Батареи отопления виды: 404 ошибка — страница не найдена.

Какие бывают радиаторы отопления.

Выбор радиатора отопления только на первый взгляд кажется делом простым: покупай то, на что хватает денег, и это будет лучший вариант. На самом деле все далеко не так однозначно, как хотелось бы. Сейчас только основных и широко распространённых радиаторов есть несколько видов, каждый из которых имеет свои выраженные достоинства и недостатки. И если хочется сделать действительно правильный, взвешенный выбор, их необходимо знать и учитывать.

Стальные отопительные радиаторы

Панельные радиаторы

Радиаторы этого типа также называют конвекторами за счёт характерного конвекторного оребрения. Основное достоинство таких радиаторов — высокий КПД, который достигает 75%. Нагревательными элементами выступают стальные панели, расположенные внутри радиатора.

Панельные радиаторы на данный момент являются наиболее доступными в ценовом отношении, что обуславливает их стабильно высокую популярность. Они могут иметь различные размеры, а количество рёбер варьируется от 10 до 33 в зависимости от требований к теплоотдаче батареи. Имеется два способа подключения к системе отопления боковой и нижний. При последнем варианте можно сделать присоединение скрытым.

В целом можно выделить как достоинства, так и недостатки стальных радиаторов:

Плюсы панельных радиаторов

• Невысокая инертность при высокой теплоотдаче;
• Минимальный объем циркулирующего теплоносителя, что повышает экономию энергии;
• Экологичность, что позволяет устанавливать такие радиаторы везде, в том числе в детских садах и больницах;
• Низкая стоимость.

Минусы панельных радиаторов

• Если радиатор остаётся без воды, его изнутри начинает разъедать коррозия;
• Такие радиаторы боятся гидроударов, поэтому не очень хорошо подходят для применения в многоквартирных домах с центральным отоплением;
• Конвекция приводит к появлению лёгких сквозняков.

Трубчатые радиаторы

Конструктивно это простые радиаторы, выполненные из стальных труб, по каждой из которых циркулирует теплоноситель. Однако они стоят несколько дороже, чем панельные конструкции, хотя при этом отличаются большей вариативностью декоративного оформления, несколько высшим КПД и большей стойкостью к гидроударам. Во всём остальном оба вида стальных радиаторов обладают одинаковыми плюсами и минусами.

Самые важные характеристики трубчатых радиаторов:

• рабочее давление — до 15 бар;
• максимальная теплоотдача — 1600 Вт;
• максимальная кислотность воды — 9,5;
• максимально допустимое значение температуры теплоносителя — 120 градусов.

Алюминиевые отопительные радиаторы

Это полностью алюминиевые конструкции. Они делятся на две большие категории — экструзионные и литые. При этом любые алюминиевые радиаторы ориентированы на индивидуальные системы отопления, поскольку при всех своих достоинствах они довольно чувствительны к давлению и качеству теплоносителя.

Литые радиаторы

Их секции отливаются под давлением. Их основные отличительные черты — широкие циркуляционные каналы, а также толстые, достаточно прочные стенки. Главное преимущество таких радиаторов заключается в их модульности — можно в любой момент добавить новые секции или при необходимости убрать несколько существующих.

Экструзионные радиаторы

Они отличаются меньшей стоимостью, поскольку производятся на экструдере, где вертикальные части радиатора выдавливаются под давлением. Как правило, коллектор изготавливается из силумина. Главный недостаток таких радиаторов по сравнению с литьевыми — нет модульности, поэтому прибавлять и убирать секции не получится.

В целом, алюминиевые радиаторы отличаются некоторыми преимуществами и недостатками:

Плюсы алюминиевых радиаторов

• Минимальный вес;
• Простота монтажа;
• Отличная теплоотдача, одна из лучших среди популярных радиаторов отопления;
• Быстрый прогрев помещения;
• Экономичность, возможность оборудования терморегулятором;
• Привлекательный дизайн.

Минусы алюминиевых радиаторов

• Относительно небольшой срок службы — примерно 15 лет;
• Требовательность к качеству теплоносителя, чтобы избежать коррозии;
• Не слишком сильная конвекция;
• Случаются протечки между секциями;
• Неустойчивость перед гидроударами.

Основные характеристики алюминиевых радиаторов:

• давление — не более 16 бар;
• максимальная тепловая мощность секции — до 212 Вт;
• максимально допустимое значение температуры теплоносителя — 110 градусов;
• максимальная кислотность теплоносителя — 8.

Чугунные отопительные радиаторы

Это самые старые из используемых сейчас радиаторов, но благодаря своим неоспоримым достоинствам они все ещё не сдают позиций. Впрочем, на современном рынке хватает моделей чугунных радиаторов совсем не архаичного, а очень даже актуального дизайна, так что помещение такие обогреватели точно не испортят.

Достоинства чугунных радиаторов — это простота, удивительная долговечность (от 50 лет эксплуатации), прочность, минимальная стоимость. Они долго нагреваются, но и долго остывают. А самое главное — они совершенно не реагируют на любые проблемы, которые способно преподнести централизованное отопление.

Плюсы чугунных радиаторов

• Продолжительность эксплуатации — от 50 лет;
• Полное отсутствие коррозии;
• Хороший прогрев помещений с высокими потолками;
• Длительное остывание;
• Минимальная стоимость;
• Фантастическая прочность.

Минусы чугунных радиаторов

• Долгое прогревание;
• Большая масса и сложность монтажа;
• Потребность в большом количестве теплоносителя;
• Вероятность раскола батареи при мощном гидроударе.

Основные характеристики чугунных батарей таковы:

• рабочее давление — до 12 бар;
• максимальная теплоотдача секции — до 160 Вт;
• максимально допустимое значение температуры теплоносителя — 110 градусов.

Биметаллические радиаторы

Они представляют собой сочетание стальной трубчатой сердцевины с алюминиевой оболочкой. Большинство моделей являются секционными, изготовленными из чётного количества секций. Гораздо менее распространены монолитные модели, которые востребованы благодаря тому, что выдерживают огромное давление — до 100 атмосфер.

У полностью биметаллических отопительных радиаторов трубчатая сердцевина из стали проходит по всей длине каналов. Но существуют несколько более дешёвые модели, которые ещё называют псевдобиметаллическими, у них сталью усилены только вертикальные каналы. При меньшей стоимости они отличаются более высокой теплоотдачей, но хуже переносят коррозию и менее прочны.

Плюсы биметаллических радиаторов

• Высокая теплоотдача;
• Способность выдерживать гидроудары и высокое давление;
• Минимальный требуемый объем теплоносителя;
• Простой монтаж;
• Современный дизайн;
• Повышенная стойкость к коррозии.

Минусы биметаллических радиаторов

• Высокую стоимость;
• Меньшую по сравнению с полностью алюминиевыми радиаторами теплоотдачу.

Основные характеристики биметаллических батарей:

• рабочее давление — до 50 бар;
• максимальная теплоотдача секции — 180 Вт;
• максимально допустимое значение температуры теплоносителя — 130 градусов.

Выводы

В принципе, выбор радиатора отопления для каждого конкретного объекта полностью зависит от условий на нём, требований к отопительной системе и её характеристик. Самыми дорогими и качественными являются биметаллические отопительные радиаторы, самыми дешёвыми, но очень надёжными — чугунные. Все остальные модели — это своего рода компромиссы между различными характеристиками, каждая из которых хорошо подходит под те или иные условия эксплуатации.

Радиаторы водяного отопления — различные виды и их характеристики

 

Прогресс не стоит на месте, коснулся он и радиаторов водяного отопления. На смену однотипным радиаторам появились новые, обладающие большей теплоотдачей, меньшой массой и современной эстетической формой источники тепла.

Как правильно выбрать радиатор, на какие параметры и характеристики обратить первоочередное внимание, как рассчитать необходимое количество секций — со всем этим необходимо определится перед покупкой и установкой новых радиаторов. Для начала рассмотрим основные разновидности радиаторов их свойства и особенности.

Виды радиаторов отопления.

По виду материала из которого изготовлены радиаторы водяного отопления разделяются на 4 группы:
 — чугунные 
 — стальные 
 — алюминиевые
 — биметаллические

По внешнему виду на 2 группы: 

 – радиаторы с типовым дизайном
 — радиаторы, изготовленные под индивидуальный заказ

По надежности использования на 2 группы:
 — для обычного потребления
 — повышенной надежности

Если все показатели суммировать, то можно сказать, что все радиаторы делятся на:

• Радиаторы эконом класса (панельные стальные радиаторы, чугунные радиаторы).

• Радиаторы среднего класса (биметаллические и алюминиевые радиаторы).

• Радиаторы премиум-класса (Трубчатые стальные радиаторы специального проекта, радиаторы художественного литья из чугуна. А так же оригинальные биметаллические и алюминиевые радиаторы). 

Основные характеристики различных видов радиаторов 

Чугунные радиаторы

Эти батарее знакомы всем, так как раньше были самыми распространенными, как в многоэтажных домах, так и частных.  Имеют малую поверхность отдачи тепла и низкую теплопроводность металла, производят нагрев в основном излучением и около 20 % тепла передают воздуху конвекцией. 
Тепловая мощность одной секции чугунной батареи  79-160 Вт, максимальное рабочее давление до 15 атм. Чугунные батареи могут работать при температуре теплоносителя до +150 градусов по Цельсию. Пригодны к установке в домах, общественных зданиях, коттеджах, и т.д.

К плюсам можно отнести – неприхотливость при монтаже, устойчивость к любым типам теплоносителя, долгий срок службы (около 35 лет и более), высокое максимальное давление теплоносителя и невысокая стоимость.

Минус такой батареи, помимо низкой теплоотдачи – они очень тяжелые, их нужно красить, хотя некоторые современные производители предлагают уже окрашенные батареи.
В большой квартире или особняке вес всех чугунных батарей и воды в них составляет тонны, приходится применять трубы большого диаметра, которые невозможно спрятать в стены. Движение теплоносителя в системе происходит гравитационным путем, что сильно замедляет передачу тепла.
Чугунным радиаторам присуща большая инертность. Они долго разогреваются и так же долго остывают. При резком и частом изменении температуры это довольно не удобно и не экономно. Если на улице резко похолодало, то нужно, чтобы радиатор отопления нагрелся, как можно быстрее. А если потеплело, то нам совершенно не нужно, чтобы радиатор долго держал температуру.

Больше о том, как можно повысить КПД системы отопления в частном доме.

Стальные радиаторы 

Стальные радиаторы обладают меньшим сроком службы (около 25 лет) по сравнению с чугунными, но обладают лучшей теплоотдачей. В сравнение с алюминиевыми радиаторами, стальные радиаторы стоят дешевле. Обычно такие радиаторы имеют  сублимационную покраску.
В связи с тем, что такие радиаторы не состоят из секций, а как правило, производятся уже готовым комплектом, то тепловая мощность зависит от глубины, высоты и длинны радиатора – от 450 до 5700 Вт;
рабочее давление  от 6 до 10 атм. – это панель прямоугольной формы: два стальных листа, сваренные между собой, с отштампованными каналами для теплоносителя.

Стальные панельные радиаторы в квартиру на центральное отопления лучше не ставить. Во-первых, толщина стенок трубчатых элементов составляет от 1,5 до 2,5 мм. Бывают и  1,25 мм. Потому коррозия их быстро съест, велика вероятность затопления как своей квартиры, так и соседей, не говоря уже о  ремонте и замене батареи среди зимы. Давление они выдерживают меньше чем биметаллические секционные или чугунные.

Такие радиаторы стоят дешево и подходят обычно для частного дома как эконом вариант. По сравнению с теплоотдачей и занимаемым местом они обходят секционные радиаторы. То есть такой радиатор будет меньше занимать места и при этом больше выделять тепло. Не забывайте – при установке таких радиаторов необходимо ставить запорные арматуры, для постоянного заполнения радиатора водой. В противном случае он начнет ржаветь. Также производители не рекомендуют устанавливать металлические радиаторы в ванных комнатах, банях, бассейнах и т.д.

 К плюсам относится тот факт, что такие батареи имеют маленькую глубину и большую площадь нагревания, соответственно, нагреваются быстрее, и им необходима меньшая температура теплоносителя для нагревания. Преимущество малой инерционности состоит в незамедлительном реагирование температуры и расхода теплоносителя, то есть в быстром нагреве и остывании, что приводит к существенной экономии энергоресурсов. Низкая цена.

Недостатки – низкое рабочее давление, чувствительность к коррозии и ударам.

Алюминиевые радиаторы

Существует две технологии производства алюминиевых радиаторов: 

• Литые — каждая секция отливается как цельная деталь, к которой привариваются донные части;

• Экструзионные — произведенные методом экструзии. При экструзии алюминиевый сплав продавливается через сильеру стальные пластины с отверстиями определенной формы и сечения (экструдеры), в результате чего получают длинные профили определенной формы. После остывания полученные заготовки нарезают по размерам алюминиевого радиатора, после чего привариваются донные и верхние части.

Литые радиаторы всегда более качественные и надежные приборы, в сравнении с экструзионными. Вес одной секции хорошего алюминиевого радиатора — не ниже одного килограмма.
Секция алюминиевого радиатора имеют глубину всего 110 мм и толщина стенки 2-3 мм. Алюминиевые секционные радиаторы около половины тепла отдают излучением, остальное конвекцией. Некоторые типы алюминиевых радиаторов имеют сильно развитую поверхность в виде дополнительных тонких ребер, размещенных внутри секции, при этом площадь нагрева одной секции возрастет.  

Тепловая мощность одной секции  в районе 160 Вт, максимальное рабочее давление — 16 атм. Алюминиевые радиаторы имеют высокую тепловую отдачу, достаточно быстро нагреваются. Подходят для автономных и центральных систем отопления.

Достоинства алюминиевых радиаторов отопления в том, что они имеют: 

 

 — Современный дизайн
— Возможность заменить одну отдельно взятую секцию
— Легкий вес и небольшие размеры
— Оптимальная цена
— Высокая теплоотдача 

 

 Самый большой минус алюминиевого радиатора —  чувствительность алюминия к резкому изменению давления в системе отопления (что в наших домах происходит регулярно).
Еще одним недостатком является то, что они чувствительны к химическому составу воды в системе отопления. При повышенной кислотности теплоносителя происходит внутренняя коррозия материала, что может привести к закупорке и выходу из строя радиатора. По этой причине рекомендуется устанавливать такие радиаторы в системах отопления домов, где осуществляется постоянный контроль химического состава воды.
У данных приборов существует проблема газообразования, которое может привести к постоянному завоздушиванию отопительной системы, если она не проектируется с учетом данного фактора. В связи с этим, на каждом приборе понадобится устанавливать автоматический клапан для спуска воздуха, потому как в процессе эксплуатации будет происходить активное выделение водорода.
Наименее прочное место алюминиевых радиаторов — резьбовые соединения секций (по сравнению со стальными). 

Биметаллические радиаторы

Радиаторы этого типа удачно сочетают лучшие свойства секционных алюминиевых и трубчатых стальных радиаторов.
Наружные поверхности и оребрение биметаллических радиаторов выполнены из алюминия, но проводящие каналы у них стальные. Проще говоря, это алюминиевые отопительные радиаторы, внутрь которых заделаны в процессе изготовления стальные трубки. Алюминий нагревается быстрее стали и улучшает тепловые характеристики батареи.

Тепловая мощность одной секции биметаллического радиатора — 200 Вт, среднее рабочее давление – до 35 атм. Применяются такие батареи в квартирах и офисах с центральным отоплением. Не целесообразно использовать биметаллические радиаторы в частных домах, коттеджах с автономным отоплением, так как переплата за их использование не оправдана в связи с низким давлением в закрытых системах отопления (до 2 атм.).

Основными преимуществами биметаллических радиаторов являются повышенная стойкость к агрессивному теплоносителю и высокое рабочее давление. Повышенная химическая стойкость достигается за счет применения стали, в результате с теплоносителем контактирует сталь, а не алюминий. Также применение стали в вертикальном коллекторе радиатора позволяет увеличить рабочее давление. Конечно, стоит понимать, что реальное давление в системе очень редко превышает значение 12 – 15 атмосфер, тем не менее биметаллические радиаторы более устойчивы к гидравлическими ударам, что создает дополнительную надежность.

Плюсы – очень практичные, у них повышенная стойкость к агрессивному теплоносителю и высокое рабочее давление. Повышенная химическая стойкость достигается за счет применения стали, в результате с теплоносителем контактирует сталь, а не алюминий. Биметаллические радиаторы легкие, с хорошими показателями теплоотдачи и сроком эксплуатации до 20 лет.

К минусам можно отнести тот факт, что сердечник снижает теплоотдачу и, конечно же, высокая цена, такие радиаторы – это одни из наиболее дорогих радиаторов на рынке. 

Какой же все-таки радиатор отопления выбрать?

Исходя из характеристик различных радиаторов отопления видно, что у каждого типа есть, как преимущества, так и недостатки, которые следует брать во внимание при выборе батареи. 

Так, основным недостатком чугунных радиаторов является их низкая регулятивная способность. Она вызвана большой массой самой батареи и находящегося внутри теплоносителя. Установив перед чугунным радиатором автоматический  клапан, Вы не получите ожидаемого результата. Например, солнце стало светить в окно и подняло температуру в помещении. В ответ на это клапан перекрывает или уменьшает поток теплоносителя. Но, из-за большой массы и низкой теплопроводности, эффект после действия автомата наступит нескоро. Пока батарея остынет, солнце уже может спрятаться и в сочетании с холодной батареей в помещении станет холодно. Посему, в силу большой инерционности, чугунные радиаторы не стоит выбирать для систем, в которых используется автоматический регулятор.

Покупая стальные панельные радиаторы стоит обращать внимание на производителя и место изготовления, так как характеристики отечественных и иностранных изделий разнятся весьма существенно. Так, к примеру, на западе воду из системы не сливают и она всегда заполнена. Это весьма важный момент, по причине того, что процесс коррозии в системе заполненной воздухом, идет гораздо быстрее, нежели в системе с водой. Кроме этого на западе обеспечивают плавный запуск и увеличение давления в начале отопительного сезона. У нас все происходит проще. Просто включается рубильник, и насос сразу же начинает работать на полную мощность. Это неизбежно приводит к гидравлическим ударам. А также проверяют систему, подавая повышенное давления, для выявления «узких мест», и ваша батарея может стать одним из таких мест.
Последнее время многие выбирают алюминиевые радиаторы, главным преимуществом которых является высокая теплопроводность. Однако, отечественные теплоносители нередко содержат всевозможные примеси, которые приводят к быстрой коррозии данного материала. И заявленный производителем срок эксплуатации снижается в разы. Кроме этого, стоит отметить, что устанавливая в систему алюминиевый изделия, важно помнить о таком явлении, как антагонизм алюминия и меди. Посему, если у вас при разводке теплоносителя использованы трубы из меди, об установке алюминиевого радиатора не стоит даже думать. Гальваническая пара, которая образуется в системе, приведет к печальным последствиям. 

Ну  и конечно же все зависит от Ваших финансовых возможностей и того, где этот радиатор будет использоваться. Несколько общих рекомендаций.

Радиаторы для частного и загородного дома.

В частном доме мы советуем использовать стальные панельные радиаторы. Они долговечны и их теплоотдача незначительно уступает алюминиевым радиаторам. Вы избавлены от проблем со спуском воздуха. Ваши радиаторы не шумят от пузырьков, и Вы экономите на фитингах. Если Вам не нравится внешний вид стальной панели, устанавливайте алюминиевые, но с автоматическими развоздушивателями. Советуем использовать в системе дистиллированную воду или специальный антифриз.

Радиаторы для квартиры.

Не рекомендуем в квартирах использовать стальные панели из-за агрессивной среды теплоносителя. Сталь подвержена коррозии больше чем алюминий. Учитывая повышенное давление и возможность «прессовки» рекомендуем устанавливать биметаллические радиаторы или алюминиевые радиаторы от хороших, проверенных, известных производителей, которые представлены на рынке хотя бы лет 10. В таком случае есть не только отзывы от их эксплуатации, но и достаточное количество ремонтных материалов. 

Рассчитываем, сколько секций радиатора нам нужно для комнаты

В народе существует довольно простая формула расчета количества радиаторов на метр квадратный – она сводится к одной секции батареи на 2 кв.м. То есть, если у вас комната 20 кв.м., то вам нужно 10 секций в батарее. Так же советуем добавлять еще одну секцию, на случай если будет открыта дверь в помещении или стены тонкие и не утеплены.

Есть и другая, более сложная формула. В ней нужно учитывать много нюансов, это необходимо для того, чтобы узнать, сколько тепловой энергии нужно для обогрева квартиры.

