ПЕРВИЧНАЯ ЛИТИЕВАЯ БАТАРЕЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве батарей из первичных химических источников тока (ИТ), которые предназначены 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 на полезную модель №43106, МПК Н01М 10/48, опубл. 27.12.2004 г.).
Известная конструкция батареи предусматривает наличие диода в каждой цепи последовательно включенных ИТ, и диодов, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ. Однако, диодная защита не исключает возможности возникновения и последствий внутрисхемных замыканий, таких, например, как замыканий всей последовательно соединенной цепи ИТ или ее части, а также междуцепных замыканий, например, замыканий трех ИТ одной цепи с двумя ИТ соседней цепи. Последствия таких внутрисхемных замыканий могут приводить к разряду ИТ током выше допустимого, а также к их заряду и, как следствие, к взрыву батареи внутри герметичного батарейного отсека, разрушению батарейного отсека, что приводит к снижению безопасности при эксплуатации батареи. Необходимость сборки батареи известной конструкции заведомо
без таких замыканий вынуждает увеличивать расстояния между ИТ, что негативно сказывается на ее габаритах. При этом без увеличения габаритов производство батареи известной конструкции в значительной степени затруднено.
Известна также первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельных цепи, каждая из которых состоит, по крайней мере, из двух последовательно соединенных первичных литиевых ИТ, объединенных в едином корпусе, оборудованном контактными выводами, при этом в качестве первичных литиевых ИТ используют ИТ, энергия которых лежит в диапазоне 25-125 Вт·ч, а разброс электрической емкости между ИТ составляет не более 15%, при этом батарея дополнительно снабжена электронным регулятором, который содержит, по крайней мере, четыре диода, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ и, по крайней мере, две цепи, каждая из которых содержит последовательно соединенные термопредохранитель и диод и подключена к выходу каждого ИТ, являющегося последним в каждой цепи последовательно соединенных ИТ (см. патент РФ на полезную модель №39745, МПК Н01М 10/48, опубл. 10.08.2004 г.).
Конструкция этой батареи более безопасна, так как каждая последовательная цепь снабжена термопредохранителем. Термопредохранители защищают от возможных внутрисхемных замыканий "плюсовых" монтажных проводников с ИТ батареи. Однако, это не исключает возможность возникновения внутрисхемных замыканий, таких как, например, между корпусами ИТ, в том числе межцепных замыканий, таких как, например, замыканий трех ИТ одной цепи с двумя ИТ соседней цепи, что снижает надежность батареи. Последствия таких внутрисхемных замыканий крайней негативны, в связи с чем, недопустимы. Сборка батареи приведенной конструкции также вынуждает увеличивать расстояния между ИТ, что приводит к увеличению габаритов батареи. При этом из-за увеличения габаритов производство батарей в значительной степени затруднено.
Наиболее близким аналогом 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 на полезную модель №46388, МПК Н01М 10/48, опубл. 27.06.2005 г.).
Однако, известной конструкции батареи также присуща чрезмерная сложность изготовления. Это обусловлено тем, что при изготовлении батареи вследствие ее малых габаритов и малых расстояний между элементами электрической схемы батареи, возможны кратковременные внутрисхемные замыкания, при которых происходит срабатывание большого количества предохранителей, после чего необходима замена всех сработавших ("перегоревших") предохранителей. Вместе с тем, их отсутствие или недостаточное количество (а именно отсутствие предохранителей между ИТ) при возникновении внутрисхемных замыканий может привести к заряду ИТ, разряду током выше допустимого, нагрев и последующий взрыв. В эксплуатации, например, при монтаже батарей в батарейном отсеке, а также, например, при стендовом испытании батареи возможны кратковременные увеличения токов, которые приведут к срабатыванию некоторого количества предохранителей. Так как конструкция батареи такова, что предохранители расположены внутри батареи вблизи ИТ, то это приводит к выходу батареи из строя. Из-за сложности замены "сгоревших" предохранителей, что возможно только на предприятии-изготовителе, снижается надежность батареи в эксплуатации.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является создание конструкции батареи более простой в изготовлении и надежной в эксплуатации.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является обеспечение обратимых изменений сопротивления цепи при исключении обратного протекания тока через ИТ и его заряда.
