Приложение B (справочное). Рекомендации по проектированию батарейных отсеков оборудования

Приложение B
(справочное)

Рекомендации
по проектированию батарейных отсеков оборудования

B.1 Общие требования

B.1.1 Общие положения

С целью соответствия батарей/элементам постоянно совершенствуемому оборудованию их регулярно модернизируют, улучшая конструкцию и электрохимические характеристики, для увеличения емкости и мощности. В результате осуществления новых разработок батарей/элементов и поиска возможностей обеспечения их безопасности при сохранении оптимальных характеристик было установлено, что в большинстве случаев выход из строя батарей/элементов происходит вследствие их неправильной эксплуатации, возникающей из-за случайных ошибок потребителя.

Рекомендации и рисунки, приведенные в настоящем приложении, предназначены для того, чтобы при разработке оборудования с питанием от батарей/элементов предусмотреть возможность уменьшения или исключения числа случаев неправильной эксплуатации батарей/элементов.

B.1.2 Выход из строя батареи/элемента вследствие наличия недостатков конструкции батарейного отсека

Конструкция батарейного отсека должна исключать установку батареи/элемента в реверсном направлении (с обратной полярностью) и/или ее/его короткое замыкание.

B.1.3 Потенциальные опасности при установке элемента с нарушением полярности

Если элемент в составе цепи из трех или более соединенных последовательно элементов установлен в реверсном направлении (с обратной полярностью) (см. рисунок B.1), то возникают следующие потенциальные опасности:

a) заряд элемента, установленного в реверсном направлении.

Примечание 1 - Значения тока заряда ограничено внешней цепью/нагрузкой;

b) образование газа внутри элемента, установленного в реверсном направлении;

c) срабатывание механизма сброса давления в элементе, установленном в реверсном направлении;

d) течь электролита из элемента, установленного в реверсном направлении.

Примечание 2 - Электролит, содержащийся в элементе, оказывает вредное воздействие на кожу человека.

Рисунок B.1 - Пример последовательного соединения элементов с одним элементом, установленном в реверсном направлении

B.1.4 Потенциальные опасности, возникающие в результате короткого замыкания батареи/элемента

Потенциальные опасности, возникающие в результате короткого замыкания:

a) выделение тепла в результате протекания большого тока;

b) образование газа;

c) срабатывание механизма сброса давления;

d) течь электролита;

e) повреждение защитного кожуха в результате повышения температуры (например, усадка).

Примечание - Электролит, содержащийся в батарее/элементе, оказывает вредное воздействие на кожу человека, а выделяющееся тепло может стать причиной ожога.

B.2 Общие рекомендации по проектированию батарейного отсека оборудования

B.2.1 Основные обязательные параметры

Рекомендации, приведенные ниже, относятся к батарейным отсекам оборудования, в котором используют цилиндрические элементы типоразмеров R1-R20. Как правило, электрохимические системы таких элементов - щелочные марганцево-цинковые и угольно-цинковые. Элементы этих электрохимических систем являются взаимозаменяемыми, при этом не допускается их одновременное совместное использование.

При проектировании батарейного отсека оборудования следует учитывать следующие конструктивные параметры элементов указанных типов электрохимических систем и различия между ними:

a) положительный вывод щелочного марганцево-цинкового элемента соединен с корпусом элемента;

b) положительный вывод угольно-цинкового элемента изолирован от корпуса элемента;

c) элементы обоих типов изготавливают с защитным кожухом, который может быть выполнен из бумаги, пластика или других непроводящих материалов, а также из металлических (проводящих) материалов, в этом случае он изолирован от корпуса элемента;

d) отрицательный вывод элемента может быть заглублен (дополнительно см. МЭК 60086-1:2015, 4.1.3). Для обеспечения надежного электрического контакта отрицательные выводы оборудования не должны быть полностью плоскими;

e) выводы элемента или любые другие части электрических цепей оборудования не должны контактировать с защитным кожухом элемента с целью предотвращения возникновения короткого замыкания.