Тип помещения.  У каждого помещения есть свое количество тепловой энергии, которое оно требует для обогрева. Для нагрева комнаты в панельном доме на 1 кубический метр нужно 41 Вт теплоэнергии. В кирпичном доме (полностью утепленном и со стеклопакетами), на тот же объем необходимо 34 Вт теплоэнергии. Для современных, утепленных домов необходимо всего 20 Вт теплоэнергии.

Например для маленькой комнаты панельного дома, определяем ее объем: 2.30*3.50*2.70=21.73 м3

Теперь мы можем узнать, сколько тепла нужно  для обогрева этой комнаты:  41 Вт * 21.73 = 890.93 Вт. Именно столько теплоэнергии нам нужно, чтобы нормально обогреть помещение.

Стоит помнить, что современный стеклопакет уменьшает теплопотерю почти на 15% (это число может значительно повлиять на количество секций батареи). Так же на теплопотерю помещения влияет и температура теплоносителя (согласно СНиП 2.04.01.-85, температура теплоносителя должна быть не менее 50 градусов по Цельсию, и по СНиПу 2.08.01.-89, температура в квартире должна быть не меньше 18 градусов по Цельсию) При расчете также нужно учитывать, на каком этаже квартира, угловая комната или нет. Еще важно знать, что при закрытии батареи различного рода декоративной панелью вы теряете до 25% тепла. Многие, при проведении ремонта не учитывают этот факт, что приводит к печальным последствиям.

Учитывая все факторы, прежде чем менять батареи отопления, проанализируйте различные варианты. Если Вы планируете заменить окна на стеклопакеты, то замените окна и перезимуйте, во многих случаях, потребность в замене батарей просто отпадает. Ну а если решили менять, рекомендуем посмотреть отзывы в «солидном» интернет магазине по выбранному Вами изделию и берегитесь подделок и с китаем лучше не связываться — затопление сведет на нет всю Вашу экономию, которая может очень дорого Вам обойтись как финансово так и морально.  

виды батарей и их габаритные размеры, советы и рекомендации при выборе

Радиаторы отопления бывают разные. Для различных категорий систем отопления используют и различные виды отопительных приборов. Например, в многоэтажных и многоквартирных домах и в частных одноэтажных используют совершенно разные виды батарей.

Какие бывают виды радиаторов отопления?

В нашем современном мире, с современными технологиями, существует большое разнообразие радиаторов, но все они делятся на категории.

Различают следующие категории радиаторов отопления:

• чугунные;
• алюминиевые;
• биметаллические радиаторы.

Чугунные радиаторы отопления

Чугунные самые прочные и долговечные батареи, но у них есть и свой недостаток. Они довольно толстые по ширине, а следовательно, и дольше прогреваются, соответственно им нужно для разогрева большее количество тепловой единицы.

Алюминиевые радиаторы отопления

Алюминиевые — довольно быстро прогреваются, но такие радиаторы непрактичны. Эти батареи не держат перепады давления и при сильных перепадах могут просто лопаться. Их не применяют в высоких многоэтажках, зато они прекрасно подойдут для обогрева невысоких коттеджей или частных домов.

Биметаллические радиаторы отопления

Ну а биметаллические, это универсальные радиаторы. Такие радиаторы подойдут как в невысокие дома с автономной системой отопления, так и в многоэтажные дома.

Размеры радиаторов отопления

Такая характеристика отопительных приборов, как их размеры очень важна при выборе установки. Часто именно от размеров зависит температура в отопляемых помещениях. Размеры также играют роль и при выборе дизайна и при подборе мощности отопительного прибора.

Основными показателями размеров радиаторов отопления являются следующие показатели:

• толщина;
• ширина;
• высота радиаторов.

Стандартные показатели — толщина от 8,5 до 9 сантиметров, ширина от 35 до 40 сантиметров и высота трех видов — 76 сантиметров, 94 сантиметра и 112 сантиметров. Но на практике, именно такие показатели применяются довольно редко. В основном они зависят от конструкции систем отоплений, их формы и материала, который используют при изготовлении батарей.

Толщина

Этот показатель зависит от формы радиатора и материала, используемого при изготовлении батареи. Самыми тонкими отопительными приборами считаются панельные, у алюминиевых и стальных приборов толщина обычно не более одного сантиметра. У чугунных систем в основном достаточно толстые стенки, что оказывает влияние при их нагреве. А у биметаллических — двойной слой металла, что также оказывает свое влияние.

Ширина

Ширина батареи варьируется в диапазоне от двадцати сантиметров до полутора метров. Это достаточно удобно и практично при планировке помещения и при отделке дизайна. Особенно если есть ограничения по площади помещения.

Основной критерий при установке отопительного прибора с данным показателем, это сохранность нужного теплового баланса. Если нужно сократить ширину обогревающего элемента, значит, нужно пропорционально увеличить его высоту.

Высота

По данному показателю разбег диапазона еще больше, от пятнадцати сантиметров и до трех метров. По высоте различают следующие:

• стандартные, высота алюминиевых батарей 575 миллиметров, чугунных 588 миллиметров, а биметаллических от 550 до 580 миллиметров;
• высокие, иногда их называют вертикальные. При небольшой ширине они могут доходить до двух или даже до трех метров по высоте. Такие отопительные приборы обычно устанавливают в тех местах, где нет возможности установить стандартные варианты батарей, а обогреть нужно достаточно большие площади. Обычно их устанавливают при нехватке нужного пространства. Также они широко применяются в дизайнерских вариациях, так как хорошо вписываются во все возможные декорации;
• низкие — самые миниатюрные радиаторы. Их высота может быть всего 15 сантиметров у алюминиевых батарей и не более тридцати пяти — у чугунных. Этот тип отопительных приборов можно отлично разместить под небольшими и низкими подоконниками. Самые низкорослые приборы изготавливают с минимальными размерами под плинтусы. Такие батареи имеют размеры не более двух сантиметров.

У более низких моделей отдача тепла происходит немного больше. Объясняется это тем, что происходит совсем минимальный контакт между теплым воздухом и верхней частью батареи, а также из-за большого теплового потока от верхней поверхности ребер батарей.

Советы, как правильно выбрать радиатор нужного размера

Размеры как алюминиевых, так и любых других батарей подбирают в соответствии с величиной мощности тепла, которую эти отопительные приборы вырабатывают.

Если батареи находятся в стандартном расположении под окнами, то нужно учитывать следующее:

• приборы должны перекрывать ширину оконного проема от 50 до 75%;
• от самого верха батареи и до подоконника должно оставаться не менее 10 сантиметров;
• от самого низа отопительного прибора до пола должно оставаться не менее 6 сантиметров.

Если у вас в помещении, где вы собираетесь устанавливать алюминиевые или любые другие батареи, дизайнерские разработки, то вы можете использовать при подключении отопительных приборов как нижнее, так и верхнее, перекрестное или даже боковое подключение.

При выборе алюминиевых или иных отопительных приборов также необходимо учитывать, что разные приборы, имея одинаковый размер, обладают различной тепловой отдачей. Также алюминиевые или иные отопительные приборы при одинаковом размере имеют разную мощность, а в быту и разное удобство при обслуживании радиаторов.

Нужно знать, что алюминиевые и биметаллические приборы быстрее нагреваются, но и быстрее остывают, чем чугунные. А также для алюминиевых батарей потребуется намного меньше объем теплоносителя, чем для чугунных или биметаллических. Это дает свое преимущество, так как происходит большая скорость движения воды и экономия на работе котлов, которые обогревают систему. А самую высокую теплоотдачу дает не чугунное устройство и даже не алюминиевое, а биметаллические батареи.

И в заключение нужно добавить, что при правильном подборе размеров отопительных систем будет зависеть как комфорт в помещении, так и нужная температура. Размеры алюминиевых радиаторов и других батарей нужно подбирать грамотно и согласно принятому дизайну. Воспользовавшись данными советами и рекомендациями можно сделать верный выбор и наслаждаться теплом и уютом, невзирая на холод и снег за окном.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Какие радиаторы отопления лучше, как выбрать?

Чем руководствоваться при выборе отопительных приборов? Главное – это эффективность отопления, ведь с наступлением холодов требуется минимизировать возможные потери и добиться комфортной температуры в помещении. Не стоит забывать о внешнем виде радиаторов. Желательно, чтобы они вписались в интерьер дома или квартиры, ведь ассортимент дизайнерских решений велик, и выбор остаётся только за покупателем.

Радиаторы (батареи) – главные составляющие системы отопления, при выборе которых учитываются отрицательные и положительные стороны. Кроме этого, устройства должны отвечать техническим нормам эксплуатации. Однако не все модели, выпускаемые на рынок, соответствуют для функционирующей системы отопления жилья. В случае несовместимости радиаторы выходят из строя раньше времени.

Для применения в самой распространённой системе центрального отопления, в которой горячая вода, как источник тепла, по трубам попадает к потребителю от единой котельной или ТЭЦ, подходят радиаторы прочной конструкции. Это главный технический показатель, помогающий выдержать давление в десять атмосфер и температуру более ста градусов.

Виды радиаторов и главные характеристики

Алюминиевые радиаторы

Наборная конструкция состоит из секций разной высоты, что позволяет подобрать оптимальную тепловую мощность и заменить требующие ремонта части.

Преимущества:

• Пользуются спросом за счёт привлекательной цены и отличной теплоотдачи до пятидесяти процентов.
• Лёгкие радиаторы универсальны, подходят для стандартных условий установки, имеют интересный внешний вид, не требующий окраски.
• Отопительные приборы мало нуждаются в промывке благодаря внутренней гладкой поверхности.
• Специальное покрытие предохраняет от различных повреждений.
• Радиаторы выдерживают давление до восемнадцати атмосфер и температуру до ста тридцати градусов.

Недостатки:

• Большим минусом алюминия является его высокая активность. Соприкасаясь с другими металлами, он вызывает коррозию, поэтому при установке алюминиевого прибора отопления стоит подумать о замене соединяющих труб на пластик, а при невозможности таковой ставят переходники, не дающие металлам соприкасаться.
• Из-за происходящих химических реакций алюминия со щелочными добавками к тепловому агенту оборудование разрушается, давая течь.
• Теплоприборы восприимчивы к составу воды, чувствительны и к перепадам давления, гидроудары могут деформировать алюминий.
• Использование радиаторов в течение долгого времени допустимо лишь при постоянном контроле состава и качества воды, что невозможно при центральной системе отопления. Но для обогрева дома с автономной современной системой обогрева они наиболее целесообразны.

Стальные радиаторы

Нельзя сказать, что это оборудование в нашей стране пользуется повышенным спросом, хотя за рубежом они снискали свою популярность. Выпускаются трёх видов: секционные, панельные (конвекторы) и трубчатые.

Преимущества:

• Батареи из стали эстетически привлекательны, а разнообразие моделей позволит выбрать подходящую форму под любой интерьер. Трубчатые радиаторы отопления можно использовать как сушку для вещей, что очень удобно.
• Компактный размер и лёгкий вес удачно сочетаются с высокой производительной теплоотдачей, выдерживая температурный фон до ста пятидесяти градусов.
• Секционные радиаторы за счёт сварных соединений очень прочны и долговечны.
• Удобство при монтаже за счёт различных подвесок и крепежей.
• Нетребовательность к качеству воды, заполняемой радиаторы.

Недостатки:

• Секционные и трубчатые радиаторы недоступны большинству покупателей из-за немалой стоимости.
• В жилых домах с центральной отопительной системой использование не рекомендовано вследствие невысокого рабочего давления до восьми – десяти атмосфер.
• Панельные и трубчатые батареи обладают высокой чувствительностью к ударам и подвержены коррозии.
• Небольшой срок эксплуатации.
• Необходимость промывки радиаторов примерно раз в три года во избежание засорения шлаком.
• Для недопущения ржавчины требуется постоянное наполнение радиаторов отопления водой.

Чугунные радиаторы

Успешно используются более века. Несмотря на появление различных новинок, радиаторы из чугуна давно обрели своего покупателя. В прошлом остались модели невзрачного внешнего вида, требующие постоянной окраски, сейчас рынок наполнен современными дизайнерскими решениями, бьющими, к сожалению, по карману.

Преимущества:

• Радиаторы выдерживают мощные нагрузки до десяти атмосфер, с максимальным температурным режимом сто пятьдесят градусов.
• Невосприимчивость к качеству и химическому составу теплоносителя.
• Толстые стенки батарей обладают отличной теплоотдачей. Нагревшиеся радиаторы не остывают долгое время, обогревая воздух за счёт теплового излучения.
• Радиаторы долговечны, срок их службы может доходить до тридцати пяти лет и более.
• Есть возможность наращивания дополнительных секций для усиления обогрева помещения.
• Радиаторы характеризуются высоким уровнем прочности, им не страшны скачки давления и внешние повреждения.
• Устойчивы к коррозионным изменениям.

Недостатки:

• Существенный вес батарей должен учитываться при монтаже и транспортировке.
• Высокая стоимость чугунного дизайнерского литья.
• При низкой тепловой инерции быстрый нагрев невозможен.

Биметаллические радиаторы

Новинка на рынке теплового оборудования. Соединение двух металлов даёт преимущество перед другим оборудованием: внутренняя часть радиаторов изготовлена чаще всего из стали, позволяющей выдерживать высокие параметры давления, а высокая теплоотдача возможна за счёт алюминиевой поверхности.

Преимущества:

• Длительная эксплуатация, средний срок службы около двадцати лет.
• Устранена высокая требовательность к составу воды.
• Выдерживают давление до тридцати пяти атмосфер и температуру сто десять градусов.
• Небольшой вес оборудования и лёгкость в установке.
• Секционные радиаторы позволяют добавлять новые пластины и заменять требующие ремонта.

Недостатки:

• Завышенная стоимость изделия. Однако биметаллические батареи в последнее время становятся лидерами среди продаж обогревательного оборудования. Денежные расходы окупаются долгой и надёжной работой.
• Накапливание отложений на внутренней поверхности радиаторов.
• Чувствительность к находящемуся в воде кислороду.

Медные радиаторы

В тепловых приборах не используются другие металлы, кроме качественной меди. Отличаются оригинальной конструкцией, состоящей из труб и пластин (рёбер).

Преимущества:

• Медные радиаторы необычайно устойчивы к химически активным элементам, находящимся в воде.
• Выдерживают давление в шестнадцать атмосфер.
• Нормальное функционирование в системе отопления при температуре выше ста пятидесяти градусов.
• Экологичность материала благодаря свойствам меди воспрепятствовать размножению тлетворных микроорганизмов.
• Уникальная стойкость к минусовым температурам, что предотвращает деформацию и размораживание.
• Использование чистой меди позволяет повысить уровень теплоотдачи в помещении.
• Уменьшение нагрузки на стены за счёт небольшого веса батарей.
• Благодаря низкой инерции и малому количеству воды в радиаторе происходит быстрое нагревание медных пластин.

Недостатки:

• Содержание в теплоносителе даже мельчайших абразивных частиц приводит к преждевременному сокращению сроку службы.
• При использовании жёсткой воды потребуется дополнительная установка фильтров.
• Нахождение в высоком ценовом сегменте делает приборы из меди малодоступными для большого числа покупателей.
• При установке батарей требуется исключить сочетания с другими металлами во избежание разрушения. Поэтому для соединения системы отопления потребуется использование латунных фитингов.

Итак, единого ответа на вопрос, какой же выбрать отопительный радиатор, не будет. Рассмотрев характеристики батарей, можно подобрать оптимальный вариант, подходящий для вашей квартиры или дома. Недостатки теплового прибора не должны помешать общей производительности, а достоинства обязаны проявиться по максимуму.

Тепловая мощность

При выборе оборудования следует учесть ещё один важный момент – мощность прибора должна соответствовать обогреваемой площади помещения. При отличающейся теплопроводности радиаторов из разных материалов необходимо рассчитать мощность, учитывая характеристики каждого.

Один квадратный метр для полноценного обогрева требует определённое количество тепла. Все стандартные характеристики приведены изначально для тех помещений, которые оборудованы пластиковыми стеклопакетами. Если в вашем доме или квартире окна старые и продуваемые, то необходимо прибавить дополнительно пятнадцать процентов.

• Для дома из кирпичей – 41 ватт.
• Для дома из панелей – 34 ватт.
• Для современных домов с применением в строительстве теплоизоляционных материалов – 20 ватт.

Объем помещения умножается на приведённые выше данные, и вычисляется необходимая для обогрева мощность, причём она должна быть с резервом в десять процентов. Для угловых помещений и квартир, где находятся несколько окон, к показателю добавляют ещё процентов двадцать. При правильном выборе нужной мощности снижается вероятность перегрева или недогрева.

Место размещения прибора отопления тоже влияет на теплоотдачу. Радиатор, расположенный под оконным проёмом, нагревается и создаёт тепловое препятствие для прохладного воздуха, ведь несмотря на современные стеклопакеты, теплопотери всегда происходят. Для угловых помещений расположению радиаторов уделяется особое внимание. Прогревая внутреннюю поверхность, подвергающуюся снаружи холоду, сокращается вероятность появления плесени и сырости.

Подводя итог, можно сделать вывод, что при централизованном отоплении наилучшим вариантом будет чугунное или биметаллическое тепловое оборудование, а стальные радиаторы хороши для домов с автономной системой подачи тепла. Конечно, каждый установленный прибор в помещении со своими техническими характеристиками потребует выполнения условий эксплуатации, учитывая одновременно и состояние общей системы отопления.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Как выбрать лучший радиатор отопления

Отопление необходимо каждому помещению. Радиаторы отопления отличная альтернатива старорусской печи, которая в своё время отапливала весь дом и приносила хозяевам немало хлопот, так как топливо в неё приходилось добавлять постоянно и в зимнее время, когда начинаются холода, покинуть помещение решались далеко не все. Всё больше современных технологий приходит на рынок теплового оборудования, но люди, как правило, любят лучшее и одновременно экономное, поэтому предпочитают отдавать свой выбор выгодным предложениям. Правильно подобранный радиатор отопления не оставит хозяев дома зимой в холоде и сэкономит денежные средства на обогреве помещения.

Виды радиаторов отопления

Перед тем как купить радиатор для дома, необходимо узнать максимум информации о каждом виде, сопоставить все функции и возможности, чтобы обойтись без проблем в будущем, к примеру, таких, как плохой обогрев.

Радиаторы отопления бывают:

• Биметаллические.
• Алюминиевые.
• Стальные панельные.
• Чугунные.
• Медные.

Обо всех видах мы поговорим в отдельности и подробно расскажем плюсы и минусы каждого.

Главное преимущество этих радиаторов — секции, изготовленные из двух металлов. Благодаря новым технологиям металлы смогли соединить в одно изделие, вследствие чего у радиаторов этого вида появились преимущественные возможности. Часть изнутри состоит из стали, на ней лежит вся ответственность за нагрузку давления горячей воды. Своей крепостью этот металл доказал что сможет выдержать максимальную нагрузку, что обеспечит безопасность даже в момент взрыва или лопнувшей трубы.

Коррозийная стойкость позволяет долгие годы не менять батареи. Внешний слой радиатора и все его элементы состоят из алюминия. При помощи стали и алюминия разработчики добились максимальной теплоотдачи в помещение. Для точности теплового излучения к биметаллическим радиаторам можно приобрести термостатическую головку. Она максимально точно управляет температурой прибора в автоматизированном режиме.

Преимущества биметаллических радиаторов:

• Объём теплоносителя минимальный.
• Теплоотдача от 170 до 190 Вт при межосевом расстоянии 500 мм, что считается довольно высокой.
• Рабочее давление 20 атмосфер.
• Дизайн подойдёт для любого интерьера.
• Полная устойчивость к любому вида теплоносителя.

Недостатки биметаллических радиаторов:

• Цена выше своих аналогов в среднем на 15%.
• Малая площадь проходного сечения между трубок коллекторов.

Алюминиевые радиаторы

Имеют ряд важных преимуществ: высокая теплопроводность, надёжность, простота монтажа и современный дизайн. Внутри радиаторов проходят вертикальные каналы, они формируют поток нагреваемого воздуха. Благодаря этому конвективный и радиационный теплообмен имеет одинаковое соотношение. Алюминий считается лучшим литьевым материалом, это позволяет изготовить секции небольшого веса, которые в свою очередь будут выдерживать необходимую нагрузку. Радиаторы из алюминия быстро нагреваются и остывают.

Достоинства алюминиевых радиаторов:

• Рабочее давление 18 атмосфер.
• Дизайн можно подобрать под любое помещение.
• Вес секции минимальный благодаря металлу.
• Высокая теплоотдача.
• Большая площадь проходного сечения между труб коллекторов.
• Цена остаётся одной из самых низких на современном рынке в настоящее время.

Недостатки алюминиевых радиаторов:

• Одним из самых неприятных и трудно исправляемых недостатков — коррозия. К сожалению, алюминий подвержен ей.
• Необходимо периодически убирать воздух из коллектора, для этого присутствует воздухоотводный клапан.
• Сложность в монтаже.

