RU2843662C2

RU2843662C2 - Система охлаждения аккумуляторной батареи и способ изготовления указанной системы охлаждения

Info

Publication number: RU2843662C2
Application number: RU2024105260A
Authority: RU
Inventors: Астрид ГРЕГУАР; Кристиан АЛЛЕЛИ; Тиаго МАЧАДО АМОРИМ; Матьё АМБЛАР
Original assignee: Арселормиттал
Priority date: 2021-08-02
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2025-07-17

Abstract

Изобретение относится к системе охлаждения аккумуляторной батареи. Технический результат состоит в повышении долговечности системы охлаждения. Для этого система жидкостного охлаждения аккумуляторной батареи содержит два стальных листа с металлическим покрытием, один из которых является профилированным и имеет отштампованные канавки для протекания по ним охлаждающей жидкости, при этом стальные листы сварены по контактным поверхностям и один из стальных листов закрывает указанные канавки другого листа, при этом указанное металлическое покрытие контактирует с охлаждающей жидкостью и содержит от 8 до 12 мас.% кремния, при необходимости до 4% железа, остальное составляет алюминий и неизбежные примеси. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 4 табл.

Description

Настоящее изобретение, в общем, относится к аккумуляторам, применяемым, в частности, в автомобильной промышленности, и относится конкретно к материалу системы охлаждения, обладающему высокой коррозионной стойкостью при контакте с охлаждающими жидкостями аккумуляторной батареи, предназначенной для электрического или гибридного транспортного средства.

Электромобили или гибридные автомобили содержат по меньшей мере одну тяжелую и громоздкую аккумуляторную батарею для питания двигателя. Указанная аккумуляторная батарея включает некоторое количество батарейных модулей, содержащих аккумуляторные ячейки. Аккумуляторные ячейки способны накапливать и сохранять электрическую энергию, создающую разность потенциалов между электродами. Однако работоспособность ячеек существенно зависит от рабочей температуры, поскольку от температуры зависит движение заряженных частиц через электролиты.

В связи с этим, аккумуляторные батареи рассчитаны на определенный рабочий диапазон температур. Как правило, рабочий диапазон температур аккумуляторных батарей составляет от 20 до 40°C. Кроме того, между элементами аккумуляторной батареи необходимо поддерживать минимальную разность температур (обычно не более 5°C). Без системы охлаждения, поддерживающей рабочий диапазон температур, производительность аккумуляторных батарей будет снижаться, и они в конце концов выйдут из строя. При перегреве аккумуляторной батареи или неравномерности распределения температур может произойти нарушение термостабильности, например, тепловой разгон, приводящий к возгоранию и взрыву. Таким образом, система охлаждения имеет существенное значение с точки зрения безопасности и экологии, поскольку влияет на срок службы аккумуляторных батарей.

Электромобили первого поколения выпускались с конвекционным воздушным охлаждением. Предпочтительным является использование аккумуляторных батарей большой емкости, поскольку сокращается количество подзарядок, однако в электромобилях только с воздушным охлаждением могут возникнуть проблемы с безопасностью. По этой причине в современных электромобилях широко применяются системы жидкостного охлаждения.

На фиг. 1 в качестве примера показаны в порядке снизу вверх детали, которые может содержать конструкция аккумуляторной батареи:

1 – нижний защитный элемент;

2 – нижний решетчатый элемент;

3 – система жидкостного охлаждения;

4 – наружная рама;

5 – лоток, предотвращающий смещение аккумуляторных элементов;

6 – внутренняя рама;

7 – верхний решетчатый элемент;

8 – дополнительная система жидкостного охлаждения (если требуется);

9 – верхняя крышка.

В автомобилях, выпускаемых разными производителями, применяются разные системы охлаждения в зависимости от конфигурации аккумуляторной батареи. Система охлаждения конструктивно может быть приспособлена для установки непосредственно под лотком (5) для теплообмена с аккумуляторными ячейками. Альтернативно, система охлаждения может быть размещена в лотке (5), то есть может быть включена в аккумуляторную батарею.

Системы жидкостного охлаждения состоят из теплообменников с трубками, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. Совместимость охлаждающей жидкости и материала поверхностей теплообменника существенно влияет на долговечность системы охлаждения.

Как правило, охлаждающие жидкости содержат более 90% гликоля, полигликоля, к примеру, этиленгликоля, пропиленгликоля или подобного вещества. Любое из перечисленных веществ способно повысить температуру кипения и снизить температуру замерзания жидкости, поэтому рассматривается как основной компонент в составе охлаждающей жидкости. В состав охлаждающей жидкости, кроме того, входят как присадки, так и ингибиторы, способные предотвратить коррозию, кавитацию и отложения на поверхностях. Охлаждающая жидкость также может включать pH-буфер, пеногаситель, стабилизатор и горький компонент.

Ингибиторы коррозии вводятся в состав охлаждающей жидкости с целью предотвращения коррозии многочисленных разнородных металлов, используемых в конструктивных элементах контура системы охлаждения аккумуляторной батареи. Предлагаемые разными поставщиками охлаждающие жидкости отличаются по составу, при этом каждый производитель автомобилей рекомендует охлаждающую жидкость определенного состава, согласно конструкции системы охлаждения.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке системы охлаждения с превосходной коррозионной стойкостью в охлаждающих жидкостях разного состава.

