АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ

Изобретение относится к области вторичных, перезаряжаемых источников питания, в частности к аккумуляторным устройствам, и может найти применение в портативных системах передачи информации для питания портативных приемопередающих устройств с большим временным интервалом непрерывной работы от одной аккумуляторной батареи.

Известны аккумуляторные батареи для портативных радиостанций (приемопередающих устройств) фирмы «Harris Falcon». Аккумуляторная батарея содержит неразъемный корпус, выполненный в форме прямоугольного параллелепипеда (сведения доступны в сети Интернет: http://www.prc68.com/I/PRC152.html). На верхнем торце корпуса батареи расположена крышка, которая приклеена к корпусу. На крышке установлены две металлические контактные площадки, которые дополнительно выполняют роль средства крепления батареи к радиостанции. Под крышкой в полости корпуса батареи радиостанций Harris Falcon размещены шесть литий-ионных аккумуляторов, соединенных в батарею шинами из электропроводного материала. Сверху на них установлен модуль защиты с двумя контактными гнездами и переключателями. Аккумуляторная батарея для портативной радиостанции фирмы «Harris Falcon» является достаточно мощной и стабильной в работе, однако крепление батареи к торцу радиостанции значительно увеличивает общие продольные габариты приемопередающего устройства, а неразъемный корпус батареи является неремонтопригодным. Кроме того, фиксация батареи на корпусе радиостанции является недостаточно жесткой и не предотвращает взаимное смещение сопряженных устройств от действия деформации кручения.

Наряду с радиостанциями «Harris Falcon» на рынке представлены портативные радиостанции другого типа, съемные аккумуляторные батареи которых имеют фигурную форму и устанавливаются не только на торец, но и на заднюю панель радиостанции путем ступенчатого сочленения батареи с приемопередатчиком с закреплением на двух взаимно перпендикулярных поверхностях корпуса приемопередатчика. Это, например, компактные портативные радиостанции Baofeng UV-5R, «Motorola» и другие, однако характеристики надежности крепления аккумуляторных батарей указанных приемопередающих устройств не соответствуют параметрам заявляемого изделия.

Из уровня техники известно ступенчатое соединение съемной аккумуляторной батареи с корпусом приемопередающего устройства, раскрытое в заявке на патент Японии JPS 60160733, МПК H04B 1/38, опубликованной 22.08.1985. В указанном техническом решении ступенчатое соединение аккумуляторной батареи с корпусом приемопередающего устройства выполнено с целью миниатюризации изделия в целом, включая перенос некоторых элементов приемопередатчика на корпус батареи, что усложняет конструкцию аккумуляторной батареи и снижает ее надежность.

Из описания заявки на патент США US 2010330935, МПК H04B 1/38, опубликованной 30.12.2010, известна конструкция аккумуляторной батареи, в которой электрическое соединение батареи с приемопередающим устройством выполнено путем размещения контактного выступа на верхнем торце корпуса батареи. Однако фиксация батареи в продольном направлении на корпусе приемопередатчика является недостаточно надежной.

Из уровня техники известно выполнение батареи с разъемным корпусом. Например, в описании заявки на патент США US 2009061301, МПК Н01М 2/14, опубликованной 05.03.2009, раскрыта конструкция батареи для питания электронных устройств, которая предусматривает выполнение корпуса разъемным со съемной крышкой. Такая конструкция повышает надежность батареи, поскольку позволяет заменить один или несколько элементов питания, вышедших из строя. Однако данное изделие не предназначено для сопряжения с приемопередатчиком.

Из описания к патенту РФ RU 2513989, МПК H01M 2/00, опубликованного 27.04.2014, известна ударопрочная конструкция корпуса аккумуляторной батареи для электроинструмента, которая предусматривает размещение между держателем элементов батареи и корпусом батареи амортизирующего устройства, способного предотвращать непосредственное соприкосновение держателя элементов батареи и самих элементов батареи с внутренней поверхностью корпуса. Однако данное устройство не защищает контактные элементы батареи.

