Електрохімічний енергонакопичувальний пристрій

Реферат: Винахід належить до галузі електротехніки, а саме електрохімічного енергонакопичувального пристрою, що включає герметичний корпус, позитивний і негативний металеві струмовиводи, принаймні частини яких розміщені всередині корпусу і принаймні один з яких проходить з корпусу назовні через зону герметизації струмопроводів між внутрішніми і зовнішніми їх частинами, позитивний і негативний електроди, що складаються з електрично з'єднаних зі струмовиводами відповідної полярності колекторів, струму і нанесених на них активних речовин, просочених електролітом, пористого електроізоляційного сепаратора, розміщеного між електродами протилежної полярності, причому позитивний і негативний електроди з сепаратором виконані у вигляді багатошарової структури. Розташовані всередині корпусу частини струмовиводів є механічно з'єднані одна з одною через ізолятор з утворенням жорсткої теплопровідної оправки, яка розташована всередині зазначеної багатошарової структури. Технічним результатом винаходу є поліпшення умов відведення теплової енергії зсередини пристрою без втрат питомої ємності і зі збереженням можливості реалізації ЕЕП як з ізольованим корпусом, так і корпусом, електрично з'єднаним з одним з електродів. UA 112702 C2 (12) UA 112702 C2 UA 112702 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Цей винахід належить до галузі електротехніки, зокрема конструкції електрохімічних енергонакопичувальних пристроїв (ЕЕП), таких як електрохімічні конденсатори подвійного шару, у тому числі гібридні, і акумулятори, у яких площа геометричної поверхні електродів значно більша площі зовнішньої поверхні пристрою в цілому. Сьогодні ЕЕП використовуються, головним чином, як буферні накопичувачі енергії у таких застосуваннях: - енергетичні установки з нестабільними енергетичними характеристиками, такі як вітроелектрогенеруючі установки, електростанції з напівпровідниковими сонячними панелями, приливні електростанції і т. ін., де ЕЕП дозволяють накопичити енергію протягом періодів низького навантаження на генеруючі пристрої, а при підвищенні навантаження або протягом паузи, віддати її в мережу; - енергетичні установки з обмеженою потужністю, у випадках їх застосування для живлення навантажень з високою імпульсною споживаною потужністю, де ЕЕП як буферні накопичувачі в системах з акумуляторними джерелами живлення дозволяють згладити пікові навантаження на акумулятори; - приводи і гібридні транспортні засоби, для яких характерні короткочасні пікові навантаження при зміні швидкості руху. Суть застосування ЕЕП полягає все в тому ж накопиченні енергії і короткочасному віддаванні її в привод в моменти старту і розгону транспортного засобу. Інша особливість застосування ЕЕП в транспортних засобах - це можливість "активного гальмування", в процесі якого кінетична енергія руху транспортного засобу перетворюється на електричну енергію, що накопичується в ЕЕП, тобто має місце рекуперація енергії. В результаті енергія, отримана при гальмуванні електроприводом, може повторно використовуватися при подальшому розгоні. Це дозволяє знизити витрату палива і збільшити ресурс двигуна внутрішнього згоряння. Треба зазначити, що практично всі ЕЕП містять багатошарову структуру, виконану шляхом одночасного намотування стрічок електродів зі стрічкою сепаратора між ними на непровідну оправку або виконані у вигляді стопки листів електродів. Як правило, в описаних вище варіантах застосування, елементарні ЕЕП з'єднують паралельно та/або послідовно в необхідних комбінаціях і щільно розташовують в єдиному модулі. Характерною ознакою вказаних застосувань ЕЕП є великі струми заряду-розряду (десятки і сотні ампер). Це призводить до того, що навіть при низьких значеннях внутрішнього опору елементарного ЕЕП при тривалій роботі всередині нього виділяється значна кількість енергії, що