Home » Misc » Распределитель тепла на батарею

Распределитель тепла на батарею


Что такое распределитель тепла для радиатора

Естественное желание каждого из нас – оптимизировать свои расходы, в том числе, и на различные услуги, которыми мы пользуемся. От некоторых собственник жилища в многоэтажке попросту не может отказаться, и практически все они относятся к сфере ЖКХ. Один из обязательных ежемесячных платежей – за централизованное отопление. Если изучить квитанцию, становится понятно, что именно в этой строчке указывается самая большая сумма. Установка теплового счетчика в отдельно взятой квартире в ряде случаев невозможна в принципе. А вот распределитель – другое дело. Всем, кто действительно хочет оплачивать реальное количество Гкал, потребленных его жилищем, а не расчетное, смонтировать у себя в доме этот прибор стоит.

Как работает прибор

По принципу функционирования данное устройство отличается от традиционного счетчика. И хотя их в силу недостаточной осведомленности часто путают, это не одно и то же. Прибор учета подсчитывает объем горячей воды, прошедшей по трубе, на которой смонтирован датчик. С распределителем тепла все по-иному. Он устанавливается на отопительной батарее и периодически (интервал исчисляется минутами, в зависимости от настройки) фиксирует температуру ее поверхности в месте крепления, а чувствительный элемент – воздуха в помещении. Разница показаний записывается в электронную память прибора. Она эн/независима, так как питание блока автономное, от мини-АКБ.

Записанные данные и служат основанием для расчета потребленного тепла. Здесь следует понимать, что результаты измерений выражаются всего лишь в условных единицах. Чтобы получить значения в Гкал, необходимо сделать пересчет. Для этого вводится такое понятие, как радиаторный коэффициент. Его величина определяется двумя факторами – размерами батареи и ее типом. То есть распределитель учитывает теплоотдачу, в зависимости от ее материала (чугун, биметалл и так далее) и конструктивного исполнения. Все известные компании, занимающиеся производством отопительных радиаторов, обязательно указывают значение коэффициента в паспортах образцов.

На практике получается так: коммунальщики рассчитывают отопление по квадратуре помещений. Но, к примеру, по квартирам разное количество батарей, их секций, есть отличие и в моделях радиаторов, качестве утепления жилья. А потому одни собственники в реальности потребляют Гкал намного больше других даже при равенстве площадей квартир. Распределители позволяют устранить такую «несправедливость», а по сути, перекос в оплате за данную услугу.

Преимущества использования

То, что любой прибор учета дает значительную экономию, так как оплата потребленной услуги производится не по нормативу, а по фактическому расходу ресурса, пояснений не требует. Факт очевидный, и никем не оспаривается. Целесообразность использования в квартире распределителя тепла объясняется стоимостью изделия – его цена примерно на порядок (то есть раз в 10) ниже, чем счетчика. Даже если в жилище несколько стояков (и понадобится 2 – 3 прибора), в суммарном выражении это все равно выходит дешевле.

Экономия по статье отопление. В течение года, как и обычно, собственник рассчитывается по квитанции, то есть по общедомовому счетчику. Но 1 или 2 раза за период производится съем показаний распределителей, и данные приборов используются для вывода баланса (разницы между расчетным и фактическим потреблением тепла) применительно к каждой квартире. Полученная экономия учитывается при начислениях в следующем отопительном периоде (то есть сумма платежа снижается). Все подобные нюансы обязательно отражаются при заключении ежегодного договора с поставщиком или УК.

Больший межповерочный интервал. Если для теплосчетчика (квартирный вариант) он определен производителем в 5 лет, то для распределителя – 10.

Что следует знать

  1. Чтобы действительно добиться значительной экономии на отоплении, распределители тепла должны быть установлены не менее чем в ¾ отапливаемых помещений в частном доме или квартир в многоэтажке.
  2. Установка лишь одного этого прибора бессмысленна. Все батареи в помещении необходимо оснастить еще и терморегуляторами, которые позволят поддерживать в комнате неизменный микроклимат. Многие из нас сталкивались с ситуацией, когда за окном плюсовая температура, а коммунальщики греют батареи, как при -30 С. Поэтому понимать экономию лишь с помощью распределителя тепла не совсем правильно. Она достигается комплексно – оплатой по факту и автоматическим регулированием объема потребления услуги конкретной квартирой или зданием.
  3. Распределитель тепла целесообразно монтировать лишь на батареи заводского изготовления. Его установка на встречающиеся в домах самоделки бесполезна, а потому «инновационные проекты» собственника придется заменять промышленными изделиями.
  4. Установка в частном строении распределителя имеет смысл лишь в том случае, если здание обеспечивается теплом из общей трубы, к которой подключено несколько потребителей и смонтирован лишь один, групповой счетчик.
  5. Приборы данной группы хотя и универсальны в применении (подходят для монтажа в любой отопительной системе), но все-таки есть некоторое ограничение. И продиктовано оно экономической целесообразностью; распределитель тепла уместен лишь в схемах с горизонтальной разводкой труб к батареям. Если она вертикальная, то придется устанавливать прибор на каждом радиаторе, а это обойдется дорого. Да и уловить незначительные перепады температуры, с учетом предела чувствительности, распределитель вряд ли сможет.
  6. Прежде чем приобретать такой прибор, следует согласовать его монтаж с УК или поставщиком эн/ресурса. Вся процедура пересчета должна быть прописана в соответствующем договоре, равно как и обязанности (права) сторон: кто уполномочен снимать показания, в какие сроки и способом (визуально или через интернет), как реализуется компенсация за переплату и так далее.

Специфика монтажа распределителей тепла

Рассматривать порядок установки приборов вряд ли стоит. Во-первых, моделей достаточно много, и для каждой – свои нюансы. Во-вторых, весь алгоритм действий пошагово расписывается в прилагаемой инструкции. А вот с ограничениями в монтаже ознакомиться следует.

