Электрическая аккумуляторная батарея

Полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использована в автономных системах электроснабжения транспортного средства, в частности в железнодорожном транспорте.
Жизнь современного общества невозможно представить без использования химического источника тока. Они нашли широчайшее применение как автономные источники электроэнергии для питания всевозможной электронной аппаратуры, компьютеров, радиотелефонов, часов и многого другого. Они незаменимы на транспорте, в автомобилях, в промышленности, в космических аппаратах, в военной технике и во многих других областях.
На железнодорожном транспорте аккумуляторные батареи предназначены для питания низковольтных цепей управления, защит, сигнализации, дежурного освещения при неработающих генераторах управления или неработающем блоке питания. В случае выхода из строя генератора управления в пути или подготовке локомотива к эксплуатации аккумуляторная батарея служит резервным источником питания.
В условиях эксплуатации на железнодорожном транспорте аккумуляторным батареям присущ общий недостаток, который проявляется в существенном уменьшении емкости при низких наружных температурах. Разработка надежных и экономичных автономных источников питания электроустановок, в том числе и для подвижного состава, всегда является актуальной задачей.
Известна аккумуляторная батарея (RU 2549831, кл. Н01М 10/00, 2015 г), состоящая из n аккумуляторов, соединенных последовательно, и теплопередающих устройств типа «тепловая труба». В центральные области электродных блоков аккумуляторов встроена испарительная часть теплопередающих устройств, а конденсаторные части теплопередающих устройств находятся в тепловом контакте с корпусом аккумуляторов.
Наличие испарительной и конденсирующей зоны в условиях эксплуатации аккумуляторов в температурном режиме от -40°С до +40°С значительно увеличивает массогабаритные размеры батареи, что неприемлемо в условиях ее размещения в вагонах.
Прототипом полезной модели является батарея химических источников тока (RU 132620, кл. H01M 10/44, H01M 10/46, 2013 г.), содержащая множество установленных в корпус единичных химических источников тока или модулей из нескольких единичных химических источников тока, соединенных в единую электрическую цепь, имеющую клеммы для подключения внешних устройств, нагревательные элементы, по крайней мере один термодатчик, блок управления с коммутатором, осуществляющим подключение или отключение нагревательных элементов к внешнему источнику электропитания. В качестве единичных химических источников тока используют батареи из 4-х призматических литий-ионных аккумуляторов или из 4-х призматических воздушно-магниевых источников тока с солевым электролитом. Блок управления с помощью коммутатора осуществляет подключение или отключение нагревательных элементов к электрической цепи из единичных химических источников тока или модулей из нескольких единичных химических источников тока. В зависимости от измеряемой термодатчиком температуры нагревательные элементы соединяются между собой по последовательной, параллельной, параллельно-последовательной или последовательно-параллельной схеме. Нагревательные элементы выполнены на базе углеродных волокнистых материалов и установлены между единичными химическими источниками тока или модулями из нескольких единичных химических источников тока. Корпус имеет дополнительный слой из теплоизоляционного материала. Блок управления имеет, по крайней мере, один микроконтроллер.
Недостатком известной батареи химических источников тока является невозможность их использования на железнодорожном транспорте, в том числе при эксплуатации аккумуляторной батареи в качестве резервного источника питания, т.к. эксплуатация таких батарей должна быть в суровых климатических условия, в том числе, с пониженной температурой ниже -40°С. Для использования известной батареи потребуется сложная конструкция из-за необходимости увеличения числа химических источников, и дополнительного оборудования для обеспечения необходимых условий эксплуатации. Например, теплоизоляционный слой требует дополнительных трудозатрат при монтаже-демонтаже, когда утепление корпуса не требуется, из-за положительных температур окружающей среды, что также усложняет как конструкцию, так и ее эксплуатацию.
Проблемой, на которую направлена полезная модель, является разработка электрической аккумуляторной батарее, с возможностью ее использования на железнодорожном транспорте, в том числе в зимний период с сохранением высокой номинальной емкости, более 2 часов, при высоких токах разряда, с количества циклов полной зарядки-разрядки до 1200-1500.
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции.
