PL249763B1 - Element stykowy o nisko-profilowej budowie realizujący rozłączne połączenie elektryczne utrzymywane siłami magnetycznymi - Google Patents

Abstract

Element stykowy do łączenia ogniw elektrycznych, będący częścią płyty połączeniowej zawierającej więcej takich elementów stykowych, realizujący zabezpieczenie termiczne i nadprądowe ogniwa, wykorzystujący magnes trwały do utrzymania zestyku charakteryzuje się tym, że posiada niską budowę wyznaczoną przez grubość warstwy przewodzącej, wykonanej korzystnie z miedzi, wysokość magnesu trwałego i grubość membrany stabilizującej wykonanej korzystnie z elastomeru, zaś jego styk zawieszony jest na ramionach zbudowanych ze sztywnej warstwy przewodzącej i korzystnie warstwy nośnej, połączonych z rejonem zespolenia oraz mimośrodowo ze stykiem, co powoduje współśrodkowy obrót styku względem rejonu zespolenia, podczas przemieszczania styku w kierunku bieguna ogniwa (12) pod wpływem sił magnetycznych w chwili tworzenia zestyku, nadto styk połączony jest powierzchnią z membraną stabilizującą połączoną powierzchnią z rejonem zespolenia, co prowadzi podczas obrotu styku do skręcania membrany stabilizującej i powstania w niej naprężeń, które składają się na moment skręcający wspomagający rozłączanie zestyku.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest element stykowy o niskoprofilowej budowie, charakteryzujący się nieskomplikowaną budową, wykorzystujący niezwykle łatwy i wygodny w zastosowaniu, rozłączny, magnetyczny sposób realizacji połączeń elektrycznych. Rozwiązanie zawiera zabezpieczenia nadprądowe i termiczne i jest przydatne zwłaszcza do realizacji połączeń z ogniwami akumulatora lub baterii.

Na potrzeby niniejszego rozwiązania pod pojęciem ogniwa rozumie się pojedynczy układ będący niezależnym źródłem energii elektrycznej wchodzący w skład pakietu zbudowanego z wielu takich ogniw połączonych ze sobą mechanicznie i elektrycznie, tworzącego baterię lub akumulator.

Na potrzeby niniejszego rozwiązania pod pojęciem zestyku rozumie się konstrukcyjny zespół styków realizujących połączenie dwóch torów prądowych. Stykiem jest część zestyku należąca do jednego odcinka toru prądowego, mogąca zawierać dodatkowe elementy takie jak magnes trwały i fragmenty warstw konstrukcyjnych. Pod pojęciem materiału stykowego rozumie się powłokę lub warstwę naniesioną w obszarze styku na warstwę przewodzącą elementu stykowego.

Na potrzeby niniejszego rozwiązania pojęcia połączeń zgrzewanych, spawanych i lutowanych mogą być stosowane zamiennie i w szeroko rozumiany sposób określają połączenia sztywne.

Znane są nierozłączne, zwykle zgrzewane, metody połączeń ogniw w zaawansowanych przypadkach posiadające zabezpieczenia nadprądowe. Zabezpieczenie wykonane jest w postaci bezpiecznika przepalającego się przy nadmiernym prądzie.

W opisie patentowym EP1780819A1 dwa ogniwa połączone są ze sobą paskiem przewodzącym. Paski mogą być wykonane ze stopów niklu 200 lub 201, miedzi, aluminium, stali lub korzystnie miedzi pokrytej powłoką niklową. Każdy z pasków może posiadać bezpiecznik nadprądowy wykonany np. przez przewężenie jego przekroju poprzecznego w wyniku wykonania nacięcia lub nadania mu odpowiedniego kształtu. Odpowiednie ułożenie pasków na sąsiednich ogniwach oraz zgrzanie ich z nimi pozwala stworzyć baterię.

Do połączeń w pakiecie ogniw zamiast wielu blaszek często stosuje się płytę połączeniową lub inną formę szyny zbiorczej prądowej. W takich rozwiązaniach również możliwe jest wykonanie zabezpieczeń nadprądowych indywidualnych dla każdej celi. W takim przypadku bezpiecznik topikowy może być integralną częścią płyty połączeniowej ukształtowaną w wyniku precyzyjnego jej wycięcia lub wykonywany jest w postaci niezależnego elementu połączonego, najczęściej metodą zgrzewania, z ogniwem i płytą połączeniową.