Коническая или винтовая пружина, используемая в качестве электрического контакта оборудования с отрицательным выводом элемента, должна равномерно сжиматься при установке элемента и не должна соприкасаться с защитным кожухом элемента. Не рекомендуется применять пружины в качестве электрического контакта с положительным выводом элемента.

B.2.2 Дополнительные обязательные параметры

Дополнительные обязательные параметры:

a) изготовителям оборудования с батарейным питанием рекомендуется взаимодействовать с изготовителями элементов, использовать при расчетах конструкции батарейного отсека значения характеристик элементов, установленные в нормативной документации, и при выборе элементов руководствоваться МЭК 60086-2;

b) конструкция батарейного отсека должна обеспечивать удобную установку элементов и предотвращать их выпадение из него;

c) конструкция батарейного отсека должна быть такой, чтобы предотвратить легкий доступ к батареям/элементам маленьким детям;

d) батарейный отсек должен быть спроектирован таким образом, чтобы в него можно было установить элемент увеличенной высоты в соответствии с МЭК 60086-1:2021, 4.2.2; (Cor 1:2022)

e) в инструкции по применению оборудования должен быть четко указан тип используемых элементов, в батарейном отсеке - правильная полярность (+) и (-) и направление их установки;

f) при проектировании батарейного отсека необходимо учитывать возможность возникновения у элементов течи электролита. Если батарейный отсек невозможно полностью изолировать от остальных деталей оборудования, то его следует располагать таким образом, чтобы минимизировать их повреждение при возникновении течи электролита;

g) для предотвращения возникновения неблагоприятных химических реакций в элементе и течи электролита конструкция электрических цепей оборудования должна быть такой, чтобы оборудование не могло функционировать при напряжении менее 0,7 В на элемент (n _s  0,7 В, где n _s - число элементов, соединенных последовательно).

B.3 Рекомендации по проектированию батарейного отсека, обеспечивающего предотвращение установки элементов в реверсном направлении (с обратной полярностью)

B.3.1 Общие положения

При проектировании батарейного отсека следует исключить возможность установки элемента в реверсном направлении (с обратной полярностью) или наличия электрического контакта при такой установке.

B.3.2 Конструкция положительного контакта

Рекомендации по проектированию положительного контакта в батарейном отсеке для установки элементов типоразмеров R03, R1, R6, R14 и R20 приведены на рисунках B.2 и B.3. Конструкция батарейного отсека должна исключать возможность перемещения элементов внутри него. При установке элемента в реверсном направлении (с обратной полярностью) не должен создаваться электрический контакт между выводом элемента и контактом в батарейном отсеке.

		Ребра батарейного отсека должны быть изолированными для обеспечения отсутствия электрического контакта с отрицательным выводом элемента
a) Правильная установка элемента	b) Неправильная установка элемента (в реверсном направлении)

Рисунок B.2 - Положительный контакт в батарейном отсеке, утопленный между ребрами

		Отрицательный вывод элемента в батарейном отсеке должен соприкасаться только с окружающим изолятором
a) Правильная установка элемента	b) Неправильная установка элемента

Рисунок B.3 - Положительный контакт в батарейном отсеке, утопленный внутри окружающего изолятора

B.3.3 Конструкция отрицательного контакта

Рекомендации по проектированию отрицательного контакта в батарейном отсеке для установки элементов типоразмеров R03, R1, R6, R14 и R20 приведены на рисунке B.4.

		Положительный вывод элемента не должен соприкасаться с U-образным отрицательным контактом в батарейном отсеке, а должен соприкасаться только с изолятором батарейного отсека, расположенным в центре
a) Правильная установка элемента	b) Неправильная установка элемента (в реверсном направлении)

Рисунок B.4 - Отрицательный контакт U-образной формы в батарейном отсеке, обеспечивающий невозможность электрического контакта с положительным выводом элемента

B.3.4 Конструкция батарейного отсека с учетом ориентации элементов

С целью исключения возможности установки элементов в реверсном направлении (с обратной полярностью) рекомендуется, чтобы все элементы имели одинаковую ориентацию. Примеры ориентации и расположения элементов в батарейном отсеке приведены на рисунках B.5a) и B.5b).