Указанный технический результат достигается тем, что в первичной литиевой батарее, содержащей, 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, согласно полезной модели, между каждыми параллельными соединениями двух соседних ИТ с
соответствующими им диодами последовательно включен самовосстанавливающийся предохранитель.
Цепь последовательно соединенных ИТ может дополнительно содержать самовосстанавливающийся предохранитель, включенный последовательно после параллельного соединения диода и ИТ, являющегося последним в цепи последовательно соединенных ИТ.
Указанный технический результат также достигается тем, что в первичной литиевой батарее, содержащей, 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, а каждая цепь последовательно соединенных ИТ дополнительно снабжена предохранителем, включенным между общим проводом всех параллельных цепей и первым ИТ цепи, и диодами, каждый из которых подключен последовательно после каждого ИТ, являющимся последним в каждой цепи последовательно соединенных ИТ, согласно полезной модели, между каждыми параллельными соединениями двух соседних ИТ с соответствующими им диодами последовательно включен самовосстанавливающийся предохранитель.
При этом цепь последовательно соединенных ИТ может дополнительно содержать самовосстанавливающийся предохранитель, включенный последовательно после параллельного соединения диода и ИТ, являющегося последним в цепи последовательно соединенных ИТ.
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.
Все варианты выполнения предложенной первичной литиевой батареи направлены на решение одной и той же технической задачи при достижении общего технического результата.
Наличие самовосстанавливающихся предохранителей позволяет после возникновения кратковременного (например, при сборке батареи) внутрисхемного замыкания и срабатывания самовосстанавливающихся предохранителей, например, вследствие резкого увеличения тока, не заменять их, поскольку через определенное время и восстановления штатных режимов работы батареи, например, температуры элементов электрической схемы батареи, самовосстанавливающиеся предохранители восстановят
свое внутреннее сопротивление, обеспечив обратимость изменений сопротивления цепи, уменьшив его до значения, позволяющего беспрепятственно протекать току через эти предохранители, что значительно упрощает сборку батареи на предприятии-изготовителе в целом.
При этом размещение самовосстанавливающихся предохранителей после параллельного соединения каждого ИТ с диодом (а не между ИТ и его подключением с диодом) в отличие от прототипа обусловлено следующем.
При возникновении междуцепных замыканий, например, замыкании трех ИТ одной цепи с двумя ИТ соседней цепи, будет происходить разряд трех ИТ и заряд двух ИТ. В батарее все самовосстанавливающиеся предохранители могут использоваться одного типа, но ввиду неизбежности технологического разброса по току срабатывания весьма вероятно, что самовосстанавливающийся предохранитель с меньшим током срабатывания будет установлен в цепи трех разряжающихся ИТ. В связи с этим он начинает срабатывать первым, его сопротивление будет возрастать, падение напряжения на нем будет увеличиваться. Когда падение напряжения на самовосстанавливающемся предохранителе будет несколько выше напряжения разряжаемого ИТ, начнет открываться диод, который подключен параллельно к ИТ и к соединенному последовательно с ним самовосстанавливающимся предохранителем. При этом ток через предохранитель начнет уменьшаться. Возможна такая ситуация, когда диод открыт частично и одновременно частично сработал самовосстанавливающийся предохранитель. Их суммарный ток при этом будет недостаточен для срабатывания других предохранителей, находящихся в замкнутом контуре. Таким образом, заряд двух ИТ будет продолжаться большими токами, а это в конечном итоге приведет к их взрыву, что недопустимо.
