УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ БАТАРЕИ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ РАЗРЯДНЫХ ТОКОВ

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам для обслуживания и содержания в исправности, как первичных химических источников тока (батарей), так и вторичных химических источников тока (аккумуляторов), и может быть использована в системах электропитания радиоэлектронной аппаратуры, преимущественно, в составе систем электропитания портативных технических устройств и систем для поддержания высокого уровня работоспособности встроенных в них батарей химических источников тока путем их защиты от воздействия экстремальных разрядных токов (ЭРТ), которые превышают допустимые/номинальные значения разрядных токов, установленных спецификацией их производителей.
Функционирование различных портативных технических устройств и систем (ПТУС) в автономном режиме наиболее часто поддерживается с помощью химических источников тока (ХИТ), как правило, объединенных в батарею химических источников тока (БХИТ). Как известно из [Л1], к основным разрядным характеристикам ХИТ относят их разрядный ток и разрядную емкость, представляющую собой количество электричества, отдаваемого ХИТ при разряде в нагрузку (ПТУС). При этом, номинальной разрядной емкостью ХИТ называют количество электричества, отдаваемое ХИТ при его разряде номинальным током.
Исследования показали, что значение энергоресурса БХИТ, который может быть использован для поддержания ПТУС в работоспособном состоянии, существенно зависит от величины разрядного тока, воздействующего на БХИТ в процессе ее эксплуатации в составе ПТУС. Например, из анализа разрядных характеристик ХИТ типа герметичных цилиндрических никель-кадмиевых аккумуляторов (ЦНКА), известных из [Л2] видно, что величина разрядной емкости ЦНКА имеет значительных разброс, зависящий от режимов/токов их разряда (токовых нагрузок). Так, при разряде ЦНКА до напряжения на одном элементе около 1 В токами 0.1C, 0.2C, 1C и 5C значение разрядной емкости составляет, соответственно, 108%, 102%, 90% и 65%. Из анализа разрядных характеристик литиевого элемента типа CR2032, приведенных в [Л3] видно, что выходное напряжение этого элемента достигает значения около 2.8 В через 100 часов, 350 часов и 850 часов при разряде этого элемента под нагрузкой, соответственно, 3 кОм, 7.5 кОм и 15 кОм. Произведем расчет разрядной емкости Q элемента CR2032 с помощью известного выражения:
где I - ток разряда, T - время разряда.
При разряде элемента CR2032 на нагрузку 3 кОм и 15 кОм разрядная емкость данного элемента составит, соответственно:
Как видно из выполненных расчетов, значение разрядной емкости элемента CR2032 при увеличении разрядного тока с 0.2 мА до 1 мА уменьшается в 1.7 раза.
Как известно из [Л4], при подключении гальванического элемента (ГЭ) к нагрузке образуется электрическая цепь, в которой протекает ток и напряжение на выходе ГЭ изменяется тем больше, чем больше сила тока, протекающего через него. Напряжение на ГЭ может быть выражено следующим выражением:
внутр
где - U - выходное напряжение элемента, Δε - поляризация элемента, J (или I) - сила тока в электрической цепи, r - внутреннее сопротивление ГЭ. Из анализа выражения (4) видно, что рабочее напряжение ХИТ всегда меньше, чем его ЭДС. Поляризация Δε может состоять в общем случае из электрохимической, химической и концентрационной составляющих:
эл
конц
хим
При этом, электрохимическая поляризация Δε - обусловлена замедленностью собственно электрохимической реакции. Концентрационная поляризация ε - вызывается замедленностью стадий подвода реагентов к электродам и отвода продуктов реакции. Химическая поляризация ε - возникает, если электродный процесс сложный и включает химические стадии. В процессе работы ХИТ, т.е. в процессе его разряда, возрастает поляризация элемента и уменьшается ЭДС из-за уменьшения концентрации исходных веществ и увеличения концентрации продуктов реакции. Обычно также растет и внутреннее сопротивление ХИТ. По этим причинам наблюдается неуклонное падение выходного напряжения ХИТ во времени, по мере его разряда, что наглядно демонстрируют разрядные характеристики ХИТ (например, известные из [Л2-Л3]). Емкостью называют количество электричества (заряд), которое ХИТ способен выработать при разряде. Теоретическая емкость ХИТ может быть определена по закону Фарадея:
Фактическая емкость равна теоретической или ниже из-за неполного использования активных веществ и расхода их на побочные процессы. Фактическая емкость может быть измерена путем полного разряда ХИТ постоянным током J в течение времени t и рассчитана по формуле (1). При разряде ХИТ на постоянную нагрузку (на постоянное внешнее сопротивление R) ток непрерывно меняется во времени. В этом случае емкость (заряд) определяется интегрированием произведения J·t и представляет собой площадь под разрядной кривой
ср
где U - среднее разрядное напряжение, определяемое усреднением всех точек разрядной кривой. Обычно на гальваническом элементе или аккумуляторе указывается его рабочее напряжение (иногда также емкость). Энергия W, которую вырабатывает ХИТ (т.е. энергия, которую он передает во внешнюю нагрузку, полезная энергия, энергозапас, энергоресурс), равна произведению емкости на напряжение. Если бы электрохимические реакции в ХИТ протекали термодинамически обратимо, то теоретическая энергия была бы точно равна полезной работе ΔG. Фактически количество вырабатываемой энергии меньше ΔG. Энергия определяется площадью под разрядной кривой и при разряде постоянным токам J может быть выражена как:
При разряде на постоянную внешнюю нагрузку R ток непрерывно меняется во времени. Преобразуем формулу, используя закон Ома, и получим следующее выражение для энергии:
Разрядную кривую можно представить как зависимость напряжения U от времени разряда t, обязательно указывая ток разряда I. Разрядная емкость зависит от тока. Чем ближе режим разряда к равновесному, чем меньше ток и чем длительнее разряд, тем выше разрядная емкость и энергия. Таким образом, по мере увеличения силы разрядного тока снижаются напряжение ХИТ и его фактическая емкость. Поэтому емкость, указанная в документах на ХИТ (или в маркировке на его корпусе), - это номинальная емкость C (в А*час), относящаяся к номинальному режиму разряда, т.е. рекомендованному режиму разряда. Зависимость между фактической емкостью ХИТ и током разряда может быть определена с помощью известной формулы Пейкерта:
0
где 0.2<α<0.7. Однако параметры Q и α зависят не только от типа ХИТ, но и от множества других факторов (например, температуры). Поэтому экстраполяция этой формулы за пределы изученного диапазона недопустима. Вне зависимости от типа ХИТ повышение нагрузочных токов вызывает снижение разрядной емкости. Иным словами, при увеличении токовой нагрузки на батарею ХИТ, энергетический ресурс/запас батареи (ЭРБ) расходуется не пропорционально, а более интенсивно. При этом, часть ЭРБ, которая передана в нагрузку всегда будет меньше потенциального/запасенного/номинального ЭРБ.