Стальные панельные радиаторы

Панель нагревания данного радиатора состоит из тонких листов стали. Между собой листы скреплены, на них выдавлены вертикальные каналы. Это даёт возможность правильной циркуляции теплоносителя. Большое распространение такие виды радиаторов заслужили в частных домах, это связано с индивидуальной отопительной системой, в этом случае его установка будет наиболее удачной и выгодной. Радиаторы предусматривают нижнее и боковое подключение, это удобно, если интерьер комнаты имеет свой изначальный стиль, а батарея куплена позже.

Достоинства стальных радиаторов:

• Экономия на отоплении, стальные панельные радиаторы употребляют наименьшую цену за киловатт тепла.
• Высокая теплоотдача.
• Приемлемая цена.

Недостатки стальных радиаторов:

• Из-за отсутствия контроля над отопительной системой, в связи с содержанием кислорода в теплоносителе, не рекомендуется использовать радиаторы в центральных системах отопления.

Чугунные радиаторы

В современном мире чугунный вид радиаторов не популярен. Это связано со многими его недостатками и совсем не современным видом и материалом. С технической точки зрения они не отличаются от своих аналогов и в некоторых функциях даже имеют преимущество, к примеру, уровень инерционности один из самых высоких. Чугунные радиаторы бывают: одноканальные, двухканальные и трёхканальные.

Преимущества чугунных радиаторов:

• Материал чугун стойкий к коррозии и практически любому механическому воздействию. Прослужат такие батареи не менее 50 лет.
• Благодаря широким каналам функционирования теплоносителя происходит правильно, вследствие чего помещение отапливается полностью.
• Низкое гидравлическое сопротивление.

Недостатки радиаторов:

• Дизайнеры стараются придать красивый внешний вид радиаторам, но все, же вписаться они могут не в каждый интерьер.

Медные радиаторы

Благодаря своим качествам именно этот вид считается лидером по продажам среди всех остальных. Они по праву могут считаться одними из самых востребованных в своём роде. О них мы специально поговорим поподробнее, чтобы решить стоит ли медь своей высокой цены и чем эти батареи отличаются от многих других.

Медные радиаторы работают по принципу:

• Излучение— при этом, чем темнее цвет самой батареи, тем интенсивнее излучение.
• Конвекция— теплообмен.
• Теплопроводность— передаёт тепло от нагретых к менее нагретым местам батареи.

Преимущества медных радиаторов:

• Лучший показатель по теплопроводности— в среднем в 5 раз эффективнее других видов радиаторов.
• Медь — экологичный материал, она не даёт размножаться вредоносным бактериям.
• Прочность и долговечность. Срок службы радиатора из меди 50 лет (при соблюдении необходимых правил эксплуатации).
• Полная устойчивость к любым химическим реакциям, отсутствие коррозии.

Радиаторы бывают частично из меди и сплава алюминия, они также эффективны, но более уязвимы из-за чего снижается срок службы. Цена на батареи из меди и алюминия намного ниже.

Способы подключения радиаторов из меди могут быть самыми разными:

• Боковое подключение — при неправильном монтаже возможен риск снижения эффективности теплоотдачи в среднем на 5%.
• Нижнее подключение.
• Диагональное подключение.
• Последовательное и параллельное подключение.

Как не ошибиться с выбором радиатора

От выбора радиатора зависит качество отопления помещения и время службы. Поэтому отнестись к этому нужно с особой внимательностью, потратив один день на выбор, можно сэкономить, много времени на ремонте и обслуживании в будущем. Доверить выбор батареи нужно специалистам, так как самостоятельно рассчитать все необходимые тонкости очень тяжело.

Перед покупкой обратите внимание на следующие параметры:

• Измерьте помещение в квадратных метрах, которое будет необходимо отопить.
• Измерьте высоту потолков в помещении.
• Замерьте и посчитайте количество окон и дверей.
• Присутствие дополнительных приборов отопления— это также необходимо учесть.

Отличие биметаллических радиаторов от алюминиевых

Многие задаются вопросом, чем эти виды радиаторов отличаются друг от друга, ведь внешне они очень схожи и оба подходят как для офисного помещения, так и для жилого. Главное отличительное качество — характеристики приборов.

Отличительные особенности:

• Цена на биметаллические радиаторы намного выше.
• Сфера применения биметаллических радиаторов гораздо шире.
• Биметаллические радиаторы прочны и долговечны.
• Радиатор из алюминия содержит в своём составе смесь алюминия и кремня, в редких случаях батарея состоит полностью из алюминия.
• У алюминиевого радиатора выше теплопроводность.
• Алюминий чувствителен к качеству теплоносителя.

Широкий спектр выбора радиаторов на современном рынке теплового оборудования невероятно широк. Можно найти любую батарею, подходящую по качеству и цене.
На текущий момент радиаторы Рифар Монолит и Прогресс являются лидерами продаж в России.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

конструктивные и функциональные различия радиаторов в зависимости от материала

Существует множество видов батарей отопления. Устанавливать их следует до наступления холодов. Чтобы квартира не была холодной в отопительный сезон, а загородный дом можно было комфортно посетить зимой, нужно правильно выбрать радиаторы и другие части системы. Для этого нужно учесть преимущества, недостатки и все прочие характеристики устройств каждого типа.

Стальные радиаторы

Конвектор — вид радиатора отопления, внутри которого размещены панели из стали с конвекторным оребрением. Особенность разновидности — крайне высокий коэффициент полезного действия, который в некоторых случаях достигает 75%.

Это самый бюджетный вариант, который обычно используется в частных домах. Количество нагревательных пластин и выемок для циркуляции воздуха отличаются в зависимости от модели, но есть стандарты:

• 10.
• 11.
• 20.
• 21.
• 22.
• 30.
• 33.

На рынке популярны производители Германии, Финляндии, Чехии и Италии. Европейские страны доминируют благодаря невысоким ценам, поэтому российские производители распространены несильно.

У панельной конструкции много плюсов:

• Прекрасная теплоотдача при низкой инерционности.
• Небольшой объем под теплоноситель, благодаря чему потребляется мало энергии.
• Безвредность. Устройства можно использовать для медицинских и детских учреждений.
• Очень низкая стоимость.

Но есть и недостатки. Большего внимания требуют такие отрицательные черты:

• Необходимость в циркуляции воздуха приводит к поднятию мелкой пыли, иногда к сквознякам.
• Невозможность использовать устройство в многоэтажных конструкциях из-за неустойчивости к гидроударам.
• Быстрая коррозия металла при отсутствии проводника в системе.

Трубчатый вариант конструкции несколько дороже. Его производят не только западные страны, но и Россия. Модели доминируют над панельными из-за более высокого давления, но сильно проигрывают в стоимости.

Алюминиевые батареи

Эта разновидность обычно недолго работает с центральной городской теплосетью, так как модели подвергаются сильной коррозии из-за низкого качества воды. По способу производства эти радиаторы делятся на литьевые и экструзионные. Оба вида прекрасно подходят для автономных систем отопления.

Литьевая вариация изготавливается при помощи литья под давлением. Обычно такие батареи имеют широкие каналы и толстые проточные стенки для воды. Некоторые модели имеют модульную конструкцию. Возможность добавлять или убирать секции позволит создать идеальный интерьер.

Экструзионный метод производства несколько дешевле. Он назван так благодаря экструдеру — станку, на котором из алюминиевого листа выдавливают вертикальные конструкции. Такие модели получаются цельными и не подразумевают возможности изменения. На рынке лучшей репутацией славятся итальянские производители.

У моделей из алюминия есть много достоинств:

• Небольшая масса. Благодаря легкому весу не нужно использовать прочные крепления, что облегчает монтаж.
• Очень высокая теплоотдача, из-за которой помещение быстро согревается.
• Возможность установки температурного регулятора, который сделает устройство еще более экономичным.
• Современный дизайн.

Однако служат такие батареи в среднем не дольше 15 лет. У алюминия высокая химическая активность, поэтому низкое качество теплоносителя усилит коррозию и еще больше сократит срок эксплуатации. Помимо химической неустойчивости, радиаторы неустойчивы к резкому изменению давления. Некоторым моделям свойственны слабая конвекция и протечки.

Чугунные отопительные приборы

По стилю условно делятся на современные и ретро. Это старейшая разновидность батарей, которая отличается простыми незамысловатыми формами. Так как чугун долго разогревается, он плохо подходит для автономного отопления. Зато этот металл прекрасно выдерживает низкое качество теплопроводника. Устройства из чугуна сочетают дешевизну с прочностью и долгим сроком эксплуатации, который может достигать 50 лет — это их главное преимущество.

На территории России, Беларуси и Украины есть много заводов, которые производят чугунную продукцию. Однако товары европейских конкурентов пользуются большим доверием. Модели ретро отличаются лишь внешне, но стоят гораздо дороже.

Плюсы чугунных радиаторов:

• Срок службы.
• Химическая пассивность.
• Эффективность в комнатах с высокими потолками.
• Продолжительная работа при отключении теплоснабжения.
• Низкая стоимость (не касается стиля ретро).

Радиаторы объемные и потребляют много воды, при этом долго разогреваются, много весят, не отличаются простотой монтажа, их трудно транспортировать — такие недостатки выделяются у этого вида батарей.

Два металла

В таких моделях проводящую сердцевину делают из стали, а оболочку — из алюминия. Иногда конструкция съемная, в других случаях внешняя оболочка намертво приваривается. В качественных радиаторах вся трубчатая сердцевина изготовлена из стали, из-за чего устройство стоит дорого. Некоторые производители удешевляют производство, выполняя продольные каналы из другого материала. Такие модели стоят дешевле и превосходят по показателям обычные батареи, но сильно проигрывают настоящим биметаллическим радиаторам.

У этой разновидности множество достоинств:

• Полное отсутствие инерционности.
• Высокая теплоотдача.
• Небольшой объем проводника тепла.
• Устойчивость к повышенному давлению и его перепадам.
• Простота монтажа.
• Современный дизайн.
• Коррозийная выносливость.

Единственный минус подобных отопительных устройств — их высокая стоимость.

Радиаторы отопления – виды, преимущества и недостатки

При проектировании системы отопления в доме или квартире основным вопросом является выбор радиаторов отопления. Ведь они должны не только гармонично вписаться в стиль интерьера каждого помещения, но и быть максимально функциональны. И даже если нужно всего лишь заменить радиаторы отопления, к их выбору нужно подходить с максимальной ответственностью – на рынке масса предложений от производителей, поэтому нужно разбираться в видах, преимуществах и недостатках рассматриваемого изделия.

---

Оглавление: 
Алюминиевые радиаторы отопления 
- Экструзионные радиаторы
- Литиево-бромидные  радиаторы
Стальные радиаторы отопления
Чугунные радиаторы отопления
Биметаллические радиаторы отопления
Плинтусные конвекторы отопления
Половые конвекторы
Как выбрать радиатор отопления

---

Алюминиевые радиаторы отопления

К этой группе рассматриваемого изделия относятся несколько разновидностей радиаторов отопления. И, несмотря на то, что они выполнены из одинакового исходного материала, качественные характеристики будут различаться.

Экструзионные радиаторы

Этот способ изготовления радиаторов отопления считается более дешевым – части батареи, расположенные вертикально, выдавливаются на экструдере. Сам коллектор изготавливают из силумина. Главная особенность экструзионных батарей – уже готовое цельное изделие невозможно изменить, то есть добавлять или убирать секции не получится.

Преимущества экструзионных батарей:

• отличная теплоотдача – пожалуй, самая высокая среди существующих радиаторов отопления из алюминия;
• вес рассматриваемых батарей маленький – монтаж можно осуществить самостоятельно, без привлечения помощников;
• имеется возможность оснащения экструзионных батарей терморегулятором;
• привлекательный дизайн – такие радиаторы отопления отлично впишутся в любой стиль интерьера.

Недостатки экструзионных батарей:

• небольшой срок эксплуатации;
• алюминий подвергается коррозийным процессам;
• если произойдет гидроудар или будет скачок давления теплоносителя, то экструзионные батареи просто «разорвет».

Литиево-бромидные  радиаторы

Изготавливается такой тип радиаторов отопления методом литья под большим давлением, отличительными характеристиками их являются очень прочные стенки изделия и широкие каналы для теплоносителя (например, горячей воды).

Преимущества литиевых радиаторов:

• имеют легкий вес;
• при желании можно добавлять или снимать секции;
• экономичны, быстро нагревают помещение.

Недостатки литиевых радиаторов:

• необходимо внимательно выбирать теплоноситель – радиаторы подвержены коррозийному разрушению;
• между секциями возможно появление протечек;
• невозможность противостоять гидроударам;
• срок службы небольшой – около 15 лет.

Стальные радиаторы отопления

Этот тип рассматриваемого изделия пользуется меньшей популярностью, чем алюминиевые радиаторы отопления, но вот специалисты считают, что это неверно. Существует масса преимуществ, которые возводят стальные радиаторы отопления на высшие строки рейтинга.

Преимущества стальных радиаторов отопления:

1. Есть возможность приобрести трубчатые стальные радиаторы или панельные радиаторы. Последний вариант весьма бюджетный, часто используется в обустройстве системы отопления в частных домах и в народе именуется конвекторами. А вот трубчатые стальные радиаторы будут гораздо дороже – это обусловлено оригинальной технологией производства рассматриваемого изделия.
2. Оба вида стальных радиаторов отопления обладают высоким уровнем теплоотдачи – специалисты классифицирует этот показатель как отличный. Одновременно с этим отмечается крайне низкая инертность.
3. Подобные изделия абсолютно безвредны, экологически безопасны – их используют для обустройства системы отопления буквально повсеместно: школы, детские сады, больницы и так далее.
4. Объем необходимого для нормального функционирования системы из стальных радиаторов отопления теплоносителя крайне мал.
5. Стоимость рассматриваемого изделия низкая, такие радиаторы отопления доступны абсолютно всем.

Недостатки стальных радиаторов отопления:

1. Часто возникает необходимость слить воду из всей системы отопления – в таком случае происходит соприкосновение стенок радиаторов с кислородом, а это провоцирует развитие коррозийных процессов.
2. Стальные радиаторы категорически запрещено использовать для обустройства отопительной системы в многоэтажных домах – они, как никакие другие, подвержены гидроудару.
3. Так как рассматриваемый вид изделия обладает хорошей конвекцией, это может провоцировать появление сквозняков и подъем частиц пыли в воздух.

Чугунные радиаторы отопления

Пожалуй, чугунные батареи известны всем и каждому – этот материал использовался для обустройства отопительной системы в зданиях еще в прошлом веке. Сейчас, конечно, производители предлагают более современные варианты чугунных батарей, но и они обладают всеми преимуществами такого типа изделия.

Преимущества чугунных радиаторов:

1. Самый дешевый вид радиаторов отопления.
2. Срок эксплуатации чугунных батарей составляет более 50 лет.
3. В случае отключения системы отопления чугунные батареи длительное время «держат» тепло.
4. Отлично прогревают помещения даже с высокими потолками.

Недостатки чугунных радиаторов:

1. Разогреваются радиаторы отопления из чугуна очень долго.
2. Необходимый объем теплоносителя достаточно большой.
3. Перевозка рассматриваемого изделия и его монтаж требуют присутствия нескольких человек – вес чугунных радиаторов большой.

Обратите внимание: несмотря на кажущуюся прочность и крепость металла, чугун относится к категории хрупких материалов – если будет гидроудар или внезапный скачок давления при подаче теплоносителя, то чугунные батареи неизбежно придут в негодность.

Отдельно стоит упомянуть об имеющихся в продаже дизайнерских чугунных радиаторах  – они выполняются с применением процесса литья, представляют собой настоящие шедевры. Все функции, присущие рассматриваемому виду радиаторов отопления, у них присутствуют, но стоимость таких дизайнерских изделий очень высока.

Биметаллические радиаторы отопления

Этот вид рассматриваемого изделия представляет собой конструкцию, в которой сочетаются трубчатая сердцевина из стали и алюминиевая оболочка. Чаще всего производители предлагают секции биметаллических радиаторов отопления, которые имеют четное количество фрагментов. На рынке имеются и монолитные радиаторы отопления биметаллического типа, но в продаже их можно встретить крайне редко.

Преимущества биметаллических радиаторов отопления:

• выдерживают высокое давление и гидроудары;
• горячая вода в качестве теплоносителя требуется в небольшом количестве;
• монтаж рассматриваемого изделия простой – справится даже новичок;
• высокая устойчивость к коррозийным процессам;
• отсутствие инерционности.

Из недостатков биметаллических радиаторов отопления можно выделить лишь высокую стоимость и низкую теплоотдачу.

Плинтусные конвекторы отопления

Подобный тип радиаторов используется крайне редко и популярностью не пользуется. Крепятся они на стену, имеют небольшую высоту (всего 20-25 см) и глубину (всего 10 см).

Преимущества плинтусных конвекторов:

• высокая экономичность – топлива на обогрев требуется меньше на 40%;
• имеется защита от перегрева;
• монтаж осуществляется без каких-либо профессиональных навыков;
• высокая ремонтнопригодность;
• присутствует терморегулятор в базовой комплектации.

Недостатки плинтусных конвекторов:

• монтировать данную систему отопления может только специалист – понадобятся определенные профессиональные навыки;
• высокая стоимость;
• конвекторы слишком плотно прилегают к стене – отделка будет в местах соприкосновения испорчена.

Половые конвекторы

Это относительно новое решение в обустройстве отопительной системы – половые конвекторы состоят из короба, решетки (она выполняет исключительно декоративную функцию) и теплообменника. Устанавливают половые конвекторы в помещениях с большими окнами («в пол»), активно они используются при обустройстве отопительной системы аэропортов, вокзалов, больниц и поликлиник.

Преимущества половых конвекторов:

• небольшой вес;
• конструкция прочная и простая в монтаже и эксплуатации;
• комната прогревается максимально равномерно;
• легко очищаются от пыли и грязи;
• не портят даже самый замысловатый дизайн помещения – половые конвекторы практически не видны.

Недостатки половых конвекторов:

• длина, необходимая для качественного монтажа, достаточно большая;
• принудительную вентиляцию установить невозможно;
• отдача тепла низкая.

Как выбрать радиатор отопления: советы специалистов

Даже зная качественные характеристики каждого вида радиаторов отопления, нужно знать еще один момент – как выбрать лучший радиатор отопления? Дело в том, что на рынке имеются радиаторы с разным количеством секций, разной мощностью. Но специалисты утверждают, что разобраться во всех этих нюансах достаточно легко – главное, обладать минимальными знаниями.

Количество секций радиатора отопления будет зависеть от следующих факторов:

• из какого материала был построен дом – панели или кирпичи;
• количество окон в каждом помещении и их расположение;
• площадь помещения;
• какие окна установлены – деревянные или пластиковые;
• сколько стен в каждом помещении выходят на улицу.

Стоит обратить внимание при выборе радиаторов отопления и на стоимость рассматриваемого изделия – например, самыми дорогими будут панельные радиаторы, а самыми дешевыми – алюминиевые.

Выбор радиаторов отопления достаточно большой – каждая торговая точка может привести к затруднению даже самого скептически настроенного человека. Эта статья поможет сделать хотя бы предварительный вывод, а окончательное решение можно принимать только после консультации со специалистами.

Загрузка…

Thermal Battery — обзор

Введение

За последние несколько десятилетий было предложено множество первичных батарей на основе магниевых анодов, в то время как лишь немногие из них были успешно разработаны, произведены и проданы. Привлекательные свойства магния были признаны еще на заре электрохимии. Магний нетоксичен, обладает высокой теоретической удельной (зарядовой) емкостью, очень низким окислительно-восстановительным потенциалом, легок и много.

Практические первичные магниевые батареи можно разделить на категории в соответствии с электролитической средой (водной или неводной), типом катода (твердый или жидкий) и общей формой батареи («обычные», резервные, активируемые водой и т. Д.).

Несмотря на привлекательные свойства магния в качестве анода в батареях, из-за различных химических и технических препятствий, магниевые батареи находят применение лишь в нескольких специализированных нишах, в основном в военной области.

Двумя основными трудностями при использовании магния для аккумуляторных батарей являются его высокий восстановительный потенциал и природа пассивных пленок, образующихся на магнии во многих электролитических растворах. Поскольку окислительно-восстановительный потенциал магния намного ниже выделения водорода, металл спонтанно и энергично реагирует с водой, что приводит к выделению газообразного водорода и полному растворению.Таким образом, для батарей на водной основе единственное решение этой проблемы — либо включение сильных окислителей в раствор для образования пассивирующего слоя, либо отделение анода от электролита до тех пор, пока не понадобится батарея, как в случае резервных элементов. Для неводных аккумуляторов, а именно аккумуляторов на основе органических растворителей, одной из самых больших проблем является эффективная и прочная пассивирующая пленка, которой покрывается магний либо в виде слоя естественного оксида, либо из-за восстановления компонентов раствора (растворитель, следы кислорода, вода и т. д.). В отличие от лития, в большинстве случаев пассивирующие слои на магниевых электродах являются как электронными, так и ионными изоляторами. Таким образом, если не разработано специальное средство защиты, магниевые аноды становятся электрохимически неактивными из-за этой пассивации.

