свинцовая батарея цилиндрических аккумуляторов

Формула изобретения

Свинцовая батарея цилиндрических аккумуляторов, содержащая корпус с ячейками, в которых размещены аккумуляторы со спирально намотанными электродами, разделенными сепараторной лентой со связанным электролитом и соединенные между собой системой коммутации, отличающаяся тем, что аккумуляторы уложены горизонтально вдоль одной прямой и соединены последовательно по три аккумулятора в неразъемные блоки, ушки электродов противоположных полярностей в каждом аккумуляторе неразъемного блока выведены на противоположные торцы цилиндрических аккумуляторов, а группы ушков от соседних аккумуляторов в неразъемном блоке соединены между собой контактными шайбами, сформированными металлургическим путем с помощью разъемной изложницы с гребенчатыми стыками, размещаемой в зонах схождения ушков.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, к той ее части, которая касается производства химических источников тока, в частности стартерных аккумуляторных батарей для тяжелых режимов работы.

Для стартерных аккумуляторных батарей (АБ) в числе ключевых эксплуатационных параметров особенный вес имеет коэффициент отношения мгновенного значения разрядного тока к номинальной емкости. И если в ряде промышленных типов он составляет 4-5, то по техническим требованиям к некоторым двигателям с большим крутящим моментом запуска его значение не может быть ниже 6. Увеличение этого коэффициента технологически осуществимо только благодаря увеличению суммарной поверхности электродов за счет уменьшения их толщины. Но эту операцию можно произвести только с заметной потерей механической прочности самих электродов. Указанное противоречие явилась серьезной проблемой для АБ с плоскими пластинчатыми электродами. Для компенсации прочностных характеристик применяют метод спиральной свертки, при котором длинную композитную заготовку из тонких электродов разной полярности, проложенных сепараторной лентой, сворачивают в рулон. Если свертку производить с достаточным натяжением, то полученный цилиндрический элемент получает необходимую механическую прочность и дополнительную вибро-ударопрочность. Такие АБ разработаны и производятся серийно. Они достаточно надежно защищены от газообразования.

Однако при некоторых конструкторских задачах, при разработке АБ, способных надежно функционировать в тяжелых режимах эксплуатации, при выходе на большие разрядные токи с сохранением большой номинальной емкости в условиях жестких габаритных ограничений требуются дополнительные технологические приемы для обеспечения устойчивости их функций. При экстремальных нагрузках в АБ могут возникать рецидивы, казалось, подавленных уже процессов газообразования. Габаритные лимиты вынуждают оптимизировать систему токосъема и межэлементной коммутации.

Примеры модернизации АБ с плоскими электродами, а также АБ цилиндрического типа многочисленны, а проблематика широка. В отобранных работах решаются задачи, наиболее близкие к перечисленным выше проблемам. Их недостатки выявлены нами только в опоре на тот комплекс требований, который продекларирован выше.

Известна свинцовая аккумуляторная батарея по патенту Украины №24887, МПК⁶ Н 01 М 2/10, опубл. 15.02.2002, бюл.№2. Запатентованная конструкция АБ состоит из свинцовых аккумуляторов с плоскими пластинчатыми электродами. Главным недостатком этой АБ является низкая энергоемкость и малый коэффициент отношения мгновенного значения разрядного тока к номинальной емкости (при стартерном токе 400 А и номинальной емкости 85 А·ч он равен 4,7). Для современных машин, имеющих двигатель с большим крутящим моментом запуска, такие характеристики уже недостаточны.

Известна свинцовая батарея рулонной конструкции по патенту США №5922490, МПК⁶ Н 01 М 2/00. Запатентованная конструкция АБ состоит из свинцовых аккумуляторов рулонного типа. Они размещены в корпусе, имеющем определенное количество вертикальных цилиндрических ячеек. В ячейки вставлены аккумуляторы, собранные из положительного и отрицательного электродов, разделенных сепаратором и свернутых по спирали с образованием цилиндра. В зависимости от технических требований аккумуляторные батареи могут иметь различные емкости. Для фиксации рулонов различного диаметра в одинаковых ячейках предусмотрены емкостные вставки, повышающие жесткость сборки.

Недостатками описанной АБ являются нерациональное использование объема ячеек корпуса, что выражается в уменьшении удельной энергоемкости, а также сложность системы токосъема и коммутации.

Известен также цилиндрический аккумулятор по патенту США №5637416, МПК ⁶ Н 01 М 6/10. Он получается спиральной намоткой “сэндвича” из двух ленточных электродов противоположной полярности, разделенных сепаратором. Один из электродов имеет двухслойную структуру с различной пористостью и толщиной слоев. Активный материал заполняет поры слоя с более высокой пористостью. Аккумулятор работает в вертикальном положении.

