УНИВЕРСАЛЬНЫЙ АККУМУЛЯТОР С ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕМ
UNIVERSAL ACCUMULATOR WITH THERMOSTATTING

Изобретение относится к электротехнике, а именно к аккумуляторным батареям различного класса, системам и конструкциям, работающим в условиях заряда и разряда при низких наружных температурах.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к области химических источников тока, т.е. к аккумуляторам и составленным из них аккумуляторным блокам и батареям различного класса и конструкции, как со щелочным, так и с кислотным электролитом в виде геля, жидкости или сепараторами AGM (обеспечивающими рекомбинацию газовых носителей), которые работают при низких наружных температурах.
Одним из недостатков всех типов и классов известных аккумуляторов является их крайне низкая реальная емкость при низких наружных температурах, особенно при заряде после их остывания, когда при охлаждении до -40°С даже глубоко разряженные аккумуляторы не берут заряд и отданная ими емкость составляет не более 5~10% от номинальной.
Известно из технической и специальной литературы, что для аккумуляторов (особенно с электролитом) возможно улучшение их электрохимических характеристик за счет нагрева электролита от внешних или внутренних источников при заряде или разряде (Болотовский В.И. и др. Эксплуатация, обслуживание и ремонт свинцовых аккумуляторов. Л. Энергоиздат, 1988 г.).
Использование же энергии самих аккумуляторов для внешнего нагрева резко уменьшает их полезную мощность и как считалось практически неприемлемо при низких температурах.
Известны и другие группы способов повышения электрохимических характеристик при низких температурах, основанных на введении различных химических добавок в активные масса электродов или электролит (Способ обеспечения электрических характеристик при низких температурах - Патент RU №2184409, кл. Н01М 10/12, Свинцовый аккумулятор для работы при низких наружных температурах, патент №228980, кл. Н01М 10/06.
Исследование реализации этих способов показало, что они приемлемы только для свинцовых аккумуляторов с электролитом и эффект пропадает при смене электролита в процессе эксплуатации и они совсем неприемлемы для наиболее перспективных необслуживаемых аккумуляторов герметичной или полугерметичной конструкции (клапанно-регулируемые), где недопустимы экзотермические реакции разогрева электролита, сопровождающиеся интенсивным газовыделением. Более универсальным техническим решением по улучшению электрохимических характеристик является использование внутренних (встроенных в аккумуляторные блоки) нагревательных элементов (Патент США №3723187, кл. Н01М 45/02, 1973 г.).
Однако этот способ и устройства внутреннего нагрева позволяют осуществить нагрев только от внешних источников в стационарных условиях, и неприемлемы на транспортных средствах с длительным пробегом, а также, когда аккумуляторы работают в качестве резервного источника, с зарядом и разрядом в течение длительного времени при низких наружных температурах.
Из уровня техники установлено, что наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является универсальный аккумулятор, содержащий корпус, блок электродов с сепараторами, электрический нагреватель, размещенный в донной части аккумулятора под опорной решеткой электродов, термореле, выходной исполнительный элемент которого через электрический нагреватель связан с выходными выводами аккумулятора (см. техническое решение по патенту РФ №2398314 дата публикации 27.08.2010 год, МПК Н01М 10/50).
В известном техническом решении работа аккумуляторов различного класса при низких наружных температурах обеспечивается за счет введения нагревательного элемента (электрического нагревателя) в донную часть аккумулятора, подключаемого термореле к внешним выводам аккумулятора.
Эффект известного технического решения объясняется тем, что в конце заряда после включения нагревателя через 6 часов температура электролита внутри аккумулятора при наружной температуре -50°С достигает 0°С при мощности нагревателя 20-30 Вт (для аккумуляторов емкостью 200-400 А-ч).
В процессе заряда при остывшем воздухе внутри аккумулятора от тока заряда и тепловой энергии нагревателя идет его интенсивный нагрев (воздуха) внутри аккумулятора и, как следствие, увеличение интенсивности электрохимической реакции и в аккумуляторах, происходит накопление заряда. Нагрев продолжается и при включении батареи на разряд, резко увеличивая отдаваемую емкость аккумуляторов до 40% от номинальной емкости (Сн) при наружной температуре -40°С.
При длительных перерывах в заряде аккумуляторов при очень низких наружных температурах, в случае достижения внутренней температуры 0°С, нагреватель отключается посредством самоотключения термореле или от снижения напряжения у кислотных аккумуляторов до 1,7 В, а у щелочных аккумуляторов до 1 В.
Наличие нагревательного элемента с радиатором в донной части для щелочных и кислотных аккумуляторов емкостью от 100 до 400 А-ч при работе аккумулятора при температуре -50°С при мощности нагревательного элемента от 15 до 30 Вт позволяет увеличить разрядную емкость в 10-15 раз по сравнению с отсутствием подогрева. При этом мощность нагревательного элемента составляет 10% от мощности аккумулятора (при 5-часовом токе его разряда).
