ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР И БАТАРЕЯ НА ЕГО ОСНОВЕ

Полезная модель относится к электротехнике, конкретно к электрохимическим конденсаторам с двойным электрическим слоем и батареям на их основе.
Известен электрохимический конденсатор (ЭХК), содержащий герметичный корпус, поляризуемые углеродные электроды и сепаратор, пропитанный электролитом (Патент России 2156512, Н01G 9/042, 2000).
Недостатком указанного ЭХК являются сложность конструкции и высокая стоимость изготовления.
Известен ЭХК, содержащий корпус, электроды на основе углерода, сепаратор, пропитанный щелочным электролитом (Патент РФ №2098879, Н01G 9/155, 1997).
Недостатком этого ЭХК сложность конструкции и высокая стоимость изготовления.
Из известных ЭХК наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является ЭХК, содержащий корпус, поляризуемый пористый углеродный электрод, не поляризуемый оксидно-никелевый электрод и пористый сепаратор, пропитанный щелочным электролитом (Патент РФ №2063085 С1, Н01G 9/00, 1996).
Недостатком этого известного ЭХК низкие характеристики и невысокая надежность эксплуатации, связанные с возможностью внутреннего газовыделения, приводящего к снижению характеристик и последующему выходу ЭХК из строя.
Известна батарея ЭХК, содержащая корпус, в котором ЭХК поджаты между силовыми стенками, соединенными между собой стяжками (патент России 2345434 H01G 9/00, 9/08, 2009).
Недостатками этой батареи являются сложность конструкции и сборки, что повышает стоимость изготовления батареи.
Из известных батарей ЭХК наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату является батарея ЭХК, содержащая корпус с токовыводами, набор ЭХК, включающий, по меньшей мере, два ЭХК, размещенные в корпусе и электрически соединенные перемычками, между собой и с токовыводами, устройство поджатия ЭХК, содержащее пружину и пластину со стороны ЭХК (Патент РФ №2260867, H01G 9/0, 9/016, 9/058).
Недостатком этой батареи является низкая надежность, связанная с возможностью внутреннего газовыделения, приводящего к снижению характеристик и последующему выходу его из строя, отсутствием контроля о состоянии заряда ЭХК, а также и отсутствием защиты батареи от токовой перегрузки.
Задачей полезной модели является создание ЭХК и батареи ЭХК, обладающие высокими характеристиками и надежностью эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что ЭХК содержит корпус, поляризуемый пористый углеродный электрод, не поляризуемый оксидно-никелевый электрод и пористый сепаратор, пропитанный щелочным электролитом, при этом корпус снабжен газовым клапаном, углеродный электрод изготовлен из ткани, при этом его пористость составляет 65÷75%, а его сорбционная активность по йоду равна 80-85%, щелочной КОН электролит имеет концентрацию 28÷31 масс.% и содержит LiOH, при этом, соотношении LiOH/КОН в электролите равно 0,043÷0,063, отношение уровня электролита к высоте внутренней полости корпуса равно 0,8÷0,97.
2
Концентрация раствора электролита КОН равная 28,3÷31,2% позволяет обеспечить работу ЭХК при температуре минус 50°С. При введении в электролит добавки гидроксида лития, величина заявленного соотношения LiOH/KOH в системе LiOH-KOH-HO, равная 0,043÷0,063, является наиболее оптимальной. При снижении этого соотношения электрическая проводимость раствора снижается, а при увеличении отношения изменение электрической проводимости неощутимо.
2
Сочетание пористости тканевых углеродных электродов, равной 65÷75%, с их высокой сорбционной активностью по йоду, равной 80-85%, обеспечивает высокую степень заполнения пор электродов электролитом и, как следствие, повышение характеристик и надежность ЭХК. Высокие пористость и сорбционная активность позволили достичь в ЭХК согласно полезной модели максимальную из известных плотность разрядного тока на углеродном электроде 120 мА/см.
Заявленное отношения уровня электролита во внутренней полости корпуса ЭХК к высоте этой полости в пределах 0,80÷0,97 необходимо для обеспечения надежной работы ЭХК. Нижний предел отношения обеспечивает необходимое перекрытие электролитом верхнего края пакета электродов, что свидетельствует о наличии необходимого количества электролита для надежной работы ЭХК. Разница между верхним и нижним пределами отношения вызвана разницей пористости электродов, поры которых заполняются электролитом, технологическими допусками на дозы электролита, размеры корпуса и параметры процесса вакуумирования. Верхний предел отношения, равный 0,97, ограничивает максимальный объем электролита, исходя из возможности его температурного расширения. Наличие газового клапана обеспечивает сброс газа из ЭХК при превышении давления выше допустимого. Это повышает выходные характеристики и надежность ЭХК.
