Батарея электрохимических конденсаторов и способ ее эксплуатации
Изобретение относится к области электротехники. Батарея электрохимических конденсаторов включает корпус, положительный и отрицательный токовыводы, систему охлаждения, устройство температурного контроля и, по крайней мере, два электрически соединенных конденсатора, каждый из которых содержит корпус, находящиеся в нем водный электролит, два электрода, по крайней мере, один из которых является поляризуемым и выполнен из активированного углеродного материала. Батарея снабжена устройством сжатия конденсаторов, при этом каждый корпус конденсатора выполнен призматическим, из полимерного материала, и они расположены в один или несколько рядов, а система охлаждения состоит из теплоотводящих пластин-радиаторов, контактирующих с теплоносителем, и устройства распределения теплоносителя, при этом второй электрод каждого конденсатора является неполяризуемым и содержит материал, электрохимически обратимо работающий в среде водного электролита. Теплоотводящие пластины могут быть выполнены из металла. Приводятся примеры вариантов выполнения теплоотводящих пластин-радиаторов. Конденсатор имеет водный щелочной электролит и неполяризуемый электрод содержит в основном гидроксиды никеля. В способе использования батареи электрохимических конденсаторов, включающем заряд и разряд конденсаторов батареи, батарею подключают к внешнему источнику электропитания, при этом величину подаваемого напряжения выбирают равной 80-100% от максимального рабочего напряжения батареи, а время нахождения при данном напряжении составляет 60-95% от времени работы батареи. Техническим результатом является повышение удельно-объемной энергии и мощности каждого из конденсаторов, из которых составлена батарея. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области электротехники или конкретнее к электрохимическим конденсаторам (конденсаторам с двойным электрическим слоем) и батареям на их основе.
Изобретение может быть использовано для комплектования энергетических блоков, работающих длительное время в непрерывном циклическом режиме с высокой средней мощностью заряд-разрядного цикла, например в транспортных средствах с гибридным приводом или в качестве самостоятельной энергетической единицы в 42-вольтовых электрических подсистемах транспортных средств.
На современном уровне развития техники уже известны электрохимические конденсаторы и батареи на их основе, накапливающие энергию в двойном электрическом слое, образующемся на границе электронного проводника и электролита.
В качестве активного материала поляризуемого электрода таких конденсаторов используют, как правило, активированные углеродные материалы, а электролитом служат растворы на основе водных или органических растворителей.
Конденсаторы с органическим электролитом имеют более высокое рабочее напряжение (до 3 В), с водным - более дешевы и благодаря применению неполяризуемого электрода, на котором обратимо протекают окислительно-восстановительные процессы, не уступают по удельным характеристикам конденсаторам с органическим электролитом / US Patent №4697224, 1987 г.; W.Halliop и др. «Дешевые суперконденсаторы», Третий Международный семинар по конденсаторам с двойным электрическим слоем и аналогичным источникам аккумулирования энергии, Дирфилд-Бич, Флорида, 1993 (W.Halliop, The 3th International seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices", Deerfield Beach, Florida, 1993), US Patent №5986876, 1999).
Из отдельных электрохимических конденсаторов могут быть собраны батареи на различные напряжения, которые находят применения в различных областях техники.
При использовании батарей, работающих длительное время в непрерывном циклическом режиме с высокой средней мощностью заряд-разрядного цикла, необходимо предусмотреть конструкцию, которая обеспечивала бы эксплуатацию батареи в рабочем диапазоне температур.
Батарея даже с низким сопротивлением при непрерывном циклировании с высокой мощностью будет греться, поэтому конструкция ее должна позволять эффективно отводить тепло от элементов.
Наиболее близким устройством к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является батарея электрохимических конденсаторов, включающая корпус, положительный и отрицательный токовыводы, систему охлаждения, устройство температурного контроля и, по крайней мере, два электрически соединенные конденсатора, каждый из которых содержит корпус конденсатора, находящиеся в нем органический электролит, поляризуемые электроды, выполненные из активированного углеродного материала. (см. батарею BM0D0115PV конденсаторов с двойным электрическим слоем фирмы Maxwell Technologies (www.maxwell.com).
Эта батарея с рабочим напряжением 42 В состоит из 18 последовательно соединенных конденсаторов. Конденсатор цилиндрической конструкции емкостью 2600 Ф имеет два поляризуемых электрода и органический электролит на основе тетра-фторборат тетра-этиламмония (ТФБТЭА).
