Свинцева батарея циліндричних акумуляторів

Свинцева батарея циліндричних акумуляторів, що містить корпус з ячейками, у яких розміщено акумулятори зі спірально намотаними електродами, розділеними сепараторною стрічкою зі зв'язаним електролітом і з'єднані між собою системою комутації, яка відрізняється тим, що акумулятори з'єднані в потрійні нерознімні блоки і покладені горизонтально, контактні вушка різних полярностей у кожному акумуляторі блока виведено на протилежні торці електродних рулонів, а групи вушок від сусідніх акумуляторів у блоці з'єднано між собою контактними шайбами, сформованими металургійним шляхом за допомогою рознімної виливниці з гребінчастими стиками, розташовуваної в зонах сходження вушок. Винахід відноситься до електротехніки, до тієї її частини, що стосується виробництва хімічних джерел струму, зокрема, стартерних акумуляторних батарей для важких режимів роботи. Для стартерних акумуляторних батарей (АБ) у числі ключових експлуатаційних параметрів особлива вага має коефіцієнт відношення миттєвого значення розрядного струму до номінальної ємності. І якщо в ряді промислових типів він складає 4 5, то по технічних вимогах до деяких двигунів з великим крутячим моментом запуску його значення не може бути нижче 6. Збільшення цього коефіцієнта технологічно здійснено тільки завдяки збільшенню сумарної поверхні електродів за рахунок зменшення їхньої товщини. Але цю операцію можна зробити тільки з помітною втратою механічної міцності самих електродів. Зазначене протиріччя стало серйозною проблемою для АБ із плоскими пластинчастими електродами. Для компенсації міцнісних характеристик застосовують метод спіральної згортки, при якому довгу композитну заготівку з тонких електродів різної полярності, прокладених сепараторною стрічкою, звертають у рулон. Якщо згортку робити з достатнім натягом, то отриманий циліндричний елемент дістає необхідну механічну міцність і додаткову вібро удароміцність. Такі АБ розроблені та виробляються серійно. Вони досить надійно захищені від газоутворення. Однак при деяких конструкторських задачах, при розробці АБ, здатних надійно функціонувати у важких режимах експлуатації, при виході на великі розрядні струми зі збереженням великої номінальної ємності в умовах жорстких габаритних обмежень вимагаються додаткові технологічні прийоми для забезпечення стабільності їхніх функцій. При екстремальних навантаженнях в АБ можуть виникати рецидиви, здавалося, подавлених уже процесів газоутворення. Габаритні ліміти змушують оптимізувати систему струмознімання і міжелементної комутації. Приклади модернізації АБ із плоскими електродами, а також АБ циліндричного типу численні, а проблематика широка. У відібраних роботах вирішуються задачі, найбільш близькі до перерахованих вище проблем, їхні недоліки виявлені нами тільки в опорі на той комплекс вимог, що продекларовано вище. Відома свинцева акумуляторна батарея за 6 [патентом України №24887, МПК Н01М2/10, опубл. 15.02.2000р., бюл. №2]. Запатентована конструкція АБ складається зі свинцевих акумуля (19) UA (11) 58170 (13) C2 (21) 2002108198 (22) 16.10.2002 (24) 15.12.2006 (46) 15.12.2006, Бюл. № 12, 2006 р. (72) Дзензерський Віктор Олександрович, Скосар Юрій Іванович, Анікеєв Євген Володимирович, Бурилов Сергій Володимирович, Скосар Вячеслав Юрійович, Буряк Олександр Панасович (73) Дзензерський Віктор Олександрович, Скосар Юрій Іванович, Анікеєв Євген Володимирович, Бурилов Сергій Володимирович, Скосар Вячеслав Юрійович (56) RU 2189091, 10.09.2002. US 6379839, 30.04.2002. US 6023146, 08.02.2000. 