В данной заключительной статье будут рассмотрены следующие патенты компании Tesla Motors:
Быстрый заряд при низкой температуре (20150077057);
Технология сборки аккумуляторной батареи (20150111082);
Ячейка с высокоэффективной вентиляцией (20160104875).
Внимание! Для каждого патента нумерация рисунков обнуляется! Нумерация соответствует самому патенту, некоторые рисунки умышленно пропущены.
Быстрый заряд при низкой температуре
Низкая температура окружающей среды может повлиять на производительность электрического транспортного средства в силу неблагоприятного воздействия на ячейки батареи (уменьшения пропускной способности).
Быстрая зарядка при низкой температуре приводит к металлизации лития внутри элемента (образуется что-то в виде корки, — Прим. автора). Это твердое покрытие литием, как правило, служит причиной необратимой потери емкости. Под «низкой» может пониматься различная температура в зависимости от химического состава ячеек. Для литий-ионных батарей она находится в диапазоне ниже +10 градусов по Цельсию.
В обычных системах, где существует риск металлизации лития, быстрая зарядка попросту отключается и становится невозможной для батареи с низкой температурой. Это является недостатком и для конкретного пользователя и для всего сообщества владельцев электротранспортных средств в целом. Для пользователя проблема заключается в том, что случай, когда быстрая зарядка необходима или желательна часто как раз и обусловлен низкой температурой окружающей среды. Без возможности быстрой зарядки пользователю понадобится подождать пока температура ячеек не поднимется, а начать процесс заряда малыми токами (от 0,01С), что будет довольно долго.
Для всего же сообщества владельцев транспортных средств на электротяге эта проблема усугубляется следующим. Как правило, зарядные станции расположены на открытом воздухе (в России, особенно восточнее Поволжья, имеет смысл строить крытые, отапливаемые заправки, — Прим. автора). Соответственно, когда один пользователь начинает заряд медленно, малыми токами, в силу ограниченности количества заправочных модулей другим пользователям электромобилей приходится его ждать. И чем дольше они его ждут, тем больше вероятность того, что они сами окажутся в той же ситуации, так как при простое температура ячеек батарей их транспортных средств на открытом воздухе будет также снижаться.
Решение данных проблем позволит значительно повысить эффективность и пропускную способность зарядных станций общественного пользования.
В данном патенте описано устройство и способ быстрого приготовления для заряда ячеек при низкой температуре, которые потенциально подвержены риску повреждения от быстрой зарядки.
На рис. 1 (Fig.1) показан примерный аккумуляторный модуль 100, имеющий набор параллельных и последовательных соединений элементов 105. Каждый элемент или набор элементов оснащены датчиками температуры 110 (например, термопарой или т.п.). Распределение датчиков в пределах батареи 100 необходимо для повышения вероятности того, что самая низкая температура ячеек известна.
На рис.2 (fig.2) изображен батарейный блок 200, содержащий множество последовательно соединенных модулей 100. Батарейный блок дополнительно включает в себя датчик тока 210, предохранитель 215, набор контактов 220, систему BMS 225 и разъем питания 230. Батарейный блок 200 часто включает в себя систему контроля температуры, обобщенно представленную контуром жидкости 235, насосом 240 и нагревателем 245, которые приводятся в действие от АКБ 200 или от вспомогательного источника энергии 250.
На рис. 3 показана блок-схема процесса приготовления батареи к быстрому заряду при низкой температуре 300. Процесс 300 является автоматизированным и определяет применение одного из двух режимов: «нормального» и «модифицированного» на основании того, будет ли применение «нормального» (быстрого) режима слишком рискованным для системы хранения энергии.
Это определение основано на наборе критических параметров конкретной ячейки. В частности, на температуре и степени заряженности. Например, при зарядке током в 1С или выше при низкой температуре некоторые ячейки подвергаются риску металлизации. Для любого конкретного набора критических параметров есть конкретная безрисковая скорость зарядки. Она определяет максимальную скорость передачи энергии, которая не повреждает аккумуляторные элементы.
Процесс 300 начинается с этапа 305. На нем определяется множество критических параметров. На этапе 310 производится первоначальное определение того, возможна ли быстрая зарядка. Это происходит путем доступа к справочной таблице, которая соединена с контроллером 255. На основании данных о текущих критических параметрах (степени заряженности и температуры каждой ячейки) делается вывод о возможности быстрой зарядки.
Когда быстрая зарядка возможна, процесс переходит к этапу 315. Если нет, — то к этапу 320.
На этапе 315 скорость заряда устанавливается максимальной. Этап 320 устанавливает скорость заряда, равную максимальной безрисковой скорости, определенной по последнему набору параметров. Эта безрисковая скорость меньше скорости быстрой зарядки и может при некоторых значениях степени заряженности ячеек и их температуры быть столь же низкой, как 0,01С (а в некоторых случаях она может быть равно нулю).
