АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 1998 года по МПК H01M10/12 

Настоящее изобретение относится к химическим источникам электроэнергии, а именно к свинцово-серным аккумуляторным батареям для двигателей внутреннего сгорания.

Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано в автомобильной, авиационной промышленностях и судостроении, где используются аккумуляторы для пуска двигателей внутреннего сгорания.

Кроме того, изобретение может быть использовано в электротехнической промышленности при изготовлении аккумуляторов для автомобильных и авиационных двигателей.

Предшествующий уровень техники.

В двигателях внутреннего сгорания аккумулятор используется как источник энергии, позволяющий ввести двигатель в рабочий режим. Энергия аккумулятора в начальный момент вхождения двигателя в рабочий режим расходуется, во-первых, на вращение коленчатого вала, чем обеспечивается засасывание в цилиндры горючей смеси с последующим ее сжатием и, во-вторых, на создание электрической искры, энергии которой было бы достаточно для воспламенения горючей смеси. При этом для проворачивания коленчатого вала требуется, чтобы аккумулятор обеспечивал в течение нескольких секунд (иногда десятков секунд) в цепи стартера электрический ток большой силы. В то же самое время для создания полноценной искры требуется, чтобы напряжение в аккумуляторе оставалось постоянным.

Современные свинцово-серные аккумуляторы, используемые в двигателях внутреннего сгорания, прежде всего автомобилях, имеют развитую поверхность активной массы и, следовательно, значительную электрическую емкость, но при истечении из аккумулятора электротока большой силы, но не может быть разряжен более чем на 20-25% от полной емкости. В противном случае аккумулятор портится и его подзарядка не может быть произведена до первоначальной емкости. При этом чем выше сила тока при рабочей разрядке аккумулятора, тем меньше его активная электроемкость, т.е. тем на меньшее количество процентов от полной емкости он может быть разряжен (см. "Автомобильные аккумуляторы". Иванов и др. Машгиз, 1971, с. 108-135). При рабочей разрядке аккумулятора током большой силы, напряжение в цепи падает, причем тем больше падает, тем выше сила тока разрядки. Падение напряжения уменьшает энергию искры в системе зажигания и ее иногда не хватает для воспламенения смеси в начальный момент, когда заводится двигатель.

Указанные недостатки побудили искать пути усовершенствования автомобильных аккумуляторов. Тем более, что производство аккумуляторов - это мощная отрасль промышленности, потребляющая стратегическое сырье, влияющая на экологию и весьма объемная: ежегодный выпуск аккумуляторов во всем мире приближается к полумиллиарду.

Одним из прогрессивных направлений разработки аккумуляторов для двигателей внутреннего сгорания считается создание импульсного аккумулятора, т.е. аккумулятора с малым внутренним сопротивлением. Такие аккумуляторы позволяют производить рабочую разрядку током большой силы доводя степень разряжения аккумулятора до 80-90% без потери электроемкости при последующей подзарядке аккумулятора (см., например, описание изобретения к авторскому свидетельству N 543047 "Импульсная батарея", опубликованное 08.02.77, МКИ H 01 M 10/12).

Однако импульсные аккумуляторы имеют серьезный недостаток. У них меньше удельная энергоемкость, чем у аккумуляторов с развитой активной массой (обычных аккумуляторов, применяемый сейчас в автомобилях), т.е. с каждого килограмма или каждого кубического дециметра импульсного аккумулятора можно снять электроэнергии меньше. По этой причине импульсные аккумуляторы еще не находят применение в двигателях внутреннего сгорания.