На рисунке B.5a) приведены рекомендуемые ориентация и расположение элементов внутри батарейного отсека, на рисунке B.5b) - их ориентация и альтернативное расположение.

a) Рекомендуемые ориентация и расположение элементов в батарейном отсеке

b) Ориентация и альтернативное расположение элементов в батарейном отсеке

Примечания

1 Положительные контакты в батарейном отсеке, указанные на рисунке B.5a), должны быть выполнены в соответствии с рекомендациями, приведенными на рисунках B.2 и B.3.

2 Положительные контакты в батарейном отсеке, указанные на рисунке B.5b), должны быть выполнены в соответствии с рекомендациями, приведенными на рисунках B.2 и B.3, отрицательные контакты - в соответствии с рекомендациями, приведенными на рисунке B.4.

3 Расположение элементов в батарейном отсеке, приведенное на рисунке B.5b), допускается только для элементов типоразмеров R14 и R20, для элементов других типоразмеров такое расположение в батарейном отсеке не рекомендуется вследствие небольших размеров площади их отрицательных выводов (размер d ₆ соответствующей спецификации). (Cor 1:2022)

Рисунок B.5 - Примеры ориентации и расположения элементов в батарейном отсеке

B.3.5 Размеры положительного контакта

В таблице B.1 приведены размеры деталей выводов элементов и рекомендуемые размеры положительных контактов в батарейном отсеке оборудования. Если конструкция батарейного отсека оборудования соответствует конструкции с размерами, приведенными на рисунке B.6 и в таблице B.1, то при установке элемента в реверсном направлении, т.е. отрицательным выводом к положительному контакту оборудования, произойдет "отказ по безопасности", т.к. будет отсутствовать электрический контакт.

Таблица B.1 - Размеры деталей выводов элементов и рекомендуемые размеры положительных контактов в батарейном отсеке, приведенные на рисунке B.6

В миллиметрах

Обозначение типоразмера элемента	Размер детали отрицательного вывода элемента	Размер детали положительного вывода элемента		Рекомендуемый размер положительного контакта в батарейном отсеке, приведенный на рисунке B.6
	d 6 а (мин.)	d 3 a (макс.)	h 3 a (мин.)	X	Y
R20, LR20	18,0	9,5	1,5	9,6-1,0	0,5-1,4
R14, LR14	13,0	7,5	1,5	7,6-9,0	0,5-1,4
R6, LR6	7,0	5,5	1,0	5,6-6,8	0,4-0,9
R03, LR03	4,3	3,8	0,8	3,9-4,2	0,4-0,7
R1, LR1	5,0	4,0	0,5	4,1-4,9	0,1-0,4
a В соответствии с МЭК 60086-2.

a) Правильная установка элемента	b) Неправильная установка элемента

d ₆ - минимальный внешний диаметр плоской поверхности с отрицательным выводом элемента; d ₃ - максимальный диаметр положительного вывода элемента в пределах заданной высоты выступа; h ₃ - минимальный выступ плоскости положительного вывода элемента; X - диаметр углубления под положительный контакт для положительного вывода элемента (размер X должен быть более размера d ₃, но менее размера d ₆); Y - размер углубления (глухого отверстия) под положительный контакт для положительного вывода элемента (размер Y должен быть менее размера h ₃)

Примечание - Положительный контакт батарейного отсека утоплен внутри окружающего изолятора.

Рисунок B.6 - Рекомендуемые конструкция и размеры положительного контакта в батарейном отсеке оборудования

Диаметр углубления (глухого отверстия) под положительный контакт должен быть более максимального диаметра положительного вывода элемента (d ₃), но менее минимального внешнего диаметра плоской поверхности с отрицательным выводом элемента (d ₆). На рисунке B.6a) приведена правильная установка элемента в батарейном отсеке, на рисунке B.6b) - неправильная установка элемента, т.е. в реверсном направлении, при которой отрицательный вывод элемента контактирует только с соприкасающимся с ним изолятором, что предотвращает электрический контакт.