После этапа 320 по алгоритму 300 идет этап 325 на котором выполняется нагрев батарей 105, что приводит к изменению текущего набора критических параметров, что в свою очередь позволяет при той же степени заряженности ячеек использовать более быструю скорость заряда. В известных пределах для «низких температур» скорость зарядки напрямую зависит от температуры и обратно пропорциональна степени заряженности ячеек.
Технология сборки аккумуляторной батареи
В данном патенте будут рассмотрены вопросы сборки системы теплового обмена, расположенные в корпусе пакета с накопителями энергии; нанесения клея, который прикрепляет ячейки и трубки теплового обмена к модулю; отверждение первой части клея излучением так, что вторая часть клея экранирована от излучения и затвердевает с помощью химических реагентов.
В системах хранения энергии охлаждающая жидкость, как правило, проходит через трубку, расположенную между ячейками или рядом с ними. Одним из аспектов архитектуры такой системы является тепловое сопротивление между ячейками и теплопередающей текучей средой.
В предыдущих поколениях таких систем ячейки были расположены в пластиковом корпусе, трубки пропускались между рядами, и всё это заливалось теплопроводной эпоксидной смолой. Однако, эпоксидная смола может быть высокой стоимости и большой удельной массы. В данном патенте предлагается другое решение.
В качестве связки используется акриловый клей. Трубка для теплообмена и крепеж для батарей выполнены зубчатой формы для увеличения площади соприкосновения и улучшения её производительности в местах изгиба.
На рис.1 (fig,1) показан пример модуля корпуса 100, который включает в себя поддон 102 и монтажный крепеж 104. Поддон служит для установки ячеек, которые собираются в аккумуляторную батарею. Он может быть изготовлен из металла, полимера или композитного материала.
На рис.2 показан пример структуры 200 поддона 102, который имеет отверстия 202 для каждой из ячеек. Данное отверстие может быть сквозным для соединения элементов на разных уровнях. Кроме того, структура включает в себя три треугольника формы 204, которые «торчат» немного выше общей поверхности поддона и расположены на одной половине окружности 206. Грани треугольника по форме совпадают с формой цилиндрических ячеек, например, типоразмера 18650. К треугольникам 204 ячейки крепятся на клей.
На рис.3 показан пример трубки теплового обмена 300, собранной в корпусе модуля 100 (см. рис.1). В данном случае трубка представляет собой по существу плоский трубопровод, который сконструирован для передачи жидкости между рядами для охлаждения или нагрева ячеек. Жидкость в трубке может циркулировать с помощью насоса.
На рис. 4 показан пример трубки 300 (по рис.3), работающей между рядами ячеек 400 А-В, собранных в корпусе модуля. Одним из преимуществ такого подхода является гибкий подход в ориентации ячеек.
На рис.5 показан пример перегородки 500, которая служит в качестве теплового барьера. Она может быть выполнена из стекловолокна, покрытого политерафторэтиленом.
На рис.6 показана обратная сторона поддона 600. В некоторых случаях она может работать как «крышка», если батарея выполнена на нескольких уровнях. Между собой поддоны крепятся в том числе и за счет треугольников 104.
На рис.8 схематически показан пример нанесения клея для прикрепления трубки и ячейки в корпусе модуля. Клей здесь схематически показан пунктирной линией 800, который заливается в «жало» 802, расположенное между ячейками 804 и 806.
Каждая ячейка смещена вдоль длины трубки по отношению к своему соседу (см. например, рис.4, рис.5) и, следовательно, клетка 806 оказывается более узкой, чем ячейки 804 в текущем состоянии. Стингер 802 может быть установлен между рядами ячеек в пространстве, которое здесь называют жалом 808. Например, стингер может изначально располагаться в любой части этого пространства, а затем подниматься, так как клей распыляемый.
Клей 800 течет вниз, к нижней части поддона, с обеих сторон трубки 810, и в нижней части поддона попадает в отверстие 812 (например ткое, как отверстие 202 на рис. 2). Излучение 814 применяется, чтобы мгновенно осушить клей. Поддон может быть частично или полностью прозрачным для возможности функционирования такого излучения. В качестве излучения используется ультрафиолетовый УФ свет. В итоге этим предотвращается, или сильно уменьшается протекание клея через отверстие 812.
Выше отверстия 812 клей хуже пропускает свет, возникают области затемнения вдоль дорожек 800 А-В. Клей там может остаться незатвердевшим, так как УФ-излучение на этом уровне не эффективно. В этой связи «вторую половину» клея используют с аэробными добавками и химическими загустителями.
Трубка может быть выполнена с гребешками, чтобы максимально точно подходить рядам ячеек.