Если еще не решена задача создания аккумулятора и высокой энергоемкости, позволяющего отдавать почти всю энергию при разрядке током большой силы без вреда для аккумулятора, то задача предотвращения падения напряжения в системе зажигания при работе стартера для обеспечения высокой энергии искры решена и приводится в описании изобретения к патенту N 411693 "Аккумуляторная батарея", опубликованному 21.05.74, МКИ H 01 M 10/12, который является ближайшим прототипом настоящего изобретения. Аккумуляторная батарея по патенту 411693 состоит из основного и вспомогательного аккумуляторов с развитыми активными массами, имеющими между собой электроконтакт, обеспечивающий прохождение электротока только в направлении от основного к вспомогательному аккумулятору. Выходные клеммы основного аккумулятора подключены к электроцепи стартер, а вспомогательного - к электроцепи зажигания. Когда заводится автомашина, обе цепи замыкаются и напряжение в цепи стартера и на клеммах основного аккумулятора падает. Напряжение на клеммах вспомогательного аккумулятора и в цепи зажигания остается постоянным из-за сравнительно небольшого потребления электроэнергии при создании искры. Таким образом, удается при работе стартера получить искры большой энергии.

Однако данная конструкция имеет серьезный недостаток. При работе стартера основной аккумулятор может быть разряжен без опасности повреждения лишь на 20-25% поскольку этим аккумулятором является обычный аккумулятор с развитой активной массой. Общая высокая электроемкость аккумулятора этого типа при его подключении к стартеру, которым часто пользуются, является бесполезной. Поэтому такой аккумулятор выполняется неоправданно большим, с высокой общей электроемкостью. Отсюда его высокие масса и стоимость. Кроме того, такого типа аккумуляторы плохо переносят частые разрядки током большой силы. Это уменьшает их ресурс. Поэтому аккумуляторы на автомашинах не служат больше 4-5 лет. Было бы желательно иметь аккумулятор, у которого накопление и отдача энергии не зависела бы от режима ее отбора: током малой или большой силы.

Сущность изобретения.

В основу настоящего изобретения положена задача создания аккумуляторной батареи удельной электроемкости не ниже современных аккумуляторов, позволяющей в режиме рабочей разрядки током большой силы отдавать больше электроэнергии в единицу времени, чем современные автомобильные аккумуляторы при этом ресурс батареи был бы существенно увеличен.

Поставленная задача решается тем, что аккумуляторная батарея для двигателей внутреннего сгорания, содержащая основной и дополнительный аккумуляторы с развитой активной массой, в качестве дополнительного аккумулятора использован импульсный аккумулятор с меньшим, чем у основного аккумулятора внутренним сопротивлением, при этом однополюсные, выходные клеммы основного и импульсного аккумулятора электрически соединены, а электроемкость импульсного аккумулятора составляет 1,0-10,0% от емкости основного аккумулятора.

Предлагаемое изобретение обеспечивает следующие преимущества:
- исключает пиковые нагрузки разрядного тока большой силы у основного аккумулятора;
- оберегает основной аккумулятор от частых разрядок;
- увеличивает ресурс аккумулятора приблизительно в два раза;
- ликвидирует бесполезную электроемкость аккумулятора, т.е. электроемкость, которой аккумулятор обладает, но которая не может быть задействована при некоторых режимах работы (при разрядке током большой силы);
- существенно снижается общая масса аккумуляторной батареи, а следовательно, и ее стоимость;
- появляется возможность для большинства аккумуляторов отказаться от вспомогательного аккумулятора, работающего только на систему электрозажигания автомобиля без опасности уменьшения энергии искры в свечах зажигания.

Указанные преимущества достигаются следующим образом:
- при включении стартера электроток большой силы устремляется в обмотку стартера. Импульсный аккумулятор усиленно разряжается и основной ток в стартер поступает именно из него. Несмотря на то, что основной аккумулятор электрически соединен с импульсным, электроток из него сначала почти не поступает, а затем, по мере разрядки импульсного аккумулятора, увеличивается, но никогда не выходит за рамки оптимального для этого аккумулятора режима. Это происходит из-за разности внутреннего сопротивления у импульсного и основного аккумуляторов. У импульсного она приблизительно в 100 раз меньше, поэтому именно в это количество раз он дает больше тока в обмотку стартера в начальный момент и быстрее разряжается, защищая основной аккумулятор.