B.4 Рекомендации по проектированию батарейного отсека, обеспечивающего предотвращение короткого замыкания элементов

B.4.1 Рекомендации по проектированию батарейного отсека, обеспечивающего предотвращение короткого замыкания, возникающего вследствие повреждения защитного кожуха элемента

Стальной корпус щелочных марганцевых элементов, покрытый защитным кожухом [см. B.2.1, перечисление c)], имеет то же напряжение, что и положительный вывод. Если защитный кожух элемента, находящейся/находящегося в батарейном отсеке, будет поврежден (разрезан или проколот) какой-нибудь деталью токопроводящей цепи оборудования, то может возникнуть короткое замыкание (см. рисунок B.7). Также следует учитывать, что при таком повреждении состояние элемента может быть ухудшено вследствие физического воздействия, например чрезмерной вибрацией, падением.

Примечания

1 Потенциальные опасности, возникающие в результате короткого замыкания, приведены в B.1.4 ^*.

------------------------------

^*_{Исправлена ошибка оригинала.}

------------------------------

2 Пример возникновения короткого замыкания, приведенный на рисунке B.7, относится к щелочным марганцево-цинковым элементам, но так как щелочные марганцево-цинковые и угольно-цинковые элементы являются взаимозаменяемыми, то данный пример распространяют и на угольно-цинковые элементы (см. B.2.1).

Рисунок B.7 - Пример возникновения короткого замыкания (выключатель проткнул защитный кожух) элемента

При проектировании батарейного отсека рекомендуется предусмотреть наличие в нем изолятора, размещенного, как показано на рисунке B.8, для предотвращения повреждения выключателем защитного кожуха элемента и возникновения короткого замыкания.

Рисунок B.8 - Пример размещения изолятора в батарейном отсеке для предотвращения короткого замыкания

При проектировании батарейного отсека рекомендуется предусмотреть, чтобы детали оборудования или его электрических цепей, включая заклепки или винты, используемые для защиты батарейных контактов и т.п., не соприкасались с корпусом элемента и/или защитным кожухом.

B.4.2 Рекомендации по проектированию батарейного отсека, обеспечивающего предотвращение короткого замыкания, в котором в качестве отрицательного контакта применяют пружины

В результате попытки неправильной установки элемента [сначала положительным (+) выводом в направлении вперед], как показано на рисунке B.9, возможно перекашивание пружины, которую применяют в качестве отрицательного (-) контакта, и последующее разрезание или прокалывание защитного кожуха элемента при установке в край пружины, как показано на рисунке B.10.

Рисунок B.9 - Установка элемента в край пружины (не рекомендуется)

a) Прокалывание пружиной защитного кожуха снизу и ее соприкосновение с металлическим корпусом элемента	b) Прокалывание пружиной защитного кожуха

Рисунок B.10 - Примеры неправильной установки элемента, приводящей к перекашиванию пружины, применяемой в качестве отрицательного контакта

В целях исключения неправильной установки элемента, показанной на рисунке B.10, при проектировании батарейного отсека рекомендуется предусматривать возможность только правильной установки элемента [сначала отрицательным (-) выводом в направлении вперед], чтобы пружина сжималась равномерно, как показано на рисунке B.11. Для этого необходимо в батарейном отсеке установить изолированную направляющую, разместив ее над отрицательным контактом (см. рисунок B.11).

Рисунок B.11 - Пример конструкции батарейного отсека, исключающей возможность неправильной установки элемента и перекашивания пружины, применяемой в качестве отрицательного контакта

Конец пружины, т.е. часть пружины, которая соприкасается с элементом, должен находиться четко по его центру и не иметь острых кромок, которые могли бы повредить защитный кожух элемента.

