ПЕРВИЧНАЯ ЛИТИЕВАЯ БАТАРЕЯ

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.).
В известной конструкции используется, так называемая, диодная защита первичных литиевых ИТ от их переразряда, при которой параллельно источнику тока подключается диод. Диодная защита ограничивает напряжение переполюсовки ИТ при его переразряде, но она не защищает ИТ от глубокого разряда, т.е. разряда ИТ при разрядном напряжении менее 2 В. В этом случае в первичных литиевых ИТ происходит накопление побочных, в том числе пожароопасных продуктов, которые не стабильны, и присутствие даже незначительных количеств воды резко ускоряет экзотермическое разложение этих продуктов, что с большой вероятностью может приводить к взрыву ИТ. При глубоком разряде в ИТ возможно полное израсходование электролита и образование, так называемых, «сухих пятен», приводящих к возгоранию лития и взрыву ИТ, что не допустимо в эксплуатации. Это указывает на недостаточную надежность и безопасность батареи в целом.
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.).
В известной конструкции также каждый из первичных литиевых элементов имеет параллельно соединенный с ним диод, ограничивающий напряжение переполюсовки ИТ при его переразряде. Вместе с тем, он не защищает ИТ от глубокого разряда, при котором в первичных литиевых ИТ происходит накопление нестабильных пожароопасных продуктов, что может привести к возгоранию и взрыву ИТ, что указывает на недостаточную надежность и безопасность батареи в целом.
Известна 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, снабженная 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. Известная батарея может быть снабжена термопредохранителем или самовосстанавливающимся предохранителем, размещенным в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и электрически включенным последовательно с проводящим каналом полевого транзистора, при этом температура срабатывания такого термопредохранителя или самовосстанавливающего предохранителя не превышает максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора (см. патент РФ на полезную модель №71819, МПК Н01М 10/48, опубл. 20.03.2008 г.).
Известная конструкция батареи при малых токах разряда (менее 1 А) исключает возможность глубокого разряда батареи и ее составных элементов. Исключение возможности глубокого разряда обеспечивается встроенными в батарею дополнительными элементами, такими как полевой транзистор, источник опорного напряжения, а также предохранительным элементом, установленным в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора. При больших токах разряда батарей (более 5 А) и снижении разрядного напряжения ниже конечного напряжения происходит разогрев корпуса полевого транзистора. При этом в момент срабатывания полевого транзистора, например, закрытии проводящего канала транзистора при мощных (в том числе импульсных) нагрузках возможен тепловой пробой полевого транзистора, вследствие превышения текущей рабочей температуры полевого транзистора значения его максимально допустимой температуры эксплуатации, после чего продолжится протекание токов через полевой транзистор, приводя в конечном итоге к глубокому разряду ИТ. Термопредохранитель или самовосстанавливающийся предохранитель, находящийся в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора, 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. Однако, при больших токах разряда в данной конструкции необходимо использовать термопредохранители достаточно крупногабаритные, что значительно повышает их время срабатывания из-за большой собственной теплоемкости. Из-за увеличенного времени срабатывания термопредохранителя может происходить перегрев полевого транзистора и короткое замыкание (тепловой пробой) проводящего канала. После короткого замыкания проводящего канала его электрическое сопротивления будет резко снижено, что приведет к остыванию (снижению температуры) корпуса полевого транзистора. При таких условиях срабатывание термопредохранителя становится невозможным, а, следовательно, не будут устранены причины, обеспечивающие предпосылки для глубокого разряда элементов батареи, в частности, будет продолжено протекание тока через полевой транзистор. Как уже отмечалось, при глубоком разряде батареи возможно разгерметизация (взрыв) отдельных элементов и батареи в целом, что является недопустимым в эксплуатации. Кроме того, известная конструкция предусматривает наличие одного полевого транзистора на батарею в целом, однако, разряд каждого ИТ происходит индивидуально, вследствие чего один полевой транзистор не обеспечивает защиту каждого ИТ от глубокого разряда.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является известная 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.).