Стартер намного чаще включается в разогретом двигателе, чем на "холодном". В этом случае стартер включается буквально на секунду - двигатель уже заводится. В этот первый момент электроток в обмотку стартера поступает из импульсного аккумулятора, и основной аккумулятор практически не включается в работу. Такое предохранение основного аккумулятора от частых разрядок существенно повышает его ресурс.

Увеличение ресурса аккумулятора происходит, во-первых, как уже говорилось, из-за предохранения основного аккумулятора от частых включений и, во-вторых, и это главное, в обеспечении работы основного аккумулятора в оптимальном режиме разрядки без пиковых нагрузок электротока большой силы.

Наибольшей удельной энергоемкостью обладает основной аккумулятор с развитой активной массой при оптимальных режимах разрядки. При разрядке током большой силы у аккумулятора терялось до 75-80% энергоемкости. Предлагаемое изобретение, составляя большую энергоемкость у основного выгодного по энергоемкости аккумулятора, переводит разрядные токи большой силы "на импульсный аккумулятор и тем самым высвобождает всю скрытую" энергоемкость аккумуляторной батареи. Импульсный аккумулятор обладает меньшей удельной энергоемкостью, но он составляет по массе до 10% от основного и существенно не может понизить общую удельную энергоемкость, которая, таким образом, в целом остается высокой.

Таким образом масса аккумуляторной батареи может быть существенно сокращена.

Поскольку в предложенной конструкции аккумуляторной батареи падение напряжения в основном аккумуляторе при включении стартера незначительно, то отпадает необходимость во вспомогательном аккумуляторе. В этом случае напряжение может быть взято от основного аккумулятора и энергия искры в свече всегда будет высокой.

Таким образом предложенная аккумуляторная батарея имеет увеличенный (до двух раз) ресурс работы и существенно меньшую массу, габариты и стоимость изготовления при сохранении остальных параметров равными лучшими образцами современных аккумуляторов.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения основной и импульсный аккумуляторы выполнены в едином корпусе с непроницаемыми для электролита перегородками между ними. Это удешевляет конструкцию аккумуляторной батареи.

В другом варианте выполнения изобретения аккумуляторная батарея кроме основного и импульсного аккумуляторов имеет еще вспомогательный аккумулятор того же типа, с развитой активной массой, что и основной аккумулятор, но меньшей энергоемкости, и предназначенный для подсоединения только к системе зажигания двигателя внутреннего сгорания. Вспомогательный аккумулятор имеет с основным аккумулятором электроконтакт, обеспечивающий прохождение электротока только в направлении от основного к вспомогательному аккумулятору. Все аккумуляторы выполнены в едином корпусе.

Такое выполнение аккумуляторной батареи позволяет обеспечить искры в свече зажигания постоянной мощности даже при существенном падении напряжения на клеммах основного аккумулятора. Подобное падение может произойти в случае, если долго не заводится двигатель внутреннего сгорания и стартер работает длительное время.

В случае варианта выполнения изобретения все аккумуляторы - основной, импульсный и вспомогательный - выполнены в самостоятельных корпусах и каждый из них представляет собой автономный блок, который легко поменять на аналогичный при поломке.

Такое выполнение улучшает ремонтопригодность конструкции аккумуляторной батареи.

Краткое описание чертежей.

Для лучшего понимания изобретения ниже будут рассмотрены конкретные примеры его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает общий вид аккумуляторной батареи в разрезе в варианте исполнения с единым корпусом и основным и импульсным аккумуляторами.

фиг. 2 изображает общий вид аккумуляторной батареи в варианте исполнения с единым корпусом и основным, импульсным и вспомогательным аккумуляторами.

фиг. 3 изображает общий вид аккумуляторной батареи в варианте, когда аккумуляторы выполнены в виде автономных блоков.