Целесообразно, чтобы газовый клапан был выполнен в виде ниппеля с трубкой из щелочестойкой резины. Такое исполнение газового клапана упрощает его конструкцию и снижает стоимость.
Целесообразно, чтобы, что углеродный тканевый электрод был изготовлен из волокнистого сорбента марки БУСОФИТ-Л, выработанного из вискозных технических лент. Указанный материал является общедоступным и обладает требуемыми пористостью и сорбционной активностью по иоду.
Целесообразно, чтобы корпус был выполнен из полимерного материала бален (полипропилен с сополимером пропилена) марки 02035. Указанный материал общедоступен, обладает требуемыми механическими характеристиками, стоек в щелочном электролите и имеет низкую стоимость.
Целесообразно, чтобы сепаратор был выполнен из волокнистого полипропиленового мембранного материала марки 7Б, или из бумаги сепараторной марки БСК-50. Указанные сепараторные материалы обладают необходимой пористостью и механической прочностью.
Что касается батареи ЭХК, то указанный технический результат достигается тем, что батарея ЭХК содержит корпус с токовыводами, набор ЭХК, включающий, по меньшей мере, два ЭХК, размещенные в корпусе и электрически соединенные перемычками, между собой и с токовыводами, устройство поджатия ЭХК, содержащее пружину и пластину со стороны ЭХК, при этом, ЭХК выполнены в соответствие п.п.1-6 формулы полезной модели. Использование в составе батареи указанных ЭХК, обладающих высокими характеристиками и надежностью, обеспечивают соответствующие характеристики батареи.
2
2
2
2
Целесообразно, чтобы удельное усилие поджатия, развиваемое пружиной, было равно 1,0÷3,0 кгс/см. Удельное усилие сжатия конденсаторов в батарее, развиваемое пружиной, равное 1,0÷3,0 кгс/см, является оптимальным. В этом диапазоне достигается плотный контакт электродов и сепараторов в пакете электродов внутри ЭХК, необходимый для обеспечения нормальной работы. При снижении удельного усилия сжатия ЭХК ниже нижнего предела, равного 1,0 кгс/см, возрастает внутреннее электрическое сопротивление, негативно влияющее на характеристики. При превышении удельного усилия сжатия свыше 3,0 кгс/см происходит деформация полимерных корпусов ЭХК и разрушение электродов.
Целесообразно чтобы батарея содержала электронный блок контроля для выработки контрольных сигналов о трех состояниях заряженности батареи, а по крайней мере одна из перемычек в батарее была выполнена в виде слабого - плавкого звена в последовательной электрической цепи ЭХК. Электронный блок контроля вырабатывает слаботочные электрические сигналы на светодиоды индикации о трех состояниях заряженности батареи, информация о которых необходима в качестве руководства при эксплуатации батареи. Это облегчает эксплуатацию и повышает надежность батареи от выхода из строя.
Выполнение в электрической цепи последовательно соединенных конденсаторов участка по крайней мере одной из перемычек между конденсаторами в качестве плавкого звена, расправляющийся при превышении допустимой пиковой токовой нагрузки на батарею, повышает надежность по защите электродов конденсаторов от выхода из строя при пиковой токовой перегрузке батареи.
Целесообразно, чтобы перемычки были присоединены к борнам ЭХК болтовым, либо сварным соединением. Это повышает надежность батареи.
Целесообразно, чтобы в батарее ЭХК были расположены в один или несколько рядов, при этом ЭХК и ряды электрически соединены последовательно, или ЭХК в ряду электрически соединены последовательно, а соседние ряды включены электрически параллельно, или соседние ЭХК в разных рядах были соединены в секции параллельно, а секции соединены последовательно, или соседние ЭХК в разных рядах были соединены в секции последовательно и секции также соединены последовательно. Последовательное соединение ЭХК позволяет обеспечить требуемое напряжение батареи, а параллельное соединение - требуемую величину тока нагрузки.
Целесообразно, чтобы пружины поджатия и пластины были расположены на противоположных концах ряда ЭХК. Это позволяет обеспечить требуемое усилие поджатия.
