АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ И СОДЕРЖАЩИЙ ЕЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИБОР Российский патент 2013 года по МПК H02H7/18 H01M10/48 

Настоящее изобретение относится к аккумуляторной батарее согласно п.1 формулы изобретения и электрическому прибору согласно п.6 формулы изобретения.

Аккумуляторные батареи широко используются, например, в современных ручных машинах для их автономного, не зависимого от сети электроснабжения и обеспечения возможности их нестационарного применения. Подобные аккумуляторные батареи состоят из одного или нескольких электрически соединенных между собой аккумуляторов (вторичных химических источников тока), которые способны накапливать электрическую энергию и которые при их разряде в процессе работы в нормальном режиме, а также при их заряде могут нагреваться до достаточно высокой температуры, что в крайнем случае может привести к повреждению аккумуляторной батареи. Поэтому для предотвращения подобных тепловых перегрузок принято измерять температуру аккумуляторной батареи. В этих целях используют датчик температуры, например, терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который крепится к отдельному электрическому аккумулятору теплопроводящей клейкой лентой. При превышении заданной максимальной температуры в простейшем случае для предотвращения перегрева аккумуляторной батареи может прерываться работа от нее, соответственно процесс ее заряда.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать аккумуляторную батарею и электрический прибор, которые обеспечивали бы более надежную и индивидуальную защиту аккумулятора от перегрева или сверхтока.

Указанная задача решается в аккумуляторной батарее с корпусом, с по меньшей мере одним установленным в корпусе электрическим аккумулятором, имеющим два электрических вывода, с двумя токопроводящими линиями, каждая из которых соединена с одним из электрических выводов электрического аккумулятора и которые подведены к двум электрическим контактам, и с защитным устройством, которое предусмотрено в по меньшей мере одной из двух токопроводящих линий и расположено вне электрического аккумулятора в корпусе и которое защищает электрический аккумулятор от перегрева и/или сверхтока. Защитное устройство имеет размыкающий элемент обратимого действия, ограничивающий прохождение электрического тока по достижении заданной температуры, и размыкающий элемент необратимого действия, необратимо прерывающий прохождение через себя электрического тока по достижении заданной предельной температуры либо ограничивающий или прерывающий прохождение через себя электрического тока по достижении заданной предельной силы тока. Размыкающие элементы обратимого и необратимого действия соединены последовательно.

Одно из преимуществ предлагаемой в изобретении аккумуляторной батареи состоит в размещении защитного устройства в корпусе вне электрического аккумулятора. Тем самым создается возможность использования защитного устройства с индивидуально подбираемыми параметрами и возможность его замены на другое защитное устройство с иными параметрами.

Объектом изобретения является также электрический прибор, имеющий аккумуляторную батарею с корпусом, с по меньшей мере одним установленным в корпусе электрическим аккумулятором, имеющим два электрических вывода, и с двумя токопроводящими линиями, каждая из которых соединена с одним из электрических выводов электрического аккумулятора и которые подведены к двум электрическим контактам, при этом указанный корпус соединен со вторым корпусом, который представляет собой корпус электрического прибора и имеет еще одни электрические контакты, электрически соединенные с указанными выше электрическими контактами и с двумя вторыми токопроводящими линиями, соединенными с потребителем электроэнергии, и в котором расположено защитное устройство, которое предусмотрено в по меньшей мере одной из двух вторых токопроводящих линий и которое защищает электрический аккумулятор от перегрева и/или сверхтока. Защитное устройство имеет размыкающий элемент обратимого действия, ограничивающий прохождение электрического тока по достижении заданной температуры, и размыкающий элемент необратимого действия, необратимо прерывающий прохождение через себя электрического тока по достижении заданной предельной температуры либо ограничивающий или прерывающий прохождение через себя электрического тока по достижении заданной предельной силы тока. Размыкающие элементы обратимого и необратимого действия соединены последовательно.

