Комбинированное аккумуляторное устройство

Полезная модель относится к области способов и устройств для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, а именно к устройствам, содержащим аккумуляторные батареи, и может быть применено для обеспечения работы аккумуляторных батарей в условиях низких температур, в частности в системах аварийного освещения на предприятиях, в помещениях и т.п.
Из общего уровня техники в обозначенной области техники известны различные технические решения, обеспечивающие работоспособность аккумуляторных батарей при их эксплуатации в условиях низких (отрицательных) температур с помощью того или иного химического состава электролита и использования химических добавок (например, российский патент на изобретение №2316853 «СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОГО НИКЕЛЬ-КАДМИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА», российская заявка на изобретение №2017146442 «ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР С РАСШИРЕННЫМ В ОБЛАСТЬ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР РАБОЧИМ ДИАПАЗОНОМ», международный патент на изобретение № ЕР 1936732 А1 «ЛИТИЕВЫЙ АККУМУЛЯТОР, РАБОТАЮЩИЙ ПРИ ОЧЕНЬ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ», иностранный патент на изобретение № CN 208298975 U «НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ЛИТИЕВАЯ БАТАРЕЯ»), использования специальной структуры и состава анода и катода (иностранный патент на изобретение № CN 106025361 A «НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЛИТИЙ - ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР», иностранный патент на изобретение № CN 109286008 А «НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЛИТИЙ - ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР И МЕТОД ЕГО ПОДГОТОВКИ», иностранный патент на изобретение № CN 208298975 U «НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ЛИТИЕВАЯ БАТАРЕЯ», иностранный патент на изобретение №CN106450277A, иностранный патент на изобретение № CN 102315478 А «СИСТЕМА ЭЛЕКТРОДОВ ИСПОЛЬЗУЕМАЯ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ ТИПЕ ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА», иностранный патент на изобретение № JP 2014063626 A «НИКЕЛЬ-КАДМИЕВАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ»), использования ультразвуковой активации электролита в условиях отрицательных температур (российская заявка на изобретение №2014130718 «СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АКТИВАЦИИ ЭЛЕКТРОЛИТА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР»), использования определенной геометрии и материала корпуса аккумулятора, сотовой конструкции корпуса аккумулятора (российский патент на полезную модель №130145 «ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР И ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН ДЛЯ НЕГО»), использования определенной геометрии и материала самого корпуса аккумуляторного устройства и электродного блока с выводными клеммами, повышающих прочность и теплоотдачу корпуса аккумулятора (российский патент на полезную модель №168541 «ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР»), использование низкотемпературной защитной упаковки для литиевой батареи (иностранный патент на изобретение № CN 104157929 A «НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЗАЩИТНЫЙ ПАКЕТ ДЛЯ ЛИТИЕВОЙ БАТАРЕИ»), использования специального низкотемпературного корпуса литиевой батареи, состоящего из трех слоев, в том числе одного нагревательного (иностранный патент на изобретение № CN 105489791 А «НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ УСТОЙЧИВЫЙ КОРПУС ЛИТИЕВОЙ БАТАРЕИ»), использования определенного взаимного расположения аккумуляторов (иностранный патент на изобретение № CN 2388715 Y «КАДМИЙ-НИКЕЛИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ ДЛЯ ИСТРЕБИТЕЛЕЙ, СДЕЛАННЫХ В КИТАЕ»).
Также в уровне техники известны технические решения по обеспечению работоспособности аккумуляторных батарей в условиях низких температур с помощью специального подогрева аккумуляторных батарей, а также специальной теплоизоляции и герметизации корпусов аккумуляторов (например, иностранный патент на изобретение № CN 102306711 A «НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР», российский патент на изобретение №2558657 «ТЕПЛОЗАЩИЩЕННАЯ ЛИТИЙ-ИОННАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ», иностранный патент на изобретение № CN 208315679 U «НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ЛИТИЙ-АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ», иностранный патент на изобретение № CN 209344161 U.
«НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР», иностранный патент на изобретение № CN 202817142 U «НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ РЕЗИСТНОЕ УСТРОЙСТВО ЛИТИЕВОЙ БАТАРЕИ», иностранный патент на изобретение № CN 208539066 U «ОТКРЫТЫЙ ЛИТИЕВЫЙ АККУМУЛЯТОР ДЛЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР», иностранный патент на изобретение № CN 105489791 А «НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ УСТОЙЧИВЫЙ КОРПУС ЛИТИЕВОЙ БАТАРЕИ»).
При этом часть из технических решений в обозначенной области техники подразумевает применение автоматически работающего в связке с температурным датчиком нагревательного элемента для подогрева аккумуляторной батареи в зависимости от температуры окружающей среды.