Отметим, что для повышения надежности аккумуляторных батарей известно использование в их конструкции встроенных защитных модулей. Так, в описании к патенту РФ RU 2325006, МПК H01M 10/42, опубликованному 20.05.2008, раскрыто устройство безопасности для батареи с защитой от возгорания, а в патенте РФ RU 124983, МПК H01M 10/00, опубликованном 20.02.2013, описано устройство защиты батареи от пиковых нагрузок по току, выполненное с использованием датчика тока. Функции и состав защитных модулей выбираются в соответствии с рисками, преобладающими в условиях эксплуатации изделия, от которых необходимо осуществить защиту.

Из описания и реферата патента США US 5752205, МПК H04B 1/38, опубликованного 12.05.1998, известна конструкция портативной радиостанции, которая адаптируется под различные виды аккумуляторных устройств. Аккумуляторная батарея, обозначенная в описании патента позицией 406 (фиг. 4), имеет ступенчатую форму и закрепляется на задней стенке приемопередатчика и на нижнем торце. Данное устройство является наиболее близким аналогом заявленного изобретения. Указанная аккумуляторная батарея содержит цельный корпус в виде прямоугольного параллелепипеда ступенчатой формы с плоской частью и с выступающей частью. В корпусе аккумуляторной батареи размещены перезаряжаемые элементы питания, соединенные с тремя контактами, расположенными на упомянутой ступени корпуса аккумуляторной батареи. Кроме того, корпус аккумуляторной батареи снабжен защелками и продольными средствами крепления для закрепления аккумуляторной батареи на приемопередатчике. Более конкретно, на сопрягаемой части боковой поверхности корпуса батареи выполнены продольные выступы (щеколды), соответствующие по размеру направляющим пазам на корпусе приемопередатчика и предназначенные для сочленения батареи с корпусом приемопередатчика. Батарея при ее установке скользит по направляющим до упора ступени батареи в нижний торец корпуса приемопередатчика.

Выбранный наиболее близкий аналог настоящего изобретения не обеспечивает требуемого уровня эксплуатационной надежности по параметрам бесперебойного питания в тяжелых условиях эксплуатации.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи по разработке конструкции перезаряжаемой аккумуляторной батареи для питания портативного приемопередающего устройства с большим временным интервалом непрерывной работы приемопередатчика от одной аккумуляторной батареи, составляющим не менее 12 часов. В условиях эксплуатации одна аккумуляторная батарея должна обеспечить ток потребления приемопередатчика в режимах «передача», «прием», «дежурный прием» на уровне до соответственно 6,5 А, 1,3 А, 0,33 А при соотношении длительности режимов передача / прием / дежурный прием, соответствующем 1:1:9.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности аккумуляторной батареи за счет обеспечения бесперебойного питания и надежного электрического контакта путем жесткой механической фиксации аккумуляторной батареи на приемопередатчике (потребителе) с обеспечением возможности эксплуатации в широком диапазоне температур, в том числе в агрессивных средах и при механических нагрузках на узел соединения.

Для решения поставленной задачи заявлена аккумуляторная батарея для питания портативного приемопередатчика, содержащая корпус ступенчатой формы, в котором размещены перезаряжаемые элементы питания, соединенные с контактами, размещенными на корпусе аккумуляторной батареи. Корпус аккумуляторной батареи снабжен средствами крепления к приемопередатчику, выполнен разъемным и снабжен крышкой ступенчатой формы, содержащей плоскую часть, обращенную к задней стенке приемопередатчика, и выступающую часть в виде ступени. На плоской части крышки в качестве средства крепления размещен фиксатор, выполненный в виде металлической подпружиненной защелки, сопряженной с элементом управления, установленным на верхней поперечной грани поверхности ступени, обращенной к торцу приемопередатчика. На боковых гранях плоской части крышки выполнены продольные выступы, обеспечивающие скользящую стыковку батареи с приемопередатчиком. Контакты размещены на верхней торцевой поверхности корпуса аккумуляторной батареи и установлены на контактном модуле. Контакты выполнены гнездовыми в виде металлических площадок с вырезом в центральной части и отходящими от выреза радиальными прорезями с образованием упругих лепестков, загнутых внутрь выреза с возможностью обхвата ответного контакта приемопередающего устройства.

В предпочтительном варианте исполнения аккумуляторная батарея содержит на верхней торцевой поверхности корпуса три контакта - положительный, отрицательный и управляющий, - размещенные на контактном модуле.