Диаметр проволоки, из которой изготовлена пружина, должен соответствовать значениям, указанным в таблице B.2. Давление пружины на отрицательный вывод элемента должно быть достаточным для обеспечения постоянного надежного электрического контакта и при этом не должно быть настолько сильным, чтобы препятствовать удобной установке и удалению элементов. Чрезмерное давление пружины на отрицательный вывод элемента может стать причиной повреждения его защитного кожуха или деформации вывода, вследствие чего может произойти короткое замыкание и/или течь электролита.

Пружины в батарейном отсеке допускается применять только в качестве отрицательного контакта для соединения с отрицательными выводами цилиндрических элементов.

Таблица B.2 - Диаметр проволоки, из которой изготавливают пружины, применяемые в качестве отрицательного контакта

Типоразмер элемента		Диаметр проволоки, мм
R20	LR20	0,8
R14	LR14	0,8
R6	LR6	0,4
R03	LR03	0,4
R1	LR1	0,4

B.5 Рекомендации по проектированию отрицательного контакта в батарейном отсеке с учетом форм и размеров заглубленных отрицательных выводов элементов

В МЭК 60086-2 установлен максимальный размер заглубления отрицательного вывода элемента относительно его корпуса. Элементы типоразмеров R20, LR20, R14 и LR14 изготавливают с заглубленными отрицательными выводами. Для предотвращения возникновения электрического контакта при установке элемента в реверсном направлении отрицательные выводы этих элементов снабжены защитными выступами из изоляционной пластмассы.

При проектировании отрицательного контакта в батарейном отсеке необходимо учитывать форму и размеры отрицательных выводов элементов и соблюдать следующие рекомендации:

a) при применении пружины в качестве отрицательного контакта в батарейном отсеке диаметр ее витка, соприкасающегося с элементом, должен быть менее размера d ₆, где d ₆ - внешний диаметр плоской поверхности с отрицательным выводом элемента;

b) при применении пластины, изготовленной из нарезанного и формованного листового металла (см. рисунок B.12), в качестве отрицательного контакта в батарейном отсеке необходимо, чтобы размеры h ₄ и d ₆, соответствовали размерам, приведенным в таблице B.3. В этом случае в соответствии с рисунком B.12 на пластине следует предусмотреть выступ. Высота этого выступа должна быть достаточной для того, чтобы выступ превышал любое заглубление вывода элемента (размер h ₄). Несоблюдение этих рекомендаций может привести к отсутствию электрического контакта элемента с оборудованием;

c) при применении плоской металлической пластины в качестве отрицательного контакта в батарейном отсеке необходимо предусмотреть на ней один или несколько выступов для обеспечения надежного электрического контакта с элементом. Высота выступа должна быть достаточной для того, чтобы выступ превышал любое заглубление отрицательного вывода элемента (размер h ₄). Выступы следует размещать в пределах внешнего диаметра плоской поверхности с отрицательным выводом элемента (размер d ₆).

a) Применение пружины в качестве отрицательного контакта	b) Применение пластины в качестве отрицательного контакта

Рисунок B.12 - Примеры исполнения отрицательных контактов

Таблица B.3 - Размеры деталей отрицательных выводов элементов

Размеры в миллиметрах

Типоразмер элемента	Максимальный размер заглубления отрицательного вывода элемента h 4 a	Внешний диаметр плоской поверхности с отрицательным выводом элемента d 6 a
R20, LR20	1,0	18,0
R14, LR14	0,9	13,0
R6, LR6	0,5	7,0
R03, LR03	0,5	4,3
R1, LR1	0,2	5,0
a См. МЭК 60086-2.

При проектировании батарейных отсеков не рекомендуется их размеры основывать на размерах элементов только одного конкретного изготовителя, так как это может создать проблемы при замене элементами других изготовителей.

Размеры элементов, включая размеры их положительных и отрицательных выводов, приведены в МЭК 60086-2:2015 на рисунках 1a) и 1b) и в соответствующих спецификациях МЭК 60086-2.