Создается противоречивая ситуация, при которой с одной стороны, для повышения уровня работоспособности БХИТ (увеличения разрядной емкости БХИТ), нужно ее разрядные токи ограничивать, например, на уровне номинальных разрядных токов (НРТ), предусмотренных спецификацией производителей ХИТ. Однако, в процессе эксплуатации технических устройств часто возникают режимы их работы, в которых на БХИТ воздействуют экстремальные разрядные токи (ЭРТ), значительно превышающие НРТ. Наличие ограничения разрядного тока БХИТ приводит к тому, что при возникновении ЭРТ работоспособность ПТУС будет нарушаться, поэтому, разрядные токи БХИТ ограничивать не нужно.
Образно говоря, энергоресурс БХИТ можно представить в виде воды, находящейся в одном ведре, а нагрузку (ПТУС) - в виде другого пустого ведра. Тогда процесс электропитания ПТУС (нагрузки) от БХИТ можно представить в виде перелива воды из одного ведра в другое. Если при этом перелив воды будет идти медленно, небольшой струей, то второе ведро будет наполнено почти полностью, без потерь воды. Если же перелив будет идти быстро, мощной струей, то второе ведро может оказаться наполненным до половины и даже меньше. Значительная часть воды будет потеряна.
Поскольку ПТУС часто работают в режимах, при которых на БХИТ воздействую ЭРТ, то это неизбежно приводит к деградации электрических характеристик БХИТ, в том числе, к снижении величины ее разрядной емкости. Это служит причиной, как сокращения длительности автономной работы ПТУС, так и снижения надежности их (ПТУС/БХИТ) функционирования/работы. В связи с этим, возникает задача повышения уровня надежности и длительности функционирования ПТУС в автономном режиме с электропитанием от встроенных БХИТ.
Исследования показали, что поставленную задачу можно интерпретировать как поиск технических решений, обеспечивающих повышение эффективности использования энергоресурса БХИТ, с точки зрения минимизации потерь разрядной емкости в процессе эксплуатации БХИТ в составе ПТУС. Предполагается, что увеличение разрядной емкости БХИТ непосредственно повышает эффективность эксплуатации ПТУС, с точки зрения повышения уровня надежности и длительности их автономной работы.
Информационным/патентным поиском установлено, что известные из техники устройства/системы и технические решения, которые могут быть использованы для обеспечения надежной и длительной работы ПТУС в автономном режиме с электропитанием от БХИТ, имеют существенные недостатки, поэтому, поиск новых решений, обеспечивающих более эффективное использование энергоресурса БХИТ для электропитания ПТУС, при котором достигается повышение надежности функционирования и длительности автономной работы ПТУС, является актуальной задачей.
Сложность решения поставленной задачи вытекает из ее противоречивости. Так, с одной стороны, чтобы обеспечить повышение эффективности электропитания различных портативных устройств и систем, необходимо, чтобы их разрядные токи были как можно меньше. Как показано выше, при снижении разрядных токов разрядная емкость БХИТ повышается, что способствует, как повышению надежности работы ПТУС, так и длительности их непрерывной работы в автономном режиме. С другой стороны, многие из ПТУС функционируют в режимах, когда на БХИТ воздействуют ЭРТ, вызывающие ускоренный расход энергоресурса и величины ее разрядной емкости. При этом, использование ХИТ, имеющих большие номинальные разрядные токи (НРТ), весьма ограничено из-за их большой массы и габаритов. Поэтому, часто для электропитания ПТУС используются ХИТ, которые имеют НРТ значительно меньше, чем ЭРТ, которые могут возникать в процессе эксплуатации БХИТ в составе ПТУС. То есть, даже на этапе проектирования многих ПТУС допускается их электропитание от БХИТ, которые будут нагружаться ЭРТ. Как правило, в таких случаях предполагается, что действие ЭРТ на БХИТ будет кратковременным, например, при использовании ПТУС типа портативных радиостанций, предусматривается их работа при соотношении режимов прием/передача около 10/1, то есть, режим, в котором на БХИТ действуют ЭРТ, составляет не более 10% от общей длительности работы ПТУС. Тем не менее, даже при кратковременном воздействии ЭРТ на БХИТ, процесс деградации ее электрических параметров, в том числе разрядной емкости, происходит достаточно интенсивно. Таким образом, в сложившейся практике находит широкое применение ПТУС, функционирующих в автономном режиме с электропитанием от БХИТ, подвергающимся стрессовым нагрузкам в виде ЭРТ, в результате воздействия которых существенно снижается эффективность использования энергоресурса БХИТ, что существенно влияет на надежность и длительность автономной работы ПТУС.
Из техники [Л5] известен резервированный блок электроники для литий-ионной аккумуляторной батареи (далее - устройство), состоящий из нагрузки, датчика тока (ДТ), аккумуляторной батареи (АКБ), устройства контроля и управления (УКУ) и коммутатора, который первым и вторым портами соединен, соответственно, с выходом узла УКУ и первым портом узла АКБ, который вторым портом соединен с первым портом узла ДТ, который своими вторым и третьим портами соединен, соответственно, со входом нагрузки и вторым портом узла УКУ, и выполненный с возможностью формирования АКБ в виде последовательно соединенных аккумуляторов, согласования элементов АКБ балансировочными резисторами, контроля напряжения на каждом аккумуляторе, контроля тока в нагрузке и балансировки аккумуляторов в процессе их работы в зависимости от тока в нагрузке.
