БАТАРЕЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ Российский патент 2024 года по МПК H01M10/60 H01B3/16 

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции аккумуляторных батарей с возможностью поддержания в них рабочей температуры. Особенно актуально для использования при изготовлении литий-ионных аккумуляторных батарей для эксплуатации в условиях низких температур в качестве стационарных (в неотапливаемых помещениях), тяговых или других источников тока.

Известна аккумуляторная батарея с внутренним электрообогревом (по патенту RU 2088001, Военный автомобильный институт, г. Рязань, публ. 27.08.1999), в которой плоские нагреватели размещены в полостях, выполненных в перегородках между аккумуляторными ячейками (аккумуляторами) и параллельных электродам стенок корпуса (моноблока батареи). Недостатком конструкции такого устройства является большой его объем за счет наличия полостей.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению батареи аккумуляторной является Блок аккумуляторных батарей (по патенту RU №2691098 «Блок аккумуляторных батарей, содержащий уложенные в стопу сборки, выполненные на основе плат и аккумуляторных батарей», Зе Боинг Компани (US), опубл. 11.06.2019), содержащий плату контроля и управления (по патенту плата управления), разъем подключения внешней нагрузки к батарее (соединитель платы контроля и управления), а также сборку из блоков аккумуляторных (по патенту элемент аккумуляторной батареи, то есть аккумуляторная ячейка), разделенных платами нагревательными (по патенту - схемными платами). На каждой из плат нагревательных расположены нагреватель в виде нескольких дискретных нагревательных элементов и датчик температуры, также дискретный, предназначенные соответственно для подачи/отключения напряжения и подачи тока, соединенные со слаботочным разъемом (электрический соединитель) этой платы, посредством которого эта плата подключена к плате контроля и управления. Кроме того, каждый из блоков аккумуляторных прикреплен к слою переноса тепла платы нагревательной, слаботочными контактами подключен к плате контроля и управления, а силовыми контактами - к разъему подключения внешней нагрузки, который является по патенту универсальным - к нему подключены также слаботочные разъемы плат нагревательных. Конструкция компактна и обеспечивает требуемую точность измерений для контроля температуры блоков, прилегающих к медному слою переноса тепла на плате нагревателя.

Недостатки данного решения блока аккумуляторных батарей:

Применение на плате нагревательной дискретных нагревательных элементов и их выключателя, расположенных по ее периметру вне области переноса тепла (обуславливает постепенный неравномерный нагрев слоя переноса), а также дискретного датчика температуры; нанесение на плату слоя переноса тепла для нагрева и регулирования с заданной точностью температуры прикрепленного к нему боковой поверхностью блока аккумуляторного. Наличие большого количества компонентов и их соединений, нанесение слоя переноса усложняет технологию изготовления каждой из плат. Кроме того, наличие разъемных штырьковых соединителей (слаботочных разъемов) с ответной частью для соединения плат нагревательных между собой для подключения к плате контроля и управления ограничивает толщину блока аккумуляторного, установленного между ними. На практике толщина одного элемента аккумуляторной батареи (блока аккумуляторного) сравнима с высотой слаботочного разъема. При толщине блока меньше высоты упомянутых соединителей блок примыкает только к одной плате, имеется зазор между этим блоком и другой платой, что также снижает эффективность нагрева блока. При выборе блоков с толщиной, большей высоты упомянутых соединителей, соединение плат невозможно. Требуется подбор соединителей, доработка конструкции всех плат;

Применение каркасной конструкции, которая не обеспечивает теплоизоляции, усложняет сборку и обслуживание батареи, снижает надежность устройства. Для достижения надежного контакта между соединителями плат нагревательных, а также обеспечения прилегания боковых поверхностей блоков и этих плат требуется сжатие сборки с определенной силой;

Отсутствует функция коммутации выходного напряжения, напряжение батареи выведено непосредственно на разъем, который является многофункциональным - служит как для слаботочных сигналов, так и для подключения внешней нагрузки.

Задачей предлагаемого технического решения батареи аккумуляторной является повышение эффективности нагрева с возможностью контроля температуры с заданной точностью при эксплуатации, упрощение конструкции, значительное снижение себестоимости изделия, а также повышение технологичности изготовления, сборки и удобства обслуживания при сохранении заданной точности контроля температуры при эксплуатации.