Где распределители тепла не используются

  • В паровых отопительных системах.
  • В приборах с наддувом. Пример – конвекторы, имеющие встроенный вентилятор.
  • В схемах «теплый пол».
  • В помещениях, где отопительные приборы производят забор воздуха извне, смонтированы на потолке и в ряде других случаев.
    • На заметку! При желании установить в доме распределитель тепла лучше проконсультироваться с профессионалом, иначе не факт, что деньги будут потрачены рационально. Почему?
  • Только специалист сможет произвести аудит здания и определить, в каком из помещений получится установить прибор этого типа в зависимости от схемы отопления, дать советы по способам снижения теплопотерь (замена утеплителя, герметизация проемов и тому подобное).
  • Распределители выпускаются в нескольких модификациях. Каждая отличается своими возможностями, функционалом и особенностями использования. Только профи может рекомендовать оптимальную модель для установки в конкретном месте.

«АЛЬФАТЭП» более 10 лет специализируется в сфере отопления зданий различного назначения. В штате компании квалифицированные инженеры-теплотехники и проектировщики. Жителям Подмосковья, заинтересовавшимся распределителями тепла, нужно лишь позвонить на номер 8 (495) 109 00 95, и сотрудники ответят на любой вопрос относительно использования этих приборов. По желанию клиента ему будет предоставлен полный пакет услуг – от аудита строения до монтажа и настройки распределителей и терморегуляторов.

Распределитель на батарее снизит потребление тепла в квартире

Жителям объясняют, что это приборы учета тепла. Однако на дисплее приборчика - не гигакалории или рубли, а непривычные безразмерные единицы.

Разъяснить их значение мы попросили Светлану Никитину, ведущего специалиста по индивидуальному учету тепла компании «Данфосс», ведущего мирового производителя энергосберегающего оборудования.

Самый первый вопрос, который возникает у жильцов - зачем вообще нужны какие-то «хитрые» методы измерения и почему нельзя использовать обычные теплосчетчики, которые сразу показывают что нужно. Ведь такие бывают?

Конечно, и это действительно было бы проще всего. Но для этого нужно, чтобы у квартиры был единый тепловой ввод, то есть во все батареи вода поступала из одной трубы, идущей от общего стояка на этаже. А в домах привычной нам конструкции - с отопительными стояками, пронизывающими здание сверху донизу и проходящими через каждую комнату - так не получается. Куда здесь поставить теплосчетчик? На каждую батарею нельзя - таких чувствительных приборов, которые способны точно измерить расход воды и перепад температур на одном радиаторе, просто нет. Да и дороговато выйдет. Поэтому используется другой метод.

В чем его суть?

В основе лежит простейший принцип: чем горячее батарея, тем больше тепла она отдает. Значит, те, у кого батареи греются сильнее - те и потребляют больше. Остается правильно измерить температуру всех батарей, которая постоянно меняется в течение отопительного периода, и можно вычислить долю каждой квартиры в общем потреблении. А затем берем показания общего теплосчетчика, который измеряет расход тепловой энергии по дому в целом, и делим его между квартирами пропорционально этим долям.

Конечно, надо учитывать еще размеры и мощность батарей: при одинаковой температуре радиатор из десяти секций отдаст вдвое больше тепла, чем пятисекционный. Но мощности и размеры всех отопительных приборов в доме всегда известны и записаны в технической документации. Поэтому для каждой батареи вводится поправочный коэффициент.

Каждые 3-4 минуты он измеряет температуру батареи, и процессор рассчитывает разность между этой температурой и средним нормативным значением температуры воздуха 20ºС. А по законам теплотехники именно разность температур отопительного прибора и воздуха пропорциональна теплоотдаче. Эти данные распределитель накапливает и затем выдает суммарную информацию о том, как менялась теплоотдача батареи в течение времени. И чем она горячее, тем быстрее будут расти показания распределителя. Учитывается все.

Например, если вода, которая поступает в батарею, стала холоднее, то и вычисляемая разность температур будет меньше, показания будут расти медленнее. Или если вы с помощью радиаторного терморегулятора установите температуру для комнаты пониже, либо вообще перекроете подачу воды. Следует помнить и о том, что открытые форточки и сквозняки снижают температуру воздуха в помещении, а терморегулятор в этом случае автоматически включает подачу воды в батарею, чтобы скомпенсировать холод. Поэтому на время проветривания терморегуляторы нужно перекрывать. Таким образом, у потребителя появляются и возможность и стимул экономить.

А что же все-таки обозначают цифры на экране распределителя?

Это условные пропорциональные единицы, показывающие долю потребления данной батареи по отношению к другим батареям в доме, оборудованным распределителями. Не в данный момент, а за все время измерения. То есть эти единицы постоянно плюсуются, накапливая эту долю. С какой скорость это происходит - зависит от того, как сильно греется батарея.

А для вычисления потребления каждой квартиры в гигакалориях нужно знать сумму всех единиц потребления по всем распределителям в доме и показания общедомового теплосчетчика. При этом из общедомовых показаний нужно предварительно вычесть потребление квартир, в которых не установлены распределители. Только тогда можно вычислить «вес» одной условной единицы и умножить его на количество единиц, накопленных каждой квартирой. Эти вычисления производит специальная программа, установленная на компьютере в управляющей компании. Таким образом, вся система является единым целым, как бы одним «многоканальным» теплосчетчиком, измеряющим потребление всех радиаторов разом.

Потребитель может извлечь для себя какую-то полезную информацию из показаний распределителей?

По их изменению можно следить, как быстро меняется потребление в каждом помещении, сравнивать его с потреблением за предыдущие месяцы, переключая режим отображения информации с помощью кнопки. Можно сравнивать количество единиц в соседних комнатах при разных настройках терморегуляторов, или с количеством единиц у соседей по дому (не забывая о паспортной мощности радиаторов). Также на дисплее всегда можно увидеть реальную температуру батареи.

Как снимают показания?