Подключение самовосстанавливающегося предохранителя последовательно между каждыми параллельными соединениями двух соседних ИТ с соответствующими им диодами позволяет исключить подобное явление, так как возможность распределения зарядного (или разрядного) тока через диод и самовосстанавливающийся предохранитель исключена конструктивно, поскольку диод и самовосстанавливающийся предохранитель включены последовательно и деление тока не происходит. Таким образом, исключается обратное протекание тока через ИТ и его заряд.
Наличие самовосстанавливающегося предохранителя после последнего ИТ в цепи последовательно включенных ИТ позволяет устранить последствия возможных замыканий "плюсовых" монтажных проводников с ИТ батареи и протекания зарядного тока через ИТ, являющегося последним в цепи последовательно соединенных ИТ.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображено следующее: на фиг.1 - пример электрической принципиальной схемы предложенной первичной литиевой батареи по варианту 1; на фиг.2 - то же, с самовосстанавливающимся предохранителем, включенным последовательно после ИТ, являющегося последним в цепи последовательно соединенных ИТ; на фиг.3 - пример электрической принципиальной схемы предложенной первичной литиевой батареи по варианту 2; на фиг.4 - то же, с самовосстанавливающимся предохранителем, включенным последовательно после ИТ, являющегося последним в цепи последовательно соединенных ИТ.
1.1
N.M
1.1
N.M
1
N
1.1
1.M-1
N.1
N.M-1
1.M
N.M
T1
TN
Буквенные обозначения на фиг.1-4 соответствуют следующему: UT-UТ - первичные литиевые ИТ (где N - количество параллельных цепей; М - количество последовательных соединенных ИТ в каждой из параллельных цепей); D-D - диоды, обеспечивающие шунтирование ИТ при их полном разряде для исключения глубокой переполюсовки; D-D - диоды, исключающие заряд отдельных цепей за счет энергии других цепей; R-R, ..., R-R - самовосстанавливающиеся предохранители, последовательно включенные между каждыми параллельными соединениями двух соседних ИТ с соответствующими им диодами; R, ..., R- самовосстанавливающиеся предохранители, включенные последовательно после параллельного соединения диода и ИТ, являющегося последним в цепи последовательно соединенных ИТ; R-R - предохранители, включенные между общим минусовым проводом и первыми ИТ в цепи последовательно включенных ИТ.
1.1
N.M
Первичная литиевая батарея представляет собой набор первичных литиевых ИТ UT-UТ, 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.
1.1
N.M
Источники тока UT-UТ электрически соединяются, по крайней мере, в две параллельные цепи (т.е. N=2), при этом все цепи могут содержать одинаковое количество ИТ - М, например, семь.
1.1
N.M
Батарея снабжена диодами D-D, обеспечивающих шунтирование ИТ при их полном разряде для исключения глубокой переполюсовки, количество которых равно количеству ИТ и каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ.
1
N
1.M
N.M
Батарея также содержит диоды, например, D-D, подключенные последовательно после каждого ИТ, являющимся последним в каждой цепи последовательно соединенных ИТ, например, UT или UТ. Причем количество таких диодов равно количеству параллельно подключенных цепей ИТ, соединенных последовательно между
1
N
собой, например, N. Диоды D-D служат для исключения заряда одних цепей за счет энергии других цепей (фиг.1-4).
T1
TN
T1
TN
Кроме того, батарея может содержать предохранители R-R, включенные между общим, например, "минусовым", проводом всех параллельных цепей и первым ИТ цепи последовательно включенных ИТ (фиг.3 и 4), и позволяющие устранить последствия возможных замыканий общего, например, "минусового", провода с ИТ батареи. При этом число предохранителей R-R равно числу параллельных цепей.