На рис. 13 приведен пример расположения рядов строго вдоль осей x-y.
Система может содержать до четырех поддонов по уровню, расположенных один над другим, В патенте подробно показан механизм их соединения и расположения термотрубок. Мы эту часть подробно рассматривать не будем.
Ячейка с высокоэффективной вентиляцией
В данном патенте раскрывается устройство аккумуляторной ячейки, в которой в случае теплового пробоя энергия будет предсказуемо (гарантированно) высвобождаться через крышку, тем самым снижая вероятность разрыва элемента в нежелательном месте. Разработка будет использоваться в батареях Tesla Model 3.
Предпосылки к изобретению
Перезаряжаемые, не одноразовые батареи имеют ряд преимуществ и получают сегодня все большее распространение. Однако, они, как правило, менее стабильны и подвержены термическим «событиям», таким как тепловые пробои. Количество энергии, выделяемое при пробое столь велико, особенно для литий-ионных батарей, что его достаточно для того, чтобы привести к сгоранию самой батареи и материалов, расположенных в непосредственной близости от нее.
Тепловой пробой может быть вызван коротким замыканием, использованием неподходящей ячейки (например, по мощности), физическими деформациями или помещением ячейки в среду с экстремально высокой внешней температурой.
Тепловой пробой является одной из основных проблем, так как единственный случай может привести к значительным повреждениям имущества и в некоторых случаях к телесным повреждениям или гибели людей. Когда происходит тепловой пробой, батарея выделяет очень много дыма, струи пылающего жидкого электролита и достаточное количество тепла, чтобы привести к горению и разрушению материалов в непосредственной близости.
Если ячейка, подверженная тепловому удару, окружена другими ячейками, как это обычно бывает в АКБ, то происходит цепная реакция, что в конечном итоге наносит колоссальный ущерб батарее.
Независимо от того, одна или несколько ячеек подвергаются пробою, если первоначальный огонь не погасить сразу, то последующие возгорания могут быть причиной значительного повреждения имущества. Например, тепловой пробой батареи в оставленном без присмотра ноутбуке, вероятно, приведет не только к разрушению ноутбука, но и по крайней мере, частичному разрушению его окрестностей, например, дома, офиса, автомобиля, лаборатории и т.п. Если ноутбук находится на борту воздушного судна, например , в грузовом отсеке или багажном отделении, последующий дым и огонь может привести к аварийной посадке или, в худшем случае, крушению. Аналогичным образом, тепловой пробой одной или нескольких ячеек внутри аккумуляторной батареи электрического транспортного средства может уничтожить не только машину, но может привести к столкновению, если автомобиль едет на высокой скорости, или разрушению его окружения, если автомобиль на стоянке.
Одним из подходов к решению этой проблемы является снижение риска теплового пробоя. Например, чтобы предотвратить короткое замыкание во время хранения, используется изолирующие клеммы аккумулятора и специально разработанные контейнеры для хранения батарей. Другой подход заключается в разработке новых химических процессов в ячейках и/или модификации существующих химических ячеек. Например, в настоящее время ведется разработка композитных катодов, которые являются более терпимыми к высоким потенциалам зарядки. Также ведется разработка добавок к электролитам, которые образуют более стабильные слои пассивирования на электродах.
На рис.1 представлено поперечное сечение литий-ионной батареи типоразмера 18650. Батарея 100 включает в себя цилиндрический корпус 101, электродный узел 103 и колпачок 105. Корпус 101 обычно выполняют из никелированной стали. Электродный узел 103 состоит из анода, катода и сепаратора, наматываемых вместе в виде спирали. Анодный электрод 107 подсоединяют к отрицательному полюсу. Катод 109 соединяют с положительным полюсом посредством колпачка 105. Обычно батарея включает в себя пару изоляторов 111/113, расположенных на обоих концах электродного узла, чтобы предотвратить короткое замыкание между корпусом 101 и электродом 103.
В традиционной ячейке крышка 105 имеет достаточно сложную конструкцию, включающую в себя несколько механизмов безопасности. В ячейке 100 вкладка 109 подсоединена к агрегату 105 посредством устройства прерывания УП, целью которого является разрыв электрического соединения между узлом электрода и положительным выводом, если давление в камере превышает заранее определенный уровень. Устройство прерывания состоит из нижнего элемента 115 и верхнего 116, которые соединены электрически.
Нижний элемент УП 115 включает в себя множество отверстий 117, гарантируя тем самым, что любое изменение давления в корпусе 101 немедленно передастся верхней пластине 116.
Отверстия центральной части элемента 116 забиты (не видно на рис.1), поэтому когда давление в ячейке превышает заданный уровень, забитая часть элемента 116 УП ударяет вверх, тем самым нарушая электрическую изоляцию между электродом 103 и клеммой аккумулятора.