призводить до небажаного перегріву пристрою, і як наслідок - до розкладання електроліту і/або випаровування розчинника і підвищення внутрішнього тиску. Це, у свою чергу, погіршує електричні характеристики ЕЕП і зменшує термін його служби. При цьому найбільш проблемною зоною є зона всередині ЕЕП, де проявляються найгірші умови для відведення тепла. З рівня техніки відомий патент США US 6,603,653, який спрямований на подолання цього недоліку у конденсаторах подвійного електричного шару. У цій конструкції стрічки електродів намотані на непровідну циліндричну оправку з утворенням рулону. Вказана оправка не має теплового контакту зі стінками корпусу. Для відведення теплової енергії з рулону електродів негативний колектор струму виконаний зі збільшеною товщиною, порівняно з позитивним колектором струму, і приварений безпосередньо до зовнішньої стінки корпуса конденсатора. Недолік такої конструкції полягає в тому, що збільшена товщина навіть одного електрода зменшує довжину електродів в рулоні і, отже, питому ємність такого конденсатора. Крім того, така конструкція має низьку технологічність, оскільки доводиться застосовувати дві різні товщини колекторів струму, а також виключає можливість застосування ЕЕП з ізольованим корпусом, оскільки один з колекторів струму повинен бути електрично з'єднаний з корпусом. В основу цього винаходу поставлена задача поліпшення відведення тепла з середини ЕЕП без суттєвого зниження питомої ємності і без обов'язкового електричного з'єднання одного з колекторів струму з металевим корпусом. Поставлена задача вирішується тим, що в електрохімічному енергонакопичувальному пристрої, що включає герметичний корпус, позитивний і негативний металеві струмовиводи, принаймні частини яких розміщені всередині корпусу і принаймні один з яких проходить з корпусу назовні через зону герметизації між внутрішніми і зовнішніми частинами струмовиводів, позитивний і негативний електроди, що складаються з електрично з'єднаних зі струмовиводами відповідної полярності колекторів струму і нанесених на них активних речовин, просочених електролітом, пористого електроізоляційного сепаратора, розміщеного між електродами 1 UA 112702 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 протилежної полярності, причому позитивний і негативний електроди з сепаратором виконані у вигляді багатошарової структури, згідно з винаходом, проведене таке вдосконалення: розташовані всередині корпусу частини металевих струмовиводів механічно з'єднані одна з одною через ізолятор з утворенням жорсткої теплопровідної оправки, яка розташована всередині зазначеної багатошарової структури. Оскільки внутрішні частини електрично ізольованих один від одного металевих струмовиводів механічно з'єднані між собою нерухомо у єдину жорстку конструкцію, розташовану всередині багатошарової структури, вони не тільки виконують функції власне струмовиводів, а й спроможні ефективно відводити теплову енергію з найбільш проблемної зони назовні або на корпус ЕЕП, а також виконувати функцію основи (оправки), на якій утворюють багатошарову структуру. У відомих ЕЕП оправка, на якій формується багатошарова структура електродів, звичайно виконана з електроізоляційного матеріалу і, отже, неспроможна бути ефективним тепловідводом, натомість у заявленому винаході така ж по формі оправка, але виконана майже повністю з металу, за винятком тонкого ізолятора між струмовиводами, і розташована в найбільш проблемній, з точки зору нагрівання, зоні, є ефективним тепловідводом. При цьому у більшості випадків зберігається питома ємність такого ЕЕП і можливість ізоляції обох електродів від корпусу. Отже цим досягається заявлений технічний результат. Треба зазначити, що при звичайних розмірах оправка, майже повністю виконана з металу, буде мати достатньо низький тепловий опір, для забезпечення ефективного відведення теплової