Поставленная задача решается за счет:

- применения коробчатого корпуса с крышкой для установки сборки из блоков аккумуляторных, разделенных платами нагревательными, установки платы управления непосредственно под крышкой - над упомянутой сборкой. Это повышает удобство сборки и обслуживания устройства, точность контроля температуры, снижает потери заряда на нагрев, повышает эксплуатационные характеристики устройства, увеличивает стойкость к низким температурам;

- выполнения нагревательного элемента и датчика температуры на плате нагревательной в виде соответствующих дорожек проводников в области примыкания к хотя бы одному блоку аккумуляторному. Это позволяет повысить эффективность нагрева Блоков аккумуляторных (одновременным равномерным нагревом всей области примыкания платы и блока, так как вся дорожка нагревателя прогревается сразу и равномерно), а также упрощает электрический монтаж каждой платы, так как исключается установка дискретных нагревателей, их выключателя, датчика температуры, нанесение слоя переноса тепла;

- введение отдельного разъема для подключения нагрузки к батарее - силового разъема - позволяет упростить конструкцию, сборку и обслуживание изделия;

- применение гибких соединителей для подключения плат нагревательных и блоков аккумуляторных к плате контроля и управления, а также блоков аккумуляторных - к силовому разъему при наличии в блоках аккумуляторных хотя бы двух аккумуляторных ячеек обуславливает универсальность конструкции, не зависящей от толщины блоков, обеспечивает прилегание плат нагревательных к боковым поверхностям блока между ними только за счет размеров корпуса, упрощает сборку и обслуживание изделия.

Кроме того, все перечисленное выше позволяет устанавливать необходимый заданный температурный режим работы батареи при сохранении компактности, повышает его надежность и стабильность функционирования, значительно снижает себестоимость.

Батарея аккумуляторная выполнена с возможностью подачи напряжения на все ее элементы, требующие питания, содержит плату контроля и управления, сборку из блоков аккумуляторных (АБ) - с первой аккумуляторной ячейкой, разделенных платами нагревательными, и разъем подключения внешней нагрузки к батарее. Нагревательный элемент и датчик температуры каждой из плат нагревательных для подачи/отключения напряжения и подачи тока соответственно соединены с хотя бы одним ее слаботочным разъемом, посредством которого эта плата нагревательная подключена к плате контроля и управления для контроля напряжения на его контактах. Каждый из упомянутых блоков аккумуляторных слаботочными контактами подключен к плате контроля и управления (в том числе для контроля заряда и балансировки ячеек блоков аккумуляторных), а силовыми - к разъему подключения внешней нагрузки.

При этом сборка из блоков и плат установлена в замкнутом коробчатом корпусе с крышкой, а плата управления установлена над упомянутой сборкой непосредственно под крышкой. Каждый из блоков аккумуляторных содержит хотя бы две последовательно соединенные аккумуляторных ячейки. Каждая из плат нагревательных выполнена на электроизолирующей основе. Нагревательный элемент (нагреватель) и датчик температуры выполнены на упомянутой основе в виде соответствующих дорожек проводников (например, напылением либо травлением). Основные части дорожек расположены в области примыкания платы нагревательной к боковой поверхности хотя бы одного блока аккумуляторного, концы дорожек расположены на поверхности платы нагревательной вне области примыкания (область межплатного соединения платы нагревательной) и там же соединены с соответствующим контактом упомянутого слаботочного разъема этой платы нагревательной. Причем геометрические параметры дорожки проводника датчика температуры (длина, ширина, высота при определенной толщине проводящего слоя) достаточны для фиксации заданного в плате контроля и управления изменения сопротивления на концах этой дорожки - для измерения температуры с заданной погрешностью. Областью примыкания таких плат нагревательных являются обе стороны платы. В сборке к области примыкания крайних плат прилегает поверхность только одного блока аккумуляторного, а к области примыкания внутренних плат прилегают два разделенных ею блока аккумуляторных.

В качестве разъема подключения внешней нагрузки к батарее используют выведенный на одну из поверхностей корпуса и подключенный к плате контроля и управления силовой разъем. Подключения упомянутых контактов и разъемов произведены посредством гибких соединителей, размещаемых в свободном пространстве корпуса между платами, что обеспечивается увеличением толщины блока (за счет введения хотя бы одной дополнительной аккумуляторной ячейки), превышающей высоту слаботочных разъемов плат нагревательных. При этом обеспечивается прилегание смежных боковых поверхностей таких блоков аккумуляторных к области примыкания разделяющей их платы нагревательной, обуславливаемое так же внутренними размерами корпуса, которые определяются толщиной (шириной), длиной и высотой сборки (то есть количеством плат нагревательных и блоков аккумуляторных) и обеспечивают прилегание боковых поверхностей блоков аккумуляторных и областей примыкания плат нагревательных в сборке. Кроме того, для подачи необходимого напряжения питания на все элементы батареи, требующие питания, положительные и отрицательные силовые контакты блоков соединены с соответствующими контактами силовых разъемов питания на плату контроля и управления 3. Таким образом, упрощается технология сборки батареи с применением гибких соединителей для подключения плат нагревательных к устанавливаемой над сборкой под крышкой корпуса плате контроля и управления, для подключения блоков к плате контроля и управления и к силовому разъему (различными вариантами - параллельное, последовательное, комбинированное), достигается упрощение конструкции, значительное снижение себестоимости изделия, а также повышение удобства обслуживания при сохранении заданной точности контроля температуры при эксплуатации, увеличение эффективности работы нагревателей при практически одинаковом нагреве одной платой нагревательной двух смежных блоков аккумуляторных, прилегающих к противоположным сторонам платы, и универсальность конструкции.

