Аккумуляторная батарея с внешним обогревом

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к авиационным аккумуляторам различного класса, типа и конструкции, работающим в условиях заряда и разряда при низких наружных температурах в процессе эксплуатации воздушного судна (ВС).
Как известно, в процессе эксплуатации ВС, в качестве аварийных источников электрической энергии на борту используются аккумуляторные батареи, обеспечивающие питание потребителей в целях обеспечения безопасного завершения полета при отказе основных бортовых источников электрической энергии и автономного запуска маршевых или вспомогательных двигателей, в том числе в случаи отказа их в полете. При эксплуатации ВС температура в его негерметичных бортовых отсеках зависит как от времени года, так и от высоты и может достигать -60°С. Это, в свою очередь, может привести к перемерзанию находящего в нем оборудования. В части аккумуляторных батарей (АКБ), отрицательные температуры значительно влияют на их характеристики, а именно приводят к снижению их емкости. В связи с этим, аккумуляторные батареи на ВС устанавливаются в специальных контейнерах, которые уменьшают теплоотдачу, либо в контейнерах с установленными в них нагревательными элементами, или же в специальных обогреваемых отсеках, обеспечивающих требуемый уровень температуры за счет нагнетаемого теплого воздуха.
Известны различные способы обогрева аккумуляторных батарей, как правило, основанные на установке в их корпус различных нагревательных элементов или использовании внешних обогреваемых корпусов, в том числе с применением различных теплоносителей (например, RU 175682, RU 109920).
Из основных недостатков можно выделить наличие дополнительных объемных элементов обладающих значительными массо-габаритными характеристиками, требующих дополнительного обслуживания в процессе эксплуатации, имеющих низкую надежность вследствие наличия различных соединений, не устойчивых к механическим воздействиям, имеющих низкую эффективность из-за малого КПД передачи тепла ввиду не плотного контакта теплопередающих частей.
Известно устройство обогрева аккумуляторных батарей (патент RU 140018), включающее средство теплоизоляции и средство обогрева, снабженное блоком контроля и управления, выполненным в виде датчика температуры окружающей среды, датчика температуры обогреваемого контейнера и управляющего элемента, связанного с обогреваемым контейнером, нагревательным элементом и окружающей средой. Устройство отличается тем, что в обогреваемом контейнере, содержащем каркас с расположенными на внутренней боковой поверхности гибкими нагревательными элементами, выполненными в виде многослойных электрически обогреваемых матов и изготовленных из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра (оксидов металлов), для повышения эффективности работы нагревательных элементов в состав обогреваемых матов включен отражающий слой, выполненный из алюминиевой пленки способом вакуумного напыления. Гибкие нагревательные элементы расположены децентрализовано, т.е. со смещением, что позволяет подключать их ступенчато, за счет увеличения поверхности теплоотдачи в зависимости от температуры окружающей среды, а обогреваемый контейнер оборудован вытяжным вентилятором для вентиляции.
Известно устройство для обогрева аккумуляторной батареи транспортного средства (RU 2694647), которое содержит теплоизолированный корпус, обогреватель, датчик температуры корпуса аккумулятора и блок управления, выход которого включен в цепь питания нагревателя. Устройство дополнительно включает радиопоглощающие пластины, изготовленные из радиопоглощающих материалов, способных обеспечить эффективное поглощение и преобразование энергии излучения электромагнитных волн в тепловую энергию, электромагнитный излучатель, в корпусе которого размещены блок управления, накопитель электроэнергии. Корпус электромагнитного излучателя и радиопоглощающие пластины соединены с теплоизолированным корпусом устройства сборочными операциями.
Вышеприведенные технические решения отличаются достаточно громоздкими габаритами, повышенной массой, сложностью конструктивного исполнения, что приводит к увеличению трудоемкости проведения монтажно-установочных работ по размещению АКБ в местах ее функционирования и технического обслуживания, а также к снижению надежности работы АКБ.
Известна аккумуляторная батарея с автоматическим внутренним подогревом (RU 2398315), характеризующаяся тем, что в каждом аккумуляторе или аккумуляторном блоке нагревательный элемент подключен к выводам аккумулятора или аккумуляторного блока через контакты термореле, обмотка которого подключена к выводам аккумулятора или блока, и тиристор, управляющий переход которого подключен к выводам обмотки импульсного трансформатора, охватывающего межаккумуляторную соединительную перемычку со стороны положительного электрода каждого аккумулятора, или провод, подключенный к положительному электроду аккумуляторного блока. При этом мощность нагревательного элемента, автоматически включаемого при снижении температуры внутри аккумуляторов или блока по отношению к мощности аккумуляторов в батарее, составляет 8-10%.