Система охлаждения согласно пункту 1 формулы изобретения позволяет решить поставленную задачу. Предлагаемая в изобретении система охлаждения может иметь любые, или все признаки согласно пунктам 2 – 4 формулы изобретения. Другой задачей настоящего изобретения является аккумуляторная батарея, содержащая систему охлаждения согласно изобретению.

Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания изобретения.

Для иллюстрации изобретения будут описываться различные варианты его осуществления и неограничительные примеры испытаний со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 – схематическое изображение аккумуляторной батареи.

Фиг. 2 – изображение образца (с указанием размеров), испытываемого на совместимость охлаждающих жидкостей с металлическими покрытиями.

Фиг. 3 – держатель образцов, испытываемых на совместимость охлаждающих жидкостей с металлическими покрытиями.

Фиг. 4 – компоненты конструкции системы охлаждения.

Фиг. 5 – частичный вид в разрезе указанной конструкции системы охлаждения.

Изобретение относится к системе охлаждения аккумуляторной батареи, изготовленной из листовой стали с металлическим покрытием, причем указанное металлическое покрытие содержит алюминий в качестве основного компонента и, если требуется, содержит кремний, а также неизбежные примеси.

Согласно изобретению, для изготовления рамы может использоваться сталь любого типа. Предпочтительными являются легко формуемые марки стали. Система охлаждения может быть изготовлена, например, методом глубокой вытяжки из малоуглеродистой стали, такой как сталь без атомов внедрения, с содержанием: С: меньше или равным 0,01 мас.%; Si: меньше или равным 0,3 мас.%; Mn: меньше или равным 1,0 мас.%; P: меньше или равным 0,1 мас.%; S: меньше или равным 0,025 мас.%; Al: больше или равным 0,01 мас.%; Ti: меньше или равным 0,12 мас.%; Nb: меньше или равным 0,08 мас.%; Cu: меньше или равным 0,2 мас.%.

Например, система охлаждения может быть изготовлена из высокопрочной низколегированной стали (HSLA) с содержанием: С: меньше или равным 0,1 мас.%; Si: меньше или равным 0,5 мас.%; Mn: меньше или равным 1,4 мас.%; P: меньше или равным 0,04 мас.%; S: меньше или равным 0,025 мас.%; Al: больше и равным 0,01 мас.%; Ti: меньше или равным 0,15 мас.%; Nb: меньше или равным 0,09 мас.%; Cu: меньше или равным 0,2 мас.%.

Стальной лист требуемой толщины, например от 0,6 до 1,0 мм, можно изготовить методом горячей прокатки стального сляба с последующей холодной прокаткой полученной рулонной стали.

Далее стальной лист покрывают металлическим слоем, применяя любой из способов нанесения покрытия. Например, применяют метод погружения стального листа в ванну расплава для нанесения покрытия, содержащего алюминий в качестве основного компонента и, если требуется, содержащего кремний, а также неизбежные примеси.

Затем листовая сталь может быть разрезана на заготовки. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, система охлаждения изготовлена из двух листов, один из которых является профилированным. Как показано на фиг. 4, нижний лист (3а) имеет отштампованные канавки (3с), по которым может протекать охлаждающая жидкость. Профилирование листа выполняют методом штамповки с использованием пресса. Верхний лист (3a) накладывают на нижний лист (3а), таким образом, оба листа могут контактировать с охлаждающей жидкостью. На фиг. 5 представлен вид в частичном разрезе собранной системы охлаждения, при этом верхний лист (3a) покрывает сверху отштампованные канавки (3с) нижнего листа (3а). Листы имеют контактные поверхности (3d). Для обеспечения герметичности охлаждающего контура выполняют роликовую сварку контактных поверхностей листов.

Согласно изобретению, используется металлическое покрытие, содержащее алюминий в качестве основного компонента, и, если требуется, содержащее кремний, а также неизбежные примеси, образовавшиеся в процессе производства.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, металлическое покрытие содержит от 8 до 12 мас.% кремния и, если требуется, до 4 мас.% железа, при этом остальное составляет алюминий и неизбежные примеси.

Например, покрытие AluSi® имеет следующий состав: 10 мас.% кремния, 90 мас.% алюминия.

Общая масса покрытия с обеих сторон может составлять от 50 до 200 г/м² или менее. Например, поверхность, контактирующая с охлаждающей жидкостью, имеет покрытие толщиной от 10 до 40 мкм.

Изобретатели провели ряд испытаний на совместимость указанного покрытия с различными охлаждающими жидкостями. Указанное покрытие, в отличие от покрытий другого состава, показало удивительно хороший результат на совместимость с тестируемыми охлаждающими жидкостями.