Предпочтительно, чтобы электроизолирующая основа была выполнена из фольгированного материала с хотя бы одним медным проводящим слоем, а дорожки проводников нагревательного элемента и датчика температуры были выполнены печатными (геометрические параметры - длина и ширина дорожки при определенной толщине проводящего слоя основы). Это дополнительно и значительно снижает себестоимость, повышает надежность изделия, за счет применения в качестве основы нагревательных плат широко распространенного и дешевого фольгированного материала (например, стеклотекстолит, гетинакс), который имеет достаточную теплопроводность, является устойчивым к возгоранию и воздействию агрессивных сред, имеет высокую температуру деградации, повышенную устойчивость к перепадам температур, небольшой удельный вес, продолжительный срок эксплуатации;

Предпочтительно, чтобы корпус с крышкой был выполнен теплоизолированным (корпус может быть, например, металлическим с теплоизоляцией на всех внутренних его поверхностях), что повышает эксплуатационные характеристики устройства, увеличивает стойкость изделия к низким температурам.

Предпочтительно, чтобы батарея была снабжена органами управления (например, устройствами включения/выключения, индикации работы и контроля ошибок), соединенными с платой контроля и управления, которая в том числе управляет возможностью подключения нагрузки через силовой разъем.

Предпочтительно, чтобы батарея была выполнена с возможностью защиты от перезаряда и переразряда (контроля безопасной коммутации нагрузки к батарее при высоких значениях напряжений и защиты ячеек блоков от переразряда).

Предпочтительно также, чтобы упомянутая возможность защиты была реализована подключением силовых контактов блоков аккумуляторных к силовому разъему через устройство защиты от перезаряда и переразряда. В качестве таких устройств могут быть использованы известные устройства - схемы защиты, реализованные на платах, интегральных микросхемах, ключи постоянного тока с контролем тока потребления и т.д.

Предпочтительно, в частности, чтобы устройство защиты, управляемое платой контроля и управления, содержало ключ постоянного тока (КПТ) и устройство контроля тока потребления (УКТП). Подключение осуществляют стандартно: положительные силовые контакты блоков аккумуляторных подключены к положительному контакту силового разъема через КПТ, а отрицательные силовые контакты блоков подключены к отрицательному контакту силового разъема через УКТП (например, любой из известных датчиков контроля тока, в частности шунт).

Предпочтительно также, чтобы устройство защиты (КПТ и УКТП) было расположено на плате контроля и управления.

Предлагаемое техническое решение позволяет использовать стандартные материалы, устройства и изделия российских и/или зарубежных производителей. В качестве электроизолирующей основы платы нагревателя выбирают фольгированный материал (например, стеклотекстолит, гетинакс). Плата контроля и управления может быть реализована на различных комплектующих (микросхемы, контроллеры, ПЛИС и т.д.). Выбор функциональной схемы платы контроля и управления зависит от используемых комплектующих, назначения аккумуляторной батареи, ее мощности, объема контролируемых параметров, реализуемых в ней функций (в том числе контроль каждой из аккумуляторных ячеек в блоках, их нагрев и выравнивание нагрузки, изменения режимов работы батареи, ее балансировки, регулирования температуры включением/отключением нагревателей по задаваемым и измеряемым параметрам и так далее).

