Первичная литиевая батарея
Полезная модель относится к области электротехники, а именно первичной батареи для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, 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 внутритрубных инспекционных приборов нефтепроводов и газопроводов. Батарея содержит, по крайней мере, одну цепь последовательно соединенных первичных литиевых ИТ (1), положительный и отрицательный выводы которой подключены, соответственно, к положительному и отрицательному токовыводам батареи. Батарея снабжена полевым транзистором (2) и источником опорного напряжения (3) с положительным и отрицательным выводами. Проводящий канал полевого транзистора (2) включен между одним из выводов цепи ИТ (1) и токовыводом батареи. Источник опорного напряжения (3) соединен выводом одноименной полярности с другим выводом цепи ИТ (1), а выводом противоположной полярности - с затвором полевого транзистора (2). 1 н.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 2 илл.
Полезная модель относится к области электротехники, в частности, электрическому оборудованию, а именно первичной батареи для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, 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 внутритрубных 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 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 РФ на полезную модель №43106, МПК Н01М 10/48, опубл. 27.12.2004 г.).
Однако, диодная защита, присутствующая в известной батареи, не исключает возможности возникновения внутрисхемных замыканий, например, замыкания всей последовательно соединенной цепи ИТ или ее части. Последствия таких внутрисхемных замыканий могут приводить к разряду батареи ниже значения ее конечного напряжения разряда, и, как следствие, к взрыву батареи внутри герметичного батарейного отсека, разрушению батарейного отсека, что приводит к снижению безопасности при эксплуатации батареи. Вместе с тем, при несрабатывании систем безопасности устройства, в котором эксплуатируется (разряжается) батарея, например, инспекционного прибора газопровода, отключающих батарею в случае ее разряда до значения конечного
напряжения разряда, это также приводит к несанкционированному глубокому разряду батареи, что не допустимо и может привести к разрушению (взрыву) батареи.
Известна также первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельных цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первичных литиевых 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. 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 РФ на полезную модель №46388, МПК Н01М 10/48, опубл. 27.06.2005 г.).
Известная батарея также снабжена диодной защитой и предохранителями для исключения последствий внутрисхемных замыканий. Однако, даже при отсутствии внутрисхемных замыканий возможно возникновение ситуации, сопровождающейся разрядом батареи ниже ее конечного напряжения разряда. Это обусловлено отсутствием в конструкции батареи средств от подобной разрядки и наличие их в устройствах, использующих батарею как источник питания. В случае несрабатывании таких средств защиты возможен глубокий разряд батареи, что в целом указывает на недостаточную надежность и безопасность батареи.
Известна 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.).
Недостатки известной батареи следующие. Через предусмотренные конструкцией контрольные выводы возможен как заряд ИТ, так и 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. Вместе с тем, 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 также могут привести к разогреву и взрыву отдельных ИТ и батареи в целом. При этом защитные и предохранительные устройства известной батареи не защищают ее от последствий глубокого разряда, что указывает на недостаточную надежность и безопасность батареи.
Известна первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельных цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первичных литиевых ИТ, при этом батарея дополнительно снабжена диодами, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, и диодами, каждый из которых подключен последовательно после каждого ИТ, являющимся последним в каждой цепи последовательно соединенных ИТ, а между каждыми параллельными соединениями двух соседних ИТ с соответствующими им диодами последовательно включен самовосстанавливающийся предохранитель (см. патент РФ на полезную модель №62292, МПК Н01М 10/48, опубл. 10.04.2007 г.).
Однако, известная первичная литиевая батарея, оснащенная диодной защитой и предохранителями от последствий внутрисхемных замыканий и заряда ИТ, не содержит надежного механизма предотвращения глубокого разряда батареи в процессе эксплуатации, и как следствие, переполюсовки ИТ и их разгерметизации. Это указывает на недостаточную надежность и безопасность батареи в целом.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, одну цепь последовательно включенных первичных литиевых 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 (см. патент РФ на полезную модель №62484, МПК Н01М 10/48, опубл. 10.04.2007 г.).