Испытания

Для оценки совместимости охлаждающих жидкостей с рассматриваемыми металлическими покрытиями были проведены испытания согласно французскому стандарту NF R15-602, изданному в 1991 году. В указанном документе описан метод лабораторных испытаний для оценки антикоррозионных свойств охлаждающих жидкостей, контактирующих с типичными металлами конструктивных деталей систем охлаждения автомобилей. Антикоррозионные свойства охлаждающих жидкостей определяли в лабораторных условиях. По завершении испытаний определяли прирост или потерю массы, причем перед определением потери массы выполняли химическую очистку. Согласно стандарту, разность массы, определяющая прирост массы испытанного образца, либо потерю массы испытанного образца, не должна превышать 2,5 мг/образец.

Испытания проводили с использованием трех типичных охлаждающих жидкостей от компании-поставщика MOTUL, применяемых большинством производителей электромобилей.

Образцы трех материалов были испытаны в указанных охлаждающих жидкостях, коммерческие марки которых указаны в таблице 1. Испытание трех материалов выполняли на образцах, вырезанных из стальных листов с покрытием, нанесенным методом погружения в расплав.

Образцы материала 1 имели покрытие Extragal® Gl. Указанное покрытие, полученное методом погружения в расплав, имело состав: 0,2 мас.% алюминия, остальное составлял цинк. Масса покрытия составляла 140 г/м².

Образцы материала 2 имели покрытие Galfan. Указанное покрытие, полученное методом погружения в расплав, имело состав: 5 мас.% алюминия, остальное составлял цинк. Масса покрытия составляла 200 г/м².

Образцы материала 3 имели покрытие AluSi®. Указанное покрытие, полученное методом погружения в расплав, имело состав: 10 мас.% кремния, остальное составлял алюминий. Масса покрытия составляла 150 г/м².

Таблица 1. Охлаждающие жидкости

№ Охлаждающей жидкости	CL 1	CL 2	CL 3
Коммерческое название Motul	G13	5110	Type D

На фиг. 2 показаны образцы размером 5 х 2,5 см с центральным отверстием, которые вырезали из стальных листов. На фиг. 3 показан держатель с установленными шестью образцами, при этом, во избежание возникновения какой-либо гальванической пары, допускается контакт образцов лишь с политетрафторэтиленом (PTFE). Точнее говоря, 6 образцов (31) отделены друг от друга 5 политетрафторэтиленовыми (PTFE) вставками, причем другие элементы держателя изготовлены из политетрафторэтилена (PTFE), либо из латуни с изоляционным покрытием. Указанный держатель с образцами устанавливали внутри испытательного реактора объемом 750 мл. Охлаждающую жидкость разбавляли до 33 об.% синтетической агрессивной водой, содержащей 148 мг/моль Na₂S0₄, 165 мг/л NaCl и 138 мг/л NaНСО₃. Перед подачей в реактор производили нагрев указанного раствора до температуры 100°С, при этом расход воздуха, барботирующего через охлаждающую жидкость, составлял 100 мл/мин. По истечении 14 суток образцы извлекали из реактора и определяли прирост массы или потерю массы. Прирост массы определяли взвешиванием образцов, извлеченных из реактора.

Потерю массы извлеченных из реактора образцов определяли взвешиванием после удаления продуктов коррозии. Процесс очистки выполняли согласно стандарту ISO 8407, выпущенному в 2009 году. По процедуре C.9.1 проводили химическую очистку погружением в раствор глицина образцов материалов 1 и 2 на основе цинка, которые были подвергнуты коррозионным испытаниям. По процедуре C.1.1 проводили химическую очистку погружением в раствор азотной кислоты образцов материала 3, содержащего алюминий в качестве основного компонента, которые были подвергнуты коррозионным испытаниям.

Таблица 2. Результаты испытаний с использованием охлаждающей жидкости 1 (G13)

*Согласно изобретению

Таблица 3. Результаты испытаний с использованием охлаждающей жидкости 2 (5110)

*Согласно изобретению

Таблица 4. Результаты испытаний с использованием охлаждающей жидкости 3 (Type D)

*Согласно изобретению

По результатам испытаний было установлено, что образцы материалов 1 и 2 имели прирост или потерю массы более 2,5 мг/образец после контакта по меньшей с одной охлаждающей жидкостью. Наряду с этим было установлено, что лишь образцы материала 3 имели прирост или потерю массы менее 2,5 мг/образец после контакта с любой из охлаждающих жидкостей.

Claims

1. Система жидкостного охлаждения аккумуляторной батареи, содержащая два стальных листа с металлическим покрытием, один из которых является профилированным и имеет отштампованные канавки для протекания по ним охлаждающей жидкости, при этом стальные листы сварены по контактным поверхностям и один из стальных листов закрывает указанные канавки другого листа, при этом указанное металлическое покрытие контактирует с охлаждающей жидкостью и содержит от 8 до 12 мас.% кремния, при необходимости до 4% железа и остальное составляет алюминий и неизбежные примеси.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что поверхность, контактирующая с охлаждающей жидкостью, имеет покрытие толщиной от 10 до 40 мкм.

3. Система по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что общая масса покрытия с обеих сторон составляет от 50 до 200 г/м².

4. Аккумуляторная батарея, содержащая систему жидкостного охлаждения аккумуляторной батареи по любому из пп. 1-3.