АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ (ВАРИАНТЫ)
ACCUMULATOR BATTERY (VERSIONS)

Изобретение относится к области вторичных, перезаряжаемых источников питания, в частности к аккумуляторным устройствам, и может найти применение в портативных системах передачи информации для питания портативных приемопередающих устройств повышенной надежности.
Известны элементы питания приемопередающих устройств фирмы «Harris Falcon». Аккумуляторная батарея для портативных радиостанций этой фирмы содержит неразъемный корпус, выполненный в форме прямоугольного параллелепипеда (сведения доступны в сети Интернет: http://www.prc68.com/I/PRC152.html). На верхнем торце корпуса батареи расположена крышка, которая приклеена к корпусу. На крышке установлены две металлические контактные площадки, которые дополнительно выполняют роль средства крепления батареи к радиостанции. Под крышкой в полости корпуса батареи размещены шесть литий-ионных аккумуляторов, соединенных в батарею шинами из электропроводного материала. Сверху на них установлен модуль защиты с двумя контактными гнездами и переключателями. Аккумуляторная батарея для портативной радиостанции является достаточно мощной и стабильной в работе, однако крепление батареи к торцу радиостанции значительно увеличивает общие габариты приемопередающего устройства, а неразъемный корпус батареи является неремонтопригодным. Кроме того, фиксация батареи на корпусе радиостанции является недостаточно жесткой и не полностью предотвращает взаимное смещение сопряженных элементов от действия деформации кручения.
Наряду с радиостанциями «Harris Falcon» на рынке представлены портативные радиостанции другого типа, съемные аккумуляторные батареи которых крепятся не на торец, а на заднюю панель радиостанции. Это, например, компактные портативные радиостанции President Randy II, Stabo ХН9006е, Baofeng UV-5R и другие, однако характеристики надежности аккумуляторных батарей упомянутых приемопередающих устройств не соответствуют параметрам заявляемого изделия.
Из описания заявки на патент США US 2010330935, МПК Н04В 1/38, опубликованной 30.12.2010, известна конструкция аккумуляторной батареи, в которой электрическое соединение батареи с приемопередающим устройством выполнено путем размещения контактного выступа на верхнем торце корпуса батареи. Однако фиксация батареи в продольном направлении на корпусе приемопередатчика является недостаточно надежной.
Из уровня техники известно выполнение батареи с разъемным корпусом. Например, в описании заявки США US 2009061301, МПК Н01М 2/14, опубликованной 05.03.2009, раскрыта конструкция батареи для питания электронных устройств, которая предусматривает выполнение корпуса разъемным со съемной крышкой. Такая конструкция повышает надежность батареи, поскольку позволяет заменить один или несколько элементов питания, вышедших из строя. Однако данное изделие не предназначено для сопряжения с приемопередатчиком.
Из описания к патенту РФ RU2513989, МПК Н01М 2/00, опубликованного 27.04.2014, известна ударопрочная конструкция корпуса аккумуляторной батареи для электроинструмента, которая предусматривает размещение между держателем элементов батареи и корпусом батареи амортизирующего устройства, способного предотвращать непосредственное соприкосновение держателя элементов батареи и самих элементов батареи с внутренней поверхностью корпуса. Однако данное устройство не защищает контактные элементы батареи.
Отметим, что для повышения надежности аккумуляторных батарей известно использование в их конструкции встроенных защитных модулей. Так, в описании к патенту РФ RU 2325006, МПК Н01М 10/42, опубликованному 20.05.2008, раскрыто устройство безопасности для батареи с защитой от возгорания, а в патенте РФ RU 124983, МПК Н01М 10/00, опубликованном 20.02.2013, описано устройство защиты батареи от пиковых нагрузок, выполненное с использованием датчика тока. Функции защитных модулей выбираются в соответствии с рисками, возникающими в условиях эксплуатации изделия.