Например, известно техническое решение по иностранному патенту на полезную модель № CN 209344263 U «КОМБИНИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ БАТАРЕЙ, СПОСОБНОЕ РАБОТАТЬ ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ» (дата приоритета 21.12.2018). Данное техническое решение характеризуется наличием корпуса, снабженного разъемом для внешней зарядки и разъемом для внешней нагрузки, аккумуляторного блока, нагревательного элемента, блоком определения напряжения и тока, блоком обнаружения зарядки, блоком переключения нагрева. Недостатками данной полезной модели является высокое энергопотребление при его работе в связи с отсутствием какого-либо решения по теплоизоляции самого устройства или его отдельных блоков для экономии электроэнергии.
Также известно техническое решение по российскому патенту на изобретение №2539876 «СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЕМКОСТИ ГЕРМЕТИЧНЫХ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ» (дата приоритета 18.03.2014), которое характеризуется наличием устройства, содержащего источник электроэнергии переменного тока, блок заряда, состоящий из преобразователя напряжения переменного тока, датчика тока заряда, датчика напряжения, микроконтроллера, коммутационного аппарата и нагрузочного элемента (сопротивления), переключателя цепи заряда аккумуляторной батареи, блока управления и индикации, термоизоляционного корпуса, внутри которого размещены нагревательный элемент, аккумуляторная батарея и термозависимый датчик напряжения. Недостатками данного решения являются его сложность, дорогостоящий характер производства, высокое энергопотребление в связи с наличием большого числа элементов, отсутствие герметичности, влаго- и огнестойкости устройства в условиях эксплуатации вне помещения.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) по совокупности существенных признаков является техническое решение по российскому патенту на изобретение №2451370 «СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ И БАТАРЕЙ НА ИХ ОСНОВЕ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ» (дата приоритета 13.12.2010). Данное решение представляет собой способ обеспечения работоспособности литий-ионных аккумуляторов и батарей на их основе при отрицательных температурах, включающий батарейный блок, подогреватель и температурный датчик, отличающийся тем, что подогреватель крепится к нижней части корпуса батареи с помощью болтового соединения или сварки и включается только после срабатывания температурного датчика, расположенного в боковой части корпуса батареи, настроенного на температуру менее 0°С, и отключает нагреватель при достижении температуры более 0°С на температурном датчике, при этом подогреватель сам имеет теплоизоляцию. С заявляемым техническим решением совпадают следующие существенные признаки прототипа: устройство, с помощью которого реализуется способ обеспечения работоспособности литий-ионных аккумуляторов и батарей на их основе при отрицательных температурах, содержит батарейный блок, подогреватель, температурный датчик, настроенный на включение нагревателя при температуре менее 0°С и его отключение при достижении температуры более 0°С, а также теплоизоляцию подогревателя.
Однако прототип имеет ряд существенных недостатков:
- в прототипе нагреватель расположен в нижней части корпуса батареи, в процессе переноса тепла от нагревателя к батарейному блоку в пустом пространстве между нагревателем и батарейным блоком часть тепла (энергии) неизбежно теряется;
- в прототипе не описано, как выполнена теплоизоляция нагревателя. При этом судя по представленной схеме, теплоизоляция покрывает не всю площадь нагревателя устройства, а только его нижнюю часть. В связи с этим нагреватель также будет терять часть вырабатываемого тепла.
Данные недостатки прототипа приведут к существенным потерям тепла, поступающего от нагревателя в батарейному блоку, в целом к низкой эффективности работы нагревателя и повышенному электропотреблению для обеспечения работы нагревателя и устройства в целом.
Таким образом, основными недостатками приведенных в качестве аналогов технических решений является их излишняя сложность в связи с наличием большого числа элементов способа или устройства и, как следствие, дорогостоящий характер устройства, высокое энергопотребление при работе аккумуляторного устройства в условиях низких температур в связи с низкой эффективностью работы нагревательного элемента, а также в связи с наличием большого числа элементов, отсутствие решений по обеспечению герметичности, влаго- и огнестойкости устройств в условиях эксплуатации вне помещения.
При этом важно понимать, что при эксплуатации аккумуляторных устройств в условиях переменчивого, достаточно агрессивного климата, особенно например в межсезонный и зимний периоды на территории России, характеризующегося низкими и предельно низкими отрицательными температурами, перепадами температур, заморозками, оттепелями и т.д., очень важно одновременно обеспечить не только непрерывный характер работы аккумуляторных устройств с помощью подогрева аккумуляторной батареи при снижении наружной температуры, но и высокую энергоэффективность работы устройства за счет низкого потребления электроэнергии нагревательным элементом, а также герметичность устройства в целом. Представленные в уровне технические решения, в том числе прототип, данную задачу не выполняют.
В отличие от приведенных аналогов, в заявляемом на регистрацию техническом решении «Комбинированное аккумуляторное устройство» применяется определенная конструкция аккумуляторного устройства с расположением нагревательного элемента прилегающим к аккумуляторной батарее, обеспечивается теплоизоляция непосредственно самой аккумуляторной батареи как части аккумуляторного устройства, а внутреннее пространство устройства заливается компаундом.
В результате, заявляемое техническое решение позволяет решить техническую задачу (проблему) обеспечения долговременной непрерывной работы аккумуляторного устройства с низким электропотреблением в процессе его эксплуатации в любых условиях, в том числе в условиях низких (отрицательных) температур, высокой влажности и т.д.