Известная конструкция обеспечивает предотвращение течения тока через ИТ в обратном (зарядном) направлении. Однако, при глубоком разряде батареи возможен переразряд отдельных ИТ, имеющих меньшую электрическую емкость по сравнению с другими ИТ, что может привести к их разгерметизации (взрыву) и указывает на недостаточную безопасность батареи в целом.
Задачей настоящей полезной модели является создание конструкции батареи с повышенной безопасностью, обусловленной исключением глубокого разряда батареи, т.е. разряда ниже значения ее конечного напряжения разряда.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является отключение нагрузки от батареи посредством отключения цепи ИТ от токовыводов батареи за счет значительного увеличения внутреннего сопротивления батареи при достижении значения рабочего напряжения батареи в процессе ее разряда значения конечного напряжения разряда.
Указанный технический результат достигается тем, что первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, одну цепь последовательно соединенных первичных литиевых ИТ, положительный и отрицательный выводы которой подключены, соответственно, к положительному и отрицательному токовыводам батареи, согласно полезной модели, снабжена полевым транзистором и источником опорного напряжения с положительным и отрицательным выводами, причем проводящий канал полевого транзистора включен между одним из выводов цепи ИТ и токовыводом батареи, источник опорного напряжения соединен выводом одноименной полярности с другим выводом цепи ИТ, а выводом противоположной полярности источник опорного напряжения соединен с затвором полевого транзистора.
Первичная литиевая батарея может быть снабжена термопредохранителем или самовосстанавливающимся предохранителем, которые конструктивно размещены в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и электрически включенным последовательно с проводящим каналом полевого транзистора, при этом температура срабатывания термопредохранителя или самовосстанавливающегося предохранителя не превышает максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора.
Под «термопредохранителем» в настоящем описании полезной модели понимается одноразовый предохранитель, размыкающий цепь, если температура окружающей
среды в контуре превышает номинальную температуру срабатывания предохранителя.
Под «самовосстанавливающимся предохранителем» в настоящем описании полезной модели понимается предохранитель, содержащий резистор, например, полимерный, сопротивление которого резко увеличивается под воздействием проходящего тока или температуры окружающей среды и восстанавливается до начальных величин после устранения этих причин.
Указанный технический результат достигается за счет следующего.
Полевой транзистор используется как элемент, позволяющий разорвать цепь при достижении на токовыводах батареи значения конечного напряжения разряда. При этом источник опорного напряжения служит как источник эталонного напряжения, значение которого не превышает значения конечного (безопасного) напряжения разряда на токовыводах батареи.
В силу своего включения, а именно проводящий канал полевого транзистора включен последовательно с одним из токовыводов цепи ИТ между одним из выводов цепи ИТ и токовыводом батареи, источник опорного напряжения соединен выводом одноименной полярности с другим выводом цепи ИТ, при этом выводом противоположной полярности источник опорного напряжения соединен с затвором полевого транзистора, проводящий канал полевого транзистора открывается при значении напряжения на выводах цепи ИТ, большем чем значение напряжения на источнике опорного напряжения и закрывается, при значении напряжения на выводах цепи ИТ меньшим значения напряжения на источнике опорного напряжения.
При закрытии проводящего канала полевого транзистора мгновенно резко повышается внутреннее сопротивление батареи (в миллионы раз), при этом происходит отключение цепи ИТ от токовыводов батареи и, соответственно, отключение нагрузки от батареи.
Таким образом, происходит снятие нагрузки с батареи посредством отключения цепи ИТ от токовыводов батареи при достижении значения рабочего напряжения батареи ниже значения конечного напряжения разряда батареи, что значительно повышает безопасность батареи вследствие исключения ее глубокого разряда.