Упомянутые контакты могут быть выполнены из сплава на основе меди, преимущественно из бериллиевой бронзы. Предпочтительно, контактный модуль выполнен в виде монтажной платы, дополнительно снабженной модулем контроля и модулем защиты. Кроме того, является предпочтительным, если контактный модуль выполнен с накладкой в виде демпфирующей пластины из уплотнительного материала, установленной на нем и смягчающей стыковку батареи с сопрягаемыми устройствами - приемопередатчиком или зарядным устройством.

Съемная крышка аккумуляторной батареи может быть установлена на ее корпусе при помощи крепежных элементов, предпочтительно винтов, выполненных из нержавеющей стали либо из легированной стали с защитным антикоррозионным покрытием.

Фиксатор может быть выполнен в виде металлической подпружиненной защелки с шипом, выступающим под отрицательным углом к ответной фиксирующей поверхности.

Предпочтительно, фиксатор выполнен из пружинной стали марки 65Г с твердостью 440-490 ед. по шкале Виккерса для обеспечения заданной жесткости сопряжения с корпусом приемопередатчика.

Заявленная аккумуляторная батарея выполнена с возможностью сопряжения с зарядным устройством. Соединение батареи с зарядным устройством происходит с использованием тех же контактов и средств крепления, которые используются при соединении с приемопередатчиком.

Корпус аккумуляторной батареи может быть выполнен со скругленными продольными ребрами, что позволяет в процессе эксплуатации удобно держать приемопередатчик в руке, причем дополнительно на боковых поверхностях корпуса аккумуляторной батареи выполнены вертикальные выступы, чередующиеся с углублениями, обеспечивающие удобство захвата корпуса батареи пальцами, когда ее извлекают из зарядного устройства или устанавливают на приемопередатчик.

В одном из вариантов исполнения корпус аккумуляторной батареи выполнен металлическим, предпочтительно из сплавов на основе алюминия, и снаружи покрыт маслобензостойким лакокрасочным покрытием, пригодным для эксплуатации в агрессивных средах в диапазоне температур от -30°C до +55°C, а изнутри покрыт изолирующим антикоррозионным покрытием.

Далее изобретение подробно раскрывается со ссылками на фигуры, иллюстрирующие некоторые возможные варианты исполнения аккумуляторной батареи (далее также «батарея»).

На фиг. 1 представлена 3D-модель аккумуляторной батареи.

На фиг. 2 аккумуляторная батарея показана в разобранном виде.

На фиг. 3 представлен профиль стального фиксатора.

На фиг. 4 представлено поперечное сечение и вид сверху на контакт.

На фиг. 5 представлена схема защиты аккумуляторной батареи.

Как показано на фиг. 1, корпус 1 аккумуляторной батареи представляет собой по существу прямоугольный параллелепипед со скругленными переходами между боковыми поверхностями корпуса и задней, передней и нижней торцевой поверхностями. На упомянутых боковых поверхностях выполнены вертикальные выступы 15, чередующиеся с углублениями, обеспечивающие удобство захвата корпуса батареи пальцами при манипуляциях с батареей для сопряжения с приемопередатчиком и при установке на подзарядку. Верхняя поверхность корпуса 1 аккумуляторной батареи представляет собой съемную крышку 2 ступенчатой формы, установленную на винтах 9. Боковые ребра на плоской части крышки 2 снабжены продольными направляющими выступами 10, обеспечивающими стыковку заявленной батареи с потребителем - приемопередатчиком или зарядным устройством. Конструкция продольных направляющих выступов 10 обеспечивает надежную центровку контактов аккумуляторной батареи относительно ответных контактов потребителя, что повышает надежность функционирования заявленного устройства (бесперебойность питания, непрерывность электрического соединения).

На фиг. 2 конструктивные элементы заявленного устройства показаны более детально в разобранном состоянии изделия. Аккумуляторная батарея состоит из следующих конструктивных элементов:

1 - корпус;

2 - крышка;

3 - элемент питания;

4 - контактный модуль со средствами защиты;

5 - контакт;

6 - демпфирующая пластина;

7 - элемент управления фиксатором в виде кнопки;

8 - фиксатор;

9 - крепежные элементы (винты).