В простейшем случае - визуально, но во многих домах используется беспроводная передача данных с распределителей по радиоканалу. Тогда жильцам вообще не нужно ни о чем беспокоиться. Кроме того, к системе радиосбора показаний можно также подключить приборы учета потребления воды. Сами распределители рассчитаны на работу без поверок в течение 10 лет, что в 2,5 раза дольше, чем у классических тепло- и водосчетчиков.

Как выставляются счета за отопление? Почему делаются какие-то перерасчеты?

В соответствии с действующим законодательством, расчеты по распределителям производятся не каждый месяц, а несколько или даже один раз в год, чтобы облегчить обработку информации. Поэтому если ваш дом совсем новый (или поквартирный учет только что ввели), то в первое время (возможно, в первый год) платить вы будете по площади квартиры. Но в конце отопительного сезона (или в конце календарного года) управляющая компания делает перерасчет - и начисления корректируются.

Звучит разумно. Но на практике почему-то периодически возникают конфликты жильцов с управляющими компаниями, когда одни жители дома после перерасчета получают непомерные счета на доплату, а другие - огромные возвраты денег. Как будто одна половина дома платит за другую. В чем причина?

Причина заключается в некорректной методике расчета. Дело в том, что помимо батарей в комнатах есть еще стояки, которые тоже отдают тепло, и оно не фиксируется никакими приборами. А еще есть общедомовые нужды - отопление холлов, подъездов и лестниц, где на батареях нет распределителей. Чтобы все это правильно учитывать, была разработана специальная методика расчетов.

Суммарное потребление, измеренное общедомовым теплосчетчиком, делится на две неравные части: 35% относят к так называемым нерегулируемым затратам (куда входит отопление мест общего пользования и теплоотдача стояков), а оставшиеся 65% считают регулируемыми затратами (потреблением от радиаторов). Первая часть делится между собственниками пропорционально площадям квартир вторая - по показаниям распределителей. Соотношение 35:65 является усредненным по расчетам для нескольких типовых серий новостроек, более точное соотношение для каждого дома можно при необходимости рассчитать по проектным данным.

Однако, к большому сожалению, в действующих «Правилах предоставления коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов» (Постановление Правительства РФ № 354) в формулах расчета для распределителей вообще отсутствует разделение на нерегулируемые и регулируемые затраты. То есть все 100% общедомового объема потребления при корректировке в конце года распределяются только по показаниям распределителей.

В результате, например, квартиры, отключившие батареи и отапливавшиеся от стояков и от соседей, получают к оплате 0. Долги за их потребление распределяются на тех жителей, у которых накопилось много единиц. Это приводит к очень большому разбросу доплат и возвратов. Хотя управляющие компании при этом действуют строго по постановлению правительства. То есть виноват не метод измерения, а неправильная интерпретация данных. И это необходимо срочно исправлять.

На самом деле, при нормально отрегулированной системе отопления, не должно быть квартир, которые отапливаются только от стояков. Теплоноситель в систему отопления должен подаваться правильной температуры, в зависимости от температуры наружного воздуха. И стояк, и батарея при одновременной работе должны давать в комнате нормативную температуру. На это тоже следует обратить внимание управляющим компаниям, которые обслуживают дома с индивидуальным учетом.

А что дает поквартирный учет потребителю, если все считать правильно?

Обычно существенную экономию тепла. По сравнению с платежами по нормативу она достигает в среднем 30-40%. А это немало, учитывая, что в России платежи за отопление составляют примерно половину от суммы квартплаты, а в некоторых регионах и больше. Экономные жильцы и люди, которые не любят жару в квартирах, могут сберечь и гораздо более значительные суммы: по нашему опыту - до 50-80%.

Опыт многих лет применения распределителей в европейских странах и в России показывает, что индивидуальный учет в многоквартирных домах выгоден для жильцов. Когда все собственники привыкают к рациональному и оптимальному для своей квартиры пользованию терморегуляторами, заметно снижается и потребление, и плата за отопление всего дома.

пресс-служба компании "Данфосс"

Энергетика и энергосбережение


Заявка на патент США на РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ТЕПЛА ДЛЯ АККУМУЛЯТОРА Заявка на патент (заявка № 20180175467 от 21 июня 2018 г.)

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ два аккумуляторных элемента и имеющих по крайней мере один анизотропный распределитель тепла, и их использование.

Аккумулятор представляет собой электрохимическое устройство накопления энергии, которое при разрядке преобразует накопленную химическую энергию в электрическую посредством электрохимической реакции. Очевидно, что в будущем новые аккумуляторные системы, к которым будут предъявляться очень высокие требования с точки зрения надежности, безопасности, эффективности и срока службы, будут использоваться как в стационарных приложениях, таких как ветряные турбины, так и в автомобилях, которые сконфигурированы как гибридные автомобили или электромобили, а также в электронных устройствах. В частности, благодаря высокой плотности энергии ионно-литиевые батареи используются в качестве накопителей энергии для транспортных средств с электроприводом.

US 2013/0323564 раскрывает блок батарей с множеством призматических элементов батареи, которые уложены друг на друга. В каждом случае распределитель тепла, состоящий из графита, расположен между соседними аккумуляторными элементами в блоке аккумуляторов. Распределитель тепла имеет две основные поверхности, при этом основные поверхности контактируют с охлаждающей пластиной. В DE 102014004764

описан теплообменник, который содержит пластину теплопровода, которая содержит анизотропно теплопроводный материал, теплопроводность которого выше параллельно основной поверхности пластины теплопровода, чем перпендикулярно основной поверхности. Кроме того, теплообменник имеет канал для жидкого теплоносителя, при этом расстояние между передающим краем пластины-теплопровода и каналом меньше толщины пластины-теплопровода.

US 2013/0273413 раскрывает батарею, имеющую множество элементов, расположенных на пластине. В рабочем состоянии батарея принимает асимметричную форму, благодаря чему можно использовать доступное пространство внутри портативного электронного устройства.

WO 2014/038891 имеет вторичную батарею с множеством сборок электродов, которые вставлены в углубления в цельном корпусе. Затем кожух соответственно разделяется между узлами электродов, в результате чего узлы электродов находятся отдельно друг от друга в своих углублениях.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с изобретением батарея, в частности ионно-литиевая батарея, и транспортное средство, содержащее батарею, имеют признаки независимых пунктов формулы изобретения.

