СТАРТЕРНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2024 года по МПК H01G9/04 H01M4/32 H01M50/251 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении батареи, предназначенной для комплектации автомобильной и гусеничной техники, эксплуатируемой в условиях низких температур.

Известна свинцово-кислотная аккумуляторная батарея (RU 2584699), содержащая корпус, закрытый в верхней части крышкой и разделенный на отсеки, в которых расположены аккумуляторы, соединенные последовательно с помощью межэлементных соединений, каждый аккумулятор состоит из блока разнополярных электродов, разделенных сепараторами и электролитом, электроды состоят из токоотводов и активной массы, токоотводы положительных электродов изготовлены из свинцово-оловянно-кальциевого сплава с добавками алюминия и серебра, активная масса положительных и отрицательных электродов покрыта фиксирующими слоями из пористого кислотостойкого материала, характеризуется тем, что сплав положительных токоотводов дополнительно содержит висмут Bi 150÷500 ppm, при этом другие компоненты содержатся в количестве, мас. %: Sn 2,0±0,1%; Са 0,04±0,005%; Al 0,005±0,001%; Ag 0,007÷0,04%, свинец - остальное, а сплав мостиков межэлементных соединений (МЭС) содержит основных компонентов: Sn 3±0,1%; Sb 1,0±0,1%; As 0,055±0,015%; Se 0,008±0,001%; Cu 0,013±0,002%; свинец - остальное. Активная масса положительных и отрицательных электродов полностью закрывает с обеих сторон узлы решеток, пастирующее полотно изготовлено из смеси микроволокон стекла и синтетических волокон с удельной поверхностью не менее 1,5-2,0 м²/г, разделительные сепараторы представляют собой конверты из высокомолекулярного полиэтилена с расположенными на них двусторонними вертикальными ребрами или ламинированы стекловолокном с внутренней стороны конверта, обращенной к положительному электроду.

Недостатком данного технического решения является ее непригодность к эксплуатации в условиях пониженных температур и ограниченные значения пусковых токов.

Известна стартерная батарея 12СТ-85 N (https://battery.nt-rt.ru), принята за прототип, предназначенная для комплектования тяжелой гусеничной техники, боевых машин и специализированных автомобилей с номинальным напряжением 24 В, номинальной емкостью 85 Ач, током стартерного режима разряда при минус 30°С, 400 А, гарантийным сроком эксплуатации - 2 года с момента приведения в рабочее состояние. Батарея состоит из отдельных аккумуляторов, соединенных между собой последовательно с помощью перемычек, каждый аккумулятор состоит из чередующихся отрицательных и положительных электродов, разделенных сепараторами и собранных в блок. Блоки электродов каждого аккумулятора помещаются либо в отдельных ячейках моноблока (у нас - корпус батареи), либо в отдельных баках (у нас - корпус аккумулятора). Каждый аккумулятор закрывается отдельной крышкой, которая при сборке аккумуляторной батареи герметизируется. Борны крайних аккумуляторов батареи соединены с полюсными выводами.

Недостатком данного технического решения является недостаточное количество заряд-разрядных циклов при температурах ниже 30°С. Стартерные батареи обеспечивают запуск двигателя за счет протекания в цепи тока 400 А в течение не более 1 с, после чего работу бортовой сети поддерживает другая аккумуляторная батарея и генератор. Использование в качестве стартерной батареи свинцово-кислотной имеет низкую эффективность, поскольку она избыточна по емкости и, несмотря на малую глубину циклирования, имеет ограниченное количество заряд-разрядных циклов и работоспособность при температурах менее минус 30°С, что не удовлетворяет современным требованиям к стартерным батареям.

Проблемой разработки и производства стартерных батарей является обеспечение их работоспособности в течение не менее 2000 заряд-разрядных циклов при температурах менее 30°С при пусковом токе не менее 400 А.

Техническим результатом изобретения является обеспечение наибольшего количества заряд-разрядных циклов стартерной батареи при температурах ниже 30°С.