Из описания патента США US 5752205, МПК Н04В 1/38, опубликованного 12.05.1998, известна конструкция портативной радиостанции, которая адаптируется под различные виды аккумуляторных устройств. Аккумуляторная батарея для приемопередатчика закрепляется на его задней стенке и является наиболее близким аналогом заявленного изобретения. Она содержит корпус в виде прямоугольного параллелепипеда, в котором размещены перезаряжаемые элементы питания, соединенные с тремя контактными площадками, размещенными на нижнем торце корпуса. Кроме того, корпус снабжен защелками и продольными средствами крепления для размещения аккумуляторной батареи на приемопередатчике. Более конкретно, на сопрягаемой части боковой поверхности корпуса батареи выполнены продольные выступы (щеколды), соответствующие по размеру направляющим пазам на корпусе приемопередатчика и предназначенные для сочленения батареи с корпусом приемопередатчика. Батарея скользит по направляющим при установке ее на корпус приемопередатчика.
Указанный наиболее близкий аналог настоящего изобретения не обеспечивает требуемого уровня эксплуатационной надежности по параметрам непрерывности электрического контакта в тяжелых условиях эксплуатации.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи по разработке конструкции перезаряжаемой аккумуляторной батареи для питания портативного приемопередающего устройства с обеспечением надежного электрического контакта путем жесткой механической фиксации аккумуляторной батареи на приемопередатчике (потребителе) при эксплуатации в широком диапазоне температур, в том числе в агрессивных средах и при механических нагрузках на узел соединения. В условиях эксплуатации аккумуляторная батарея должна обеспечить ток потребления приемопередатчика в режимах «передача», «прием», «дежурный прием» на уровне до соответственно 6,5А, 1,3А, 0,33А и время непрерывной работы приемопередатчика от одной аккумуляторной батареи не менее 6 часов.
Технический результат изобретения заключается в повышении надежности аккумуляторной батареи.
Для решения поставленной задачи заявлена аккумуляторная батарея портативного приемопередатчика, содержащая корпус в виде прямоугольного параллелепипеда, в котором размещены перезаряжаемые элементы питания, соединенные с контактами, размещенными на корпусе аккумуляторной батареи. Корпус аккумуляторной батареи снабжен средствами крепления для соединения аккумуляторной батареи с приемопередатчиком. Контакты размещены на торцевой поверхности корпуса аккумуляторной батареи и установлены на контактном модуле. Контакты выполнены гнездовыми в виде металлических площадок с вырезом в центральной части и отходящими от выреза радиальными прорезями с образованием упругих лепестков, загнутых внутрь выреза с возможностью обхвата ответного контакта приемопередающего устройства. Корпус аккумуляторной батареи выполнен разъемным и снабжен плоской крышкой, обращенной к приемопередатчику. На крышке в качестве средства крепления размещен фиксатор, выполненный в виде металлической подпружиненной защелки, сопряженной с кнопочным элементом управления, установленным на нижней торцевой поверхности корпуса батареи, а на боковой поверхности крышки дополнительно выполнены продольные выступы, обеспечивающие скользящую стыковку батареи с приемопередатчиком.
Отметим, что на верхней торцевой поверхности корпуса аккумуляторной батареи размещены три контакта, которые, предпочтительно, выполнены из бериллиевой бронзы в виде овальных площадок с вырезом в центральной части и отходящими от выреза радиальными прорезями в форме звезды с образованием упругих лепестков, загнутых внутрь.
Контактный модуль аккумуляторной батареи снабжен микросхемами, обеспечивающими функции контроля и защиты от короткого замыкания, а также от перегрева. Контактный модуль выполнен с размещенной на нем накладкой в виде демпфирующей пластины из уплотнительного материала, смягчающей стыковку батареи с сопрягаемыми устройствами (приемопередатчиком или зарядным устройством).
Крышка на корпусе аккумуляторной батареи установлена разъемно при помощи крепежных элементов, предпочтительно винтов, выполненных из нержавеющей стали или легированной стали с применением защитного гальванического покрытия.