Данное устройство функционирует следующим образом. При включении нагрузки уровень тока, потребляемого от АКБ, фиксируется узлом ДТ. Результаты измерения тока поступают на устройство контроля и управления, которое посредством коммутатора управляет балансировкой аккумуляторов, входящих в АКБ. Необходимость этого возникает из-за того, что разрядные характеристики аккумуляторов отличаются друг от друга, поэтому напряжение на их выходе тоже может отличаться в процессе работы ХИТ под нагрузкой.
Эффективность применения данного устройства, с точки зрения решения поставленной задачи, обеспечивается тем, что ЭРТ регистрируются узлом ДТ, непрерывно контролируется состояние каждого из ХИТ, входящих в АКБ, и выполняется их балансировка в процессе действия токовой нагрузки.
Данное устройство имеет низкую эффективность, с точки зрения защиты АКБ от токовых перегрузок, которые уменьшают разрядную емкость АКБ и вызывают снижение, как надежности, так и длительности автономной работы данного устройства при его электропитании от АКБ.
Низкая эффективность использования энергоресурса АКБ в данном устройстве объясняется тем, что воздействие ЭРТ не устраняется, а лишь в некоторой степени ослабляется за счет более точного согласования элементов АКБ. При этом воздействие ЭРТ на АКБ лишь перераспределяется между отдельными ХИТ, продолжая действовать на них в целом.
Из техники [Л6] известен комбинированный источник бесперебойного электропитания (далее - устройство), состоящий из аккумуляторной батареи (АКБ), батареи электрохимических конденсаторов (ионисторов) (БЭК), блока управления (БУ) и коммутатора, который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с узлом АКБ и первым портом узла БУ, со вторым портом узла БУ, с узлом БЭК и с нагрузкой, при этом, узел коммутатора выполнен с возможностью подключения источников электрической энергии к нагрузке без прерывания ее электропитания, узел БУ выполнен с возможностью контроля напряжения на выходе узла АКБ и его отключения с одновременным подключением к нагрузке узла БЭК, когда напряжение на АКБ снижается ниже допустимого значения, узел БЭК выполнен с возможностью заряда от узла АКБ.
Устройство функционирует следующим образом. При включении электропитания ПТУС, выполняющего роль нагрузки для данного устройства, начинает работать узел АКБ. То есть, электропитание нагрузки осуществляется от узла АКБ через открытый канал узла коммутатора. Одновременно с этим, осуществляется подзарядка узла БЭК. В процессе работы ПТУС узлом БУ осуществляется контроль напряжения на выходе узла АКБ и если напряжение на нем снижается ниже допустимого значения, например, при разряде АКБ, или при воздействии на нее ЭРТ, которые не может обеспечить АКБ, то узел БУ переключает коммутатор в такое состояние, при котором для электропитания нагрузки включается узел БЭК. Поскольку узел коммутатора выполнен с возможностью подключения/отключения источников электрической энергии (АКБ и БЭК) к нагрузке без прерывания ее электропитания, то работоспособность ПТУС, питаемых от данного устройства, осуществляется без сбоев.
Данное устройство частично устраняет недостатки предыдущего устройства, поскольку в нем обеспечивается более высокий уровень защиты узла АКБ от пиковых токовых нагрузок (ПТН) и ЭРТ, что обуславливает более эффективное использование его энергоресурса для электропитания нагрузки. Это достигается за счет того, что при возникновении в нагрузке ПТН/ЭРТ, вызывающих снижение выходного напряжения АКБ ниже допустимого значения, этот факт обнаруживается узлом БУ, который посредством коммутатора отключает АКБ от нагрузки и подключает узел БЭК, который обеспечивает электропитание нагрузки (ПТУС) с необходимым уровнем ЭРТ. В результате этого пагубное влияние ПТН/ЭРТ на узел АКБ - снижается.
Недостатком данного технического решения является низкая эффективность использования энергоресурса АКБ для электропитания нагрузки из-за низкого уровня защиты аккумуляторной батареи от ПТН/ЭРТ. Это обусловлено тем, что защита узла АКБ включается только тогда, когда ПТН/ЭРТ вызывают снижение ее выходного напряжения, в противном случае - узел АКБ может длительное время (пока выдерживает АКБ) интенсивно разряжаться под воздействием стрессовой токовой нагрузки в виде ПТН/ЭРТ. В результате этого может происходить ускоренная деградация электрических параметров АКБ (снижение ее разрядной емкости) и повышение вероятности возникновения неисправности/выхода из строя, как узла АКБ, так и ПТУС.
Низкий уровень защиты АКБ от действия ПТН/ЭРТ в данном устройстве обусловлен тем, что обнаружение фактов возникновения в нагрузке токов, превышающих номинальное значение (ПТН/ЭРТ), осуществляется уже после того, когда они выполнили «свое черное дело». То есть, возможность кардинальной защиты АКБ от действия ПТН/ЭРТ, в данном техническом решении - не обеспечивается.
По мнению авторов, наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является, известное из техники [Л7], устройство защиты аккумуляторной батареи от пиковых токовых нагрузок, состоящее из датчика тока (ДТ), микроконтроллера (МК), батареи химических источников тока (БХИТ), батареи ионисторов (БИ) и коммутатора, который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с узлом БХИТ и первым портом узла МК, со вторым портом узла МК, с выходом узла БИ и четвертым портом узла МК и со вторым портом узла ДТ, который своими первым и третьим портами соединен, соответственно, с нагрузкой и третьим портом узла МК. При этом, узел МК, функционирует по программе, обеспечивающей возможность мониторинга тока в нагрузке путем обработки сигналов, поступающих от узла ДТ, идентификации пиковых токов в нагрузке (ПТН) и экстремальных разрядных токов (ЭРТ), воздействующих на БХИТ, и отключения узла БХИТ от нагрузки с подключением к ней через коммутатор узла БИ на время действия упомянутых ПТН/ЭРТ или до тех пор, пока выходное напряжение на узле БИ поддерживается в пределах допустимой величины, а также обратного переключения источников электропитания нагрузки после окончания действия ПТН/ЭРТ или после разряда узла БИ.
