RU210595U1

RU210595U1 - Electric storage battery

Info

Publication number: RU210595U1
Application number: RU2021135838U
Authority: RU
Inventors: Николай Джемалович Кикнадзе
Original assignee: Николай Джемалович Кикнадзе
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использована в автономных системах электроснабжения транспортного средства, в частности в железнодорожном транспорте. Электрическая аккумуляторная батарея включает корпус, внутри которого расположен блок последовательно соединенных модулей аккумуляторов. Согласно полезной модели в качестве модулей аккумуляторов используют натрий-ионные батареи. Внутри корпуса в последовательный контур соединения модулей натрий-ионных батарей между катодом и анодом включен блок разряда с возможностью включения-отключения от датчика температуры. Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции. 2 ил.The utility model relates to the electrical industry and can be used in autonomous vehicle power supply systems, in particular in railway transport. The electric battery includes a housing, inside which is located a block of series-connected battery modules. According to the utility model, sodium-ion batteries are used as battery modules. Inside the case, in a serial circuit for connecting sodium-ion battery modules between the cathode and the anode, a discharge unit is included with the ability to switch on / off from the temperature sensor. The technical result of the utility model is to simplify the design. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к электротехнической промышленности и может быть использована в автономных системах электроснабжения транспортного средства, в частности в железнодорожном транспорте.The utility model relates to the electrical industry and can be used in autonomous vehicle power supply systems, in particular in railway transport.

Жизнь современного общества невозможно представить без использования химического источника тока. Они нашли широчайшее применение как автономные источники электроэнергии для питания всевозможной электронной аппаратуры, компьютеров, радиотелефонов, часов и многого другого. Они незаменимы на транспорте, в автомобилях, в промышленности, в космических аппаратах, в военной технике и во многих других областях.The life of modern society cannot be imagined without the use of a chemical current source. They have found the widest application as autonomous sources of electricity for powering all kinds of electronic equipment, computers, radiotelephones, watches and much more. They are indispensable in transport, cars, industry, spacecraft, military equipment and many other areas.

На железнодорожном транспорте аккумуляторные батареи предназначены для питания низковольтных цепей управления, защит, сигнализации, дежурного освещения при неработающих генераторах управления или неработающем блоке питания. В случае выхода из строя генератора управления в пути или подготовке локомотива к эксплуатации аккумуляторная батарея служит резервным источником питания.In railway transport, batteries are designed to power low-voltage control circuits, protection, signaling, emergency lighting when the control generators or the power supply are not working. In the event of a failure of the control generator on the way or the preparation of the locomotive for operation, the battery serves as a backup power source.

В условиях эксплуатации на железнодорожном транспорте аккумуляторным батареям присущ общий недостаток, который проявляется в существенном уменьшении емкости при низких наружных температурах. Разработка надежных и экономичных автономных источников питания электроустановок, в том числе и для подвижного состава, всегда является актуальной задачей. Under operating conditions in railway transport, batteries have a common drawback, which manifests itself in a significant decrease in capacity at low outside temperatures. The development of reliable and economical autonomous power sources for electrical installations, including those for rolling stock, is always an urgent task.

Известна аккумуляторная батарея (RU 2549831, кл. Н01М 10/00, 2015 г), состоящая из n аккумуляторов, соединенных последовательно, и теплопередающих устройств типа «тепловая труба». В центральные области электродных блоков аккумуляторов встроена испарительная часть теплопередающих устройств, а конденсаторные части теплопередающих устройств находятся в тепловом контакте с корпусом аккумуляторов.A battery is known (RU 2549831, class H01M 10/00, 2015), consisting of n batteries connected in series, and heat transfer devices of the "heat pipe" type. The evaporative part of the heat transfer devices is built into the central regions of the electrode blocks of the batteries, and the condenser parts of the heat transfer devices are in thermal contact with the battery case.