3 58170 4 торів із плоскими пластинчастими електродами. ються умови для нерівномірного розподілу струму Головним недоліком цієї АБ є низька енергоємпо площі пластин, що призводить до росту локаність і малий коефіцієнт відносини миттєвого знального розряду у верхній частині рулону. Такий чення розрядного струму до номінальної ємності режим струмознімання дає втрату потужності і (при стартерному струмі 400 А и номінальної ємзменшення терміну служби АБ. І, нарешті, систему ності 85А*ч він дорівнює 4,7). Для сучасних машин, міжелементної комутації, виконано з провідних які мають двигуни з великим крутячим моментом перемичок і токових містків, збільшує габарити запуску такі характеристики вже недостатні. батареї, що може утрудняти їхнє монтажне припаВідома свинцева батарея рулонної конструкції сування до габаритів машин, які обслуговуються, а 6 за [патентом США №5922490, МПК Н01М2/00]. також призводить до зменшення питомої (по об'єЗапатентована конструкція АБ складається зі свиму) енергоємності АБ. нцевих акумуляторів рулонного типу. Вони розміВ основу винаходу поставлена задачу оптиміщені в корпусі, що має визначену кількість вертизації розподілу струму по площі електродів і збікальних циліндричних ячейок. В ячейки вставлено льшення коефіцієнта використання активної маси, акумулятори, зібрані з позитивного і негативного прискорення процесу рекомбінації газів, збільшенелектродів, розділених сепаратором і згорнутих по ня компактності системи комутації, а також збільспіралі з утворенням циліндра. У залежності від шення питомої енергоємності та вібротехнічних вимог акумуляторні батареї можуть мати удароміцності. різні ємності. Для фіксації рулонів різного діаметра Поставлена задача вирішується тим, що у в однакових осередках передбачено обємні вставсвинцевій батареї циліндричних акумуляторів, що ки, які підвищують жорсткість зборки. містить корпус з ячейками, у яких розміщено акуНедоліками описаної АБ є нераціональне вимулятори зі спірально намотаними електродами, користання об'єму ячейок корпуса, що виражаєтьрозділеними сепараторною стрічкою зі зв'язаним ся в зменшенні питомої енергоємності, а також електролітом і з'єднані між собою системою комускладність системи струмознімання і комутації. тації, відповідно винаходу, акумулятори з'єднані в Відомий також циліндричний акумулятор за потрійні нероз'ємні блоки і покладені горизонталь6 [патентом США №5637416, МПК Н01М6/10.] Він но, контактні вушка різних полярностей у кожнім утворюється спіральним намотуванням «сендвіча» акумуляторі блоку виведено на протилежні торці із двох стрічкових електродів протилежної полярелектродних рулонів, а групи вушок від сусідніх ності, розділених сепаратором. Один з електродів акумуляторів у блоці з'єднано між собою контактмає двошарову структуру з різною пористістю і ними шайбами, сформованими металургійним товщиною шарів. Активний матеріал заповнює шляхом за допомогою рознімної виливниці з гребіпори шару з більш високою пористістю. Акумулянчастими стиками, розташовуваної в зонах схотор працює у вертикальному положенні. дження вушок. До недоліків описаної конструкції можна віднеГоризонтальне положення рулону створює сти зайву товщину одного з електродів, що веде сприятливі умови для рекомбінації газів (кисню і до зменшення кількості шарів у рулоні, уписаному водню). Це обумовлено тим, що в даному компоу фіксовані габарити ячейки корпуса, що в резульнуванні архімедова сила, що діє на пухирець кистаті не дає одержати високий коефіцієнт відноню, у більшості випадків направлена практично шення миттєвого значення розрядного струму до впоперек сепараторного зазору збігається по наномінальної ємності. прямку з концентраційним градієнтом по кисню, Найбільш близьким технічним рішенням, обтому що поверх позитивного електрода завжди раним як прототип, є свинцева батарея з циліндрозташовано сусідній негативний електрод (за ричними акумуляторами, розроблена фірмою Opвинятком невеликих бічних ділянок рулону, де поtima Batteries One. (США). [Wound cells improve верхні електродів вертикально спрямовані). Склоbattery safeti, durability. / Murray CJ. // Des. News вололокнистий сепаратор зі зв'язаним електролі1991. - 47, №21. - P. 109 - 110.]