По сравнению с изотропными распределителями тепла, которые проводят тепло независимо от направления, анизотропные распределители тепла проводят тепло в зависимости от направления и, следовательно, с разной степенью эффективности в разных направлениях. В смысле этого изобретения анизотропный теплораспределитель очень хорошо проводит тепло в плоскости, например, с теплопроводностью от 250 Вт/мК до 10 000 Вт/мК и со значительно меньшей теплопроводностью, например 5 Вт. /мК до 200 Вт/мК перпендикулярно плоскости. Таким образом, теплораспределитель очень эффективно проводит тепло в плоскости, в то время как в перпендикулярном направлении по отношению к плоскости тепло передается менее сильно.

Термин «тепловой выход из строя элемента батареи» означает, что элемент батареи экзотермически реагирует из-за дефекта и выделяет столько тепла, что перегревается. Как правило, это приводит к тому, что батарея становится непригодной для использования. Тепло, генерируемое элементом батареи, испытывающим тепловой разгон, передается соседним элементам батареи, которые затем также переходят в экзотермическое состояние и становятся непригодными для использования в результате перегрева. Этот процесс является цепной реакцией, и его практически невозможно остановить, что часто приводит к пожару и/или взрыву. По этой причине этого случая следует полностью избегать.

Батарея согласно изобретению имеет по меньшей мере два аккумуляторных элемента и по меньшей мере один анизотропный распределитель тепла, при этом по меньшей мере два аккумуляторных элемента расположены рядом друг с другом в плоскости на одной стороне анизотропного распределителя тепла, в прямом теплопроводный контакт с ним. Преимуществом здесь является то, что в случае выхода из строя аккумуляторного элемента тепло, которое вырабатывается этим неисправным аккумуляторным элементом, очень эффективно отводится от неисправного аккумуляторного элемента через распределитель тепла. За счет очень хорошей теплопроводности в плоскости тепло передается, по меньшей мере, к одному соседнему аккумуляторному элементу и предпочтительно к большому количеству аккумуляторных элементов, которые находятся в теплопроводящем контакте с распределителем тепла. В результате отвода тепла от неисправного элемента батареи его перегрев, по меньшей мере, задерживается, что дает больше времени, например, для срабатывания дополнительных механизмов безопасности. В результате отвода тепла к большому количеству аккумуляторных элементов, находящихся в контакте с распределителем тепла, аккумуляторные элементы, расположенные непосредственно рядом с неисправным аккумуляторным элементом, перегреваются медленнее, так как тепло передается не только на этим элементам батареи, но также и к другим элементам батареи, расположенным дальше. Таким образом, не несколько элементов батареи сильно нагреваются, а большое количество элементов батареи нагревается до определенной степени. Тот факт, что по меньшей мере два элемента батареи расположены рядом друг с другом на одной и той же стороне анизотропного распределителя тепла в настоящем изобретении, является решающим преимуществом по сравнению с элементами батареи, которые уложены друг на друга. У штабелированных аккумуляторных элементов нет непосредственно примыкающих к ним аккумуляторных элементов, в результате чего тепло в плоскости не может быть распределено на другие аккумуляторные элементы через теплораспределитель.

В нормальном рабочем состоянии без аварийной ситуации анизотропный распределитель тепла способствует отводу тепла от аккумуляторных элементов на охлаждающую пластину. Это означает, что тепло, как правило, распределяется между ячейками батареи, расположенными друг рядом с другом и соединенными теплопроводным образом с анизотропным распределителем тепла, а отвод тепла на охлаждающую пластину происходит либо через анизотропный распределитель тепла или через аккумуляторные элементы.

Дополнительные предпочтительные варианты осуществления настоящей батареи и системы аккумуляторных элементов можно найти в зависимых пунктах формулы изобретения.

В одном из вариантов анизотропный распределитель тепла представляет собой графитовую пленку. Атомы углерода расположены в графите в виде гексагональной слоистой структуры. Внутри этих так называемых базовых уровней или слоев графита существует чрезвычайно сильная ковалентная связь между атомами углерода. Слои, расположенные параллельно, напротив, очень слабо связаны друг с другом. Это приводит к очень сильной анизотропии электропроводности и теплопроводности.

Теплопроводность в пределах базовых слоев составляет от 10 3 до 10 4 Вт/км, а теплопроводность между базовыми слоями, то есть теплопроводность перпендикулярно соответствующим базальным слоям, составляет, для пример 10 1 до 10 2 Вт/км.

В альтернативном варианте распределитель тепла представляет собой тепловую трубку.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления теплоизолятор вводится между прилегающими поверхностями корпусов соседних элементов батареи, причем этот теплоизолятор предотвращает передачу тепла между прилегающими поверхностями корпусов соседних элементов батареи. Следовательно, в случае элемента батареи, который нагревается экзотермически, тепло, которое выделяется при нормальной работе или в случае неисправности, не может быть передано непосредственно соседнему элементу батареи, а только к соседним элементам батареи через распределитель тепла. Преимуществом здесь является то, что соседние элементы батареи нагреваются менее сильно, поскольку распределитель тепла распределяет тепловую энергию на большое количество элементов батареи, а не только на непосредственно соседние элементы батареи. В результате элементы батареи, расположенные рядом с сильно нагревающимся элементом батареи, защищены от быстрого чрезмерно сильного нагрева и, следовательно, в оптимальном случае от теплового разгона. Это защищает компоненты аккумуляторной батареи, которые поэтому не подвергаются чрезмерно высоким температурам, и продлевает срок службы батареи, а также ее безопасность.