W opisie patentowym CN108023054A przedstawiono metodę łączenia ogniw za pomocą zbiorczej szyny prądowej posiadającej indywidualne dla każdego ogniwa odpowiednio ukształtowane pola zgrzewalne. Są one zgrzewane z ogniwami oporowo lub laserowo. Zabezpieczenie nadprądowe stanowią odpowiedniej szerokości dwie łukowe ścieżki łączące każdą powierzchnię zgrzewalną ze zbiorczą szyną prądową. Rozwiązanie przewiduje wykonanie wszystkich elementów z jednego arkusza cienkiej blachy niklowej lub aluminiowej.

Opis patentowy KR20200048207A przedstawia baterię, składającą się z ogniw cylindrycznych umieszczonych w obudowie, w której płyta połączeniowa składa się z trzech zintegrowanych płyt ułożonych jedna na drugiej. Środkowa płyta wykonana jest z metalu, korzystnie miedzi, i posiada elementy łączące połączone elektrycznie z każdym ogniwem baterii przez otwory w, korzystnie aluminiowej, płycie znajdującej się pod nią. Trzecia płyta jest warstwą izolacyjną, ułożoną na warstwie środkowej i posiada otwory w takich miejscach aby umożliwić dostęp do każdego z elementów łączących. Element łączący jest jednocześnie bezpiecznikiem topikowym wykonanym w materiale płyty środkowej i jest połączony z ogniwem metodą zgrzewania laserowego lub ultradźwiękowego.

W opisie patentowym US7671565B2 przedstawiono metodę nadprądowego zabezpieczenia ogniw w baterii z wykorzystaniem pośredniczącego drutu bezpiecznikowego. Bieguny ogniw są połączone z przewodzącą płytą poprzez drut bezpiecznikowy, wyprowadzony przez otwór w płycie. Drut ten jest korzystnie wykonany z aluminium, bądź połączenia aluminium z niklem lub magnezem i stanowi indywidualne zabezpieczenie nadprądowe dla każdego ogniwa, rozwierające obwód gdy popłynie zbyt duży prąd.

Akumulatory pracujące w dużych magazynach energii lub samochodach elektrycznych zawierają setki lub tysiące ogniw. Powszechnie stosowane metody połączeń tych ogniw wykorzystują połączenia nierozłączne, głównie zgrzewane, których przykłady podano wyżej. Po wyprodukowaniu akumulatora lub później, podczas jego eksploatacji, niemożliwym lub bardzo trudnym i kosztownym staje się wskazanie i wymiana odbiegającego parametrami od pozostałych lub wadliwego ogniwa. Nawet jedno takie ogniwo może obniżać parametry całego akumulatora w stopniu dramatycznym, powodując konieczność jego wymiany w całości lub części, jeżeli pozwala na to modułowa konstrukcja akumulatora.

Znane są również rozłączne metody połączeń ogniw realizowanych poprzez styki wykorzystujące głównie sprężystość blaszek i drutów. Rozłączne połączenia ogniw w warunkach przemysłowych stosowane są jednak w stopniu bardzo ograniczonym. Trudnością jest realizacja wysokiej jakości zestyków dla różnych warunków eksploatacji i dużych prądów oraz utrzymanie stabilności ich parametrów w długim czasie eksploatacji przy jednoczesnym zachowaniu niskoprofilowej konstrukcji i powtarzalności parametrów.

W opisie patentowym US8361646B2 przedstawiono modułowy system połączeń rozłącznych wykorzystujący siły magnetyczne do utrzymania styku z ogniwami. Zwrócono uwagę na możliwość realizacji zabezpieczenia termicznego i prądowego przy wykorzystaniu zjawiska utraty właściwości magnetycznych w temperaturze zbliżonej do temperatury Curie. W rozwiązaniu wykorzystywane są dwa magnesy trwałe do budowy styku. Poza magnesem trwałym utrzymującym zestyk zastosowano drugi magnes wykorzystywany przy rozłączaniu zestyku z ogniwem i utrzymaniu stanu rozłączenia. Rozwiązanie US8361646B2 cechuje bardziej złożona budowa w porównaniu z przedstawionym przedmiotem wynalazku i wyższa konstrukcja styku. Z opisu rozwiązania wynika, że do zabezpieczenia nadprądowego pośrednio wykorzystywane jest zabezpieczenie termiczne, co w sposób oczywisty wprowadza dużą bezwładność czasową. Konstrukcja styku wykorzystuje dźwignię jednostronną, co w efekcie powoduje brak równomiernego rozkładu sił dociskających i trudności wykonawczo-eksploatacyjne. Dla przedstawionych przykładów zastosowania nie został opisany sposób rozłączania konstrukcji magnetycznej od grupy ogniw tworzącej pakiet. Wydaje się on trudny do zrealizowania i prawdopodobnie wymaga dodatkowego oprzyrządowania, bez którego występowały będą niestabilne mechanicznie stany prowadzące do odkształceń konstrukcji, związane z działaniem sił zewnętrznych koniecznych do pokonania sił magnetycznych spajających konstrukcję. Proporcje wymiarów rozległej konstrukcji styku do wielkości ogniw na rysunkach przedstawionych w opisie US8361646B2, nawet biorąc pod uwagę ich poglądowość i schematyczność, pozwalają wątpić w możliwość zastosowania tego rozwiązania w realnym pakiecie gdzie zagęszczenie ogniw jest znacznie większe niż na zamieszczonych tam przykładach.

