АККУМУЛЯТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2005 года по МПК H01M10/48 G01R31/36 

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно к электрическим аккумуляторам, и может быть использовано при производстве аккумуляторных батарей различного назначения. Преимущественное, но не исключительное, применение изобретение найдет в производстве автомобильных аккумуляторов, которые имеют массовое применение, но квалифицированное обслуживание проходят лишь периодически, в основном реже одного раза в год. Поскольку владельцы автомобилей обычно не имеют навыков профессионального обслуживания аккумуляторов и необходимого для этого оборудования, то большинство автомобильных аккумуляторных батарей обслуживаются только при очередном техническом обслуживании автомобиля, т.е. один раз в 1-2 года. В то же время каждый владелец автомобиля заинтересован в безотказной работе автомобиля, которая, в свою очередь, зависит от состояния аккумулятора. Кроме того, для многих владельцев автомобилей, особенно в странах с развивающейся экономикой, стоимость аккумуляторной батареи составляет заметную долю бюджета среднестатистической семьи, поэтому такие пользователи крайне заинтересованы в максимальном продлении срока службы аккумуляторной батареи. При этом известно, что срок службы аккумуляторной батареи определяющим образом зависит от своевременности ее обслуживания и исключения ее эксплуатации в критических состояниях, таких как пониженный уровень электролита, переразряд, повышенная рабочая температура, повышенное внутреннее сопротивление аккумулятора и ряд других. Однако современные конструкции автомобильных аккумуляторных батарей не предусматривают возможности постоянного контроля непосредственно в процессе эксплуатации жизненно важных для батареи параметров. Исключение составляют некоторые модели аккумуляторных батарей, в которых имеется возможность визуального контроля уровня электролита и уровня заряженности батареи. Обычный аккумулятор электрической энергии содержит корпус в виде емкости с крышкой, в котором размещены электроды, полностью или частично погруженные в электролит и соединенные с полюсными клеммами, выведенными через крышку корпуса (см., например, патент США №4752543, 1988 и др.). Некоторые автомобильные аккумуляторы снабжены встроенными зарядными устройствами, которые позволяют производить подзарядку аккумулятора непосредственно на месте установки в автомобиле или отдельно от автомобиля, но во всяком случае без применения внешнего зарядного устройства (см., например, патент США №5146148, 1992, патент США №5510694, 1996 и др.). Встроенные зарядные устройства в таких аккумуляторах размещены, как правило, в крышке корпуса аккумулятора. Крышка корпуса аккумулятора обычно выполняется в виде рельефной пластины, контур которой плотно прилегает к стенкам емкости в их верхней части. Сверху крышку заливают мастикой, стойкой к агрессивной среде электролита, который заполняет емкость. Для предохранения мастики от механических или климатических повреждений ее сверху закрывают дополнительной крышкой (см. патент Российской Федерации №2169414, 2001 г.).

Для надежной работы аккумулятора требуется, чтобы определенные его параметры находились в допустимых пределах. К таким параметрам относятся:

- степень заряженности аккумулятора;

- напряжение на полюсных клеммах аккумулятора;

- плотность электролита;

- уровень электролита;

- температура электролита.

Эти параметры являются прямыми показателями состояния аккумулятора и позволяют непосредственно перед его использованием или в процессе использования оценить его пригодность к дальнейшей эксплуатации, необходимость в его обслуживании, ремонте или замене.

Так, при падении степени заряженности аккумулятора необходимо произвести его дозарядку и проверить состояние устройств, которые обеспечивают автоматическую зарядку аккумулятора, если таковые имеются.

Значения плотности электролита, его уровня и температуры также должны находиться в заданных пределах, а отклонение значения любого из этих параметров за установленные пределы является сигналом о том, что требуется обслуживание, ремонт или замена аккумулятора.

Для более точной диагностики состояния аккумулятора полезно контролировать такие параметры аккумулятора, как падение напряжения при запуске двигателя и внутреннее сопротивление аккумулятора.

О том, что аккумулятор следует подвергнуть очередному обслуживанию или замене, могут подсказать такие показатели, как наработанный аккумулятором ресурс, например, с момента установки на автомобиль или суммарное количество наработанных часов, а также количество пусков двигателя, произведенных с помощью данного аккумулятора.