На указанных чертежах отдельные элементы конструкции имеют следующие номера:
1 - основной аккумулятор
2 - импульсный аккумулятор
3 - корпус основного аккумулятора
4 - перегородка
5 - полость основного аккумулятора
6 - полость импульсного аккумулятора
7 - активная масса основного аккумулятора
8 - активная масса основного аккумулятора
9 - выходная положительная клемма основного аккумулятора
10 - выходная отрицательная клемма основного аккумулятора
11 - активная масса импульсного аккумулятора
12 - активная масса импульсного аккумулятора
13 - выходная положительная клемма импульсного аккумулятора
14 - выходная отрицательная клемма импульсного аккумулятора
15 - электропроводка между отрицательными клеммами
16 - электропроводка между положительными клеммами
17 - стартер
18 - генератор
19 - вспомогательный аккумулятор
20 - полость вспомогательного аккумулятора
21 - перегородка
22 - выходная клемма вспомогательного аккумулятора
23 - выходная клемма вспомогательного аккумулятора
24 - провода системы зажигания
25 - электропроводка между клеммами основного и вспомогательного аккумулятора
26 - электронный вентиль, пропускающий ток только в направлении от основного к вспомогательному аккумулятору
27 - корпус импульсного аккумулятора
28 - корпус вспомогательного аккумулятора
29 - разъемное соединение
Лучшие варианты выполнения изобретения.

Аккумуляторная батарея состоит из основного аккумулятора 1 (см. фиг. 1) с развитой активной массой и импульсного аккумулятора 2, имеющего меньшее, чем у основного аккумулятора 1, внутреннее сопротивление. Оба аккумулятора 1 и 2 встроены в единый корпус 3, в котором имеется внутренняя перегородка 4, отделяющая полость 5 основного аккумулятора 1 от полости 6 импульсного аккумулятора 2.

Основной аккумулятор 1 имеет развитые активные массы 7 и 8, заканчивающиеся снаружи вверху аккумулятора выходной положительной клеммой 9 и выходной отрицательной клеммой 10. Импульсный аккумулятор 2 также имеет развитые активные массы 11 и 12, заканчивающиеся снаружи на верхней крышке аккумулятора выходной положительной клеммой 13 и выходной отрицательной клеммой 14. Отрицательная клемма 10 основного аккумулятора 1 соединена толстой электропроводкой 15 с отрицательной клеммой 14 (клеммы закорочены) импульсного аккумулятора 2. Точно также положительная клемма 9 основного аккумулятора 1 соединена с положительной клеммой 13 импульсного аккумулятора 2 (клеммы закорочены) толстой электропроводкой 16.

К аккумуляторам 1 и 2 электрически подключены стартер 17 и генератор 18.

Аккумуляторная батарея работает следующим образом.

При необходимости завести двигатель внутреннего сгорания включается зажигание, при этом система зажигания оказывается под напряжением (на фиг. 1 не показано) от основного аккумулятора 1. Затем включается стартер 17 и электроток большой силы поступает на обмотку стартера 17. Стартер 17 начинает вращаться и проворачивает коленчатый вал двигателя. При этом всасывается воздух, распыляется топливо, готовится рабочая смесь, которая затем сжимается и в нужный момент между электродами свечи прискакивает искра, воспламеняя рабочую смесь и двигатель должен начать работать. На практике редко двигатель начинает работать с первой вспышки. В зависимости от того на сколько отлажен двигатель требуется, чтобы стартер проворачивал коленчатый вал от одной до нескольких десятков секунд, а в некоторых случаях и больше.

Усилия, которые требуются для проворачивания коленчатого вала, велики, поэтому стартер в это время потребляет огромное количество энергии, т.е. импульсный аккумулятор 2 энергично разряжается. Поскольку внутреннее сопротивление основного аккумулятора 1 существенно превышает внутреннее сопротивление импульсного модулятора 2, то разрядка, т.е. падение напряжения в импульсном аккумуляторе в первое время (одна - две секунды) совершенно не затрагивает основной аккумулятор 1. Если за это время двигатель внутреннего сгорания работает, то генератор 18 будет подавать электроток в электросистему двигателя и быстро подзарядит импульсный аккумулятор 2 до состояния полного энергонасыщения. Как видим, основной аккумулятор 1 остался в этом случае практически незадействованным. Небольшой ток разрядки, который может возникнуть, настолько мал, что не может уменьшить ресурса аккумулятора. Таким образом, для подобного режима работ импульсный аккумулятор 2 полностью оберегает основной аккумулятор 1, оставляя его как бы в незадействованном виде, что сильно повышает ресурс основного аккумулятора 1.