К недостаткам описанной конструкции можно отнести излишнюю толщину одного из электродов, что ведет к уменьшению количества слоев в рулоне, вписанном в фиксированные габариты ячейки корпуса, что в результате не дает получить высокий коэффициент отношения мгновенного значения разрядного тока к номинальной емкости.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является свинцовая батарея с цилиндрическими аккумуляторами, разработанная фирмой Optima Batteries Onc. (США) (Wound cells improve battery safeti, durability./ Murray C.J. // Des. News. - 1991. - 47, №21. - P.109-110). Электроды аккумуляторов представляют собой цилиндры, свернутые из прямоугольных композитных заготовок. Они установлены вертикально в цилиндрические ячейки корпуса батареи. Каждая заготовка состоит из положительной и отрицательной электродных пластин, между которыми проложена волокнистая сепараторная лента, пропитанная электролитом. Ушки обеих полярностей выведены на верхний торец цилиндра и соединены полюсными мостиками.

К недостаткам прототипа можно отнести то, что газовые пузырьки перемещаются только различного рода флуктуационными силами, а архимедова сила направляет их только вдоль пластин, отчего с большой степенью вероятности они могут застревать в сепараторе, найдя препятствие, превышающее движущую силу. Поэтому возможна неполная рекомбинация газовой фракции в воду, что опасно для герметичной батареи. Кроме того, из-за несимметричного (одностороннего) вывода контактных ушков создаются условия для неравномерного распределения тока по площади пластин, что приводит к росту локального разряда в верхней части рулона. Такой режим токосъема дает потерю мощности и уменьшение срока службы АБ. И, наконец, система межэлементной коммутации, выполненная из проводящих перемычек и токовых мостиков, увеличивает габариты батареи, что может затруднять их монтажную подгонку в габариты обслуживаемых машин, а также приводит к уменьшению удельной (по объему) энергоемкости АБ.

В основу изобретения поставлена задача оптимизации распределения тока по площади электродов и увеличения коэффициента использования активной массы, ускорения процесса рекомбинации газов, увеличения компактности системы коммутации, а также увеличения удельной энергоемкости и вибро-ударопрочности.

Поставленная задача решается тем, что в свинцовой батарее цилиндрических аккумуляторов, содержащей корпус с ячейками, в которых размещены аккумуляторы со спирально намотанными электродами, разделенными сепараторной лентой со связанным электролитом, и соединенные между собой системой коммутации, согласно изобретению, аккумуляторы соединены в тройные неразъемные блоки и уложены горизонтально, контактные ушки разных полярностей в каждом аккумуляторе блока выведены на противоположные торцы электродных рулонов, а группы ушков от соседних аккумуляторов в блоке соединены между собой контактными шайбами, сформированными металлургическим путем с помощью разъемной изложницы с гребенчатыми стыками, размещаемой в зонах схождения ушков.

Горизонтальное положение рулона создает благоприятные условия для рекомбинации газов (кислорода и водорода). Это обусловлено тем, что в данной компоновке архимедова сила, действующая на пузырек кислорода, в большинстве случаев направлена практически поперек сепараторного зазора и совпадает по направлению с концентрационным градиентом по кислороду, так как поверх положительного электрода всегда расположен соседний отрицательный электрод (за исключением небольших боковых участков рулона, где поверхности электродов вертикально направлены). Стекловолокнистый сепаратор со связанным электролитом имеет структуру, создающую сильную анизотропию сопротивления движению газовых пузырьков. Поперечное сопротивление во много раз меньше продольного. Естественное движение пузырьков газа в поле тяжести направляет их при горизонтальной ориентации рулона не вдоль пластин, а между ними. И хотя результирующие силы, направляющие пузырьки, имеют несколько различное направление в разных точках рулона, общим для них является то, что все они действуют по пути с пониженным сопротивлением ходу газа в порах сепаратора. Кроме того, малая толщина сепаратора содействует контакту кислорода с отрицательным электродом, поскольку пузырек может легко получить размер, превышающий толщину сепараторной ленты, не выскочив при этом за пределы рулона, так как архимедова сила направлена поперек сепаратора. Не прореагировавший кислород из нижних или боковых частей рулона может при вибрациях смещаться, но только в верхнюю часть рулона, где рекомбинирует, прижатый суммарной силой к отрицательному электроду. В любом случае выход пузырьков газа за пределы рулона невозможен. Перепад концентрации растворенного газа по зазору заставляет молекулы кислорода диффундировать в сторону отрицательного электрода.