Известно устройство для контроля параметров аккумуляторной батареи, содержащее блок определения остаточной емкости аккумуляторной батареи в режиме импульсного разряда, который соединен с аккумуляторной батареей (см. патент Российской Федерации №2131158, 1999). Устройство дополнено блоком управления, на выходы которого подключены блок коммутации, зарядное устройство и индикатор, на вход блока управления подключен блок сравнения, входы которого соединены с выходами блока эталонной кривой и измерителя внутреннего сопротивления, входы которых через блок коммутации подключены к испытываемому аккумулятору. Это устройство позволяет определить остаточную емкость аккумулятора через измерение его внутреннего сопротивления, однако оно выполнено в виде отдельного прибора, который требуется подсоединять к аккумулятору для выполнения упомянутых измерений.

Известно устройство индикации состояния аккумулятора, вмонтированное в пробку, установленную в крышке корпуса аккумулятора, которое содержит капсулу, магнитный поплавок и электронный индикатор, в котором в качестве чувствительного элемента использован магнитоуправляемый контакт в паре с магнитным поплавком (см. патент Российской Федерации №2091925, 1997). Это устройство позволяет фиксировать уровень электролита только дискретно, т.е. фиксировать уровень электролита только в двух состояниях “уровень допустимый” и “уровень ниже допустимого”, и не позволяет контролировать другие важные параметры аккумулятора.

Известен аккумулятор, комбинированный с устройством контроля температуры внутри аккумулятора (см. патент Российской Федерации №1669349, 1995). При превышении температуры электрода выше допустимой сигнализатор информирует об аварии. Это устройство обеспечивает контроль температуры электролита только в двух состояниях: “значение температуры допустимое” и “значение температуры выше допустимого”, и также не позволяет контролировать другие важные параметры аккумулятора.

Задачей настоящего изобретения является создание аккумулятора, преимущественно, но не исключительно, автомобильного аккумулятора, в котором обеспечивается возможность автоматического измерения и цифровой или иной индикации непосредственно на самом аккумуляторе степени заряженности аккумулятора, напряжения на полюсных клеммах аккумулятора, плотности электролита, уровня электролита, температуры электролита, падения напряжения при запуске двигателя, внутреннего сопротивления аккумулятора, наработанного ресурса, количества пусков двигателя и возможно других важных параметров аккумулятора. Важной составной частью задачи настоящего изобретения является представление информации о параметрах аккумулятора непосредственно на элементах его корпуса в простой и понятной для рядового пользователя форме. При этом предусматривается, что стоимость такого аккумулятора не должна существенно увеличиться за счет обеспечения его такими дополнительными возможностями.

Поставленная задача решается тем, что известный аккумулятор электрической энергии, содержащий корпус в виде емкости с крышкой, в котором размещены электроды, по крайней мере частично погруженные в электролит и соединенные с полюсными клеммами, выведенными через крышку корпуса, и по меньшей мере один датчик параметров аккумулятора, снабжен датчиком параметров аккумулятора, который вырабатывает электрические сигналы и выход которого подключен к входу вмонтированного в крышку корпуса процессора, выход которого подключен к устройству отображения измеряемого параметра аккумулятора. Шины питания процессора электрически подсоединены к полюсным клеммам аккумулятора непосредственно или через устройство стабилизации напряжения. Аналогичным образом шины питания устройства отображения электрически подсоединены к полюсным клеммам аккумулятора непосредственно или через устройство стабилизации напряжения.

Датчиком может быть датчик уровня заряженности аккумулятора, датчик напряжения на полюсных клеммах аккумулятора, датчик напряжения бортовой сети автомобиля, датчик падения напряжения при запуске двигателя, датчик количества пусков двигателя, датчик наработанного ресурса, датчик плотности электролита, датчик уровня электролита, датчик температуры электролита, датчик внутреннего сопротивления аккумулятора или любой другой датчик.

Предпочтительно аккумулятор снабжен комбинацией из N различных перечисленных выше датчиков, при этом процессор имеет N входов, к которым подключены выходы датчиков, где N≥2.

В наиболее предпочтительном варианте устройство отображения измеряемых параметров аккумулятора выполнено в виде вмонтированного в крышку корпуса экрана для визуального отображения измеряемых параметров.