Еще больший эффект известного технического решения достигается для необслуживаемых аккумуляторов с рекомбинацией газовых носителей (с сепараторами AGM). При этом коэффициент (отношение) отданной энергии при экстремальной отрицательной температуре у аккумуляторов с разработанной системой нагрева в течение суток, к энергии, потраченной на нагрев, составляет 50%, и это при использовании простых и надежных нагревательных элементов со значительным сроком службы и увеличении стоимости аккумуляторов всего на 5-10%.
Эксплуатация опытной партии созданной конструкции аккумуляторов с обеспечением включения термореле при низких наружных температурах на пассажирских вагонах и в качестве независимых источников питания в телекоммуникационных системах подтвердила все основные расчетные значения повышенной реальной емкости свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторных блоков, и в то же время выявила их недостаток, заключающийся в следующем: в зоне средних отрицательных наружных температур (-15÷-20°C) за период включения нагревательного элемента и снижении температуры внутри аккумулятора (от датчика температуры, расположенного под крышкой каждого аккумулятора в батарее) и последующем отключением нагревательного элемента при достижении температуры -5÷0°C, электрохимическая реакция заряда все еще продолжается достаточно интенсивно и время ее течения зависит от уровня зарядного напряжения и зарядного тока, последний из которых влияет в значительной степени больше, чем нагревательный элемент на нагрев всех свинцовых элементов (электродов) в аккумуляторе. Их нагрев идет медленнее, особенно воздуха в верхней части аккумуляторов, что приводит в дальнейшем к перегреву воздуха и свинцовых элементов уже после отключения нагревателя из-за продолжения нагрева от мощного зарядного тока.
В итоге, это приводит к перегреву внутренних компонентов аккумулятора и нежелательному расходу электролита у аккумуляторов открытого типа, а также ухудшению работы сепараторов AGM у аккумуляторов закрытого типа (сокращение срока службы).
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы аккумуляторов с термостатированием и увеличение срока их службы путем исключения возможности перегрева активных масс аккумуляторов при некорректной работе основного термодатчика реле.
Исключению неуправляемого нагрева режима аккумуляторов и совершенствованию регулирования температуры воздуха внутри аккумуляторов с автоматическим нагревом посвящено описываемое изобретение.
Как показали экспериментальные исследования, решение поставленной задачи по исключению перегрева внутренних элементов аккумуляторов в зоне наружных температур (-15÷-20°C) возможно за счет введения в донную часть аккумулятора дополнительного терморезистора с положительной резистивной характеристикой, обеспечивающей отключение термореле при достижении критической температуры воздуха в донной части аккумулятора. При этом надежность работы и качество точности терморегулирования повышается в предлагаемом изобретении также за счет выполнения термореле на полностью бесконтактных элементах. Дополнительный терморезистор вводится в цепь управления выходного исполнительного элемента термореле, включающего и отключающего нагревательный элемент к выводам аккумулятора.
Таким образом, техническая задача достигается тем, что универсальный аккумулятор с термостатированием, содержащий корпус, блок электродов с сепараторами, электрический нагреватель, размещенный в донной части аккумулятора под опорной решеткой электродов, термореле, выходной исполнительный элемент которого через электрический нагреватель связан с выходными выводами аккумулятора, дополнительно снабжен терморезистором, установленным в донной части корпуса под блоком электродов, терморезистор обладает положительной резистивной характеристикой и включен в цепь управления выходного исполнительного элемента термореле, термореле выполнено на бесконтактных электронных элементах и содержит последовательно - соединенные терморезистор с отрицательной резистивной характеристикой и первый балластный резистор, точка соединения которых подключена к прямому входу операционного усилителя, а также последовательно - соединенные второй балластный резистор и стабилитрон, точка соединения которых подключена к инверсному входу операционного усилителя, выход операционного усилителя подключен к базе транзистора типа n-р-n, коллектор которого подключен к базе транзистора типа р-n-р, коллектор которого через установленный в донной части корпуса терморезистор с положительной резистивной характеристикой подключен к базе силового транзистора типа n-р-n, являющегося выходным исполнительным элементом термореле, подключающим электрический нагреватель к выводам аккумулятора, а терморезистор с отрицательной резистивной характеристикой через первый балластный резистор подключен к питающим входам термореле.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема предлагаемого универсального аккумулятора, на фиг.2 - электрическая блок-схема электронного термореле.
Предлагаемый универсальный аккумулятор содержит корпус 1 из полимерного материала, блок электродов 2 с сепараторами (на чертеже не показано), электрический нагреватель 3, термореле 4 с исполнительным выходным элементом 5.
