Универсальный аккумулятор Российский патент 2018 года по МПК H01M10/44 H01M10/615 H02J7/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрохимическому аккумулятору (электрохимическому устройству), и предназначено для использования в технологии построения блоков питания.

Из уровня техники известна аккумуляторная батарея, содержащая нагреватели, выполненные в виде тепловой трубы, в каждом аккумуляторе. На каждом нагревателе устанавливаются дополнительные нагреватели и рассеиватели тепла, выполненные в виде Ш-образных оребренных пластин, которые имеют посадочные разъемы. Дополнительные нагреватели и рассеиватели тепла устанавливаются над крышками аккумуляторов (RU 2122262, 20.11.1998).

Недостатками данного аккумулятора является низкая эффективность работы аккумулятора и маленький ресурс его работы. Кроме того, дополнительные нагреватели и рассеиватели тепла требуют дополнительного места и объема для их размещения.

Известен свинцово-кислотный аккумулятор, содержащий разноименные электроды, сепараторы и электронагреватель в виде провода, который намотан с переменным шагом на сепараторы (SU 289788, 01.01.1971).

Недостатками данной конструкции устройства аккумулятора являются низкая эффективность работы аккумулятора и маленький ресурс его работы. Кроме того, процесс изолированной проволоки в пазы сепаратора не обеспечивает возможности автоматизации процесса намотки, т.е. намотка происходит вручную, что значительно увеличивает время изготовления аккумулятора и его цену.

Известен аккумулятор, который обеспечивает работоспособность при низкой внешней температуре - 40 - -50°С (RU 2398314, 27.08.2010). Согласно изобретению электрический нагревательный элемент закрытого типа вставляется в металлический радиатор, который своей нижней поверхностью опирается на дно корпуса аккумулятора, а на верхнюю поверхность радиатора через решетку из полимерного материала опирается блок разноименных элементов. При этом выводы нагревательного элемента, мощность которого составляет 8-10% от номинальной емкости аккумулятора (при 5-часовом токе разряда), подключены к выводам (борнам) аккумулятора через контакты термореле, находящегося внутри корпуса аккумулятора под крышкой. В этом случае нагревательный элемент автоматически включается при низких внутренних температурах электролита или воздуха (ниже -10°С) и автоматически выключается при повышении их температуры до 0°С, что обеспечивает интенсивную реакцию заряда вплоть до отрицательной наружной температуры -50°С. Техническим результатом является значительное повышение емкости, увеличение срока службы аккумулятора.

Недостатком такой конструкции является наличие достаточно объемного нагревательного элемента, а их может понадобится не один, а несколько штук, и наличие решетки из полимерного материала, которая имеет также достаточно большой вес и объем. Т.о. вес и объем аккумулятора увеличивается, что требует дополнительного места и объема. Кроме того, при использовании данного способа повышения температуры электролита, поддержание необходимой температуры электролита при дальнейшей работе аккумулятора отсутствует, что снижает эффективность работы аккумулятора.

Общим недостатком указанных конструкций является то, что после того как эти нагреватели нагревают (каждый своим способом) электролит, они (нагреватели) отключаются и непосредственно в использовании аккумулятора не участвуют, т.е. эти конструкции пассивны, т.к. не участвуют (не работают) при активной (штатной) работе аккумулятора.

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании аккумулятора, который устранял бы указанные выше недостатки.

Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении эффективности работы аккумулятора и увеличении ресурса его работы за счет применения в качестве нагревательного элемента управляющего электрода, при помощи которого поддерживаются заданные выходные параметры аккумулятора и который при необходимости (при отрицательной температуре внешней среды/низкой температуре), нагревает непосредственно электролит, а не воздушное пространство внутри корпуса аккумулятора, что приводит к сокращению времени нагрева аккумулятора и обеспечения более равномерного разогревания электролита по всему объему аккумулятора, то есть сокращается время подготовки аккумулятора к его использованию.