енергії, що виділяється у ЕЕП. Засоби герметизації зон між внутрішніми і зовнішніми частинами струмовиводів можуть включати тільки герметизуючу речовину між краями корпусу і струмовиводами, у разі безпосереднього прилягання до них країв корпусу, або стінки з електроізоляційного матеріалу і герметизуючу речовину між поверхнею отворів у стінках і струмовиводами, які проходять через них, і між зовнішньою поверхнею стінок і краями корпусу. Згідно з винаходо, заявляються три альтернативні варіанти формування багатошарової структури на оправці: - намотування електродів у вигляді стрічок постійної ширини на оправку, що має форму циліндра; - намотування електродів у вигляді стрічок постійної ширини на оправку у вигляді пластини; - складання стопок листів, які утворюють електроди з обох боків пластини. При цьому усі властивості, притаманні заявленому винаходу, у кожному з цих варіантів зберігаються. Як вказано вище, пристрій згідно з винаходом уможливлює його застосування як з ізольованим корпусом, так і з корпусом, електрично зв'язаним з одним з колекторів струму, коли один з струмовиводів виходить з корпусу назовні через електроізоляційну зону герметизації, а інший з'єднаний електрично і механічно з корпусом, виконаним з провідного матеріалу, наприклад металу. Заявленому пристрою притаманна також універсальність геометрії механічного з'єднання розташованих всередині корпусу частин струмовиводів одна з одною. Так, вони можуть бути з'єднані через ізолятор у вигляді електроізоляційного шару торцевими поверхнями, боковими поверхнями або будь-якими іншими поверхнями при будь-якій формі самих внутрішніх частин струмовиводів за умови збереження форми оправки в цілому. При цьому з урахуванням того, що робоча електрична напруга таких пристроїв звичайно не перевищує декількох вольт, ізолятором між струмовиводами може бути тонкий суцільний шар клею. У кращому варіанті здійснення пристрою, згідно з винаходом, для забезпечення низького теплового опору струмовиводи виконані з металу з коефіцієнтом теплопровідності більше 100 Вт/(м*К) і питомим електричним опором менше 0,1 Ом*мм²/м. Найкращими металами, які задовольняють цим умовам, з точки зору ціна/якість, є мідь, алюміній або його сплави. В одному з конкретних варіантів виконання пристрою згідно з винаходом обидва струмовиводи виходять з корпусу назовні через зону герметизації, яка включає електроізоляційну стінку з одного боку пристрою. Це є варіантом застосування ЕЕП згідно з винаходом з ізольованим корпусом, який може бути корисним, наприклад, при послідовному з'єднанні декількох елементарних ЕЕП. У альтернативному варіанті виконання обидва струмовиводи виходять з корпусу назовні через дві різні електроізоляційні стінки, розташовані на протилежних сторонах ЕЕП, що може бути корисним при паралельному з'єднанні декількох елементарних ЕЕП. 2 UA 112702 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Таке рішення підходить як для варіантів намотування електродів на оправку, так і для варіанта з двома стопками листів електродів по обидві сторони оправки, причому у варіанті зі стопками листів зовнішні частини струмовиводів можуть бути роз ташовані з будь-яких, у тому числі суміжних сторін корпусу. Виступаючі з корпусу частини струмовиводів виконують функцію контактних клем і теплопроводів, на яких можуть бути закріплені додаткові радіатори. Подальшим вдосконаленням пристрою згідно з винаходом є те, що зовнішні поверхні зовнішніх частин струмовиводів є плоскими і паралельними одна одній. Це дозволяє вигідним чином електрично з'єднувати пристрої паралельно та/або послідовно за допомого металевих пластин. Інші характерні ознаки і переваги цього винаходу ясно випливають з опису креслень, які наведені нижче виключно для ілюстрації й не обмежують обсяг заявленого винаходу, причому: - на Фіг. 1 схематично зображений приклад реалізації ЕЕП згідно