Таким образом, и молекулы кислорода и их пузырьковые скопления легко перемещаются в нужном направлении, увеличивая скорость и полноту рекомбинации, по той причине, что действующие на них силы удерживают их в пределах рулона, где они неминуемо рекомбинируют. В данном случае циклические силы вибраций, сопровождающие работу аккумуляторов в составе транспортных средств, способствуют продвижению газовых пузырьков в направлении одного из электродов, а не к выходу из рулона, что тоже ускоряет рекомбинацию. Улучшение условий рекомбинации газовых фракций дает возможность увеличить гарантии безопасной эксплуатации батарей, особенно в герметичных модификациях.

Горизонтальное размещение аккумуляторов дает еще одно полезное преимущество по сравнению с вертикально скомпонованной АБ - происходит силовая разгрузка ушков. Они теперь не держат рулон, который бандажирован боковой поверхностью корпуса и опирается всем весом на дно аккумуляторного отсека. Снятие механических нагрузок с ушков увеличивает их вибро-ударопрочность. Увеличивается также вибропрочность электродов, поскольку осыпанию активного слоя препятствует не только напряжение сжатия, возникшее при намотке рулона, а также изменение ориентации электродов относительно силы тяжести, которая действует теперь не вдоль, а поперек активного слоя.

Немаловажным достоинством горизонтального размещения аккумуляторов с раздельным выводом полюсных контактов является торцевая локализация последних. В батареях большой мощности, предназначенных для тяжелых режимов работы, контакты выводят на торцевые плоскости под болтовое крепление.

Разнесение контактных выводов на противоположные торцы рулонов приводит к выравниванию продольного сопротивления электродов и, как следствие, к равномерному распределению тока и к повышению коэффициента использования активной массы (на 10-15% по сравнению с аналогами). В том случае, если контакты обеих полярностей выходят на один торец рулона, отбор тока идет гораздо интенсивней с верхушечной части, а локальные токовые перегрузки одних и тех же участков, особенно при стартерных режимах, вызывают быструю деградацию электродов, то есть старение АБ. В то время как усреднение интенсивности реакций потенциалообразования по площади электродов способствует увеличению количества рабочих циклов АБ. Таким образом, организация токоотбора с противоположных торцов дает значительный полезный эффект.

Один свинцово-кислотный аккумулятор способен создать максимальную ЭДС, равную 1,92-2,15 В, то есть в среднем 2,0 В. Наиболее распространенное напряжение обслуживаемых машин равно 6, 12 или 24 В. При последовательном соединении в батарею 2-вольтовых аккумуляторов с различной кратностью составляются необходимые источники питания. Но при техническом требовании минимизации габаритов АБ, а это особенно актуально для аккумуляторов рулонного типа, в которых увеличения разрядного тока добиваются за счет заметного уменьшения номинальной емкости, соединение такого числа аккумуляторов требует достаточно громоздкой системы коммутации, содержащей токовые мостики, перемычки и т.п. Кроме того, рулонный способ изготовления грешит нерациональным использованием рабочего объема корпуса. Вписывание системы цилиндрических аккумуляторов в прямоугольный корпус ведет к уменьшению суммарной активной массы, вмещенной в эти габариты. А ведь от количества последней напрямую зависит электрическая емкость АБ. Для увеличения компактности в изобретении предлагается монтировать 6-вольтовые тройные неразъемные блоки, состоящие из трех 2-вольтовых аккумуляторов. И уже из таких тройных блоков комплектовать батареи требуемого номинального напряжения. Поэтому блок минимального номинала в заявляемой АБ состоит из трех 2-вольтовых аккумуляторов.

Как уже отмечалось, в каждом аккумуляторе патентуемой АБ ушки противоположных полярностей выведены на разные торцы. Поэтому последовательная стыковка рулонов для получения 6-вольтовых тройных блоков производится методом металлургического соединения всех ушков путем формирования переходника (шайбы), служащего общим электрическим контактом для обеих групп ушков. Шайбы, сформированные в зазорах между торцами соседних аккумуляторов в блоке, служат одновременно и механической опорой, соединяющей три аккумулятора в один тройной неразъемный блок. Подобный тип стыковки обладает максимальной в данной компоновке компактностью. При ограниченности объема, отпущенного для АБ в обслуживаемых машинах, компактность служебных элементов устройства дает возможность увеличить количество активного материала путем некоторого увеличения размеров электродов, что повышает удельную энергоемкость АБ.

По имеющимся у авторов сведениям предложенные существенные отличия, которые характеризуют суть изобретения, не известны в данном разделе техники.