В другом варианте теплоизолятор выполнен в виде пленки. Преимуществом здесь является то, что пленка является гибкой и поэтому может приспосабливаться к движениям батареи, не повреждаясь. Такие движения возникают, например, при вибрациях в результате движения по неровной дороге, когда в транспортном средстве находится аккумуляторная батарея. Изолятор, выполненный в виде пленки, остается в контакте с расположенными на нем аккумуляторными элементами, поскольку пленка может плотно прилегать к аккумуляторным элементам. Кроме того, отсутствует, например, воздушный зазор, который может иметь теплоизоляционный эффект.

В еще одном предпочтительном варианте материал теплоизолятора содержит полиуретан, полистирол, вспененный перлит, пеностекло, силикат кальция, слюду, минеральную вату, минеральную бумагу и/или минеральные волокна, которые могут действовать как пламя. барьер и может предотвратить распространение огня.

В одном варианте осуществления теплоизолятор приклеивается к элементам батареи с помощью клея. Альтернативно, теплоизолятор и аккумуляторные элементы прижимаются друг к другу при сборке.

В другом варианте теплоизолятор имеет толщину 1-10 мм, в частности 3-5 мм. Преимуществом здесь является то, что при такой толщине изоляционный эффект настолько силен, что соседние аккумуляторные элементы нагревающегося аккумуляторного элемента также не убегают термически, поскольку температура электролита соседних аккумуляторных элементов остается ниже критической.

В одном особенно предпочтительном варианте осуществления батарея имеет, по меньшей мере, одну систему аккумуляторных элементов, содержащую пленку-мешочек, по меньшей мере, с двумя карманами и, по меньшей мере, двумя узлами электродов. Блоки электродов вводятся в отдельные карманы мешочной пленки, в результате чего в каждом случае один блок электродов вместе с карманом мешочной пленки образует один аккумуляторный элемент, при этом аккумуляторные элементы физически соединены друг с другом в складной конструкции. мода с помощью пленки мешочка.

Под термином «пленка-пакет» в рамках настоящего изобретения следует понимать гибкую пленку, в частности композитную пленку, которая непроницаема для электролита. Пленка для пакетов содержит, например, ламинат. Ламинат содержит, например, алюминий. Альтернативно, ламинат не содержит никакого алюминия, в частности, не содержит никакого металла.

Термин «электродный узел» следует понимать как означающий узел, содержащий по меньшей мере один анод и по меньшей мере один катод, в котором ионы лития могут обратимо накапливаться и снова высвобождаться.

При зарядке литий-ионных аккумуляторов ионы лития мигрируют от катода к аноду через электролиты и накапливаются в них. В то же время электроны также мигрируют от катода к аноду по внешней цепи. При разрядке литий-ионных аккумуляторов эти процессы протекают в обратном направлении, так что ионы лития мигрируют от анода к катоду и накапливаются в нем.

Кроме того, электродный узел содержит по меньшей мере один сепаратор, который разделяет анод и катод как пространственно, так и электрически и содержит, например, полиолефин. Анод, сепаратор и катод могут быть намотаны друг на друга или расположены друг над другом.

Преимущество батареи согласно изобретению с системой элементов батареи состоит в том, что такую ​​систему элементов батареи можно сделать очень гибкой. Пленка пакета со смежными карманами может быть сложена самыми разнообразными способами, в результате чего форма системы элементов батареи и, следовательно, также средства образования контакта с отдельными элементами пакета могут быть сконфигурированы индивидуально, например, относительно требованиям к пространству, размеру, методам складывания и возможностям формирования контактов. Кроме того, преимуществом является то, что система аккумуляторных элементов не имеет ограничений по высоте штабелирования. Можно, например, уложить несколько систем аккумуляторных элементов друг на друга, или, по меньшей мере, одну систему аккумуляторных элементов сложить таким образом, что смежные элементы пакета будут располагаться друг над другом. Кроме того, предлагаемая система аккумуляторных элементов является гибкой в ​​отношении используемого химического состава элементов. Можно использовать, например, систему твердотельных элементов, например, с твердым веществом в качестве электролита. В качестве альтернативы используется жидкий электролит. Преимуществом также является то, что электродные сборки, которые вводятся в карманы пакетной пленки, могут набухать из-за окружающей их гибкой пакетной пленки, например, в результате процессов накопления и высвобождения ионов лития или вследствие старения. . Это предотвращает смещения и повреждения электродных узлов из-за воздействующего на них большого давления.

Кроме того, с батареей в соответствии с изобретением с пакетной пленкой преимущество заключается в том, что пакетная пленка очень гибкая, в результате чего структура с прилегающими карманами может быть изготовлена ​​очень легко, поскольку пакетную пленку можно сгибать. , сгибается, нагревается и запечатывается без повреждений, а также является гибким, эластичным и складным даже после изготовления. Затраты также снижаются, так как производство пленки для пакетов может происходить непрерывно из одного куска, что требует небольших затрат с точки зрения работы и очень эффективно с точки зрения времени. Кроме того, материальные затраты на пленку-мешочек очень низки, например, по сравнению с другими герметизациями или корпусами электродных узлов, такими как, например, призматические корпуса с твердой оболочкой.

В одном предпочтительном варианте по меньшей мере одна система аккумуляторных элементов расположена на анизотропном распределителе тепла. Преимуществом здесь является то, что многие аккумуляторные элементы или все аккумуляторные элементы системы аккумуляторных элементов противодействуют распределителю тепла и теплу одного или нескольких аккумуляторных элементов во время работы или теплу экзотермически реагирующего аккумуляторного элемента в случае перегрева. неисправность, поэтому может распространяться на элементы аккумуляторной батареи.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления батарея имеет по меньшей мере две системы аккумуляторных элементов, которые расположены с каждой стороны анизотропного распределителя тепла. Преимуществом здесь является то, что тепло одного или нескольких аккумуляторных элементов первой системы аккумуляторных элементов может быть дополнительно распределено по аккумуляторным элементам второй системы аккумуляторных элементов через распределитель тепла, в результате чего отдельные аккумуляторные элементы аккумуляторного элемента каждая система должна поглощать меньше тепловой энергии.