Dla przedstawionego w niniejszym zgłoszeniu przedmiotu wynalazku zagęszczenie ogniw nie stanowi problemu ponieważ rozwiązanie mieści się z nadmiarem w obrysie typowego ogniwa 18650 i jest skalowalne zarówno w dół jak i w górę.

Istotą wynalazku jest niskoprofilowy element stykowy realizujący rozłączne połączenie elektryczne w szczególności z ogniwem cylindrycznym, przystosowany do przewodzenia dużego prądu oraz wyposażony w zabezpieczenia nadprądowe i termiczne. Element stykowy posiada prostą konstrukcję, łatwą do adaptacji przemysłowej i pozbawioną wad wymienionych wcześniej rozwiązań. Połączenie elektryczne utrzymywane jest siłami magnetycznymi z wykorzystaniem magnesu trwałego utrzymującego kontakt styku elementu stykowego z biegunem ogniwa wykonanym typowo z blachy stopowej mającej właściwości ferromagnetyczne. Budowa elementu stykowego jest niska, co wymiarowo umożliwia stosowanie konstrukcji zawierających takie elementy w akumulatorach wykorzystujących klasyczne, zgrzewane, metody łączenia ogniw.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony został, w sposób nieograniczający jego zakresu, na rysunku, na którym fig. 1 - przedstawia widok elementu stykowego w trzech rzutach oraz jego przekrój, fig. 2 przekrój elementu stykowego przed i po połączeniu z ogniwem, fig. 3 - widok warstwy przewodzącej, fig. 4 - widok warstwy nośnej, fig. 5 - widok membrany stabilizującej, fig. 6 przedstawia schematycznie trzy przykłady wykonania warstwy przewodzącej zawierającej różną ilość ramion, fig. 7 przedstawia wariant wykonania elementu stykowego będącego przedmiotem wynalazku z fragmentarycznym użyciem warstwy nośnej, fig. 8 i fig. 9 przedstawiają element stykowy z fig. 7 odpowiednio przed i po połączeniu z ogniwem, fig. 10 obrazuje poglądowo działanie sił w membranie stabilizującej, fig. 11 przedstawia płytę połączeniową zawierającą dwanaście elementów stykowych zgodnych z wynalazkiem, fig. 12 i fig. 13 przedstawiają kolejno etapy budowy przykładowego pakietu ogniw z zastosowaniem płyt połączeniowych zawierających elementy stykowe będące przedmiotem wynalazku, fig. 14 przedstawia przykład złożonego pakietu 2S6P z zastosowaniem płyt połączeniowych zawierających elementy stykowe będące przedmiotem wynalazku, a na fig. 15 pokazany jest schemat elektryczny tego pakietu.

Przykładowy element stykowy przedstawiony jest na fig. 1, a na fig. 2 przedstawiona jest jego współpraca z ogniwem 12 ustawionym w typowym uchwycie wyposażonym w zaczepy 14 dystansujące element stykowy od bieguna 13 ogniwa 12. Element stykowy ma budowę warstwową i złożony jest z warstwy przewodzącej 1 korzystnie miedzianej, elastycznej warstwy nośnej 2 będącej korzystnie płytą silikonową, elastycznej membrany stabilizującej 3 będącej korzystnie błoną lub arkuszem silikonowym połączonym powierzchniami 7 i 7a z warstwą nośną 2 i z korzystnie neodymowego magnesu trwałego 4. Pod względem funkcjonalności głównymi częściami elementu stykowego są styk 10, rejon zawieszenia 8 i rejon zespolenia 9. Styk 10 wskazany na przekroju A-A jest konstrukcją znajdującą się w centrum elementu stykowego zawierającą magnes trwały 4 i przyległe do niego fragmenty warstw 1, 2 i 3 tworzące bryłę, której podstawę stanowi powierzchnia stykowa 10a. Rejon zawieszenia obejmuje ramiona 5 zawieszenia styku oraz swobodną część membrany stabilizującej, które pozycjonują styk i dzięki swojej elastyczności umożliwiają mu ruchy we wszystkich kierunkach łącznie z ruchami wahliwymi oraz działają siłami odciągającymi od zestyku. Rejon zespolenia 9, poprzez kontynuację warstw 1,2 i 3 z których jest zbudowany, pozwala na połączenie ze sobą podobnych elementów stykowych mogących w ten sposób utworzyć płytę połączeniową, której przykład przedstawiono na fig. 11.