Если двигатель внутреннего сгорания долго не заводится и приходится с помощью стартера долго прокручивать коленчатый вал, то это очень тяжелый и вредный режим работы для аккумулятора, но в этом случае импульсный аккумулятор 2 выручает основной аккумулятор 1. Через какое-то время импульсный аккумулятор 2 разряжается полностью, благо это не сказывается отрицательно на его ресурсе и только после этого начинает существенно разряжаться основной аккумулятор 1. Оба аккумулятора 1 и 2 так рассчитаны, что аккумулятор 1 не может разрядиться более чем на 20%, т.к. в противном случае дальнейшее прокручивание коленчатого вала нецелесообразно - двигатель уже не заведется и надо найти причину его неисправности. Импульсный аккумулятор 2, взяв на себя основную нагрузку, опять защитил основной аккумулятор 2 выручает основной аккумулятор 1. Случаи, подобные описанному, очень редки и именно из-за их редкости они незначительно уменьшают ресурс аккумуляторной батареи.

Таким образом, в описанной аккумуляторной батарее сильно увеличен ее ресурс, он становится приблизительно, равен ресурсу самого автомобиля, и, поэтому в процессе эксплуатации автомобиля можно избежать замены аккумуляторной батареи, что повышает удобство эксплуатации автомобиля. Кроме того, поскольку возможности аккумуляторов в настоящей аккумуляторной батарее используются полнее, то сами аккумуляторы выполняются меньшей массы и габаритов. Все это, разумеется, существенно уменьшает себестоимость аккумуляторной батареи.

Во втором варианте выполнения изобретения, изображенном на фиг. 2, аккумуляторная батарея кроме основного аккумулятора 1 и импульсного аккумулятора 2 имеет еще и вспомогательный аккумулятор 19. Его конструкция аналогична основному аккумулятору 1, т.е. это аккумулятор с развитой активной массой, но количество пластин в нем в 8-15 раз меньше, собственно и габариты и энергоемкость его меньше. Вспомогательный аккумулятор 19 расположен в общем корпусе 3 и его полость 20 отделена от полости 5 основного аккумулятора 1 перегородкой 21, непроницаемой для электролита. Вспомогательный аккумулятор 19 имеет две выходные клеммы 22 и 23 для подсоединения к проводам 24 системы зажигания. Клеммы 22 и 23 соединены проводами 25 с клеммами 9 и 10 основного аккумулятора. На проводах установлен вентиль 26, пропускающий ток только в направлении от основного к вспомогательному аккумулятору.

Вспомогательный аккумулятор 19 выполняется в аккумуляторной батарее только в тех случаях, когда батарея предназначена для двигателей внутреннего сгорания, которые постоянно или часто заводятся с большим трудом. В этом случае импульсный аккумулятор 2 может исчерпать запас энергии (в наиболее трудных случаях) и энергия будет поступать от основного аккумулятора 1 и, следовательно, будет падать напряжение на его выходных клеммах. Мощность искры в свечах системы зажигания будет уменьшаться и это может послужить дополнительной причиной усложняющей запуск двигателя внутреннего сгорания.

Вспомогательный аккумулятор 19 полностью исключает такую ситуацию. Дело в том, что во вспомогательном аккумуляторе 19 напряжение не падает из-за падения напряжения в основном аккумуляторе 1 и он поддерживает номинальное напряжение в системе зажигания, обеспечивая искру необходимой мощности в свечах зажигания.

При работе стартера 17 и падении напряжения в основном аккумуляторе 1, правда, не происходит подзарядка вспомогательного аккумулятора 19. Но его электроемкости с запасом хватает, чтобы поддерживать полноценную искру в свечах что, в целом, не очень большое время, когда заводится двигатель внутреннего сгорания.