В другом варианте охлаждающая пластина расположена параллельно, по меньшей мере, одному распределителю тепла, так что охлаждающая пластина и распределитель тепла, в частности, не соприкасаются. Преимуществом здесь является то, что распределитель тепла распределяет тепло по элементам батареи, которые расположены с одной или с обеих сторон указанного распределителя тепла. Тепло, которое проходит через распределитель тепла к элементам батареи, которые примыкают к охлаждающей плите, может рассеиваться на охлаждающую плиту через упомянутые элементы батареи. В результате того, что распределитель тепла и охлаждающая пластина расположены параллельно друг другу, отсутствует, например, большой температурный градиент по сравнению с батареями, у которых распределители тепла соединены одним концом непосредственно с охлаждающей пластиной.

Кроме того, аккумулятор согласно изобретению используется в электромобиле, в гибридном автомобиле или в подключаемом гибридном автомобиле. В качестве альтернативы батарея применяется, например, на кораблях, двухколесных транспортных средствах, самолетах, стационарных системах накопления энергии, электроинструментах, развлекательной электронике и/или бытовой технике.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления настоящего изобретения проиллюстрированы на чертежах и поясняются более подробно в последующем описании чертежей. На рисунке:

РИС. 1 a ) показывает схематическое изображение поперечного сечения батареи в соответствии с предшествующим уровнем техники,

На фиг. 1 b ) показана схематическая иллюстрация батареи по фиг. 1 a в случае теплового разгона элемента аккумуляторной батареи,

РИС. 2 a ) показывает схематическое изображение поперечного сечения батареи согласно изобретению с распределителем тепла,

На фиг. 2 б ) схематично показана батарея согласно фиг. 2 и в случае теплового разгона элемента аккумуляторной батареи, а

на фиг. Фиг.3 показывает схематическую иллюстрацию трехмерного изображения системы аккумуляторных элементов батареи в соответствии с изобретением с пакетной пленкой и узлами электродов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

РИС. 1 a раскрывает батарею 100 в соответствии с предшествующим уровнем техники. Аккумулятор 100 имеет корпус батареи, который имеет первую половину корпуса батареи 20 a и вторую половину корпуса батареи 20 b . Аккумулятор 100 имеет двадцать аккумуляторных элементов 10 и - t , которые служат в качестве примера для любого желаемого количества аккумуляторных элементов 10 . Кроме того, аккумулятор 100 имеет охлаждающую пластину 22 . Охлаждающая пластина 22 расположена по центру между аккумуляторными элементами 10 и служит для рассеивания тепла, передаваемого от аккумуляторных элементов 10 a - t к охлаждающей плите 22 .

РИС. 1 b показан аккумулятор 100 по фиг. 1 a в случае теплового разгона элемента батареи 10 i . Ячейка батареи 10 i перегрелась и стала непригодной для использования из-за экзотермического выделения тепла. Теплота аккумуляторной батареи 10 i также распространяется на непосредственно соседние ячейки 10 e , 10 m и 10 j через соседние аккумуляторные ячейки. Аккумуляторные элементы 10 e , 10 m и 10 j становятся все более горячими и также генерируют верхнее экзотермическое образование тепла и в конечном итоге становятся непригодными для использования из-за перегрева. Это приводит к цепной реакции, которую затем практически невозможно остановить и которая обычно приводит к пожару и/или взрыву.

РИС. 2 a раскрывает батарею 100 согласно изобретению. В отличие от батареи , 100, , показанной на фиг. 1 и , батарея 100 согласно изобретению содержит анизотропный распределитель тепла 24 между слоями 31 - 34 элементов батареи. Слой аккумуляторных элементов 31 - 34 содержит все аккумуляторные элементы 10 , которые лежат один рядом с другим в плоскости. На фиг. 2 a , анизотропный распределитель тепла 24 расположен между слоями 31 и 32 элементов батареи и между слоями 33 и 34 элементов батареи. Анизотропный теплораспределитель 24 представляет собой, например, графитовую пленку или тепловую трубку. Охлаждающая пластина 22 расположена между слоями 32 и 33 элементов батареи. Теплоизолятор 27 соответственно введен между элементами батареи 10 слоя аккумуляторной батареи 31 - 34 . Термоизолятор 27 прилегает к корпусам соответствующих аккумуляторных элементов 10 a - 10 t с обеих сторон. Теплоизолятор 27 предотвращает прямую передачу тепла от элемента 10 батареи соседнему элементу 10 батареи того же слоя 31 - 34 элементов батареи. Теплоизолятор 27 воплощается, например, в виде пленки. Теплоизолятор 27 содержит, например, полиуретан, полистирол, вспененный перлит, пеностекло, силикат кальция, слюду, минеральную вату и/или минеральную бумагу. Теплоизолятор 27 имеет, например, толщину 1-10 мм, в частности 3-5 мм. Устройство, показанное на фиг. 2 и просто для примера. Анизотропный распределитель тепла 24 может быть расположен между каждым слоем аккумуляторных элементов 31 - 34 или, например, между каждым вторым или каждым n-м слоем аккумуляторной батареи. В предпочтительном варианте (не показан) распределитель 24 тепла расположен непосредственно на охлаждающей плите 22 , в частности, с обеих сторон охлаждающей плиты 22 . Аккумуляторные элементы 10 a - 10 t представляют собой, например, призматические аккумуляторные элементы 10 a - t с фиксированным корпусом аккумуляторного элемента. В альтернативном варианте аккумуляторные элементы 10 a - t представляют собой карманные ячейки. В одном варианте альтернативного воплощения с пакетными элементами, карманные элементы организованы в систему аккумуляторных элементов 1 . Это описано на фиг. 3.