Вышеупомянутое защитное устройство обеспечивает двойную функцию защиты аккумулятора. С одной стороны, применение размыкающего элемента обратимого действия позволяет ограничить прохождение тока по достижении заданной предельной температуры. С другой стороны, применение в защитном устройстве размыкающего элемента необратимого действия позволяет в зависимости от заданной предельной температуры или предельной силы тока необратимо прерывать или по меньшей мере ограничивать прохождение тока.

Преимущество заявленного электрического прибора состоит в размещении защитного устройства в корпусе электроприбора и тем самым в возможности использования защитного устройства с параметрами, индивидуально подбираемыми под конкретный электроприбор.

Как в случае аккумуляторной батареи, так и в случае электрического прибора, защитное устройство может использоваться, например, для кратковременного прерывания работы аккумуляторной батареи при незначительном повышении ее температуры с последующим включением батареи после нормализации температуры. Использование размыкающего элемента необратимого действия позволяет на более длительный срок прерывать работу предлагаемого в изобретении устройства, для восстановления готовности которого к работе можно предусмотреть возможность замены сработавшего размыкающего элемента необратимого действия. Поэтому в случае сильного перегрева аккумуляторной батареи изобретение позволяет прерывать ее работу на длительный срок. Такой перегрев аккумуляторной батареи может указывать на ее неисправность, требующую проверки аккумуляторной батареи специалистом до замены сработавшего размыкающего элемента необратимого действия.

В одном из вариантов осуществления изобретения защитное устройство может быть выполнено в виде терморезистора с положительным ТКС. Использование подобного размыкающего элемента обратимого действия позволяет реализовать функцию защиты электрического аккумулятора без повреждения или разрушения защитного устройства.

Защитное устройство предпочтительно использовать для защиты электрического аккумулятора на ионах лития, при этом применяемые электрические аккумуляторы подобного типа относительно невосприимчивы к перегреву и к сверхтоку. Так, например, возможно использование электрических аккумуляторов на основе фосфата лития и железа.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - устройство с корпусом, представляющее собой аккумуляторную батарею,

на фиг.2 - электрический прибор с аккумуляторной батареей,

на фиг.3 - другие варианты размещения защитного устройства и

на фиг.4 - дополнительные варианты размещения защитного устройства.

На фиг.1 схематично показан корпус 1, во внутреннем пространстве 2 которого расположен электрический аккумулятор 3. Такой электрический аккумулятор 3 на своих взаимно противоположных концах имеет первый вывод 4 и второй вывод 5. В показанном на чертеже примере первый вывод 4 представляет собой положительный вывод, а второй вывод 5 - отрицательный вывод. В предпочтительном варианте электрический аккумулятор выполнен в виде литий-ионного аккумулятора, например, с анодом (отрицательным электродом) из углерода и катодом (положительным электродом) из фосфата лития и другого металла, прежде всего из фосфата лития и железа. При заряде такого электрического аккумулятора ионы лития связываются материалом анода (отрицательного электрода), а при разряде связанные ионы лития выделяются в электролит электрического аккумулятора. Затем ионы лития связываются материалом катода (положительного электрода). Катод может содержать один из материалов с общим химическим составом Li_xMPO₄, где М обозначает материал из группы, включающей Mn, Fe, Ni, Со и их комбинации, а х принимает значения между 0 и 1. В предпочтительном варианте такое соединение имеет упорядоченную структуру оливина. Первый вывод 4 непосредственно контактирует с первым внутренним контактом 6, который закреплен в корпусе 1. Второй вывод 5 непосредственно контактирует со вторым внутренним контактом 7, который также закреплен в корпусе 1. Первый внутренний контакт 6 соединен с первой токопроводящей линией 8, которая электрически соединяет первый внутренний контакт 6 с первым внешним контактом 13. Первый внешний контакт 13 расположен на боковой стенке корпуса 1. В первой токопроводящей линии 8 предусмотрено защитное устройство 10, через которое проходит электрический ток, протекающий через эту первую токопроводящую линию 8. Второй внутренний контакт 7 еще одной первой токопроводящей линией 9 электрически соединен со вторым внешним контактом 14. Второй внешний контакт 14 расположен на той же боковой стенке корпуса 1, на которой расположен и первый внешний контакт 13.