Технический результат достигается в электрохимическом аккумуляторе, содержащем корпус, в котором размещены по меньшей мере один отрицательный электрод и по меньшей мере один положительный электрод основного аккумулятора, взаимодействующие с электролитом, при этом между каждым отрицательным и положительным электродами основного аккумулятора установлен металлический управляющий электрод с проницаемыми калиброванными отверстиями, связанный с источником тока при зарядке аккумулятора при низкой внешней температуре для нагрева электролита и с источником напряжения при работе аккумулятора в штатном режиме, через коммутатор.

Таким образом в корпусе размещена по меньшей мере одна пара отрицательного и положительного электрода основного аккумулятора, при этом в каждой паре между отрицательным и положительным электродами размещен один управляющий электрод, то есть количество управляющего электрода зависит от количества пар отрицательного и положительного электрода основного аккумулятора.

Управляющий электрод имеет не менее двух выводов, связанных через коммутатор с источником тока, которые используется при необходимости нагревания электролита, то есть управляющий электрод выполнен с возможностью нагрева электролита за счет нагревания управляющего электрода, при прохождении по нему тока. Во время штатной работы аккумулятора используется один любой вывод управляющего электрода, связанный с коммутатором для подачи управляющего напряжения. Выводы управляющего электрода могут располагаться внутри или с наружи корпуса и коммутируются любым способом для подключения зарядного устройства.

Источник напряжения представляет собой внешний источник постоянного или переменного напряжения, и/или остаточное напряжение основного и/или дополнительного аккумуляторов, отрицательные и положительные электроды которых расположены вне зоны электролита.

Источником постоянного или переменного тока является источник постоянного или переменного напряжения, к клемме которого подсоединен резистор, имеющий расчетный номинал и расчетную мощность.

Управляющий электрод расположен в корпусе в окружении сепаратора и находится между положительным и отрицательным электродами.

Управляющий электрод покрыт химически стойким изолятором и находится между положительным и отрицательным электродами.

Управляющий электрод покрыт химически стойким изолятором и расположен в окружении сепаратора и находится между положительным и отрицательным электродами.

Управляющий электрод покрыт химически стойким изолятором только с одной стороны и находится между положительным и отрицательным электродами.

Управляющий электрод покрыт химически стойким изолятором только с одной стороны и расположен в окружении сепаратора с одной стороны и между положительным электродом или отрицательным электродом с другой стороны.

Электрохимический аккумулятор содержит устройство обратной связи, регулирующее подачу соответствующего сигнала на управляющий электрод (постоянного положительного или отрицательного, или переменного напряжения) любой формы и любой длительности и амплитуды, обеспечивающие функционирование аккумулятора, и установленное вне зоны взаимодействия с электролитом. Устройство обратной связи содержит измерительные датчики (датчик температуры и/или шунт для измерения тока, а также другие датчики, например, давления, и т.п.) и электронное устройство, преобразующее выходные сигналы датчиков в управляющее напряжение (в сигнал управления) для подачи его на управляющий электрод. Устройство обратной связи и коммутатор служат для стабилизации выходных параметров.

Коммутатор является механическим или электронным устройством и установлен вне зоны действия электролита для переключения тока или напряжения при подачи их на управляющий электрод.

Управляющий электрод выполнен в виде намотки из металлической изолированной проволоки.

Управляющий электрод выполнен в виде намотки из металлической изолированной проволоки на любой, но одноименный электрод.

Электрохимический аккумулятор содержит дополнительный аккумулятор, выводы которых и управляющих электродов, расположены вне зоны действия электролита. Дополнительный аккумулятор может изготавливаться как и основной аккумулятор, т.е. имеет в своем составе управляющий электрод, так может изготавливаться по стандартной технологии, т.е. без управляющего электрода. Если дополнительный аккумулятор имеет в своем составе управляющий электрод, то для функционирования дополнительного аккумулятора требуется дополнительный источник напряжения

На управляющий электрод подают постоянное управляющее напряжение при использовании дополнительного аккумулятора и/или внешнего источника напряжения.

