Приложение В (справочное). Рекомендации по проектированию батарейных отсеков

Приложение В
(справочное)

Рекомендации
по проектированию батарейных отсеков

В.1 Основы

В.1.1 Общие положения

Для того, чтобы соответствовать постоянно растущим достижениям в технологии оборудования с батарейным питанием, первичные батареи модернизировали как в части химии, так и в части конструкции, что привело соответственно к увеличению емкости и мощности батарей. В результате этих продолжающихся разработок и в поисках путей обеспечения безопасности при сохранении оптимальных характеристик батарей было установлено, что в большинстве случаев выход батарей из строя происходит из-за неправильной эксплуатации, возникающей из-за случайных ошибок потребителя.

Следующие текст и рисунки приведены в целях помочь разработчику оборудования с питанием от батареи значительно уменьшить или полностью устранить число случаев выхода батарей из строя из-за неправильной эксплуатации батарей.

В.1.2 Выход из строя батарей в результате плохой конструкции батарейных отсеков

Плохая конструкция батарейного отсека может привести к реверсной установке (установке с обратной полярностью) батарей или их короткому замыканию.

В.1.3 Потенциальные опасности при нарушении полярности установки батарей

Если батарея в составе цепи из трех или более соединенных последовательно батарей установлена с нарушением полярности (см. рисунок В.1), возникают следующие потенциальные опасности:

a) заряд реверсированной батареи.

Примечание - Значения зарядного тока ограничены внешней цепью/нагрузкой;

b) образование газа внутри реверсированной батареи;

c) срабатывание механизма сброса давления в реверсированной батарее;

d) течь электролита из реверсированной батареи.

Примечание - Электролит, содержащийся в батарее, вреден для кожного покрова.

Рисунок В.1 - Пример последовательного соединения с одной реверсированной батареей

В.1.4 Потенциальные опасности в результате короткого замыкания

a) Выделение тепла в результате протекания большого тока;

b) образование газа;

c) срабатывание механизма сброса давления;

d) течь электролита;

e) тепловое повреждение изолирующего кожуха (оболочки) (например, усадка).

Примечание - Электролит, содержащийся в батарее, вреден для кожного покрова, а выделяющееся тепло может стать причиной ожога.

В.2 Общее руководство по проектированию оборудования

В.2.1 Ключевые факторы, рассматриваемые в первую очередь

Настоящие методические рекомендации относятся главным образом к цилиндрическим батареям в диапазоне типоразмеров от R1 до R20. Как правило, электрохимические системы этих батарей - щелочные марганцевые и угольно-цинковые. Несмотря на то, что эти две системы взаимозаменяемы, их никогда нельзя использовать совместно.

На самых ранних стадиях проектирования батарейного отсека необходимо учитывать следующие физические различия между двумя системами и допускаемые конструктивные свойства (параметры):

a) положительный вывод щелочной марганцевой батареи соединен с корпусом батареи;

b) положительный вывод угольно-цинковой батареи изолирован от корпуса батареи;

c) оба типа батарей имеют изоляционную оболочку. Она может быть из бумаги, пластика или иных непроводящих материалов. Иногда внешняя оболочка может быть металлической (проводящей), в этом случае она изолирована от самого элемента;

d) при формировании отрицательного контакта должно быть учтено, что соответствующий вывод батареи может быть заглублен (см. 4.1.3 МЭК 60086-1:2015). Для обеспечения надежного электрического контакта, необходимо избегать полностью плоских отрицательных контактов оборудования;

e) ни при каких обстоятельствах соединители батарей или другие любые части цепей оборудования не должны контактировать с кожухом батареи. Для любой конструкции батарейных отсеков, в которых может произойти подобное, имеется риск вероятности короткого замыкания.

Примечание - Например, коническая или винтовая пружина, используемая в качестве отрицательного соединителя должна равномерно сжиматься при установке батареи и не должна соприкасаться с кожухом батареи. (Не рекомендуется применять пружинный соединитель для положительного вывода батарей.)

В.2.2 Другие важные факторы, требующие рассмотрения

a) Компаниям - изготовителям оборудования с батарейным питанием рекомендуется поддерживать тесные взаимосвязи с изготовителями батарей. Существующие характеристики батарей должны быть использованы для первоначальных расчетов конструкции. По возможности следует выбирать тип батарей, включенных в МЭК 60086-2;

b) конструкция отсека должна быть такой, чтобы батареи было легко установить, и они не выпадали из отсека;

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

d) размеры не должны быть привязаны к конкретному изготовителю батареи, так как это может создать проблемы при установке замен различного происхождения. При конструировании батарейных отсеков следует использовать размеры и допуски на размеры батарей, установленные в МЭК 60086-2;

e) необходимо четко указывать используемый тип батарей, правильную полярность группы (+ и -) и направление установки;

f) несмотря на то, что у батарей значительно улучшен такой показатель, как сопротивление утечке, она все же может иногда происходить. Если батарейный отсек не может быть полностью изолирован от оборудования, его следует располагать таким образом, чтобы минимизировать возможные повреждения при возникновении утечки;

g) конструкция электрических цепей оборудования должна быть такой, чтобы оборудование не могло функционировать при напряжении ниже 0,7 В на элемент (0,7n_s, В, где n_s - число элементов, соединенных последовательно). Результатом продолжающегося разряда ниже этого уровня может стать возникновение неблагоприятных химических реакций в элементе/батареях и течь электролита.