Конструкция батареи предусматривает охлаждение стенок корпуса элементов с помощью вентиляторов, продувающих воздух через зазоры между конденсаторами. Батарея оснащена системой устранения разбаланса электрохимических конденсаторов по напряжению (пассивного либо активного типа).
Недостатком батареи является сравнительно невысокое значение удельно-объемной энергии и мощности, примерно, 1,6 Втч/л и 2,0 кВт/л, что более чем в два раза меньше удельно-объемной энергии и мощности базового конденсатора.
Такое снижение обусловлено цилиндрической формой конденсаторов, приводящей к их неплотной упаковке, а также наличием электронной системы выравнивания напряжения конденсаторов в батареи, которая, в свою очередь, делает батарею дороже и снижает ее надежность.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение удельно-объемной энергии и мощности каждого из конденсаторов, из которых составлена батарея.
Технический результат в предлагаемом изобретение достигают созданием батареи электрохимических конденсаторов, включающей корпус, положительный и отрицательный токовыводы, систему охлаждения, устройство температурного контроля и, по крайней мере, два электрически соединенных конденсатора, каждый из которых содержит корпус, находящиеся в нем водный электролит, два электрода, по крайней мере, один из которых является поляризуемым и выполнен из активированного углеродного материала, отличающейся тем, что она снабжена устройством сжатия конденсаторов, при этом каждый корпус конденсатора выполнен призматическим, из полимерного материала, и они расположены в один или несколько рядов, а система охлаждения состоит из теплоотводящих пластин-радиаторов, контактирующих с теплоносителем, и устройства распределения теплоносителя, при этом второй электрод каждого конденсатора является неполяризуемым и содержит материал, электрохимически обратимо работающий в среде водного электролита.
Изобретение также характеризуется тем, что теплоотводящие пластины, которые выполняют роль радиаторов, выполнены в виде набора параллельно расположенных металлических пластин с зазорами, предназначенными для прохождения теплоносителя, например охлаждающего воздуха
Теплоотводящие пластины-радиаторы могут быть выполнены в виде межэлементных электрических соединительных перемычек, при этом в качестве теплоносителя используют или жидкость или воздух.
Это дает возможность эффективно отводить тепло, выделяющееся при работе конденсатора с высокой мощностью заряда-разряда.
Размещение теплоотводящих пластин между стенками корпусов конденсаторов, при этом ширину пластин выполняют больше ширины конденсаторов, а выступающие части пластин выполняют изогнутыми, позволяет отводить тепло от стенок корпуса каждого элемента к теплоносителю.
Изобретение характеризуется также тем, что теплоотводящие пластины выполнены из металла.
Изобретение характеризуется также тем, что в качестве устройства распределения воздушного теплоносителя применяют вентиляторы, а для равномерного распределения теплоносителя в теплоотводящих пластинах-радиаторах выполняют перегородки и отверстия.
Изобретение также характеризуется тем, что устройство распределения жидкого теплоносителя выполнено в виде трубки или системы трубок из электроизоляционного материала, имеющей вход и выход жидкого теплоносителя и контактирующей с межэлементными электрическими соединительными перемычками.
Использование жидкого теплоносителя, обладающего большей теплоемкостью по сравнению с воздухом, позволяет более эффективно охлаждать конденсаторы.
Изобретение также характеризуется тем, что устройство температурного контроля включает температурные датчики и электрический преобразователь сигнала температурных датчиков в сигналы контроля, индикации и управления устройством распределения теплоносителя.
Это дает возможность при необходимости, когда батарея начнет нагреваться, оперативно задействовать принудительную систему охлаждения и прекратить охлаждение, когда батарея охладится до приемлемой температуры, что позволит экономить энергию, идущую на охлаждение.
Расположение температурного датчика на межэлементных электрических соединительных перемычках позволяет адекватно определять температуру конденсаторов в батарее и своевременно сигнализировать о нагреве и остывании батареи.
Выполнение устройства сжатия конденсаторов, состоящего из хомута, скрепляющего конденсаторы, пружины и, по крайней мере, одной пластины, контактирующей с пружиной и корпусом, по крайней мере, одного конденсатора, предназначено для закрепления конденсаторов в батарее и равномерного распределения нагрузки, направленной перпендикулярно плоскости расположенных внутри конденсатора электродов.
Последнее обстоятельство, в свою очередь, обеспечивает хороший контакт активного электродного материала с коллектором тока.
