ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ ДЛЯ ПОРТАТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Полезная модель относится к литий-полимерным аккумуляторным батареям для обеспечения автономным электропитанием приборов и электрооборудования малого размера, требующих повышенных энергетических и эксплуатационных характеристик, в том числе портативных радиостанций, мобильных средств навигации, профессионального портативного освещения, источников бесперебойного питания, считывателей штрих-кодов, электронных платежных систем, оборудовании нефтегазовой отрасли.
Известен «Портативный батарейный источник питания улучшенной конструкции», по патенту на изобретение РФ: RU 2317614 C1 от 20.02.2008, МПК Н01М 2/10, Н01М 10/46 - [1], содержащий батарейный элемент, соединенный с блоком модуля защитной схемы в корпусе-колпаке, либо внешней коробке из алюминия. Представляет собой литий-ионную аккумуляторную батарею, которая является внутренним батарейным источником питания.
Недостатками известного источника питания [1] являются конструкционное ограничение емкости и напряжения батареи, так как не предусматривается возможность увеличения количества аккумуляторов в ней, а также отсутствие защиты аккумуляторной батареи от превышения допустимой рабочей температуры, существенное превышение допустимой рабочей температуры может привести к неблагоприятным последствиям, в том числе к взрыву.
Также известна «Батарея высокомощная на основе литий-полимерных аккумуляторов» по патенту на полезную модель РФ: RU 155156 U1 от 20.09.2015, МПК Н01 M10/052 - [2]. Батарея высокомощная [2] содержит блок плоских литий-полимерных аккумуляторов, последовательно соединенных в электрическую цепь и установленных в полиамидные рамки, снабженные отверстиями под стяжки, обеспечивающие фиксацию аккумуляторов в блоке и блоков в батарее.
Недостатком конструкции батареи [2] для портативного применения является использование полиамидных рамок, что увеличивает объем и массу изделия, совокупность которых снижает удельные характеристики.
Прототипом заявленного технического решения является литий-ионный аккумулятор Li-ion ICP17/60/65, разработанный Акционерным обществом «Верхнеуфалейский завод «Уралэлемент» - сайт - [3]. Данный конструктивный вариант представляет собой призматический литий-ионный аккумулятор габарита 17×60×65 мм в жестком металлическом корпусе.
Недостатками прототипа [3] являются высокая масса изделия из-за использования тяжелого металлического корпуса, что позволяет достичь удельных характеристик не выше 122 Вт ч/кг и 122 Вт/кг; отсутствие системы контроля и управления, что требует обязательного присутствия защиты в устройстве-потребителе; узкий температурный диапазон эксплуатации, в том числе возможность заряда только при комнатной температуре, исключая возможность заряда при пониженных и повышенных температурах (разряд в диапазоне температур от минус 40 до плюс 50°С и заряд от плюс 15 до плюс 25°С). Также недостатком конструкции является низкий ток разряда (максимальный продолжительный ток разряда 6,8 А).
Технический результат состоит в существенном повышении удельных характеристик, позволяющих расширить диапазон рабочих температур от -50°С до 60°С без изменения загрузочных параметров тока.
Технический результат достигается тем, что литий-полимерная батарея для портативного применения содержит литий-полимерные аккумуляторы призматической формы, при этом аккумуляторы соединены между собой параллельно-последовательно посредством теплопроводящего электроизоляционного композитного силиконового материала, наполненного микропорошками высокоочищенной оксидной керамики, или с помощью теплопроводящего электроизоляционного компаунда на основе эпоксикремнийорганической смолы, что обеспечивает высокие удельные характеристики для расширения диапазона рабочих температур без изменения загрузочных параметров тока.
Использование литий-полимерных аккумуляторов специальной конструкции обеспечивает снижение массы, в том числе до 109 г, 112 г, 142 г, 145 г, а также обеспечивает увеличение максимальных постоянных токов разряда, расширение диапазона рабочих температур (разряд от минус 50 до плюс 60°С, заряд от минус 20 до плюс 50°С);
- конструкция аккумуляторной батареи обеспечивает устойчивость к внешним воздействующим факторам: обеспечивает работоспособность после падения с высоты 0,75 м; воздействия синусоидальной вибрации; воздействия повышенной влажности воздуха (35°С, 98%); пониженного атмосферного давления при авиатранспортировании и эксплуатации.
Предлагаемая полезная модель решает задачи расширения функциональных возможностей обеспечения электропитанием портативных и переносных радиоэлектронных устройств, в том числе работающих вне помещения в широком температурном диапазоне от минус 50°С до плюс 60°С с высокими удельными характеристиками; создание литий-полимерной аккумуляторной батареи, обладающей преимуществами по эксплуатационным параметрам по сравнению с применяемыми в настоящее время аналогами.
