УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБОГРЕВА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована для обогрева аккумуляторных батарей.
Известен предпусковой подогреватель двигателя с дополнительным обогревом аккумуляторных батарей (Патент RU №83219, МПК B60H 1/00, опубликован 27.05.2009 г.), состоящий из теплообменника, горелки, насосного агрегата, патрубка выхода отработавших газов, источника высокого напряжения (транзисторного коммутатора), и содержащий переходник на патрубок выхода отработавших газов, трубопровод для отвода отработавших газов, распределитель воздушного потока.
Известен также предпусковой подогреватель двигателя с дополнительным обогревом аккумуляторных батарей и предохранителем отключения (Патент RU №85860, МПК B60H 1/00, опубликован 20.08.2009 г.), состоящий из теплообменника, горелки, насосного агрегата, патрубка выхода отработавших газов, источника высокого напряжения (транзисторного коммутатора), и содержащий переходник на патрубок выхода отработавших газов, трубопровод для отвода отработавших газов, распределитель воздушного потока, электромагнитный клапан, температурный датчик, теплообменник.
Недостатками данных предпусковых подогревателей является то, что предпусковой подогрев достигается за счет частичного отвода теплоты отработавших газов на аккумуляторные батареи, т.е. обогрев происходит только при работающем двигателе, а при эксплуатации аккумуляторных батарей в условиях низких температур происходит их интенсивный разряд.
Наиболее близким к предполагаемому устройству (прототип) является устройство для защиты оборудования от перегрева и/или переохлаждения (Патент RU №246174, МПК B60H 1/00, H01M 10/50, опубликован 10.10.2012 г.), включающее средство теплоизоляции и средство обогрева защищаемого оборудования и дополнительно снабжено блоком контроля и управления, выполненным в виде датчика температуры окружающей среды, датчика температуры защищаемого оборудования и управляющего элемента, причем блок контроля и управления связан с защищаемым оборудованием, нагревательным элементом и окружающей средой.
Недостатком данного устройства является отсутствие защиты нагревательных элементов от механических повреждений и высокая пожароопасность нагревательных элементов, для работы нагревательного элемента используется энергия непосредственно обогреваемого аккумулятора.
В качестве прототипа нагревательного элемента выбрано устройство для обогрева (Патент RU №17479, МПК B60H 1/00, опубликован 10.04.2001 г.), содержащее источник электропитания, соединительные элементы и термоэлементы, а термоэлементы выполнены из углеродных нитей и/или тканей.
Недостатком данного устройства является подверженность нагревательных элементов механическим повреждениям и их высокая пожароопасность.
У известных устройств и заявляемой полезной модели имеются следующие существенные признаки:
- выполняемая функция - обогрев с использованием нагревательных элементов;
- недостатком всех известных устройств является их высокая пожароопасность, обусловленная материалом используемых нагревательных элементов, т.е. применяемые элементы не достаточно долговечны, прочны, подвержены механическим повреждениям и т.п.
Задачей предполагаемой полезной модели является создание заданных условий для обогрева аккумуляторных батарей при нахождении их на транспортном средстве, а так же в условиях безгаражного хранения и при транспортировке, с такими эксплуатационными свойствами, как влагостойкость, термостойкость, прочность, гибкость, пожаробезопасность, предназначенными для исключения упомянутых выше недостатков прототипов. Это позволит упростить конструкцию и повысить удобство в эксплуатации аккумуляторных батарей, за счет того, что электронагревательные элементы, выполнены из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра и расположены на внутренней поверхности контейнера для размещения аккумуляторных батарей, что обеспечивает поддержание температурного режима при их использовании в качестве нагревательных элементов в заданном интервале температур в течение длительного времени эксплуатации. Перед пуском двигателя необходимо включать вентилятор для вентиляции обогреваемого контейнера, в котором расположен аккумулятор.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для обогрева аккумуляторных батарей, включающее средство теплоизоляции и средство обогрева аккумуляторных батарей снабжено блоком контроля и управления, выполненным в виде датчика температуры окружающей среды, датчика температуры обогреваемого контейнера и управляющего элемента, связанного с обогреваемым контейнером, нагревательным элементом и окружающей средой, а в обогреваемом контейнере, содержащем каркас с расположенными на внутренней поверхности обогреваемого контейнера гибкими нагревательными элементами, выполненными в виде многослойных электрически обогреваемых матов, изготовленных из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра, для повышения эффективности работы нагревательных элементов в состав обогреваемых матов включен отражающий слой, выполненный из алюминиевой пленки способом вакуумного напыления, гибкие нагревательные элементы расположены децентрализовано, т.е. со смещением, что позволяет подключать их ступенчато, за счет увеличения поверхности теплоотдачи в зависимости от температуры окружающей среды и обогреваемый контейнер оборудован вытяжным вентилятором для вентиляции обогреваемого контейнера перед пуском двигателя. Использование инфракрасного прогрева помогает избежать электромагнитных излучений.