На управляющий электрод подают управляющее переменное напряжение с использованием устройства обратной связи или без устройства обратной связи.

На управляющий электрод подают переменное напряжение от отдельного источника напряжения.

На управляющий электрод подают постоянное управляющее напряжение при использовании устройства обратной связи или без устройства обратной связи.

На управляющий электрод подают переменное напряжение от отдельного источника напряжения.

При штатной работе аккумулятора используют как дополнительный аккумулятор, так и внешний источник напряжения.

В качестве электролита возможно использование любого материала, обеспечивающего функционирование электрохимического устройства. Например, электролит может быть выполнен твердым или представлять собой раствор, в котором расположены отрицательный и положительный электроды, управляющий электрод и сепаратор.

Электрохимический аккумулятор выполнен с возможностью его включения/выключения при помощи дистанционного управления.

Таким образом при реализации заявленного изобретения технический результат достигается тем, что в качестве нагревательного элемента применяют управляющий электрод, изготовленный из металлической сетки с калиброванными отверстиями и имеющий не менее двух выводов. При этом управляющий электрод нагревается за счет прохождения по нему тока и тем самым нагревается электролит, а не воздушное пространство внутри корпуса аккумулятора. За счет этого сокращается время нагрева аккумулятора и обеспечение более равномерного разогревания электролита по всему объему.

Предлагаемая конструкция нагревателя в виде управляющего электрода с проницаемыми отверстиями после нагрева электролита, при помощи управляющего электрода, является активной, т.к. после отключения режима нагрева (прохождения тока через управляющий электрод), включается штатный режим и на этот управляющий электрод подается управляющее напряжение, которое управляет потоком заряженных частиц. Т.о. управляющий электрод является неотъемлемой частью конструкции аккумулятора как в режиме нагрева электролита, так и в штатном режиме работы аккумулятора.

Кроме того, в штатном режиме на управляющий электрод возможно подать переменное напряжение и на выходных клеммах аккумулятора возможно получить также переменное напряжение. На сегодняшний день ни одна из предлагаемых конструкций нагревательных элементов для аккумуляторов не имеет такой возможности.

После нагрева электролита и отключения источника тока на управляющий электрод подается при помощи коммутатора, управляющее напряжение, которое управляет потоком заряженных частиц, обеспечивая работу аккумулятора.

Таким образом, управляющий электрод выполняет одновременно две функции и выступает в первом случае как нагревательный элемент, а во втором случае как электрод, создающий управляющее электрическое поле, обеспечивая работу аккумулятора, при поддержании необходимого тока/напряжения, которые поддерживаются во время работы в заданных параметрах за счет наличия обратной связи, коммутатора и при помощи управляющего электрода, предотвращается перезарядка аккумулятора, не прекращая процесс путем автоматического изменения управляющего напряжения. Кроме того, возможно получить на выходных клеммах переменное напряжение за счет подачи переменного (гармонического или импульсного) напряжения любой формы и соответствующих значений напряжения, частоты, амплитуды и формы на управляющий электрод, обеспечивающих функционирование аккумулятора, с применением соответствующего источника напряжения. Кроме того, появляется возможность использовать электрохимическое устройство в качестве источника напряжения и/или в качестве источника тока. Управляющий электрод расположен в корпусе в окружении сепаратора или без сепаратора и может быть покрыт химически стойким изолятором.

При прекращении работы аккумулятора и дальнейшем его охлаждения до температуры минус 40°С, необходимо для обеспечения его работоспособности, подключить к управляющему электроду при помощи коммутатора, источник тока. Ток, проходя через управляющий электрод, нагревает его и тем самым нагревается окружающий электролит. При этом аккумулятор может быть выполнен с возможностью зарядки от другого источника тока для использования его в критических случаях.