Предложенное техническое решение может быть использовано на предприятиях по производству аккумуляторных батарей, в частности - свинцово-кислотных типов. Особое значение это может иметь в случае производства аккумуляторов с большим разрядным током для тяжелых режимов работы (для запуска двигателей и питания электрооборудования специальных машин, относящихся к группам 1.10-1.11 категории А ГОСТ В 20.39.304).

На чертеже приведена принципиальная схема тройного неразъемного блока цилиндрических аккумуляторов.

Аккумуляторы 1, полученные рулонной сверткой “сэндвича” из двух лент, содержат спиральный электрод 2 положительной полярности и аналогичный электрод 3 отрицательной полярности, который по всей длине проложен с двух сторон ленточным матричным сепаратором 4. При свертке отрицательный электрод укладывается поверх положительного, что требуется для создания наилучших условий для рекомбинации газов. Положительные электродные ушки 5 выведены на торец I, а отрицательные ушки 6 - на торец II каждого аккумулятора. Раскройка токоотводов произведена с переменным шагом ушков. Шаг подобран так, что при свертке в рулон ушки образуют прямой ряд вдоль диаметра рулона, причем ряды ушков противоположных полярностей в плане перпендикулярны друг другу. Три таких цилиндрических аккумулятора объединены в один тройной неразъемный блок посредством контактных шайб 7. Такие же шайбы образуют торцевые однополярные выводы, в которые врезаны контактные штуцера 8. Все три аккумулятора запрессованы в общий трубчатый корпус 9 из полимерного материала.

Стыковку аккумуляторов осуществляют следующим образом. Три аккумулятора 1 фиксируют в оснастке (не показана) вертикально с возможностью независимого вертикального смещения и позиционируют, ориентируя встречно сдвигаемые ряды ушков 5 и 6 крестообразно, а также соблюдая сочетание полярностей, так как аккумуляторы соединяют в последовательную цепь с целью суммирования их ЭДС. Образовавшиеся между аккумуляторами зазоры уменьшают до тех пор, пока их размер не станет меньше удвоенной высоты ушков. При таком сдвиге встречные ряды образуют заход, величина которого некритична, но на практике достигает трети от высоты ушков. Образовавшаяся зона захода используется для формирования контактной шайбы 7. Шайбы в зазорах между позиционированными аккумуляторами 1 формируются металлургическим способом. Для этого в зону захода устанавливают разъемную изложницу 10 с гребенчатым стыком 11. Глубина изложницы с небольшим превышением равна толщине зоны захода. Она состоит из двух половин и имеет на стыке гребенчатые пропилы, размер и частота следования которых соответствует габаритам ряда ушков, который она и зажимает при установке. Люфт между ушками и щелями изложницы не превышает 0,1 мм, и жидкий свинец не протекает, удерживаемый силами поверхностного натяжения. Половины насаживают на ряд ушков одной полярности так, что ряд другой полярности упирается в ее дно. Затем в изложницу заливают свинец (или его сплав). Жидкий металл, заполняя изложницу до установленного уровня, заливает те концевые части электродов с обеих сторон, которые заступают в зону захода. Застывая, он соединяет все ушки, которые уже профлюсованы на стадии изготовления токоотводов, как в механическом, так и в электрическом отношении, создавая стыковое крепление - контактную шайбу 7. Причем происходит не механическое соединение за счет сил адгезии, а металлургическое, за счет сплавления. Ту же операцию производят со вторым стыком и с крайними группами ушков (однополярные зоны). После этого изложницы снимают, а полученный тройной неразъемный блок подвергают электрохимической обработке (пропитке электролитом и формированию) и помещают в тубус из полипропилена. После обжатия с целью герметизации и врезки контактных штуцеров 8 аккумулятор готов к использованию. Из описанных тройных блоков можно собирать батареи любого вольтажа, кратного 6 В.

Патентуемый тройной неразъемный блок конструктивно существенно компактней, чем аналогичная батарея, со стандартной коммутацией. Поскольку с наибольшим эффектом описанные аккумуляторы работают в горизонтальном положении, то АБ из них собирают, располагая их в отведенном объеме в горизонтальной укладке, соединяя между собой полюсными мостиками соответствующие контактные штуцера. В данной укладке межэлементных соединений значительно меньше, чем в прототипе. А их геометрическая структура сообщает дополнительные удобства при монтажных и ремонтных работах.

Описанные изменения в конструкции аккумуляторов рулонного типа, а также в укладке их в батарею дают возможность увеличить коэффициент отношения разрядного тока к номинальной емкости до 6 и более за счет оптимизации распределения тока по площади электродов, повысить безопасность работы герметичной АБ за счет ускорения процесса рекомбинации газов в межэлектродном пространстве, а также повысить удельную энергоемкость АБ путем увеличения коэффициента использования активной массы электродов и увеличения компактности системы коммутации.