Целесообразно, чтобы, что ЭХК, пружина поджатия и пластина помещены в общий хомут, а хомут являлся бы корпусом батареи. Наличие хомута позволяет объединить отдельные ЭХК в единый блок батареи.
Целесообразно, чтобы пружина поджатия была выполнена в виде сегмента отрезка трубы или плоской пластины с лапками, отогнутыми в сторону пластины, а количество лапок равно 10÷20.
Выполнение пружины поджатия в виде сегмента отрезка трубы или плоской пластины с лапками, отогнутыми в сторону пластины позволяет минимизировать затраты объема батареи на размещение узла поджатия, а количество лапок в плоской пружине выбирается в зависимости от размеров конденсаторов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены:
На фиг.1 - продольный разрез конденсатора,
1
1
На фиг.2 - поперечный разрез конденсатора 1-1 по фиг.1.
На фиг.3 - вид батареи конденсаторов, сбоку; без стенки,
На фиг.4 - вид сверху батареи, содержащей один ряд конденсаторов, соединенных последовательно; крышка снята,
На фиг.5 - вид в аксонометрии перемычки без крепежных отверстий,
1
1
На фиг.6 - поперечный разрез перемычки 1-1 по фиг.5.
На фиг.7 - вид в аксонометрии пружины в виде сегмента отрезка трубы,
На фиг.8 - вид в аксонометрии плоской пружины с лапками,
На фиг.9 - электрическая блок-схема батареи с одним рядом ЭХК, соединенных последовательно,
На фиг.10 - электрическая блок-схема батареи двумя рядами ЭХК, ЭХК в разных рядах соединены в секции последовательно и секции также соединены последовательно,
На фиг.11 - электрическая блок-схема батареи с двумя рядами ЭХК, ЭХК соединены последовательно, а ряды параллельно,
На фиг.12 - электрическая блок-схема батареи с двумя рядами ЭХК, соседние ЭХК в разных рядах соединены параллельно в секции, соединенные последовательно,
На фиг.13 - электрическая схема электронного блока контроля.
ЭХК 1 состоит из полимерного корпуса 2, в который помещен пакет 3, состоящий из одного тканевого ленточного углеродного электрода, обернутого вокруг нескольких оксидно-никелевых электродов, причем каждый оксидно-никелевый электрод отдельно обернут сепаратором (на чертеже не показан). Токоотводы электродов 4 и 5 присоединены к разноименным токовыводам-борнам 6 и 7, содержащим вверху отверстие 7-а для закрепления перемычек, включающих ЭХК в электрическую цепь батареи. ЭХК закрыт крышкой 8, присоединенной к корпусу 2 неразъемным соединением, в которую ввернут газовый клапан-ниппель 9, состоящий из трубки из щелочестойкой резины 10, надетой на стержень 11, содержащий продольное и поперечное отверстия 12 и 13. Вариант: крышка отсутствует, на ее месте корпус выполнен сплошным совместно с газовым клапаном и установленными борнами, а дно корпуса приварено (на чертеже не показано). В ЭХК залит двухкомпонентый щелочной электролит 14, состоящий из раствора гидроксида калия с добавкой гидроксида лития, до уровня 15 выше верхнего края пакета электродов 16, а отношение высоты уровня электролита «А» к высоте внутренней полости корпуса «Б» равно 0,8-0,97.
Батарея 17 ЭХК содержит корпус 18 и крышку 19, разноименные токовыводы 20 и 21, ЭХК 1, борны которых соединены медными перемычками 22 посредством болтовых соединений 23 (вариант: соединение перемычек с борнами - сварное, осуществленное после сжатия конденсаторов - на чертеже не показано). По крайней мере одна из перемычек 24 по площади сечения S на участке длиной L является плавкой. Устройство поджатия ЭХК включает хомут 25, скрепляющий ЭХК, плоскую пружину 26 с отогнутыми лапками 27 (вариант - пружину 28 в виде сегмента отрезка трубы), развивающую удельное усилие сжатия 1,0-3,0 кгс, передаваемое на пластину 29, прижимающуюся к корпусу 2 ЭХК 1. Батарея содержит электронный блок контроля 30 (коммутация к электронному блоку контроля на чертеже не показана).
Электрическая блок-схема батареи представлена на фиг.9-12, на которых ряды ЭХК представлены под №31, секции последовательно соединенных ЭХК - №32, а секции параллельно соединенных ЭХК - №33. Электрическая схема электронного блока контроля приведена на фиг.13.