Функциональная схема данного устройства представлена на фиг. 1. Устройство (фиг. 1) состоит из датчика тока (ДТ) 2, микроконтроллера (МК) 3, батареи химических источников тока (БХИТ) 5, батареи ионисторов (БИ) 6 и коммутатора 4, который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с узлом БХИТ и первым портом узла МК 3, со вторым портом узла МК 3, с выходом узла БИ 6 и четвертым портом узла МК 3 и со вторым портом узла ДТ 2, который своими первым и третьим портами соединен, соответственно, с нагрузкой 1 и третьим портом узла МК 3, который функционирует по программе, обеспечивающей возможность мониторинга тока в нагрузке 1 путем обработки сигналов, поступающих от узла ДТ 2, идентификации пиковых токов в нагрузке (ПТН) 1 и экстремальных разрядных токов (ЭРТ), воздействующих на БХИТ 4, и отключения узла БХИТ 5 от нагрузки 1 с подключением к ней через коммутатор 4 узла БИ 6 на время действия упомянутых ПТН/ ЭРТ или до тех пор, пока выходное напряжение на узле БИ 6 поддерживается в пределах допустимой величины, а также обратного переключения источников электропитания нагрузки 1 после окончания действия ПТН/ ЭРТ или после разряда узла БИ 6.
Устройство (фиг. 1) функционирует следующим образом. В исходном состоянии в ионисторах, входящих в состав узла БИ 6, обеспечивается накоплении энергии от узла БХИТ 5. При включении нагрузки 1 в виде ПТУС, через узел ДТ 2 протекает ток, который измеряется узлом ДТ 2, который передает результаты измерения тока на узел МК 3. Узел МК 3 функционирует по программе, обеспечивающей возможность мониторинга тока в нагрузке 1 путем обработки сигналов, поступающих от узла ДТ 2, и идентификации фактов возникновения ПТН/ЭРТ, превышающих допустимое/номинальное значение разрядного тока БХИТ 5. Если значение тока, потребляемого нагрузкой 1 от БХИТ 5, превысит допустимый/номинальный ее разрядный ток, то этот факт фиксируется узлом МК 3, который переключает узел коммутатора 4 таким образом, что электропитание в нагрузку 1 начинает подаваться от узла БИ 6. Если уровень тока в нагрузке 1 снизится до номинального/допустимого значения (которое, например, меньше порогового/допустимого значения), то коммутатор 4 переводится в такое состояние, при котором узел БИ 6 - отключается, а узел БХИТ 5 - подключается обратно к нагрузке 1. Таким образом, ПТН/ЭРТ, возникающие в нагрузке 1, своевременно обнаруживаются (идентифицируются) и их разрушающее действие на узел БХИТ 5 - снижается, поскольку требуемый ток в нагрузке 1 обеспечивается узлом БИ 6, подключение которого происходит бесперебойно, то есть, без разрыва энергоснабжения нагрузки 1. Обратное переключение источников электропитания нагрузки 1 осуществляется после окончания действия ПТН/ЭРТ или после разряда узла БИ 6. После включения узла БХИТ 5 в работу по обеспечению электропитанием нагрузки 1, также включается подзарядка узла БИ 6.
Данное устройство имеет недостатки, аналогичные предыдущему устройству.
По мнению авторов, дальнейшее повышение эффективности использования энергоресурса БХИТ для поддержания автономной работы ПТУС может быть обеспечено за счет буферизации БХИТ с помощью дополнительного перезаряжаемого источника тока (ДЛИТ), который обеспечивает полную защиту БХИТ от ЭРТ, возникающих в нагрузке (ПТУС). Предполагается, что режим разряда ДПИТ не критичен к его электрическим параметрам и вся запасенная в нем электрическая энергия, поступившая от БХИТ, может быть без потерь передана в нагрузку (ПТУС). При этом, восстановление работоспособности (зарядка/подзарядка) ДПИТ может осуществляться током, не превышающим номинальное значение тока, установленного производителем БХИТ, что позволяет обеспечить высокое значение ее разрядной емкости в процессе эксплуатации БХИТ в составе ПТУС.