Реализация датчиков температуры и нагревателей в виде дорожек проводников может быть осуществлена различными способами. В том числе, например, как в Плате с нагревателем и термодатчиком (по патенту RU №2114422, «Полупроводниковый датчик газов», Научно-информационный центр проблем интеллектуальной собственности, публ. 27.06.1998), где дорожки выполнены напылением определенной толщины, либо платах нагревателя (по патенту RU №2803323, «Плата нагревателя (варианты)», АО «ИРЗ», публ. 12.09.2023), где дорожки проводников могут быть выполнены печатными как на одном, так и на их разных проводящих слоях электроизолирующей основы из фольгированного материала с одним либо несколькими проводящими слоями. Форма и расположение дорожек в области примыкания к блокам аккумуляторным так же могут быть различными. Геометрические параметры дорожек - длина, ширина при имеющейся толщине проводящего медного слоя основы - выбирают из заданных параметров изделия (объема корпуса, скорости нагрева до заданной температуры, заданной точности измерения температуры и т.д.).

Подключение нагревательных плат к плате управления и контроля, а также соединение блоков аккумуляторных в зависимости от требований также могут быть различными (параллельные, последовательные, комбинированные). При наличии параллельного соединения блоков аккумуляторных в функциональной схеме батареи их одноименные контакты соединяют посредством проводов с соответствующими силовыми соединительными шинами, которые в свою очередь подключают к соответствующему контакту силового разъема. При последовательном соединении силовые соединительные шины для подключения блоков к силовому разъему не требуются. Другие электрические подключения схемы обеспечиваются соответствующими гибкими элементами (в том числе проводами, жгутами проводов, шинами и так далее).

Эти и другие аспекты не относятся к сущности предлагаемого технического решения и не влияют на технический результат, поэтому не описываются подробно.

В дальнейшем реализация и работа батареи аккумуляторной будут описаны в одном из предпочтительных вариантов исполнения - батарея с теплоизолированным корпусом, в котором установлена сборка из четырех плат нагревателя, соединенных попарно параллельно (комбинированное соединение), и трех блоков аккумуляторных между ними, подключенных к силовому разъему через установленное на плате контроля и управления устройство защиты из КПТ и шунта в качестве УКТП.

Фиг. 1 - функциональная схема батареи аккумуляторной в одном из предпочтительных вариантов исполнения.

Фиг. 2 - схематичный вариант платы нагревательной с дорожками печатных проводников нагревателя и датчика температуры, выполненными на одном слое электроизолирующей основы.

На фиг. 3 - схематичный вариант платы нагревательной с дорожками печатных проводников нагревателя и датчика температуры, выполненными на разных проводящих слоях электроизолирующей основы.

На фиг. 4 - схематичное изображение конструкции батареи аккумуляторной в одном из предпочтительных вариантов исполнения.

Функциональная схема батареи аккумуляторной, изображенная на фиг. 1, содержит сборку блоков аккумуляторных 1 (АБ), разделенных платами нагревательными 2, а также плату контроля и управления 3. На каждой из плат нагревательных 2 расположены нагревательный элемент 4 (нагреватель) и датчик температуры 5, выполненные в виде соответствующих дорожек печатных проводников (выполнены печатными на электроизолирующей основе из фольгированного материала с хотя бы одним медным проводящим слоем), концы которых соединены с соответствующими контактами (на фиг. 1 не показаны) слаботочного разъема 6, установленного на этой плате нагревательной 2. Платы нагревательные 2 подключены попарно параллельно посредством слаботочного разъема 6 к соответствующему слаботочному разъему 6 из двух, установленных на плате контроля и управления 3, для подачи/отключения напряжения на нагреватель и подачи стабильного тока на датчик температуры платы нагревательной (для контроля напряжения на его контактах). Так выполнено комбинированное подключение для четырех плат нагревательных 2 с одним разъемом 6 на плате нагревательной и двумя - на плате контроля и управления. Основные части дорожек нагревателя и датчика температуры расположены в области примыкания 7 к хотя бы одному Блоку 1. Геометрические параметры дорожки проводника датчика температуры (длина, ширина при имеющейся толщине упомянутого медного проводящего слоя) достаточны для фиксации заданного изменения сопротивления (AR) на концах этой дорожки - для вычисления в плате контроля и управления температуры с заданной погрешностью.

Каждый из Блоков 1 содержит п>2 последовательно соединенных аккумуляторных ячеек 8 (на фиг. 1 не показано), уложенных в стопу с прилеганием боковыми сторонами друг к другу, и по сути является блоком аккумуляторных ячеек с жгутом из (n+1) слаботочных проводников, оканчивающихся ответной частью разъема 9 и двух силовых контактов в виде клеммных наконечников (то есть (n+1) слаботочных и два силовых контакта в каждом Блоке 1). В данной реализации технического решения блоки 1 параллельно подключены слаботочными контактами к соответствующим слаботочным разъемам 9 платы контроля и управления 3 для подключения жгутов для контроля напряжения и балансировки каждой n-й ячейки в блоке.