Применение гибких электронагревателей, в виде электрически обогреваемых матов, размещенных на внутренней поверхности обогреваемого контейнера с размещенной в нем аккумуляторной батареей, расположенных децентрализовано, т.е. со смещением, что позволяет подключать их ступенчато. Это обеспечивает более эффективный обогрев аккумулятора в контейнере. Электронагревательный элемент устройства для обогрева аккумулятора выполнен из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра и расположен в многослойном мате, соединенном токопроводом с малогабаритным источником питания, снабженным датчиком присутствия (давления).
Электрически обогреваемые маты для защиты изготавливаются из водо- и морозостойкого материала, обеспечивающего эластичность материала тепловолокна с встроенной системой терморегулирования и термоотключения. Обогревающие маты предусматривают возможность регулирования поступления тепла в контейнер с аккумуляторными батареями во избежание общего и локального перегревания аккумулятора. Поверхность обогреваемого контейнера не должна нагреваться выше плюс 25°С.
Малогабаритный источник питания устройства для обогрева аккумуляторных батарей вмонтирован в основную часть обогреваемого контейнера.
Максимальная температура нагревательного элемента, выполненного из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра, не превышает плюс 25°C, а в случае перегорания (повреждения) электрического провода (лавсановых нитей с резистивным напылением серебра, оксидов металлов) в обогреваемом мате, он не возгорается, что повышает пожаро- и взрывобезопасность устройства в целом.
Обогреваемые маты, изготовленные из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра (оксидов металлов), обладают следующими преимуществами:
- механическая стойкость и «супергибкость» - до 150000 изгибов на точку, можно мять, складывать в любые положения, стирать в стиральной машине;
- изделия успешно прошли испытания при экстремальных условиях (за Полярным кругом);
- быстрая скорость нагрева тепловолокна - 1°C в секунду.
Для регулирования прогрева обогреваемых матов нагревательные элементы могут подключаться ступенчато и группами, в зависимости от температуры окружающей среды, что существенно снижает затраты энергии на обогрев контейнера с аккумуляторными батареями до заданной температуры и позволяет максимально использовать тепловую энергию электронагревателей для нагрева.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованиям новизны.
Сущность изобретения поясняется на чертеже фиг. 1.
Аккумуляторная батарея 1 находится внутри теплоизоляционного обогреваемого контейнера 2 с крышкой. Влияние температуры окружающей среды на аккумулятор в этом случае минимальное. Гибкий нагревательный элемент находится в непосредственном контакте с аккумулятором, располагается на боковых внутренних поверхностях контейнера 2 и выполнен в виде многослойных электрически обогреваемых матов 3, изготовленных из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра (оксидов металлов). Для повышения эффективности работы нагревательных элементов в состав обогреваемых матов 3 включен отражающий слой, выполненный из алюминиевой пленки способом вакуумного напыления, гибкие нагревательные элементы расположены децентрализовано, т.е. со смещением, что позволяет подключать их ступенчато, за счет увеличения поверхности теплоотдачи в зависимости от температуры окружающей среды. Обогреваемый контейнер 2 оборудован вытяжным вентилятором 4 для вентиляции контейнера перед пуском двигателя. Управляющий элемент в виде контроллера 5 крепится к внешней стороне обогреваемого контейнера 2. Датчики температуры 6 и 7 крепятся к обогреваемому контейнеру 2 соответственно изнутри и снаружи. Провода от контроллера 5, многослойных электрически обогреваемых матов 3 в установленной последовательности крепятся к клеммам малогабаритного источника питания (литий-ионной полимерной батареи) 8, расположенной внутри обогреваемого контейнера 2 (показано условно), а колодка со светодиодами (блок информации) 9 крепится на внешнюю сторону обогреваемого контейнера 2 (показано условно).