Наличие испарительной и конденсирующей зоны в условиях эксплуатации аккумуляторов в температурном режиме от -40°С до +40°С значительно увеличивает массогабаритные размеры батареи, что неприемлемо в условиях ее размещения в вагонах.The presence of an evaporative and condensing zone in the operating conditions of batteries in the temperature range from -40°C to +40°C significantly increases the weight and size dimensions of the battery, which is unacceptable in terms of its placement in cars.

Прототипом полезной модели является батарея химических источников тока (RU 132620, кл. H01M 10/44, H01M 10/46, 2013 г.), содержащая множество установленных в корпус единичных химических источников тока или модулей из нескольких единичных химических источников тока, соединенных в единую электрическую цепь, имеющую клеммы для подключения внешних устройств, нагревательные элементы, по крайней мере один термодатчик, блок управления с коммутатором, осуществляющим подключение или отключение нагревательных элементов к внешнему источнику электропитания. В качестве единичных химических источников тока используют батареи из 4-х призматических литий-ионных аккумуляторов или из 4-х призматических воздушно-магниевых источников тока с солевым электролитом. Блок управления с помощью коммутатора осуществляет подключение или отключение нагревательных элементов к электрической цепи из единичных химических источников тока или модулей из нескольких единичных химических источников тока. В зависимости от измеряемой термодатчиком температуры нагревательные элементы соединяются между собой по последовательной, параллельной, параллельно-последовательной или последовательно-параллельной схеме. Нагревательные элементы выполнены на базе углеродных волокнистых материалов и установлены между единичными химическими источниками тока или модулями из нескольких единичных химических источников тока. Корпус имеет дополнительный слой из теплоизоляционного материала. Блок управления имеет, по крайней мере, один микроконтроллер.The prototype of the utility model is a battery of chemical current sources (RU 132620, class H01M 10/44, H01M 10/46, 2013), containing a plurality of single chemical current sources installed in the housing or modules from several single chemical current sources connected into a single an electrical circuit with terminals for connecting external devices, heating elements, at least one temperature sensor, a control unit with a switch that connects or disconnects the heating elements to an external power source. Batteries from 4 prismatic lithium-ion batteries or from 4 prismatic air-magnesium current sources with salt electrolyte are used as single chemical current sources. The control unit, using a switch, connects or disconnects the heating elements to the electrical circuit from single chemical current sources or modules from several single chemical current sources. Depending on the temperature measured by the temperature sensor, the heating elements are interconnected in series, parallel, parallel-serial or series-parallel circuit. The heating elements are made on the basis of carbon fiber materials and are installed between single chemical current sources or modules from several single chemical current sources. The case has an additional layer of heat-insulating material. The control unit has at least one microcontroller.

Недостатком известной батареи химических источников тока является невозможность их использования на железнодорожном транспорте, в том числе при эксплуатации аккумуляторной батареи в качестве резервного источника питания, т.к. эксплуатация таких батарей должна быть в суровых климатических условия, в том числе, с пониженной температурой ниже -40°С. Для использования известной батареи потребуется сложная конструкция из-за необходимости увеличения числа химических источников, и дополнительного оборудования для обеспечения необходимых условий эксплуатации. Например, теплоизоляционный слой требует дополнительных трудозатрат при монтаже-демонтаже, когда утепление корпуса не требуется, из-за положительных температур окружающей среды, что также усложняет как конструкцию, так и ее эксплуатацию.The disadvantage of the known battery of chemical current sources is the impossibility of their use in railway transport, including the operation of the battery as a backup power source, because. the operation of such batteries must be in harsh climatic conditions, including those with a low temperature below -40 ° C. To use the known battery will require a complex design due to the need to increase the number of chemical sources, and additional equipment to provide the necessary operating conditions. For example, a heat-insulating layer requires additional labor during installation and dismantling, when the body insulation is not required, due to positive ambient temperatures, which also complicates both the design and its operation.

Проблемой, на которую направлена полезная модель, является разработка электрической аккумуляторной батарее, с возможностью ее использования на железнодорожном транспорте, в том числе в зимний период с сохранением высокой номинальной емкости, более 2 часов, при высоких токах разряда, с количества циклов полной зарядки-разрядки до 1200-1500.The problem to which the utility model is directed is the development of an electric storage battery with the possibility of its use in railway transport, including in winter, while maintaining a high nominal capacity, more than 2 hours, at high discharge currents, from the number of full charge-discharge cycles up to 1200-1500.

Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции. The technical result of the utility model is to simplify the design.

Технический результат достигается за счет того, что электрическая аккумуляторная батарея включает корпус, внутри которого расположен блок последовательно соединенных модулей аккумуляторов, в последовательный контур соединения модулей между катодом и анодом включен блок разряда, выполненный в виде нагревательного элемента, с возможностью включения-отключения от датчика температуры. Согласно полезной модели, модуль аккумуляторов выполнен на основе натрий-ионных батарей, при этом корпус снабжен съемным теплозащитным кожухом, а натрий-ионные батареи между собой соединены шпилечным соединением.The technical result is achieved due to the fact that the electric storage battery includes a housing, inside of which there is a block of series-connected battery modules, a discharge unit made in the form of a heating element is included in the serial circuit for connecting the modules between the cathode and the anode, with the ability to switch on / off from the temperature sensor . According to the utility model, the battery module is made on the basis of sodium-ion batteries, while the housing is provided with a removable heat-shielding casing, and the sodium-ion batteries are interconnected by a pin connection.

Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами, где на фиг. 1 - представлена конструкция электрической аккумуляторной батареи; на фиг. 2 - электрическая аккумуляторная батарея в разрезе.The utility model is illustrated in the following drawings, where in FIG. 1 - the design of an electric storage battery is presented; in fig. 2 - electric storage battery in section.

Электрическая аккумуляторная батарея включает корпус 1, внутри которого расположен контур из последовательно соединенных с помощью шпилечного соединения 2 модулей 3 натрий-ионных батарей. Шпилечное соединение 2 облегчает процесс сборки аккумуляторной батареи, а, следовательно, упрощает всю конструкцию в целом. Между катодом 4 и анодом 5 контура включен блок 6 разряда в виде, например, нагревательного элемента, включающего спираль 7. В корпусе 1 установлен датчик 8 температуры, который обеспечивает включение-отключение блока 6 разряда с помощью контакта 9 переключения. На корпусе 1 сверху установлен съемный теплозащитный кожух 10, значительно упрощающий конструкцию при эксплуатации во время монтажа - демонтажа при переходе с зимнего на летнее время и обратно.The electric battery includes a housing 1, inside of which there is a circuit of sodium-ion battery modules 3 connected in series with a pin connection 2. The pin connection 2 facilitates the process of assembling the battery, and, therefore, simplifies the entire structure as a whole. Between the cathode 4 and the anode 5 of the circuit, a discharge unit 6 is included in the form, for example, of a heating element that includes a spiral 7. A temperature sensor 8 is installed in the housing 1, which provides switching on/off of the discharge unit 6 using the switching contact 9. On the body 1, a removable heat-shielding casing 10 is installed on top, which greatly simplifies the design during operation during installation - dismantling during the transition from winter to summer time and vice versa.

Электрическая аккумуляторная батарея работает следующим образом.Electric storage battery works as follows.

Натрий-ионная батарея сохраняет высокую номинальную емкость при высоких токах разряда, так при емкости модуля 40 кВт и при токе разряда 170А электрическая батарея может обеспечивать потребителей током более 2 часов, что достаточно для резервного источника питания, используемого на железнодорожном транспорте. Батарея сохраняет высокую номинальную емкость при умеренно низких температурах, а также сохраняет работоспособность при длительном хранении в условиях полного разряда. Такие характеристики аккумуляторных батарей предпочтительны для их использования на железнодорожном транспорте. Использование натрий-ионных батарей в качестве модулей электрической батареи объясняется также тем, что у них количество циклов полной зарядки-разрядки составляет 1200-1500.The sodium-ion battery maintains a high nominal capacity at high discharge currents, so with a module capacity of 40 kW and a discharge current of 170A, the electric battery can provide consumers with current for more than 2 hours, which is enough for a backup power source used in railway transport. The battery maintains a high nominal capacity at moderately low temperatures, and also retains its performance during long-term storage under full discharge conditions. Such characteristics of batteries are preferred for their use in railway transport. The use of sodium-ion batteries as electric battery modules is also explained by the fact that they have 1200-1500 full charge-discharge cycles.