Среди современных практичных первичных магниевых батарей важно упомянуть водоактивную магниевую батарею, батарею магний-органический электролит, тепловую батарею на основе оксида магния и ванадия и систему магний-воздух.

Первичные батареи из диоксида магния и марганца

Батарея из диоксида магния и марганца без резерва является аналогом обычного элемента цинк-MnO ₂ , с тем преимуществом, что имеет примерно вдвое большую плотность энергии. В этой батарее используется магниевый сплав в качестве анода и композитного катода из диоксида магния (MnO ₂ ), смешанного с углеродной сажей в качестве проводящей добавки. Важное различие между двумя ячейками заключается в использовании специальных слабощелочных электролитов (pH ∼8.5, поддерживаемый добавлением гидроксида магния (Mg (OH) ₂ ) в качестве буфера), а именно перхлората магния с добавлением сильного окислителя, такого как хромат бария или лития, который создает стабильный пассивирующий слой на аноде. . Этот пассивирующий слой имеет решающее значение для срока службы батареи, поскольку магний самопроизвольно вступает в реакцию с водой.

Схема реакции разряда аналогична схеме в ячейке Mg – MnO ₂ резервного типа:

Mg + 2MnO2 + h3O → Mn2O3 + MgOh3

Напряжение холостого хода (OCV) для этой ячейки равно 1 .9–2,0 В, что на ∼1,1 В ниже теоретического значения. Функционирование элемента зависит от пассивирования на анодной стороне в начале разряда батареи. Этот защитный слой никогда не восстанавливается полностью после частичной разрядки, и, таким образом, срок годности аккумулятора значительно снижается после активации.

Первичная батарея Mg – MnO ₂ изготавливается различных размеров, в основном для использования в военных целях. За исключением улучшенной плотности энергии по сравнению с элементами на основе цинка, магниевый элемент демонстрирует более пологую кривую разряда и более низкие рабочие температуры, которые имеют решающее значение для некоторых военных приложений.

Серьезным недостатком этой батареи является задержка напряжения. Задержка напряжения — это падение рабочего напряжения аккумулятора сразу после активации. Это явление отражает время, необходимое для электролитического пробоя пассивированного магниевого анода.

Предложены интересные модификации магниево-двуокиси марганца, в которых активный материал катода состоит из окисляющих органических соединений. Например, мета -динитробензол ( m -DNB) предлагается в качестве катодного материала с высокой удельной емкостью, обладающего емкостью 2 Ач gr ^-1 для восстановления m -DNB до n -фенилендиамина.Ячейки с м -DNB показали, что они разряжаются с довольно плоской кривой напряжения, но имеют более низкое рабочее напряжение 1,1–1,2 В на элемент. На практике эти элементы показали лишь немного большую емкость по сравнению с традиционным катодом из диоксида марганца и показали худшие характеристики при низких температурах.

Магниевые резервные батареи

Водно-активируемые магниевые батареи

Это семейство первичных, резервных батарей, содержащих аноды из магния или магниевого сплава, различные катоды и сухие соли (Таблица 1).Эти батареи активируются один раз для непрерывного использования путем введения воды: чистой воды, морской воды или воды с соответствующей солью электролита и, в недавнем уникальном случае, даже мочи. Водоактивируемые магниевые батареи были разработаны для удовлетворения потребности в высокоэнергетических батареях с увеличенным сроком хранения. Батареи имеют сухую конструкцию, что устраняет главную проблему коррозии анода. Это сказывается на батареях с очень долгим сроком хранения.

Таблица 1. Характеристики нескольких водоактивированных магниевых батарей

Положительный электрод (катод)	Хлорид серебра	Хлорид свинца	Иодид меди	Тиоцианат меди	Хлорид меди
Отрицательный электрод (анод)	Магний
Электролит	Проводящие водные растворы
Напряжение холостого хода (В)	1.6–1,7	1,1–1,2	1,5–1,6	1,5–1,6	1,5–1,6
Номинальное напряжение при 5 мА см –2 (В)	1,4–1,5	0,9–1,06	1,3–1,5	1,25–1,4	1,2–1,4
Внутреннее сопротивление (Ом)	0,1–2	1–4	1–4	1–4	2
Теоретическая удельная емкость катода (Ач гр −1 )	0.187	0,193	0,141	0,22	0,271
Полезная емкость от теоретической (%)	60–75	60–75	60–75	60–75	60–75
Удельная энергия Втч кг −1	100–150	50–80	50–80	50–80	50–80
Плотность энергии L −1	180 –300	50–120	50–120	50–120	20–200
Рабочая температура (° C)	Между –60 и +65

Катоды

Для этого семейства батарей были предложены различные катоды.Выбор химического состава катода в этом случае очень гибкий. Среди многочисленных протестированных катодных материалов наиболее важными являются CuCl, AgCl ₂ , PbCl ₂ , Cu ₂ I ₂ , CuSCN и MnO ₂ . Во всех случаях анодная химическая реакция представляет собой окисление магния в воде с образованием иона магния.

Mg → Mg2 ++ 2e−

Реакция разряда магниевого анода в основном дает гидроксид магния по схеме:

Mg + 2OH− → MgOh3 + 2e−

Катодная реакция для всех материалов катода (что фактически простые соли), за исключением оксидов, представляет собой полное восстановление иона переходного металла до металлического состояния:

AgCl + e− → Ag + Cl−

PbCl2 + 2e− → Pb + 2Cl−

CuCl + e− → Cu + Cl−

В случае оксида марганца катодная реакция:

2MnO2 + h3O + 2e− → Mn2O3 + 2OH−

Два усовершенствованных катода, которые были разработаны и введены в практическое использование, состоят из соль переходного металла, смешанная с серой.Соответствующие схемы электрохимических реакций:

Cu2I2 / S + e− → 2Cu + 2I−

2CuSCN / S + 2e− → 2Cu + 2SCN−

Эти серосодержащие катоды демонстрируют потенциалы, которые выше, чем у ячеек с медной солью. Только. Предполагается, что во время разрядной реакции электрогенерированная медь вступает в реакцию с серой.

Все батареи этого семейства страдают различными недостатками, наиболее важным из которых является паразитная реакция коррозии, при которой магниевый анод напрямую реагирует с водой, выделяя газообразный водород, гидроксид магния и тепло.Кроме того, ни один из этих аккумуляторов не может храниться для дальнейшего использования после частичного разряда из-за реакции коррозии.

Водоактивированные магниевые батареи имеют только очень специализированное применение, в основном в военной, морской и авиационной областях. Некоторые из важных применений этих батарей — источники питания для гидроакустических буев, электрических торпед, метеорологических аэростатов, оборудования для спасения в воздухе и на море, пиротехнических устройств, морских маркеров и аварийных огней.

Недавний патент и документы описывают новую уникальную магниевую батарею, активируемую жидкостью.Эта батарея в основном представляет собой такую ​​же водоактивируемую батарею из хлористого магния и меди, но в новой конструкции она активируется мочой, и она сделана из тонких листов активных материалов, чтобы получить элемент толщиной с бумагу. Батарея с низким энергопотреблением и низкой плотностью энергии предназначена для домашнего использования в одноразовых медицинских устройствах, таких как тесты здоровья и анализ крови на сахар при диабете.

Магниевые тепловые батареи

Эта статья не будет полной без упоминания тепловой резервной батареи Mg / V ₂ O ₅ .Эта батарея, как следует из названия, состоит из магниевого анода, катода из оксида ванадия и смеси твердого хлорида лития и хлорида калия в качестве резервного электролита. Батарея активируется пиротехническим устройством, которое запускает и расплавляет солевую смесь. Температура плавления этой смеси составляет около 355 ° C.

Очевидно, что, как и все тепловые батареи, тепловая батарея Mg / V ₂ O ₅ является очень специализированной и предназначена только для использования в военных целях и в космосе.Эти батареи дороги, опасны и недолговечны. Основными преимуществами этих батарей являются их высокая удельная мощность, надежность и длительный срок хранения. Эти батареи, благодаря сложному механизму, специальному контейнеру и пиротехническому устройству внутри, обладают удельной плотностью энергии от низкой до умеренной.

Что такое тепловой разгон батарей?

Возможно, одним из самых значительных недостатков использования батарей является то, что они должны работать в относительно узком температурном диапазоне.Безопасность и стабильность аккумуляторных элементов зависят от поддержания внутренней температуры в определенных пределах. Если температура превысит критический уровень на любом конце, может произойти тепловой пробой, что приведет к разрушению батареи или, что еще хуже, к возгоранию.

Что такое тепловой разгон батарей?

Термический разгон — это цепная реакция в элементе батареи, которую очень трудно остановить после того, как она началась. Это происходит, когда температура внутри батареи достигает точки, вызывающей химическую реакцию внутри батареи.Эта химическая реакция производит еще больше тепла, что приводит к повышению температуры, вызывая дальнейшие химические реакции, которые создают больше тепла.

При тепловом разгоне температура аккумуляторных элементов повышается невероятно быстро (миллисекунды). Энергия, хранящаяся в этой батарее, высвобождается очень внезапно. Эта цепная реакция создает чрезвычайно высокие температуры (около 752 градусов по Фаренгейту / 400 градусов по Цельсию). Эти температуры могут вызвать выделение газа в батарее и возгорание, которое становится настолько горячим, что его почти невозможно потушить.

Опасности теплового разгона

Из-за теплового разгона литий-ионных аккумуляторов в последние годы возникли проблемы с носителями из-за аккумуляторов сотовых телефонов и ховербордов, вызывающих пожары в самолетах. Однако это может произойти со всеми типами батарей.

В крайних случаях тепловое разгонное устройство может вызвать взрыв аккумуляторов и вызвать возгорание. В незначительных случаях это может привести к расплавлению аккумуляторов или выходу из строя, не подлежащему ремонту.

К счастью, есть новые технологии, которые позволяют нам сделать батареи более безопасными и предотвратить причины этих цепных реакций.

Что вызывает тепловой сбой?

Несколько условий могут вызвать тепловой разгон батареи.

Температурный разгон может произойти из-за внутреннего короткого замыкания, вызванного физическим повреждением батареи или плохим обслуживанием батареи. Тот же тип сценария может вызвать внешнее короткое замыкание, которое также может запустить цепную реакцию.

Этот свинцово-кислотный аккумулятор в бульдозере полностью расплавился.

Избыточная зарядка аккумулятора сверх безопасного максимального напряжения (например, для увеличения расстояния, на которое может проехать электромобиль) может необратимо повредить аккумулятор и привести к тепловому разгоне.

Быстрая зарядка также может привести к тепловому разгоне, поскольку быстрая зарядка может привести к чрезмерным токам.

Наконец, температура вне безопасного диапазона на стороне низкого или высокого уровня ухудшает характеристики батареи. Это приводит к необратимому повреждению аккумулятора и возможному срабатыванию реакции.

Хотя опасность чрезмерного нагрева может быть очевидна, опасность чрезмерного холода может сбивать с толку. Функционирование литий-ионных батарей зависит от химических реакций.Чрезмерный холод может замедлить или остановить эти химические реакции.

Предотвращение теплового разгона батарей

Есть несколько способов снизить риск теплового разгона батарей. Давайте рассмотрим некоторые передовые методы и способы предотвратить это и защитить ваши батареи.

Надлежащая температура хранения

Один из простейших способов предотвращения теплового разгона — хранить батареи при безопасных температурах. Идеальная температура хранения для большинства литий-ионных батарей составляет от 40 до 70 градусов по Фаренгейту (5-20 градусов по Цельсию).Однако это может отличаться в зависимости от батареи и производителя, поэтому сверьтесь с этикеткой вашей конкретной батареи.

Здесь, в Dragonfly Energy, наши батареи имеют диапазон рабочих температур от -4 ° F до 140 ° F.

Правильная вентиляция

Один из самых простых способов поддерживать безопасную рабочую температуру — правильно проветривать батарейный отсек. Вся электроника, необходимая для управления вашей аккумуляторной системой, а также сами батареи выделяют тепло. Корпус улавливает все тепло, выделяемое батареями и электроникой, если вы не проветриваете должным образом.

Замените старые батареи

Пользователям

батареек необходимо не только бережно обращаться с батареями и использовать их, но и заменять их. Это связано с тем, что химические вещества и материалы со временем разлагаются.

Если у вас старый аккумулятор, который был незаряжен или недостаточно заряжен, возможно, в его корпусе скопились газы. В этом состоянии легко может взорваться аккумулятор.

Если вы видите деформированный или «пузырящийся» аккумулятор, не пытайтесь его зарядить.Правильно утилизируйте и замените деформированные батареи.

Не переплачивайте

Чрезмерная зарядка аккумулятора может вызвать электрохимическую реакцию, которая может привести к тепловому разгоне. По этой причине очень важно следить за состоянием заряда аккумулятора.

Предотвращает ли система управления батареями (BMS) термический пробой?

Большинство литий-ионных аккумуляторных батарей имеют встроенную систему управления батареями (BMS). Эта BMS служит центром управления аккумуляторной батареей.Это гарантирует, что аккумулятор будет работать в безопасных условиях.

Системы управления батареями имеют решающее значение для безопасной работы и оптимальной производительности литий-ионных батарей и помогают минимизировать возможность теплового разгона.

Все наши Dragonfly Energy Batteries (и наш потребительский бренд Battle Born Batteries) имеют встроенные системы управления батареями для защиты от перезарядки или недостаточной зарядки. Мы тестируем каждую батарею в рамках нашего обширного процесса обеспечения качества перед отправкой.

Как работает система управления батареями

Системы управления батареями (BMS) отслеживают и управляют напряжением ячеек, током ячеек, температурой ячеек, балансировкой заряда ячеек, контролем заряда и обнаружением внутреннего короткого замыкания.

По сути, BMS — это электронная система, которая управляет либо отдельной ячейкой, либо целым аккумулятором. Он отслеживает состояние батареи и сообщает данные. Он также защищает батарею (или элемент), контролируя или уравновешивая среду, в которой находится батарея (или элемент).

Например, если BMS обнаруживает, что температура слишком высокая, она может регулировать температуру, управляя охлаждающими вентиляторами. В качестве альтернативы, если аккумулятор или элемент не может быть охлажден и безопасные условия восстановлены, BMS отключает необходимые элементы для защиты всей системы.

Температурный побег можно предотвратить с осторожностью и надлежащей BMS

Нет сомнений в том, что тепловой разгон — серьезная проблема для всех аккумуляторных систем. Но при правильном уходе и управлении вашей системой вы можете свести к минимуму этот риск и пользоваться всеми преимуществами наличия заряда батареи, доступного вам в любое время.

Экспериментальное исследование самонагревающегося зажигания литий-ионных батарей во время хранения: влияние количества ячеек

Явление самонагревающегося зажигания

В целом, с точки зрения LiCoO ₂ ячеек при 30% SOC в наших экспериментах, их поведение при самонагревающемся воспламенении можно разделить на следующие три стадии: нагрев, самонагрев и тепловой разгон. На примере эксперимента с одной ячейкой при 173 ° C на рис. 2 представлены трехступенчатое явление самонагревающегося воспламенения и соответствующий температурный профиль.В таблице 3 также показаны критерии и наблюдения трех этапов.

Рис. 2

Три стадии самонагрева 1-элементного 30% SOC и соответствующие характеристики температуры и напряжения при температуре окружающей среды T _a = 173 ° C. Также показаны типичные проявления LIB на различных стадиях, включая набухание ячейки, утечку электролита, самонагрев и тепловой пробой

Таблица 3 Критерии и наблюдения трех стадий самонагревающегося зажигания

I этап:

Нагрев

Первая стадия начинается, когда ячейка нагревается значительно выше своей начальной температуры после того, как она помещена в печь.Температура ячейки увеличивалась от температуры окружающей среды до температуры печи. Во всех экспериментах клетки сначала начинали слегка набухать от средней стенки из-за теплового расширения. Когда температура была выше температуры начала разложения SEI, эта реакция начинала выделять газы, что приводило к дальнейшему набуханию клеток. Для экспериментов, когда T _a ≫ T _{a , cr} , на этом этапе наблюдалась утечка электролита.

Этап II:

Самонагревающийся

Вторая стадия характеризуется тем, что температура образца превышает температуру окружающей среды. Поскольку на этой стадии не наблюдается значительного повышения температуры, явного набухания не наблюдалось. Кроме того, на этой стадии часто наблюдалась утечка электролита, когда электролит начинал вытекать с положительной стороны, где есть предохранительное отверстие. Эта утечка приводит к постепенному изменению цвета катода с белого на желтый.Температура увеличивается по сравнению с окружающей температурой из-за самонагрева, а затем несколько снижается из-за тепловых потерь, вызванных утечкой электролита. После этого температура ячейки начала очень медленно повышаться. Когда утечка электролита закончилась, внешний вид ячейки не изменился, но ее температура продолжала расти. Накопление тепла на этой стадии может быть связано с разложением SEI, реакцией интеркалированного лития с электролитом, разложением катодно-положительного материала [4, 15] или химическим переходом между анодом и катодом [7].

III этап:

Тепловой разгон

При повышении температуры элемента произошел тепловой пробой, ведущий к возгоранию. Клетка быстро набухала за 2–3 с из-за быстрого внутреннего газообразования. Когда внутреннее давление превысило пороговое значение, произошла вентиляция, как показано на изображении стадии III, показанном на рис. 2. Виден некоторый дым, но во время всех экспериментов не наблюдалось никаких вспышек, огня или искр.

Более того, впервые в литературе мы обнаруживаем, что самонагревающееся возгорание не всегда приводит к вентиляции.Как показано на рис. 3 изображений ячеек после экспериментов, когда температура окружающей среды снизилась до 169 ° C для эксперимента с 1 ячейкой, самонагревающееся воспламенение ячейки также было зафиксировано на основе температурного профиля, но вентиляции не произошло. Во всех наших экспериментах зажигание без вентиляции происходило только в экспериментах с 1 и 2 элементами при их критической температуре воспламенения.

Рисунок 3

Изображения клеток после экспериментов. И термический разгон, и вентиляция произошли при T _a = 173 ° C (слева), но термический разгон произошел при T _a = 169 ° C без вентиляции (справа).Это первый случай, когда возникновение теплового разгона LIB из-за самонагрева без вентиляции было обнаружено в литературе.

Чтобы зафиксировать форму стопок и поддерживать контакт ячеек друг с другом, во всех элементах использовались проволоки. эксперименты. Этот метод заставлял вентиляцию происходить до теплового разгона для экспериментов с 3 и 4 ячейками, поскольку проволока ограничивает набухание ячеек, вызывая внешнее давление на поверхность ячейки. Потери тепла и массы из-за вентиляции добавляют дополнительный источник неопределенности в эксперименты, но в соответствии с полученными нами критическими температурами эти потери не оказывают значительного влияния на результаты.Без закрепления ячеек с помощью проводов самонагревающееся зажигание в экспериментах с 3 и 4 ячейками не происходило даже при критической температуре окружающей среды для 2 ячеек. Это связано с тем, что набухание ячейки делает ее поверхность искривленной, уменьшая площадь физического контакта между ячейками, уменьшая теплопередачу, и поэтому ячейки не ведут себя как одно тело. Кроме того, с точки зрения экспериментов с 1 и 2 ячейками, из-за небольшой деформации и набухания в целом закрепление проволоки не влияло на эксперименты каким-либо видимым образом.

Температура

На рис. 4a, b показан пример воспламенения и отсутствия воспламенения для конфигурации с 1 ячейкой, чтобы объяснить, как идентифицировать \ (T _ {{{\ text {a}}, c}} \) с использованием данных температуры. Элементы не удалось зажечь при температуре окружающей среды 162 ° C, но удалось достичь воспламенения при температуре окружающей среды 169 ° C. Что касается случаев отсутствия воспламенения, температура элемента сначала немного превышает температуру печи, а затем она охлаждается до температуры печи. Это связано с тем, что эта температура печи является наивысшей докритической температурой окружающей среды, однако выделение тепла из-за химической реакции, пропорциональное размеру образца, все же немного ниже, чем тепловые потери, пропорциональные поверхности образца.Что касается случая воспламенения, то тепловой разгон происходит через 106 мин, указывая на то, что элемент воспламенился при температуре печи 169 ° C, которая является самой низкой сверхкритической температурой окружающей среды. Следовательно, \ (T _ {{{\ text {a}}, c}} \) 1 ячейки составляет 165,5 ± 3,5 ° C.