Указанный технический результат обеспечивается предлагаемой конструкцией стартерной батареи. Стартерная батарея, состоящая из отдельных аккумуляторов, помещенных в корпус батареи с крышкой, снабженный полюсными токовыводами, к которым приварены токовыводы крайних аккумуляторов батареи, аккумуляторы электрически соединены между собой последовательно с помощью перемычек, каждый аккумулятор состоит из чередующихся отрицательных и положительных электродов, разделенных сепараторами и собранных в блоки, блоки электродов каждого аккумулятора помещаются в корпусах аккумуляторов с крышками, в которые вмонтированы борны блоков электродов, причем в качестве аккумуляторов используют электрохимические конденсаторы электрохимической системы оксид никеля - гидроксид калия - углерод, батарея состоит из сорока электрохимических конденсаторов, собранных в два независимых модуля по двадцать конденсаторов в каждом, положительными электродами конденсаторов являются оксидно-никелевые электроды с токоотводом, отрицательными электродами являются поляризуемые пористые углеродные электроды с коллектором тока и токоотводом и пористыми сепараторами, выполненными в виде конвертов вокруг положительных электродов, электроды, собранные в блоки, в размещены в корпусах электрохимических конденсаторов, выполненных из полиэтилена, крышки корпусов электрохимических конденсаторов приварены к соответствующим корпусам, в крышках герметично закреплены борны блоков положительных и отрицательных электродов, а также расположено заливочное отверстие с винтовой крышкой с аварийным клапаном, перемычки между электрохимическими конденсаторами выполнены из меди с никелевым покрытием с дополнительной изоляцией в виде термоусадочных трубок, корпус и крышка батареи выполнены из коррозионностойкой стали с нанесенной на внутреннюю поверхность органосиликатной композицией, крепление крышки батареи к корпусу батареи выполнено в виде винтовых соединений через отверстия в боковых стенках корпуса и крышки, полюсные токовыводы выполнены в виде двух терминалов, по два вывода от каждого модуля, основание терминалов выполнено из текстолита и закреплено на корпусе батареи с помощью заклепок, полюсные выводы представляют собой болтовые соединения.

Использование в качестве аккумуляторов электрохимических конденсаторов обеспечивает возрастание диапазона допустимых токов, которые для электрохимических конденсаторов электрохимической системы оксид никеля-гидроксид калия-углерод составляют 2000 А, что обусловлено механизмом электродных процессов, протекающих в тонком слое активных материалов, оксида никеля, на котором происходит обратимое окисление-восстановление тонкопленочного гидроксооксида/гидроксида никеля, а на отрицательном электроде, выполненном в виде пористого углеродного электрода с коллектором тока, обеспечивающем электрический контакт электрода с токоотводом с минимальным сопротивлением, происходит заряд/разряд двойного электрического слоя. В связи с этим предлагаемый электрохимический конденсатор сохраняет работоспособность в течение не менее 10000 заряд-разрядных циклов или 20 лет эксплуатации. Как следствие, внутреннее сопротивление используемых в батарее электрохимических конденсаторов составляет 0,006-0,015 Ом при работоспособности в диапазоне температур плюс 50°С - минус 50°С, что обеспечивает работоспособность стартерной батареи во всем температурном интервале. Столь широкий температурный диапазон связан со свойствами концентрированного щелочного электролита, не замерзающего при температурах до минус 50°С. Электрическая схема батареи, включающая два независимых модуля, повышают устойчивость ее работы в пусковой период за счет отдельного энергоснабжения системы запуска и системы питания внутренней бортовой сети, что исключает нестабильность электроснабжения в период запуска двигателя. Тем самым обеспечивается достижение батареей срока службы отдельного электрохимического конденсатора, то есть не менее 20 лет. Каждый электрохимический конденсатор имеет номинальное напряжение 1,4-1,6 В, что при двадцати последовательно соединенных конденсаторах обеспечивает суммарное напряжение 27,5-32 В, что необходимо для работы модулей. Выполнение сепараторов в виде конвертов вокруг положительного электрода обеспечивает повышение количества заряд-разрядных циклов за счет предотвращения осыпания оксида никеля с положительного электрода. Полиэтиленовые корпуса электрохимических конденсаторов с впаянными в них крышками обеспечивают надежность эксплуатации, заключающуюся в предотвращении повреждений корпуса, связанных с ударами и вибрацией, что предотвращает сокращение срока службы за счет повреждений корпуса и вытекания электролита. Герметичное закрепление борнов блоков положительных и отрицательных электродов в крышке электрохимического конденсатора предотвращает вытекание электролита из корпуса электрохимического конденсатора при его встрясках, а также попадание внутрь корпуса диоксида углерода, активно поглощаемую электролитом и снижающую его концентрацию, что приводит к росту внутреннего сопротивления и снижению максимального тока, что исключает преждевременный выход из строя стартерной батареи по причине ее механического разрушения. Заливочное отверстие с винтовой крышкой с аварийным клапаном предотвращает повышение давления внутри корпуса за счет газовыделения при заряде, что также положительно влияет на срок службы батареи. Перемычки между отдельными конденсаторами, выполненные из меди с никелевым покрытием, предохраняют контакты между конденсаторами от коррозии при возможном попадании на них капель электролита. Дополнительная защита в виде термоусадочных трубок предотвращает также атмосферную коррозию, связанную с конденсацией влаги, что исключает преждевременный выход батареи из строя по причине обрыва перемычек вследствие коррозионных повреждений. Материал корпуса и крышки в виде коррозионностойкой стали обеспечивает надежную защиту электрохимических конденсаторов от внешних и внутренних повреждений в результате вибрации и коррозии. Дополнительной защитой, обеспечивающей надежность электрической части батареи, является нанесение на внутреннюю поверхность корпуса органисиликатной композиции, что предотвращает внешние утечки тока и снижает риск короткого замыкания на корпус. Крепление крышки батареи к корпусу батареи в виде винтовых соединений предотвращает появление деформаций и трещин корпуса и крышки батареи при вибрационных нагрузках, а также обеспечивает возможность осмотра и ремонта перемычек в процессе эксплуатации, что увеличивает срок службы стартерной батареи. Основание терминалов, выполненное из текстолита, обеспечивает надежную изоляцию и крепление полюсных токовыводов. Крепление основания терминалов к корпусу заклепочным соединением обеспечивает устойчивость крепления при вибрационных нагрузках. Полюсные выводы в виде болтовых соединений позволяют осуществить внешнюю коммутацию кабелем требуемого сечения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показан электрохимический конденсатор на фронтальном разрезе.