Для предотвращения разряда при длительном его хранении аккумулятор может быть снабжен:

а) устройством отключения питания устройства отображения, с помощью которого шины питания устройства отображения могут быть отключены от полюсных клемм аккумулятора, и

б) устройством отключения питания процессора, с помощью которого шины питания процессора могут быть отключены от полюсных клемм аккумулятора.

В том случае, если аккумулятор снабжен ручкой для переноски, то ее целесообразно связать с механизмом включения питания устройства отображения параметров при поднятой ручке и отключения питания устройства отображения параметров при опущенной ручке.

Эта же ручка может быть связана с механизмом включения питания процессора при поднятой ручке и отключения питания процессора при опущенной ручке.

Дополнительно к устройству индикации, установленному непосредственно на крышке корпуса, или независимо от него, может быть предусмотрена возможность подключения удаленного устройства отображения измеряемых параметров. Для этого выход процессора целесообразно снабдить дополнительными выводами с возможностью подключения к ним удаленного от аккумулятора удаленного устройства отображения измеряемых параметров с помощью кабеля.

При этом удаленное от аккумулятора устройство отображения измеряемых параметров предпочтительно выполнено в виде экрана, установленного на рабочем месте оператора или водителя.

Для того чтобы обеспечить возможность автоматической последовательной индикации всех контролируемых параметров аккумулятора, процессор может быть снабжен блоком циклического опроса подключенных к его входу датчиков.

Более подробно предлагаемое решение описано ниже со ссылками на прилагаемые чертежи.

Аккумулятор электрической энергии, который схематично изображен на фиг.1, содержит корпус в виде емкости 1 с крышкой 2. Внутри емкости размещены электроды 3, 4, которые полностью или частично погружены в электролит 5 и соединены с полюсными клеммами 6 и 7, выведенными через крышку 2 корпуса. Аккумулятор содержит также по меньшей мере один датчик 8 параметров аккумулятора, который может быть расположен в емкости 1, если это, например, датчик уровня, плотности или температуры электролита, или вмонтирован к корпусной элемент аккумулятора, например, в крышку 2 (фиг.2), если это, например, датчик напряжения на полюсных клеммах аккумулятора, датчик напряжения бортовой сети автомобиля, датчик падения напряжения при запуске двигателя или другой датчик, для которого не требуется физический контакт с электролитом или электродами аккумулятора. Такого типа датчик может быть также расположен снаружи крышки 2 и залит герметизирующей мастикой 9, которую обычно наносят на крышку 2 довольно толстым слоем. Датчик 8 параметров аккумулятора выполнен таким образом, что он отображает измеряемый им параметр аккумулятора в виде электрического сигнала. Выход датчика 8 подключен к процессору 10, т.е. к устройству обработки сигнала, который вмонтирован в один из корпусных элементов аккумулятора, например в крышку 2 (фиг.2), и также залит мастикой 9. Выход процессора 10 подсоединен ко входу устройства 11 отображения значения измеряемого параметра аккумулятора, который также размещен на крышке 2 таким образом, чтобы его экран мог визуально наблюдаться (фиг.3).

Электрическая схема устройства (фиг.4) содержит процессор 10, ко входу которого подключен датчик 8. Выход процессора соединен с устройством 11 отображения значения измеряемого параметра. Процессор 10 и устройство 11 отображения значения измеряемого параметра получают питание от самого аккумулятора через стабилизатор напряжения 12 или непосредственно. Цепи питания процессора 10 и устройства 11 отображения значения измеряемого параметра могут содержать выключатель 13 для их отключения в случае длительного перерыва в использовании аккумулятора.

Выключатель 13 выполнен в виде герметичного магнитоуправляемого контакта, который вмонтирован в крышку 2 или прикреплен к ней вблизи ручки 14 для переноски аккумулятора, которая содержит постоянный магнит 15 (фиг.6).