Наличие термопредохранителя или самовосстанавливающегося предохранителя обусловлено следующим. При значении напряжения цепи ИТ меньшем значения напряжения на источнике опорного напряжения, после срабатывания полевого транзистора, например, закрытии проводящего канала полевого транзистора, при мощных нагрузках возможен тепловой пробой полевого транзистора, вследствие превышения
текущей рабочей температуры полевого транзистора значения его максимально допустимой температуры эксплуатации. Для исключения этого, в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора размещен термопредохранитель или самовосстанавливающийся предохранитель, который, нагреваясь от полевого транзистора, при достижении определенной температуры (в пределах допустимой рабочей температуры полевого транзистора) срабатывает, дополнительно разрывая цепь, прекращая протекание токов через полевой транзистор. При этом требование о температуре срабатывания предохранителя, не превышающей максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, необходимо для осуществления отключения полевого транзистора до его выхода из строя от перегрева.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 - представлен пример принципиальной схемы предложенной первичной литиевой батареи; на фиг.2 - то же, с примером выполнения источника опорного напряжения.
Цифрами на чертеже обозначены: 1 - первичные литиевые ИТ; 2 - полевой транзистор; 3 - источник опорного напряжения; 4 - предохранитель, размещенный в зоне теплового потока от полевого транзистора 2.
Первичная литиевая батарея содержит, по крайней мере, одну цепь последовательно включенных первичных литиевых ИТ 1, в количестве необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости (энергии), объединенных в прочном едином защитном герметичном корпусе, выполненном в виде блока, оборудованным контактными положительным и отрицательным токовыводами. При этом положительный и отрицательный выводы цепи ИТ 1 подключены с однополярными выводами батареи: положительный вывод цепи ИТ 1 с положительным токовыводом батареи, а отрицательный вывод цепи ИТ 1 с отрицательным токовыводом батареи.
Батарея снабжена полевым транзистором 2 и источником опорного напряжения 3 с положительным и отрицательным выводами.
Проводящий канал полевого транзистора 2 включен между одним из выводов цепи ИТ 1, например, отрицательным, и токовыводом батареи, также отрицательным.
Источник 3 опорного напряжения соединен выводом одноименной полярности с другим токовыводом цепи ИТ 1, например, с положительным токовыводом.
При этом выводом противоположной полярности («минус») источник 3 опорного напряжения соединен с затвором полевого транзистора 2.
Последовательно с проводящим каналом полевого транзистора 2 между ним и токовыводом «минус» в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора 2 включен самовосстанавливающийся предохранитель 4 (фиг.1).
Находясь в тепловом контакте с полевым транзистором 2, вышеуказанный самовосстанавливающийся предохранитель 4 включен последовательно с цепью ИТ 1.
Температура срабатывания предохранителя 4 не должна превышать максимально допустимую рабочую температуру (температуру эксплуатации) полевого транзистора 2.
В качестве полевого транзистора 2 могут быть использованы, например, полевые транзисторы IRLR2905, IRL 2505, IRL 2705 производства International Rectifier (IR).
В качестве источника 3 опорного напряжения могут быть использованы химические источники тока, цепи последовательно соединенных химических источников тока на необходимо напряжение, а также различные электронные устройства (стабилизаторы, преобразователи напряжения), которые, например, преобразуют напряжение батареи в опорное напряжение необходимой величины.
В качестве источника 3 опорного напряжения может быть использована пассивная цепь, состоящая из резистора и стабилитрона (набора стабилитронов) на необходимую величину опорного напряжения, подключенная к полевому транзистору и выводом цепи ИТ (фиг.2).
В качестве стабилитрона могут быть использованы, например, стабилитроны серии TS (TS 06000, TS 08700, TS 09100, TS 10000) производства ВКС Semiconductors, Inc (США).
В качестве самовосстанавливающегося предохранителя 4 могут быть использованы, например, самовосстанавливающиеся предохранители типа RUE 160 производства Тyco Electronics Corporation Raychem CIRCUIT PROTECTION.
В качестве термопредохранителя может быть использован, например, термопредохранители серии TZV, TZK, TZR, TZS, TZD производства Bourns, Inc (США) с температурой срабатывания в пределах 90÷110°С.
Первичная литиевая батарея работает следующим образом.
