Тяговый литий-полимерный ионный аккумулятор

Настоящая полезная модель (литий-полимерный тяговый аккумулятор) относится к области литий-полимерных батарей высокой емкости, которая может быть использована в качестве тяговой аккумуляторной батареи для лодочных электромоторов, а также в качестве источника электропитания для различных мобильных потребителей электроэнергии (автономные осветительные системы, портативная техника, переносные компьютерные устройства и т.д.).

Тяговый литий-полимерный аккумулятор заключен в герметичном прямоугольном пластиковом корпусе с ручкой, обеспечиваются его пыле- и влагозащита. Применение в конструкции аккумулятора термоматериалов обеспечивает его работу без потери энергетической емкости в условиях низких температур (до -20°С). Суммарная энергетическая емкость аккумулятора составляет от 60 А*ч до 120 А*ч при весе от 3 кг до 5 кг. Заявленная полезная модель снабжена внутренними защитами.

1.1 Область техники, к которой относится полезная модель

Настоящая полезная модель относится к области вторичных литиевых батарей, а точнее к литий-полимерным батареям высокой емкости, подходящим для применения в качестве тяговых аккумуляторных батарей для лодочных электромоторов и различных мобильных потребителей электроэнергии.

1.2 Уровень техники

Известно устройство А - литий-полимерный аккумулятор, который по технической сущности является близким аналогом к заявляемой полезной модели, однако его мощности недостаточно для обеспечения длительной работы энергозависимых устройств высокой мощности [патент США 0035141].

Известно устройство В - свинцово-кислотный тяговый аккумулятор, который по совокупности существенных признаков является наиболее близким к заявляемому литий-полимерному тяговому аккумулятору [патент Россия 2373612]. Известный свинцово-кислотный тяговый аккумулятор обладает необходимой для решения поставленной задачи емкостью, однако обладает рядом существенных недостатков: большие масса и габаритные размеры, сложности в эксплуатации, существенная потеря мощности при работе в условиях низких температур (до -20°C), меньшее количество циклов разряда-заряда.

1.3 Раскрытие полезной модели

1.3.1 Сведения раскрывающие сущность полезной модели

1.3.1.1 Сущность полезной модели, как технического решения

Техническим результатом заявленной полезной модели является:

- повышение электрической емкости вторичной литий-полимерной батареи, по сравнению с устройством А;

- улучшение показателей работ аккумулятора в условиях низких температур (до -20°C), по сравнению с устройством В;

- увеличение количества циклов разряда-заряда, по сравнению с устройством В;

- обеспечение пыле- и влагозащиты;

- обеспечение восстановления работоспособности аккумулятора после возникновения короткого замыкания по входу;

- обеспечение защиты аккумулятора от переразряда при разряде батареи;

- обеспечение защиты аккумулятора от высокого напряжения при заряде.

1.3.1.2 Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель

Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является долговременное обеспечение автономным электропитанием различных потребителей электроэнергии в условиях повышенной влажности, при низких температурах (до -20°C) посредством использования относительно легкой по своему весу (до 5 кг) вторичной аккумуляторной батареи.

Данная задача решается за счет того, что в качестве химического источника тока используется литий-полимерный электролит между катодом и анодом, высокая удельная емкость которого позволяет запасать большое количество энергии в легких и малогабаритных ячейках. Соединенные между собой ячейки размещены в нескольких слоях теплоизоляционного материала, что позволяет избежать потери энергетической емкости аккумулятора при использовании полезной модели в условиях низких температур (до -20°C). Заполнение полостей корпуса герметичным материалом низкой плотности позволяет обеспечить пыле- и влагозащиту тягового литий-полимерного аккумулятор, а также снизить его среднюю плотность до значений, не превышающих значений плотности воды. Это решение позволяет ему оставаться на поверхности воды. Благодаря выбору литий-полимерного электролита заявленная полезная модель обладает меньшим весом, чем схожие с ней по емкости аналоги, в которых в качестве электролита используются свинцово-кислотные, никель-кадмиевые или металлогидридные источники тока.

Заявленная полезная модель обеспечивает заявленный технический результат: она представляет собой перезаряжаемую литий-полимерную батарею высокой емкости весом до 5 кг, обеспечены ее пыле- и влагозащиты, она обладает улучшенными показателями работы в условиях низких температур (до -20°C) и встроенными защитами.

Таким образом, заявленная полезная модель решает поставленную задачу и может быть использована в качестве аккумуляторной батареи относительно малого веса в сложных метеоусловиях и в качестве источника электропитания для переносных потребителей электроэнергии.

1.3.2 Признаки, используемые для характеристики полезной модели

Технические признаки полезной модели:

- Последовательное и параллельное соединение ячеек обеспечивает емкость от 60 А*ч до 120 А*ч.

- Удельная емкость химического источника тока и низкоплотные материалы обеспечивают возможность размещения заявленной емкости в весе от 3 кг до 5 кг.

- Теплоизоляция ячеек обеспечивает работу аккумуляторной батареи в условиях низких температур (до -20°C) без потери энергоемкости.

- Однородный и герметичный конструктив корпуса обеспечивает пыле- и влагозащиту заявленной полезной модели.

- Электрическая схема обеспечивает встроенные защиты.

1.4 Краткое описание чертежей

Фигура 1 представляет схему устройства заявленной полезной модели. Номер 2 обозначает герметичный материал низкой плотности, которым заполнен корпус (обозначен номером 1) тягового литий-полимерного аккумулятора, литий-полимерные источники тока (обозначены номером 4) расположены в нескольких слоях теплоизоляционного материала (обозначен номером 5). Заявленная полезная модель снабжена схемой внутренних защит (обозначены номером 3), расположенных внутри корпуса, обеспечивающих защиту заявленной полезной модели от короткого замыкания по входу, по среднему току разряда, от высокого напряжения (более 16,8 В) при заряде и низкого напряжения (менее 11,2 В) при разряде.