В.3 Специальные меры против реверсной установки

В.3.1 Общие положения

Для преодоления проблем, возникающих при реверсной установке батарей, при конструировании батарейных отсеков должны быть предприняты меры, не допускающие некорректную установку, а если такое случилось - не создающие электрический контакт.

В.3.2 Конструкция положительного контакта

Некоторые предложения по проектированию батарейных отсеков для батарей типоразмеров R03, R1, R6, R14 и R20 приведены на рисунках В.2 и В.3. Конструкцией батарейных отсеков должна быть также обеспечена возможность предотвращения перемещения батарей внутри батарейного отсека. Батарейные контакты должны быть защищены от возможности создания контакта при реверсной установке батареи.

а - правильная установка батарей	b - неправильная установка батарей

Рисунок В.2 - Положительный контакт, утопленный между ребрами

а - правильная установка батарей	b - неправильная установка батарей

Рисунок В.3 - Положительный контакт, утопленный внутри окружающего изолятора

В.3.3 Конструкция отрицательного контакта

Для батарей типоразмеров R03, R1, R6, R14 и R20 рекомендации по конструированию батарейных отсеков приведены на рисунке В.4.

а - правильная установка батарей	b - неправильная установка батарей

Рисунок В.4 - Отрицательный контакт U-образной формы, обеспечивающий невозможность контакта с положительным выводом батареи

В.3.4 Конструкция с соблюдением ориентации батарей

Во избежание возможности реверсной установки батарей рекомендуется, чтобы все батареи имели одинаковую ориентацию. Примеры приведены на рисунках В.5а и В.5b.

На рисунке В.5а показано предпочтительное размещение батарей внутри оборудования, на рисунке В.5b - альтернативное размещение.

Примечание - Защита положительного контакта должна быть аналогична приведенной на рисунках В.2 и В.3.

а - предпочтительная ориентация батарей

Рисунок В.5, лист 1 - Конструкция в отношении ориентации батареи

Примечания

1 Защита контактов должна быть аналогична приведенной на рисунках В.2 и В.3 для положительных контактов и В.4 - для отрицательных контактов.

2 Такое расположение (см. рисунок В.5b) рассматривают практически только для типоразмеров R14 и R20 из-за малых размеров площади отрицательного вывода у батарей других типоразмеров (размер С соответствующей спецификации).

b - альтернативное размещение батарей

Рисунок В.5, лист 2

В.3.5 Размеры

В таблице В.1 приведены критические размеры деталей выводов батарей и рекомендованные размеры для положительного контакта оборудования. При следовании указаниям, приведенным на рисунке В.6, и соблюдении размеров, указанных в таблице В.1, установка батарей впоследствии реверсно, когда отрицательный вывод будет обращен к положительному контакту устройства, приведет к ситуации "отказа по безопасности", т.к. будет отсутствовать электрический контакт.

Таблица В.1 - Размеры выводов батарей и рекомендованные размеры положительных контактов оборудования, приведенные на рисунке В.6

В миллиметрах

Обозначение типоразмера батарей	Размер отрицательного вывода батареи	Размер положительного вывода батареи		Рекомендованный размер положительного вывода согласно рисунку В.6
	d6 a, не менее	d3 a, не более	h3 a, не менее	X	Y
R20, LR20	18,0	9,5	1,5	9,6-11,0	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
а В соответствии с МЭК 60086-2.

а - правильная установка батарей	b - неправильная установка батарей

Примечание - Положительный контакт оборудования утоплен в окружающий изолятор.

Рисунок В.6 - Пример конструкции положительного контакта оборудования

Диаметр утопленного отверстия более диаметра положительного вывода батареи (d₃), но менее диаметра (d₆) отрицательного вывода батареи. Установка батарей в соответствии с рисунком В.6а является корректной. На рисунке В.6 показана реверсная установка батарей. В этом случае отрицательный вывод батареи контактирует только с соприкасающимся с ним изолятором, что предотвращает электрический контакт.