B.6 Рекомендации по проектированию батарейного отсека влагозащищенного и невентилируемого оборудования

При проектировании батарейных отсеков следует предусмотреть, чтобы удаление водорода, выделяющегося из батарей/элементов, осуществлялось посредством реакции рекомбинации или свободного выведения его наружу, в противном случае при возникновении искры может произойти воспламенение накопленной водородно-воздушной смеси и взрыв оборудования. На этапе проектирования оборудования, в котором будут использованы батареи/элементы, следует проконсультироваться с их изготовителями [см. дополнительную информацию в 7.1, перечисление n)].

B.7 Дополнительные рекомендации по проектированию батарейного отсека

Дополнительные рекомендации по проектированию батарейного отсека:

a) электрическая цепь оборудования должна находиться в электрическом контакте только с выводами батареи/элемента. Батарейный отсек должен быть электрически изолирован от электрической цепи оборудования и расположен таким образом, чтобы минимизировать возможную опасность и/или риск нанесения повреждений другим деталям оборудования при течи электролита из батареи/элемента;

b) многие виды оборудования проектируют с учетом возможности работы от различных источников питания (например, от сети, дополнительных батарей/элементов), то есть в таком оборудовании батареи/элементы используют как резервный источник питания. При проектировании электрических цепей такого оборудования необходимо:

1) либо предотвратить возможность заряда батареи/элемента;

2) либо включить в состав электрической цепи устройство, обеспечивающее защиту батареи/элемента, например диод(ы), таким образом, чтобы обратный ток заряда, проходящий через защитное(ые) устройство(а) на батарею/элемент, не превышал значений, установленных изготовителем.

Схему электрической цепи и защитное устройство следует выбирать в зависимости от типа батареи/элемента и типа ее/его электрохимической системы и таким образом, чтобы при эксплуатации оборудования не происходил отказ одного из компонентов электрической цепи. Разработчикам оборудования рекомендуется обращаться к изготовителям батарей/элементов с целью получения сведений, необходимых для проектирования электрических цепей с соответствующей защитой батарей/элементов.

Несоблюдение указанных рекомендаций может привести к сокращению срока службы, течи электролита или взрыву батареи/элемента;

c) форма положительного (+) и отрицательного (-) контактов в батарейном отсеке должна быть визуально различима во избежание путаницы при установке в него батареи/элемента;

d) материал, из которого изготавливают контакты в батарейном отсеке, должен быть с минимальным электрическим сопротивлением и совместимым с материалом выводов батареи/элемента;

e) батарейный отсек должен быть изготовлен из непроводящего, теплостойкого, негорючего материала и иметь надежный теплоотвод, а также быть устойчивым к деформации при установке в него батарей/элементов;

f) в батарейном отсеке оборудования, спроектированного с питанием от батареи/элемента с воздушной деполяризацией либо A-систем, либо P-систем, должна быть обеспечена достаточная вентиляция. Рекомендуется, чтобы батареи/элементы A-системы во время нормальной работы оборудования были размещены в вертикальном положении;

g) не допускается проектировать батарейный отсек с параллельным соединением элементов, если не подтверждено, что установка одного или нескольких элементов в реверсном направлении не влияет на безопасность;

h) не рекомендуется проектировать батарейный отсек с последовательным соединением элементов и несколькими выходами напряжения (см. рисунок B.13), так как разряженные элементы одной секции могут подвергнуться обратному напряжению.

Пример - На рисунке B.13 две батареи разряжают через резистор R1. Если после их разряда переключатель установлен в положение замыкания цепи через R3, то это может стать причиной принудительного разряда этих двух батарей, частично разряженных до этого.

Рисунок B.13 - Пример конструкции батарейного отсека с последовательным соединением элементов и несколькими выходами напряжения

Потенциальные опасности, возникающие при принудительном разряде (приводящие к реверсному напряжению):

1) образование газа в принудительно разряженных элементах;

2) сброс давления;

3) течь электролита.

Примечание - Электролит, содержащийся в элементе, оказывает вредное воздействие на кожу человека.