Исследования показали, что в качестве ДПИТ с успехом может быть использованы изделия типа суперконденсаторов/ионисторов [Л8, Л9], которые характеризуются высокой плотностью энергии, допускают быстрый заряд большим током (десятки ампер) и заряд токами различного уровня, выдерживают глубокий разряд, имеют длительный срок эксплуатации (число рабочих циклов может превышать нескольких миллионов), имеют сверхнизкое стабильное сопротивление ESR, могут работать в широком диапазоне рабочих температур, имеют малый вес и габариты, оборудованы предохранительным клапаном избыточного давления (взрывобезопасны) и виброустойчивы. По плотности мощности и плотности энергии ионисторы заполняют нишу между аккумуляторными батареями и электролитическими конденсаторами и могут более эффективно использоваться для обеспечения пиковой мощности источников питания, и тем самым, облегчать токовую нагрузку на ХИТ. Как известно из [Л10], ионисторы решают проблему обеспечения пиковой мощности источников питания, их основное назначение - питание нагрузки большим током. В отличие от аккумуляторов, действие которых основано на отложении химических элементов на электродах, ионисторы реализуют чисто физический (электростатический) принцип работы. Заряд/ разряд ионистора происходит за счет смещения ионов электролита в поле заряженных электродов. Поэтому ионистор успешно функционирует в цепях с частым электрическим зарядом/разрядом (число циклов - более 1000000), в то время как аккумулятор обычно выдерживает не более тысячи циклов заряд-разряд с полным предварительным зарядом в каждом цикле. Кроме того, для аккумулятора весьма нежелательны пульсация напряжения и глубокий разряд, которые не опасны для ионистора. Ионисторы хотя и являются полярными элементами (полярность обозначена соответствующим символом на корпусе элемента, как у электролитических конденсаторов), но, в отличие от аккумуляторов, приложение обратного напряжения не оказывает негативного воздействия. Следует отметить, что еще одним слабым местом аккумуляторов является их плохая работа при низких температурах, а ионисторы остаются работоспособными до -30°C. Так, например, ионистор фирмы Epcos типа B49300-L1276-Q000 имеет следующие характеристики: номинальная емкость 2700Ф, номинальное напряжение 2.3 В, номинальный ток 400 А, максимальное сопротивление 600 мкОм, диапазон рабочих температур 30°C…+70°C. За счет большой эквивалентной площади обкладок вес и габаритные размеры ионисторов существенно меньше размеров литиевых элементов и аккумуляторов. Благодаря своим малым размерам ионисторы могут также использоваться в качестве основных питающих элементов. Технология производства ионисторов дает возможность их длительного хранения на складе без изменения параметров (обычно свойственного аккумуляторам), обеспечивает увеличенный срок эксплуатации, сверхнизкое значение и высокую стабильность эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), а также отсутствие требований по техническому обслуживанию. Ионисторы могут быть легко интегрированы в системы электропитания ПТУС для совместной работы с БХИТ. Простейший способ заряда ионистора - при постоянном напряжении с учетом максимально допустимого значения тока, определенного спецификацией производителя. При этом, значение зарядного тока ограничено только внутренним сопротивлением заряжающего устройства, так как внутреннее сопротивление самого ионистора крайне мало. Разряд ионистора можно производить при любом уровне накопленного в нем заряда. При этом и заряд, и разряд можно прерывать в любой момент и это не повредит ионистору. В результате несмотря на то, что верхний предел номинального напряжения этих устройств совпадает с напряжением аккумуляторов, ионисторы можно использовать во всем диапазоне напряжений от 0 до 2,3 В. Таким образом, обеспечивается совместимость с другими, батарейными элементами. Для получения источников электрической энергии (ИЭЭ) с заданным/необходимым выходным напряжением (с заданной энергией и плотностью энергии/мощностью), производятся так называемые ионисторные модули (батареи ионисторов), образованные последовательным соединением нескольких отдельных ионисторных элементов. Конструктивно элементы (ионисторы) легко соединяются в модули (батареи) благодаря специальной технологии электродов, обеспечивающей максимальную отдаваемую мощность каждого элемента, а также малые потери. Следует заметить, что изделия типа ионисторов постоянно совершенствуются. Так, в [Л11] сообщается, что используя элементы нанотехнологии группе ученых из США и Франции удалость создать суперконденсатор/ионистор с набором выдающихся свойств: на единицу своего объема это изделие обладает мощностью, сравнимой с электролитическими конденсаторами, запасом энергии на порядок большим, а электрической емкостью - большей на четыре порядка с возможностью разряда со скоростью 200 вольт в секунду, что в тысячу раз быстрее, чем у типовых суперконденсаторов. Такие устройства запасают энергию в слоях ионов, насыщающих высокопористые электроды. В новом элементе электроды изготовлены путем осаждения на подложку из диоксида кремния мириад нанолуковиц - частиц диаметром 6-7 нанометров, состоящих из множества концентрических сфер, вложенных одна в другую. Сферы, в свою очередь, составлены из атомов углерода. «Луковицы» образуют слой толщиной в несколько микрометров, что обеспечивает высокое отношение площади поверхности обкладок к их объему. Предполагается, что новая технология может быть использована для создания мощных и емких накопителей энергии, которые пригодятся для электропитания, как портативных устройств и систем, так и гибридных автомобилей.
Целью полезной модели является повышение уровня работоспособности батареи химических источников тока (БХИТ) путем защиты ее от токовых перегрузок, возникающих в процессе эксплуатации БХИТ в составе технических устройств и систем.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройство, состоящее из датчика тока (ДТ), микроконтроллера (МК), батареи химических источников тока (БХИТ), батареи ионисторов (БИ) и коммутатора, который своими вторым, третьим и четвертым портами соединен, соответственно, со вторым портом узла МК, с первым портом БИ и четвертым портом узла МК и со вторым портом узла ДТ, который своими первым и третьим портами соединен, соответственно, с нагрузкой и с третьим портом узла МК, и выполненное с возможностью мониторинга тока в нагрузке путем обработки сигналов, поступающих от узла ДТ, управления электропитанием нагрузки с бесперебойным подключением к ней источников электроэнергии, дополнительно в его состав введены вторая батарея ионисторов (ВБИ) и контроллер заряда батарей ионисторов (КЗБИ), который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с выходом БХИТ, со вторым портом БИ, со вторым портом ВБИ и с пятым портом МК, который первым портом соединен с первым портом ВБИ и первым портом коммутатора, при этом, узлы БИ и ВБИ выполнены с возможностью накопления электроэнергии, достаточной для поддержки в нагрузке экстремальных разрядных токов (ЭРТ) в течении заданного/допустимого периода времени и осуществления многократных циклов заряда/разряда без снижения/деградации их электрических параметров, кроме того, узел МК функционирует по программе, обеспечивающей возможность управления процессом передачи электрической энергии в нагрузку через промежуточные/буферные перезаряжаемые источники тока, в качестве которых используются узлы БИ и ВБИ, путем их поочередной зарядки/подзарядки от БХИТ нормированным по величине зарядным током, уровень которого программируется узлом КЗБИ и задается узлом МК исходя из необходимости поддержки ПБИ/ВБИ в работоспособном состоянии с учетом текущей скорости разряда узла БИ/ВБИ, степени заряда/разряда узла БИ/ВБИ (оценки значений энергоресурса узла БИ/ВБИ) и прогноза необходимости в выполнении зарядки/подзарядки узла БИ/ВБИ, и бесперебойного подключения к нагрузке узла БИ или узла ВБИ, уровень работоспособности которого находится в допустимых пределах.
В предлагаемом устройстве обеспечивается следующее сочетание отличительных признаков и свойств.