Кроме того, силовые контакты Блоков 1 параллельно подключены к разъему подключения внешней нагрузки 10 (силовой разъем) через устройство защиты 11 (УЗ), расположенное на плате контроля и управления 3 и включающее ключ постоянного тока 12 (КПТ) и устройство контроля тока потребления 13 (УКТП) для защиты от перезаряда и переразряда. Положительные силовые контакты блоков 1 подключены к положительному контакту силового разъема 10 через КПТ 12, а отрицательные силовые контакты блоков 1 соединены с отрицательным контактом силового разъема 8 через УКТП 13 (шунт). Положительный и отрицательный контакты силового разъема 10 являются входом/выходом Батареи.

Батарея аккумуляторная снабжена органами управления (на Фиг. 1 не показаны), соединенными с платой контроля и управления, один из которых в данной реализации -многофункциональная кнопка (МК) без фиксации, другой - устройство индикации (индикатор с десятиразрядной светодиодной линейкой). Краткое нажатие кнопки активизирует свечение диодов линейки, которая количеством светящихся диодов показывает уровень заряда батареи на момент этой проверки. Длительным нажатием кнопки включают/выключают КПТ и батарею в целом. При включенной батарее устройство индикации отключено, при отключенной - устройство индикации включено в режиме мигания и показывает количеством светящихся диодов соответствующий уровень заряда батареи.

Логику работы Батареи аккумуляторной осуществляет плата контроля и управления 3 в соответствии с заложенными в ней возможностями и алгоритмом. В данной реализации плата контроля и управления осуществляет в том числе следующие функции: самодиагностика; опрос многофункциональной кнопки; контроль напряжения на каждой из аккумуляторных ячеек; автоматическое выключение Батареи (выключением КПТ) при достижении нижнего порога напряжения любой из аккумуляторных ячеек при разряде батареи; автоматическое выключение КПТ при достижении верхнего порога напряжения любой из аккумуляторных ячеек при заряде батареи; контроль тока заряда/разряда и выключение КПТ при превышении заданных порогов - для предотвращения повреждения ячеек; мониторинг температуры блоков аккумуляторных ячеек; включение/выключение нагревателей при необходимости (при выходе за рамки заданных значений минимальной и максимальной температур); вывод информации на индикатор; запуск алгоритма балансировки аккумуляторных ячеек при необходимости и так далее. Включение КПТ в данной реализации производится только оператором при отсутствии аварийных факторов в целях безопасности. В начальный момент времени КПТ выключен.

Кроме того, положительные и отрицательные силовые контакты блоков 1 соединены соответственно с положительным и отрицательным силовыми контактами силового разъема питания платы контроля и управления 3 (на Фиг. 1 не показаны). Элементы функциональной схемы (далее - схема) платы контроля и управления 3 получают необходимое питание от блоков аккумуляторных ячеек (например, через понижающий преобразователь напряжения на схеме платы контроля и управления). В данной реализации изделия схема платы контроля и управления содержит Микроконтроллер, выполняющий в соответствии с его программным обеспечением несколько следующих программных процедур.

На все датчики температуры 5 подают стабильный ток для контроля напряжения при изменении температуры.

Периодически измеряют напряжение на печатных проводниках датчиков температуры 5 плат нагревательных 2 и по известной формуле вычисляют их температуру.

При достижении нижнего порога температуры печатных дорожек датчиках температуры 5 включают нагреватель 4 подачей напряжения с блоков 1 через слаботочные разъемы 6, а при превышении верхнего порога температуры на датчиках температуры 5 -прекращают подачу напряжения и выключают нагреватели 4. Таким образом, поддерживают температуру проводника датчика температуры 5 в заданном интервале. При достаточной теплопроводности электроизолирующей основы платы и плотном контакте (прилегании) области примыкания платы нагревательной 2 с боковыми поверхностями блоков 1 нагреватели 4 передают тепло и фактически нагревают блоки 1 до заданной температуры, которая поддерживается на заданном уровне во внутреннем объеме батареи в целом.

Комбинированная схема подключения плат 2 позволяет подключать к плате контроля и управления датчики 5 только одной платы из пары либо обеих плат 2. При этом испытания подтвердили достаточность контроля лишь одного датчика температуры одной из плат в каждой из двух пар плат для поддержания заданного температурного режима батареи.