В процессе работы первичной литиевой батареи под нагрузкой (процесс разряда батареи) рабочее напряжение в цепях батареи и батареи в целом уменьшается.
Последовательно в цепь ИТ 1 между выводом цепи ИТ 1 и одним из токовыводов, например, «минусовым», своим проводящим каналом включается полевой транзистор 2.
Полевой транзистор использован в связи с тем, что токи управления проводящим каналом в этом типе транзисторов практически равны нулю (˜1·10 -7 A), т.е. управление проводящим каналом (величиной его сопротивления и, соответственно, внутреннего сопротивления батареи) осуществляется разностью напряжений цепи ИТ 1 и источника 3 опорного напряжения.
Источник 3 опорного напряжения соединен выводом одноименной полярности с другим токовыводом цепи ИТ 1, например, с выводом «плюс», а выводом противоположной полярности («минус») источник 3 опорного напряжения соединен с затвором полевого транзистора 2.
Источник 3 опорного напряжения на своих токовыводах выдает разность потенциалов (напряжение) со значением, не меньшим, чем значение конечного (безопасного) напряжения разряда батареи.
В случае, если значение рабочего напряжения батареи будет выше значения напряжения на токовыводах источника 3 опорного напряжения, проводящий канал полевого транзистора 2 будет открыт, и через него, батарею и нагрузку в целом будет свободно протекать ток.
Однако, когда значение рабочего напряжения батареи станет ниже значения напряжения на токовыводах источника 3 опорного напряжения, проводящий канал полевого транзистора 2 будет закрыт, что снимет нагрузку с батареи посредством отключения цепи ИТ 1 от токовыводов батареи за счет значительного увеличения внутреннего сопротивления батареи.
Таким образом, глубокий разряд батареи невозможен.
Вместе с тем, для исключения выхода из строя самого полевого транзистора 2, например, вследствие перегрева из-за сверхвысоких температур, вызванных большой токовой нагрузкой на батарею, последовательно с полевьм транзистором 2 в зоне потока тепловой энергии от него между полевым транзистором 2 и токовыводом батареи включается термопредохранитель или самовосстанавливающийся предохранитель 4, срабатывающий, нагреваясь от транзистора, при достижении значения рабочей температуры полевого транзистора 2 до значения предельно допустимой температуры его эксплуатации. Целесообразно наличие именно самовосстанавливающегося предохранителя, который имеет многократный цикл работы. То есть при высокой температуре значение его сопротивления резко возрастает, и восстанавливается при устранении фактора высокой температуры.
Термопредохранитель представляет собой одноразовый предохранитель, который после срабатывания должен быть заменен.
Таким образом, конструкции батареи присуща повышенная безопасность, обусловленная невозможностью глубокого разряда батареи, достигаемая путем отключения нагрузки от батареи посредством отключения цепи ИТ от токовыводов батареи за счет значительного увеличения внутреннего сопротивления батареи при достижении значения рабочего напряжения батареи в процессе ее разряда значения конечного напряжения разряда.
1. Первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, одну цепь последовательно соединенных первичных литиевых источников тока (ИТ), положительный и отрицательный выводы которой подключены, соответственно, к положительному и отрицательному токовыводам батареи, отличающаяся тем, что снабжена полевым транзистором и источником опорного напряжения с положительным и отрицательным выводами, причем проводящий канал полевого транзистора включен между одним из выводов цепи ИТ и токовыводом батареи, источник опорного напряжения соединен выводом одноименной полярности с другим выводом цепи ИТ, а выводом противоположной полярности источник опорного напряжения соединен с затвором полевого транзистора.
2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что снабжена термопредохранителем, размещенным в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и электрически включенным последовательно с проводящим каналом полевого транзистора, при этом температура срабатывания термопредохранителя не превышает максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора.
3. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что снабжена самовосстанавливающимся предохранителем, размещенным в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и электрически включенным последовательно с проводящим каналом полевого транзистора, при этом температура срабатывания самовосстанавливающегося предохранителя не превышает максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора.