з винаходом у подовжньому розрізі (вигляд збоку); - на Фіг. 2 схематично зображена багатошарова структура ЕЕП, виконана шляхом намотування електродів з сепаратором на циліндричну оправку (циліндричний варіант); - на Фіг. 3 схематично зображена багатошарова структура ЕЕП, виконана шляхом намотування електродів з сепаратором на оправку у вигляді пластини (перший призматичний варіант); - на Фіг. 4 схематично зображена багатошарова структура ЕЕП у вигляді стопок листів по обидві сторони від оправки у вигляді пластини (другий призматичний варіант); - на Фіг. 5 схематично зображений приклад реалізації призматичного варіанта ЕЕП згідно з винаходом (вигляд зверху), з корпусом, виконаним з електроізоляційного матеріалу, у якому зовнішні частини струмовиводів по обидва боки ЕЕП закінчуються пластинами, перпендикулярними продовженням їх внутрішніх частин; - на Фіг. 6 схематично зображений вигляд у подовжньому розрізі ЕЕП за прикладом на Фіг. 5; - на Фіг. 7 схематично зображений інший приклад призматичного варіанта ЕЕП згідно з винаходом (вигляд зверху), з корпусом, виконаним з металу, у якому зовнішні частини струмовиводів по обидва боки ЕЕП закінчуються пластинами, перпендикулярними продовженням їх внутрішніх частин; - на Фіг. 8 схематично зображений вигляд у подовжньому розрізі ЕЕП за прикладом на Фіг. 7; - на Фіг. 9 схематично зображений приклад реалізації циліндричного варіанта ЕЕП згідно з винаходом у подовжньому розрізі, з корпусом, виконаним з електроізоляційного матеріалу і герметизацією між корпусом і фланцями на струмовиводах; - на Фіг. 10 схематично зображений інший приклад реалізації циліндричного варіанта ЕЕП згідно з винаходом у подовжньому розрізі, з металевим корпусом, електрично і механічно з'єднаним з одним з електродів і ізольованим від іншого електрода; - на Фіг. 11 схематично зображений модуль з трьома елементарними ЕЕП; - на Фіг. 12 схематично зображений модуль з трьома елементарними ЕЕП, з'єднаними послідовно. На Фіг. 1 представлений вигляд збоку на заявлений згідно з винаходом ЕЕП у подовжньому розрізі, який включає герметичний корпус 1, позитивний 2 і негативний 3 металеві струмовиводи, які мають внутрішні частини, розміщені всередині корпусу 1, і які виходять з корпусу назовні через засоби герметизації 4, які в даному разі включають електроізолюючу заглушку і герметизуючу речовину між нею і корпусом 1 і струмовиводами 2 і 3, і закінчуються виступаючими з корпусу 1 зовнішніми частинами, позитивний і негативний електроди 5 і 6, що складаються з електрично з'єднаних зі струмовиводами 2 і 3 відповідної полярності колекторів струму 7 і 8 і нанесених на них активних речовин, просочених електролітом, пористий електроізоляційний сепаратор 9, розміщений між електродами 5 і 6 протилежної полярності, причому позитивний 5 і негативний 6 електроди з сепаратором 9 виконані у вигляді багатошарової структури 10 (Фіг. 2, 3, 4), а розташовані всередині корпусу частини струмовиводів 2 і 3 механічно з'єднані одна з одною через ізолятор 11 з утворенням жорсткої теплопровідної оправки 12, яка розташована в центральній зоні зазначеної багатошарової структури 10 і покрита електроізоляційним шаром 13. Виступаючі з багатошарової структури 10 частини колекторів струму 7 і 8 електрично з'єднані з внутрішніми частинами відповідних струмовиводів 2 і 3, наприклад, шляхом зварювання у точках 14 і 15. Таким чином, дві внутрішні частини струмовиводів 2 і 3, механічно з'єднані разом, у даному випадку торцевими поверхнями, через ізолятор 11, створюють жорстку оправку, на якій утворюється багатошарова структура 10 і яка одночасно виконує функцію відведення теплової енергії, що виділяється усередині ЕЕП. На Фіг. 1 корпус виконаний з металу і ізольований від струмовиводів. 