Рисунок 4

Температура и напряжение 1-4 ячеек при 30% SOC экспериментируют как для критического воспламенения, так и для случаев отсутствия воспламенения. В левом столбце представлены случаи максимальных температур окружающей среды для отсутствия воспламенения, а в правом столбце — случаи минимальных температур окружающей среды для воспламенения для 1–4 ячеек.Температура для 1 ячейки — это температура поверхности T _с , а другие температуры — это центральная температура (температура между двумя центральными ячейками) T _c

Эксперименты с максимальными температурами окружающей среды для -Зажигание (слева) и эксперименты с минимальными температурами окружающей среды для воспламенения (справа) среди 1–4 ячеек показаны на рис. 4. По мере увеличения количества ячеек пиковая температура ячеек и минимальная температура окружающей среды для зажигания снижаются.Кроме того, в соответствии со случаями воспламенения на рис. 4, температура поверхности элемента на стадии самонагрева равна температуре окружающей среды \ (T_ {s} = T_ {a} \), что удовлетворяет граничному условию Франка- Каменецкого.

Время до теплового разгона и время на этапах I и II показано на рис. 5. Время до теплового разгона равно сумме времен этапов I и II. По мере увеличения количества ячеек время стадии I увеличивается линейно, в то время как время стадии II и время до теплового разгона увеличиваются нелинейно.

Рисунок 5

Время до теплового разгона и времена различных стадий. Время до теплового разгона — это сумма времени стадий I и II

Коэффициент теплопередачи

Эффективный коэффициент теплопередачи можно оценить, используя данные о температуре батареи на стадии нагрева на рис. 4. Согласно таблице 1 , только 1 ячейка и 2 ячейки имеют Bi <0,1. В этих условиях, основываясь на методе сосредоточенной емкости [32], мы имеем: \ (\ dot {Q} = Sh \ left ({T_ {a} - T_ {s}} \ right) = mc \ left ({dT_ {s} / dt} \ right) \) коэффициент теплопередачи равен \ (h = mc \ left ({dT_ {s} / dt} \ right) / S \ left ({T_ {a} - T_ {s } } \Правильно)\).

На рисунке 6 представлены графики dT _s / dt vs T _a — T _s для критических случаев зажигания 1 и 2 ячеек. Наклоны соответствуют \ (hS / mc \), которые можно использовать для извлечения коэффициента теплопередачи. Площадь поверхности \ (S \) рассчитывается с использованием трех длин сторон, а удельная теплоемкость \ (c \) составляет 990 Дж / кг-К из предыдущих экспериментальных измерений той же ячейки [27], а масса ячейки \ ( m \) равно 36.8 г. Следовательно, коэффициенты теплопередачи для разного количества ячеек могут быть рассчитаны и представлены в таблице 4. Конечный коэффициент теплопередачи, который мы выбрали для расчета числа Bi, составляет 11 Вт / м ² K.

Рисунок 6

Извлечение коэффициент теплопередачи \ (h \) из графиков dT _s / dt vs T _a — T _s , принимая случаи 1 ячейки (слева ) и 2 ячейки (справа).Наклоны пропорциональны \ (h \)

Таблица 4 Коэффициент теплопередачи для разного количества ячеек

Напряжение

На рисунке 4 показаны характеристики напряжения на трех ступенях и различные истории напряжения для отсутствия зажигания и зажигания. чехлы соответственно. Что касается случаев воспламенения, напряжения показывают аналогичные тенденции во всех экспериментах. На первом этапе напряжение уменьшается с увеличением температуры элемента, поскольку высокая температура может ускорить разрушение элементов [34].Всегда есть колебания, за которыми следует первое падение напряжения на этой стадии, что может быть сигналом начала внутренней побочной реакции, которая представляет собой разложение SEI, поскольку это рассматривается как первая побочная реакция во время теплового разгона [4]. На рис. 7 показано время до флуктуации напряжения в экспериментах и ​​соответствующие им температуры ячеек в это время. По мере повышения температуры окружающей среды время до колебания напряжения уменьшается. Это связано с тем, что для нагрева большего количества ячеек при более низкой температуре окружающей среды требуется больше времени.Однако независимо от того, сколько ячеек использовалось и какова была температура окружающей среды, температура элементов во время колебания напряжения составляет около 130 ° C, что близко к температуре начала разложения SEI в предыдущих исследованиях [4, 15] .

Рис. 7

(a) Время до колебания напряжения в экспериментах с 1–4 ячейками, и (b) температура ячейки в это время. Температура элементов была около 130 ° C, что является начальной температурой побочных реакций.

На второй стадии напряжение внезапно снижается до нуля сразу после утечки электролита.Когда утечка электролита прекращается, напряжение ячейки может быть снова обнаружено на стадии самонагрева. На рисунке 8 показана взаимосвязь между временем утечки электролита и временем до 2-го падения напряжения в трех экспериментах с одной ячейкой. Время до утечки электролита определяется как время, когда мы впервые наблюдали утечку электролита, и эти значения всегда были немного меньше времени до 2-го падения напряжения.

Рис. 8

Зависимость между временем утечки электролита и временем второго падения напряжения в трех экспериментах с одной ячейкой.Время утечки электролита всегда было немного меньше, чем время до 2-го падения напряжения, что показывает, что утечка электролита может привести к внутреннему короткому замыканию ячеек.

После 2-го падения напряжения напряжение медленно уменьшается. Это может быть вызвано побочными реакциями анода и катода при высоких температурах, которые могут увеличить внутреннее сопротивление, продолжая потреблять интеркалированный литий, образуя дополнительные газы и примеси [4].

На третьем этапе, когда температура начинает быстро расти, напряжение снова резко падает до нуля, что можно рассматривать как сигнал о воспламенении элемента.

Критическая температура воспламенения

На основании данных о температуре окружающей среды на рис. 4 определены критические температуры саморазогрева воспламенения элемента. Значения температуры 1, 2, 3 и 4 ячеек составляют 165,5 ± 3,5 ° C, 157 ± 2 ° C, 155 ± 2 ° C и 153 ± 2 ° C соответственно.

В этой работе показана четкая тенденция, а именно, что необходимая температура окружающей среды для саморазогрева воспламенения ячейки уменьшается по мере увеличения количества ячеек из-за эффектов теплопередачи, представленных в теоретическом разделе.Эта тенденция должна удовлетворяться не только для используемых здесь призматических ячеек, но и для ячеек любой другой формы, например, цилиндрических ячеек. Это связано с тем, что, хотя площадь проводящего контакта между цилиндрическими ячейками меньше, передача тепла между ячейками происходит за счет теплопроводности и излучения в воздушных зазорах. Критическая температура для 4 ячеек составляет 153 ° C, что все еще очень высоко по сравнению с температурой окружающей среды. Однако, когда элементы складываются штабелями на складах или отправляются грузом, количество ячеек относительно велико, и поэтому, исходя из этой критической тенденции окружающей среды, может произойти самонагревание ячеек и привести к пожарам.{2}} \ right) \) vs \ (1000 / T_ {a} \). Наилучшее линейное соответствие рассчитано на рисунке со значением R-квадрата 0,981. На рисунке 10 показан типичный график Франк-Каменецкого, который подтверждает, что допущения теории Франк-Каменецкого и одноступенчатые глобальные реакции Аррениуса могут быть применены. Участок Франк-Каменецкого также подтверждает, что возгорание вызвано самонагревом.

Рисунок 9

Критическая температура воспламенения, определенная для разного количества ячеек. Значения температуры 1, 2, 3 и 4 батарей — 165.5 ± 3,5 ° C, 157 ± 2 ° C, 155 ± 2 ° C и 153 ± 2 ° C соответственно

Рисунок 10

График Франк-Каменецкого для ячеек с катодным материалом LiCoO ₂ . Для извлечения эффективных кинетических и теплофизических параметров строится линейная аппроксимация.

Наклон прямой линии соответствует \ (- \ frac {E} {R} \), а точка пересечения по оси Y равна \ (ln \ left ({\ frac {E} {R} \ cdot \ frac {{f \ Delta H_ {c}}} {k}} \ right). \) Эффективная проводимость \ (k \) ячеек сильно зависит от катода. материалы [33].Для катодного материала LiCoO ₂ эффективная проводимость \ (k \) составляет 1,08 Вт / мК [33]. На основе этого извлекаются эффективная кинетика и тепловые свойства ячейки, как показано в таблице 5. Погрешности также показаны в таблице с использованием подгонок, которые дают максимально и минимально возможные эффективные кинетические и термические свойства из экспериментальных данных. . Эти данные, которые мы нашли в этой работе, могут способствовать предсказанию поведения воспламенения при самонагреве ячейки.

Таблица 5 Эффективная энергия активации \ (E \) и \ (ln \ left ({\ frac {{\ Delta H_ {c} fE}} {Rk}} \ right) \) ячейки при извлечении 30% SOC от Франк-Каменецкого, участок

Кинетика, которую мы количественно оценили, дана для 30% SOC, и эффективная кинетика и теплофизические свойства будут отличаться, если тот же самый LIB будет иметь более высокое SOC.Предыдущие исследования [19, 30] показывают, что LIB имеет более высокую реактивность, когда его SOC больше, и, следовательно, LIB с более высоким SOC с большей вероятностью самовоспламеняется.

Численное исследование самонагревающегося воспламенения ящика с литий-ионными батареями во время хранения

Для определения критической температуры окружающей среды T _{a, cr} , запускающей самонагревающееся воспламенение, проводится серия численных расчетов при различных температурах окружающей среды. . Все аккумуляторные элементы в ящике полностью заряжены и находятся в разомкнутой цепи.Проанализировано влияние химических дефектов, изоляционного материала и конфигурации насадки на критическую температуру окружающей среды T _{a, cr} .

Критическая температура окружающей среды

На Рисунке 4 показана температурная история как одноэлементной, так и аккумуляторной коробки, подвергшихся воздействию различных температур окружающей среды. Центральная ячейка в ящике является локальной горячей точкой из-за геометрической симметрии, и ее температура используется для оценки начала воспламенения. Прогнозируется, что T _{a, cr} для аккумуляторного отсека будет иметь температуру 125 ° C, что на 30 ° C ниже, чем у одиночного элемента.Это связано с тем, что условие рассеивания тепла для центральной ячейки в коробке менее эффективно, чем для одиночной ячейки, которая требует меньшего тепловыделения и, следовательно, более низкой температуры, чтобы претерпеть TR.

Рисунок 4

Расчетная температурная история отдельной ячейки (слева) и коробки (справа) при различных температурах печи. Вертикальная красная линия представляет время, когда начинает происходить TR (Цветной рисунок онлайн)

Время до TR

Числовые результаты показывают, что, хотя батарейный отсек может самовоспламеняться при более низкой температуре окружающей среды, время, необходимое для разгона, составляет намного длиннее.{2}}} \) в первый раз меняется с отрицательного на положительный. По истечении этого критического времени не только температура увеличивается со временем, но и скорость повышения температуры \ (\ frac {dT} {dt} \) начинает увеличиваться, что приводит к неконтролируемому повышению температуры и выходу из строя. Это время t _на , и температура ячейки в это время определяется как начальная температура ячейки T _на . Следует отметить, что T _на — это температура центральной точки системы, а T _{a, cr} — критическая температура окружающей среды.В этом случае одноэлементный элемент начинает термический разгон при t _на = 38 мин, в то время как t _на аккумуляторного ящика составляет 7,6 ч. T _на как для одиночной ячейки, так и для прямоугольника отмечен красной вертикальной линией, показанной на рис. 4. t _на является критерием для оценки начала TR. После этого момента, без применения каких-либо внешних мер для охлаждения системы, система может нагреться сама, что означает, что она уже переходит в опасное состояние. T _на опережает время, когда происходит резкое повышение температуры, которое можно назвать полностью развитым TR состоянием.

Распределение температуры внутри батарейного отсека

На рисунке 5 показано рассчитанное распределение температуры внутри отсека через 11 часов (Ta = 125 ° C). На данный момент коробка уже проходит ТР. Горячая точка расположена в центральной точке коробки из-за ее наименьшего тепловыделения из-за геометрической симметрии. Существует очевидная разница температур между разными ячейками, при этом температурный градиент внутри одной ячейки можно не учитывать. Это вызвано различием теплофизических свойств между батареями и воздухом.Батареи имеют гораздо большую объемную теплоемкость ρc _p , чем у воздуха, что означает, что элементы батареи обладают большей способностью накапливать энергию и поддерживать свою температуру. Распределение температуры центральной линии (черная пунктирная линия на рис. 5) как функция времени отслеживается для анализа развития TR, как показано на рис. 6. Из-за геометрической симметрии распределение температуры по оси y -направление такое же, как и в x-направлении.Ось x на рис. 5 нормирована на длину коробки. На ранней стадии резко повышается температура наружного слоя клеток. Через 5 часов аккумуляторные элементы в центральной части ящика достигают температуры окружающей среды. Тепло, выделяемое в результате побочных реакций, нагревает элементы батареи, в результате чего температура элементов превышает температуру окружающей среды. После накопления тепла в боксе еще в течение 2 ч температура центральной ячейки достигает условий TR.

Рисунок 5

Расчетное распределение температуры по средним плоскостям поперечного сечения внутри всего бокса (t = 11 ч, ​​T _a = 125 ° C).Темная пунктирная линия — это линия, которую мы использовали для последующего анализа истории распределения температуры.

Рисунок 6

Прогнозируемое распределение температуры на центральной линии в направлении x в разное время. Ось абсцисс нормирована на общую длину ящика (T _a = 125 ° C)

Химические реакции

Для анализа механизмов, инициирующих TR, изучается безразмерная концентрация реагентов, как показано на рис. 7. Все реагенты показывают очень похожие тенденции как для ячейки, так и для бокса. {» ‘} \) реакции и .{» ‘} $$

(16)

Прогнозы показаны на рис. 8. Левый график показывает мощность нагрева одной отдельной ячейки, а правый график показывает мощность нагрева всей коробки со 100 ячейками. Q _— достигает пика на ранней стадии, около 0,2 часа для одноэлементной и 3 часа для аккумуляторной коробки из-за разложения SEI. TR начинается через 38 мин для ячейки и 7,6 ч для бокса. По истечении этого критического времени реакция положительного электролита является доминирующей реакцией, запускающей TR для отдельного элемента, в то время как для аккумуляторного отсека реакция положительного электролита и реакция отрицательного электролита в равной степени участвуют в запуске TR.Это связано с тем, что батарейный отсек требует более низкой температуры для инициирования TR, а реакции при низкой температуре выделяют больше тепла для запуска TR. В то время как одноэлементный TR при относительно высокой температуре может инициировать TR только реакции при высокой температуре.

Рисунок 8

Прогнозируемая мощность нагрева реакций для одиночной ячейки (слева) и коробки (справа) при их критической температуре окружающей среды. Вертикальная красная линия представляет время, когда TR начинает иметь место (Цветной рисунок онлайн)

Эффекты энергии активации

Мы проводим анализ чувствительности по 24 входным параметрам для случая с одной ячейкой.Результаты показывают, что энергия активации положительной реакции Ep является наиболее чувствительным параметром для отдельной клетки. В этом случае мы также оцениваем влияние E _pe на T _{a, cr} для всего корпуса коробки. E _pe варьируется от 90 до 110% от базовой линии из таблицы 2. Расчетные результаты показаны на рис. 9. Он показывает, что E _pe также имеет большое влияние на T _{a, cr} ящик ячеек. При отклонении E _pe ± 10%, T _{a, cr} может либо снизиться до 65 ° C, либо повыситься до 165 ° C для коробки.

Рисунок 9

Прогнозируемое T _{a, cr} батарейного отсека с использованием другого E _pe (базовое значение взято из Hatchard et al. [26])

Влияние упаковочных материалов

Для хранения и транспортировки Для LIB требуется электрическая и механическая изоляция между ячейками, чтобы избежать коротких замыканий и механических столкновений. Доступно несколько видов материалов с различными теплофизическими свойствами, которые могут изменить самонагревание коробки.В этом исследовании мы анализируем три наиболее часто используемых упаковочных материала: пузырчатую пленку, полистирол и полиуретан. Теплофизические свойства этих трех материалов перечислены в таблице 3. Прогнозы показаны на рис. 10. T _{a, cr} коробки с разными упаковочными материалами оцениваются одинаково, 125 ° C, что указывает на то, что Тип изоляционных материалов оказывает незначительное влияние на T _{a, cr} . В основном это связано с тем, что теплопроводность k для всех трех упаковочных материалов аналогична теплопроводности батарей, которая на 2 порядка выше.Это означает, что упаковочные материалы обладают одинаковым порядком теплового сопротивления внутри системы боксов, в то время как тепловое сопротивление аккумуляторных элементов намного меньше, и им можно пренебречь. Это делает самонагревающийся розжиг коробки с этими упаковочными материалами практически идентичным.

Рисунок 10

Прогнозируемая температурная история центральной ячейки с различными изоляционными материалами. Все коробки с разными упаковочными материалами TR при 125 ° C

Влияние конфигурации упаковки

Не существует стандарта или руководства по расстоянию зазоров между соседними ячейками для упаковки LIB.Тем не менее, промышленность имеет тенденцию использовать меньшие зазоры, чтобы можно было штабелировать большее количество ячеек, при условии, что зазоры обеспечивают разумную защиту электрической изоляции и механической подушки. Зазор между ячейками может повлиять на критическое состояние самовоспламенения. Мы изучили влияние конфигурации упаковки с различным расстоянием между ячейками. Один и тот же ящик с размерами 0,208 м × 0,208 м × 0,075 м выбран для всех конфигураций упаковки, с разным количеством ячеек внутри (100, 49, 25 и 9 соответственно) и соотношением объемов батарей ко всей коробке χ = V _b / V _до равны 0.510, 0,250, 0,127 и 0,046 соответственно, как показано на рис. 11. Хотя предыдущий анализ показал, что коробка со всеми тремя типами упаковочных материалов имеет почти одинаковые характеристики самонагрева. Мы предполагаем, что промежутки между ячейками заполнены пузырчатой ​​пленкой. Теоретический случай, х = 1, рассматривается как крайний случай для сравнения. Прогнозы показаны на рисунке 12.

Рисунок 11

Схема доменов для различных конфигураций упаковки с использованием одного и того же блока (0.208 м × 0,208 м × 0,075 м) с ячейками 100, 49, 25 и 9. Соотношение объемов аккумуляторных элементов χ = V _b / V _box составляет 0,510, 0,250, 0,127 и 0,046 соответственно

Рисунок 12

Прогнозируемый T _{a, cr} для различных конфигураций упаковки. Тот же самый ящик, содержащий 9, 25, 49, 100 и 196 (теоретических) аккумуляторных элементов, с χ = 0,046, 0,127, 0,250, 0,510 и 1 соответственно

Интересно, что на рис. = 0.510 имеет самый низкий T _{a, cr} , что означает, что он имеет худшую термическую стабильность и может самовоспламеняться при самой низкой температуре окружающей среды. По сравнению с теоретическим условием, χ = 1, T _{a, cr} для сценария с χ = 0,510 примерно на 10 ° C ниже, что означает, что присутствие упаковочного материала действительно может значительно способствовать самонагревающемуся воспламенению. . Это связано с тем, что наличие теплоизоляции существенно меняет эффективные теплофизические свойства системы.

Для теоретического случая, χ = 1, он имеет максимальное количество ячеек батареи, а также самое высокое тепловыделение. Однако его способность рассеивать тепло также является самой сильной, потому что теплопроводность батарей более чем в 100 раз выше, чем у упаковочного материала. В этом идеальном сценарии тепловое сопротивление всей коробки намного ниже, чем в других сценариях, что приводит к более высокой устойчивости системы к температуре окружающей среды. С другой стороны, коробка с χ = 0.046 имеет минимальное количество аккумуляторных элементов, а также самое низкое тепловыделение. Однако он имеет такой же порядок теплового сопротивления, как и коробки с другими χ . Меньшее тепловыделение при том же тепловыделении приводит к тому, что коробка с χ = 0,046 имеет больший тепловой допуск и самовоспламенение при более высокой температуре.

Аккумуляторы | Бесплатный полнотекстовый | Экспериментальное исследование скорости тепловыделения при разряде ячеек пакета LiFePO4 различной номинальной емкости и толщины

Ячейки пакета LiFePO ₄ были подвергнуты испытаниям гальваностатического разряда в диапазоне температур окружающей среды от -10 ° C до 50 ° C с использованием экспериментального процедура, описанная в разделе 3.1. В следующем разделе будут представлены экспериментальные результаты, чтобы проиллюстрировать наблюдаемое влияние температуры окружающей среды, тока разряда и глубины разряда на скорость тепловыделения батареи при анализе в сочетании с емкостью батареи.