Фиксатор для закрепления корпуса батареи на приемопередатчике выполнен в виде металлической подпружиненной защелки с шипом, выступающим под отрицательным углом к ответной фиксирующей поверхности. Указанный фиксатор выполнен из пружинной стали марки 65Г с заданной жесткостью, которая достигается путем термической обработки стали до твердости 440-490 ед. по шкале Виккерса.
Аккумуляторная батарея выполнена с возможностью сопряжения с зарядным устройством посредством ее взаимодействия с контактными элементами и средствами крепления так же, как при сопряжении с приемопередатчиком.
Корпус аккумуляторной батареи выполнен со скругленными продольными ребрами, образованными между боковыми и задней поверхностью корпуса.
На боковых поверхностях корпуса аккумуляторной батареи выполнены вертикальные ребра, чередующиеся с углублениями, обеспечивающие удобство захвата корпуса батареи пальцами при ее извлечении из радиостанции.
Корпус аккумуляторной батареи выполнен металлическим и снаружи покрыт маслобензостойким лакокрасочным покрытием, пригодным для эксплуатации в агрессивных средах при низких (до -30°С) и высоких (до +55°С) температурах окружающей среды.
Предпочтительный вариант исполнения аккумуляторной батареи портативного приемопередатчика характеризуется тем, что она выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, который служит корпусом батареи. В корпусе аккумуляторной батареи размещены перезаряжаемые элементы питания, соединенные с контактами, размещенными на корпусе аккумуляторной батареи. Корпус аккумуляторной батареи снабжен средствами крепления для размещения на приемопередатчике или зарядном устройстве. На верхней торцевой поверхности корпуса аккумуляторной батареи размещены три контакта - положительный, отрицательный и управляющий, - которые установлены на контактном модуле, причем контакты выполнены гнездовыми в виде площадок из бериллиевой бронзы с вырезом в центральной части и отходящими от выреза радиальными прорезями в форме звезды с образованием упругих лепестков, загнутых внутрь с возможностью обхвата ответного стержневого контакта приемопередающего устройства. Контактный модуль выполнен с накладкой в виде демпфирующей пластины из уплотнительного материала, смягчающей стыковку батареи с сопрягаемыми устройствами.
В другом варианте исполнения аккумуляторная батарея портативного приемопередатчика содержит корпус в виде прямоугольного параллелепипеда, в котором размещены перезаряжаемые элементы питания, соединенные с контактами, размещенными на корпусе аккумуляторной батареи. Корпус аккумуляторной батареи снабжен средствами крепления для установки аккумуляторной батареи на приемопередатчик или зарядное устройство. Корпус аккумуляторной батареи выполнен разъемным и снабжен плоской крышкой, обращенной к приемопередатчику. На крышке в качестве средства крепления размещен фиксатор, установленный продольно и осесимметрично, выполненный в виде подпружиненной защелки, сопряженной с элементом управления, установленным на нижней торцевой поверхности корпуса батареи, а на боковой поверхности крышки дополнительно выполнены продольные выступы, обеспечивающие скользящую стыковку батареи с приемопередатчиком. Крышка установлена на корпусе аккумуляторной батареи съемно при помощи крепежных элементов, предпочтительно винтов, выполненных из нержавеющей стали или легированной стали с применением защитного гальванического покрытия. Фиксатор выполнен в виде подпружиненной защелки с шипом, выступающим под отрицательным углом к ответной фиксирующей поверхности, причем фиксатор выполнен из пружинной стали марки 65Г твердостью 440-490 ед. по шкале Виккерса.
Далее изобретение подробно раскрывается со ссылками на чертежи, иллюстрирующие некоторые возможные варианты исполнения аккумуляторной батареи (далее также «батарея»).
На фиг. 1 представлен общий вид аккумуляторной батареи.
На фиг. 2 аккумуляторная батарея показана в разобранном виде.
На фиг. 3 представлен вид аккумуляторной батареи с верхнего торца.
На фиг. 4 представлен профиль стального фиксатора.