Как только двигатель заведется, генератор 18 начинает вырабатывать электроток и аккумуляторы подзаряжаются.

На фиг. 3 изображен третий вариант выполнения изобретения, в котором основной аккумулятор 1, импульсный аккумулятор 2 и вспомогательный аккумулятор19 выполнены совершенно независимыми, каждый в своем корпусе. Импульсный аккумулятор 2 смонтирован в корпусе 27, а вспомогательный аккумулятор 19 - в корпусе 28.

На рабочее место в двигатель внутреннего сгорания аккумуляторы 1, 2, 19 ставятся все вместе в одно гнездо на двигателе и скрепляются легкоразъемным соединением 29 любой известной конструкции. После этого аккумуляторы 1, 2, 19 соединяются между собой электрически, а также подсоединяются к электросистемам двигателя внутреннего сгорания. Схема соединения аналогична предпочтительному варианту выполнения изобретения.

Аккумуляторы 1, 2, 19 монтируются в разных корпусах 3, 27, 28, только в том случае, если ресурс одного из аккумуляторов 1, 2, 19, например импульсного аккумулятора 2, будет отличаться от ресурса остальных аккумуляторов и его в процессе эксплуатации целесообразно будет заменять на новый.

Промышленная применимость.

Аккумуляторная батарея может быть использована в качестве источника электроэнергии в любых двигателях внутреннего сгорания, применяемых в легковых и грузовых автомобилях разного типа и тоннажа, в автобусах, в самолетах разных конфигураций, моторных лодках и других легких морских и речных судах, а также в стационарных двигателях внутреннего сгорания.

Аккумуляторная батарея представляет интерес для электротехнической, автомобильной и авиационной промышленностей, а также для судостроения.

Изобретение относится к химическим источникам электроэнергии, а именно к свинцовым аккумуляторным батареям для двигателей внутреннего сгорания. Аккумуляторная батарея содержит основной аккумулятор с развитой активной массой и импульсный аккумулятор с меньшим, чем у основного аккумулятора внутренним сопротивлением. Однополюсные выходные клеммы основного и импульсного аккумуляторов замкнуты, а электроемкость импульсного аккумулятора составляет 1-10% от электроемкости основного аккумулятора. Аккумуляторная батарея помимо основного и импульсного аккумуляторов может еще содержать вспомогательный аккумулятор, аналогичный по конструкции основному аккумулятору, но меньшей электроемкости. Вспомогательный аккумулятор подключен к основному и импульсному аккумуляторам таким образом, что электроток может проходить только в направлении вспомогательного аккумулятора, предназначенного для стабильного поддержания напряжения в цепи системы зажигания двигателя внутреннего сгорания. Аккумуляторы могут быть выполнены в едином корпусе или в виде автономных блоков в собственных корпусах, скрепленных разъемным соединением. Техническим результатом изобретения является повышение ресурса и удельных электрических характеристик аккумуляторной батареи. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Аккумуляторная батарея для двигателей внутреннего сгорания, содержащая основной и дополнительный аккумуляторы с развитой активной массой, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного аккумулятора взят импульсный аккумулятор с меньшим, чем у основного аккумулятора внутренним сопротивлением, а его электроемкость составляет 1,0 - 10,0% от электроемкости основного аккумулятора. 2. Аккумуляторная батарея по п. 1, отличающаяся тем, что импульсный аккумулятор имеет вспомогательный аккумулятор того же типа, что и основной аккумулятор, с развитой активной массой, но меньшей электроемкости, через клеммы которого вспомогательный аккумулятор подключен к импульсному аккумулятору, причем это подключение имеет вентиль, обеспечивающий прохождение электротока только в направлении вспомогательного аккумулятора. 3. Аккумуляторная батарея по п. 2, отличающаяся тем, что основной, импульсный и вспомогательный аккумуляторы имеют единый корпус с непроницаемыми для электролита перегородками. 4. Аккумуляторная батарея по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что основной, импульсный и вспомогательный аккумуляторы выполнены в виде автономных блоков в собственных корпусах, скрепленных разъемным соединением.