Буквы на рисунке В.6 обозначают следующее:

d₆ - минимальный внешний диаметр поверхности контакта отрицательного вывода батареи;

d₃ - максимальный диаметр положительного контакта в пределах указанной высоты выступа;

h₃ - минимальный выступ плоского положительного контакта;

X - диаметр углубления под положительный контакт с положительным выводом батареи. Размер X должен быть более размера d₃, но менее размера d₆;

Y - глубина углубления (глухого отверстия) под положительный контакт с положительным выводом батареи. Размер Y должен быть менее размера h₃.

В.4 Специальные меры по предотвращению короткого замыкания батарей

В.4.1 Меры по предотвращению короткого замыкания, связанного с дефектами защитного покрытия батареи

Стальной корпус щелочных марганцевых батарей, покрытый изолирующей оболочкой [см. В.2.1, перечисление с)], имеет то же напряжение, что и положительный вывод. В случае разреза или прокалывания изолирующей оболочки внутри оборудования любой частью проводящей цепи внутри оборудования возможно короткое замыкание, как показано на рисунке В.7 (необходимо отметить, что описанное повреждение может быть усугублено, если прибор подвергается физическому воздействию, такому как ненормальная вибрация, падение и т.п.).

Примечания

1 Потенциальная опасность короткого замыкания описана в В.1.3.

2 Несмотря на то, что пример, приведенный на рисунке В.7, обычно относится к системам щелочных марганцевых батарей, батареи, рассматриваемые в настоящем приложении, являются взаимозаменяемыми (см. В.2.1).

Рисунок В.7 - Пример короткого замыкания - выключатель проткнул изолирующую оболочку батареи

Предохранительная мера: Изоляционный материал, размещенный как показано на рисунке В.8, обеспечивает предотвращение повреждения оболочки батареи выключателем.

Рисунок В.8 - Типичный пример изолирования для предотвращения короткого замыкания

Очень важно, чтобы никакие части оборудования или электрических цепей оборудования, включая заклепки или винты, используемые для защиты батарейных контактов и т.п., не допускали контакта с корпусом батареи/оболочкой.

В.4.2 Меры по предотвращению короткого замыкания при использовании для соединения батареи спирального пружинного контакта

В результате попытки установки батареи (сначала положительным (+) выводом в направлении вперед), как показано на рисунке В.9, возможно перекашивание отрицательного (-) пружинного контакта и последующее разрезание или прокалывание изоляционной оболочки батареи при установке батареи в край пружины, как показано на рисунке В.10.

Рисунок В.9 - Установка в край пружины (следует избегать)

а - пружина проскальзывает снизу оболочки и контактирует с металлическим корпусом	b - оболочка батареи проколота

Рисунок В.10 - Примеры перекашивания пружин

Профилактическая мера: В целях исключения ситуации, показанной на рисунке В.10, рекомендовано конструировать батарейный отсек таким образом, чтобы при правильной установке батареи (отрицательным выводом в направлении вперед) пружина сжималась равномерно, как показано на рисунке В.11. Это обеспечивает изолированная направляющая над отрицательным соединителем (см. рисунок В.11).

Рисунок В.11 - Один из примеров защищенной установки

Конец спирального контакта, т.е. часть конечного контакта с батареей сжимается по центру спирали таким образом, что нет острой кромки, представляющей опасность для оболочки батареи.

Диаметр проводника спиральной пружины должен соответствовать указанному в таблице В.2. Пружинный контакт должен сжиматься с достаточным усилием, чтобы в батареях был и постоянно поддерживался надежный электрический контакт. Однако давление пружинного контакта не должно быть настолько сильным, чтобы мешать легкой установке и удалению батарей. Чрезмерное давление пружинного контакта может быть причиной разрезания и прокалывания изоляционной оболочки или деформации контакта, что может стать причиной короткого замыкания и/или течи электролита.

В таблице В.2 приведены рекомендованные диаметры пружинного проводника.

Пружинный кольцевой контакт применяют только для соединения с отрицательными выводами цилиндрических батарей.

Таблица В.2 - Минимальный диаметр проводника

Тип батарей		Минимальный диаметр проводника, мм
R20	LR20	0,8
R14	LR14	0,8
R6	LR6	0,4
R03	LR03	0,4
R1	LR1	0,4

В.5 Особые соображения относительно заглубленных отрицательных контактов

МЭК 60086-2 устанавливает максимальный размер заглубления отрицательного вывода относительно внешней оболочки. Во многих батареях типоразмеров R20, LR20, R14 и LR14 имеется заглубленный отрицательный вывод. Некоторые батареи снабжены защитными выступами изоляционной пластмассы на отрицательном выводе для предотвращения электрического контакта, если батарея реверсирована.

Примечание - Крайне важно, чтобы вышеупомянутые формы и размеры отрицательных выводов батареи были приняты во внимание на ранней стадии проектирования отрицательного контакта прибора. Конкретные меры предосторожности трех видов контактов, которые обычно используют, приведены ниже.

a) При использовании спирального пружинного контакта в качестве отрицательного контакта на оборудовании диаметр внешнего кольца, соприкасающегося с батареей, должен быть менее d₆;

b) При изготовлении отрицательного контакта из нарезанного и формованного листового металла (см. рисунок В.12) необходимо, чтобы размеры h₄ и d₆ соответствовали приведенным в таблице В.3. В соответствии с рисунком В.12 следует предусмотреть выступ/типун. Этот выступ/типун должен быть достаточной глубины для того, чтобы превысить любое углубление в выводе батареи (размер h₄). Несоблюдение этого указания может привести к потере контакта с батареей;

c) Если в качестве отрицательного контакта оборудования предполагается использовать плоскую металлическую пластину, необходимо чтобы один или более типуна/выступов обеспечивали надежный контакт батареи. Выступы должны быть достаточной высоты, чтобы превысить любое углубление в отрицательном выводе батареи (размер h₄) и разместиться в пределах выводного контакта батареи (размер d₆).

а - спиральная пружина	b - пружинная пластина

Рисунок В.12 - Примеры отрицательных контактов

Таблица В.3 - Размеры отрицательного вывода батарей

Размеры в миллиметрах

Типоразмер батарей	Максимальный размер заглубления отрицательного вывода батареи h4 a	Внешний диаметр контактной поверхности для отрицательного вывода батареи d6 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
а Описано МЭК 60086-2.

Размеры батарейного отсека не должны быть применены только конкретным изготовителем, так как это может создать проблемы при замене батареями различных производителей.

Детальные размеры, в частности связанные с положительным и отрицательным выводами, приведены на рисунках 1а и 1b МЭК 60086-2:2015 и в спецификациях батарей, приведенных в МЭК 60086-2.

В.6 Влагозащищенное и невентилируемое оборудование

Очень важно, чтобы удаление водорода, выделяющегося из батарей, осуществлялось с помощью реакции рекомбинации или он мог бы выходить наружу, в противном случае при возникновении искры может произойти поджог накопленной водородно-воздушной смеси и взрыв оборудования. При конструировании оборудования подобного назначения следует руководствоваться рекомендациями изготовителей батарей [см. добавленную инструкцию в 7.1, перечисление n].

В.7 Другие требования к конструкции

a) Контакт батареи с электрической цепью должен быть осуществлен только через выводы батареи. Батарейный отсек должен быть электрически изолирован от электрической цепи и расположен таким образом, чтобы минимизировать возможную опасность и/или риск нанесения повреждения от утечки электролита из батареи;

b) многие виды оборудования проектируют с учетом возможности работы с альтернативным источником питания (например, от сети, дополнительных батарей и т.п.). Это в частности относится к поддержке памяти устройств с использованием первичных батарей. В этом случае при конструировании электрических цепей оборудования должно быть следующее:

1) либо предотвращена возможность заряда первичной батареи;

2) либо в состав цепи включено устройство для защиты первичной батареи, например диоды, таким образом, чтобы обратный зарядный ток, проходящий через защитное(ые) устройство(а) на первичную батарею, не превышал значений, установленных изготовителем.

Любая схема предполагаемого защитного устройства должна соответствовать типу и электрохимической системе применяемой первичной батареи и, предпочтительно, не подвергаться однокомпонентному отказу. Рекомендуется, чтобы разработчики оборудования получали консультации от изготовителя батареи относительно схемы защиты при ее использовании для поддержки памяти устройств.

Несоблюдение этих мер предосторожности может привести к сокращению срока службы батареи, течи или взрыву;

c) форма положительного (+) и отрицательного (-) выводов батарейного контакта должна быть визуально различима во избежание путаницы при установке батарей;

d) материал, из которого изготовлены соединительные контакты, должен быть с минимальным электрическим сопротивлением и совместим с материалом выводов батареи;

e) батарейный отсек должен быть из непроводящего материала, теплостойкого, невоспламеняемого и иметь надежный теплоотвод. Он должен быть устойчивым к деформации при установке батарей;

f) оборудование, спроектированное для питания батареями с воздушной деполяризацией либо А-систем, либо Р-систем, должно обеспечивать достаточный доступ воздуха. Батареи А-системы во время нормальной работы должны быть размещены предпочтительно в вертикальном положении;

g) батарейные отсеки с параллельными соединениями недопустимы, если не доказано, что реверсная установка одной или нескольких батарей не влияет на их безопасность.

h) последовательное соединение батарей с несколькими выходами напряжения, как показано на рисунке В.13, не рекомендуется, так как разряженная секция может быть подвергнута обратному напряжению.

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

Рисунок В.13 - Пример дробного отведения напряжения при последовательном соединении батареи

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

1) образование газа в принудительно разряженной(ых) батарее(ях);

2) активация механизма сброса;

3) течь электролита.

Примечание - Батарейные электролиты представляют собой опасность для человеческой кожи.