W przykładowym rozwiązaniu pokazanym na rysunku fig. 1 powierzchnia 7 membrany stabilizującej 3 zawiera się w rejonie zespolenia 9. W prezentowanych rzutach, dla zwiększenia czytelności konstrukcji, poglądowo zaznaczono linią punktową lokalizację magnesu trwałego 4, a liniami przerywanymi powierzchnię stykową 10a oraz rejon zespolenia 9 obejmujący na rysunku powierzchnię 7. Powierzchnia 7a membrany stabilizującej jest połączona z warstwą nośną 2 i magnesem 4, a powierzchnia 7 membrany stabilizującej jest połączona z warstwą nośną 2 w rejonie zespolenia 9.

Warstwa przewodząca 1, pokazana na fig. 3, zawierająca powierzchnię stykową 10a wykonana jest korzystnie z miedzi. Obszary warstwy przewodzącej 1 będące ścieżkami prądowymi 5a w sposób naturalny realizują zabezpieczenia nadprądowe. Można je kalibrować nadając im odpowiednie kształty i wymiary zgodnie z zasadami wytwarzania bezpieczników topikowych. W ścieżkach prądowych 5a można też zastosować miejsca kalibracji 6. Taki bezpiecznik w postaci ścieżki prądowej z miejscem kalibracji, wyodrębniony z warstwy przewodzącej 1 może powstać w procesie wycinania, nanoszenia powłok lub korzystnie wytrawiania tej warstwy w procesach analogicznych jak w przypadku produkcji typowych płyt elektronicznych PCB - co pozwala na osiągnięcie wysokiej precyzji wykonania. Typowa folia miedziana, która może być zastosowana jako warstwa przewodząca ma grubość 35 μm i jest używana przy masowej produkcji płyt elektronicznych PCB. Właściwa do zastosowania w elemencie stykowym może być również folia miedziana o innej grubości, korzystnie 70 μm, 105 μm albo 210 μm, która jest stosowana powszechnie w produkcji płyt PCB, lub cienka blacha miedziana o odpowiednim stanie umocnienia.

Warstwa nośna 2, pokazana na fig. 4, wykonana korzystnie z płyty silikonowej, wyznacza położenie styku 10 oraz magnesu 4 umieszczonego w wycięciu 11a i umożliwia stykowi swobodne ruchy robocze, prostopadłe do jego powierzchni oraz wahliwe, czemu sprzyja jej duża elastyczność oraz wykonane w niej wycięcia 11. Magnes trwały 4, który zgodnie z fig. 2, utrzymuje połączenie powierzchni stykowej 10a z biegunem 13 ogniwa 12 nie uczestnicząc bezpośrednio w przepływie prądu, w bardziej zaawansowanych przypadkach może być zastąpiony sterowanym, elektromagnetycznym źródłem pola magnetycznego.

Warstwa nośna 2 jest korzystnym podłożem dla warstwy przewodzącej 1.

Membrana stabilizująca 3, pokazana na fig. 5, jest elastyczna i wykonana z cienkiego arkusza lub błony silikonowej. Nadaje ona konstrukcji zwarty charakter stabilizując położenie styku 10 zwłaszcza podczas chwilowych jego stanów niestabilnych związanych np. z rozłączaniem go od biegunów ogniw przy demontażu akumulatora w celu serwisowym. Połączenia warstwy stabilizującej 3 z warstwą nośną 2 są wykonane wybiórczo poprzez powierzchnie 7 i 7a. Rejon zawieszenia 8 membrany stabilizującej znajdujący się między tymi powierzchniami jest powierzchnią swobodną niepołączoną trwale ze znajdującymi się w kontakcie z nią ramionami 5 zawieszenia styku. W tym rejonie membrany stabilizującej kumulują się naprężenia wynikające z ruchów styku 10. Naprężenia te są źródłem sił odciągających styk 10 podczas realizowania funkcji zabezpieczenia termicznego przez element stykowy. Poziom tych sił może być regulowany elastycznością materiału, z którego jest wykonana, jego grubością lub miejscami połączenia z warstwą nośną 2.