. Електроди акумутом має структуру, яка створює сильну ляторів являють собою циліндри, згорнуті з прямоанізотропію. опору руху газових пухирців. Поперекутних композитних заготівок. Вони установлені чний опір у багато разів менше подовжнього. Привертикально в циліндричні ячейки корпуса батареї. родний рух пухирців газу в полі ваги направляє їх Кожна заготівка складається з позитивної і негатипри горизонтальній орієнтації рулону не уздовж вний електродних пластин, між якими прокладена пластин, а між ними. І хоча результуючі сили, які волокниста сепараторна стрічка, просочена електнаправляють пухирці мають трохи різний напрямок ролітом. Вушка обох полярностей виведені на у різних точках рулону, загальним для них є те, що верхній торець циліндра і з'єднані полюсними місусі вони діють по шляху зі зниженим опором ходу тками. газу в порах сепаратора. Крім того, мала товщина До недоліків прототипу можна віднести те, що сепаратора сприяє контакту кисню з негативним газові пухирці, переміщаються тільки різного роду електродом, оскільки пухирець може легко дістати флуктуаційними силами, а архімедова сила нарозмір, що перевищує товщину сепараторної стріправляє їх тільки уздовж пластин, відчого, з велички, не вискочивши при цьому за межі рулону, токим ступенем ймовірності, вони можуть застрявати му що архімедову сила направлено впоперек сев сепараторі, знайшовши перешкоду, яка перевипаратора. Не прореагувавший кисень з нижніх чи щує рушійну силу. Тому можлива неповна рекомбічних частин рулону може при вібраціях зміщатибінація газової фракції у воду, що небезпечно для ся, але тільки у верхню частину рулону, де рекомгерметичної батареї. Крім того, через несиметричбінує, притиснутий сумарною силою до негативноний (однобічний) вивід контактних вушок, створюго електрода. У будь-якому випадку вихід пухирців 5 58170 6 газу за межі рулону неможливий. Перепад концензменшення номінальної ємності, з'єднання такого трації розчиненого газу по зазору змушує молекучисла акумуляторів вимагає досить громіздкої сисли кисню дифундувати убік негативного електротеми комутації, що містить токові містки, перемичда. ки і т.п. Крім того, рулонний спосіб виготовлення Таким чином, і молекули кисню і їхніх бульбагрішить нераціональним використанням робочого шкових скупчень легко переміщаються в потрібнооб'єму корпуса. Уписування системи циліндричних му напрямку, збільшуючи швидкість і повноту реакумуляторів у прямокутний корпус веде до зменкомбінації, з тієї причини, що діючі на них сили, шення сумарної активної маси, вміщеної в ці габаутримують їх у межах рулону, де вони неминуче рити. Але ж від кількості останньої прямо залежить рекомбінують. У даному випадку циклічні сили електрична ємність АБ. Для збільшення компактвібрацій, які супроводжують роботу акумуляторів у ності у винаході пропонується монтувати 6-ти воскладі транспортних засобів, сприяють просуванльтові потрійні нероз'ємні блоки, що складаються з ню газових пухирців у напрямку одного з електротрьох 2-х вольтових акумуляторів. І вже з таких дів, а не до виходу з рулону, що теж прискорює потрійних блоків комплектувати батареї необхідної рекомбінацію. Поліпшення умов рекомбінації газономінальної напруги. Тому блок мінімального нових фракцій дає можливість збільшити гарантії міналу в АБ, що заявляється, складається з трьох безпечної експлуатації батарей, особливо в гер2-х вольтових акумуляторів. метичних модифікаціях. Як уже відзначалося, у кожнім акумуляторі паГоризонтальне розміщення акумуляторів дає тентованої АБ вушки протилежних полярностей ще одну корисну перевагу в порівнянні з вертикавиведені на різні торці. Тому послідовне стикуванльно скомпонованою АБ - відбувається силове ня рулонів для одержання 6-ти вольтових потрійрозвантаження вушок. Вони тепер не тримають них блоків здійснюється методом металургійного рулон, який бандажований