В состав устройства дополнительно введены вторая батарея ионисторов (ВБИ) и контроллер заряда батарей ионисторов (КЗБИ), который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с БХИТ, со вторым портом БИ, со вторым портом ВБИ и с пятым портом МК, который первым портом соединен с первым портом ВБИ и первым портом коммутатора.
Узлы БИ и ВБИ выполнены с возможностью накопления электроэнергии, достаточной для поддержки в нагрузке экстремальных разрядных токов (ЭРТ) в течении заданного/допустимого периода времени и осуществления многократных циклов заряда/разряда без снижения/деградации электрических параметров.
Узел МК функционирует по программе, обеспечивающей возможность управления процессом передачи электрической энергии в нагрузку через промежуточные/ буферные перезаряжаемые источники тока, в качестве которых используются узлы БИ и ВБИ, путем их поочередной зарядки/ подзарядки от БХИТ нормированным по величине зарядным током, уровень которого программируется узлом КЗБИ и задается узлом МК исходя из необходимости поддержки ПБИ/ВБИ в работоспособном состоянии с учетом текущей скорости разряда узла БИ/ВБИ, степени заряда/разряда узла БИ/ВБИ (оценки значений энергоресурса узла БИ/ВБИ) и прогноза необходимости в выполнении зарядки/подзарядки узла БИ/ВБИ, и бесперебойного подключения к нагрузке узла БИ или узла ВБИ, уровень работоспособности которого находится в допустимых пределах.
Введение дополнительных признаков и использование новых свойств позволяет полностью защитить БХИТ от воздействия экстремальных разрядных токов, которые могут возникать в нагрузке. Это достигается путем использования буферных источников тока, в качестве которых используются узлы БИ и ВБИ, которые заряжаются от БХИТ током, нормированным по величине, например, номинальным током, при разряде которым обеспечивается достижение высокого значения разрядной емкости БХИТ. Поскольку узлы БИ и ВБИ выполнены с возможностью накопления электроэнергии, достаточной для поддержки в нагрузке экстремальных разрядных токов (ЭРТ) в течении заданного/допустимого периода времени и осуществления многократных циклов заряда/разряда без снижения/деградации своих электрических параметров, то БХИТ эксплуатируется в благоприятных условиях, когда возникающие в нагрузке ЭРТ воздействуют только лишь на узлы БИ и ВБИ, в то время как БХИТ разряжается нормированным/ограниченным по уровню током, программируемым/устанавливаемы узлом КЗБИ под управлением МК, и выбираемым исходя из необходимости своевременной зарядки/подзарядки узлов БИ и ВБИ. Известно, что ПТУС, как правило, работают в режиме с ЭРТ в течении не продолжительного времени, когда Tэрт<<Tном, где Tэрт - длительность работы ПТУС в режиме высокого энергопотребления, когда могут возникать ЭРТ, Tном - длительность работы ПТУС в режиме низкого энергопотребления, близкого к номинальному. Поскольку Tэрт<<Tном, то всегда будет достаточно времени для осуществления подзарядки/зарядки узлов БИ и ВБИ до уровня, необходимого для осуществления электропитания нагрузки, в которой действует ЭРТ.
Указанные признаки и свойства позволяют существенно повысить уровень работоспособности батареи химических источников тока путем защиты ее от ЭРТ возникающих в процессе эксплуатации БХИТ в составе технических средств и систем. То есть, в результате использования новых признаков и свойств достигается существенное уровня работоспособности батареи химических источников тока, с точки зрения повышения (по сравнению с прототипом) эффективности использования ее энергоресурса для электропитания нагрузки (ПТУС).
Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого устройства защиты батареи химических источников тока от воздействия экстремальных разрядных токов из техники не известно, поэтому оно соответствует критерию новизны. При этом, для достижения максимального эффекта, связанного с повышением уровня работоспособности батареи химических источников тока путем защиты ее от ЭРТ (токовых перегрузок), возникающих в процессе эксплуатации БХИТ в составе технических средств и систем, необходимо использовать всю совокупность отличительных признаков и свойств, указанных выше.
Функциональная схема устройства защиты батареи химических источников тока от воздействия экстремальных разрядных токов (далее - устройство) представлена на фиг. 2. Устройство (фиг. 2) состоит из датчика тока (ДТ) 2, коммутатора 3, микроконтроллера 4, батареи химических источников тока (БХИТ) 5, первой батареи ионисторов (ПБИ) 6, второй батареи ионисторов (ВБИ) 7 и контроллера заряда батарей ионисторов (КЗБИ) 8, который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с выходом БХИТ 5, со вторым портом узла ПБИ 6, со вторым портом узла ВБИ 7 и с пятым портом узла МК 4, который своими с первого по четвертый порт соединен, соответственно, с первым портом коммутатора 3 и первым портом узла ВБИ 7, со вторым портом коммутатора 3, с третьим портом узла ДТ2 и с первым портом узла ПБИ 6 и третьим портом коммутатора 3, который четвертым портом соединен со вторым портом узла ДТ 2, который первым портом соединен с нагрузкой 1. При этом, устройство выполнено с возможностью мониторинга тока в нагрузке 1 путем обработки сигналов, поступающих от узла ДТ 2, и использования полученных данных для управления электропитанием нагрузки 1 и зарядкой/подзарядкой узлов ПБИ 6 и ВБИ 7, кроме того, узел МК 4 функционирует по программе, обеспечивающей возможность управления процессом передачи электрической энергии в нагрузку 1 через промежуточные/буферные перезаряжаемые источники тока, в качестве которых используются узлы ПБИ 6 и ВБИ 7, путем их поочередной зарядки/подзарядки от БХИТ 5 нормированным по величине зарядным током, уровень которого программируется узлом КЗБИ 8 и задается узлом МК 4 исходя из необходимости поддержки ПБИ 6/ВБИ 7 в работоспособном состоянии с учетом текущей скорости разряда узла ПБИ 6/ВБИ 7, степени заряда/разряда узла ПБИ 6/ВБИ 7 (оценки значений энергоресурса узла ПБИ 6/ВБИ 7) и прогноза необходимости в выполнении зарядки/ подзарядки узла ПБИ 6/ВБИ 7, и бесперебойного подключения к нагрузке узла ПБИ 6 или узла ВБИ 7, уровень работоспособности которого находится в допустимых пределах.