Изобретение характеризуется также тем, что хомут выполнен из металла или полимерного материала, а корпус батареи изготовлен из полимерного материала или из металла с защитным покрытием.
Это позволяет долговременно защитить конструкционные детали от коррозии, а полимерная конструкция облегчает массу батареи.
Использование в качестве корпуса конденсатора хомута упрощает конструкцию батареи.
Изобретение характеризуется также тем, что конденсатор имеет водный щелочной электролит и неполяризуемый электрод, содержит в основном гидроксиды никеля
Это дает возможность в несколько раз увеличить удельную энергию конденсатора, а значит, и батареи по сравнению с удельной энергией конденсатора, в котором оба электрода являются поляризуемыми
Батарея из конденсаторов на основе данной электрохимической системы обладает свойством самовыравнивания конденсаторов по напряжению. При возрастании напряжения в конденсаторах возникает возможность протекания электрохимических процессов с участием водного электролита и образования на электродах водорода и кислорода, что приводит к возрастанию токов утечки и выравниванию конденсаторов по напряжению. Данное явление позволяет избежать применения в батареи внешней электронной системы выравнивания элементов.
Технический результат в предлагаемом изобретение достигают созданием способа использования батареи электрохимических конденсаторов, включающего заряд и разряд конденсаторов батареи, в котором согласно изобретению батарею подключают к внешнему источнику электропитания, при этом величину подаваемого напряжения выбирают равной 80-100% от максимального рабочего напряжения батареи, а время нахождения при данном напряжении составляет 60-95% от времени работы батареи.
В предлагаемом изобретение конструкция батареи и способ ее использования взаимно связаны между собой изобретательским замыслом, поскольку только предлагаемая конструкция позволяет осуществить предлагаемый способ.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием конструкции и способа и чертежами:
на фиг.1 изображена батарея электрохимических конденсаторов с воздушным охлаждением;
на фиг.2 изображена батарея электрохимических конденсаторов с воздушным охлаждением;
на фиг.3 изображена батарея электрохимических конденсаторов с жидкостным охлаждением;
график 1 (фиг.4). Напряжение отдельных элементов, предварительно не выравненных по напряжению, в модуле из 30 элементов примера 2 и ток утечки в зависимости от величины напряжения модуля.
Батарея электрохимических конденсаторов включает, по крайней мере, два электрически соединенных конденсатора 1, корпус батареи 2, положительный 3 и отрицательный 4 токовыводы, систему охлаждения, устройство температурного контроля и устройство сжатия конденсаторов.
Каждый конденсатор 1 содержит корпус, находящиеся в нем водный электролит, поляризуемый электрод, выполненный из активированного углеродного материала, и неполяризуемый электрод, содержащий материал, электрохимически обратимо работающий в среде водного электролита. При этом каждый корпус конденсатора выполнен призматическим, из полимерного материала и они расположены в один или несколько рядов, а система охлаждения состоит из теплоотводящих пластин 10, выполняющих роль радиаторов, устройства распределения теплоносителя.
Теплоотводящие пластины 10 могут быть выполнены в виде набора параллельно расположенных металлических пластин с зазорами, предназначенными для прохождения теплоносителя, например охлаждающего воздуха.
При этом теплоотводящие пластины размещены между стенками корпусов конденсаторов 1, при этом ширина пластин больше ширины конденсаторов, а выступающие части пластин выполнены изогнутыми и из теплопроводного материала (фиг.1).
Теплоотводящие пластины 10 могут быть выполнены в виде межэлементных электрических соединительных перемычек, при этом в качестве теплоносителя используют или жидкость или воздух (фиг.2, 3).
Устройство распределения жидкого теплоносителя выполнено в виде трубки 5 (фиг.3) или системы трубок из электроизоляционного материала, имеющих вход 11 и выход 11 жидкого теплоносителя и контактирующих с теплоотводящими пластинами 10, например, межэлементными электрическими соединительными перемычками (фиг.3).
В качестве устройства распределения воздушного теплоносителя используют воздушные вентиляторы 5, отверстия и перегородки 11 и 11 (фиг.1, 2).
Устройство температурного контроля включает температурные датчики 6 и электрический преобразователь сигнала температурных датчиков в сигналы контроля, индикации и управления устройством распределения теплоносителя 7.
Температурный датчик 6 расположен на теплоотводящих пластинах, например на межэлементных электрических соединительных перемычках.