1.5 Осуществление полезной модели

Вторичные литиевые батареи коммерчески доступны более 15 лет. Преимущества литиевых батарей по сравнению с кислотно-свинцовыми, заключаются в высокой плотности энергии на единицу объема и единицу веса, большем количестве рабочих циклов. Так как литиевые батареи, как правило, имеют небольшие габариты и вес, именно их используют в качестве аккумуляторов для портативных электрических приборов. Недостатком литиевых батарей является их высокая стоимость по сравнению с альтернативными химическими источниками автономной энергии (свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, металлогидридные аккумуляторы), однако этот недостаток компенсируется уникальными показателями удельной емкости, которые превышают аналогичные показатели альтернативных аналогов.

Наиболее часто используемыми батареями являются литий-ионные, которые содержат жидкий электролит, а также литий-полимерные, которые содержат гелеобразный электролит. Различия в составе и плотности электролитов обуславливают преимущества литий-полимерных аккумуляторов над литий-ионными: литий-полимерные аккумуляторы могут принимать более разнообразные формы (для работоспособности литий-ионных аккумуляторов необходимо поддерживать непрерывное давление внутри корпуса, для предотвращения распада жидкого электролита, что накладывает ограничения на форму и материалы внешних кожухов), вероятность вытекания электролита у них ниже, а показатели работоспособности при низких температурах выше.

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, как правило, исполняются в вариантах относительно небольшой (обычно до 20 А*ч для 12 В потребителя) энергетической емкости из-за их дороговизны и применяются в устройствах, где небольшой размер аккумулятора имеет важное значение.

Для задач, решение которых предполагает использование аккумуляторов большой емкости, используются, как правило, свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, металлогидридные аккумуляторы, однако они обладают низкими (относительно литий-полимерных и литий-ионных) показателями удельной энергетической емкости, что обуславливает их большие габариты и вес.

Для создания тягового литий-полимерного аккумулятора, заявленного в качестве полезной модели, используются перезаряжаемые литий-полимерные ячейки, напряжение единичного элемента которых составляет 3,7 В. Разность потенциалов, обеспечивающая необходимое выходное электрическое напряжение, достигается последовательным соединением необходимого количества ячеек, а достижение необходимого уровня емкости достигается путем их параллельного соединения. Соединения проводятся посредством токоведущих шин. Таким образом, суммарная емкость представленной полезной модели варьируется от 60 А*ч до 120 А*ч. Каждая ячейка имеет кожух и электрическую схему защиты от короткого замыкания по входу, от высокого напряжения (более 16,8 В) при заряде и низкого напряжения (менее 11,2 В) при разряде, а также по среднему току разряда.

Из-за невозможности литий-полимерного электролита отдавать большие токи заявленная полезная модель может использоваться в качестве тягового, но не стартерного аккумулятора.

Ячейки размещены в нескольких слоях теплоизоляционного материала, за счет чего не происходит потери энергетической емкости аккумулятора при его использовании в условиях низких температур (до -20°C).

Ячейки в обмотке теплоизоляционного материала помещены в пластиковый корпус с ручкой, габаритами 260×110×200 мм.

Внутреннее пространство корпуса заполнено герметичным материалом низкой плотности, что позволяет обеспечить пыле- и влагозащиту соединенных между собой и обмотанных термоизоляционным материалом ячеек, а также снизить среднюю плотность заявленной полезной модели до значений, не превышающих значений плотности воды. Описанное выше решение позволяет аккумулятору оставаться на поверхности, в случае попадания в воду. А схема защиты от короткого замыкания предотвращает повреждения аккумуляторной батареи в этом случае.

Общий вес конечного изделия варьируется от 3 кг до 5 кг (в зависимости от емкости и выбора тех или иных теплоизоляционных материалов для теплоизоляции ячеек и герметичных материалов для обеспечения пыле- и влагозащиты).

Проведенные испытания показывают, что аккумулятор емкостью 60 А*ч обеспечивает в течение 5 часов потребителя 12 В с нагрузкой 10 А*ч при температуре -20°C.

Проведенные испытания показывают, что аккумулятор емкостью 90 А*ч обеспечивает в течение 8 часов потребителя 12 В с нагрузкой 10 А*ч при температуре -20°C.

Протоколы испытаний подтверждают возможность практической реализации заявленной полезной модели с достижением заявленного технического результата.

1. Тяговый литий-полимерный аккумулятор, включающий герметичный корпус с установленными в нем литий-полимерными перезаряжаемыми источниками тока, электрически связанными между собой последовательно и параллельно посредством токоведущих шин.

2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что его суммарная энергетическая емкость варьируется от 60 А·ч до 120 А·ч.

3. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что размещен в герметичном пластиковом корпусе с ручкой габаритами 260×110×200 мм.

4. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что общий вес аккумулятора составляет от 3 кг до 5 кг.

5. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что внутренняя полость корпуса заполнена герметичным материалом низкой плотности.

6. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что литий-полимерные источники тока размещены в нескольких слоях теплоизоляционного материала.

7. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что снабжен внутренней защитой от короткого замыкания по входу.

8. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что снабжен внутренней защитой по среднему току разряда.

9. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что снабжен внутренней защитой от высокого напряжения (более 16,8 В) при заряде.

10. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что снабжен внутренней защитой от низкого напряжения (менее 11,2 В) при разряде.