3 UA 112702 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Варіанту, зображеному на Фіг. 1, може відповідати будь-який з варіантів виконання багатошарової структури 10, представлених нижче на Фіг. 2, 3 і 4. На Фіг. 2 схематично представлений варіант виконання багатошарової структури 10 шляхом намотування стрічок електродів 5 і 6 з сепараторами 9 на циліндричну оправку 12. При цьому з Фіг. 2 зрозуміло, що внутрішні частини струмовиводів 2 і 3 також з'єднані торцевими поверхнями, а переріз оправки 12 на кресленні виконаний через внутрішню частину одного з струмовиводів 2, 3. Цей варіант відповідає циліндричній конструкції ЕЕП. На Фіг. 3 схематично показаний варіант виконання багатошарової структури 10 шляхом намотування стрічок електродів 5 і 6 з сепараторами 9 на оправку 12 у вигляді пластини. У даному разі внутрішні частини струмовиводів 2 і 3 з'єднані боковими поверхнями через ізолятор 11. Варіант виконання пристрою за винаходом, представлений на Фіг. 3, відповідає призматичній конструкції ЕЕП. На Фіг. 4 схематично представлений варіант виконання багатошарової структури 10 у вигляді стопки листів електродів 5 і 6 по обидві сторони від оправки 12 у вигляді пластини. Тут внутрішні частини струмовиводів 2 і 3 з'єднані знову торцевими поверхнями. Варіант виконання пристрою за винаходом, представлений на Фіг. 4, також відповідає призматичній конструкції ЕЕП. На Фіг. 5 і 6 зображені, відповідно, вигляди зверху і в розрізі варіанта призматичної конструкції ЕЕП, у якому зовнішні частини струмовиводів 2 і 3 включають пластини 16, 17 прямокутної форми, розташовані паралельно одна одній і перпендикулярно подовжній осі ЕЕП, яка проходить уздовж середини оправки 12. Корпус 1 ЕЕП виконаний з електроізоляційного матеріалу. При такій конструкції струмовиводи 2 і 3 виконують функцію радіаторів для охолодження ЕЕП. Варіант призматичної конструкції ЕЕП, представлений на Фіг. 7 і 8, відрізняється від варіанта на Фіг. 5 і 6 тим, що корпус 1 виконаний з металу, а засобом герметизації 4 включає жорсткі торцеві стінки 18, 19 з електроізоляційного матеріалу і герметизуючу речовину, що герметично з'єднує їх з корпусом 1 і струмовиводами 2 і 3. На Фіг. 9 і 10 представлені циліндричні варіанти ЕЕП. У варіанті на Фіг. 9 циліндричні позитивний 2 і негативний 3 струмовиводи розташовані уздовж подовжньої осі Х ЕЕП і механічно з'єднані через ізолятор 11. Герметичний корпус 1 виконаний з електроізоляційного матеріалу. Такий ЕЕП виготовляється методом намотування позитивного 5 і негативного 6 електродів з сепаратором 9 в рулон на жорстку оправку 12, створену внутрішніми частинами струмовиводів 2 і 3, покритими електроізоляційним шаром 13. На Фіг. 9 струмовиводи 2 і 3 виконані, відповідно, з циліндричними фланцями 20 і 21, а засобом герметизації 4 є герметизуюча речовина між ними і корпусом, виконаним з електроізоляційного матеріалу. На Фіг. 10 показаний аналогічний варіант циліндричної конструкції, але з металічним корпусом 1, причому фланець 20 струмовиводу 2 з'єднаний з корпусом 1 електрично, механічно і герметично, фланець 21 струмовиводу 3 ізольований від корпусу, а засіб герметизації включає електроізоляційну торцеву стінку 18, яка герметично з'єднана з корпусом 1 і струмовиводом 2. На Фіг. 11 показаний приклад застосування призматичного варіанта ЕЕП у корпусі модуля, що складається з трьох елементарних ЕЕП 22, розташованих всередині корпусу модуля паралельно один одному і перпендикулярно зовнішнім стінкам 23 модуля. При цьому елементарні ЕЕП 22 притиснуті до стінок корпусу модуля через електроізоляційні теплопровідні прокладки 24. У цьому разі теплова енергія з ЕЕП розсіюється через струмовиводи 2, 3 на стінки 23 корпусу модуля і далі в зовнішній простір, як показано стрілками. Приклад послідовного з'єднання елементарних ЕЕП 22 в корпусі модуля наведений на Фіг. 12, де зовнішні частини струмовиводів 2, 3 з прямокутними пластинами 16, 17 виконані несиметричними відносно центральних осей елементарних ЕЕП. У