4.1. Влияние температуры

На рис. 3 показаны показатели тепловыделения, рассчитанные как функция глубины разряда для аккумуляторов LiFePO ₄ емкостью 8, 15 и 20 Ач, разряженных со скоростью 3 ° C при рабочих температурах (a) 50 ° C, (б) 20 ° C, (в) 5 ° C соответственно.Из рисунка 3а видно, что до DOD 35% кривые скорости тепловыделения для аккумуляторных батарей на 15 Ач и 20 Ач почти перекрывают друг друга. По мере того, как энергия, запасенная в этих ячейках, исчерпывается, две кривые начинают расходиться. В диапазоне DOD от 40% до 80% средняя скорость тепловыделения, определенная для аккумуляторного элемента на 15 Ач, на 0,65 Вт больше, чем наблюдаемая для аккумуляторного элемента на 20 Ач. В конце теста разряда разница увеличивается до 1,1 Вт. Напротив, скорость тепловыделения карманного элемента на 8 Ач значительно выше, чем у двух других элементов, почти на протяжении всего процесса разряда.

Фактически, карманный элемент на 8 Ач генерирует примерно на 1,5 Вт больше тепла, чем выделяемое элементом на 15 или 20 Ач в секунду в диапазоне DOD от 20% до 38% и почти на 1 Вт с этого момента до DOD 70%. Также видно, что, хотя показатели тепловыделения для аккумуляторного элемента на 8 Ач и пакетного элемента на 15 Ач приблизительно равны при DOD 95%, дополнительные 0,7 Вт должны быть отведены из элемента на 8 Ач в конце разряда. процесс, если его температура должна поддерживаться на уровне 50 ° C. Это заметное различие в скоростях тепловыделения трех ячеек пакета, работающих в идентичных условиях испытаний, можно объяснить изменением их внутреннего сопротивления, что подробно объяснено позже.Высокое внутреннее сопротивление приводит к увеличению скорости тепловыделения и, как следствие, к более высокой температуре элемента батареи, особенно на участках, близких к сердцевине элемента.

При сравнении графиков, показанных на рисунке 3a, с рисунком 3b, можно заметить заметное увеличение более чем на 125% скорости тепловыделения пакетного элемента на 20 Ач при снижении рабочей температуры элемента с 50 до 20 ° C. Это показатель плохих электрохимических характеристик и существенного падения циклической эффективности литий-ионных аккумуляторов при низких температурах.Довольно удивительно, что карманный элемент емкостью 8 Ач показывает только 60% -ное увеличение скорости тепловыделения, измеренного в аналогичных условиях. В результате, пакетный элемент емкостью 20 Ач, по-видимому, выделяет больше тепла, чем пакетный аккумулятор 15 Ач и 8 Ач на всех этапах цикла испытаний после достижения DOD 40%. К концу теста общее количество тепла, выделяемого пакетным элементом на 20 Ач, превышает тепло, выделяемое испытательной батареей 8 Ач, на целых 2,5 Вт; требуя пристального внимания при разработке TMS для того же самого.Тенденция, аналогичная наблюдаемой при 20 ° C для скорости тепловыделения трех испытательных ячеек, наблюдается при 5 ° C, как показано на рисунке 3c. В этом случае, однако, заметное изменение скорости тепловыделения пакетного элемента на 20 Ач очевидно с самого начала процесса разряда. Кроме того, наблюдается усиление общего тепла для всех трех тестовых аккумуляторных элементов, что свидетельствует о постоянном ухудшении их характеристик по мере снижения рабочей температуры. Первыми причинами этого можно считать пониженный массоперенос и вялую кинетику заряда.Тем не менее, процентное увеличение скорости тепловыделения для пакетной ячейки на 8 Ач в результате сдвига рабочей температуры с 50 на 5 ° C ниже, чем отношения, полученные для двух других испытательных ячеек. Следовательно, пакетный элемент емкостью 8 Ач, то есть толстый элемент, считается более эффективным в холодных климатических условиях, чем тестовые аккумуляторные элементы с тонкой геометрией. Таким образом, можно предположить, что при той же номинальной емкости литий-ионные элементы с более толстыми электродами в целом лучше подходят для низкотемпературных применений, чем элементы с тонкими пакетами.Толстый электрод обычно содержит больше активного материала, чем тонкий электрод того же общего объема. Соответственно, он обеспечивает более высокую производительность при любой конкретной температуре [68].

Преобразование электрической энергии в химическую форму во время зарядки и наоборот во время разряда электрохимического элемента — сложный процесс. Это происходит в несколько этапов, которые включают транспортировку положительных и отрицательных носителей заряда через различные части аккумуляторной батареи. Часть электрической энергии, хранящейся в ячейке, преобразуется в тепло, преодолевая при этом необратимость, связанную с этими процессами транспортировки.Различные компоненты, ответственные за эту необратимую потерю, могут быть перечислены следующим образом:

• Сопротивление, оказываемое диффузии ионов лития фазой раствора пористого электрода;

• Сопротивление разделителя ячеек диффузии литий-ионных ионов;

• Сопротивление межфазной границы твердого электролита ионам Li;

• Сопротивление твердой фазы пористого электрода переносу электронов через нее;

• Удельное сопротивление токоприемников.

Все эти резистивные компоненты зависят от температуры, и ими можно управлять с помощью продуманной конструкции ячеек. Конструкция аккумуляторного элемента может влиять как на электрохимические характеристики, так и на доступную емкость аккумулятора при определенных условиях эксплуатации. Например, толстый и сильный токоприемник благодаря своей высокой проводимости обеспечивает равномерное распределение тока в ячейке и сводит к минимуму любые температурные градиенты на нем [69]. Тем не менее, основными элементами, которые могут повлиять на внутреннее сопротивление элемента и, как следствие, на скорость тепловыделения в различных условиях окружающей среды, являются толщина и площадь поверхности электрода.Теоретически тонкий электрод обеспечивает более низкое внутреннее сопротивление диффузии ионов лития по сравнению с толстым электродом того же химического состава и общего объема [21,68]. Однако в реальных ситуациях можно считать, что основные части тонкой структуры электрохимической ячейки находятся в непосредственной тепловой близости от окружающей среды. Соответственно, при низких температурах окружающей среды основные части слоистой структуры тонкого пакетного элемента работают при более низкой температуре, чем внутренние части элемента с толстым аккумуляторным элементом.Поскольку более холодные области электрохимического элемента обычно обладают более высоким сопротивлением, чем другие области, можно объяснить высокую скорость тепловыделения элемента в 20 Ач или элемента с тонким пакетом по сравнению с двумя другими тестовыми батареями при рабочих температурах 20 ° C и ниже. Кроме того, эффективная плотность тока, соответствующая определенной скорости разряда, в толстой ячейке выше, чем в тонкой ячейке того же объема из-за меньшей площади поверхности. Высокая плотность тока дополнительно нагревает внутренние слои карманного элемента емкостью 8 Ач, что приводит к улучшенным характеристикам массопереноса и переноса заряда, тем самым способствуя превосходным характеристикам разряда.Не говоря уже о том, что большие токосъемные пластины и высокая концентрация тока возле контактов также могут быть причиной значительного тепловыделения для батарей с большим форм-фактором. По тем же причинам физика проблемы меняется на противоположную при температуре окружающей среды 50 ° C, при которой толстая конструкция ячейки становится ответственной за повышенную необратимую поляризацию, наблюдаемую в ячейке мешочка 8 Ач. Однако модульный TMS должен быть в состоянии приспособиться ячеек разного размера и разного отношения толщины без особого труда и, конечно, не требуя серьезных структурных модификаций [70].Поэтому ясно, что успех такой системы зависит от установления баланса между вышеупомянутыми источниками необратимого тепловыделения в литий-ионном аккумуляторном элементе. Анализ данных, собранных в этом исследовании, позволяет предположить, что ТМС, предназначенная для регулирования температуры исследуемых литий-ионных карманных ячеек на уровне 35 ° C, может соответствовать этому критерию, как показано на рисунке 4. Для транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания отдельный класс моторного масла используется для транспортных средств, работающих в холодном климате, по сравнению с теми, которые используются в географических регионах, обычно связанных с жаркой погодой.Тем не менее, необходимы дополнительные исследования с включением других факторов, таких как снижение емкости, износ и срок службы, чтобы подтвердить, что, аналогично случаю с моторным маслом, аккумуляторные элементы для электромобиля также можно разделить на две категории, а именно:

• толстых аккумуляторных элемента для электромобилей, которые должны эксплуатироваться при низких температурах окружающей среды, и

• тонких элементов для электромобилей, которые могут использоваться при температуре окружающей среды выше 35 ° C.

4.2. Комментарии к наличию «второго плато разряда»

О двух низкочастотных колебаниях в кривых тепловыделения элемента A123 20 Ач LiFePO ₄ сообщили Chen et al.[20]. Они заметили, что колебания были более заметными для аккумуляторных элементов, работающих с температурой поверхности выше 20 ° C. Подобные колебания, создающие впечатление плато вторичного разряда, ранее наблюдались для аккумуляторов с электродами LiMnO ₄ . Их присутствие в батареях LiMnO ₄ обычно объясняется феноменом двойного фазового перехода. Благодаря этому Chen et al. предположил наличие двойного фазового перехода и в батареях LiFePO ₄ .Сообщения, указывающие на наличие вторых плато разряда для батарей с NiOOH электродами, также можно найти в литературе [71,72,73,74]. Тем не менее, следует отметить, что образование изолирующей пленки на границе NiOOH / подложка было предложено в качестве причины появления второго плато. Считается, что изолирующая пленка заставляет проводимость активного материала постепенно снижаться в течение цикла разряда до тех пор, пока не будет достигнута стадия, на которой сопротивление электрода станет постоянным.Резкое увеличение сопротивления и, как следствие, скорости тепловыделения снова наблюдается ближе к концу цикла, что означает полное насыщение поверхности активного материала Ni (OH) ₂ [75]. Таким образом, потребуются дальнейшие исследования по изучению температурно-зависимых изменений топологии и микроструктуры ячеек, чтобы установить основную причину колебаний скорости тепловыделения элементов LiFePO ₄ . На рисунке 5 показаны скорости тепловыделения для тестовой батареи 20 Ач (а) при температуре окружающей среды 50 ° C с разной скоростью разряда 0.33C, 1C и 3C, (b) при скорости разряда 1C при температуре окружающей среды от -10 ° C до 50 ° C и (c) при 2C и 10 ° C и их сравнение с измеренными для A123 20 Ячейка с пакетом Ah. Из рисунка 5a видно, что скорость тепловыделения, соответствующая скорости разряда 0,33 ° C, носит эндотермический характер, что затрудняет определение области двойного фазового перехода в цикле. Необратимое тепло практически незначительно при низких значениях C (и высоких температурах окружающей среды). Это означает, что наблюдаемый эффект эндотермического нагрева является маркером эндотермической химической реакции или обратимого тепла в ячейке.Структурные изменения, связанные с деинтеркаляцией Li-ion, вызывают увеличение энтропии на аноде. Моноклинный фазовый переход на гексагональный на катоде еще больше усиливает этот эндотермический эффект нагрева. При более высоких скоростях разряда плато видна при глубине разряда примерно 35%, а затем примерно при глубине разряда 80%. Кроме того, рисунок 5b показывает, что количество колебаний увеличивается до трех и более при рабочих температурах ниже 20 ° C. Чтобы выяснить причину такого поведения, на Рисунке 5c сравниваются показатели тепловыделения для тестового аккумуляторного элемента 20 Ач и эталонного элемента A123 20 Ач при рабочей температуре 10 ° C и скорости разряда 2C.Результаты указывают на наличие нескольких плато скорости тепловыделения при низких температурах окружающей среды для аккумуляторного элемента A123 20 Ач в отличие от двух отдельных регионов, о которых сообщают Chen et. al. [20]. Фазовая задержка, то есть время, прошедшее между тепловыделением и измерением тепла, из-за больших постоянных времени калориметра, могла вызвать эту заметную волнистость, приводящую к платообразным характеристикам. Тем не менее, дальнейшие исследования в этом отношении могут оказаться полезными. Что еще более важно, на рисунке 5c показано замечательное различие, равное 2.5 Вт в показателях тепловыделения, измеренных для двух батарей, т. Е. Испытательного аккумуляторного элемента 20 Ач и эталонного элемента A123 20 Ач. Как правило, известно, что уменьшение размера частиц положительного электрода приводит к увеличению емкости батареи. Соответственно, в клетках A123 используется химия нанофосфатов с размером частиц 36,5 нм [76], в отличие от среднего размера частиц 300 нм, используемого другими производителями [77,78]. Однако было показано, что влияние размера активных частиц на скорость тепловыделения при скоростях разряда менее 2C практически незначительно [79].Следовательно, наблюдаемое изменение скорости тепловыделения может быть связано с разницей в толщине двух аккумуляторных элементов. На основании приведенной выше информации можно сделать вывод из данных, показанных на рисунке 5c, что тестовый аккумуляторный элемент выделяет гораздо меньше нагреваться при низких температурах окружающей среды, чем элемент на 20% тоньше при той же номинальной емкости. Это подтверждает выводы, сделанные в разделе 4.1 о влиянии температуры на тепловыделение в ячейках разной толщины.

4.3. Влияние скорости разряда

На рис. 5а представлен график скорости тепловыделения в зависимости от скорости разряда для тестовых батарей при температуре окружающей среды 50 ° C. Из рисунка видно, что величина скорости тепловыделения значительно увеличивается с увеличением скорости разряда. Аналогичное поведение можно ожидать для всех других рабочих температур, находящихся в пределах безопасности литий-ионных аккумуляторных элементов. Расчетная скорость тепловыделения как функция DOD для трех испытательных батарей при скорости разряда 1 ° C и температуре окружающей среды (a) 20 ° C, (b) 35 ° C и (c) 50 ° C показаны на рис. 6a – c соответственно.Кроме того, заключения о тепловом поведении этих элементов при скорости разряда 0,33 ° C и различных температурах окружающей среды: (a) 20 ° C, (b) 35 ° C и (c) 50 ° C, можно сделать на основании представленных данных. на Рисунке 7. Кроме того, в таблице 3 представлен краткий перечень измеренных показателей тепловыделения для трех испытательных батарей при различных температурах окружающей среды и скоростях разряда. пакетный элемент LiFePO ₄ указанной емкости в типичных условиях эксплуатации.На скорость тепловыделения аккумуляторного элемента с пористым электродом влияет скорость переноса ионов лития от поверхности частицы к месту реакции, вызывая процесс деинтеркаляции на отрицательном электроде и процесс интеркаляции на границе раздела положительный электрод / электролит. . Также было выявлено, что из-за большой разницы в значении коэффициента диффузии ионов лития в твердой (DLi <10−10 см2с − 1) и жидкой фазе (DLi ~ 10−5 см2с − 1) переходные процессы в в твердой части электрода и в объеме электролита различаются по порядку величины [80,81].Следовательно, для скоростей реакции 1C или меньше диффузия литий-иона в отрицательном электроде действует как механизм ограничения скорости для процесса разряда. При скорости разряда 3C он переключается на литий-ионный транспорт в электролите. Кроме того, движение литий-иона происходит по нелинейной траектории из-за ограничений, обеспечиваемых структурой типа оливина частиц LiFePO ₄ [82]. Таким образом, уменьшение толщины электрода уменьшает мгновенную диффузионную толщину, которая является расстоянием от внутренняя фазовая граница с поверхностью частицы, и использование материала в качестве частиц не успевает поглотить носители заряда.Напротив, увеличение толщины электрода при сохранении постоянной емкости ячейки увеличивает эффективную загрузку активного материала на единицу объема. В результате пористость ячейки уменьшается, тогда как толщина покрытия активного материала увеличивается, что приводит к удлинению пути диффузии ионов лития в твердом электроде, вызывая увеличение концентрационной поляризации и, как следствие, скорости тепловыделения [75,80 ]. Это может объяснить почти перекрывающиеся темпы тепловыделения для трех испытательных батарей на определенных этапах испытания характеристик, проводимого при скоростях разряда ниже 1С.Однако, судя по профилям, показанным на рис. 3, рис. 4, рис. 5, рис. 6 и рис. 7, можно сделать вывод, что влияние диффузионной толщины на интенсивность тепловыделения аккумулятора затмевает влияние разнородных переходных процессов для твердой и электролитной фаз. Кроме того, преимущественно нелинейные профили тепловыделения, записанные для процесса разряда 1С, показанные на рисунке 6, можно описать S-образной кривой. В литературе отмечалось, что изменение энтропийного коэффициента с DOD для электродов LiFePO ₄ демонстрирует аналогичную тенденцию [21].Он увеличивается в виде энтропийного тепла и впоследствии отражается на скорости тепловыделения. Однако отношение обратимой теплоты к необратимой является обратной функцией тока. Следовательно, влияние обратимого тепла на профиль общего тепла постепенно уменьшается по мере увеличения скорости разряда, что приводит к квазилинейному поведению, показанному на рисунке 3. Наконец, из рисунка 7a можно увидеть, что для рабочей температуры 20 ° C и при скорости разряда 0,33 ° C общее тепло, выделяемое LiFePO ₄ , является эндотермическим в течение первой половины цикла разряда.После этого он переходит в экзотермический режим во второй части цикла. Напротив, он является эндотермическим на протяжении всего цикла для рабочих температур 35 ° C и 50 ° C, как видно из рисунков 7b и 7c, соответственно. Соответственно, потребуется TMS меньшего размера для поддержания литий-ионной аккумуляторной батареи при постоянной температуре 35 или 50 ° C, чем, скажем, 25 ° C. Однако с точки зрения безопасности рабочая температура 35 ° C имеет приоритет над рабочей температурой 50 ° C.Таким образом, эксплуатация аккумуляторной TMS при температуре 35 ° C не только упрощает конструкцию модульной аккумуляторной TMS-системы, но также способствует облегчению транспортного средства за счет ограничения пассивной нагрузки электромобиля до минимального уровня.

% PDF-1.5 % 1 0 объект > эндобдж 4 0 obj (Список таблиц) эндобдж 5 0 obj > эндобдж 8 0 объект (Список рисунков) эндобдж 9 0 объект > эндобдж 12 0 объект (Вступление) эндобдж 13 0 объект > эндобдж 16 0 объект (Литий-ионные батареи) эндобдж 17 0 объект > эндобдж 20 0 объект (Компоненты литий-ионной батареи) эндобдж 21 0 объект > эндобдж 24 0 объект (Электрохимические механизмы литий-ионной батареи) эндобдж 25 0 объект > эндобдж 28 0 объект (Типы литий-ионных батарей) эндобдж 29 0 объект > эндобдж 32 0 объект (Мотивация для этой работы) эндобдж 33 0 объект > эндобдж 36 0 объект (Объем и содержание данной диссертации) эндобдж 37 0 объект > эндобдж 40 0 объект (Количественная оценка влияния температуры на характеристики литий-ионных батарей) эндобдж 41 0 объект > эндобдж 44 0 объект (Литературный обзор) эндобдж 45 0 объект > эндобдж 48 0 объект (Экспериментальная установка) эндобдж 49 0 объект > эндобдж 52 0 объект (Сравнение методов контроля температуры батареи) эндобдж 53 0 объект > эндобдж 56 0 объект (Влияние рабочей температуры на характеристики разряда батареи) эндобдж 57 0 объект > эндобдж 60 0 объект (Калориметрические измерения призматических литий-ионных батарей) эндобдж 61 0 объект > эндобдж 64 0 объект (Литературный обзор) эндобдж 65 0 объект > эндобдж 68 0 объект (Дизайн аппарата) эндобдж 69 0 объект > эндобдж 72 0 объект (Условия и процедура эксперимента) эндобдж 73 0 объект > эндобдж 76 0 объект (Сжатие данных) эндобдж 77 0 объект > эндобдж 80 0 объект (Калибровка) эндобдж 81 0 объект > эндобдж 84 0 объект (Результаты и обсуждение) эндобдж 85 0 объект > эндобдж 88 0 объект (Влияние скорости сброса на скорость производства тепла) эндобдж 89 0 объект > эндобдж 92 0 объект (Влияние рабочей температуры на скорость тепловыделения) эндобдж 93 0 объект > эндобдж 96 0 объект (Подтверждение результатов) эндобдж 97 0 объект > эндобдж 100 0 объект (Выводы) эндобдж 101 0 объект > эндобдж 104 0 объект (Резюме) эндобдж 105 0 объект > эндобдж 108 0 объект (Рекомендации) эндобдж 109 0 объект > эндобдж 112 0 объект (Использованная литература) эндобдж 113 0 объект > эндобдж 116 0 объект (Приложение A: Влияние рабочей температуры на кривые разряда батареи) эндобдж 117 0 объект > эндобдж 120 0 объект (Приложение B: Влияние скорости разряда на тепловыделение батареи) эндобдж 121 0 объект > эндобдж 124 0 объект (Приложение C: Влияние рабочей температуры на тепловыделение батареи) эндобдж 125 0 объект > эндобдж 128 0 объект> транслировать xuMo0: @ [- XyaAsDda ~ ҝ × KF ք Mx [«rҬg2 ᆚ ڐ fIoe%.! Bǰpa ݭ; FJǰzðE @ 3? Qz

Методы и системы нагрева батарей

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ЗАЯВКИ

В данной заявке на патент испрашивается приоритет китайской патентной заявки CN 201810133183.2, поданной 9 февраля 2018 г. и озаглавленной «Нагрев аккумуляторной батареи с чистым внутренним сопротивлением. Система », все содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ CROSS

Эта заявка на патент относится к батареям и, в частности, к способам и системам для предварительного нагрева батареи в холодных условиях и предварительного нагрева стандартных батарей без необходимости каких-либо изменений существующей геометрии батареи.