бічною поверхнею корз'єднання усіх вушків шляхом формування перехіпуса і спирається усією вагою на дно акумулятордника (шайби), яка служить загальним електричного відсіку. Зняття механічних "навантажень з ним контактом для обох груп вушків. Шайби, сфовушків збільшує їх вібро-удароміцність. Збільшурмовані в зазорах між торцями сусідніх ється також віброміцність електродів, оскільки акумуляторів у блоці, служать одночасно і механіопаданню активного шару перешкоджає не тільки чною опорою, яка з'єднує три акумулятори в один напруга стиску, яка виникла при намотуванні рупотрійний нероз'ємний блок. Подібний тип стикулону, а також зміна орієнтації електродів щодо вання має максимальну в даному компонуванні сили ваги, що діє тепер не уздовж, а впоперек аккомпактність. При обмеженості об'єму, відпущенотивного шару. го для АБ у машинах, що обслуговуються, компакНемаловажним достоїнством горизонтального тність службових елементів пристрою дає можлирозміщення акумуляторів з роздільним виводом вість збільшити кількість активного матеріалу полюсних контактів є торцева локалізація останніх. шляхом деякого збільшення розмірів електродів, У батареях великої потужності, призначених для що підвищує питому енергоємність АБ. важких режимів роботи, контакти виводять на торЗа наявними в авторів відомостями запропоцеві площини під болтове кріплення. новані істотні відмінності, які характеризують суть Рознесення контактних виводів на протилежні винаходу, не відомі в даному розділі техніки. торці рулонів приводить до вирівнювання подовжЗапропоноване технічне рішення може бути нього опору електродів і, як наслідок, до рівномірвикористане на підприємствах з виробництва акуного розподілу струму і до підвищення коефіцієнта муляторних батарей, зокрема - свинцевовикористання активної маси (на 10 - 15% у порівкислотних типів. Особливе значення це може мати нянні з аналогами). У тому випадку, якщо контакти у випадку виробництва акумуляторів з великим обох полярностей виходять на один торець рулорозрядним струмом для важких режимів роботи ну, добір струму йде набагато інтенсивніше з вер(для запуску двигунів і живлення електроустаткухівкової частини, а локальні токові перевантаженвання спеціальних машин, які відносяться до груп ня тих самих ділянок, особливо при стартерних 1.10 - 1.11 категорії А ГОСТ В 20.39.304). режимах викликають швидку деградацію електроНа фіг.1, 2, 3 наведено принципову схему потдів, тобто старіння АБ. У той час як усереднення рійного нероз'ємного блоку циліндричних акумуляінтенсивності реакцій потенціалоутворення по торів. площі електродів, сприяє збільшенню кількості Акумулятори 1, отримані рулонною згорткою робочих циклів АБ. Таким чином, організація стру«сендвіча» із двох стрічок, містять спіральний елемовідбору з протилежних торців дає значний кориктрод 2 позитивної полярності й аналогічний елексний ефект. трод 3 негативної полярності, який по всій довжині Один свинцево-кислотний акумулятор здатний прокладений із двох сторін стрічковим матричним створити максимальну ЕРС, рівну 1,92 - 2,15В, сепаратором 4. При згортці негативний електрод тобто, у середньому - 2,0В. Найбільш розповсюукладається поверх позитивного, що потрібно для джена напруга машин, що обслуговуються, дорівстворення найкращих умов для рекомбінації газів. нює 6-ти, 12-ти чи 24-м В. При послідовному з'єдПозитивні електродні вушка 5 виведені на торець нанні в батарею 2-х вольтових акумуляторів з І, а негативні вушка 6 - на торець II кожного акумурізною кратністю складаються необхідні джерела лятора. Розкрій струмовідводів зроблений з переживлення. Але при технічній вимозі мінімізації гамінним кроком вушок. Крок підібраний так, що при баритів АБ, а це особливо актуально для акумулязгортці в рулон вушки утворять прямий ряд уздовж торів рулонного типу, у яких збільшення розряднодіаметра рулону, причому ряди вушків