В показанном на чертеже варианте защитное устройство 10 имеет размыкающий элемент 11 обратимого действия и размыкающий элемент 12 необратимого действия. Размыкающий элемент 11 обратимого действия и размыкающий элемент 12 необратимого действия соединены последовательно. В зависимости от выбранного исполнения защитное устройство 10 может также иметь либо только размыкающий элемент 11 обратимого действия, либо только размыкающий элемент 12 необратимого действия. Функция размыкающего элемента 12 необратимого действия заключается в необратимом прерывании прохождения электрического тока по токопроводящей линии 8, когда температура в зоне этого размыкающего элемента 12 необратимого действия становится выше некоторой заданной предельной температуры или когда сила проходящего через него тока становится больше некоторой заданной предельной силы тока. По достижении этой заданной предельной температуры или по достижении этой заданной предельной силы тока размыкающий элемент 12 необратимого действия прерывает прохождение электрического тока через защитное устройство 10. Таким путем первый вывод 4 электрического аккумулятора 3 необратимо отсоединяется от первого внешнего контакта 13. Восстановить электрическое соединение между первым выводом 4 электрического аккумулятора и первым внешним контактом 13 можно, заменив размыкающий элемент 12 необратимого действия на новый. Размыкающий элемент 12 необратимого действия может быть выполнен, например, в виде плавкого предохранителя. В зависимости от выбранного исполнения плавкий предохранитель вставлен в соответствующее контактное гнездо и при необходимости может быть заменен на плавкий предохранитель, срабатывающий при другой предельной силе тока или при другой предельной температуре. Помимо этого перегоревший плавкий предохранитель можно заменить на новый электропроводящий плавкий предохранитель.

Функция размыкающего элемента 11 обратимого действия состоит в обратимой потере своей электропроводности начиная с некоторой заданной предельной температуры и/или некоторой заданной силы тока. При опускании температуры вновь ниже такой предельной температуры и/или при падении силы тока вновь ниже такой предельной силы тока электропроводность размыкающего элемента 11 обратимого действия восстанавливается. Таким путем первый вывод 4 электрического аккумулятора 3 в зависимости от температуры размыкающего элемента 11 обратимого действия и/или силы проходящего через него электрического тока обратимо отсоединяется этим размыкающим элементом от первого внешнего контакта 13.

В качестве размыкающего элемента обратимого действия можно использовать, например, терморезистор с положительным ТКС. Терморезистор с положительным ТКС представляет собой терморезистор, сопротивление которого возрастает с увеличением температуры и скачкообразно увеличивается по достижении некоторой заданной предельной температуры, выше которой тем самым прохождение через него электрического тока в системе электроснабжения более невозможно. Так, например, предельная температура может составлять около 80°С. В зависимости же от выбранного исполнения предельная температура, по достижении которой размыкающий элемент 11 обратимого действия обратимо прерывает прохождение электрического тока, может также лежать в пределах от 80 до 110°С. Для включения размыкающего элемента 11 обратимого действия и/или размыкающего элемента 12 необратимого действия в первую токопроводящую линию 8 можно использовать штепсельные контакты в защитном устройстве 10. Благодаря этому размыкающий элемент 11 обратимого действия и/или размыкающий элемент 12 необратимого действия можно при необходимости легко заменить. В зависимости от выбранного исполнения размыкающий элемент 11 обратимого действия и/или размыкающий элемент 12 необратимого действия можно также включать в первую токопроводящую линию 8 припаиванием в соответствующих точках.

В одном из предпочтительных вариантов размыкающий элемент 12 необратимого действия характеризуется более высокой предельной температурой, при которой происходит его срабатывание, чем размыкающий элемент 11 обратимого действия. Помимо этого в еще одном варианте размыкающий элемент 12 необратимого действия характеризуется более высокой предельной силой тока, при которой происходит его срабатывание, чем размыкающий элемент 11 обратимого действия.