Уровень техники

Вторичные батареи, особенно литий-ионные (Li-ion) батареи, широко используются в повседневной жизни. Из-за их высокой плотности энергии, удельной энергии и низкой скорости выцветания литий-ионные батареи стали незаменимым компонентом на рынке электромобилей (EV) и гибридных электромобилей (HEV). Тем не менее литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к своей рабочей температуре. Чрезвычайно низкая температура может существенно снизить доступную энергию, которая может быть разряжена от батарей, а также может запустить процесс литиевого покрытия на анодах батареи во время последовательности зарядки, что ускоряет процесс уменьшения емкости и может вызвать проблемы безопасности, такие как внутреннее короткое замыкание.Следовательно, при низкой температуре функциональность устройств с литий-ионным аккумулятором может быть нарушена. Например, радиус действия электромобиля будет сокращен, а рекуперация энергии обычно отключена; мобильный телефон можно автоматически выключить; и вспышку нельзя использовать с цифровой камерой. Следовательно, технология быстрого предварительного нагрева необходима для правильной работы системы накопления энергии литий-ионной батареи.

Квалифицированная система предварительного нагрева литий-ионной батареи должна быть способна определять температуру батареи (или аккумуляторного блока) и предварительно нагревать аккумулятор (или аккумуляторный блок), когда температура ниже заданного значения, и должна обеспечивать, чтобы каждая батарея в аккумуляторе пакет нагревается равномерно с максимальным перепадом температур в пределах 5 ° C., таким образом продлевая срок службы аккумулятора (аккумуляторного блока). Кроме того, система предварительного нагрева, которая быстро нагревает аккумулятор (или аккумуляторный блок) с высокой эффективностью, будет способствовать дальнейшему применению и развитию устройств с литий-ионным аккумулятором в холодных регионах и странах.

На сегодняшний день существует четыре основных системы подогрева батареи: система обогрева с принудительной конвекцией, система обогрева переменного тока (AC), система внешнего резистивного обогрева и встроенная резистивная система обогрева.Если рассматривать их по отдельности, то системы принудительной конвекции и внешнего резистивного обогрева нагревают батарею с поверхности, что требует больше времени для нагрева, когда батарея толстая. Для сравнения, система обогрева переменного тока и встроенные резистивные системы обогрева нагревают батарею изнутри. Система обогрева переменного тока заряжает и разряжает аккумулятор (или аккумуляторный блок) с высокой частотой, чтобы генерировать джоулевое тепло для нагрева аккумулятора (или аккумуляторного блока). Однако это занимает относительно больше времени и приводит к снижению емкости батареи при длительном использовании.В последние годы была изобретена конструкция, которая собирает нагревательный резистор внутри литий-ионной батареи, которая может поднять температуру батареи с -30 ° C до 0 ° C за одну минуту. Эта конструкция очень эффективна и действенна, но она требует изменения конструкции литий-ионной батареи и применима только к пакетным и призматическим литий-ионным батареям и не включает цилиндрические литий-ионные батареи, которые имеют более высокую плотность хранения энергии. Кроме того, конструкция батареи должна учитывать этот дополнительный внутренний компонент в процессе проектирования.

Соответственно, было бы полезно предоставить разработчикам устройств литий-ионных аккумуляторов способ быстрого и эффективного предварительного нагрева литий-ионных аккумуляторов, не требуя, чтобы они ограничивались конкретными конструкциями литий-ионных аккумуляторов и производителями и т. Д. Метод и система предварительного нагрева батареи, совместимые с любой литий-ионной батареей, были бы предпочтительны.

Другие аспекты и особенности настоящего изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники после ознакомления с нижеследующим описанием конкретных вариантов осуществления изобретения вместе с сопровождающими фигурами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является смягчение ограничений в рамках известного уровня техники, относящихся к батареям, и более конкретно к способам и системам для предварительного нагрева батареи в холодных условиях и предварительного нагрева стандартных батарей без изменения существующей геометрии батареи.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения предоставляется система, содержащая:

• , обеспечивающий аккумулятор;
,
• , обеспечивающий схему предварительного нагрева для предварительного нагрева батареи, содержащую датчик тока, соединенный последовательно с электрическим переключателем, соединенным последовательно с батареей, и датчиком температуры, находящимся в тепловом контакте с батареей; и
• , обеспечивающий контроллер или схему управления, соединенную с датчиком тока, датчиком температуры и электрическим переключателем; при этом
,
• , в первой конфигурации, где температура батареи выше заданной температуры, электрический переключатель разомкнут, и батарея может разряжаться во внешнюю цепь;
,
• , во второй конфигурации, где температура батареи ниже заданной температуры, электрический выключатель замыкается так, что батарея замыкается накоротко и нагревается посредством джоулевого нагрева через ее внутреннее сопротивление, и если протекающий ток ниже заданного максимального тока электрический выключатель остается замкнутым; и
• в третьей конфигурации, в которой температура батареи ниже заданной температуры, но замыкание электрического переключателя так, что батарея замыкается накоротко и нагревается посредством джоулева нагрева через ее внутреннее сопротивление, в результате протекающий ток превышает заданный максимальный ток. электрический выключатель модулируется, чтобы поддерживать текущий ток ниже заданного максимального значения.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения предоставляется способ, содержащий:

• обеспечение батареи;
,
• , обеспечение схемы предварительного нагрева для предварительного нагрева батареи, содержащей датчик тока, соединенный последовательно с электрическим переключателем, соединенным последовательно с батареей, и датчиком температуры, находящимся в тепловом контакте с батареей; и
• , обеспечивающий контроллер или схему управления, соединенную с датчиком тока, датчиком температуры и электрическим переключателем; при этом
,
• , в первой конфигурации, где температура батареи выше заданной температуры, электрический переключатель разомкнут, и батарея может разряжаться во внешнюю цепь;
• во второй конфигурации, где температура батареи ниже заданной температуры, электрический выключатель замыкается так, что батарея замыкается накоротко и нагревается посредством джоулевого нагрева через ее внутреннее сопротивление, и если протекающий ток ниже заданного максимального тока электрический выключатель остается замкнутым; и
• в третьей конфигурации, где температура батареи ниже заданной температуры, но замыкание электрического переключателя так, что батарея замыкается накоротко и нагревается посредством джоулева нагрева через ее внутреннее сопротивление, в результате протекающий ток превышает заданный максимальный ток. электрический выключатель модулируется, чтобы поддерживать текущий ток ниже заданного максимального значения.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения предоставляется энергонезависимый энергонезависимый машиночитаемый носитель, хранящий выполняемые компьютером инструкции для выполнения микропроцессором, причем инструкция, относящаяся к процессу, включает этапы:

• определение превышает ли температура батареи предварительно определенную заданную температуру;
• при положительном определении относительно температуры размыкания электрический выключатель, образующий часть электрической цепи, вместе с датчиком тока, расположенным последовательно с аккумулятором;
• при отрицательном определении температуры замыкания электрического переключателя, так что батарея замыкается накоротко через внешнюю электрическую цепь и нагревается за счет джоулевого нагрева через свое внутреннее сопротивление;
,
• , определение, ниже ли ток, протекающий в электрической цепи, когда электрический переключатель замкнут, заранее заданный максимальный ток;
• при положительном определении тока, поддерживающего электрический выключатель в замкнутом состоянии; и
• при отрицательном определении в отношении тока, модулирующего электрический переключатель, чтобы поддерживать текущий ток ниже заранее определенного максимального тока.

Другие аспекты и особенности настоящего изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники после просмотра нижеследующего описания конкретных вариантов осуществления изобретения вместе с сопровождающими фигурами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления настоящего изобретения теперь будут описаны только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1А изображена упрощенная принципиальная электрическая схема системы аккумуляторного обогрева согласно варианту осуществления изобретения;

РИС.1B изображает упрощенные принципиальные схемы системы обогрева батареи согласно варианту осуществления изобретения, обращающегося к нескольким батареям или аккумуляторным блокам, содержащим несколько батарей;

РИС. 2 изображает примерный технологический процесс для системы обогрева батареи согласно варианту осуществления изобретения;

РИС. 3 изображен температурный профиль стандартной литий-ионной батареи типа 18650, использующей систему предварительного нагрева батареи согласно варианту осуществления изобретения с начальной температурой батареи -30 ° C.индикация достижения внутренней температуры 0 ° C в течение приблизительно 45 секунд; и

РИС. 4 показаны кривые разряда для литий-ионных аккумуляторов типа 18650 при комнатной температуре (25 ° C), при -30 ° C без предварительного нагрева и при -30 ° C с системой предварительного нагрева аккумулятора согласно варианту осуществления изобретение.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Настоящее описание направлено на батареи и, в частности, на способы и системы для предварительного нагрева батареи в холодных условиях и предварительного нагрева стандартных батарей без изменения существующей геометрии батареи.

Последующее описание предоставляет только репрезентативные варианты осуществления и не предназначено для ограничения объема, применимости или конфигурации раскрытия. Скорее, последующее описание варианта (ов) осуществления предоставит специалистам в данной области полезное описание для реализации варианта осуществления или вариантов осуществления изобретения. Следует понимать, что различные изменения могут быть внесены в функции и расположение элементов без отступления от сущности и объема, изложенных в прилагаемой формуле изобретения.Соответственно, вариант осуществления является примером или реализацией изобретения, а не единственной реализацией. Различные варианты появления «одного варианта осуществления», «варианта осуществления» или «некоторых вариантов осуществления» не обязательно все относятся к одним и тем же вариантам осуществления. Хотя различные признаки изобретения могут быть описаны в контексте одного варианта осуществления, эти признаки также могут быть предоставлены отдельно или в любой подходящей комбинации. И наоборот, хотя изобретение может быть описано здесь в контексте отдельных вариантов осуществления для ясности, изобретение также может быть реализовано в единственном варианте осуществления или в любой комбинации вариантов осуществления.

Ссылка в описании на «один вариант осуществления», «вариант осуществления», «некоторые варианты осуществления» или «другие варианты осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантами осуществления, включены по меньшей мере в один вариант осуществления, но не обязательно все варианты осуществления изобретения. Используемые здесь фразеология и терминология не должны рассматриваться как ограничивающие, а предназначены только для описательных целей. Следует понимать, что если формула изобретения или описание относятся к элементу «a» или «an», такая ссылка не должна толковаться как имеющая только один из этих элементов.Следует понимать, что если в спецификации указано, что характеристика, структура или характеристика компонента «может», «может», «может» или «может» быть включена, этот конкретный компонент, функция, структура или характеристика не требуется. быть включенным.

Ссылки на такие термины, как «левый», «правый», «верхний», «нижний», «передний» и «задний» предназначены для использования в отношении ориентации конкретной функции, структуры или элемента в пределах фигуры, изображающие варианты осуществления изобретения.Было бы очевидно, что такая направленная терминология применительно к фактическому использованию устройства не имеет конкретного значения, поскольку устройство может использоваться пользователем или пользователями во множестве ориентаций.

Ссылка на термины «включая», «содержащий», «состоящий» и их грамматические варианты не исключает добавления одного или нескольких компонентов, функций, шагов, целых чисел или их групп, и что эти термины не должны толковаться как определяющие компоненты, функции, шаги или целые числа.Аналогичным образом, фраза «состоящий по существу из» и ее грамматические варианты при использовании в данном документе не должны толковаться как исключающие дополнительные компоненты, этапы, целые числа функций или их группы, а скорее, что дополнительные функции, целые числа, этапы, компоненты или их группы не изменяют существенно основные и новые характеристики заявленной композиции, устройства или способа. Если спецификация или формула относятся к «дополнительному» элементу, это не исключает наличия более одного дополнительного элемента.

«Перезаряжаемая батарея», также известная как аккумуляторная батарея, вторичный элемент или аккумулятор, представляет собой тип электрической батареи, которую можно заряжать, разряжать в нагрузку и многократно перезаряжать, в отличие от одноразовой или первичной батареи, которая поставляется полностью заряженным и утилизируется после использования. Он состоит из одной или нескольких электрохимических ячеек. Термин «аккумулятор» используется, поскольку он накапливает и накапливает энергию посредством обратимой электрохимической реакции. Перезаряжаемые батареи производятся во многих различных формах и размерах, от кнопочных элементов до мегаваттных систем, подключенных для стабилизации электрической распределительной сети.Используются несколько различных комбинаций электродных материалов и электролитов, в том числе свинцово-кислотный, никель-кадмиевый (NiCd), никель-металл-гидридный (NiMH), литий-ионный (Li-ion), ион алюминия (Al-ion) и литий. -ионный полимер (Li-ion полимер).

Литий-ионная батарея или «литий-ионная» батарея (часто сокращенно LIB), используемая в данном документе и во всем этом раскрытии, относится к типу перезаряжаемой батареи, в которой ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному электроду во время разряда. и обратно при зарядке.Литий-ионные батареи используют интеркалированное соединение лития в качестве материала одного электрода, по сравнению с металлическим литием, используемым в неперезаряжаемой литиевой батарее. Электролит, обеспечивающий движение ионов, и два электрода являются составными компонентами литий-ионного аккумуляторного элемента. Химический состав, производительность, стоимость и характеристики безопасности различаются в зависимости от типа LIB. В портативной электронике в основном используются LIB на основе оксида лития-кобальта (LiCoO ₂ ), который обеспечивает высокую плотность энергии, но представляет угрозу безопасности, особенно при повреждении.Литий-железо-фосфатный (LiFePO ₄ ), литий-ионная батарея с оксидом марганца (LiMn ₂ O ₄ , Li ₂ MnO ₃ или LMO) и литий-никель-марганцевый оксид кобальта (LiNiMnCoO ₂ или NMC ) предлагают более низкую плотность энергии, но более длительный срок службы и меньшую вероятность неблагоприятных событий при использовании в реальном мире (например, пожара или взрыва). Такие батареи широко используются для электрических инструментов, медицинского оборудования и других ролей. NMC, в частности, является ведущим претендентом на автомобильную промышленность, в то время как оксид лития, никеля, кобальта, алюминия (LiNiCoAlO ₂ или NCA) и титанат лития (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ или LTO) обычно считаются специальными конструкциями, предназначенными для особые нишевые роли.Новые конструкции литий-серных батарей обещают более высокое отношение производительности к массе, хотя и с более низким напряжением при 2,0 В. В большинстве перезаряжаемых цилиндрических элементов используется химический состав с номинальным напряжением около 3,7 вольт, но элементы LiFePO ₄ вырабатывают только 3,2 вольт.

Батарея типа «18650» или «18650», используемая в данном документе и во всем этом раскрытии, относится к литий-ионной батарее, обеспечивающей типичную емкость между 1500-3600 мАч и имеющую размеры максимального диаметра 18,6 мм (0,75 дюйма) и длины. 65.2 мм (2,6 дюйма). Такие литий-ионные аккумуляторы типа 18650 используются во многих аккумуляторах портативных компьютеров, светодиодных фонариках, электронных сигаретах, беспроводных электроинструментах и ​​электромобилях Tesla, таких как Tesla Roadster, Tesla Model S и Tesla Model X. Также могут упоминаться аккумуляторы типа 18650. как батареи типа 168A.

«Датчик тока», используемый здесь и во всем этом раскрытии, относится к устройству, которое обнаруживает электрический ток в проводнике, например провод и генерирует сигнал, пропорциональный этому току.Сгенерированный сигнал может быть аналоговым напряжением или током или даже цифровым выходом и может затем использоваться для отображения измеренного тока, сохраняться для дальнейшего анализа в системе сбора данных или может использоваться в целях управления. Примеры датчиков тока, совместимых с измерениями постоянного тока (DC), включают, помимо прочего, датчики на эффекте Холла, резисторы и трансформаторы с магнитным полем. Примеры датчиков тока, совместимых с измерениями переменного тока (AC), включают, помимо прочего, датчики на эффекте Холла, трансформаторы, феррозащитные трансформаторы, резисторы и катушки Роговского.Катушка Роговского обычно подключается к электрической (или электронной) схеме интегратора для обеспечения выходного сигнала, который пропорционален току и, следовательно, часто подключается к однокристальным сигнальным процессорам со встроенными аналого-цифровыми преобразователями и т. Д.

An “ «электрический переключатель», используемый здесь и во всем этом раскрытии, относится к электрическому компоненту, который может «замыкать» или «разрывать» электрическую цепь, прерывая ток или отклоняя его от одного проводника к другому. Примеры электрических переключателей с электрическим управлением в отличие от других, таких как термически активируемые, механически активируемые, оптически активируемые и т. Д.включают реле, твердотельные реле, транзисторы, полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), силовой транзистор и т. д. в соответствии с требованиями к напряжению и току, с которыми электрический переключатель должен работать вместе со скоростью переключения, частотой переключения и т. д.

Варианты осуществления изобретения описаны и изображены применительно к литий-ионной аккумуляторной батарее типа 18650. Однако варианты осуществления изобретения могут использоваться с другими литий-ионными аккумуляторными батареями, включая, помимо прочего, 10180, 10280, 10440, 14250, 14430, 14500, 14650, 15270, 16340, 16650, RCR 123A, 17500, 17670, 18350, 18490, 18500, 20700, 21700, 25500, 26650, 32600, 32650 и 75400.Также очевидно, что варианты осуществления изобретения могут использоваться с аккумуляторными блоками и / или блоками питания, которые объединяют несколько литий-ионных перезаряжаемых аккумуляторов в один корпус, например, используемый, например, в съемной батарее портативного компьютера, аккумуляторной батарее. комплект для портативных электроинструментов, внутри электромобиля и т. д.

Кроме того, хотя варианты осуществления изобретения описаны и изображены в отношении литий-ионных аккумуляторных батарей, представленные способы и системы будут совместимы с другими технологиями вторичных аккумуляторных батарей.Например, варианты осуществления изобретения совместимы с технологией литий-ионных аккумуляторов, технологией литий-ионных полимерных аккумуляторов, технологией алюминиево-ионных аккумуляторов, технологией аккумуляторов Ni-MH и технологией аккумуляторов Ni-Cd.

Варианты осуществления изобретения используют управляемое соединение положительных и отрицательных контактов (выводов) литий-ионной батареи (или аккумуляторного блока) через внешнюю схему управления, которая нагревает аккумулятор (или аккумуляторный блок) путем генерирования непрерывного и импульсного тока на внутреннее сопротивление аккумулятора (или аккумуляторного блока).Как показано на фиг. 1A схематически изображен вариант осуществления изобретения, содержащий батарею , 150, , датчик температуры, соединенный с батареей , 150, , вместе с датчиком тока , 120, и электрический переключатель , 130, , расположенный в электрической цепи между положительным табуляция и отрицательная табуляция. Датчик тока 120 , электрический переключатель 130 и датчик температуры 140 соединены со схемой управления 110 .Схема управления может быть схемой управления на основе микропроцессора, специализированной интегральной схемой (ASIC), программируемой вентильной матрицей (FPGA), микроконтроллером и т. Д. В зависимости от ситуации.

Во время стадии нагрева внешняя схема управления устанавливает замкнутый контур с аккумулятором (или аккумуляторным блоком) через датчик тока 120 и электрический переключатель 130 . Из-за значительного увеличения внутреннего сопротивления аккумулятора (или аккумуляторного блока) при низкой температуре ток контура на начальном этапе будет на низком уровне и в безопасном диапазоне.Джоулевое тепло, выделяемое на этом этапе, нагревает батарею с высокой скоростью. По мере повышения температуры аккумулятора (или аккумуляторного блока) внутреннее сопротивление аккумулятора (или аккумуляторного блока) будет постепенно падать, и ток контура превысит безопасный максимальный ток разряда. На этом этапе внешняя цепь управления будет размыкать и замыкать электрический переключатель , 130, в импульсном режиме, чтобы гарантировать, что ток контура находится в пределах безопасного максимального тока разряда, тем самым нагревая аккумулятор (или аккумуляторный блок) как можно быстрее.