Устройство сжатия конденсаторов содержит, по крайней мере, одну пластину 9, предназначенную для равномерного распределения нагрузки и контактирующую с корпусом 1, по крайней мере, одного конденсатора, поджимающую ее пружину 8 и хомут, который может быть, по существу, корпусом батареи 2.
Хомут-корпус 2 может быть выполнен из полимерного материала или из металла с защитным покрытием.
Каждый конденсатор 1 может иметь водный щелочной электролит и неполяризуемый электрод, содержит гидроксиды никеля.
Сущность изобретения поясняется следующими примерами выполнения батареи электрохимических конденсаторов:
Пример 1. Батарея содержит конденсаторы с емкостью 2700 Ф и внутренним сопротивлением 0,7 мОм.
Каждый конденсатор содержит поляризуемый электрод 6 толщиной 600 мкм, выполненный из материала на основе активированной углеродной ткани.
Неполяризуемый электрод в качестве активного материала содержит гидроксид никеля, имеет спеченную конструкцию и толщину 300 мкм. В конденсаторе используют сепаратор на основе полимерного материала толщиной 100 мкм с диаметром основных пор более 10 мкм.
Корпус конденсатора имеет призматическую конструкцию с габаритными размерами 60×25×126 мм. Тридцать последовательно соединенных конденсаторов были расположены в два ряда по 15 штук в каждом ряду.
Конструкция корпуса батареи обеспечивает равномерное поджатие элементов перпендикулярно плоскости пластин конденсатора с помощью пластинчатых пружин и вкладышей (не показаны).
Батарея оснащена воздушным охлаждением, а теплоотводящие пластины-радиаторы были размещены между стенками сжатых в ряду конденсаторов, при этом ширина пластин превышает ширину конденсаторов, а выступающая часть пластин размещена в зазорах между рядами сжатых между собой конденсаторов и боковой стенкой корпуса модуля.
Пластины-радиаторы выполнены из алюминия, покрыты антикоррозионным покрытием и имеют темную окраску, предотвращающую отражение тепла, исходящего от конденсаторов путем излучения.
Выступающие части пластин-радиаторов отогнуты к боковой стенке конденсаторов таким образом, чтобы оптимально сочетать возможность эффективного охлаждения выступающей части пластин воздухом и минимальный объем всей батареи.
В качестве устройства распределения теплоносителя применяют воздушные вентиляторы, расположенные на верхней части батареи, перегородки и отверстия для равномерной подачи воздуха.
В состав батареи входит также устройство температурного контроля, которое включает резистивные температурные датчики и электрический преобразователь сигнала термодатчиков в сигналы контроля, индикации и управления устройством распределения теплоносителя.
Температурный датчик расположен на теплопроводящей пластине, выполненной в виде электрической межэлементной перемычке, а электронная часть расположена на стенке корпуса батареи.
Характеристики модуля в сравнении с прототипом представлены в таблице 1.
Пример 2. В отличие от примера 1 батарея состоит из конденсаторов с емкостью 5100 Ф и внутренним сопротивлением 0,33 мОм. Конденсатор имеет призматическую конструкцию с габаритными размерами 83,5×31,5×148 мм.
Пример 3 В отличие от примера 2 конденсаторы в батарее имеют плотную, исключающую зазоры сборку с минимальным объемом, тепло от элементов в этом случае отводилось через токоотводы конденсаторов, а роль теплоотводящих пластин-радиаторов выполняли межэлементные электрические соединительные перемычки с зазорами для прохождения охлаждающего воздуха.
Пример 4. В отличие от примера 3 роль охлаждающего теплоносителя в батарее используют воду, а устройство ее распределения представляет собой трубку 9 из электроизоляционного материала, имеющую тепловой контакт со всеми межэлементными электрическими соединительными перемычками, выполненными, например, в виде хомута, охватывающего трубку.