На плоской поверхности крышки 2 батареи, обращенной при соединении с потребителем к приемопередатчику или зарядному устройству (не показаны), расположен металлический фиксатор 8 в виде подпружиненной защелки, обеспечивающий фиксацию батареи на корпусе приемопередатчика или зарядного устройства. Фиксатор 8 выполнен, предпочтительно, в виде фигурной полоски из пружинной стали, например марки 65Г, с шипом 11, выступающим под отрицательным углом к ответной фиксирующей поверхности. Профиль фиксатора 8 показан на фиг. 3. При изготовлении фиксатор 8 подвергается штамповке и термической обработке до твердости 440-490 ед. по шкале Виккерса для придания нужной жесткости данному элементу соединения.

На верхней торцевой поверхности батареи, показанной на фиг. 1, на плате контактного модуля расположены три подпружиненных контакта 5, ответных к ловителям (стержневым контактам) приемопередатчика и зарядного устройства. Каждый контакт 5 выполнен в виде пластины 12 овальной формы, как показано на фиг. 4. Контакт 5 выполняют из материала с высокой электропроводностью и износостойкостью, предпочтительно из бериллиевой бронзы. Пластина 12 снабжена по центру вырезом 13 и подпружиненными лепестками 14, загнутыми на концах внутрь центрального выреза 13. Конструкция контактного модуля 4 позволяет обеспечить надежный непрерывный электрический контакт аккумуляторной батареи с потребителем путем обхвата по окружности подпружиненными лепестками 14 ответного стержневого контакта приемопередатчика или зарядного устройства. В вариантах исполнения аккумуляторной батареи возможно выполнение контактов 5 из других металлов и сплавов, известных специалисту в данной области техники.

На контактном модуле 4 дополнительно расположена демпфирующая пластина 6, выполненная из уплотнительного материала и смягчающая стыковку батареи с сопрягаемыми устройствами. Ступень крышки 2 на верней грани со стороны, обращенной к торцу приемопередатчика, оснащена элементом управления в виде подвижной кнопки 7, механически соединенной с подпружиненным фиксатором 8. Как показано на фиг. 1, элемент управления в виде кнопки 7 служит для освобождения фиксатора 8 и расстыковки аккумуляторной батареи с потребителем.

Снаружи металлический корпус 1 аккумуляторной батареи покрыт маслобензостойким лакокрасочным покрытием, обеспечивающим хорошие эксплуатационные характеристики в агрессивных средах, при низких (до -30°C) и высоких (до +55°C) температурах окружающей среды. Изнутри корпус 1 покрыт защитным изолирующим коррозионно-стойким покрытием.

Крепежные элементы - винты 9 - выполнены из нержавеющей стали либо из легированных сталей с применением гальванических покрытий, что позволяет эксплуатировать аккумуляторную батарею в условиях агрессивных сред (в том числе в солевом тумане), повышенной влажности, высоких температур окружающей среды.

Контактный модуль 4 выполнен на основе монтажной платы, на которой дополнительно размещены средства защиты в виде модуля контроля и модуля защиты. Блок-схема защиты аккумуляторной батареи представлена на фиг. 5. Модуль защиты выполняет функцию защиты аккумуляторной батареи от пониженного напряжения при разряде до значения напряжения не ниже 2,7 В. Также модуль защиты обеспечивает защиту аккумуляторной батареи от перенапряжения при заряде не более 4,2 В. Основной функцией модуля защиты является защита аккумуляторной батареи от короткого замыкания и перегрузки по току более 7 А. При этом модуль защиты также обеспечивает защиту аккумуляторной батареи от перегрева. В качестве примера модуль защиты может быть выполнен на основе готовой микросхемы DW01-P.

Модуль контроля выполняет функцию идентификации типа аккумуляторной батареи. Также модуль контроля выполняет функцию измерения емкости батареи. Указанный модуль отвечает за хранение информации о параметрах батареи (полная емкость, текущая емкость, количество циклов заряда/разряда) и выполняет контроль параметров батареи (напряжение, ток, температура). В качестве примера модуль защиты может быть выполнен на основе готовой микросхемы BQ27541.

Заявленная аккумуляторная батарея функционирует путем подключения ее контактов 5 к контактам приемопередатчика и фиксации ее в таком положении.