Соответственно, варианты осуществления изобретения используют новую технику для предварительного нагрева вторичной батареи, батарей, батарейного блока или батарейных блоков с использованием джоулева тепла, генерируемого током, протекающим через внутреннее сопротивление батареи (или батарейного блока). Соответственно, в системе нагрева с внутренним сопротивлением, показанной на фиг. 1A, система использует внешнюю схему управления для замыкания и размыкания контура, образованного батареей (или батарейным блоком), для генерации непрерывных и импульсных токов и выработки джоулева тепла на внутреннем сопротивлении батареи и предварительного нагрева батареи (или батарейного блока).Соответственно, внешняя схема управления замыкает контур, когда обнаруженный температурный сигнал ниже заданной заданной температуры, например 0 ° C, 10 ° C и т. Д., И внешняя схема управления сравнивает ток замкнутого контура с максимальным заданным током, установленным для динамического включения / выключения электрического переключателя, тем самым создавая прерывистый ток замкнутого контура для продолжения процесса нагрева. без превышения максимального безопасного тока для аккумулятора.

Соответственно, батарея может быть нагрета с помощью варианта осуществления изобретения, такого как описано в отношении фиг.1А. Было бы очевидно, что альтернативные комбинации этих элементов могут использоваться при рассмотрении нескольких батарей и аккумуляторных блоков, содержащих несколько батарей, если они находятся в одной электронной системе. Соответственно, как показано на фиг. 1B первое изображение 100 A изображает несколько батарей, каждая с соответствующим датчиком температуры (батарея и датчик температуры 1030 ), подключенных к нескольким схемам переключения датчика тока 1020 и одной цепи управления 1010 .Соответственно, каждой схемой переключателя датчика тока , 1020, можно управлять независимо, чтобы можно было учитывать различные характеристики батареи, такие как максимальный безопасный ток и т. Д. В качестве альтернативы, во многих приложениях несколько батарей содержатся и объединяются в одном модуле, таком как батарея портативного компьютера, например, и, соответственно, на втором изображении 100 B один датчик тока и схема управления 1020 используются вместе со схемой управления и аккумулятором 1040 , который содержит один датчик температуры.Соответственно, предполагается, что между всеми батареями в аккумуляторном блоке , 1040, и датчиком температуры существует хороший тепловой контакт. Напротив, третье изображение 100 C изображает аккумуляторный блок 1050 с несколькими датчиками температуры, каждый из которых связан с аккумулятором внутри аккумуляторного блока 1050 , при этом несколько датчиков температуры подключены к схеме управления , 1010, и аккумуляторной батарее. pack 1050 также подключен к цепи переключателя одиночного датчика тока.Соответственно, было бы очевидно, что эти альтернативные устройства и другие, которые будут очевидны специалисту в данной области техники, могут быть предоставлены как часть электронного устройства, в котором электронное устройство затем «заполняется» аккумуляторными батареями производителем оригинального оборудования. или потребитель, например.

Теперь обратимся к фиг. 2 изображена примерная последовательность операций 200 для системы предварительного нагрева батареи, такой как описанная и изображенная на фиг. 1А. Для специалиста в данной области техники будет очевидно, что схема управления может быть изменена, чтобы приспособиться к альтернативным конструкциям, таким как те, что изображены на фиг.1B. Как изображено, последовательность операций процесса 200 включает этапы с 210 по 280 , соответственно, при этом они включают:

• • Первый этап 210 , на котором процесс начинается;
  • Второй этап 220 , на котором посредством сбора сигнала схемой управления датчик температуры считывается, чтобы установить температуру аккумулятора (или аккумуляторного блока). Этот принятый сигнал затем обрабатывается, чтобы определить, находится ли текущая температура батареи выше или ниже заданной заданной температуры, например.грамм. 0 ° C, как изображено, или другое значение, при котором предварительный нагрев батареи (или блока батарей) считается подходящим. На основе этого решения процесс переходит к третьему этапу 230 , когда температура выше предварительно определенной заданной температуры, и четвертому этапу 240 , когда температура ниже заданной заданной температуры.
  • Третий этап 230 , на котором было определено, что температура выше заданной заданной температуры, и, соответственно, электрический переключатель, e.грамм. MO SFET, отключается с размыканием замкнутого контура, и батарея работает нормально.
  • Четвертый этап 240 , на котором было определено, что температура ниже заданной заданной температуры, и, соответственно, электрический переключатель, например МОП-транзистор включается при замыкании замкнутого контура, так что ток течет через замкнутый контур, который «замыкается накоротко», и через внутреннее сопротивление батареи (или батарейного блока), повышая температуру батареи (или батарейного блока).
  • Пятый этап 250 , на котором считывается датчик тока и определяется, превышен ли предварительно определенный максимальный ток. Если нет, процесс переходит к шестому этапу , 260, , чтобы определить, достигла ли температура батареи заданного значения температуры. Если предварительно определенный максимальный ток был превышен, процесс переходит к седьмому этапу 270 .
  • Шестой этап 260 , на котором датчик температуры считывается, чтобы определить, находится ли текущая температура батареи выше или ниже предварительно определенной заданной температуры, например.грамм. 0 ° C, как изображено, или другое значение, при котором предварительный нагрев батареи (или блока батарей) считается подходящим. На основании этого решения процесс переходит к третьему этапу , 230, , когда температура выше заданной заданной температуры, или возвращается к четвертому этапу 240 , когда температура ниже заданной заданной температуры.
  • Седьмой этап 270 , на котором, если заданный максимальный предел тока был достигнут, а температура батареи не равна заданной заданной температуре или не превышает ее, то блок управления выдает управляющие сигналы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) уменьшения рабочего цикла для проведения электрического переключается между включенным и выключенным состояниями, чтобы гарантировать, что ток не превышает предварительно определенный максимальный предел тока, и переходит к этапу 280 .
  • Восьмой этап 280 , на котором датчик температуры считывается, чтобы определить, находится ли текущая температура батареи выше или ниже предварительно определенной заданной температуры, например 0 ° C, как изображено, или другое значение, при котором предварительный нагрев батареи (или блока батарей) считается подходящим. На основе этого решения процесс переходит к третьему этапу 230 , когда температура выше заданной заданной температуры, или возвращается к четвертому этапу 270 , когда температура ниже заданной заданной температуры, поскольку предварительно определенный максимальный предел тока был достигнут ранее. .

Соответственно, схема управления отслеживает датчики тока и температуры, чтобы определить, как управлять полевым МОП-транзистором. Схема управления отключит прямой замкнутый контур (короткое замыкание), когда ток контура превысит установленный предел или будет достигнута заданная заданная температура. Если температура не была достигнута, схема управления смодулирует переключатель через ШИМ, чтобы ток нагрева был ниже предела. По желанию, схема управления может включать другой электрический переключатель (например,грамм. другой МОП-транзистор), когда температура выше заданной, чтобы электрическое устройство могло потреблять энергию.

Уменьшающийся рабочий цикл сигнала ШИМ, управляющего электрическим переключателем, может уменьшаться заранее определенным образом, установленным в зависимости от нагреваемой конкретной батареи или аккумуляторного блока.

Уменьшающийся рабочий цикл сигнала ШИМ, управляющего электрическим переключателем, может уменьшаться заранее определенным образом, установленным в зависимости от температуры батареи или блока батарей.

Система нагрева согласно настоящему изобретению имеет следующие преимущества:

• • любые коммерческие литий-ионные батареи могут использоваться с этой технологией для целей нагрева. Никаких изменений внутренней и внешней конструкции не требуется;
  • нагрев аккумулятора (или аккумуляторного блока) достигается с помощью простой и экономичной внешней схемы управления;
  • технология нагрева может обеспечить быстрый нагрев литий-ионных аккумуляторов;
  • батарея (или батарейный блок) самонагревается за счет своего чистого внутреннего сопротивления, что позволяет равномерно нагревать батарею (или батарейный блок), тем самым сводя к минимуму разницу температур в одиночной батарее и батарейном блоке; и
  • , поскольку тепло генерируется внутри самой батареи (или аккумуляторной батареи), эффективность нагрева этого метода нагрева может достигать более 95%.

При низкой температуре, обычно ниже -10 ° C, процессы диффузии и интеркаляции ионов лития становятся затруднительными, что приведет к значительному повышению внутреннего сопротивления литий-ионных аккумуляторов. Эта особенность способствует нагреву чисто внутренним сопротивлением, делая ток замкнутой цепи на низком уровне и легко контролируемым.

Когда внешняя цепь управления включена, датчик температуры автоматически определяет температуру батареи.Цепь управления замкнет электрический выключатель, чтобы включить нагрев, если обнаруженная температура ниже установленной температуры. Непрерывный и импульсный ток, генерируемый в контуре, воздействует на внутреннее сопротивление батареи (или батарейного блока), выделяя джоулевое тепло. Это джоулевое тепло используется в этой технике для разогрева батареи и извлекается из самой батареи (или аккумуляторного блока). Во внешнем контуре нет нагревательного элемента, который используется только для управления нагревом батареи.

Внутреннее сопротивление батареи падает при повышении температуры батареи, что приводит к быстрому увеличению тока замкнутого контура. Чтобы избежать воздействия большого тока замкнутого контура на литий-ионную батарею (или аккумуляторный блок), датчик тока внешней цепи управления обнаружит ток замкнутой цепи и сравнит его с безопасным максимальным током разряда. Если обнаруженный ток выше, электрический переключатель (например, MOSEFET) внешней схемы управления будет отключен, чтобы избежать дальнейшего увеличения тока замкнутого контура, и схема управления будет переключена в режим управления импульсным током для управления ток замкнутого контура в безопасном диапазоне.В этом изобретении безопасный максимальный ток зависит от типа батареи, материалов, производственного процесса и мастерства и обычно предоставляется производителем батареи. По соображениям безопасности может быть применен коэффициент безопасности для обеспечения подходящего тока замкнутого контура.

Как правило, температура аккумулятора остается на низком уровне после первого отключения переключателя. Внешняя схема управления выдает сигнал широтно-импульсной модуляции и работает вместе с датчиком тока и переключателем, открывая и закрывая контур на высокой частоте, чтобы поддерживать ток контура ниже безопасного максимального тока и для достижения максимально быстрого нагрева.

Наконец, как только температура батареи, определенная датчиком температуры, достигнет установленного значения, переключатель будет выключен, и батарея (или батарейный блок) будет работать нормально.

Чтобы подтвердить эффект предварительного нагрева метода чистого нагрева внутренним сопротивлением, были проведены испытания стандартной коммерческой литий-ионной батареи типа 18650. Перед испытанием аккумулятор помещали в батарейный отсек, положительный и отрицательный выводы которого были подключены к внешней цепи управления.Затем аккумулятор с поддоном помещали в камеру окружающей среды с температурой -30 ° C для имитации чрезвычайно холодной погоды. Батарею выдерживали в камере окружающей среды в течение 12 часов, чтобы обеспечить температуру всей батареи -30 ° C.

Во время испытания внешняя плата схемы управления питалась от источника питания. Датчик температуры внешней цепи управления сначала определит температуру батареи и сравнит ее с заданным значением, если обнаруженное значение ниже, переключатель на плате схемы управления будет замкнут, и датчик тока будет измерять ток в контуре при высокая частота для управления открытием и закрытием контура.Кривая предварительного нагрева батареи показана на фиг. 3. Как видно, температура батареи достигла 0 ° C через 42 секунды. Время нагрева значительно улучшено по сравнению с доступными в настоящее время методами нагрева. Кроме того, метод нагрева чисто внутренним сопротивлением может применяться к любым типам литий-ионных аккумуляторов без изменения внутренней и внешней структуры, что делает его лучшим выбором для нагрева литий-ионных аккумуляторов, используемых в холодных зонах.

Цепь управления, электрический переключатель и датчик тока являются слаботочными устройствами, так что даже при низких температурах литий-ионная батарея или другая батарея может обеспечивать ток, необходимый для работы цепи управления.Это контрастирует с типичным требованием к высокому току, потребляемому батареей или батарейным блоком, когда электронное устройство включено. Эта батарея может сама быть перезаряжаемой батареей и заряжаться во время работы электронного устройства, в котором установлена ​​батарея (или батарейный блок), или в качестве первичной батареи.

На ФИГ. 4 сравнивается разрядная способность литий-ионного аккумулятора типа 18650 в различных рабочих условиях. При комнатной температуре (25 ° C в тесте) процесс разряда плавный при токе разряда 3 А, и батарея может разряжаться при емкости 3.1 Ач. Для сравнения мы также разряжали аккумулятор с начальной температурой -30 ° C. На фиг. 4, из-за значительного увеличения внутреннего сопротивления напряжение аккумулятора резко упало до 0 В без разряда какой-либо емкости. Однако с установленной внешней схемой управления и предварительным нагревом до 0 ° C батарея смогла разрядить большую часть своей емкости, обеспечивая, таким образом, правильную работу устройств с питанием от литий-ионной батареи.

Хотя варианты осуществления изобретения были описаны в отношении обеспечения схемы предварительного нагрева для коммерческих литий-ионных батарей и других аккумуляторных батарей без какой-либо модификации батареи, было бы очевидно, что в других вариантах осуществления изобретения батарея может включать температуру датчик.

Хотя варианты осуществления изобретения были описаны в отношении обеспечения схемы предварительного нагрева для коммерческих литий-ионных батарей и других аккумуляторных батарей без какой-либо модификации батареи, было бы очевидно, что в других вариантах осуществления изобретения батарея может включать в себя один или больше датчика температуры, электрического переключателя и датчика тока, при этом дополнительные контакты на батарее соединяют один или несколько датчиков температуры, электрического переключателя и датчика тока со схемой управления.

Конкретные подробности приведены в приведенном выше описании, чтобы обеспечить полное понимание вариантов осуществления. Однако понятно, что варианты осуществления могут быть реализованы на практике без этих конкретных деталей. Например, схемы могут быть показаны на блок-схемах, чтобы не затруднять понимание вариантов осуществления ненужными деталями. В других случаях хорошо известные схемы, процессы, алгоритмы, структуры и методы могут быть показаны без лишних деталей, чтобы избежать затруднения понимания вариантов осуществления.

Реализация методов, блоков, этапов и средств, описанных выше, может выполняться различными способами. Например, эти методы, блоки, этапы и средства могут быть реализованы в аппаратных средствах, программном обеспечении или их комбинации. Для аппаратной реализации блоки обработки могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах (ASIC), процессорах цифровых сигналов (DSP), устройствах обработки цифровых сигналов (DSPD), программируемых логических устройствах (PLD), программируемых логических устройствах ( FPGA), процессоры, контроллеры, микроконтроллеры, микропроцессоры, другие электронные блоки, предназначенные для выполнения функций, описанных выше, и / или их комбинации.

Также следует отметить, что варианты осуществления могут быть описаны как процесс, который изображен в виде блок-схемы, блок-схемы, схемы потока данных, структурной схемы или блок-схемы. Хотя блок-схема может описывать операции как последовательный процесс, многие операции могут выполняться параллельно или одновременно. Кроме того, порядок операций может быть изменен. Процесс завершается, когда его операции завершены, но могут иметь дополнительные шаги, не показанные на рисунке.Процесс может соответствовать методу, функции, процедуре, подпрограмме, подпрограмме и т. Д. Когда процесс соответствует функции, его завершение соответствует возврату функции к вызывающей функции или основной функции.

Кроме того, варианты осуществления могут быть реализованы аппаратными средствами, программным обеспечением, языками сценариев, микропрограммным обеспечением, промежуточным программным обеспечением, микрокодом, языками описания оборудования и / или любой их комбинацией. При реализации в программном обеспечении, встроенном программном обеспечении, промежуточном программном обеспечении, языке сценариев и / или микрокоде программный код или сегменты кода для выполнения необходимых задач могут храниться на машиночитаемом носителе, таком как носитель данных.Сегмент кода или выполняемая машиной команда может представлять процедуру, функцию, подпрограмму, программу, процедуру, подпрограмму, модуль, пакет программного обеспечения, сценарий, класс или любую комбинацию инструкций, структур данных и / или программные операторы. Сегмент кода может быть связан с другим сегментом кода или аппаратной схемой путем передачи и / или приема информации, данных, аргументов, параметров и / или содержимого памяти. Информация, аргументы, параметры, данные и т. Д. Могут передаваться, пересылаться или передаваться любыми подходящими средствами, включая совместное использование памяти, передачу сообщений, передачу токенов, передачу по сети и т. Д.

Для реализации микропрограммного обеспечения и / или программного обеспечения методологии могут быть реализованы с помощью модулей (например, процедур, функций и так далее), которые выполняют функции, описанные в данном документе. Любой машиночитаемый носитель, материально воплощающий инструкции, может использоваться при реализации описанных здесь методологий. Например, программные коды могут храниться в памяти. Память может быть реализована в процессоре или вне процессора и может варьироваться в реализации, где память используется для хранения программных кодов для последующего выполнения по сравнению с тем, когда память используется для выполнения программных кодов.Используемый здесь термин «память» относится к любому типу долговременного, краткосрочного, энергозависимого, энергонезависимого или другого носителя данных и не ограничивается каким-либо конкретным типом памяти или количеством запоминающих устройств, или типом носителя, на котором память хранится.

Кроме того, как раскрыто в данном документе, термин «носитель данных» может представлять одно или несколько устройств для хранения данных, включая постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), магнитное ОЗУ, базовую память, носители данных на магнитных дисках, оптические носители данных, устройства флэш-памяти и / или другие машиночитаемые носители для хранения информации.Термин «машиночитаемый носитель» включает в себя, но не ограничивается ими, портативные или фиксированные устройства хранения, оптические запоминающие устройства, беспроводные каналы и / или различные другие носители, способные хранить, содержать или переносить инструкции и / или данные.

Методологии, описанные в данном документе, в одном или нескольких вариантах осуществления могут выполняться машиной, которая включает в себя один или несколько процессоров, которые принимают сегменты кода, содержащие инструкции. Для любого из описанных здесь способов, когда инструкции выполняются машиной, машина выполняет метод.Любая машина, способная выполнять набор инструкций (последовательных или иных), которые определяют действия, которые должны быть выполнены этой машиной, включаются. Таким образом, типичная машина может быть проиллюстрирована типичной системой обработки, которая включает в себя один или несколько процессоров. Каждый процессор может включать в себя один или несколько из ЦП, графического процессора и программируемого модуля DSP. Система обработки дополнительно может включать в себя подсистему памяти, включая основное ОЗУ, и / или статическое ОЗУ, и / или ПЗУ. Подсистема шины может быть включена для связи между компонентами.Если системе обработки требуется дисплей, такой дисплей может быть включен, например, жидкокристаллический дисплей (ЖКД). Если требуется ввод данных вручную, система обработки также включает в себя устройство ввода, такое как одно или несколько из буквенно-цифровых устройств ввода, таких как клавиатура, устройство управления указанием, такое как мышь, и так далее.

Память включает в себя машиночитаемые сегменты кода (например, программное обеспечение или программный код), включая инструкции для выполнения, при исполнении системой обработки, одного из нескольких способов, описанных в данном документе.Программное обеспечение может находиться полностью в памяти или также может находиться, полностью или по меньшей мере частично, в RAM и / или в процессоре во время его выполнения компьютерной системой. Таким образом, память и процессор также составляют систему, содержащую машиночитаемый код.

В альтернативных вариантах осуществления машина работает как автономное устройство или может быть подключена, например, по сети к другим машинам, в сетевом развертывании машина может работать в качестве сервера или клиентской машины в сетевой среде сервер-клиент. или как одноранговая машина в одноранговой или распределенной сетевой среде.Машина может быть, например, компьютером, сервером, кластером серверов, кластером компьютеров, веб-устройством, распределенной вычислительной средой, средой облачных вычислений или любой машиной, способной выполнять набор инструкций (последовательных или иначе), которые определяют действия, которые должны быть выполнены этой машиной. Термин «машина» также может включать любую совокупность машин, которые по отдельности или совместно выполняют набор (или несколько наборов) инструкций для выполнения одной или нескольких методологий, обсуждаемых в данном документе.

Вышеизложенное раскрытие примерных вариантов осуществления настоящего изобретения было представлено в целях иллюстрации и описания. Оно не предназначено для того, чтобы быть исчерпывающим или ограничивать изобретение точными раскрытыми формами. Многие вариации и модификации описанных здесь вариантов осуществления будут очевидны рядовому специалисту в данной области техники в свете приведенного выше раскрытия. Объем изобретения определяется только прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.

Кроме того, при описании типичных вариантов осуществления настоящего изобретения в описании могут быть представлены способ и / или процесс настоящего изобретения как конкретная последовательность этапов. Однако в той степени, в которой способ или процесс не зависит от конкретного порядка этапов, изложенного в данном документе, способ или процесс не должны ограничиваться конкретной описанной последовательностью этапов. Специалисту в данной области техники будет понятно, что возможны и другие последовательности этапов.