Задача решается тем, что для производства аккумуляторных батарей используются литий-полимерные аккумуляторы, соединенные параллельно и параллельно-последовательно. Аккумуляторы в блоке фиксированы между собой с помощью теплопроводящего электроизоляционного композитного силиконового материала, наполненного микропорошками высокоочищенной оксидной керамики или с помощью теплопроводящего электроизоляционного компаунда на основе эпоксикремнийорганической смолы. Пространство между аккумуляторами, создаваемое при использовании силиконового материала или эпоксидного компаунда достаточно, для компенсации объемных расширений литий-полимерных аккумуляторов в процессе эксплуатации.
Для приборов и электрооборудования, рассчитанных на применение источника питания с посадочными местами размера 20×46×70 мм могут применяться аккумуляторные батареи, оснащенные системой контроля и управления; для приборов и электрооборудования с посадочными местами 20×61×70 мм для источника питания могут применяться аккумуляторные батареи, оснащенные системой контроля и управления. В случае, если в приборах и электрооборудовании предусмотрено использование источника питания без элемента защиты, защита предусмотрена в изделии-потребителе.
Предлагаемая полезная модель включает способы комплектования аккумуляторных батарей максимально адаптивно к требованиям устройства-потребителя, позволяя создавать аккумуляторные батареи с большей емкостью и напряжением, используя параллельное и параллельно-последовательное соединение аккумуляторов, с использованием системы контроля и управления или без нее.
Основное преимущество использования литий-полимерных аккумуляторов перед литий-ионными большей толщины в жестких металлических корпусах, заключается в максимально полном заполнении пространства при распределении литий-полимерных аккумуляторов по объему отсека источника питания, что позволяет максимально увеличить емкость аккумуляторных батарей.
Обеспечение безопасности эксплуатации литий-полимерной аккумуляторной батареи, состоящей из 3 и более аккумуляторов, может осуществляться электронным устройством контроля и управления (при использовании варианта с системой контроля и управления), выполняющим следующие функции:
- контроль батареи при заряде, разряде и хранении;
- защиту от короткого замыкания во внешней цепи и своевременное отключение батареи при достижении пороговых значений контрольных параметров;
- срабатывания плавкого предохранителя при превышении температуры внутри батареи более 73°С.
Система контроля и управления разрывает электрическую цепь при достижении пороговых значений контрольных параметров, переход за которые может повлечь за собой неблагоприятные последствия.
Обеспечение безопасности эксплуатации литий-полимерной аккумуляторной батареи может осуществляться как за счет встроенной системы контроля и управления, так и за счет электронных устройств, не входящих в состав аккумуляторной батареи, а входящих в состав изделия-потребителя.
Предложенная полезная модель отличается от прототипа тем, что она состоит из литий-полимерных аккумуляторов призматической формы емкостью 1,7 А⋅ч и 2,3 А⋅ч, параллельно соединенных между собой в электрическую цепь, аккумуляторы в блоке фиксированы между собой с помощью теплопроводящего электроизоляционного композитного силиконового материала, наполненного микропорошками высокоочищенной оксидной керамики или с помощью теплопроводящего электроизоляционного компаунда на основе эпоксикремнийорганической смолы; способом комплектования аккумулятора емкостью 1,7 А⋅ч и 2,3 А⋅ч в аккумуляторные батареи параллельно и параллельно-последовательно.
Устройство полезной модели поясняется Фигурами:
Фигура 1 представляет собой схематичный вид с пространственным разделением деталей литий-полимерной аккумуляторной батареи без корпуса, заявленных в данной полезной модели.
Фигура 2 представляет собой схематичный вид аккумуляторной батареи в сборе, соответствующий, заявленных в данной полезной модели.
Фигура 3 представляет собой схематичный вид с пространственным разделением деталей литий-полимерной аккумуляторной батареи, соответствующий с системой контроля и управления, заявленных в данной полезной модели.
Фигура 4 представляет собой схематичный вид аккумуляторной батареи в сборе, соответствующий с системой контроля и управления, заявленных в данной полезной модели.
Фигура 5 представляет собой пример сборки аккумуляторов 2,3 А⋅ч параллельно-последовательно для формирования аккумуляторной батареи с напряжением 14,8 В и емкостью 6,8 А⋅ч.
Использование для портативного применения батарей, изготовленных из литий-полимерных аккумуляторов, по сравнению с литий-ионными, имеет существенные преимущества, такие как максимально эффективное использование объема аккумуляторного отсека за счет максимально полного заполнения его геометрии, снижение массы изделия за счет более легкого материала корпуса аккумулятора, повышение безопасности изделия в нештатной ситуации. Преимущества достигаются за счет использования корпуса аккумулятора из многослойного ламинированного материала, представляющего собой алюминиевую фольгу, покрытую с двух сторон полимерными материалами, а также полимерного электролита.