На внутренней боковой поверхности обогреваемого контейнера 2 закреплены обогреваемые маты 3 с нагревательными элементами, снабженными контактами (на чертеже не показаны) и связанные токопроводом с источником питания 8 (литий-ионная полимерная батарея), закрепленным внутри обогреваемого контейнера 2, а также имеющем клеммы (на рисунке не показаны) с гнездом зарядного устройства для подключения внешнего источника питания (транспортного средства, передвижной источник питания). Степень нагрева многослойных электрически обогреваемых матов 3 регулируется термодатчиком 6.
Электрически обогреваемые маты 3 выполнены из четырех слоев, расположенных в следующей последовательности (сверху вниз) в соответствии с фиг. 2:
- первый слой 1 - предназначен для интенсивной передачи тепла к аккумуляторной батарее, а также обеспечивает плотное прилегание обогреваемого мата к корпусу аккумуляторной батареи, учитывающий геометрическую форму аккумуляторной батареи, достаточно тонкая часть первого слоя многослойного обогреваемого мата обеспечивает минимальный тепловой зазор;
второй слой 2 - слой с размещенными нагревательными элементами, которые могут подключаться ступенчато и группами. Температура нагрева нагревательных элементов, изготовленных из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра (оксидов металлов), зависит от плотности тока, протекающего по нагревательным проводам, которая напрямую связана с величиной электрического напряжения, подводимого к специально формируемым токоподводящим шинам (на рисунке не показаны), предварительно нанесенными на слой материала. Задавая величину питающего напряжения, можно регулировать тепловыделение нагревательных проводов, а значит, и их температуру;
третий слой 3 - защитный изолирующий слой предназначен для придания жесткости, гибкости, прочности при изгибе и влагостойкости, с малой теплопроводностью и высокой проницаемостью для теплового излучения;
четвертый слой 4 - отражающий слой размещен с тыльной стороны обогреваемого мата. Отражающая поверхность отражающего слоя сопряжена непосредственно с материалом изолирующего слоя, например, путем наложения металлической фольги на изолирующий слой способом вакуумного испарения. Этот слой предназначен для уменьшения теплопередачи тепла от нагревательного элемента к внешней среде, с размещением по его периметру заземляющего контура (на рисунке не показан).
Свойства каждого из слоев электрически обогреваемого мата в совокупности позволяют обеспечить заявленный технический результат.
Электрически обогреваемый мат для обогрева аккумуляторной батареи может быть выполнен в виде неразъемного изделия.
Устройство для обогрева аккумуляторных батарей работает следующим образом.
Аккумуляторные батареи 1 размещаются в обогреваемом контейнере 2 закрытом сверху крышкой, предохраняющей аккумуляторную батарею от воздействия окружающей среды, а многослойные электрически обогреваемые маты 3, расположенные на внутренних боковых поверхностях, обеспечивают поддержание заданной температуры внутри контейнера 2, в зависимости от температуры окружающей среды.
Датчики 6 и 7 осуществляют постоянный контроль температуры защищаемого аккумулятора 1 и температуры окружающей среды. При температуре окружающей среды в пределах комфортной датчик 6 отключается и работает только датчик 7, контролирующий температуру окружающей среды. При этом управляющий элемент 5 подает сигнал или команду на выключение нагревательного элемента 3, если он был включен ранее. При снижении температуры окружающей среды ниже комфортной для аккумулятора работают оба датчика 6 и 7. Когда температура в обогреваемом контейнере 2 с размещенным аккумулятором 1 достигнет заданной критической точки, управляющий элемент 5 подает сигнал или команду на включение нагревательного элемента 3. После прогрева контейнера 2 с размещенным аккумулятором 1 до установленной температуры датчик 6 формирует сигнал на управляющий элемент 5, который подает команду на отключение нагревательного элемента 3.
Устройство для обогрева аккумулятора питается от встроенной литий-ионной полимерной батареи 8, предварительная зарядка которой осуществляется с помощью зарядного устройства от сети 220 V через клемму (на фиг. 1 не показано). После включения электрически обогреваемых матов 3, подогрев работает не непрерывно, а только в случае необходимости. Схема работы устройства для обогрева аккумулятора следующая: встроенный в электронные компоненты второго слоя термодатчик 6 активирует систему нагрева при снижении температуры обогреваемого мата 3 до плюс 20°C и отключает нагрев, когда температура достигает плюс 25°C, далее обогреваемые маты 3 постепенно остывают и отдают свое тепло аккумулятору 1 если температура опускается до плюс 20°C, цикл нагрева повторяется. Таким образом, обеспечиваются заданные температурные условия для аккумулятора 1, а также продлевается время работы литий-ионной полимерной батареи 8. Чтобы включить устройство для обогрева аккумулятора 1, нужно поставить аккумулятор 1 в обогреваемый контейнер 2, срабатывает датчик присутствия (давления), расположенный на днище обогреваемого контейнера (на рисунке не показан), что обеспечит работу устройства для обогрева. При снятии аккумулятора 1 с автомобиля происходит автоматическое отключение устройства для обогрева.