На фиг. 5 представлено поперечное сечение и вид сверху на контакт.
На фиг. 6 представлена схема защиты аккумуляторной батареи.
Как показано на фиг. 1, корпус 1 аккумуляторной батареи представляет собой по существу прямоугольный параллелепипед со скругленными переходами между боковыми поверхностями корпуса и задней поверхностью. На упомянутых боковых поверхностях выполнены вертикальные ребра, чередующиеся с углублениями, обеспечивающие удобство захвата корпуса батареи пальцами при манипуляциях с батареей для сопряжения с приемопередатчиком и при установке на подзарядку. Верхняя поверхность корпуса 1 аккумуляторной батареи представляет собой съемную крышку 2, установленную на крепежных элементах 9 (см. фиг. 2). Боковые ребра крышки снабжены продольными направляющими выступами 10, обеспечивающими стыковку заявленной батареи с потребителем - приемопередатчиком или зарядным устройством. Конструкция продольных направляющих выступов 10 обеспечивает надежную центровку контактов аккумуляторной батареи относительно ответных контактов потребителя, что повышает надежность функционирования заявленного устройства.
На фиг. 2 конструктивные элементы заявленного устройства показаны более детально. Аккумуляторная батарея состоит из следующих конструктивных элементов:
1 - корпус;
2 - крышка;
3 - элемент питания;
4 - контактный модуль со средствами защиты;
5 - контакт;
6 - демпфирующая пластина;
7 - элемент управления в виде кнопки;
8 - фиксатор;
9 - крепежные элементы (винты).
На плоской лицевой поверхности крышки 2 батареи, обращенной при эксплуатации батареи к приемопередатчику или зарядному устройству (не показаны), расположен металлический фиксатор 8 в виде подпружиненной защелки, обеспечивающий фиксацию батареи на корпусе приемопередатчика или зарядного устройства. Фиксатор 8 выполнен, предпочтительно, из пружинной стали, например, марки 65Г с шипом 11, выступающим под отрицательным углом к ответной фиксирующей поверхности - см. фиг. 4, на которой профиль фиксатора 8 показан более подробно. При изготовлении фиксатор 8 подвергается термической обработке до твердости 440-490 ед. по шкале Виккерса для придания нужной жесткости данному элементу соединения.
На верхней торцевой поверхности батареи, показанной на фиг. 3, на плате контактного модуля 4 расположены три подпружиненных контакта 5, ответных к ловителям (стержневым контактам) приемопередатчика и зарядного устройства. Каждый контакт 5 выполнен в виде пластины 12, предпочтительно, из бериллиевой бронзы, овальной формы с вырезом 13 по центру и с подпружиненными лепестками 14, загнутыми на концах пластин 12 внутрь центрального выреза 13, как показано на фиг. 5. Конструкция контактного модуля 4 позволяет обеспечить надежный непрерывный электрический контакт аккумуляторной батареи с потребителем путем обхвата по окружности несколькими подпружиненными лепестками 14 ответного стержневого контакта приемопередатчика или зарядного устройства. В вариантах исполнения аккумуляторной батареи возможно выполнение контактов 5 из других металлов и сплавов, известных специалисту в данной области техники.
На контактном модуле 4 дополнительно расположена демпфирующая пластина 6, выполненная из уплотнительного материала, смягчающая стыковку батареи с сопрягаемыми устройствами. Обратная торцевая поверхность корпуса 1 аккумуляторной батареи оснащена элементом управления в виде подвижной кнопки 7, механически соединенной с подпружиненным фиксатором 8. Элемент управления в виде кнопки 7 служит для освобождения фиксатора 8 и расстыковки аккумуляторной батареи с потребителем.
Снаружи металлический корпус 1 аккумуляторной батареи покрыт маслобензостойким лакокрасочным покрытием, предпочтительно, защитного цвета, обеспечивающим хорошие эксплуатационные характеристики в агрессивных средах, при низких (до -30°С) и высоких (до +55°С) температурах окружающей среды. Изнутри корпус 1 покрыт коррозионно-стойким покрытием.