В качестве электролита возможно использование любого материала, обеспечивающего функционирование электрохимического устройства. Например, электролит может быть выполнен твердым или представлять собой раствор, в котором расположены отрицательный и положительный электроды, управляющий электрод и сепаратор.

Пример осуществления заявленного изобретения.

Аккумулятор содержит в корпусе электродную сборку, имеющую отрицательный (катод) и положительный (анод) электроды, электролит, управляющий электрод, связанный с источником напряжения, сепаратор, коммутатор и устройство обратной связи, которые предназначены для стабилизации выходных параметров аккумулятора и находятся вне зоны взаимодействия с электролитом.

Как вариант, управляющий электрод может находиться между отрицательным и положительным электродами и быть отделен от них сепаратором или диэлектриком (покрыт химически нейтральным изолятором).

Устройство обратной связи соединено при помощи коммутатора с управляющим электродом.

Управляющий электрод выполнен металлическим и проницаемым (с проницаемыми калиброванными отверстиями) для прохождения заряженных частиц. К нему подключаются соответствующие сигналы, необходимые для регулирования выходных параметров аккумулятора или зарядки аккумулятора при критической температуре.

Кроме того, в момент зарядки/разрядки или циклирования, а также в штатном режиме применение управляющего электрода позволяет управлять функциональной основой аккумулятора - потоком заряженных частиц, создающих ток заряда или разряда, что не допускает изменения температуры, тока, напряжения, давления и т.п. (выше заданных значений). То есть появляется возможность не прерывать ток, заряда или разряда, а управлять им, и не доводить до критических значений заданные параметры, что сохраняет работу аккумулятора на более длительный срок как при низкой, так и при повышенной температуре внешней среды.

Кроме того, управляющий электрод может быть покрыт химически нейтральным изолятором.

Устройство обратной связи может содержать необходимые датчики измерения температуры, давления, силы тока и т.п. и электронное устройство, преобразующее выходные сигналы датчиков в управляющее напряжение и подачи его на управляющий электрод.

Коммутатор переключает ток и напряжение, подключаемые к управляющему электроду.

Описание работы аккумулятора в динамике.

В электрохимический аккумулятор между отрицательным и положительным электродами устанавливается управляющий металлический, проницаемый управляющий (дополнительный) электрод.

Управляющий электрод отделяется от отрицательного и положительного электродов сепаратором (как один из вариантов изготовления аккумулятора).

При проведении процесса зарядки, на управляющий электрод подается отрицательное напряжение при помощи коммутатора и устройства обратной связи, которое будет поддерживать заданные параметры аккумулятора путем управления потоком заряженных частиц, ускоряя их или замедляя их. Таким образом появляется возможность регулировать ток заряда/разряда и осуществлять более равномерное осаждение заряженных частиц на поверхности электрода, что приводит к увеличению емкости аккумулятора и увеличению срока его работы.

Управлять подачей входных сигналов во время зарядки/разрядки будет зарядное устройство (как один из вариантов) и коммутатор.

Дополнительный аккумулятор предназначен для обеспечения подачи напряжения на управляющий электрод.

Кроме того, в предлагаемом аккумуляторе возможно получить на выходных клеммах переменное напряжение за счет подачи переменного (гармонического или импульсного) напряжения на управляющий электрод от отдельного источника.

Кроме того, при низкой температуре внешней среды -40°С запуск аккумулятора начинается с разогрева электролита. Для этого через управляющий электрод пропускается ток. В качестве источника тока используется остаточное напряжение аккумулятора с присоединением необходимого по величине и мощности резистора, но если аккумулятор вообще не имеет остаточного напряжения (емкости), то необходимо использовать внешний источник тока для подключения его к выводам управляющего электрода. При подключении источника тока полярность выводов значения не имеет.