Известен литий-ионный аккумулятор (CN 104916848), в составе которого в качестве токосъемника применяется гибкая графитовая бумага, которая помещается между положительным и отрицательным электродами и функционирует в качестве внутреннего электрического нагревательного элемента при подаче напряжения от источника питания.
Общий недостаток для указанных технических решений заключается в использовании нагревательного элемента внутри аккумулятора, что может привезти к снижению его эксплуатационных характеристик, снижению емкости, а также к разрушению составных элементов, что сказывается на надежности работы аккумулятора.
Устройство, известное из источника CN 104916848, по технической сущности является наиболее близким к предлагаемой АКБ и может выступать в качестве прототипа.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание аккумуляторной батареи с внешним обогревом, характеризующейся высокой надежностью работы в условиях низкой температуры окружающей среды, сниженными габаритными размерами и простотой конструкции за счет пропускания электрического тока через нанесенный на корпуса аккумуляторных ячеек в составе АКБ токопроводящий слой лака с высоким содержанием графита.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении надежности работы АКБ в условиях низкой температуры окружающей среды.
Заявленный технический результат достигается за счет исполнения аккумуляторной батареи в едином корпусе с возможностью внешнего обогрева, включающей в себя параллельно расположенные относительно друг друга аккумуляторные ячейки, каждая из которых содержит в своем составе нанесенный на ее корпус слой токопроводящего лака, а также контактные пластины, поперечно размещенные на корпусе каждой аккумуляторной ячейки с образованием контакта с областью корпуса, покрытой токопроводящим лаком, обеспечивая равномерное распределение потенциалов по указанной области при наличии питания на контактных выводах каждой контактной пластины, осуществляя нагрев АБК, при этом соединение указанных аккумуляторных ячеек в электрическую цепь осуществляется посредством продольных токопроводящих шин, на которых фиксируются контактные выводы контактных пластин каждой аккумуляторной ячейки, а регулирование подачи напряжения от источника питания выполняется посредством термостата, включенного в указанную электрическую цепь.
В предпочтительном варианте исполнения АКБ, токопроводящий лак выполнен на графитовой основе. В основе подобного лака лежат особые коллоидные компоненты, которые после процесса полимеризации образуют на обработанной поверхности прочную матовую пленку, которая обладает хорошей устойчивой электропроводимостью, достигаемой за счет наличия в составе мелкодисперсных частиц графита.
Таким образом, конструктивные особенности исполнения заявленной АКБ, заключающиеся в применении в качестве нагревательного элемента для АКБ слоя токопроводящего лака, наносимого на корпус каждой аккумуляторной ячейки, входящей в состав АКБ, и формировании электрической цепи лакокрасочных нагревательных элементов посредством продольных токопроводящих шин и контактных пластин, по которым передается питающее напряжение к указанным слоям токопроводящего лака, а также реализация циклического подвода питания к токопроводящему лаку посредством термостата, осуществляющего контроль температуры окружающей среды и формирующего в соответствии с регистрируемыми показаниями управляющие сигналы на подачу напряжения, обеспечивают реализацию внешнего обогрева АКБ в условиях низкой температуры окружающей среды без использования дополнительных громоздких нагревательных элементов и компонентов, размещаемых внутри АКБ, которые могут привести к снижению эксплуатационных характеристик АКБ и оказать отрицательное воздействие на составные элементы ее внутренней структуры, что повышает надежность работы АКБ в условиях эксплуатации при низкой температуре.
Необходимо отметить, что предлагаемая АКБ выполнена в едином корпусе, все элементы, входящие в ее состав, представляют собой сборочные единицы, которые соединены между собой сборочными операциями (свинчиванием, сочленением и т.д.), обеспечивающие конструктивное единство и реализующие общее функциональное назначение, а значит, может быть заявлена в качестве полезной модели.