Периодически с заданной частотой измеряют напряжение на каждой аккумуляторной ячейке 8 блоков. При необходимости проводят Балансировку одноименных (n-ых) ячеек параллельно подключенных блоков выравниванием напряжения в них любым из известных способов. Например, сравнивают полученные значения напряжения одноименных ячеек между собой. При превышении разности напряжений между ячейками по сравнению с заданным порогом активируют процедуру балансировки - к ячейкам с более высоким напряжением на определенное время подключают нагрузку (например, нагрузочные резисторы схемы платы контроля и управления). Кроме того, оценивают уровень заряда батареи по минимальному значению напряжения среди ячеек всех блоков аккумуляторных ячеек в соответствии с внесенными в микроконтроллер платы контроля и управления табличными значениями.

Параллельное соединение плат 2 обеспечивает работу нагревателя 4 каждой платы для равномерного нагрева всего объема батареи в корпусе. При таком комбинированном соединении возможно подключение любого числа плат нагревательных в каждой из параллельных цепочек, что позволяет унифицировать подключение нагревателей.

Периодически посредством УКПТ 13 измеряют разрядный или зарядный токи батарей через силовой разъем 10. Выключают КПТ 12 при превышении заданных порогов этих токов (при выключенном КПТ значение тока равно нулю). КПТ выключают также при выходе значения напряжения на любой из ячеек блоков из заданных допустимых значений (контролируют микроконтроллером схемы платы контроля и управления 3).

Посредством схемы платы контроля и управления 3 периодически с заданной частотой проверяют состояние контактов многофункциональной кнопки - замкнуто или разомкнуто. При обнаружении краткого нажатия кнопки на индикаторную линейку выводят показания уровня заряда батареи. При обнаружении длительного нажатия кнопки меняют состояние КПТ на противоположное - для подачи или отключения напряжения на силовом разъеме 10.

При выключенном КПТ показывают контролируемый уровень заряда батареи на данный момент времени включением соответствующего мигания индикаторной линейки.

Кроме того, схема платы контроля и управления 3 периодически проводит самодиагностику и тестирование функциональных блоков батареи. В том числе, например, блок измерения напряжения на ячейках блоков 1 (часть функциональной схемы платы контроля и управления 3) - сравнение суммы из напряжений ячеек 8, измеренных на разъемах 9, и на плюсовом силовом выводе блоков 1 (на фиг. 1 связь не показана); контролируют исправность КПТ 12; нагревателей 4 и датчиков температуры 5 - на обрыв. При обнаружении ошибок выключают КПТ 12.

Выключение батареи осуществляют либо вручную (длительным нажатием МК) либо автоматически.

Вариант исполнения платы нагревательной 2, изображенной на Фиг. 2, содержит схематичный вариант платы с дорожками печатных проводников нагревателя 4 и датчика температуры 5, выполненными на одном фольгированном слое электроизолирующей основы. Дорожки проводников нагревателя 4 и датчика температуры 5 выполнены в виде соответствующих меандров и расположены по всей области примыкания 7 практически вдоль друг друга, а концы дорожек соединены с соответствующими контактами одного слаботочного разъема 6 в области подключения платы (вне области примыкания).

Вариант исполнения платы нагревательной 2, изображенной на Фиг. 3, содержит схематичный вариант платы с дорожками печатных проводников нагревателя 4 и датчика температуры 5, выполненными на разных проводящих слоях электроизолирующей основы. Дорожки выполнены в виде соответствующих меандров и расположены по всей области примыкания 7 перпендикулярно друг другу, а концы дорожек выведены на одну поверхность основы и соединены с соответствующими контактами одного слаботочного разъема 6 вне области примыкания. В других вариантах исполнения технического решения батареи возможна установка дополнительного разъема 6 на той же поверхности платы для раздельного подключения контактов нагревательного элемента 4 и датчика температуры 5.

При практической реализации технического решения с помощью оборудования четвертого класса точности изготовлена плата нагревательная на фольгированном стеклотекстолите размерами 205x245 мм с толщиной медного слоя h=18 мкм с практически параллельными «меандрами» дорожек печатных проводников со следующими размерами: длина каждой из дорожек около l=35,7 м, ширина дорожки датчика температуры w_т=0,15 мм, ширина дорожки нагревателя w_н=0,5 мм, зазор между дорожками m=0,15. Такие геометрические параметры печатных проводников обеспечивают возможность фиксации ΔR величиной около 0,033 Ом с помощью аналого-цифрового преобразователя ADS1115 и микроконтроллера ATMEGA328P на плату контроля и управления 3. При этом погрешность измерения температуры в закрытом корпусе батареи с тремя блоками 1 и четырьмя платами нагревательными 2 составляет 0,05°С.