Технический результат достигается за счет того, что электрическая аккумуляторная батарея включает корпус, внутри которого расположен блок последовательно соединенных модулей аккумуляторов, в последовательный контур соединения модулей между катодом и анодом включен блок разряда, выполненный в виде нагревательного элемента, с возможностью включения-отключения от датчика температуры. Согласно полезной модели, модуль аккумуляторов выполнен на основе натрий-ионных батарей, при этом корпус снабжен съемным теплозащитным кожухом, а натрий-ионные батареи между собой соединены шпилечным соединением.
Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами, где на фиг. 1 - представлена конструкция электрической аккумуляторной батареи; на фиг. 2 - электрическая аккумуляторная батарея в разрезе.
Электрическая аккумуляторная батарея включает корпус 1, внутри которого расположен контур из последовательно соединенных с помощью шпилечного соединения 2 модулей 3 натрий-ионных батарей. Шпилечное соединение 2 облегчает процесс сборки аккумуляторной батареи, а, следовательно, упрощает всю конструкцию в целом. Между катодом 4 и анодом 5 контура включен блок 6 разряда в виде, например, нагревательного элемента, включающего спираль 7. В корпусе 1 установлен датчик 8 температуры, который обеспечивает включение-отключение блока 6 разряда с помощью контакта 9 переключения. На корпусе 1 сверху установлен съемный теплозащитный кожух 10, значительно упрощающий конструкцию при эксплуатации во время монтажа - демонтажа при переходе с зимнего на летнее время и обратно.
Электрическая аккумуляторная батарея работает следующим образом.
Натрий-ионная батарея сохраняет высокую номинальную емкость при высоких токах разряда, так при емкости модуля 40 кВт и при токе разряда 170А электрическая батарея может обеспечивать потребителей током более 2 часов, что достаточно для резервного источника питания, используемого на железнодорожном транспорте. Батарея сохраняет высокую номинальную емкость при умеренно низких температурах, а также сохраняет работоспособность при длительном хранении в условиях полного разряда. Такие характеристики аккумуляторных батарей предпочтительны для их использования на железнодорожном транспорте. Использование натрий-ионных батарей в качестве модулей электрической батареи объясняется также тем, что у них количество циклов полной зарядки-разрядки составляет 1200-1500.
Учитывая, что при отрицательных температурах ниже минус 20°С работоспособность аккумуляторных батарей на базе натрий-ионные батарей снижается, на корпус 1 устанавливают съемный теплозащитный кожух 10, который в летний период времени снимают. Теплозащитный кожух 10 позволяет сохранять температуру внутри аккумуляторной батареи в течение длительного времени. В период зарядки-разрядки модулей 3 натрий-ионных батарей температурный режим обеспечивается за счет внутреннего сопротивления модулей 3. Во внутреннем пространстве корпуса 1 электрической аккумуляторной батареи выделяется тепло, заведомо превышающее потери тепла, возникающие даже при температуре окружающей среды менее -40°С. Таким образом, в рабочих режимах обеспечиваются условия, при которых температура натрий - ионных модулей 3 не опускается ниже -20°С.
В случае длительного простоя электрической аккумуляторной батареи при низких температурах, тепловой режим обеспечивается за счет включения блока 6 разряда. Датчик 8 температуры, расположенный внутри корпуса 1, при температуре минус 20°С замыкает контакты 9 переключения, и включается блок 6 разряда, снабженный спиралью 7. За счет тепловыделения при прохождении тока через спираль 7 обеспечивается выделение тепла, компенсирующего тепловые потери через стенки корпуса 1. При достижении в режиме саморазряда температуры -15°С, датчик 8 температуры размыкает контакты 9 переключения, и режим саморазряда аккумуляторной батареи прекращается. Саморазряд батареи обеспечивается тем, что она работает в режиме неполного разряда, т.е. даже полностью исчерпавшая номинальную емкость батарея сохраняет не менее 30% первоначальной емкости. Запаса мощности достаточно, чтобы при разряде обеспечить температурный режим не менее -20°С в течение более 10 суток.
В настоящее время электрическая аккумуляторная батарея находится на стадии технического предложения.