УНИВЕРСАЛЬНЫЙ АККУМУЛЯТОР
MULTI-PURPOSE STORAGE BATTERY

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 с щелочным и кислотным с электролитом в виде геля, жидкости или сепараторами AGM (обеспечивающих рекомбинацию газовых носителей), когда они 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.).
Но использование энергии самих аккумуляторов для внешнего нагрева резко уменьшает их полезную мощность и практически неприемлемо при низких температурах.
Известны и другие группы способов повышения электрохимических характеристик при низких температурах, основанных на введении различных химических добавок в активных массах 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 RU №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 совсем неприемлемы для наиболее перспективных необслуживаемых аккумуляторов герметичной или полугерметичной конструкции (клапанно-регулируемых), где недопустимы экзотермические реакции разогрева электролита, сопровождающиеся интенсивным газовыделением. Более универсальным техническим решением по улучшению электрохимических характеристик является использование внутренних (встроены в аккумуляторные блоки) нагревательных элементов (Патент США №3723187, кл. H01M 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.
Длительные исследования по поиску автоматического средства внутреннего нагрева воздуха и электролита и электродов в блоках и индивидуальных аккумуляторах среднего и длительного класса разряда позволили создать простое и экономичное устройство, позволяющее значительно увеличить отдачу емкости у всех типов аккумуляторов при низких наружных температурах.
Экспериментальные исследования с различными типами кислотных и щелочных аккумуляторов с использованием нагревательных элементов, расположенных в данной части аккумуляторов в пространстве без электролита с металлическим радиатором, с питанием нагревательного элемента в процессе заряда от выводов (борнов) аккумулятора с напряжением при заряде 1,5÷2,5 В с включением нагревательного элемента от термореле при внутренней температуре -10°С при наружной температуре -50°С показали, что в емкость разряда в этих условиях после заряда в течение 6-8 часов увеличивалась до 60% от номинального значения емкости аккумуляторов.
Это объясняется тем, что в конце заряда после включения нагревателя через 6 часов температура электролита внутри аккумулятора при наружной температуре -50°С достигала 0°С при мощности нагревателя 20-30 Вт (для аккумуляторов емкостью 200-400 А·ч).
Такой же эффект наблюдается и для необслуживаемых аккумуляторов с AGM сепараторами (без электролита), где нагреватель аналогичной мощности с металлическим радиатором обеспечивал нагрев воздуха внутри аккумулятора в пространстве блока электродов за 4-5 часов и не требовал нагрева при разряде номинальным током в течение 3÷3,5 часов. Без внутреннего нагрева максимальная отдача емкости такого типа аккумулятора составляет не более 5% от номинальной.
Работа и устройство аккумулятора с внутренним нагревом энергией, получаемой в основном в процессе заряда, поясняется чертежом. На примере необслуживаемого аккумулятора с AGM сепараторами с номинальным напряжением 2 В, который содержит корпус (бак) из полимерного материала 1, блок электродов 2, металлический радиатор 3, внутри которого вставлен нагревательный элемент 4, термореле 7, подключенное к борнам 5 и 6 (электродам аккумуляторного блока) через исполнительный (пусковой) элемент 8, опорную решетку электродов 9, крышку аккумуляторного блока 10, к которой крепится термореле 7, и провода 11 с защитной изоляцией, соединяющие между собой термореле 7, выводы нагревательного элемента 4 и электроды аккумуляторного блока 5 и 6.
Аккумулятор с подогревом работает следующим образом.
При включении цепей на пульте управления объекта, где установлены аккумуляторная батарея или аккумуляторный блок, при охлажденном воздухе или электролите (при низкой наружной температуре), включается термореле 7 и через исполнительный элемент цепи управления объекта 3, дающий команду на заряд, подключает нагревательный элемент 4 к выводам (борнам) аккумулятора и аккумуляторного блока 5 и 6 (при достаточной заряженности аккумуляторов) или спустя несколько минут после начала заряда.
Далее в процессе заряда от тока заряда и тепловой энергии нагревателя идет нагрев воздуха внутри аккумулятора и, как следствие, увеличение интенсивности электрохимической реакции накопления заряда. Нагрев продолжается и при включении батареи на разряд, резко увеличивая отдаваемую емкость аккумуляторов при низкой наружной температуре.
При достижении температуры электролитом или воздухом внутри аккумулятора 0°С термореле 7 отключает от источника питания нагревательный элемент 4 и начинается процесс охлаждения аккумулятора (с электролитом медленнее) до последующего автоматического включения нагревательного элемента от термореле внутри аккумулятора или блока при охлаждении его до -10÷15°С.
При длительных перерывах в заряде аккумуляторов при очень низких наружных температурах, в случае недостижения внутренней температуры -10°С, нагреватель отключается также посредством самоотключения термореле от снижения напряжения у кислотных аккумуляторов 1,7 В, а у щелочных аккумуляторов до 1 В.
Наличие нагревательного элемента с радиатором в донной части аккумулятора для щелочных и кислотных 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 достигается для необслуживаемых аккумуляторов с рекомбинацией газовых накопителей (с сепараторами AGM). При этом коэффициент увеличения отданной энергии при экстремальной отрицательной температуре у аккумуляторов с разработанной системой нагрева аккумуляторов 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%.
Кроме изложенных преимуществ, внутренний нагрев сопровождается всегда полноценным зарядом во всем диапазоне наружных температур, что обеспечивает увеличение качества работы электропотребителей и срока службы самих аккумуляторов.