На практике обычно бывает достаточно измерение At≥0.1°С, которую фиксируют при ΔR около 0,1 Ом. При близких параметрах платы нагревательной такая точность обеспечивается намного более простыми и дешевыми элементами схем платы контроля и управления 3 (например, микроконтроллерами со встроенным аналого-цифровым преобразователем), либо возможностью изменения геометрических параметров дорожек -уменьшением их длины, изменением формы и расположения проводников и так далее.

Конструкция батареи аккумуляторной, изображенная на фиг. 4, содержит теплоизолированный замкнутый коробчатый корпус с крышкой 15, содержащий основание 16, крышку 17, теплоизоляцию 18 (в данной реализации теплоизолирующий материал - пенополистирол). В корпусе установлены блоки аккумуляторные 1 с ячейками 8, разделенные Платами нагревательными 2. На каждой из плат нагревательных 2 установлен слаботочный разъем 6 для подключения посредством гибких соединителей 19 (плоский кабель, шлейф) к такому же слаботочному разъему 6 на плату контроля и управления 3. На одну из поверхностей корпуса 15 выведен разъем подключения внешней нагрузки 10 (силовой разъем). Другие соединения функциональной схемы, обозначенные на Фиг. 1, на Фиг. 4 не показаны.

Изготавливают плату контроля и управления 3 и печатные платы нагревательные 2 (на фольгированной стеклотекстолитовой основе в области примыкания 7 изготавливают травлением дорожки печатных проводников нагревательного элемента 4 и датчика температуры 5, на верхней части платы вне области примыкания (в области межплатного соединения платы нагревательной) устанавливают разъем 6, выполняют электрическое соединение концов проводников с соответствующими контактами разъема 6). Область примыкания 7 на плате нагревательной 2 не больше размера боковой поверхности блоков 1, высота платы нагревательной 2 больше высоты блоков 1 для наиболее эффективного размещения в корпусе и удобства подключения при сборке. Изготавливают коробчатое основание с отверстием для силового разъема 10 на боковой поверхности и крышку, наносят на их внутренние поверхности теплоизоляцию (устанавливают пенополистирол). Внутренние размеры теплоизолированного корпуса 15 вычисляют, исходя из размеров сборки при плотном прилегании блоков 1 и областей примыкания плат нагревательных 2 друг к другу. При этом высота корпуса достаточна для установки упомянутой сборки, установки платы контроля и управления над сборкой (например, креплением к крышке) и размещения гибких электрических соединителей между элементами схемы внутри корпуса.

Изготавливают блоки 1 в виде стопы п аккумуляторных ячеек, соединенных последовательно. К (n+1) его слаботочным контактам присоединяют жгут из соответствующих (n+1) проводов с ответной частью слаботочного разъема 9, к силовым контактам (положительному и отрицательному) присоединяют соответствующие силовые проводники с клеммами, Длина этих гибких соединителей достаточна для подключения к плате контроля и управления 3 при установке в изделии.

В настоящей реализации основание выполнено сварным из алюминия. При необходимости корпус может быть выполнен герметичным. Крышка может быть откидной или съемной. В качестве силового разъема используют силовой коннектор.

Сборку Батареи аккумуляторной производят следующим образом. Устанавливают и крепят силовой разъем 10 (на верхней части боковой поверхности). По стенкам основания и крышки укладывают теплоизоляцию. В основание корпуса устанавливают блоки 1, между ними устанавливают платы нагревателей 2, размещая области межплатного соединения плат с разъемами 6 сверху. В полученной сборке обеспечивается достаточно плотный (для обеспечения передачи тепла от нагревателей 4 и регистрации температуры с заданной точностью) контакт областей примыкания 7 плат нагревательных 2 и боковых поверхностей блоков 1. Устанавливают плату контроля и управления 3, закрепляя ее, например, на крышке корпуса. Производят электрическое подключение элементов функциональной схемы батареи с помощью жгутов, шлейфов, силовых проводников (на фиг. 4 не показаны). В том числе с помощью гибких соединителей подключают разъемы 6 платы нагревательной 2 и плату контроля и управления 3, силовые контакты блоков 1 последовательно подключают к силовому разъему 10 через УЗ 11 на плату контроля и управления, а ответные части разъемов 9 жгутов из (n+1) проводов от каждого блока 1 - к слаботочным разъемам 9 на плате контроля и управления. Кроме того, к плате контроля и управления 3 подключают органы управления и контроля, выведенные аналогично силовому разъему 10 на одну из поверхностей батареи. После чего батарея начинает функционировать. Размещают в свободном пространстве батареи -стенками теплоизолированного корпуса 15 между платой контроля и управления 3 и платами нагревательными 2, Закрывают крышку, крепят ее винтами к основанию 16.

