками контроля давления и контроля температуры, в полости корпуса и крышки с каждого торца размещены элементы жесткости в виде герметичного сильфона, внутри каждого закреплен на внутренней стенке корпуса и крышки подвижный элемент с теплопередающей поверхностью, эквидистантной наружной стенке корпуса и крышки, и имеющих возможность контактировать с наружной стенкой корпуса и крышки, при этом последние имеют соответствующие разъемные электрические контакты.
2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя полость корпуса заполнена элегазом.
3. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что наружная стенка корпуса выполнена из трех теплопроводящих слоев, внутренний слой при этом выполнен механически вязким.
4. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена сенсорными устройствами.
5. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что подвижные элементы выполнены в виде сильфонов, на торце которых герметично установлены теплопередающие поверхности.
6. Батарея по п.5, отличающаяся тем, что внутренние полости подвижных элементов, выполненные в виде герметичных сильфонов, заполнены капиллярной структурой, отвакуумированны и заполнены аммиаком или эфиром либо спиртом с объемной концентрацией 10000-50000 млн-1.