В зависимости от выбранного исполнения размыкающий элемент 11 обратимого действия и/или размыкающий элемент 12 необратимого действия термически связаны/связан с аккумуляторным элементом 3 и не размещены/размещен непосредственно на нем, а расположены/расположен в корпусе 1. Для реализации такой термической связи можно использовать теплопроводящую пластинку или теплопроводящую пасту. Помимо этого в зависимости от выбранного исполнения в корпусе может быть предусмотрено более одного электрического аккумулятора, которые соединены параллельно или последовательно. Функция защитного устройства 10 состоит в защите электрического аккумулятора от перехода в нежелательные рабочие режимы, в которых существует опасность повреждения электрического аккумулятора и/или травмирования его пользователя. Показанное на фиг.1 устройство представляет собой аккумуляторную батарею. Применительно к такой аккумуляторной батарее нежелательным рабочим режимом может являться перезаряд электрического аккумулятора, а также его разряд со слишком высокой силой тока. Помимо этого нежелательный рабочий режим может заключаться в перегрузке электрического аккумулятора и в связанным с ней быстром его старении. Защитное устройство 10 может также выполнять функцию по предотвращению работы электрического аккумулятора при слишком высокой температуре. Электрический аккумулятор может быть выполнен прежде всего в виде литий-ионного аккумулятора, катод (положительный электрод) которого содержит фосфат. В рассматриваемом варианте защитное устройство 10 не встроено в электрический аккумулятор, а размещено в корпусе. В зависимости от выбранного исполнения размыкающий элемент 11 обратимого действия и/или размыкающий элемент 12 необратимого действия можно выполнить сменными/сменным при их/его размещении в корпусе 1, что позволяет подбирать для применения размыкающий элемент 11 обратимого действия и/или размыкающий элемент 12 необратимого действия с параметрами, оптимально согласованными с конкретными рабочими режимами электрического аккумулятора и с его соответствующим назначением. Дополнительно к описанному выше защитному устройству 10 на электрическом аккумуляторе можно также предусмотреть схему защиты от перегрева в виде терморезистора с положительным ТКС.

Защитное устройство может дополнительно служить, например, для защиты электрического аккумулятора от неправильного заряда, например, при приложении к нему слишком высокого напряжения или при неспособности зарядного устройства распознать момент окончания заряда электрического аккумулятора. Помимо этого при отказе размыкающего элемента 11 обратимого действия размыкающий элемент 12 необратимого действия дополнительно может служить для надежной защиты электрического аккумулятора от сверхтока и/или от нагрева до слишком высокой температуры.

На фиг.2 показан вариант осуществления изобретения, в котором первый 13 и второй 14 внешние контакты на корпусе 1 электрически контактируют соответственно с третьим 16 и четвертым 17 внешними контактами на втором корпусе 15. В показанном на чертеже варианте в первой токопроводящей линии 8, проходящей в корпусе 1, не предусмотрено защитное устройство 10, а вместо этого первый внутренний контакт 6 через первую токопроводящую линию 8 напрямую электрически соединен с первым внешним контактом 13. Второй корпус 15 представляет собой корпус электроприбора, например, аккумуляторного винтоверта или аккумуляторной дрели. Для этого предусмотрен электродвигатель 18, который своим первым электрическим присоединительным зажимом соединен через вторую токопроводящую линию 19 с третьим внешним контактом 16. Во второй токопроводящей линии 19 предусмотрено защитное устройство 10. Кроме того, электродвигатель 18 своим вторым электрическим присоединительным зажимом через еще одну вторую токопроводящую линию 20 соединен с четвертым внешним контактом 17. Помимо этого электродвигатель 18 через передаточный механизм 21 кинематически связан с приводимым во вращение исполнительным органом 22. В приводимом во вращение исполнительном органе 22 установлено сверло 23 или вставная отвертка.

Электродвигатель 18 соединен с блоком 24 управления, который электрически соединен с органом 25 управления. Орган 25 управления может быть выполнен в виде нажимной кнопки. В зависимости от степени нажатия на орган 25 управления блок 24 управления регулирует мощность электродвигателя 18, а тем самым и скорость вращения исполнительного органа 22 и установленного в нем сверла 23.