Для соединения с аккумуляторной батареей на боковых стенках корпуса приемопередатчика выполняют два продольных паза, в которые вставляются соответствующие продольные выступы 10, расположенные на боковых гранях плоской части крышки 2, обеспечивающие скользящую стыковку батареи с приемопередатчиком.

Подключаемая аккумуляторная батарея по направляющим пазам надвигается до упора на контакты приемопередатчика и фиксируется защелкиванием в паз корпуса приемопередатчика фиксатора 8 батареи.

В таком положении контакты батареи 5 надвинуты на выступающую часть стержневых контактов приемопередатчика и, будучи подпружиненными, образуют надежный бесперебойный электрический контакт двух изделий. Фиксатор 8 батареи защелкивается в паз, выполненный в корпусе приемопередатчика, жестко фиксируя батарею в нужном положении.

После стыковки батарея закрывает предназначенную для нее ступенчатую полость в корпусе приемопередатчика, дополняя его до формы параллелепипеда.

Для снятия батареи необходимо освободить фиксатор 8 батареи, то есть вывести его из паза корпуса приемопередатчика, для чего необходимо элемент управления в виде кнопки 7, расположенной на грани ступени корпуса 1 батареи, сдвинуть, например, вниз. Далее необходимо выдвинуть батарею по направляющим 10 из пазов корпуса приемопередатчика.

Проверку напряжения аккумуляторной батареи в заряженном состоянии проводят следующим образом. Аккумуляторную батарею заряжают с помощью предназначенного для нее зарядного устройства. После окончания процесса заряда проводят измерение напряжения на клеммах аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея соответствует своему назначению, если напряжение на клеммах составляет не менее 4,1 В.

Проверку защиты контактного модуля аккумуляторной батареи проводят следующим образом. Испытания на внешнее короткое замыкание аккумуляторной батареи осуществляют устройством для имитации короткого замыкания. В режиме имитации короткого замыкания контактов аккумуляторной батареи напряжение и ток на контактах 5 должны отсутствовать. После снятия режима имитации короткого замыкания напряжение на контактах 5 должно восстанавливаться до первоначального значения.

Проверку защиты от перезаряда аккумуляторной батареи проводят путем подключения заряженной аккумуляторной батареи к источнику тока и заряда максимальным током в течение 2 часов. В процессе заряда контролируется целостность корпуса и внешний вид аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея считается выдержавшей испытание по защите от перезаряда, если сохранилась целостность корпуса, не изменился внешний вид аккумуляторной батареи и напряжение разомкнутой цепи аккумуляторной батареи не менее 4,1 В.

Проверку защиты от глубокого разряда проводят подключением к аккумуляторной батарее нагрузки сопротивлением 1 Ом и мощностью не менее 20 Вт, проводят разряд батареи в течение 6 часов. Через 6 часов фиксируется состояние батареи по внешнему виду, а также измеряется напряжение на батарее, которое должно составлять 2,5±0,1 В.

Считывание информации с аккумуляторной батареи проводят с помощью приемопередатчика. Аккумуляторная батарея должна обеспечивать хранение следующей информации: индивидуальный номер, дата выпуска, количество циклов заряда.

При испытаниях конструкция заявленной аккумуляторной батареи показала высокую надежность по обеспечению бесперебойного питания портативных приемопередающих устройств при механических нагрузках на узел соединения.

Заявленная аккумуляторная батарея обеспечила непрерывную работу приемопередатчика от одной аккумуляторной батареи более 12 часов при параметрах тока потребления приемопередатчика в режиме передачи на уровне 6,5 А, в режиме приема на уровне 1,3 А и в режиме дежурного приема на уровне 0,33 А при соотношении длительности режимов передача / прием / дежурный прием = 1:1:9.

Технический результат от использования изобретения проявляется в виде повышения надежности электрического контакта аккумуляторной батареи с приемопередатчиком за счет жесткой фиксации батареи на приемопередатчике при центровке контактов батареи относительно ответных контактов приемопередатчика, что дополнительно ведет к снижению потерь электрической мощности.

Параметры надежности аккумуляторной батареи повышены также за счет защиты от короткого замыкания, перегрева при зарядке и переполюсовки контактов, а также за счет обеспечения ремонтопригодности и прочности корпуса заявленного устройства.