В известной конструкции также используется диодная защита первичных литиевых ИТ от их переразряда, при которой параллельно источнику тока подключается диод. Однако, такая защита, ограничивая напряжение переполюсовки ИТ при его переразряде, не защищает ИТ от глубокого разряда, т.е. разряда ИТ при разрядном напряжении менее 2 В. Таким образом, в первичных литиевых ИТ происходит накопление побочных, в том числе пожароопасных продуктов, которые не стабильны, и присутствие даже незначительных количеств воды резко ускоряет экзотермическое разложение этих продуктов, что с большой вероятностью может приводить к взрыву ИТ. При глубоком разряде в ИТ возможно полное израсходование электролита и образование, так называемых, «сухих пятен», приводящих к возгоранию лития и также к взрыву ИТ, что не допустимо в эксплуатации. Это указывает на недостаточную надежность и безопасность батареи в целом.
Задачей настоящей полезной модели является создание конструкции батареи с повышенной безопасностью, обусловленной исключением глубокого разряда и переполюсовки каждого ИТ батареи.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является отключение любого ИТ от токовыводов батареи за счет значительного увеличения внутреннего сопротивления цепи в месте его подключения.
Указанный технический результат достигается тем, что первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, одну цепь из последовательно соединенных положительными и отрицательными токовыводами первичных литиевых химических источников тока (ИТ), диоды, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, согласно полезной модели, снабжена полевыми транзисторами с проводящим N-каналом, причем проводящий канал каждого из транзисторов включен между ИТ и его соединением с диодом со стороны отрицательного токовывода ИТ, а затвор соединен с положительным токовыводом этого же ИТ.
Первичная литиевая батарея может быть снабжена предохранительным элементом, например, термопредохранителем или самовосстанавливающимся предохранителем, каждый из которых включен между ИТ и его соединением с диодом со стороны положительного токовывода ИТ, и размещен в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора этого же ИТ.
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.
Полевые транзисторы используются как элементы, позволяющие отключать ИТ батареи от разряда в начальной стадии их глубокого разряда, исключая тем самым возможную переполюсовку ИТ при дальнейшем разряде батареи.
Для первичных литиевых ИТ конечное напряжение разряда составляет 2,0 В. Разряд ИТ при разрядном напряжении менее 2,0 В является глубоким и, как ранее уже отмечалось, пожаровзрывоопасным.
Для полевых транзисторов с проводящим N-каналом, используемых в предлагаемой полезной модели, характерным является то, что при потенциале затвора (напряжение между затвором и проводящим каналом) более 2,0 В сопротивление проводящего канала составляет менее 0,1 Ом (т.е. им можно практически пренебречь), а при потенциале менее 2,0 В сопротивление резко возрастает (в миллионы раз) и, например, уже при 1,5 В достигает 1,0-5,0 МОм.
В силу своего включения, а именно проводящий канал каждого из транзисторов включен между ИТ и его соединением с диодом со стороны отрицательного токовывода ИТ, а затвор соединен с положительным токовыводом этого же ИТ, проводящий канал полевого транзистора каждого ИТ открыт при напряжении ИТ, превышающем конечное напряжение (2,0 В), и закрывается при значении напряжения на токовыводах ИТ меньшем конечного напряжения разряда ИТ (2,0 В).
При закрытии проводящего канала происходит резкое значительное увеличение внутреннего сопротивления цепи в месте подключения ИТ и дальнейшее отключение участка цепи с ИТ батареи от общей разрядной цепи при продолжении разряда остальных ИТ, входящих в батарею.
Таким образом, возможность глубокого разряда и переполюсовка любого ИТ предлагаемой конструкции батареи значительно снижается, что значительно повышает пожаровзрывобезопасность батареи в эксплуатации и надежность батареи в целом.
Наличие термопредохранителя или самовосстанавливающегося предохранителя обусловлено следующим. В момент закрывания проводящего канала (увеличения его электрического сопротивления) и больших разрядных токов 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 самовостанавливающися предохранитель, который, нагревается от полевого транзистора, при достижении определенной температуры (в пределах допустимой рабочей температуры полевого транзистора) срабатывает и разрывает цепь, прекращая протекание тока через полевой транзистор и его дальнейший нагрев.
При этом требование о температуре срабатывания предохранителя, не превышающим максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, необходимо для осуществления отключения полевого транзистора до его выхода из строя за счет перегрева.