РИС. 2 b показан аккумулятор 100 согласно фиг. 2 a в случае теплового разгона элемента батареи 10 i . Ячейка батареи 10 i перегрелась из-за экзотермического выделения тепла. Ячейка батареи 10 i непосредственно примыкает к анизотропному распределителю тепла 24 , в результате чего производимое тепло отводится непосредственно к анизотропному распределителю тепла 24 . Последний быстро проводит тепло в плоскости и распределяет тепло на элементы батареи 10 j, e, f, m, n, a, b, q и r , которые непосредственно примыкают к распределителю тепла 24 , в результате чего они несколько нагреваются. Однако поглощение тепла настолько мало, что соответствующие аккумуляторные элементы 10 j, e, f, m, n, a, b, q и r не имеют повреждений и могут продолжать нормально работать. Кроме того, аккумуляторные элементы 10 b, f, j, n и r отдают тепло охлаждающей пластине 22 , которая, в свою очередь, отдает часть тепла аккумуляторным элементам 10 c , g, k, o и s , которые расположены с другой стороны охлаждающей плиты 22 и затем также нагреваются до небольшой степени. Ячейки батареи 10 e и 10 m которые примыкают к аккумуляторному элементу 10 i непосредственно в слое аккумуляторного элемента 31 не нагреваются непосредственно теплом, выделяемым аккумуляторным элементом 0 90 10 90 9 и , так как предотвращается передача тепла от теплоизолятора 27 , расположенного между корпусами аккумуляторных элементов. Таким образом, с батареей 100 согласно изобретению можно предотвратить цепную реакцию элементов батареи 9.0003 10 a - t , у которых произошел тепловой разгон.

РИС. 3 иллюстрирует систему 1 элементов батареи 100 . Система аккумуляторных элементов 1 состоит из пленки 3 и трех комплектов электродов 5 . Три комплекта электродов 5 служат примером для любого желаемого количества комплектов электродов 5 .

Пленка для пакетов 3 имеет длину L и ширину B, причем длина L больше ширины B. Пленка для пакетов 3 образует карманы 12 , которые отделены друг от друга и соединены друг с другом складным способом. Пленка пакета 3 непроницаема для электролитов.

Каждый блок электродов 5 имеет анод с контактным язычком анода 7 , сепаратор и катод с контактным язычком катода 8 , которые расположены друг над другом. В альтернативном варианте (не показан) электродный узел 5 имеет множество анодов и/или контактных выступов анода 7 и множество катодов и/или контактных выступов катода 8 . Узел электродов 5 вводят в каждый карман 12 пленки мешочка 3 таким образом, чтобы контактный выступ 7 анода и контактный выступ 8 катода выступали со смещением относительно друг друга более чем на длина первой стороны L пленки пакета 3 .

В каждом случае элемент батареи 10 образован узлом электродов 5 вместе с карманом 12 пленки мешочка 3 .

Пленка для пакетов 3 состоит, например, из ламината, содержащего по меньшей мере один пластик, в частности полиолефин, такой как, например, полиэтилен и/или полипропилен. В одном варианте осуществления пакетная пленка 3 не содержит алюминия, в частности металла.

Пленка для пакетов 3 согнут вдоль продольной протяженности, в результате чего присутствуют первая половина 3 a пленки для пакетов и вторая половина 3 b пленки для пакетов. Поперечные швы 14 а , образующие карманы 12 , пространственно отделенные друг от друга, выполнены в половинках мешочной пленки 3 а , 3 б , по ширине В определенные, регулярные промежутки времени. Поперечные швы 14 и получаются, например, путем запечатывания двух половинок пленки 3 a , 3 b друг к другу. Карманы 12 пакетной пленки 3 закрыты по длине L продольным швом 14 b , образованным, например, запайкой половинок пакетной пленки 3 a , 3

6 b на их открытых концах. В этом контексте контактные выступы анода 7 и контактные выступы катода 8 также герметизированы вместе в области, в которой они прилегают к половинкам пленки 3 a , 3 b.

Например, электролит, в частности жидкий электролит, вводят в карманы 12 пленки 3 пакета, при этом карманы 12 образуют барьер для электролитов.

На РИС. 2 a , слои аккумуляторной батареи 31 - 34 , например, каждый состоит из системы аккумуляторных элементов 1 согласно фиг. 3, в результате чего каждая система 1 элементов батареи соответствует слою 31 - 34 элементов батареи.

Анализ распределения тепла в блоке литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы используются для питания различных устройств, от игрушек и дронов до мобильных телефонов и ноутбуков, медицинского оборудования и электромобилей. Для эффективного питания таких устройств необходимо контролировать распределение температуры внутри работающих литий-ионных аккумуляторов, поскольку отклонение от оптимальных рабочих температур может привести к потере или отказу в их работе. Одним из способов анализа распределения температуры в литий-ионных батареях является мультифизическое моделирование.

В этой записи блога мы рассмотрим, как смоделировать распределение тепла в литий-ионном аккумуляторе, и обсудим приложение для моделирования, основанное на этой модели.

Моделирование теплового распределения в батареях

Тепловое моделирование батарей обычно выполняется с использованием двух подходов:

  1. Высокоточное моделирование
  2. Сосредоточенное моделирование

Высокоточное моделирование обеспечивает детальное понимание производительности и поведения батареи. Моделирование с высокой точностью может дать представление, например, о распределении тока и потенциала внутри элемента батареи, концентрации и переносе ионов лития внутри батареи, снижении емкости из-за износа батареи и механизмах отказа. Хотя подробные модели позволяют получить глубокое представление об отдельном элементе батареи, они слишком затратны в вычислительном отношении, чтобы их можно было использовать для прогнозирования производительности больших групп элементов. Кроме того, производителю автомобилей, который может покупать аккумуляторные элементы у производителя элементов, может быть сложно либо измерить, либо получить доступ к входным параметрам модели на уровне элемента, необходимым для построения высокоточной модели.

Для моделирования полных батарейных блоков модели с сосредоточенными параметрами могут обеспечить приемлемую точность при меньших вычислительных затратах и ​​с меньшим количеством входных параметров. Для моделей с сосредоточенными параметрами требуются входные параметры, такие как:

  • Емкость аккумулятора
  • Начальное состояние заряда (SOC)
  • Напряжение холостого хода (OCV) по сравнению с SOC
  • Параметры, характеризующие потери напряжения или мощности

Эти параметры легко доступны для разработчиков и производителей аккумуляторных батарей. Ранее мы обсуждали, как можно использовать оценку параметров для получения этих параметров.