На фиг.2 показана коммутация модулей батареи

На фиг.3 показан вид корпуса и крышки батареи в изометрической проекции

На фиг.4 показан электрохимический конденсатор в разрезе на виде сбоку.

1 - корпус электрохимического конденсатора;

2 - отрицательный электрод электрохимического конденсатора;

3 -положительный, оксидно-никелевый электрод;

4 - пористый сепаратор;

5 - электродный блок;

6 - коллектор тока пористого углеродного электрода 2;

7 - крышка корпуса электрохимического конденсатора;

8 - борн блока положительных электродов;

9 - борн блока отрицательных электродов;

10 - заливочное отверстие;

11 - винтовая крышка с аварийным клапаном;

12 - токоотводы коллекторов тока пористого углеродного электрода 2;

13 - токоотводы оксидно-никелевых электродов;

14 - электрохимический конденсатор;

15 - перемычки между электрохимическими конденсаторами;

16 - полюсные токовыводы;

17 - основание терминалов;

18 - корпус батареи;

19 - заклепки крепления основания терминалов;

20 - отверстия крепления крышки корпуса батареи;

21 - крышка корпуса батареи;

22 - перемычки с полюсными токовыводами.

Стартерная батарея состоит из сорока электрохимических конденсаторов 14, собранных в два независимых модуля по двадцать конденсаторов в каждом. Электрохимической системой электрохимических конденсаторов является оксид никеля-гидроксид калия-углерод, положительным электродом конденсаторов является оксидно-никелевый электрод 3 с токоотводом 13, отрицательным электродом 2 является пористый углеродный электрод с коллектором тока 6 и токоотводом 12, между электродами размещен пористый сепаратор 4, выполненный в виде конверта вокруг положительного оксидно-никелевого электрода 3, электроды собраны в блоки 5, корпуса электрохимических конденсаторов 1 выполнены из полиэтилена, крышки корпусов электрохимических конденсаторов 7 приварены к корпусам, в крышках герметично закреплены борны блоков положительных 8 и отрицательных электродов 9, а также заливочное отверстие 10 с винтовой крышкой с аварийным клапаном 11, перемычки 15 между электрохимическими конденсаторами и перемычки с полюсными токовыводами 22 выполнены из меди с никелевым покрытием с дополнительной изоляцией в виде термоусадочных трубок, корпус 18 и крышка 21 батареи выполнены из коррозионностойкой стали с нанесенной на внутреннюю поверхность органосиликатной композицией, крепление крышки батареи 21 к корпусу батареи 18 выполнено в виде винтовых соединений через отверстия в боковых стенках корпуса, полюсные токовыводы 16 выполнены в виде двух терминалов, по два вывода от каждого модуля, основание терминалов 17 выполнено из текстолита и закреплено на корпусе батареи с помощью заклепок 19, полюсные токовыводы 16 представляют собой болтовые соединения.