Все технические составляющие, обеспечивающие работу устройства для обогрева аккумулятора, надежно закрыты защитными изолирующими слоями, поэтому пользование устройством для обогрева аккумулятора абсолютно безопасно.
Время непрерывной работы устройства для обогрева аккумулятора без подзарядки составляет от 2 до 8 часов - зависит от внешней температуры окружающей среды. В устройстве для обогрева аккумулятора используются высококачественные литий-ионные полимерные батареи типа 900 mAh без эффекта запоминания, которые не могут быть повреждены частой зарядкой и рассчитаны приблизительно на 500 циклов заряда/разряда.
Устройство для обогрева аккумулятора способно обогревать контейнер с аккумулятором до заданной температуры при питании не только от встроенной литий-ионной полимерной батареи, но и от любых, в том числе и от автономных источников тока, в частности от любого автомобильного аккумулятора, а также от носимого с собой аккумулятора напряжением 12…15 B постоянного тока. Целесообразно, в ряде случаев, использование устройства для обогрева аккумуляторов, например, при транспортировке в дальних поездках в кузовах автомобилей или в любых специально не обогреваемых помещениях, хранилищах и кабинах других транспортных средств. При этом проблемы с электрической емкостью источников тока значительно упрощаются, поскольку в качестве источника тока всегда можно использовать автономные источники питания, энергоемкие автомобильные аккумуляторы (при работающих генераторах) и задумываться в этом случае об экономии электроэнергии при работе генератора нет необходимости.
При использовании устройства для обогрева аккумуляторов в обитаемых (необитаемых) помещениях (при необходимости) вообще отпадает нужда в применении для обогрева автономных источников питания, поскольку вполне допустимо и целесообразно применять различного рода зарядные устройства постоянного и переменного тока, широко используемые в быту. Электрические параметры этих универсальных устройств типа «ADAPTOR.» вполне приемлемы для работы устройства обогрева аккумуляторов. Они надежны, малогабаритны и подходят по всем своим электрическим параметрам, питаются они от сети 220 B переменного тока, т.е. от городской электрической сети.
Суммарное время непрерывной работы устройства обогрева аккумуляторов определяется электрической емкостью используемого источника тока. Например, источник тока, имеющий электрическую емкость 2 Ач, при токе разряда 200 мА, способен обогревать контейнер с аккумуляторами (генерировать тепло) непрерывно в течение 7…8 и более часов.
Возможно множество различных конструктивных вариантов размещения и закрепления тепловыделяющих элементов 3 в обогреваемом контейнере 2.
Сочетание высокой термостойкости лавсановых нитей с резистивным напылением серебра, коаксиально размещенными на верхней плоскости обогреваемого слоя и низкой электропроводности отражающего слоя сопряжено непосредственно с материалом изолирующего слоя, например, путем наложения металлической фольги на изолирующий слой способом вакуумного испарения позволяет использовать этот гибкий прочный провод, изготовленный из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра в качестве нагревательного элемента. Температура нагрева лавсановых нитей с резистивным напылением серебра зависит от плотности тока, протекающего по токопроводящему слою лавсановых нитей с резистивным напылением серебра, которая напрямую связана с величиной электрического напряжения, подводимого к специально формируемым токоподводящим шинам, предварительно нанесенным на основную часть электрообогреваемых матов.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства для обогрева аккумулятора заключается в том, что применение лавсановых нитей с резистивным напылением серебра позволяет сократить геометрические размеры нагревательных матов, обеспечить лучший термический контакт между электрически обогреваемыми матами 3 и аккумулятором 1 соответственно повысить коэффициент полезного действия отдачи тепла от нагревательного элемента.
Технический результат: быстрый и надежный прогрев, как обогреваемого контейнера, так и обогрев аккумулятора до заданной температуры, а также более полное и эффективное использование теплоты выделяемой нагревательными элементами, повышается коэффициент полезного действия, что позволяет максимально использовать тепловую энергию электронагревателей для обогрева аккумулятора в целом.
По сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве обеспечивается непрерывный подогрев аккумуляторных батарей.