При нормальной работе аккумулятора в результате взаимодействия электродов 3 и 4 с электролитом 5 вырабатывается э.д.с., которая через электроды 3 и 4 может подаваться на внешнюю нагрузку. Одновременно датчик 8 контролирует заданный параметр аккумулятора, например уровень электролита, и вырабатывает электрический сигнал, который поступает на вход процессора 10, запитанного от электродов 3 и 4 через стабилизатор напряжения 12. Процессор 10 обрабатывает сигнал датчика 8 и выдает управляющий сигнал на вход устройства 11 отображения значения измеряемого параметра, на экране которого появляется это значение в заданной форме. В процессе измерения уровня электролита на экране может высвечиваться информация в виде показаний “Норма”, “ХХ% ниже нормы”, “Недопустимо ниже нормы” или другие. Процессор 10 и устройство 11 отображения значения измеряемого параметра запитаны через выключатель 13, который при опущенной ручке 14 находятся в разомкнутом состоянии за счет взаимодействия магнитоуправляемого контакта 1 с магнитным полем постоянного магнита 15 в ручке 14. Для включения процессора 10 и устройства 11 достаточно поднять ручку 14, воздействие магнитным полем постоянного магнита 16 на магнитоуправляемый контакт 13 прекратится и контакты магнитоуправляемого контакта 13 замкнутся.

В другом варианте реализации аккумулятор имеет N датчиков 8₁-8_n, подключенных ко входам процессора 10 (фиг.5). Процессор обрабатывает сигналы датчиков 8₁-8_n в соответствии с заданной последовательностью, а устройство 11 отображения значения измеряемого параметра высвечивает последовательно значения параметров на своем экране.

Датчиками могут быть датчик степени заряженности аккумулятора, датчик напряжения на полюсных клеммах аккумулятора, датчик напряжения бортовой сети автомобиля, датчик падения напряжения при запуске двигателя, датчик количества пусков двигателя, датчик наработанного ресурса, датчик плотности электролита, датчик уровня электролита, датчик температуры электролита, датчик внутреннего сопротивления аккумулятора или любой другой датчик.

Датчик степени заряженности аккумулятора может быть выполнен, например, в виде совокупного датчика плотности электролита, датчика напряжения и датчика температуры. Более конкретное его устройство является предметом самостоятельной заявки на изобретение.

Датчики напряжения на полюсных клеммах аккумулятора, напряжения бортовой сети автомобиля, падения напряжения при запуске двигателя могут быть выполнены на основе обычных устройств, известных специалистам в данной области.

Датчик количества пусков двигателя может быть выполнен на базе электронного счетчика числа импульсного понижения напряжения аккумулятора ниже определенного порога.

Датчик наработанного ресурса может быть выполнен в виде электронного таймера, который запускается автоматически при первом запуске двигателя и выдает на устройство отображения наработанный ресурс, исчисляемый в годах, месяцах и днях с момента первого запуска двигателя.

Датчик плотности электролита может быть выполнен в виде емкостного датчика.

Датчик уровня электролита может быть выполнен в виде двух магнитоуправляемых контактов.

Датчик температуры электролита может быть выполнен в виде одного из электронных термометров, известных специалистам в данной области.

Датчик внутреннего сопротивления аккумулятора может быть выполнен в виде эталонного датчика тока.

В еще одном варианте выполнения аккумулятор снабжен дополнительным удаленным устройством 16 индикации измеряемых параметров, экран которого может быть установлен непосредственно на рабочем месте оператора или водителя. В этом случае процессор 10 снабжен дополнительными выводами 17, к которым подключен кабель интерфейса 18 (фиг.7).

Альтернативно описанным вариантам реализации устройство индикации измеряемых параметров может содержать также любые другие сигнализирующие устройства, например звуковые, которые могут быть интегрированы с устройствами блокировки, например, системы зажигания двигателя, препятствующими использованию аккумулятора в аварийных режимах.

Аккумулятор по настоящему изобретению обеспечивает возможность автоматического измерения и цифровой или иной индикации непосредственно на самом аккумуляторе, а также на рабочем месте оператора или водителя множества важных параметров аккумулятора, что позволяет своевременно обнаружить нежелательные отклонения состояния аккумулятора без специальных знаний и своевременно устранить их своими силами или обратиться к профессиональному обслуживанию. При современном уровне развития микроэлектроники стоимость такого аккумулятора практически не будет превышать стоимости обычного аккумулятора.