Na fig. 6 pokazane są przykłady połączenia styku 10 elementu stykowego z rejonem zespolenia 9 większą ilością ramion 5. Mogą one być w różnym stopniu przybliżeniami kształtu spiralnego.

Warstwa przewodząca 1, korzystnie folia miedziana, z naniesionym na jej powierzchni materiałem stykowym, np. z cyny, srebra, niklu lub złota, w połączeniu z konstrukcją elementu stykowego gwarantuje wysoką jakość połączenia elektrycznego zestyku. Płaski styk elektryczny 10 z racji dużej powierzchni kontaktuje się poprzez powierzchnię stykową 10a wielopunktowo z dużą i również płaską powierzchnią bieguna 13 ogniwa 12, do którego jest silnie dociskany magnesem trwałym 4. Duża powierzchnia zestyku oraz równo rozłożona i stabilna siła docisku w połączeniu z właściwie dobranym materiałem stykowym, gwarantują małą jego rezystancję, co umożliwia przepływ znacznego prądu przez zestyk. Równo rozłożony docisk na całą powierzchnię zestyku jest tutaj kluczowy ponieważ pozwala w pełni wykorzystać tą powierzchnię. Równo rozłożony docisk jest możliwy dzięki zawieszeniu styku 10 na ramionach 5 o korzystnym kształcie spiral Archimedesa. Dzięki takiej konstrukcji styk ma swobodę ruchu w wymaganym zakresie pracy w kierunku prostopadłym do swojej powierzchni oraz może wykonywać ruchy wahliwe dopasowując się do powierzchni nierównoległych. W przypadku styków o konstrukcji dźwigniowej, wykorzystujących elastyczność użytych materiałów, taki równo rozłożony docisk jest trudny w realizacji i możliwy jedynie w niewielkim zakresie ruchu i położenia styku.

Styk 10 elementu stykowego będącego przedmiotem wynalazku, wykorzystujący magnes neodymowy N38 o średnicy 5 mm i wysokości 1 mm ma powierzchnię stykową 10a przekraczającą 18 mm² dociskaną do bieguna ogniwa siłą ok. 1,5 N, która jest zdecydowanie wystarczająca do uzyskania zestyku o wysokich parametrach elektrycznych. Dla porównania, powierzchnia przekroju wielopunktowego połączenia zgrzewanego wykonanego na podobnej powierzchni jest przynajmniej trzy razy mniejsza i niejednorodna. W konsekwencji przez styk magnetyczny można przekazać większy prąd niż przez połączenie zgrzewane. Dalsze przepływy prądu są uzależnione od konstrukcji elementu stykowego. Przy zastosowaniu do budowy warstwy przewodzącej folii miedzianej 70 pm i wieloramiennego połączenia styku z rejonem zespolenia uzyskano eksperymentalnie dla badanego elementu stykowego prąd 30A przy rezystancji zestyku ok. 1 mQ.

W konstrukcjach pakietów akumulatorowych, duże prądy przenoszone przez elementy stykowe muszą być przyjmowane i przekazywane przez zbiorcze magistrale prądowe charakteryzujące się dużymi przekrojami. Na fig. 7-9 przewidziano konstrukcję elementu stykowego, nie ograniczającą zakresu wynalazku, przystosowaną do przenoszenia dużych prądów.

Zbiorcza magistrala prądowa 15 jest płytą o odpowiedniej grubości, korzystnie wykonaną z miedzi z wyciętymi otworami nad ogniwami, połączoną bezpośrednio z warstwą przewodzącą 1 w rejonie zespolenia 9 elementu stykowego. Wysokość elementu stykowego oraz konstrukcji całej płyty połączeniowej nie zwiększa się ponieważ warstwa nośna 2 została ograniczona do fragmentu otaczającego magnes i nie występuje w rejonie zespolenia z magistralą prądową 15.