Так как полевым транзистором, согласно предлагаемой полезной модели, снабжен каждый источник тока батареи, то это означает, что глубокий разряд и переполюсовка каждого источника тока предлагаемой конструкции батареи исключены абсолютно. В прототипе вероятность переразряда отдельных источников тока батареи (например, за счет сниженного сопротивления изоляции при длительном хранении батареи) существует, чем и объясняется повышенная пожаровзрывобезопасность предлагаемой полезной модели в сравнении с прототипом.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, где представлен пример принципиальной схемы предложенной первичной литиевой батареи.
Цифрами на чертеже обозначены: 1 - первичные литиевые ИТ; 2 - диоды; 3 - полевые транзисторы; 4 - предохранители, размещенные в зоне теплового потока от полевых транзисторов 3.
Первичная литиевая батарея содержит, по крайней мере, одну цепь из последовательно соединенных положительными и отрицательными токовыводами первичных литиевых химических источников тока (ИТ), 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 выводами, например, электрическими разъемами.
Параллельно с каждым ИТ 1 подключен диод 2, обеспечивающий шунтирование ИТ 1 при их полном разряде для исключения глубокой переполюсовки.
Батарея снабжена полевыми транзисторами 3 с проводящим N-каналом. Количество полевых транзисторов равно количеству ИТ 1, причем проводящий канал каждого из транзисторов 3 включен между соответствующим ИТ 1 и его соединением с диодом 2 со стороны отрицательного токовывода ИТ 1, а затвор соединен с положительным токовыводом этого же ИТ 1.
Первичная литиевая батарея может быть снабжена предохранительным элементом 4, например, термопредохранителем или самовосстанавливающимся предохранителем, каждый из которых включен между ИТ 1 и его соединением с диодом 2 со стороны положительного токовывода ИТ 1, и размещен в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора 3 этого же ИТ 1.
Температура срабатывания предохранителя 4 не должна превышать максимально допустимую рабочую температуру (температуру эксплуатации) полевого транзистора 3.
В качестве полевого транзистора 3 могут быть использованы, например, полевые транзисторы IRLR2905, IRL 2505, IRL 2705 производства International Rectifier (IR).
В качестве самовосстанавливающегося предохранителя могут быть использованы, например, самовосстанавливающиеся предохранители типа RUE 160 производства Тусо Electronics Corporation Raychem CIRCUIT PROTECTION.
В качестве термопредохранителя могут быть использованы, 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 ИТ 1 и батареи в целом уменьшается.
При падении конечного напряжения ИТ 1 менее 2,0 В проводящий канал полевого транзистора 3 закрывается. Сопротивление полевого транзистора 3 при этом резко возрастает (в миллионы раз) и, например, уже при 1,5 В достигает 1,0-5,0 МОм.
Таким образом, при закрытии проводящего канала происходит резкое и значительное увеличение внутреннего сопротивления цепи в месте подключения ИТ и отключение участка цепи с ИТ батареи от общей разрядной цепи. При этом продолжается разряд остальных ИТ, входящих в батарею, причем ток протекает через шунтирующий диод 2, который соединен параллельно с разряженным ИТ 1.
В момент закрытия проводящего канала полевого транзистора 3 (увеличения его электрического сопротивления) и больших разрядных токов возможен тепловой пробой полевого транзистора 3 вследствие превышения текущей рабочей температуры полевого транзистора 3 значения его максимально допустимой температуры эксплуатации.
Для исключения этого, в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора 3 размещен термопредохранитель или самовостанавливающийся предохранитель 4, который, нагревается от полевого транзистора 3, и при достижении определенной температуры (в пределах допустимой рабочей температуры полевого транзистора 3) срабатывает и разрывает цепь, прекращая протекание тока через полевой транзистор 3 и его дальнейший нагрев.
Так как полевым транзистором 3, согласно предлагаемой полезной модели, снабжен каждый ИТ 1 батареи, то это означает, что вероятность глубокого разряда и переполюсовки каждого ИТ предлагаемой конструкции батареи резко снижаются.
Таким образом, возможность глубокого разряда и переполюсовка любого ИТ предлагаемой конструкции батареи значительно снижается, что значительно повышает пожаровзрывобезопасность батареи в эксплуатации и надежность батареи в целом.