Несмотря на то, что предлагаемое в качестве изобретения техническое решение описано со ссылкой на его конкретный вариант осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения. В том числе:

- в других реализациях технического решения подключение к плате контроля и управления плат нагревательных и блоков аккумуляторных ячеек может быть, например, только последовательным, только параллельным и так далее;

- на плате нагревательной может быть установлен дополнительный слаботочный разъем 6. К одному подключают концы дорожки печатного проводника датчика температуры, к другому - концы дорожки нагревателя, что позволяет подключать платы нагревательные к плате контроля и управления другими комбинированными способами и унифицировать соединительные кабели;

- включение батареи возможно автоматически при подключении нагрузки, без каких-либо действий оператора.

Представленное техническое решение батареи аккумуляторной характеризуется высокой технологичностью при изготовлении и обслуживании, надежностью при эксплуатации, устойчивостью к низким температурам, низкой себестоимостью.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкции аккумуляторной батареи с блоками аккумуляторных батарей с поддержанием в ней рабочей температуры. Повышение эффективности нагрева с возможностью контроля температуры с заданной точностью при эксплуатации блоков аккумуляторных батарей является техническим результатом, который обеспечивается тем, что каждый из блоков аккумуляторных батарей, подключенный слаботочными контактами к плате контроля и управления, а силовыми контактами к разъему подключения внешней нагрузки, снабжен платами нагревательных элементов, выполненных из фольгированного материала с медным проводящим слоем в виде соответствующих дорожек печатных проводников, при этом основные части дорожек расположены в области примыкания платы нагревательной к боковой поверхности хотя бы одного аккумуляторного блока, а концы дорожек расположенным вне области примыкания с фиксацией заданного изменения сопротивления на концах этой дорожки, указанная сборка из блоков аккумуляторных батарей и плат нагревательных установлена в теплоизолированном коробчатом корпусе с крышкой, размеры которого обеспечивают прилегание боковых поверхностей блоков аккумуляторных к нагревательным элементам, а плата контроля и управления установлена под крышкой. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Батарея аккумуляторная, содержащая плату контроля и управления, соединенную со сборкой блоков аккумуляторных, разделенных платами нагревательными, выполненными на электроизолирующей основе, каждая из которых содержит нагревательный элемент и датчик температуры, и с возможностью подачи/отключения напряжения и подачи тока посредством электрического подключения соответствующих силовых и слаботочных контактов и разъемов, отличающаяся тем, что каждый из блоков аккумуляторных содержит по меньшей мере две последовательно соединенные аккумуляторные ячейки, а платы нагревательные выполнены с токопроводящими дорожками, соответствующими резистивному нагревательному элементу и датчику температуры, которые расположены в области примыкания платы нагревательной к боковой поверхности по меньшей мере одного блока аккумуляторного, при этом концы токопроводящих дорожек нагревательного элемента и датчика температуры соединены со слаботочными разъемами платы нагревательной, расположенными вне области примыкания к боковой поверхности блока аккумуляторного, при этом геометрические параметры дорожек печатных проводников датчика температуры каждой платы нагревательной достаточны для фиксации заданного изменения сопротивления на концах токопроводящей дорожки, при этом плата контроля и управления и сборка блоков аккумуляторных и плат нагревательных установлены в теплоизолированном корпусе с крышкой, размеры которого обеспечивают прилегание боковых поверхностей блоков и нагревательных плат, а электрическое подключение соответствующих контактов и разъемов выполнено посредством гибких соединителей.

2. Батарея аккумуляторная по п. 1, отличающаяся тем, что электроизолирующая основа платы нагревательной выполнена из фольгированного материала с по меньшей мере одним медным проводящим слоем, а дорожки проводников нагревательного элемента и датчика температуры выполнены печатными.

3. Батарея аккумуляторная по п. 1, отличающаяся тем, что плата контроля и управления снабжена микроконтроллером с аналого-цифровым преобразователем, посредством которого оценивают уровень заряда батареи и проводят мониторинг температуры блоков аккумуляторных.

4. Батарея аккумуляторная по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью защиты от перезаряда и переразряда блоков аккумуляторных посредством автоматического выключения ключа постоянного тока.

5. Батарея аккумуляторная по п. 4, отличающаяся тем, что защита от перезаряда и переразряда реализована контролем тока потребления и контролем напряжения на каждой ячейке блоков аккумуляторных посредством устройства защиты.

6. Батарея аккумуляторная по п. 5, отличающаяся тем, что устройство защиты расположено на плате контроля и управления.