АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2009 года по МПК H01M2/10 H01M10/04 

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к производству аккумуляторных батарей.

К основным причинам преждевременного выхода из строя аккумуляторных батарей относятся оплывание активной массы электродов, короткое замыкание электродов, отрыв ушек электродов от полюсных мостиков. Оплывание активной массы электродов вызывается химическими реакциями с изменением объема активной массы при циклическом процессе разряда-заряда электродов. Короткое замыкание между электродами одной полярности и полюсными мостиками блоков электродов противоположной полярности вызывается рядом причин, в том числе вибрацией, которая приводит к «веерности» электродов, т.е. к смещению на некоторый угол электродных пластин одной полярности относительно электродов другой полярности. Вследствие вибрации происходит и отрыв ушек электродов от полюсных мостиков.

Уменьшения вероятности упомянутых процессов достигают разными путями. Известна аккумуляторная батарея, которая имеет корпус с отсеками, где размещены блоки чередующихся положительных и отрицательных электродных пластин, погруженных в электролит, разделенных сепараторами и прикрепленных ушками к полюсным мостикам, блоки электродных пластин соединены в последовательную электрическую цепь [Стартерные аккумуляторные батареи: Устройство, эксплуатация и ремонт. / М.А.Дасоян, Н.И.Курзуков, О.С.Тютрюмов, В.М.Ягнятинский. - М.: Транспорт, 1991. - 255 с.]. Для уменьшения вероятности коротких замыканий из-за «веерности» конструкция блоков электродов имеет нормированный зазор между кромками электродных пластин одной полярности и полюсными мостиками блоков электродов противоположной полярности. Но, как показывает практика эксплуатации, такое конструктивное решение не обеспечивает эффективной защиты от коротких замыканий, не предотвращает отрыв ушек электродов от полюсных мостиков и не замедляет процесс оплывания активной массы электродов.

Известно об аккумуляторе, в котором блоки электродных пластин фиксируют с помощью пеноподобной фенольной смолы, загущенной в донной части корпуса [заявка Японии №5174866. Герметичный свинцовый аккумулятор, МПК⁵ Н01М 10/16, 1993 г.]. Такое конструктивное решение предотвращает «веерность» электродов и отрыв ушек электродов, но не замедляет процесс оплывания активной массы электродов.

Наиболее близким техническим решением, выбранным как прототип, является аккумуляторная батарея, которая имеет корпус с отсеками, где размещены блоки чередующихся положительных и отрицательных электродных пластин, погруженных в электролит, разделенных сепараторами и прикрепленных ушками к полюсным мостикам, блоки электродных пластин соединены в последовательную электрическую цепь, в каждом отсеке корпуса расположено по одной фиксирующей пластине [патент №40464, МПК⁷ Н01М 2/10, 15.06.2004, бюл. №6]. Фиксирующие пластины установлены в зоне выхода ушек под полюсными мостиками. Достоинством такого изобретения является существенное снижение вероятности коротких замыканий из-за «веерности» электродов, а также снижение вероятности отрыва ушек электродов. Недостатком данного технического решения является то, что оно не замедляет процесс оплывания активной массы электродов.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования аккумуляторной батареи, в которой достигается снижение скорости оплывания активной массы, что позволяет повысить ее надежность.

Поставленная задача решается тем, что в аккумуляторной батарее, которая имеет корпус с отсеками, где размещены блоки чередующихся положительных и отрицательных электродных пластин, погруженных в электролит, разделенных сепараторами и прикрепленных ушками к полюсным мостикам, блоки электродных пластин соединены в последовательную электрическую цепь, в каждом отсеке корпуса расположено по одной фиксирующей пластине, согласно изобретению фиксирующие пластины изготовлены из диэлектрического стойкого к электролитам упругого материала, модуль упругости при изгибе которого в 0,3-1,8 раз отличается от модуля упругости при изгибе материала корпуса батареи, толщина фиксирующих пластин в 0,3-1,5 раза отличается от толщины стенок корпуса, пространственный профиль фиксирующих пластин состоит из двух-шести плоскостей, расположенных под углом 110-170° по отношению друг к другу, минимальная ширина плоскостей относится к максимальной ширине плоскостей как 0,2-1,0, площадь фиксирующих пластин составляет 0,2-0,8 от площади внутренних стенок корпуса батареи, в конструкции фиксирующих пластин проделаны отверстия общей площадью 0,05-0,15 от площади фиксирующих пластин, ширина пространственного профиля фиксирующих пластин в 1,5-3,5 раз больше ширины зазора между блоками электродных пластин и внутренними стенками корпуса батареи, фиксирующие пластины расположены вплотную с поджатием в зазоре между блоками электродных пластин и внутренними стенками корпуса.

Раскроем сущность изобретения. Основная функция фиксирующих пластин состоит в упругом поджатии блоков электродных пластин, что предотвращает возникновение «веерности» и отрыв ушек электродных пластин из-за вибрации, а также снижает скорость оплывания активной массы. Поэтому фиксирующие пластины расположены вплотную с поджатием в зазоре между блоками электродных пластин и внутренними стенками корпуса. Стойкий к электролитам материал необходим для обеспечения целости и сохранности фиксирующих пластин в агрессивной среде электролита. Кислотостойкий материал применяется в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях, щелочностойкий - в аккумуляторных батареях со щелочным электролитом, материал, стойкий в растворах солей - в батареях с солевым электролитом. Диэлектрические свойства материала необходимы для предотвращения коротких замыканий в аккумуляторах батареи. Материал должен быть упругий; модуль упругости при изгибе материала должен в 0,3-1,8 раз отличаться от модуля упругости при изгибе материала корпуса батареи, а толщина фиксирующих пластин в 0,3-1,5 раза отличаться от толщины стенок корпуса. В качестве примера материала фиксирующих пластин можно использовать полипропилен, сополимер пропилена и этилена или другой полимерный материал. Если модуль упругости при изгибе материала фиксирующих пластин будет меньше 0,3 от модуля упругости при изгибе материала корпуса батареи, толщина фиксирующих пластин менее 0,3 от толщины стенок корпуса, а ширина пространственного профиля фиксирующих пластин превосходит ширину зазора между блоками электродных пластин и внутренними стенками корпуса батареи менее чем в 1,5 раз, то не обеспечится достаточное поджатие блока электродных пластин и не обеспечится снижение скорости оплывания активной массы. Если модуль упругости при изгибе больше 1,8 от модуля упругости при изгибе материала корпуса батареи, толщина фиксирующих пластин более 1,5 от толщины стенок корпуса, а ширина пространственного профиля фиксирующих пластин превосходит ширину зазора между блоками электродных пластин и внутренними стенками корпуса батареи более чем в 3,5 раз, то возможна сильная деформация корпуса батареи, вплоть до его разрушения, а также недопустимая деформация блока электродов. Пространственный профиль фиксирующих пластин не может состоять из одной плоскости, иначе он будет совершенно плоский и не обеспечится соизмеримость его упругих свойств с упругими свойствами стенок корпуса батареи; если пространственный профиль фиксирующих пластин будет состоять из более чем шести плоскостей, то упругие свойства этих пластин превзойдут упругость стенок корпуса батареи, что может привести к разрушению корпуса. Если угол между плоскостями пространственного профиля фиксирующих пластин будет менее 110°, минимальная ширина плоскостей менее 0,2 от максимальной ширины плоскостей (минимальная ширина плоскостей не может быть более 1,0 от максимальной ширины плоскостей) и площадь фиксирующих пластин составит более 0,8 от площади внутренних стенок корпуса батареи, то упругие свойства этих пластин превзойдут упругость стенок корпуса батареи, что может привести к разрушению корпуса. Если же угол между плоскостями пространственного профиля фиксирующих пластин будет более 170° и площадь фиксирующих пластин составит менее 0,2 от площади внутренних стенок корпуса батареи, то упругие свойства этих пластин будут недостаточны и не обеспечится достаточное поджатие блока электродных пластин, а значит, не обеспечится снижение скорости оплывания активной массы. Если общая площадь отверстий в фиксирующих пластинах менее 0,05 от площади фиксирующих пластин, то не обеспечится циркуляция электролита в приэлектродном пространстве, что приведет к снижению электрических характеристики батареи; если же общая площадь отверстий в фиксирующих пластинах более 0,15 от площади фиксирующих пластин, то прочность и упругие свойства этих пластин будут недостаточны.