Концы трубки 9 оснащены входным и выходным штуцерами для подключения подачи воды.
| Таблица 1 | |||||
| Характеристики батарей электрохимических конденсаторов, описанных в примерах, в сравнении с прототипом. | |||||
| Прототип | Пример 1 | Пример 2 | Пример 3 | Пример 4 | |
| Рабочее напряжение, В | 42 | 42 | 42 | 42 | 42 |
| Емкость, Ф | 145 | 90 | 170 | 170 | 170 |
| Внутреннее сопротивление, мОм | 10 | 21 | 10 | 10 | 10 |
| Запасаемая энергия, кДж | 128 | 79 | 150 | 150 | 150 |
| Максимальная мощность, кВт | 44 | 21 | 44 | 44 | 44 |
| Объем, л | 22,0 | 13,0 | 22,0 | 19,5 | 17,0 |
| Объем конденсатора, л | 8,8 | 5,7 | 11,7 | 11,7 | 11,7 |
| Доля полезного объема, приходящаяся на объем конденсаторов, % | 40 | 44 | 51 | 60 | 69 |
| Удельная запасенная энергия, Втч/л | 1,62 | 1,69 | 1,89 | 2,14 | 2,45 |
| Удельная максимальная мощность, кВт/л | 2,0 | 1,62 | 2,0 | 2,26 | 2,59 |
| Система выравнивания напряжения на элементах | Есть | Нет | Нет | Нет | Нет |
Как видно из таблицы, батареи, описанные в примерах реализации изобретения, имеют лучшие удельные характеристики по сравнению с прототипом.
1. Батарея электрохимических конденсаторов, включающая корпус батареи, корпус конденсатора, положительный и отрицательный токовыводы, систему охлаждения, устройство температурного контроля и, по крайней мере, два электрически соединенных конденсатора, каждый из которых содержит корпус конденсатора, находящиеся в нем водный электролит, поляризуемый электрод, выполненный из активированного углеродного материала, и неполяризуемый электрод, содержащий материал, электрохимически обратимо работающий в среде водного электролита, отличающаяся тем, что она снабжена устройством сжатия конденсаторов, при этом каждый корпус конденсатора выполнен призматическим, из полимерного материала, и они расположены в один или несколько рядов, а система охлаждения состоит из теплоотводящих пластин, например радиаторов, и контактирующего с ними устройства распределения теплоносителя с механизмом подачи и отвода теплоносителя.
2. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1, отличающаяся тем, что теплоотводящие пластины выполнены в виде межэлементных электрических соединительных перемычек, при этом в качестве теплоносителя используют или жидкий носитель или воздух.
3. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1, отличающаяся тем, что теплоотводящие пластины выполнены в виде набора параллельно соединенных металлических пластин с зазорами, предназначенными для прохождения теплоносителя, например, охлаждающего воздуха.
4. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что теплоотводящие пластины размещены между стенками корпусов конденсаторов, при этом ширина пластин больше ширины конденсаторов, а выступающие части пластин выполнены изогнутыми.
5. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1, отличающаяся тем, что теплоотводящие пластины выполнены из теплопроводного материала.
6. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1, отличающаяся тем, что устройство распределения жидкого теплоносителя выполнено в виде трубки или системы трубок из электроизоляционного материала, имеющими вход и выход жидкого теплоносителя и контактирующими с межэлементными электрическими соединительными перемычками.
7. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1, отличающаяся тем, что в качестве механизма подачи и отвода теплоносителя используют воздушные вентиляторы.
8. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1, отличающаяся тем, что устройство температурного контроля включает температурные датчики и электрический преобразователь сигнала температурных датчиков в сигналы контроля, индикации и управления устройством распределения теплоносителя.
9. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1 или 8, отличающаяся тем, что температурный датчик расположен на межэлементных электрических соединительных перемычках.
10. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1, отличающаяся тем, что корпус батареи, скрепляющий конденсаторы, выполнен в виде хомута, а устройство сжатия конденсаторов содержит пружину и, по крайней мере, одну пластину, контактирующую с пружиной и корпусом, по крайней мере, одного конденсатора и предназначенную для равномерного распределения нагрузки, направленной перпендикулярно плоскости расположенных внутри конденсаторов электродов.
11. Батарея электрохимических конденсаторов по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что хомут выполнен из металла или полимерного материала, а корпус батареи изготовлен из полимерного материала или из металла с защитным покрытием.
12. Батарея электрохимических конденсаторов по п.1, отличающаяся тем, что конденсатор имеет водный щелочной электролит и неполяризуемый электрод, содержит в качестве основы гидроксиды никеля.
13. Способ использования батареи электрохимических конденсаторов, включающий зарядку и разрядку конденсаторов батареи, отличающийся тем, что батарею подключают к внешнему источнику электропитания, при этом величину подаваемого напряжения выбирают равной 80-100% от максимального рабочего напряжения батареи, а время нахождения при данном напряжении составляет 60 - 95% от времени работы батареи.