В показанном на фиг.2 варианте защитное устройство 10 имеет размыкающий элемент 11 обратимого действия и/или размыкающий элемент 12 необратимого действия. Размыкающий элемент 11 обратимого действия и размыкающий элемент 12 необратимого действия соединены по такой же схеме и выполнены таким же образом, что и в показанном на фиг.1 варианте.

В зависимости от выбранного исполнения предельная температура и/или предельная сила тока, при которых/которой происходит срабатывание размыкающего элемента 11 обратимого действия и/или размыкающего элемента 12 необратимого действия, могут по причине их/его установки во втором корпусе 15 иметь иные значения, чем в варианте с их/его установкой в корпусе 1.

В зависимости от выбранного исполнения второй корпус 15 может также представлять собой не корпус электроприбора, а корпус зарядного устройства.

Защитное устройство 10 может быть расположено либо в первой токопроводящей линии, как в показанном на фиг.1 варианте, либо в другой второй токопроводящей линии 9. Помимо этого в зависимости от конкретного варианта осуществления изобретения размыкающий элемент 11 обратимого действия можно предусматривать в токопроводящей первой линии 8, а размыкающий элемент 12 необратимого действия - во второй токопроводящей линии 9. В еще одном варианте размыкающий элемент 12 необратимого действия можно также предусматривать в первой токопроводящей линии 8, а размыкающий элемент 11 обратимого действия - во второй токопроводящей линии 9.

В показанном на фиг.2 варианте с размещением защитного устройства 10 во втором корпусе 15 защитное устройство 10 можно предусмотреть и в другой второй токопроводящей линии 20. При этом в зависимости от выбранного исполнения размыкающий элемент 11 обратимого действия можно предусмотреть во второй токопроводящей линии 19, а размыкающий элемент 12 необратимого действия - в другой второй токопроводящей линии 20. Помимо этого размыкающий элемент 12 необратимого действия можно также предусмотреть во второй токопроводящей линии 19, а размыкающий элемент 11 обратимого действия - в другой второй токопроводящей линии 20.

На фиг.3а, 3б и 3в показаны различные возможные варианты размещения размыкающего элемента 11 обратимого действия и размыкающего элемента 12 необратимого действия в корпусе 1.

На фиг.4а, 4б и 4в схематично показаны различные возможные варианты размещения размыкающего элемента 11 обратимого действия и размыкающего элемента 12 необратимого действия во втором корпусе 15.

Следует также отметить, что в зависимости от выбранного исполнения защитное устройство может частично располагаться в корпусе 1, а частично - во втором корпусе 15.

Изобретение касается аккумуляторной батареи с корпусом (1), в котором установлен по меньшей мере один электрический аккумулятор (3), имеющий два электрических вывода (4, 5), и с двумя токопроводящими линиями (8, 9), каждая из которых соединена с одним из электрических выводов (4, 5) аккумулятора (3) и которые подведены к двум электрическим контактам (13, 14). По меньшей мере в одной из двух токопроводящих линий (8, 9) предусмотрено защитное устройство (10), расположенное вне аккумулятора (3), которое защищает аккумулятор (3) от перегрева и/или сверхтока. Защитное устройство (10) имеет размыкающий элемент (11) обратимого действия, ограничивающий прохождение электрического тока по достижении заданной предельной температуры, и размыкающий элемент (12) необратимого действия, необратимо прерывающий прохождение через себя электрического тока по достижении заданной предельной температуры либо ограничивающий или прерывающий прохождение через себя электрического тока по достижении заданной предельной силы тока. Размыкающие элементы (11, 12) обратимого и необратимого действия соединены последовательно. Технический результат - повышение надежности защиты аккумуляторной батареи и электрического прибора с такой батареей от перегрева или сверхтока. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Аккумуляторная батарея с корпусом (1) с по меньшей мере одним установленным в нем электрическим аккумулятором (3), имеющим два электрических вывода (4, 5), с двумя токопроводящими линиями (8, 9), каждая из которых соединена с одним из электрических выводов (4, 5) электрического аккумулятора и которые подведены к двум электрическим контактам (13, 14), и с защитным устройством (10), которое предусмотрено в по меньшей мере одной из двух токопроводящих линий (8, 9) и расположено вне электрического аккумулятора (3) в корпусе (1) и которое защищает электрический аккумулятор от перегрева и/или сверхтока, причем защитное устройство (10) имеет размыкающий элемент (11) обратимого действия, ограничивающий прохождение электрического тока по достижении заданной предельной температуры, и размыкающий элемент (12) необратимого действия, необратимо прерывающий прохождение через себя электрического тока по достижении заданной предельной температуры либо ограничивающий или прерывающий прохождение через себя электрического тока по достижении заданной предельной силы тока, причем размыкающие элементы (11, 12) обратимого и необратимого действия соединены последовательно.