Устройство (фиг. 2) функционирует следующим образом. В исходном состоянии узлом МК 4 осуществляется контроль степени заряда узлов ПБИ 6 и ВБИ 7 (оценка/измерение энергоресурса, запасенного в узлах ПБИ 6 и ВБИ 7) и бесперебойное подключения к нагрузке 1 узла ПБИ 6 или узла ВБИ 7, уровень работоспособности которого находится в допустимых пределах. Узел ПБИ 6 или ВБИ 7, уровень работоспособности которого находится за допустимыми пределами (разряжен), подключается к БХИТ 5 для выполнения зарядки/подзарядки. Узлом МК 4 осуществляется непрерывный мониторинга тока в нагрузке 1 путем обработки сигналов, поступающих от узла ДТ 2, и полученные данные используются для управления электропитанием нагрузки 1 и зарядкой/подзарядкой узлов ПБИ 6 и ВБИ. Восстановление работоспособности узлов ПБИ 6 и ВБИ 7 осуществляется путем их поочередной зарядки/подзарядки от БХИТ 5 нормированным по величине зарядным током, уровень которого программируется узлом КЗБИ 8 и задается узлом МК 4 по результатам комплексной обработки сигналов, полученных от узла ДТ 2, исходя из необходимости поддержки ПБИ/ВБИ в работоспособном состоянии с учетом текущей скорости разряда узла БИ/ВБИ, степени заряда/разряда узла БИ/ВБИ (оценки значений энергоресурса узла БИ/ВБИ) и прогноза необходимости в выполнении зарядки/подзарядки узла БИ/ВБИ. Поскольку возникновение ЭРТ в нагрузке 1, как правило, носит кратковременный характер и время нахождения нагрузки 1 (ПТУС) в режиме пониженного энергопотребления значительно больше длительности действия ЭРТ, то это позволяет своевременно осуществить восстановление работоспособности (зарядку/подзарядку) узлов ПБИ 6 и ВБИ 7 с использованием достаточно малых зарядных токов, не превышающих номинальный разрядный ток БХИТ 5. После того как выполнена зарядка узла ПБИ 6, осуществляется его отключение от БХИТ 5, которая, при необходимости (в случаях, когда ВБИ 7 - разряжена), подключается к узлу ВБИ 7 для осуществления его зарядки/подзарядки. В тех случаях, когда интенсивность разряда ПБИ 6/ВБИ 7 осуществляется ускоренными темпами из-за повышения уровня ЭРТ, то узлом МК 4 осуществляется выработка управляющих сигналов, подаваемых на узел КЗБИ 8, в соответствии с которыми обеспечивается корректировка/программирование нового, более интенсивного режима зарядки/подзарядки ПБИ 6/ВБИ 7. После окончания действия ЭРТ режим заряда узла ПБИ 6 или узла ВБИ 7 выбирается исходя из результатов мониторинга текущего тока в нагрузке и уровня работоспособности узлов ПБИ 6/ВБИ 7. Узлы ПБИ 6/ВБИ 7 выполнены с возможностью накопления электроэнергии, достаточной для поддержки в нагрузке 1 экстремальных разрядных токов (ЭРТ) в течении заданного/ допустимого периода времени и осуществления многократных циклов заряда/разряда без снижения/деградации электрических параметров, в том числе, в результате воздействий на них ЭРТ. Поэтому разрушающее действие ЭРТ, возникающих в нагрузке 1, на узел БХИТ 5 полностью устраняется, поскольку передача электрической энергии в нагрузку 1 осуществляется через промежуточные/буферные перезаряжаемые источники тока, в качестве которых используются узлы ПБИ 6 и ВБИ 7, которые устойчивы к воздействию ЭРТ.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого технического решения, является повышение разрядной емкости батареи химических источников тока (БХИТ 5), что обеспечивается за счет защиты ее от воздействия экстремальных разрядных токов (ЭРТ), возникающих в нагрузке 1 в процессе эксплуатации БХИТ 5 в составе ПТУС. В свою очередь, защита БХИТ 5 от воздействия на нее ЭРТ обеспечивается путем передачи электрической энергии к нагрузке 1 (от БХИТ 5) через многократно перезаряжаемые промежуточные/буферные источники тока, которыми являются узлы ПБИ 6 и ВБИ 7, выполненные с возможностью сохранять высокий уровень своей работоспособности в условиях воздействия ЭРТ. При этом, передача электроэнергии от БХИТ 5 к узлам ПБИ 6 и ВБИ 7 осуществляется путем их зарядки/подзарядки с использованием зарядного тока, не превышающего номинальный разрядный ток БХИТ 5, что создает условия для повышения ее разрядной емкости и значительно увеличивает эффективность использования энергоресурса БХИТ 5 для электропитания нагрузки 1.
Обобщенный алгоритм функционирования устройства может быть представлен в следующем виде.
- Шаг-1. Начало;
- Шаг-2. Подготовка устройства к работе: поочередная зарядка/подзарядка узлов ПБИ 6 и ВБИ 7 от узла БХИТ 5, переход к шагу 3.
- Шаг-3. Проверка №1: зарядка ПБИ 6/ВБИ 7 завершена? - Если да, то переход к шагу 4, если нет, то возврат к шагу 2.
- Шаг-4. Подача электропитания в нагрузку 1 от ПБИ 6/ВБИ 7 и переход к шагу 5.
- Шаг-5. Работоспособность ПБИ 6/ВБИ 7 в допустимых пределах? -Если - да, то переход к шагу 4, если - нет, то бесперебойное подключение к нагрузке 1 узла ВБИ 7/ПБИ 6 и переход к шагу 6.
- Шаг-6. Подключение узла ПБИ 6/ВБИ 7 к БХИТ 5 и запуск процедуры его зарядки/подзарядки, переход к шагу 7.