Стартерная батарея работает следующим образом. Исходным состоянием стартерной батареи является ее заряженное состояние, то есть когда на положительном электроде 3 активный материал находится в состоянии гидроксооксида никеля, а двойной электрический слой отрицательного электрода 2 имеет отрицательный заряд. При этом напряжение батареи составляет не менее 27,5 В. Перед запуском двигателя питание внутренней бортовой сети осуществляется одним независимым модулем батареи. От второго модуля батареи осуществляется запуск двигателя, для которого модуль обеспечивает ток до 400 А в течение нескольких десятых долей секунды. В процессе работы в электрохимических конденсаторах 14 обоих модулей происходит процесс разряда, в ходе которого гидроксооксид никеля превращается в гидроксид никеля, отдавая электроны во внешнюю цепь через токоотводы оксидно-никелевого электрода 13, борны положительного электрода 8, перемычки 15 между борнами положительного электрода одного электрохимического конденсатора и борнами отрицательного электрода 9 соседнего электрохимического конденсатора, через перемычки с полюсными токовыводами 22 и через полюсные токовыводы 16 во внешнюю цепь. На отрицательном электроде 3 при этом происходит разряд емкости двойного электрического слоя, обеспечивающий протекание тока через коллектор тока отрицательного электрода 6, токоотвод отрицательного электрода 12, борн отрицательного электрода 9 и перемычки 15 между борном отрицательного электрода одного электрохимического конденсатора с борном положительного электрода соседнего электрохимического конденсатора, перемычки с полюсными токовыводами 22 и полюсные токовыводы 16 во внешнюю цепь. Протекание тока в электролите с фиксацией расстояния между электродами обеспечивается наличием между электродами пористого сепаратора 4. Полюсные токовыводы 16 закреплены на основании терминалов 17, выполненном из текстолита, что предотвращает обрыв полюсных токовыводов и их замыкание на корпус батареи 18. Крепление основания терминалов 17 на корпусе батареи 18 с помощью заклепок 19 предотвращает смещение основания терминалов 17 при вибрационных нагрузках. Крепление крышки корпуса батареи 21 на корпус батареи 18 винтовыми соединениями через отверстия 20 предотвращает появление деформаций и трещин корпуса и крышки батареи при вибрационных нагрузках, а также обеспечивает возможность осмотра и ремонта перемычек 15 и 22 в процессе эксплуатации.

Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения, использование в качестве аккумуляторов стартерной батареи электрохимических конденсаторов системы оксид никеля - гидроксид калия - углерод, а также конструктивное исполнение конденсаторов и их батареи обеспечивает достижение заявленного технического результата, увеличение количества циклов работы батареи до 10000 или 20 лет эксплуатации при температурах менее 30°С.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к стартерной батарее, которая предназначена для комплектации автомобильной и гусеничной техники, эксплуатируемой в условиях низких температур. Повышение количества заряд-разрядных циклов стартерной батареи при температурах ниже 30°С является техническим результатом, который достигается за счет того, что аккумуляторная батарея выполнена на основе электрохимических конденсаторов системы: оксид никеля - гидроксид калия - углерод, при этом батарея содержит сорок электрохимических конденсаторов, собранных в два независимых модуля по двадцать конденсаторов в каждом, корпус и крышка батареи выполнены из коррозионно-стойкой стали с нанесенной на внутреннюю поверхность органосиликатной композицией, крепление крышки батареи к корпусу батареи выполнено в виде винтовых соединений через отверстия в боковых стенках корпуса и крышки, полюсные токовыводы выполнены в виде двух терминалов, по два вывода от каждого модуля, основание терминалов выполнено из текстолита и закреплено на корпусе батареи с помощью заклепок, полюсные выводы представляют собой болтовые соединения. 4 ил.

Стартерная батарея, состоящая из отдельных аккумуляторов, помещенных в корпус батареи с крышкой, снабженный полюсными токовыводами, к которым приварены токовыводы крайних аккумуляторов батареи, аккумуляторы электрически соединены между собой последовательно с помощью перемычек, каждый аккумулятор состоит из чередующихся отрицательных и положительных электродов, разделенных сепараторами и собранных в блоки, блоки электродов каждого аккумулятора помещаются в корпусах аккумуляторов с крышками, в которые вмонтированы борны блоков электродов, отличающаяся тем, что в качестве аккумуляторов используют электрохимические конденсаторы электрохимической системы оксид никеля - гидроксид калия - углерод, батарея состоит из сорока электрохимических конденсаторов, собранных в два независимых модуля по двадцать конденсаторов в каждом, положительными электродами конденсаторов являются оксидно-никелевые электроды с токоотводом, отрицательными электродами являются поляризуемые пористые углеродные электроды с коллектором тока и токоотводом и пористыми сепараторами, выполненными в виде конвертов вокруг положительных электродов, электроды, собранные в блоки, размещены в корпусах электрохимических конденсаторов, выполненных из полиэтилена, крышки корпусов электрохимических конденсаторов приварены к соответствующим корпусам, в крышках герметично закреплены борны блоков положительных и отрицательных электродов, а также расположено заливочное отверстие с винтовой крышкой с аварийным клапаном, перемычки между электрохимическими конденсаторами выполнены из меди с никелевым покрытием с дополнительной изоляцией в виде термоусадочных трубок, корпус и крышка батареи выполнены из коррозионно-стойкой стали с нанесенной на внутреннюю поверхность органосиликатной композицией, крепление крышки батареи к корпусу батареи выполнено в виде винтовых соединений через отверстия в боковых стенках корпуса и крышки, полюсные токовыводы выполнены в виде двух терминалов, по два вывода от каждого модуля, основание терминалов выполнено из текстолита и закреплено на корпусе батареи с помощью заклепок, полюсные выводы представляют собой болтовые соединения.