При изготовлении литий-полимерных аккумуляторных батарей в соответствии с предложенной полезной моделью литий-полимерные аккумуляторы (1, фиг. 1) емкостью 1,7 А⋅ч и 2,3 А⋅ч, напряжением 3,7 В, собирают в блок аккумуляторов, при этом в блоке аккумуляторы фиксируют между собой с помощью теплопроводящего электроизоляционного композитного силиконового материала, наполненного микропорошками высокоочищенной оксидной керамики или с помощью теплопроводящего электроизоляционного компаунда на основе эпоксикремнийорганической смолы. Вывода аккумуляторов у поверхности блока заливают кремнийорганическим герметиком. Электрическое соединение аккумуляторов в блоке производят пайкой выводов аккумуляторов на плату контактную (2, фиг. 1). К положительному и отрицательному контактам платы контактной паяют провода (3, фиг. 1) - внешние выводы батареи. На верхнюю часть аккумуляторной батареи с контактной платой наклеивают накладки из фторопластовой электроизоляционной пленки (4, фиг. 2). Далее батарею устанавливают в корпусной материал (5, фиг. 2) из термоусаживаемой пленки на основе полиолефина и выполняют термоусадку. Вес изделия составляет не более 109 г при емкости аккумулятора 1,7 А⋅ч и не более 142 г при емкости 2,3 А⋅ч.
При изготовлении литий-полимерной аккумуляторной батареи в соответствии с предложенной полезной моделью, литий-полимерные аккумуляторы емкостью 1,7 А⋅ч и 2,3 А⋅ч, напряжением 3,7 В, собирают в блок аккумуляторов, при этом в блоке аккумуляторы (1, фиг. 3) фиксируют между собой с помощью теплопроводящего электроизоляционного композитного силиконового материала, наполненного микропорошками высокоочищенной оксидной керамики или с помощью теплопроводящего электроизоляционного компаунда на основе эпоксикремнийорганической смолы. В блок аккумуляторов устанавливают термопредохранитель (10, фиг. 3) на теплопроводный клей. Вывода аккумуляторов у поверхности блока заливают кремнийорганическим герметиком. Электрическое соединение аккумуляторов в блоке производят пайкой выводов аккумуляторов на плату контактную (2, фиг. 3). Далее на плату контактную через изолирующую прокладку устанавливают плату защиты (8, фиг. 3) и выполняют пайку: «+» и «-» лепестков платы контактной (9, фиг. 3), вывода термопредохранителя (6, фиг. 3) и отрицательного вывода батареи (7, фиг. 3) к соответствующим контактам платы защиты. На верхнюю часть аккумуляторной батареи с контактной платой наклеивают накладки из фторопластовой электроизоляционной пленки (4, фиг. 4). Далее батарею устанавливают в корпусной материал из термоусаживаемой пленки на основе полиолефина (5, фиг. 4) и выполняют термоусадку. Вес изделия с системой контроля и управления составляет не более 112 г при емкости аккумулятора 1,7 А⋅ч и не более 145 г при емкости 2,3 А⋅ч.
Предлагаемая полезная модель включает способ комплектования аккумуляторов емкостью 1,7 А⋅ч и 2,3 А⋅ч в аккумуляторную батарею параллельно, последовательно и параллельно-последовательно с использованием системы контроля и управления.
На фиг. 5 приведен пример сборки аккумуляторов 2,3 А⋅ч (1, фиг. 5) параллельно-последовательно для формирования аккумуляторной батареи с напряжением 14,8 В и емкостью 6,8 А⋅ч. При этом используются плата контактная (2, фиг. 5), система контроля и управления (11, фиг. 5), соответствующая такому соединению.
Проведенные испытания показывают, что батарея напряжением 3,7 В и емкостью 5 А⋅ч обеспечивает потребителя током 1,0 А в течение 5 часов при температуре 20°С и в течение 1,5 часов при температуре минус 40°С, током 8,0 А - в течение 30 минут при температуре 20°С.
Проведенные испытания показывают, что батарея напряжением 3,7 В и емкостью 6,8 А⋅ч обеспечивает потребителя током 1,36 А в течение 5 часов при температуре 20°С и в течение 1,5 часов при температуре минус 40°С, током 12,0 А - в течение 30 минут при температуре 20°С.
Конструкция аккумуляторной батареи обеспечивает работоспособность после падения с высоты 0,75 м; воздействия синусоидальной вибрации; воздействия повышенной влажности воздуха (35°С, 98%); пониженного атмосферного давления при авиатранспортировании и эксплуатации.
Протоколы испытаний подтверждают возможность практической реализации заявленной полезной модели с достижением заявленного технического результата.
Таким образом, заявленная полезная модель решает поставленную задачу и может быть использована для обеспечения автономным электропитанием приборов и электрооборудования малого размера, требующих повышенных энергетических и эксплуатационных характеристик, в том числе портативных радиостанций, мобильных средств слежения, профессионального портативного освещения, источников бесперебойного питания, считывателей штрих-кодов, электронных платежных систем, оборудовании нефтегазовой отрасли.