протилежго струму домагаються за рахунок помітного них полярностей у плані перпендикулярні один 7 58170 8 одному. Три таких циліндричних акумулятори стигаючи, він з'єднує усі вушкі, які вже профлюсооб'єднано в один потрійний нероз'ємний блок за вано на стадії виготовлення струмовідводів, як у допомогою контактних шайб 7. Такі ж шайби утвомеханічному, так і в електричному відношенні, рюють торцеві однополярні виводи, у які врізані створюючи стикове кріплення - контактну шайбу 7. контактні штуцера 8. Усі три акумулятори запресоПричому відбувається не механічна сполука за вано в загальний трубчастий корпус 9 з полімернорахунок сил адгезії, а металургійна, за рахунок го матеріалу. сплавки. Ту ж операцію роблять із другим стиком і Стикування акумуляторів здійснюють у такий з крайніми групами вушків (однополярні зони). Піспосіб. Три акумулятори 1 фіксують в оснащенні сля цього виливниці знімають, а отриманий пот(не показана) вертикально з можливістю незалежрійний нероз'ємний блок піддають електрохімічній ного вертикального зсуву і позиціонують, орієнтуобробці (просоченню електролітом і формуванню) ючи ряди вушків, що зсовуються зустрічне, 5 і 6 і поміщають у тубус з поліпропілену. Після обтисхрестоподібно, а також дотримуючи сполучення нення з метою герметизації й урізання контактних полярностей, тому що акумулятори з'єднують у штуцерів 8, акумулятор готовий до використання. послідовний ланцюг з метою підсумовування їхній З описаних потрійних блоків можна збирати батаЕРС. Зазори, що утворилися між акумуляторами, реї будь-якого вольтажу кратного 6В. зменшують доти, поки їхній розмір не стане менше Патентований потрійний нероз'ємний блок подвоєної висоти вушків. При такому зрушенні конструктивно істотно компактніше, ніж аналогічна зустрічні ряди утворять захід, розмір якого некрибатарея, зі стандартною комутацією. Оскільки з тичний, але на практиці досягає третини від висонайбільшим ефектом описані акумулятори прати вушків она заходу, що утворилася, використоцюють у горизонтальному положенні, то АБ з них вується для формування контактної шайби 7. збирають, розташовуючи їх у відведеному обсязі в Шайби в зазорах між позиціонованими акумулятогоризонтальному укладанні, з'єднуючи між собою рами 1 формуються металургійним способом. Для полюсними містками відповідні контактні штуцера. цього в зону заходу встановлюють рознімну вилиУ даному укладанні міжелементних з'єднань значвницю 10 із гребінчастим стиком 11. Глибина вино менше, ніж у прототипі. А їхня геометрична ливниці з невеликим перевищенням дорівнює тоструктура створює додаткові зручності при монтавщині зони заходу. Вона складається з двох жних і ремонтних роботах. половин і має на стику гребінчасті пропили, розмір Описані зміни в конструкції акумуляторів руі частота проходження яких відповідає габаритам лонного типу, а також в укладанні їх у батарею ряду вушків, який вона і затискає при установці. дають можливість збільшити коефіцієнт відношенЛюфт між вушками і щілинами виливниці не переня розрядного струму до номінальної ємності до 6 вищує 0,1мм і рідкий свинець не протікає, утримуі більше за рахунок оптимізації розподілу струму ваний силами поверхневого натягу. Половини напо площі електродів, підвищити безпеку роботи саджують на ряд вушків однієї полярності так, що герметичної АБ за рахунок прискорення процесу ряд іншої полярності упирається в її дно. Потім у рекомбінації газів у міжелектродному просторі, а виливницю заливають свинець (чи його сплав). також підвищити питому енергоємність АБ шляхом Рідкий метал, заповнюючи виливницю до встановзбільшення коефіцієнта використання активної леного рівня, заливає ті кінцеві частини електродів маси електродів і збільшення компактності систепо обидва боки, які виступають у зону заходу. Зами комутації. Комп’ютерна верстка М. Клюкін Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601