Далее заявленная полезная модель будет описана по ссылкам на чертежи:
фиг. 1 - общий вид аккумуляторной ячейки, где 1 - корпус аккумуляторной ячейки, 2 - слой токопроводящего лака, предпочтительно на графитовой основе, представляющий собой лакокрасочный нагревательный элемент (ЛК НЭ), 3, 4 - контактные пластины, 5, 6 - контактные выводы контактных пластин (3, 4);
фиг. 2 - общий вид предлагаемой аккумуляторной батареи, где 7 - аккумуляторная батарея, 8, 9 - клеммы, 10, 11 - продольные токопроводящие шины;
фиг. 3 - принципиальная схема электрической цепи, реализовывающая внешний обогрев АКБ, где 12 - термостат.
Предлагаемая аккумуляторная батарея (фиг. 1, 2) выполнена в едином корпусе (7) с возможностью внешнего обогрева, включающая в себя параллельно расположенные относительно друг друга аккумуляторные ячейки (1), каждая из которых содержит в своем составе нанесенный на ее корпус слой токопроводящего лака (2), предпочтительно на графитовой основе, представленного в качестве лакокрасочного нагревательного элемента (ЛК НЭ), обеспечивая максимальный уровень теплопередачи.
В предпочтительном варианте исполнения АКБ для обеспечения максимального нагрева слой токопроводящего лака (2) наносится на корпус каждой аккумуляторной ячейки (1) не менее чем на 50% ее поверхности. Это позволяет получить максимальный эффект термостабилизации аккумуляторной батареи за счет распределения тепла по ее объему.
В качестве токопроводящего лака может быть использовано любое токопроводящее лакокрасочное вещество, известное из уровня техники. Например, лак-аэрозоль марки SOLINS GRAPHITE, токопроводящая краска (грунтовка) YSHIELD HSF54, токопроводящая эмаль ЗИПСИЛ 910 КЭП и т.д.
Контактные пластины (3, 4) с контактными выводами (5, 6) обеспечивают передачу питающего напряжения, для чего поперечно размещены на корпусе каждой аккумуляторной ячейки (1) с образованием контакта с областью корпуса, покрытой токопроводящим лаком (2), обеспечивая равномерное распределение потенциалов по указанной области при наличии питания на контактных выводах (5, 6).
Соединение аккумуляторных ячеек (1) в электрическую цепь осуществляется посредством продольных токопроводящих шин (10, 11), на которых фиксируются контактные выводы (5, 6) контактных пластин (3, 4) каждой аккумуляторной ячейки (1).
Для подключения источника питания используются клеммы (8, 9).
Для управления питанием лакокрасочного нагревательного элемента (2) на корпусе одной из аккумуляторной ячеек или в непосредственной близости от АКБ устанавливается и подключается термостат (12), обеспечивающий контроль температуры АКБ и коммутацию питания лакокрасочных нагревательных элементов (2). В термостате (12) реализуется функция измерения температуры окружающей среды и формирования управляющего воздействия на коммутацию цепи лакокрасочных нагревательных элементов (2).
Предлагаемая АКБ с внешним обогревом функционирует следующим образом (фиг. 3).
От источника питания (фиг. 3), через клеммы (8,9), питающее напряжение поступает на вход термостата (12) и отрицательную (нулевую) токопроводящую шину схемы, реализующей внешний обогрев. Термостат (12) регистрирует температуру окружающей среды и при достижении ее значения ниже заданного порога, формирует управляющие воздействия для подачи блоком питания напряжения на токопроводящие шины (10, 11), по которым ток поступает на лакокрасочный нагревательный элемент (2) каждой аккумуляторной ячейки (1), обеспечивая внешний нагрев АКБ за счет распространения тепла по всему объему.
В зависимости от условий эксплуатации и места установки аккумуляторной батареи, могут быть применены различные уровни и виды напряжений, в частности, от источника постоянного тока в диапазоне напряжений от 15 до 100 В. В некоторых случаях может быть предусмотрено питание лакокрасочных нагревательных элементов (2) непосредственно от самой аккумуляторной батареи. При нормализации температуры аккумуляторных ячеек АКБ (1) термостат (12) отключает нагревательные элементы (2) от источника питания, при этом температура отключения должна быть выше температуры включения на 10-15%. Учитывая низкие токи нагревательных элементов (2), термостат (12) и его коммутирующая часть могут быть выполнены как с применением механических, так и полупроводниковых элементов.
Экспериментальные исследования лабораторного макета и имитационно-компьютерное моделирование предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования. Так, во время проведения эксперимента слой токопроводящего лака не претерпел никаких изменений, успешно подняв температуру АКБ на 10°С за несколько минут. Испытания на разных типах аккумуляторах показало надежную и эффективную работу при низких наружных температурах (до -50°С).