Все приведенные выше параметры конструкции фиксирующих пластин подобраны эмпирически.

По имеющимся у авторов сведениям существенные признаки, которые предлагаются и характеризуют изобретение, не известны в данной области техники.

Предложенное техническое решение может быть использовано при производстве аккумуляторных батарей. Критерий "промышленное применение" подтверждается тем, что, отличаясь простотой и эффективностью, новое решение не ведет к чрезмерному усложнению конструкции аккумуляторов, а также к увеличению себестоимости батареи.

На фиг.1 приведены: общий вид (I) фиксирующих пластин, недеформированный пространственный профиль (II) фиксирующей пластины, а также деформированный (вследствие поджатая) пространственный профиль (III) фиксирующей пластины. На фиг.2 приведен вид сверху аккумуляторной батареи со вставленными в отсеки корпуса фиксирующими пластинами.

Фиксирующие пластины 1 изготовлены из сополимера пропилена с этиленом, имеют перемычки 2 и соединены этими перемычками попарно в месте перегиба 3. Из такого же материала изготовлен корпус батареи, поэтому отношение модуля упругости при изгибе материала фиксирующих пластин к модулю упругости при изгибе материала корпуса батареи равно единице, что соответствует формуле изобретения. В каждой фиксирующей пластине проделаны десять отверстий 4 диаметром 10 мм общей площадью 785 мм². Площадь фиксирующей пластины 1 (без перемычки 2) составляет 9229 мм². Таким образом, отношение общей площади отверстий к площади фиксирующей пластины составляет 0,085, что соответствует формуле изобретения. Площадь внутренней стенки корпуса батареи, например 6СТ-60АЗ, равна 24790 мм². Поэтому отношение площади фиксирующей пластины к площади внутренней стенки корпуса батареи равно 0,372, что соответствует формуле изобретения. Толщина фиксирующей пластины равна 1,2-1,3 мм, а толщина стенки корпуса батареи равна 1,8-2,0 мм. Таким образом, отношение толщины фиксирующей пластины к толщине стенки корпуса батареи равно 0,600-0,722, что соответствует формуле изобретения. Пространственный профиль фиксирующей пластины состоит из трех плоскостей, угол α между которыми равен 145°, что соответствует формуле изобретения. Минимальная ширина D этих плоскостей равна 17 мм, максимальная ширина С равна 71 мм. Отношение минимальной ширины к максимальной составляет 0,239, что соответствует формуле изобретения. Ширина В пространственного профиля фиксирующих пластин составляет 10 мм, что в 1,67-3,33 раз больше ширины зазора А между блоками электродных пластин и внутренними стенками корпуса батареи, равного 3-6 мм. Такое соотношение соответствует формуле изобретения. Фиксирующие пластины 1 вставлены вплотную с поджатием в отсеки 6 корпуса 5 аккумуляторной батареи в зазоре между блоками электродных пластин 7 и внутренними стенками корпуса. Упругое поджатие блока электродных пластин не только резко уменьшает вероятность образования «веерности» электродов и вероятность отрыва ушек электродов, но и заметно замедляет процесс оплывания активной массы электродов.

Установка фиксирующих пластин выполняется следующим образом. В сборочном цехе сначала в отсеки корпуса батареи вставляются попарно соединенные фиксирующие пластины 1. Затем вставляются блоки электродных пластин 7, поджимая фиксирующие пластины 1. Такая установка блоков электродных пластин исключает удары блоков о днище корпуса, что, в свою очередь, исключает повреждения и проколы сепараторов. При приварке крышки к корпусу батареи переплавляются места перегиба 3 перемычек 2 и крышка плотно приваривается к верхним торцам стенок корпуса батареи.