Jedną z zalet pakietu zrealizowanego przy użyciu elementów stykowych wykonanych według wynalazku jest odporność na wstrząsy, a powszechnie wymagany dla akumulatorów test wstrząsowy UN 38.3 T3 zalicza on bez problemu. Dla sztywnych połączeń test ten jest często niszczący i stanowi duży problem dla producentów pakietów zgrzewanych. Naprężenia wynikające z drgań pakietu występujące w sztywnych połączeniach zgrzewanych mogą prowadzić do ich destrukcji i tylko dalsze usztywnianie konstrukcji, takie jak np. klejenie lub pianowanie, powodujące odciążenie połączeń może zapobiec temu zjawisku. W prezentowanym przedmiocie wynalazku zastosowano skrajnie odmienne rozwiązanie tego problemu. Metoda zawieszenia styku na ramionach spiralnych umożliwia mu swobodę ruchu we wszystkich kierunkach. Styk 10 elementu stykowego dzięki elastyczności konstrukcji i dużej sile przyciągania magnetycznego drga razem z ogniwem 12, a znikome z racji niewielkiej masy styku naprężenia wynikające z drgań stają się pomijalne. Decydujące znaczenie ma tutaj możliwość wykonywania ruchów przez styki w ich płaszczyźnie styku. Takiej swobody ruchu pozbawione są natomiast znane konstrukcje styków oparte na dźwigni, które nawet w wykonaniu elastycznym wykazują mniejszą odporność na drgania. Ich odporność na wstrząsy związaną jest z utrzymaniem kontaktu elektrycznego pomimo wzajemnego przesuwania się styków, co z kolei prowadzi do ścierania powierzchni stykowych.

Kolejną zaletą elementu stykowego wykonanego według wynalazku jest możliwość realizacji indywidualnego zabezpieczenia termicznego współpracującego z nim ogniwa akumulatora. Magnes 4 przylegający płaską powierzchnią do ogniwa poprzez cienką warstwę przewodzącą, korzystnie miedzianą, odbiera od niego energię cieplną i z tego powodu osiąga temperaturę zbliżoną do temperatury ogniwa. Z drugiej strony wysoką temperaturę mogą osiągać również ścieżki prądowe 5a w wyniku przepływu przez nie prądów o większych wartościach niż typowe dla nich prądy eksploatacyjne. Takie zwiększone wartości prądów są możliwe w sytuacjach awaryjnych i wtedy energia cieplna dostarczana jest do magnesu zarówno od strony ogniwa jak i ścieżek prądowych 5a będących bezpiecznikami topikowymi. Taka sytuacja jest korzystnym zjawiskiem przyspieszającym zadziałanie zabezpieczenia termicznego wykorzystującego magnes trwały 4, korzystnie neodymowy, którego właściwości magnetyczne po przekroczeniu maksymalnej temperatury pracy maleją. Stosując magnes o odpowiedniej maksymalnej temperaturze pracy można ustalić punkt i parametry zadziałania zabezpieczenia termicznego rozdzielającego zestyk. Powszechnie spotyka się wykonania magnesów neodymowych o temperaturach pracy od 60°C do 200°C. W wyższych temperaturach od maksymalnej temperatury pracy ich siła magnetyczna maleje. Przeprowadzone eksperymenty dla popularnych magnesów neodymowych N52, dla których producent podaje maksymalną temperaturę pracy 60°C wskazują, że daleko przed osiągnięciem temperatury Curie, bo już po przekroczeniu 130°C spadek ich siły magnetycznej jest czterokrotny i powstają warunki do odciągnięcia styku przez membranę stabilizującą. Siły sprężystości lub elastyczności użytego materiału membrany stabilizującej 3, pokonując malejące siły magnetyczne utrzymujące połączenie styku z biegunem ogniwa, doprowadzą do zaniku połączenia. Siły te mogą być korzystnie wspomagane dodatkową konstrukcją sprężystą lub grawitacyjnie.