Учитывая, что при отрицательных температурах ниже минус 20°С работоспособность аккумуляторных батарей на базе натрий-ионные батарей снижается, на корпус 1 устанавливают съемный теплозащитный кожух 10, который в летний период времени снимают. Теплозащитный кожух 10 позволяет сохранять температуру внутри аккумуляторной батареи в течение длительного времени. В период зарядки-разрядки модулей 3 натрий-ионных батарей температурный режим обеспечивается за счет внутреннего сопротивления модулей 3. Во внутреннем пространстве корпуса 1 электрической аккумуляторной батареи выделяется тепло, заведомо превышающее потери тепла, возникающие даже при температуре окружающей среды менее -40°С. Таким образом, в рабочих режимах обеспечиваются условия, при которых температура натрий - ионных модулей 3 не опускается ниже -20°С.Given that at negative temperatures below minus 20°C, the performance of rechargeable batteries based on sodium-ion batteries decreases, a removable heat-shielding casing 10 is installed on the housing 1, which is removed in the summer. The heat shield 10 makes it possible to maintain the temperature inside the battery for a long time. During the charging-discharging period of the modules 3 of sodium-ion batteries, the temperature regime is ensured by the internal resistance of the modules 3. In the internal space of the body 1 of the electric storage battery, heat is generated, obviously exceeding the heat loss that occurs even at an ambient temperature of less than -40°C. Thus, in operating modes, conditions are provided under which the temperature of the sodium - ion modules 3 does not fall below -20°C.

В случае длительного простоя электрической аккумуляторной батареи при низких температурах, тепловой режим обеспечивается за счет включения блока 6 разряда. Датчик 8 температуры, расположенный внутри корпуса 1, при температуре минус 20°С замыкает контакты 9 переключения, и включается блок 6 разряда, снабженный спиралью 7. За счет тепловыделения при прохождении тока через спираль 7 обеспечивается выделение тепла, компенсирующего тепловые потери через стенки корпуса 1. При достижении в режиме саморазряда температуры -15°С, датчик 8 температуры размыкает контакты 9 переключения, и режим саморазряда аккумуляторной батареи прекращается. Саморазряд батареи обеспечивается тем, что она работает в режиме неполного разряда, т.е. даже полностью исчерпавшая номинальную емкость батарея сохраняет не менее 30% первоначальной емкости. Запаса мощности достаточно, чтобы при разряде обеспечить температурный режим не менее -20°С в течение более 10 суток. In the event of a long idle time of the electric storage battery at low temperatures, the thermal regime is ensured by turning on the 6th discharge unit. The temperature sensor 8, located inside the housing 1, closes the switching contacts 9 at a temperature of minus 20 ° C, and the discharge unit 6, equipped with a spiral 7, is turned on. When the temperature reaches -15°C in the self-discharge mode, the temperature sensor 8 opens the switching contacts 9, and the battery self-discharge mode stops. Self-discharge of the battery is ensured by the fact that it operates in the partial discharge mode, i.e. even a battery that has completely exhausted its nominal capacity retains at least 30% of its original capacity. The power reserve is sufficient to ensure a temperature regime of at least -20 ° C during the discharge for more than 10 days.

В настоящее время электрическая аккумуляторная батарея находится на стадии технического предложения.The electric storage battery is currently at the technical proposal stage.

Claims

Electric storage battery, including a housing, inside of which there is a block of series-connected battery modules, in the serial circuit for connecting the modules between the cathode and the anode, a discharge unit is included, made in the form of a heating element, with the ability to switch on / off from the temperature sensor, characterized in that the battery module is made on the basis of sodium-ion batteries, while the case is equipped with a removable heat-shielding casing, and sodium-ion batteries are interconnected by a pin connection.