Соответственно, технический результат заявляемого технического решения «Комбинированное аккумуляторное устройство» состоит в том, что данное устройство является герметичным за счет заливки внутреннего пространства устройства компаундом, обеспечивается низкое электропотребление нагревательного элемента и устройства в целом при его эксплуатации в любых условиях, в том числе в условиях низких (отрицательных) температур, за счет уменьшения потерь тепла, исходящего от аккумуляторной батареи и нагревательного элемента в связи с наличием эффективной теплоизоляции самой аккумуляторной батареи, а также расположения нагревательного элемента прилегающим к аккумуляторной батарее и его питания непосредственно от аккумуляторной батареи, а также в целом расширяет арсенал технических решений аккумуляторных устройств, работающих в условиях низких температур.
Технический результат достигается тем, что комбинированное аккумуляторное устройство состоит из печатной платы, на которой расположены аккумуляторная батарея или аккумуляторные батареи, нагревательный элемент в виде чип-резисторов, температурный датчик и двухцветный светодиод, и боковых крышек, образующих вместе корпус устройства, имеющий выходные разъемы для соединения устройства с источником питания и нагрузкой, причем нагревательный элемент включается и выключается от датчика температуры при достижении наружной температуры, соответственно, ниже или выше 0°С, отличающееся тем, что нагревательный элемент непосредственно прилегает к аккумуляторной(-ым) батарее(-ям) и питается от нее(них), аккумуляторная(-ые) батарея(-еи) по всей площади ее(их) поверхности, за исключением поверхности прилегания нагревательного элемента к аккумуляторной(-ым) батарее(-ям), покрыта(-ы) гибким теплоизоляционным самоклеящимся материалом, а все внутреннее пространство корпуса аккумуляторного устройства залито низкотеплопроводным полимерным компаундом.
Для получения технического результата полезная модель может быть осуществлена следующим предпочтительным образом, не исключающим иные способы осуществления в рамках заявленной формулы полезной модели.
Комбинированное аккумуляторное устройство изготавливается следующим образом. На печатной плате располагают аккумуляторную батарею или аккумуляторные батареи, нагревательный элемент, температурный датчик и двухцветный светодиод. Нагревательный элемент представляет собой чип-резисторы, которые располагают на печатной плате непосредственно прилегающими к аккумуляторной(-ым) батарее(-ям), причем нагревательный элемент соединен с аккумуляторной(-ыми) батареей(-ями) и с температурным датчиком, в связи с чем в процессе эксплуатации устройства питается от аккумуляторной(-ых) батареи(-ей). Двухцветный светодиод осуществляет индикацию состояния заряда или разряда аккумуляторной(-ых) батареи(-ей). Температурный датчик включает или выключает нагревательный элемент при достижении наружной температуры, соответственно, ниже или выше 0°С.Аккумуляторную(-ые) батарею(-еи) по всей площади ее(их) поверхности, за исключением поверхности прилегания нагревательного элемента к аккумуляторной(-ым) батарее(-ям), покрывают гибким теплоизоляционным самоклеящимся материалом, изготовленного на основе вспененного полистирола. Печатная плата устройства соединятся с металлическими, например алюминиевыми, боковыми крышками, образующими вместе корпус аккумуляторного устройства, содержащий также разъемы для подключения устройства к основному источнику питания и нагрузке, в качестве которой выступают светодиодные источники света. Внутреннее пространство аккумуляторного устройства заливается полностью низкотеплопроводным полимерным компаундом, преимущественно полиамидным или силиконовым. В результате расположения нагревательного элемента непосредственно прилегающим к аккумуляторной(-ым) батарее(-ям) для минимизации теплопотерь при передаче тепла от нагревательного элемента аккумуляторной(-ым) батарее(-ям), питания нагревательного элемента от аккумуляторной(-ых) батареи(-ей), который(-ые) в свою очередь покрыт(ы) по всей площади ее(их) поверхности гибким теплоизоляционным самоклеящимся материалом, обеспечивающим эффективную теплоизоляцию аккумуляторной(-ых) батареи(-ей), достигается низкое потребление (менее 1 Вт) электропитания нагревателя, аккумуляторной(-ых) батареи(-ей) (не более 8 Вт) и в целом устройства даже при условии его эксплуатации при температуре значительно ниже 0°С, например при -20°С. При этом заливка внутреннего пространства аккумуляторного устройства низкотеплопроводным полимерным компаундом обеспечивает герметичность всего устройства в целом и отдельных его элементов, защиту их от механического воздействия, пыли, воды, огня и т.п., в результате чего устройство соответствует степени защиты IP67.
Новизна представленной полезной модели состоит в том, что совокупность ее существенных признаков обеспечивает долговременный, непрерывный, автоматический характер работы комбинированного аккумуляторного устройства с низким потребление электропитания при его эксплуатации в любых условиях, в том числе в условиях низких (отрицательных) температур, высокой влажности и т.д.
Предложенное комбинированное аккумуляторное устройство в настоящее время готовится к промышленному производству.