Wykorzystanie ramion 5, korzystnie o kształcie spirali Archimedesa, powoduje dołożenie istotnej składowej, wspomagającej rozłączanie zestyku. Podczas zbliżania się styku 10 do ogniwa 12 pod wpływem sił magnetycznych środkowa część membrany stabilizującej 3 związana ze stykiem 10 wykonuje obrót względem rejonu zespolenia 9. Powoduje to dodatkowe powstanie naprężeń skrętnych w membranie stabilizującej w rejonie zawieszenia 8 będących w opozycji do wymuszonego współśrodkowego obrotu styku względem rejonu zespolenia. Powstaje inny układ naprężeń niż w przypadku samego jej ugięcia. Zwiększa się zakres tych naprężeń i zmniejsza efekt trwałego odkształcenia membrany mogący ewentualnie się pojawić po miesiącach lub latach funkcjonowania w stanie naprężonym. Większy zakres naprężeń ułatwia na etapie projektowania elementu stykowego uzyskanie precyzyjnej wartości siły odciągającej. Siły odciągające działające na styk pokazano w uproszczeniu na fig. 10. Pochodzą one od membrany stabilizującej w wyniku ruchu tego styku w kierunku ogniwa pod wpływem sił magnetycznych. Ramiona zawierające sztywną warstwę przewodzącą, którymi styk jest połączony z rejonem zespolenia uginają się wymuszając jego obrót, który pomimo niewielkiego kąta poprzez moment skręcający Ms generuje siły reakcji F’ w skręcanej membranie stabilizującej. W zależności od konstrukcji udział tych zakumulowanych naprężeń F’ składających się na siłę ociągającą styk od ogniwa może być dominujący w całkowitej sile F odciągającej styk od ogniwa. Moment skręcający zakumulowany w membranie stabilizującej zależy głównie od materiału membrany, wymiarów geometrycznych konstrukcji elementu stykowego, długości ramion zawieszenia styku i wielkości przesunięcia styku w kierunku ogniwa. Dla elementu stykowego wykonanego zgodnie z fig. 1 przy jego średnicy ok. 18 mm, eksperymentalnie zmierzony udział opisywanego wcześniej momentu skręcającego w sile odciągania styku od ogniwa wynosi powyżej 66%. Materiały, których użyto do konstrukcji warstwy nośnej o grubości 1 mm i membrany stabilizującej 0,2 mm to arkusze silikonowe o typowej, najczęściej występującej w handlu twardości ok. 60 ShA. Warstwę przewodzącą stanowi folia miedziana o grubości 70 pm. Geometria konstrukcji i zastosowane materiały mają istotne znaczenie dla wielkości momentu skręcającego zakumulowanego w membranie stabilizującej. Jego wielkość jest skalowalna na etapie projektowania i późniejszego wykonania elementu stykowego i może być realizowana w szerokim zakresie wartości.

W celu realizacji zabezpieczenia termicznego, według wynalazku, element stykowy musi być zdystansowany od drugiej części zestyku, np. bieguna ogniwa. W typowych uchwytach, stosowanych do konstrukcji pakietów ogniw cylindrycznych, ogniwa są pozycjonowane równolegle względem siebie w taki sposób, że ich bieguny znajdują się w jednej płaszczyźnie w stabilnym położeniu. Takie uchwyty są wyposażone w zaczepy 14, których zadaniem jest zapobieganie wysuwaniu się ogniw. Te zaczepy mogą współpracować z prezentowanym wynalazkiem pełniąc funkcję elementów dystansowych 14 widocznych na fig. 2. Nie powinny one ograniczać ruchu styku w kierunku prostopadłym do bieguna ogniwa. W przypadku, widocznego na fig. 2, połączenia elementu stykowego z ogniwem 12, zaczepy 14 uchwytów działają jako elementy dystansowe i pozwalają stykowi 10 na ruch w kierunku ogniwa 12 i utworzenie połączenia elektrycznego z drugą częścią zestyku na skutek działania sił magnetycznych generowanych przez magnes trwały 4. Po osłabieniu lub zaniku sił magnetycznych i w wyniku działania sił sprężystych elementu stykowego, głównie w membranie stabilizującej 3, elementy dystansowe umożliwiają rozłączenie zestyku utrzymując jednocześnie odpowiednią odległość pomiędzy stykami. W miarę potrzeb wysokość zbyt niskich elementów dystansowych można zwiększyć poprzez dodanie przekładki. Jeżeli elementy dystansowe są za wysokie lub tak zaprojektowane, że blokują swobodne ruchy styku to należy użyć innych uchwytów. Uchwyty do ogniw są dostępne w wielu odmianach, a w zastosowaniach produkcyjnych są najczęściej projektowane i wykonywane pod konkretny pakiet.

Przykładowa płyta połączeniowa, pokazana na fig. 11, jest efektem zwielokrotnienia elementu stykowego wykonanego wg. wynalazku. Płyta zbudowana z elastycznych warstw, połączonych z elementem stykowym w rejonach zespolenia jest jako całość również elastyczna w zakresie pozwalającym na jej dopasowanie do powierzchni wypukłych lub wklęsłych. Zaletą płyty jest łatwość jej wielokrotnego łączenia i rozłączania z ogniwami. Po rozłączeniu możliwa jest kontrola stanu każdego ogniwa osobno i jego ew. wymiana. Możliwa staje się przebudowa baterii lub akumulatora oraz jego łatwa naprawa.