Таким образом, проведенные конструктивные изменения, существенно уменьшая возможность коротких замыканий из-за «веерности», приводят к уменьшению оплывания активной массы электродов. Это дает возможность повысить срок эксплуатации аккумуляторной батареи. Лабораторные испытания на долговечность свинцово-кислотной батареи-прототипа 6СТ-60АЗ и заявленной аккумуляторной батареи такого же типономинала показали, что прототип выдерживает 7 недельных циклов по ГОСТ 959-91, а заявленная батарея выдерживает 8,5 недельных циклов.

Изобретение относится к электротехнической промышленности, производству аккумуляторных батарей. Согласно изобретению аккумуляторная батарея имеет корпус с отсеками, где размещены блоки чередующихся положительных и отрицательных электродных пластин, погруженных в электролит, разделенных сепараторами и прикрепленных ушками к полюсным мостикам, блоки электродных пластин соединены в последовательную электрическую цепь, в каждом отсеке корпуса расположено по одной фиксирующей пластине. Фиксирующие пластины изготовлены из диэлектрического стойкого к электролитам упругого материала, модуль упругости при изгибе которого в 0,3-1,8 раз отличается от модуля упругости при изгибе материала корпуса батареи, толщина фиксирующих пластин в 0,3-1,5 раза отличается от толщины стенок корпуса, пространственный профиль фиксирующих пластин состоит из двух-шести плоскостей, расположенных под углом 110-170° по отношению друг к другу, минимальная ширина плоскостей относится к максимальной ширине плоскостей как 0,2:1,0, площадь фиксирующих пластин составляет 0,2-0,8 от площади внутренних стенок корпуса батареи, в конструкции фиксирующих пластин проделаны отверстия общей площадью 0,05-0,15 от площади фиксирующих пластин, ширина пространственного профиля фиксирующих пластин в 1,5-3,5 раз больше ширины зазора между блоками электродных пластин и внутренними стенками корпуса батареи, фиксирующие пластины расположены вплотную с поджатием в зазоре между блоками электродных пластин и внутренними стенками корпуса. Техническим результатом является модернизация конструкции аккумуляторной батареи, которая дает возможность уменьшить скорость оплывания активной массы электродов, тем самым увеличивается надежность аккумуляторной батареи, а также срок ее эксплуатации. 2 ил.

Аккумуляторная батарея, которая имеет корпус с отсеками, где размещены блоки чередующихся положительных и отрицательных электродных пластин, погруженных в электролит, разделенных сепараторами и прикрепленных ушками к полюсным мостикам, блоки электродных пластин соединены в последовательную электрическую цепь, в каждом отсеке корпуса расположено по одной фиксирующей пластине, отличающаяся тем, что фиксирующие пластины изготовлены из диэлектрического, стойкого к электролитам упругого материала, модуль упругости при изгибе которого в 0,3-1,8 раз отличается от модуля упругости при изгибе материала корпуса батареи, толщина фиксирующих пластин в 0,3-1,5 раза отличается от толщины стенок корпуса, пространственный профиль фиксирующих пластин состоит из двух-шести плоскостей, расположенных под углом 110-170° по отношению друг к другу, минимальная ширина плоскостей относится к максимальной ширине плоскостей как 0,2-1,0, площадь фиксирующих пластин составляет 0,2-0,8 от площади внутренних стенок корпуса батареи, в конструкции фиксирующих пластин проделаны отверстия общей площадью 0,05-0,15 от площади фиксирующих пластин, ширина пространственного профиля фиксирующих пластин в 1,5-3,5 раз больше ширины зазора между блоками электродных пластин и внутренними стенками корпуса батареи, фиксирующие пластины расположены вплотную с поджатием в зазоре между блоками электродных пластин и внутренними стенками корпуса.