Электронный блок контроля предназначен для световой индикации значения напряжения конденсаторов. Он вырабатывает слаботочные сигналы на светодиод индикации о состоянии заряженности батареи и индицирует три уровня напряжения: меньше нормы, норма и больше нормы. В первом случае двухцветный светодиод мигает красным цветом, во втором - постоянно светит желтым или оранжевым цветом, образующимся при одновременном включении красного и зеленого цветов, а в третьем случае светодиод мигает зеленым цветом.
На операционных усилителях (ОУ) DA1.1 и DA1.2 собраны компараторы напряжения, а на резисторе R4 и эмиттерном переходе транзистора VT1, включенном в обратном направлении, - источник образцового напряжения (около 6,5 В). Конденсаторы С1 и С2 повышают помехоустойчивость индикатора.
На логических элементах DD1.2, DD1.3 выполнен генератор прямоугольных импульсов с частотой следования несколько герц. Элемент DD1.1 выполняет функцию 2И-НЕ, а на транзисторе VT2 собран электронный ключ.
Электронный блок контроля работает следующим образом. Компаратор на операционном усилителе DA1.1 переключается, когда питающее напряжение находится на нижней границе нормальной зоны, а компаратор на операционном усилителе DA1.2 переключается вблизи верхней границы. Когда напряжение ниже нормы на выходе DA1.2 высокий логический уровень, а на выходе DA1.1 - низкий. В результате на выходе элемента DD1.1 высокий логический уровень и генератор начинает работать. Транзистор VT2 периодически с частотой генератора открывается, и двухцветный светодиод вспыхивает красным цветом с этой частотой.
Когда напряжение будет в норме, на выходах операционного усилителя появляются высокие логические уровни, а на выходе элемента DD1.1 - низкий. Генератор не работает, на выходе элемента DD1.4 присутствует высокий логический уровень, поэтому транзистор VT2 откроется. Светодиод будет светить желтым или оранжевым суммарным цветом.
При превышении напряжения верхнего предела нормальной зоны на выходе операционного усилителя DA1.2 появится низкий логический уровень, генератор начнет работать, и светодиод будет вспыхивать зеленым цветом.
Настройка нижней и верхней границ нормального напряжения производится при изготовлении батареи регулировкой резисторов R2 и R3.
Индикация происходит при нажатии и удержании кнопки включения SA1 в течение нескольких секунд - времени достаточного для рассмотрения показаний светодиода. Короткое время работы электронного блока контроля гарантирует отсутствие разряда батареи.
Характеристика трех состояний заряженности, их индикации и необходимых действий по обслуживанию батареи представлены в таблице 1.
Таблица 1.
№№ п/п
Состояние заряженности батареи
Индикация на электронном блоке контроля
Необходимые действия по обслуживанию батареи
1
Напряжение ниже нижнего предела
Светодиод мигает красным цветом с частотой 1-3 Гц
Подзарядить батарею до состояния 2
2
Напряжение в норме
Светодиод постоянно светит желтым или оранжевым цветом
Допускается разряд батареи.
3
Напряжение выше допустимого предела
Светодиод мигает зеленым цветом с частотой 1-3 Гц
Прекратить заряд батареи
Пример реализации 1.
Изготовлен образец полезной модели конденсатора, поляризуемый электрод которого выполнен из волокнистого сорбента марки БУСОФИТ-Л, выработанного из вискозных технических лент. Параметры образца представлены в таблице 2.
Таблица 2
Параметры конденсатора
Полезная модель
Напряжение, В
1,3
Масса, кг
1,1
Объем, дм<sup>3</sup>
0,552
Емкость, Ф
7400
Удельная емкость, Ф/кг
6720
Удельная емкость, Ф/дм<sup>3</sup>
13400
Энергия, Вт.ч
1,67
Удельная энергия Вт.ч/кг
1,52
Удельная энергия, Вт.ч/дм<sup>3</sup>
2,53
Пример реализации 2.
3
3
3
Изготовлен образец полезной модели батареи, содержащий 10 образцов последовательно соединенных конденсаторов полезной модели согласно таблице 2. Параметры батареи: напряжение 13 В, масса 11,6 кг, объем 14,27 дм, емкость 740 Ф, удельная емкость соответственно 64 Ф/кг и 52Ф/дм, энергия 16,7 Вт.ч, удельная энергия соответственно 1,47 Вт.ч/кг и 1,17 Вт.ч/дм.