Przykładem wykorzystania elementu stykowego będącego przedmiotem wynalazku jest pakiet ogniw 2S6P do zasilania lampy oświetleniowej, silnika prądu stałego lub innych urządzeń dostosowanych napięciowo do zasilania konfiguracją 2S, czyli dwóch cel połączonych szeregowo, i wymagających prądowo lub pojemnościowo konfiguracji 6P, czyli sześciu ogniw w celi. Pakiet wykorzystuje dwanaście ogniw cylindrycznych. Przykładową konstrukcję przedstawiono na rysunku fig. 11-14, gdzie fig.11 przedstawia w dwóch rzutach płytę połączeniową, która na kolejnych figurach oznaczona jest jako 17. Płyta powstała w wyniku połączenia elementów stykowych wykonanych wg. wynalazku poprzez rejony zespolenia 9. Płyta posiada dwie odizolowane od siebie elektrycznie grupy styków, po sześć sztuk w każdej grupie. Jedna grupa tworzy biegun dodatni „+” a druga biegun ujemny „-” pakietu. Druga płyta połączeniowa 18 posiada jedną grupę dwunastu styków połączonych ze sobą elektrycznie. W wyniku ustawienia ogniw 12 w uchwytach 16 tak jak to przedstawiono na fig. 12 i połączeniu całości płytami połączeniowymi zgodnie z fig. 13 otrzymuje się pakiet jak na fig. 14 o konfiguracji 2S6P, którego schemat elektryczny pokazany jest na fig. 15. Dwie grupy ogniw po sześć sztuk w każdej są połączone ze sobą szeregowo, czyli pakiet może zasilać urządzenia napięciem o wartości będącej dwukrotnością napięcia pojedynczego ogniwa.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Element stykowy do łączenia ogniw elektrycznych, będący częścią płyty połączeniowej zawierającej więcej takich elementów stykowych, realizujący zabezpieczenie termiczne i nadprądowe ogniwa, wykorzystujący magnes trwały do utrzymania zestyku znamienny tym, że, posiada niską budowę wyznaczoną przez grubość warstwy przewodzącej (1) wykonanej korzystnie z miedzi, wysokość magnesu (4) trwałego i grubość membrany stabilizującej (3) wykonanej korzystnie z elastomeru zaś jego styk (10) zawieszony jest na ramionach (5) zbudowanych ze sztywnej warstwy przewodzącej (1) i korzystnie warstwy nośnej (2), połączonych z rejonem zespolenia (9) oraz mimośrodowo ze stykiem (10), co powoduje współśrodkowy obrót styku (10) względem rejonu zespolenia (9), podczas przemieszczania styku (10) w kierunku bieguna (13) ogniwa (12) pod wpływem sił magnetycznych w chwili tworzenia zestyku, nadto styk (10) połączony jest powierzchnią (7a) z membraną stabilizującą (3) połączoną powierzchnią (7) z rejonem zespolenia (9), co prowadzi podczas obrotu styku do skręcania membrany stabilizującej (3) i powstania w niej naprężeń, które składają się na moment skręcający wspomagający rozłączanie zestyku.
2. 2. Element stykowy według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada dwa lub większą ilość ramion (5) zawieszenia styku łączących styk (10) z rejonem zespolenia (9).
3. 3. Element stykowy według zastrz. 1 i 2, znamienny tym, że ramiona (5) zawieszenia styku mają kształt spiral Archimedesa.
4. 4. Element stykowy według zastrz. 1 i 2, znamienny tym, że zawiera warstwę nośną (2) fragmentarycznie.
5. 5. Element stykowy według zastrz. 1 i 2, znamienny tym, że powierzchnie (7, 7a) połączenia membrany stabilizującej (3) nie są ograniczone geometrycznie i mogą występować w rejonie zawieszenia styku (8).
6. 6. Element stykowy według zastrz. 1 i 2, znamienny tym, że topikowe zabezpieczenia nadprądowe, określone przez materiał, kształt i wymiary ścieżek prądowych (5a) wykorzystują miejsca kalibracji (6), których geometria i lokalizacja mają decydujący wpływ na wartość zabezpieczenia.
7. 7. Element stykowy według zastrz. 1 i 2, znamienny tym, że punkt działania zabezpieczenia termicznego rozdzielającego zestyk wymaga zastosowania magnesu trwałego (4), którego maksymalna temperatura pracy jest określona przez dopuszczalną długotrwałą temperaturę pracy ogniw, poniżej której zakłada się działanie elektronicznych, bimetalicznych lub innych powrotnych zabezpieczeń termicznych, co determinuje technologię wykonania tego magnesu.
8. 8. Element stykowy według zastrz. 1 i 2, znamienny tym, że magnes trwały (4) może być zastąpiony sterowanym, elektromagnetycznym źródłem pola magnetycznego.