Иллюстрация аккумуляторного модуля, состоящего из 200 элементов, как показано в приложении Lithium Battery Pack Designer, которое обсуждается в конце этой записи в блоге.

В следующем разделе мы приводим пример тепловой модели аккумуляторной батареи, построенной с использованием метода сосредоточенного моделирования. Геометрия батареи настроена в 3D, а интерфейс Lumped Battery используется для определения тепловых свойств отдельных ячеек.

Примечание. Если вы хотите сразу перейти к пошаговому построению этой модели, загрузите ее здесь: «Распределение тепла в упаковке цилиндрических батарей».

Подход к сосредоточенному моделированию в COMSOL Multiphysics®

Давайте рассмотрим, как смоделировать распределение температуры в аккумуляторной батарее во время разряда 4C.

Батарейный блок (или модуль), который мы смоделируем, состоит из 6 пар цилиндрических батарей, соединенных для создания конфигурации из 6 элементов последовательно и 2 параллельно (6s2p), которая часто используется в портативных устройствах, таких как игрушки и медицинское оборудование. Обратите внимание, что та же процедура может использоваться для моделирования нескольких сотен ячеек, например, в аккумуляторном модуле в автомобиле, см. рисунок аккумуляторного модуля выше.

Использование двух плоскостей симметрии гарантирует, что распределение температуры необходимо рассчитать только для трех отдельных элементов батареи. Три экземпляра интерфейса с сосредоточенной батареей добавляются для определения соответствующих источников тепла, которые затем подключаются к одному интерфейсу Heat Transfer .


Геометрия модели.

Положение батарей в упаковке влияет на их рабочую температуру. В модели три цилиндра аккумулятора 21700 (диаметр 21 мм, высота 70 мм) размещены рядом друг с другом. Небольшие соединительные планки из алюминия расположены вверху и внизу цилиндров, по схеме 6с2п. Предполагается, что вся упаковка завернута в пластик, образуя область, заполненную воздухом. При номинальной емкости каждой ячейки 4 Ач и номинальном напряжении 3,7 В аккумулятор имеет общую номинальную емкость примерно 178 Втч.

Каждый интерфейс Lumped Battery , используемый для моделирования отдельного цилиндра батареи, имеет зависящие от температуры омические параметры, параметры обменного тока и постоянные времени диффузии. Температурный профиль моделируется с помощью интерфейса Heat Transfer , где источники тепла, полученные от моделей батарей, добавляются с помощью мультифизического узла Electrochemical Heating ; следовательно, каждая ячейка имеет индивидуальную сосредоточенную модель.

В этой модели мы решили пренебречь конвекцией в заполненной воздухом области, окружающей аккумуляторы, предполагая условия покоя. Внешние границы аккумуляторной батареи охлаждаются конвективным охлаждением. Для внутренних плоских границ симметрии, обращенных к остальной части пакета, используются условия симметрии (отсутствия потока).

Теплопроводность в каждой ячейке батареи анизотропная, определяемая через цилиндрические системы координат для каждого цилиндра батареи в соответствии со структурой желейного валика внутри батареи, который состоит из металлической фольги, электродов и сепаратора внутри ячейки. Желейный вал имеет меньшую теплопроводность в радиальном направлении по сравнению с угловым и z направлениями — это результат спиральной намотки металлической фольги в желейном валике.

Аккумулятор разряжается от 100% до 20% SOC при скорости 4C в течение 12 минут. Датчики температуры и потенциала ячейки добавляются к разным ячейкам, чтобы обеспечить визуальное представление результатов при решении.

Температура поверхности аккумуляторной батареи через 12 минут.

Мы можем наблюдать, что самые внутренние части батареи имеют температуру примерно на 2ºC выше, чем внешние части, которая может достигать десятков градусов в более крупном аккумуляторном модуле.

Как вы можете видеть на левом графике ниже, самая внешняя ячейка (ячейка 1) демонстрирует немного более низкое напряжение разряда, что является результатом того, что омические потери и обменный ток немного ниже, а постоянная времени диффузии немного выше. , для более низкой температуры. Соответствующие температуры показаны на рисунке справа внизу.

Напряжение отдельных элементов во время разряда (слева) и средняя температура элементов с течением времени (справа).

Моделирование блока батарей с 200 ячейками

Как уже говорилось, вышеупомянутая модель блока батарей представляет собой конфигурацию 6s2p; однако приложение Lithium Battery Pack Designer, обсуждаемое в следующем разделе, можно использовать для моделирования аккумуляторной батареи с несколькими сотнями ячеек. С приложением решение проблемы для заданного рабочего тока по-прежнему занимает меньше минуты!


Модель аккумуляторной батареи, состоящей из 200 ячеек, сконструированной с помощью приложения.

Использование приложений для моделирования для оптимизации процесса проектирования аккумуляторов

Пользователи, не являющиеся экспертами в области моделирования, могут использовать мощные вычислительные возможности программного обеспечения COMSOL®. Среда разработки приложений в COMSOL Multiphysics позволяет специалистам по моделированию создавать удобные приложения, в которых не учитываются детали, связанные с построением модели, и основное внимание уделяется только тем параметрам, которыми пользователь хочет управлять.

Одним из примеров удобного приложения для моделирования является приложение Lithium Battery Pack Designer, доступное в библиотеке приложений. Используя экспериментальные данные, пользователь может сначала оценить параметры элемента батареи, такие как омическое перенапряжение, постоянная времени диффузии и безразмерный обменный ток. Затем пользователь может выбрать параметры конструкции батареи (тип упаковки, количество батарей, конфигурация и геометрия), свойства материала батареи и условия эксплуатации. Наконец, используя параметризованную модель элемента батареи в выбранной конструкции блока, пользователь может смоделировать динамическое напряжение и тепловое поведение блока батарей в целом.


Приложение Lithium Battery Pack Designer.

Learn more