2. Аккумуляторная батарея по п.1, в которой размыкающий элемент (11) обратимого действия выполнен в виде терморезистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), которое по достижении заданной предельной температуры существенно возрастает до величины, при которой практически полностью прекращается прохождение электрического тока через терморезистор с положительным ТКС.

3. Аккумуляторная батарея по п.1, в которой размыкающий элемент необратимого действия выполнен в виде плавкого предохранителя.

4. Аккумуляторная батарея по одному из п.п.1-3, в которой электрический аккумулятор (3) имеет катод из материала состава Li_xMPO₄, где М выбран из группы, включающей Mn, Fe, Ni и Со, а х принимает значения между 0 и 1.

5. Аккумуляторная батарея по п.4, в которой катод электрического аккумулятора по меньшей мере частично содержит фосфат лития и железа.

6. Электрический прибор, имеющий аккумуляторную батарею с корпусом (1), с по меньшей мере одним установленным в корпусе (1) электрическим аккумулятором (3), имеющим два электрических вывода (4, 5), и с двумя токопроводящими линиями (8, 9), каждая из которых соединена с одним из электрических выводов (4, 5) электрического аккумулятора и которые подведены к двум электрическим контактам (13, 14), при этом указанный корпус (1) соединен со вторым корпусом (15), который представляет собой корпус электрического прибора и имеет еще одни электрические контакты (16, 17), электрически соединенные с указанными выше электрическими контактами (13, 14) и с двумя вторыми токопроводящими линиями (19, 20), соединенными с потребителем (18) электроэнергии, и в котором расположено защитное устройство (10), которое предусмотрено в по меньшей мере одной из двух вторых токопроводящих линий (19, 20) и которое защищает электрический аккумулятор (3) от перегрева и/или сверхтока, причем защитное устройство (10) имеет размыкающий элемент (11) обратимого действия, ограничивающий прохождение электрического тока по достижении заданной предельной температуры, и размыкающий элемент (12) необратимого действия, необратимо прерывающий прохождение через себя электрического тока по достижении заданной предельной температуры, либо ограничивающий или прерывающий прохождение через себя электрического тока по достижении заданной предельной силы тока, причем размыкающие элементы (11, 12) обратимого и необратимого действия соединены последовательно.

7. Электрический прибор по п.6, котором размыкающий элемент (11) обратимого действия выполнен в виде терморезистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), которое по достижении заданной предельной температуры существенно возрастает до величины, при которой практически полностью прекращается прохождение электрического тока через терморезистор с положительным ТКС.

8. Электрический прибор по п.6, в котором размыкающий элемент необратимого действия выполнен в виде плавкого предохранителя.

9. Электрический прибор по одному из пп.6-8, в котором электрический аккумулятор (3) имеет катод из материала состава Li_xMPO₄, где М выбран из группы, включающей Mn, Fe, Ni и Со, а х принимает значения между 0 и 1.

10. Электрический прибор по п.9, в котором катод электрического аккумулятора по меньшей мере частично содержит фосфат лития и железа.