При нормальных условиях давления нижний элемент УП 115 соединен посредством сварки 119 с электродной вкладкой 109, а верхний элемент УП 116 соединен посредством сварки 121 с предохранительным вентилем 123. В комплексе эта система предназначена для того, чтобы в случае пробоя выпустить газ достаточно контролируемым образом. Вентиляционный предохранитель 123 может включать в себя «пропилы» 125 для более эффективной работы в случае теплового пробоя.
Элементы УП 115/116 электрически изолированы от предохранителя 123 с помощью прокладки 126. Как следствие, единственное электрическое соединение между элементами 115/116 и предохранителем 123 является сварочный шов 121.
Предохранитель 123 соединен с клеммой 127 через температурный клапан ТК 129. ТК 129 сконструирован таким образом, что его сопротивление становится очень высоким, когда плотность тока превышает заранее определенный уровень, тем самым ограничивая ток короткого замыкания. Крышка 105 дополнительно включает в себя вторую изолирующую прокладку 131, которая изолирует электропроводящие элементы крышки от корпуса.
В показанной на рис. 1 «обычной» ячейки в случае теплового пробоя корпус нагревается до 900°С, а в некоторых точках может превышать 1500°С. При срабатывании предохранителя столь горячий газ разрушает УП и сам предохранитель, а также нарушает целостность стенки ячейки и выходя может сильно нагреть рядом расположенные ячейки. Соответственно, необходимость настоящего изобретения заключается в том, чтобы сохранить целостность ячейки во время термо пробоя и позволить горячему газу и мусору выйти с помощью колпачка.
Содержание изобретения
Настоящее изобретение представляет конструкцию аккумуляторного элемента, который обеспечивает путь через предопределенную область (например, колпачок) для эффективного высвобождения тепловой энергии и снижения вероятности разрыва боковой стенки.
Один вариант реализации состоит в том, чтобы выполнить головку ячейки из материала с низкой температурой плавления, такого, как алюминий, который плавится в случае теплового пробоя (например, в случае, если температура превышает 1000°С). Боковая же стенка выполняется из материала с большей температурой плавления (например, из нержавеющей стали). Геометрия ячейки может при этом оставаться такой, как была показана на рис.1 или быть модифицирована, как показано ниже.
Если крышка изготовлена из алюминия, то ТК удаляется, а колпачок делается толще, тем самым заменяя ТК. Кроме того, алюминиевая крышка может быть ребристой (см. рис. 2, fig.2) чтобы обеспечить дополнительную жесткость. Рис 2, fig 2 иллюстрирует ребристый колпачок 200, включая боковую стенку 205, связующие ножки 210, ребра 215 и жерла 220. Ножки 210 соединены с боковой стенкой 205, например, путем склеивания или сварки.
В другом варианте осуществления данного изобретения, показанном на рис.2, fig 3, колпачок включает в себя две части: кольцо 305 и верхнюю часть 310, присоединенную к боковой стенке 315. Один из этих компонентов, например, кольцо 305 может быть выполнен из алюминия, в то время как другой компонент 310 может быть сделан из стали.
Кольцо с низкой температурой плавления 305 будет плавиться во время теплового пробоя, выпуская стальной верх 310.
С другой стороны, можно сделать наоборот: верхушку 310 выполнить из алюминия, а кольцо 305 — из стали. В этом случае верхушка 310 будет плавиться и высвобождать путь для выбрасывания материалов сгорания.
Аналогичный вариант показан на рис.4, fig 4. Ячейка 400 включает в себя верхнюю пластину 405, которую механически обжимают на корпус 410 и прикрепляют прессом к стенке 415. В этом случае верхняя пластина 405 «выскакивает» при превышении давления выше допустимого.
В варианте, показанном на рис.4, fig. 5, колпачок ячейки модифицирован так, что за счет отверстия 505 достигается баланс: размеры его достаточно велики, чтобы в случае пробоя газ мог выйти и в то же время достаточно малы, чтобы при работе в ячейке возникло достаточное давление.
На рис.6 показан вариант с торцевой крышкой 600, включающей в себя колпачок 605, который удерживается на месте множеством ножек 610. За счет этого колпачок легко снять вытягиванием или скручиванием через отверстие для инструмента 620.
Эпилог
В четырёх частях попытался сделать обзор на наиболее интересные патенты компании Тесла. В большинстве своём они не содержат каких-то выдающихся научных прорывов, однако, в них внимательно и аккуратно зафиксированы достаточно простые инженерные решения, позволившие в 2015-2017 гг. фактически создать новую отрасль электромобилей.
Понимаю, что по качеству перевода ко мне могут быть вопросы, английский у меня B2. Я старался не дословно переводить текст, а действительно сделать обзор.
Другие патенты Tesla Motors Inc.: Часть 1, Часть 2, Часть 3.