После нагрева электролита источник тока отключается и на управляющий электрод подается управляющее напряжение, а аккумулятор заряжается по стандартной схеме.

Указанное выше удостоверяет, что заявленный аккумулятор обладает повышенным ресурсом, надежностью и длительностью эксплуатации, работы аккумулятора при низкой температуре (-40-50°С) при использовании металлического управляющего электрода с отверстиями для протекания заряженных частиц, нагрева электролита, дополнительного аккумулятора устройства обратной связи, коммутатора, т.е. автоматической регулировкой управляющего напряжения (выходных параметров аккумулятора).

Изобретение относится к области электротехники и направлено на повышение эффективности работы аккумулятора и увеличение ресурса его работы за счет применения в качестве нагревательного элемента управляющего электрода, при помощи которого поддерживаются заданные выходные параметры аккумулятора, а при низкой температуре нагревается непосредственно электролит, что приводит к сокращению времени подготовки аккумулятора к его использованию. Электрохимический аккумулятор содержит корпус, в котором размещены отрицательный и положительный электроды, взаимодействующие с электролитом, и между которыми расположен управляющий электрод из металлической сетки с калиброванными отверстиями, имеющий не менее двух выводов, связанный при помощи коммутатора с источником тока и напряжения для нагрева электролита и штатной работы.

1. Электрохимический аккумулятор, характеризующийся тем, что содержит корпус, в котором размещены по меньшей мере один отрицательный электрод и по меньшей мере один положительный электрод основного аккумулятора, взаимодействующие с электролитом, при этом между каждым отрицательным и положительным электродами основного аккумулятора установлен металлический управляющий электрод с проницаемыми калиброванными отверстиями, связанный с источником тока при зарядке аккумулятора при низкой внешней температуре для нагрева электролита и с источником напряжения при работе аккумулятора в штатном режиме, через коммутатор.

2. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что управляющий электрод расположен в корпусе в окружении сепаратора и находится между положительным и отрицательным электродами.

3. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что управляющий электрод покрыт химически стойким изолятором и находится между положительным и отрицательным электродами.

4. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что управляющий электрод покрыт химически стойким изолятором и расположен в окружении сепаратора между положительным и отрицательным электродами.

5. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что управляющий электрод покрыт химически стойким изолятором только с одной стороны и находится между положительным и отрицательным электродами.

6. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что управляющий электрод покрыт химически стойким изолятором только с одной стороны и расположен в окружении сепаратора между положительным и отрицательным электродами.

7. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что управляющий электрод покрыт химически стойким изолятором только с одной стороны и расположен в окружении сепаратора с одной стороны и между положительным или отрицательным электродом с другой стороны.

8. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что содержит устройство обратной связи, управляющее подачей соответствующего сигнала на управляющий электрод и установленное вне зоны взаимодействия с электролитом.

9. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что коммутатор является механическим или электронным устройством и установлен вне зоны действия электролита для переключения тока или напряжения при подачи их на управляющий электрод.

10. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что содержит дополнительный аккумулятор, выводы которого и управляющего электрода расположены и/или внутри, и/или снаружи корпуса аккумулятора.

11. Аккумулятор по п. 8, характеризующийся тем, что устройство обратной связи содержит измерительные датчики и электронное устройство, преобразующее выходные сигналы датчиков в управляющее напряжение для подачи его на управляющий электрод.

12. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что на управляющий электрод подают постоянное управляющее напряжение или переменное управляющее напряжение с использованием устройства обратной связи.

13. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что на управляющий электрод подают постоянное управляющее напряжение при использовании дополнительного аккумулятора и/или внешнего источника напряжения.

14. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что на управляющий электрод подают переменное напряжение от отдельного источника напряжения.

15. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что при штатной работе аккумулятора используют как дополнительный аккумулятор, так и внешний источник напряжения.

16. Аккумулятор по п. 1, характеризующийся тем, что выполнен с возможностью его включения/выключения при помощи дистанционного управления.