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно к электрическим аккумуляторам, и может быть использовано при производстве аккумуляторных батарей различного назначения, преимущественно, но не исключительно, автомобильных аккумуляторов. Согласно изобретению аккумулятор содержит корпус в виде емкости с крышкой, в котором размещены электроды, по крайней мере частично погруженные в электролит и соединенные с полюсными клеммами, выведенными через крышку корпуса, и по меньшей мере один датчик параметров аккумулятора, который вырабатывает электрические сигналы и выход которого подключен к входу вмонтированного в крышку корпуса процессора, выход которого подключен к устройству отображения измеряемого параметра аккумулятора. Аккумулятор содержит один или несколько различных датчиков, таких как датчик уровня заряженности аккумулятора, датчик напряжения на полюсных клеммах аккумулятора, датчик напряжения бортовой сети автомобиля, датчик падения напряжения при запуске двигателя, датчик количества пусков двигателя, датчик наработанного ресурса, датчик плотности электролита, датчик уровня электролита, датчик температуры электролита, датчик внутреннего сопротивления аккумулятора или других. Аккумулятор обеспечивает возможность автоматического измерения и цифровой или иной индикации непосредственно на самом аккумуляторе, а также на рабочем месте оператора или водителя основных важных параметров аккумулятора. Техническим результатом изобретения является автоматическое измерение и индикация на аккумуляторе основных параметров. 18 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Аккумулятор электрической энергии, содержащий корпус в виде емкости с крышкой, в котором размещены электроды, по крайней мере частично погруженные в электролит и соединенные с полюсными клеммами, выведенными через крышку корпуса, и датчик уровня заряженности аккумулятора, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один дополнительный датчик параметров аккумулятора, который вырабатывает электрические сигналы и выход которого подключен к входу вмонтированного в крышку корпуса процессора, выход которого подключен к устройству отображения измеряемого параметра аккумулятора.2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительным датчиком является датчик напряжения на полюсных клеммах аккумулятора.3. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что аккумулятор является автомобильным, а дополнительным датчиком является датчик напряжения бортовой сети автомобиля.4. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что аккумулятор является автомобильным, а дополнительным датчиком является датчик падения напряжения при запуске двигателя.5. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что аккумулятор является автомобильным, а дополнительным датчиком является датчик количества пусков двигателя.6. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительным датчиком является датчик наработанного ресурса.7. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительным датчиком является датчик плотности электролита.8. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительным датчиком является датчик уровня электролита.9. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительным датчиком является датчик температуры электролита.10. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительным датчиком является датчик внутреннего сопротивления аккумулятора.11. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что он содержит, по крайней мере, два различных дополнительных датчика, выбранных из группы, включающей датчик напряжения на полюсных клеммах аккумулятора, датчик напряжения бортовой сети автомобиля, датчик падения напряжения при запуске двигателя, датчик количества пусков двигателя, датчик наработанного ресурса, датчик плотности электролита, датчик температуры электролита, датчик внутреннего сопротивления аккумулятора и процессор, к которому подключены выходы датчиков.12. Аккумулятор по одному из пп.1-11, отличающийся тем, что устройство отображения измеряемых параметров аккумулятора выполнено в виде вмонтированного в крышку корпуса экрана для визуального отображения измеряемых параметров.13. Аккумулятор по одному из пп.1-12, отличающийся тем, что аккумулятор снабжен устройством отключения питания устройства отображения.14. Аккумулятор по одному из пп.1-12, отличающийся тем, что аккумулятор снабжен устройством отключения питания процессора.15. Аккумулятор по п.13, отличающийся тем, что аккумулятор снабжен ручкой для переноски, связанной с механизмом включения питания устройства отображения параметров при поднятой ручке и отключения питания устройства отображения параметров при опущенной ручке.16. Аккумулятор по п.14, отличающийся тем, что ручка для переноски связана с механизмом включения питания процессора при поднятой ручке и отключения питания процессора при опущенной ручке.17. Аккумулятор по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что выход процессора снабжен выводами с возможностью подключения к ним удаленного от аккумулятора устройства отображения измеряемых параметров с помощью кабеля.18. Аккумулятор по п.17, отличающийся тем, что удаленное от аккумулятора устройство отображения измеряемых параметров выполнено в виде экрана, установленного на рабочем месте оператора.19. Аккумулятор по п.11, отличающийся тем, что процессор снабжен блоком циклического опроса подключенных к его входу датчиков.