Блок электродов 2 расположен внутри корпуса 1 и установлен на опорной решетке 6. Электрический нагреватель 3 размещен внутри металлического радиатора 7, расположенного в донной части корпуса 1 под опорной решеткой 6 блока электродов 2. Термореле 4 через исполнительный выходной элемент 5 подключает электрический нагреватель 3 к выводам (борнам) 8 и 9 аккумулятора. В донной части корпуса 1 аккумулятора под опорной решеткой 6 блока электродов 2 расположен терморезистор 10, обладающий положительной резистивной характеристикой. Терморезистор 10 включен в цепь управления выходного исполнительного элемента 5 термореле 4.
Аккумулятор имеет крышку 11, к которой крепится термореле 4 и провода с кислотно-защитной изоляцией 12.
Термореле 4 выполнено на бесконтактных электронных элементах - электронное термореле. (Электрическая блок-схема электронного термореле 4 приведена на фиг.2.)
Электронное термореле 4 содержит последовательно соединенные балластный резистор 13 и терморезистор с отрицательной резистивной характеристикой 14, точка соединения которых подключена к прямому входу операционного усилителя 15, последовательно соединенные балластный резистор 16 и стабилитрон 17, точка соединения которых подключена к инверсному входу операционного усилителя 15, выход которого подключен к базе n-р-n-транзистора 18, коллектор которого через резистор 19 подключен к базе р-n-р-трапзистора 20, коллектор которого через установленный в донной части корпуса 1 аккумулятора под блоком электродов 2 терморезистор 10, с положительной резистивной характеристикой, подключен к базе силового транзистора 21, который является выходным исполнительным элементом 5 термореле 4, подключающим электрический нагреватель 3 к выводам (борнам) 8 и 9 аккумулятора.
Предлагаемый универсальный аккумулятор с термостатированием работает следующим образом.
При снижении температуры (остывании) аккумулятора до внутренней температуры -15°С возрастает сопротивление терморезистора 14 с отрицательной резистивной характеристикой, в связи с чем на прямом входе операционного усилителя 15 напряжение повышается и становится выше, чем стабильное напряжение на инверсном входе операционного усилителя 15, который отпирается, автоматически включая транзистор 18 (n-р-n). Появление напряжения на коллекторе транзистора 18 вызывает включение транзистора 20, который обуславливает появление тока в базово-эмиттерном переходе силового транзистора 21, являющегося выходным исполнительным элементом 5 термореле 4 и как следствие, протекание тока через электрический нагреватель 3.
Под воздействием нагретого воздуха повышается температура и блока электродов 2 аккумулятора, вызывая уменьшение электрического внутреннего сопротивления аккумулятора, что в итоге обеспечивает стабильное и длительное протекание тока заряда, т.е. его полноценный заряд.
При нарастании внутренней температуры в аккумуляторе до -5÷0°С из-за снижения напряжения на прямом входе операционного усилителя 15, последний закрывается, вызывая запирание силового транзистора 21, являющегося выходным исполнительным элементом 5 термореле 4, отключая электрический нагреватель 3 от выводов 8 и 9 аккумулятора.
В случае резкого продолжения возрастания температуры воздуха в нижней части аккумулятора (под блоком электродов 2) до достижения температуры воздуха в зоне терморезистора с отрицательной резистивной характеристикой 14 (0°С), из-за увеличения сопротивления терморезистора 10 с положительной резистивной характеристикой, установленного в донной части корпуса 1 под блоком электродов 2, (независимо от терморезистора 14), уменьшается базовый ток силового транзистора 21, являющегося выходным исполнительным элементом 5 термореле 4, что автоматически приводит к уменьшению тока через нагреватель 3, вплоть до нулевого значения, что исключает возможность перегрева воздуха и высыхание сепараторов AGM в зоне длительной работы аккумулятора при наружных температурах -15÷-20°С.
При более низких температурах (ниже -30°С) из-за отсутствия быстрого нагрева воздуха в нижней (донной) части аккумуляторов терморезистор 21 не влияет на режим работы нагревателя 3, которым управляет только терморезистор 14.
Технической сущностью изобретения является оснащение аккумуляторов и аккумуляторных блоков с термостатированием дополнительным терморезистором, вводимым в донную часть аккумулятора под блок электродов, при этом терморезистор, обладающий положительной резистивной характеристикой, включается в цепь управления выходного исполнительного элемента электронного термореле, подключающего нагревательный элемент к выводам аккумулятора. Включение дополнительного терморезистора исключает возможность перегрева активных масс электродов и сепараторов (у необслуживаемых герметизированных) аккумуляторов при некорректной работе основного термодатчика реле и обеспечивает защиту самого аккумулятора. Эффективность изобретения заключается в повышении надежности аккумуляторов с термостатированием и увеличении срока их службы.
Как показали стендовые и эксплуатационные испытания, усовершенствованный аккумулятор с термостатированием исключает появление режима перегрева при отрицательных температурах и возможность ложного включения нагревателя при положительных температурах, повышая в целом надежность работы аккумуляторов и ккумуляторных блоков.