корпусі модуля елементарні ЕЕП 22 зорієнтовані однойменними полюсами в протилежні сторони й зварені між собою по швах 25 і 26. Зовнішні частини струмовиводів 2, 3, через електроізоляційні теплопровідні прокладки 24 притиснуті до зовнішніх стінок 23 корпусу модуля. Таким чином, заявляється ЕЕП, у якому, завдяки введенню нових елементів і нових взаємозв'язків між елементами, створені умови для ефективного відведення теплової енергії з середньої зони, яка є найбільш проблемною з точки зору відведення теплової енергії. При цьому зберігається питома ємність ЕЕП. Крім того, перевагою заявленого винаходу є можливість реалізації ЕЕП як з ізольованим корпусом, так і з корпусом, електрично з'єднаним з одним з електродів. 4 UA 112702 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 1. Електрохімічний енергонакопичувальний пристрій, що включає герметичний корпус, позитивний і негативний металеві струмовиводи, принаймні частини яких розміщені всередині корпусу і принаймні один з яких проходить з корпусу назовні через засіб герметизації зон між внутрішніми і зовнішніми частинами струмовиводів, позитивний і негативний електроди, що складаються з електрично з'єднаних зі струмовиводами відповідної полярності колекторів струму і нанесених на них активних речовин, просочених електролітом, пористого електроізоляційного сепаратора, розміщеного між електродами протилежної полярності, причому позитивний і негативний електроди з сепаратором виконані у вигляді багатошарової структури, який відрізняється тим, що розташовані всередині корпусу частини струмовиводів механічно з'єднані одна з одною через ізолятор з утворенням жорсткої теплопровідної оправки, яка розташована всередині зазначеної багатошарової структури. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що багатошарова структура виконана шляхом намотування на оправку електродів у вигляді стрічок постійної ширини. 3. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що оправка виконана у вигляді циліндра. 4. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що оправка виконана у вигляді пластини. 5. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що оправка виконана у вигляді пластини, а багатошарова структура виконана у вигляді стопок листів, які утворюють електроди, з обох сторін пластин. 6. Пристрій за будь-яким з пп. 1-5, який відрізняється тим, що розташовані всередині корпусу частини струмовиводів з'єднані торцевими поверхнями через ізолюючий шар. 7. Пристрій за будь-яким з пп. 1-5, який відрізняється тим, що розташовані всередині корпусу частини струмовиводів з'єднані боковими поверхнями через електроізоляційний шар. 8. Пристрій за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що струмовиводи виконані з металу з коефіцієнтом теплопровідності більше 100 Вт/(м*К) і питомим електричним опором менше 0,1 Ом*мм²/м. 9. Пристрій за п. 8, який відрізняється тим, що струмовиводи виконані з алюмінію або його сплавів. 10. Пристрій за п. 8, який відрізняється тим, що струмовиводи виконані з міді або її сплавів. 11. Пристрій за будь-яким з пп. 1-10, який відрізняється тим, що корпус виконаний з металу. 12. Пристрій за п. 11, який відрізняється тим, що один зі струмовиводів електрично ізольований від корпусу, а інший - електрично з'єднаний з корпусом. 13. Пристрій за будь-яким з пп. 1-10, який відрізняється тим, що корпус виконаний з електроізоляційного матеріалу або має електроізоляційне покриття. 14. Пристрій за будь-яким з пп. 1-13, який відрізняється тим, що струмовиводи проходять з корпусу назовні на протилежних сторонах пристрою. 15. Пристрій за будь-яким з пп. 1-14, який відрізняється тим, що зовнішні поверхні зовнішніх частин струмовиводів є плоскими і паралельними одна одній. 5 UA 112702 C2 6 UA 112702 C2 7 UA 112702 C2 8 UA 112702 C2 9 UA 112702 C2 10 UA 112702 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11