Крепежные элементы - винты 9 - выполнены из нержавеющей стали либо из легированной стали с применением защитных гальванических покрытий, что позволяет эксплуатировать аккумуляторную батарею в условиях агрессивных сред (в том числе в солевом тумане), повышенной влажности, высоких температур окружающей среды.
Контактный модуль 4 выполнен на основе монтажной платы, на которой дополнительно размещены средства защиты в виде модуля контроля и модуля защиты. Блок-схема защиты аккумуляторной батареи представлена на фиг. 6.
Модуль защиты выполняет функцию защиты аккумуляторной батареи от пониженного напряжения при разряде до значения напряжения не ниже 2,7 В. Также модуль защиты обеспечивает защиту аккумуляторной батареи от перенапряжения при заряде не более 4,2 В. Основной функцией модуля защиты является защита аккумуляторной батареи от короткого замыкания и перегрузки по току более 7 А. При этом модуль защиты также обеспечивает защиту аккумуляторной батареи от перегрева. В качестве примера модуль защиты может быть выполнен на основе готовой микросхемы DW01-P.
Модуль контроля выполняет функцию идентификации типа аккумуляторной батареи. Также модуль контроля выполняет функцию измерения емкости батареи. Указанный модуль отвечает за хранение информации о параметрах батареи (полная емкость, текущая емкость, количество циклов заряда/разряда) и выполняет контроль параметров батареи (напряжение, ток, температура). В качестве примера модуль контроля может быть выполнен на основе готовой микросхемы BQ27541.
Заявленная аккумуляторная батарея функционирует путем подключения ее контактов 5 к контактам приемопередатчика и фиксации ее в таком положении.
Для соединения с аккумуляторной батареей на боковых стенках корпуса приемопередатчика выполняют два продольных паза, в которые вводятся соответствующие продольные выступы 10, расположенные на боковых гранях крышки 2 сочленяемой поверхности корпуса 1 батареи, обеспечивающие скользящую стыковку батареи с приемопередатчиком.
Подключаемая аккумуляторная батарея по направляющим пазам надвигается до упора на контакты приемопередатчика и фиксируется защелкиванием в паз корпуса приемопередатчика фиксатора 8 батареи.
В таком положении контакты батареи 5 надвинуты на выступающую часть стержневых контактов приемопередатчика и, будучи подпружиненными, образуют надежный электрический контакт двух устройств. Фиксатор 8 батареи защелкивается в паз, выполненный в корпусе приемопередатчика, надежно фиксируя батарею в нужном положении.
После стыковки батарея закрывает предназначенную для нее полость в корпусе приемопередатчика.
Для снятия батареи необходимо освободить фиксатор 8 батареи, то есть вывести его из паза корпуса приемопередатчика, для чего необходимо элемент управления в виде кнопки 7, расположенной на торцевой части корпуса 1 батареи, сдвинуть в противоположную сторону от корпуса приемопередатчика. Далее необходимо выдвинуть батарею по направляющим 10 из пазов корпуса приемопередатчика.
При использовании заявленная аккумуляторная батарея показала высокую надежность по обеспечению питания портативных приемопередающих устройств. Она обеспечила непрерывную работу приемопередатчика более 6 часов при параметрах тока потребления приемопередатчика в режиме передачи на уровне 6,5 А, в режиме приема - на уровне 1,3 А и в режиме дежурного приема - на уровне 0,33 А.
Конструкция аккумуляторной батареи обеспечивает технический результат, заключающийся в повышении надежности электрического контакта батареи с приемопередатчиком при жесткой фиксации батареи на приемопередатчике и центровке контактов батареи относительно ответных контактов приемопередатчика, что, как следствие, ведет к снижению потерь электрической мощности. Параметры надежности аккумуляторной батареи повышены также за счет защиты от короткого замыкания, перегрева при зарядке и переполюсовки контактов и за счет обеспечения ремонтопригодности и прочности корпуса заявленного устройства.