- Шаг-7. Мониторинг тока в нагрузке 1, контроль энергоресурса ПБИ 6/ВБИ 7, оценка степени заряда/разряда узла ПБИ 6/ВБИ 7 и прогнозирование режимов их зарядки/подзарядки, переход к шагу 8.
- Шаг-8. Проверка: режим восстановления работоспособности ПБИ 6/ВБИ 7 при текущем токе в нагрузке 1 обеспечивается? Если да, то возврат к шагу 5, если нет, то переход к шагу 9.
- Шаг-9. Проверка: работоспособность БХИТ - в норме? - Если да, то корректировка значения тока заряда ПБИ 6/ВБИ 7 и переход к шагу 7, если - нет, переход к шагу 10.
- Шаг-10. Завершение работы. Подача электроэнергии в нагрузку 1 до полной разряди ПБИ 6/ВБИ 7 с последующим отключением электропитания нагрузки 1.
- Шаг-11. Конец.
При создании предлагаемого технического решения узлы ДТ 2, коммутатора 3, МК 4, БХИТ 5, ПБИ 6 и ВБИ 7 могут быть аналогичными соответствующим признакам и свойствам прототипа и не требуют значительной доработки при его реализации.
Для реализации алгоритмов, необходимых для функционирования узла МК 3 также могут быть использованы процедуры, известные из авторских программ для ЭВМ [Л12-Л15]. Для реализации основных узлов предлагаемого устройства могут быть также использованы решения, известные из авторских патентов на полезные модели [Л16-Л22].
На основе приведенных данных можно заключить, что предлагаемая полезная модель устройства защиты батареи химических источников тока от воздействия экстремальных разрядных токов, за счет использования указанных выше отличительных признаков и свойств и реализации достигаемого технического результата, позволяет обеспечить существенное повышение уровня работоспособности батареи химических источников тока (БХИТ) путем защиты ее от токовых перегрузок и воздействия экстремальных разрядных токов, возникающих в процессе эксплуатации БХИТ в составе технических средств и систем.
Приведенные средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, позволяют обеспечить ее промышленную применимость.
Основные узлы предлагаемой полезной модели устройства защиты батареи химических источников тока от воздействия экстремальных разрядных токов изготовлены, экспериментально испытаны и могут быть использованы при создании серийных образцов. Производимые устройства могут быть интегрированы в системы электропитания различных устройств и систем, функционирующих в автономном режиме, который обеспечивается с помощью батарей химических источников тока.
Таким образом, разработанное авторами техническое решение, обеспечивает успешное решение поставленной задачи, связанной с повышением надежности и длительности автономной работы портативных устройств и систем (ПТУС) на основе достижения более эффективного использования энергоресурса БХИТ, обеспечивающих электропитание ПТУС в автономном режиме.
Предлагаемое авторами устройство защиты батареи химических источников тока от воздействия экстремальных разрядных токов будет широко востребовано для интеграции в системы энергоснабжения различной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), преимущественно, в состав систем ПТУС, функционирующих в автономном режиме с электропитанием от БХИТ, особенно для ответственных применений, где требуется обеспечить высокий уровень надежности и длительности автономной работы РЭА/ПТУС, например, в составе технических средств специального назначения, используемых для обеспечения деятельности бригад экстренной медицинской помощи, спасательных отрядов, геологических экспедиций, подразделений полиции и других силовых структур.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Аккумуляторные батареи, http://all-faq.narod.ru/auto/akum1.htm#4.1
2. Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы, http://www.powerinfo.ru/accumulator.nicd.php
3. CR2032 Brief Datasheet, http://electronlab.ru/files/_prod/Eemb_62/CR2032.pdf
4. Современные химические источники тока, http://lib.znate.ru/docs/index-175106.html
5. Резервированный блок электроники для литий-ионной аккумуляторной батареи, патент на полезную модель №83657, дата публикации 10.06.2009 г.
6. Комбинированный источник бесперебойного электропитания, заявка на изобретение RU 2004138836, дата публикации 10.06.2006 г.
7. Устройство защиты аккумуляторной батареи от пиковых токовых нагрузок, Патент №124983, дата регистрации 20.02.2013 г.
8. Ионистор, http://ru.wikipedia.org/wiki
9. Справочные данные на ионисторы, http://radio.cybernet.name/cond/ion.html
10. Ультраконденсаторы (ионисторы) серии UltraCap, журнал «Компоненты для силовой электроники корпорации Epcos AG», часть 4, http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/02_02/stat._8.html
11. Микросуперконденсатор - сверхмощный накопитель энергии, http://popnano.ru/news/show/3357
12. Менеджер сенсора, программа для ЭВМ, Свидетельство о государственной регистрации №2009610444 от 20.11.2008 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
13. Программа приема и обработки аналоговых сигналов, программа для ЭВМ, Свидетельство о регистрации №2011610486 от 11.01.2011 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
14. Менеджер преобразователя напряжения, программа для ЭВМ, Свидетельство о государственной регистрации №2008614983 от 16.10.2008 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
15. Программа автоматизированной обработки данных, программа для ЭВМ, Свидетельство о государственной регистрации №2009613019 от 10.06.2009 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
16. Устройство заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и контроля их работоспособности, Патент на ПМ №98641 от 20.10.2010 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
17. Устройство обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности, Патент на ПМ №114226 от 10.03.2012 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
18. Устройство заряда аккумулятора и защиты его от перегрузок, Патент на ПМ №114227 от 10.02.2012 г., п/о - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
19. Устройство заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых перегрузок, Патент на ПМ №114228 от 10.03.2012 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
20. Устройство контроля электрических параметров и управления режимом заряда литиевой аккумуляторной батареи, Патент на ПМ №127520 от 27.04.2013 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ»
21. Устройство дистанционного контроля работоспособности батареи химических источников тока, Патент на ПМ №130143 от 10.07.2013 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ»
22. Устройство дифференцированного управления автономным электропитанием портативной радиоэлектронной аппаратуры, Патент на ПМ №124443 от 20.01. 2013 г., п/о - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ.