Первичная литиевая батарея

Первичная литиевая батарея предназначена для основного и резервного обеспечения электроэнергией систем телемеханики и аварийной сигнализации, автономной диагностической аппаратуры внутритрубных инспекционных приборов нефтепроводов и газопроводов. Батарея содержит, по крайней мере, одну цепь последовательно включенных первичных литиевых источников тока (ИТ), соединенных с токовыводами, а также, по крайней мере, один дополнительный токовывод, соединенный с цепью последовательно соединенных ИТ. При этом каждая электрическая цепь между двумя любыми токовыводами, содержащая, по крайней мере, один ИТ, содержит последовательно включенные, по крайней мере, один предохранитель и, по крайней мере, один диод. 1 н.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве батарей из первичных химических источников тока (ИТ), предназначенных для основного и резервного обеспечения электроэнергией систем телемеханики и аварийной сигнализации, автономной диагностической аппаратуры внутри-трубных инспекционных приборов нефтепроводов и газопроводов, а также для применения в качестве автономных источников питания других различных электронных устройств и приборов.

Известна первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельных цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первичных литиевых источников тока (ИТ), объединенных в едином корпусе, оборудованном контактными выводами, при этом батарея дополнительно снабжена электронным регулятором, который содержит диоды, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, и, по крайней мере, два диода, подключенных последовательно после каждого ИТ, являющегося последним в каждой цепи последовательно соединенных ИТ, при этом батарея содержит литиевые ИТ одной электрохимической системы, а все цепи содержат одинаковое количество ИТ, при этом разность между значениями выходного напряжения батареи без внешней нагрузки и выходного напряжения батареи под нагрузкой не превышает четырехкратного значения выходного напряжения любого ИТ батареи, измеренного без нагрузки (см. патент на полезную модель №43106, МПК Н01М 10/48, опубл. 27.12.2004 г.).

Однако батарея известной конструкции обладает недостаточной надежностью вследствие возможности внутрисхемных замыканий в процессе эксплуатации. Это приводит к перегреву ИТ, его последующему взрыву и выходу батареи из строя в целом. Вместе с тем, батареи присущи низкие потребительские свойства вследствие невозможности диагностирования состояния ИТ в отдельности и цепей из них, например, в процессе сборки для предотвращения внутрисхемных замыканий.

Известна также первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельных цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первичных литиевых источников тока (ИТ), объединенных в едином корпусе, оборудованном контактными выводами, при этом батарея дополнительно снабжена электронным регулятором, который содержит диоды, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, и, по крайней мере, два диода, подключенных последовательно после каждого

ИТ, являющегося последним в каждой цепи последовательно соединенных ИТ, при этом каждая цепь последовательно соединенных первичных литиевых ИТ дополнительно снабжена предохранителем, включенным между общим проводом всех параллельных цепей и первым ИТ цепи. Вместе с тем, по крайней мере, одна цепь последовательно соединенных первичных литиевых ИТ может быть дополнительно снабжена предохранителями, включенными между каждым ИТ цепи и его соединением с диодом, включенным параллельно ИТ (см. патент на полезную модель №46388, МПК Н01М 10/48, опубл. 27.06.2005 г.).

Батарея известной конструкции также обладает недостаточной надежностью и низкими потребительскими качествами. Это обусловлено тем, что в конструкции батареи также не предусмотрено штатное диагностирование ИТ и цепей из них, например, на предмет наличия внутрисхемных замыканий, что может впоследствии привести к выходу батареи из строя. Вместе с тем при попытке снятия данных для оценки состояния ИТ и диагностирования состояния батареи с имеющихся контактных выводов возможен заряд ИТ, в частности, неисправного, что приведет в его нагреву, взрыву и выходу из строя батареи в целом.

Наиболее близкой к предложенному техническому решению является известная первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельно соединенные с токовыводами через термопредохранитель электрические цепи, состоящие из первичных литиевых элементов, каждый из которых имеет параллельно соединенный с ним диод, при этом каждая электрическая цепь имеет защитное средство в виде последовательно включенного в нее диода, причем батарея имеет контрольные выводы, каждый из которых соединен с одной соответствующей цепью в точке, расположенной между последним первичным литиевым элементом цепи и последовательно включенным диодом. Каждый контрольный вывод батареи может быть соединен с соответствующей электрической цепью через высокоомный резистор. При этом батарея может быть снабжена дополнительными контрольными выводами по числу остальных первичных литиевых элементов, кроме последних, а каждый из дополнительных контрольных выводов соединен с положительным выводом соответствующего первичного литиевого элемента (см. патент РФ на полезную модель №45204, МПК Н01М 10/00, опубл. 27.04.2005 г.).

Известная конструкция батареи предусматривает проведение профилактических работ путем снятия контрольных значений напряжения, например, с дополнительных токовыводов, что дает некоторое представление о состоянии каждой цепи последовательно подключенных ИТ. При этом в конструкции батареи предусмотрена возможность

обнаружения внутрисхемных замыканий точек с разными потенциалами как в процессе ее изготовления, так и эксплуатации. Однако известная батарея имеет ряд существенных недостатков. Через предусмотренные конструкцией контрольные выводы возможен заряд ИТ, а также разряд токами, превышающими допустимые значения, в случае, если контрольный вывод соединен с цепью ИТ через низкоомный резистор. Это может приводить к саморазогреву ИТ и последующему взрыву, что недопустимо. В случае, если контрольные выводы соединены с цепью последовательно соединенных ИТ через высокоомный резистор, то разряд ИТ большими токами практически исключается, но возможность заряда ИТ сохраняется, что также является недопустимым. Кроме того, контрольные выводы в приведенной конструкции с высокоомным резистором не позволяют определять межсхемные замыкания, например, корпусов ИТ, имеющих одинаковый потенциал. В процессе эксплуатации батареи, например, после частичного ее разряда, между замкнутыми корпусами, например, после отключения батареи от нагрузки, могут протекать как разрядные, так и зарядные токи, которые могут привести к разогреву и взрыву отдельных ИТ и батареи в целом. Это указывает на недостаточную надежность батареи и ее низкие потребительские свойства, поскольку затруднено полное и однозначное диагностирование наличия внутрисхемных замыкания батареи как в процессе ее изготовления, так и при эксплуатации.

Задачей настоящей полезной модели является создание конструкции батареи с повышенной надежностью и обладающей улучшенными потребительскими свойствами за счет возможности полного диагностирования батареи на предмет наличия внутрисхемных замыканий.

Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является предотвращение двухстороннего протекания тока через ИТ и обеспечение санкционированного одностороннего его протекания через ИТ со значением не превышающим допустимое.

Указанный технический результат достигается тем, что в первичной литиевой батарее, содержащей, по крайней мере, одну цепь последовательно включенных первичных литиевых источников тока (ИТ), соединенных с токовыводами, а также, по крайней мере, один дополнительный токовывод, соединенный с цепью последовательно соединенных ИТ, согласно полезной модели, каждая электрическая цепь между двумя любыми токовыводами, содержащая, по крайней мере, один ИТ, содержит последовательно включенные, по крайней мере, один предохранитель и, по крайней мере, один диод.

Количество дополнительных токовыводов целесообразно выполнять не менее количества цепей последовательно соединенных первичных литиевых ИТ.

Наличие в любой электрической цепи первичной литиевой батареи между двумя любыми токовыводами, как дополнительными, так и основными, содержащей ИТ, последовательно включенных, по крайней мере, одного предохранителя и диода приводит к следующему.

При превышении тока нагрузки выше допустимого предохранитель разрывает электрический контур между токовыводами, где содержится ИТ, и таким образом, предотвращает возможную разгерметизацию, саморазогрев и взрыв ИТ. В связи с этим целесообразно подбирать предохранитель из такого расчета, чтобы величина его тока срабатывания не превышала допустимый ток нагрузки ИТ. Кроме того, целесообразно, чтобы величина электрического сопротивления соединения от дополнительного токовывода до места его соединения с цепью последовательно соединенных ИТ не превышала величину отношения рабочего напряжения батареи к допустимому току нагрузки любого ИТ этой цепи, а величина тока срабатывания, по крайней мере, одного предохранителя, находящегося между любыми двумя токовыводами батареи, не превышала допустимый ток нагрузки ИТ.

Вместе с тем, при наличии дополнительного токовывода исключается несанкционированная зарядка через него ИТ вследствие последовательного включения в контур между токовыводами с ИТ диода, который не пропускает ток в обратном направлении.

Целесообразно выполнение дополнительных токовыводов не менее количества цепей последовательно соединенных первичных литиевых ИТ, тем самым достигается возможность полной диагностики батареи на предмет наличия внутрисхемных замыканий. Вместе с тем, при количестве цепей равном двум, наличие только одного дополнительного токовывода позволяет определить наличие внутрисхемных замыканий, в том числе корпусов ИТ, имеющих одинаковый потенциал.

Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1-3 изображены примеры электрических принципиальных схем предложенной первичной литиевой батареи.

Буквенные обозначения на фиг.1-3 соответствуют следующему: UT_1.1-UT_N.M - первичные литиевые ИТ (где N - количество параллельных цепей; М - количество последовательных соединенных ИТ в каждой из параллельных цепей); R_1.1-R_N.M - предохранители, включенные последовательно с ИТ UT _1.1-UТ_N.M; D_1.1 -D_N.M - диоды, включенные последовательно с ИТ UT_1.1-UT_N.M; T_1.1-T_N.M - дополнительные токовыводы,

соединенные с цепью последовательно соединенных ИТ UT_1.1-UT_N.M; D _1.общ-D_N.общ - диоды, исключающие заряд отдельных цепей за счет энергии других цепей; R _общ - предохранители, включенные последовательно между плюсовым и минусовым токовыводом батареи.

Первичная литиевая батарея может содержать одну цепь последовательно соединенных первичных литиевых ИТ UT_1.1-UT _1.3, соединенных плюсовым и минусовым токовыводами батареи (фиг.1). Батарея содержит дополнительные токовыводы T _1.1-T_1.2, количество которых равно двум, соединенные с цепью последовательно соединенных ИТ UT _1.1-UT_1.3.

При этом каждая электрическая цепь между двумя любыми токовыводами, содержащая, по крайней мере, один ИТ, содержит последовательно включенные, по крайней мере, один предохранитель и, по крайней мере, один диод (таблица 1).

Целесообразно подбирать предохранители R_1.1, R_1.2 и R _общ из такого расчета, чтобы величина их тока срабатывания не превышала допустимый ток нагрузки любого из ИТ (UT _1.1, UT_1.2 и UT_1.3 ), при этом величина электрического сопротивления соединения от дополнительного токовывода до места его соединения с цепью последовательно соединенных ИТ не должна превышать величину отношения рабочего напряжения батареи к допустимому току нагрузки любого ИТ этой цепи. При таком условии при превышении тока нагрузки выше допустимого предохранители разрывают электрический контур между любыми двумя токовыводами, где содержится хотя бы один ИТ.

Вместе с тем, исключается несанкционированный заряд ИТ через любые два токовывода вследствие включения в контур между любыми двумя токовыводами диодов D_1.1, D_1.2 и D_1.общ, которые пропускают электрический ток только в прямом направлении.

Для приведенного примера исполнения батареи величина электрического сопротивления соединения от дополнительного токовывода до места его соединения с цепью последовательно соединенных ИТ для разрядного тока практически равна нулю. Это позволяет при диагностировании батареи нагружать ИТ любыми токами в пределах допустимых значений.

Первичная литиевая батарея может содержать N цепей последовательно включенных первичных литиевых ИТ. При этом каждая цепь содержит М ИТ: UT_1.1-UT_N.M , соединенных с токовыводами (плюсовым и минусовым) (фиг.2). Батарея содержит дополнительные токовыводы Т_1.1 -T_N.1, каждый из которых подключен к одной из цепей последовательно включенных ИТ.

В этой схеме имеется 2·N электрических цепей между двумя любыми токовыводами, содержащих, по крайней мере, один ИТ. Это цепи между плюсовым и минусовым токовыводами батареи и, соответственно, между минусовым токовыводом батареи и токовыводами T_1.1 -T_N.1. При этом каждая из цепей содержит последовательно включенные, по крайней мере, один предохранитель и, по крайней мере, один диод.

Так, например, первая цепь между минусовым и плюсовым токовыводами содержит два диода D _1.1 и D_1.общ и два предохранителя R_1.1 и R_1.общ, а цепь между минусовым токовыводом и токовыводом T _1.1 - один диод D_1.1 и один предохранитель R_1.1.

Ток в каждой цепи ограничивается током срабатывания предохранителя в этой цепи R _1.1-R_N.1, величина которого не превышает допустимые значения тока для любого ИТ цепи. При превышении допустимых значений разрядного тока цепь будет разорвана в связи со срабатыванием предохранителя.

Заряд ИТ в приведенной схеме (фиг.2) исключен, так как в любой цепи между двумя любыми токовыводами включен, по крайней мере, один диод, который не пропускает ток в обратном (зарядном) направлении.

Величина электрического сопротивления соединения от каждого дополнительного токовывода до места соединения с соответствующей цепью последовательно соединенных ИТ для разрядного тока практически равна нулю. Это позволяет при диагностировании батареи нагружать цепи любыми токами в пределах допустимых значений.

Конструкция батареи, выполненная по приведенной схеме (фиг.2), позволяет определить внутрисхемные замыкания корпусов ИТ, имеющие одинаковые потенциалы путем нагрузки (последовательной и поочередной) каждой цепи допустимым разрядным током и контролем напряжения (одновременным) всех цепей, что является существенным отличием от прототипа.

Первичная литиевая батарея также может содержать N цепей последовательно включенных первичных литиевых ИТ. При этом каждая цепь содержит М ИТ: UT_1.1-UT _N.M, соединенных с плюсовым и минусовым токовыводами батареи (фиг.3). Батарея содержит дополнительные токовыводы T _1.1-T_N.М, каждый из которых подключен к цепи последовательно включенных ИТ, при этом в каждой цепи после каждого ИТ имеется подключение дополнительного токовывода.

Отличием данной батареи от батареи, приведенной на фиг.2, является то, что конструкция батареи по схеме, приведенной на фиг.3 предусматривает диагностирование не только отдельных последовательных цепей, но и каждого ИТ.

Ток в каждой цепи ограничивается током срабатывания предохранителей в этой цепи, величина которых не превышает допустимые значения тока для любого ИТ цепи. При превышении допустимых значений разрядного тока цепь будет разорвана в связи со срабатыванием предохранителя.

Заряд ИТ в приведенной схеме также исключен, так как в любой цепи между двумя любыми токовыводами включен, по крайней мере, один диод, который не пропускает ток в обратном (зарядном) направлении. Например, между токовыводами T_1.1 и T_1.2 включен диод D_1.2 не допускающий заряда ИТ UT_1.2.

В качестве диодов D _1.1...D_N.M могут быть использованы, например, отечественные кремниевые диоды типа 2Д213А, Б, ГОСТ В22468-77 и 3.362.008 ТУ или зарубежные диоды Шоттки серии 12CTQ040 производства «International Rektifier», (США).

В качестве предохранителей R_1.1...R _N.M могут быть использованы самовосстанавливающиеся предохранители, например, типа RUE 160 производства Тyсо Electronics Corporation Raychem CIRCUIT PROTECTION.

Первичная литиевая батарея используется следующим образом.

После сборки, хранения или транспортировки батарея подключается к нагрузке и в процессе эксплуатации первичная литиевая батарея характеризуется равномерным распределением токов по параллельным цепям и дальнейшим плавным снижением выходного напряжения батареи по сравнению с ее выходным напряжением без нагрузки.

К минусовым и плюсовым токовыводам батареи подключается нагрузка, питающаяся от батареи.

В процессе работы батареи, как правило, возникает необходимость проведение профилактических работ путем снятия контрольных значений тока и напряжения, например, с дополнительных токовыводов T _1.1- T_N.M. Это дает представление о состоянии ИТ, цепей ИТ в целом, а также позволяет обнаруживать наличие внутрисхемных замыканий. При этом через предусмотренные конструкцией контрольные выводы невозможен заряд ИТ, а также разряд токами, превышающими допустимые значения, что исключает разогрев и взрыв ИТ.

Это обусловлено наличием, по крайней мере, одного предохранителя и, по крайней мере, одного диода, последовательно включенных в каждую электрическую цепь между двумя любыми токовыводами, содержащую, по крайней мере, один ИТ.

Таким образом, конструкция предложенной батареи обладает повышенной надежностью и улучшенными потребительскими свойствами за счет возможности полного диагностирования батареи на предмет наличия внутрисхемных замыканий при отсутствии двухстороннего протекания тока через ИТ и обеспечение санкционированного одностороннего протекания через ИТ тока допустимого значения.

1. Первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, одну цепь последовательно включенных первичных литиевых источников тока (ИТ), соединенных с токовыводами, а также, по крайней мере, один дополнительный токовывод, соединенный с цепью последовательно соединенных ИТ, отличающая тем, что каждая электрическая цепь между двумя любыми токовыводами, содержащая, по крайней мере, один ИТ, содержит последовательно включенные, по крайней мере, один предохранитель и, по крайней мере, один диод.

2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что количество дополнительных токовыводов выполнено не менее количества цепей последовательно соединенных первичных литиевых ИТ.