1.1
1.M-1
N.1
N.M-1
1.1
1.M-1
N.1
N.M-1
2.3
2.4
2.3
2.4
2.3
1.1
1.M-1
N.1
N.M-1
По всем вариантам осуществления батареи каждая из параллельных цепей последовательно соединенных первичных литиевых ИТ снабжена между каждыми параллельными соединениями двух соседних ИТ с соответствующими им диодами последовательно включенным самовосстанавливающимся предохранителем R-R, ..., R-R. Включение предохранителей R-R, ..., R-R может быть осуществлено следующим образом. Например, между параллельными подключениями двух соседних ИТ второй цепи последовательно включенных ИТ, а именно UT и UT, с соответствующими им диодами D и D, последовательно включен самовосстанавливающийся предохранитель R. При этом предохранители R-R, ..., R-R выполняют функцию по разрыву электрической цепи в месте своего нахождения (фиг.1-4).
1.M
N.M
3.M
3.M.
3.M
Батарея может содержать самовосстанавливающиеся предохранители R, ..., R, включенные последовательно после параллельного соединения диода и ИТ, являющегося последним в цепи последовательно соединенных ИТ. Например, после параллельного подключения ИТ UТ и соответствующего ему диода D последовательно включен самовосстанавливающийся предохранитель R, который служит для устранения последствий возможных замыканий "плюсовых" монтажных проводников с ИТ батареи и протекания зарядного тока через ИТ, являющегося последним в цепи последовательно соединенных ИТ.
1.1
N.M
Самовосстанавливающиеся предохранители R-R содержат резистор, сопротивление которого резко увеличивается под воздействием проходящего тока или температуры окружающей среды и восстанавливается до начальных величин после устранения этих причин.
Например, если резистор предохранителя выполнен из полимера, содержащего токопроводящие частицы графита, то при повышении тока он нагревается и увеличивается в объеме (сопротивление резко увеличивается). После снижения тока предохранитель остывает и сопротивление восстанавливается до начальной величины.
1.1
N.M
T1
TN
В качестве самовосстанавливающихся предохранителей R...R и предохранителей R-R могут быть использованы самовосстанавливающиеся предохранители, например, типа RUE 160 производства Тyсо Electronics Corporation Raychem CIRCUIT PROTECTION.
1.1
N.M
В качестве диодов D...D могут быть использованы, например, отечественные кремниевые диоды типа 2Д213А, Б, ГОСТ В22468-77 и 3.362.008ТУ или зарубежные диоды Шоттки серии 12CTQ040 производства «International Rektifier», (США).
1
N
В качестве диодов D...D могут быть использованы, например, кремниевые диоды 1N4001-1N4004 производства «International Rektifier», (США).
Первичная литиевая батарея по всем вариантам используется следующим образом.
1.1
1.M-1
N.1
N.M-1
В процессе сборки вследствие достаточно близкого расположения электрически активных и связанных элементов батареи, а именно ИТ, диодов, контактных выводов, возможно возникновение кратковременных внутрисхемных замыканий, во время которых срабатывают самовосстанавливающиеся предохранители R-R, ..., R-R, включенные последовательно между каждыми параллельными соединениями двух соседних ИТ с соответствующими им диодами.
Срабатывание их обусловлено следующими процессами в батарее.
При возникновении замыкания происходит резкое увеличение тока и, соответственно, резкое нагревание самовосстанавливающихся предохранителей. При определенной температуре, например, 130°С внутреннее сопротивление самовосстанавливающегося предохранителя возрастает в сотни тысяч раз и происходит фактический разрыв цепи, который предотвращает дальнейший нагрев, например, ИТ и их последующий взрыв.
В отличие от плавких предохранителей, через определенное время, ориентировочно 1 ч, когда температура самовосстанавливающихся предохранителей уменьшается, они восстановят свое внутреннее сопротивление до низких значений, обеспечив обратимость изменений сопротивления цепи, уменьшив его до значения, позволяющего беспрепятственно протекать току через эти предохранители.
1.M1
N.M
При этом наличие самовосстанавливающихся предохранителей R-R после последнего ИТ в цепи последовательно включенных ИТ позволяет устранить последствия возможных замыканий "плюсовых" монтажных проводников с ИТ батареи и протекания зарядного тока через ИТ, являющегося последним в цепи последовательно соединенных ИТ.
T1
TN
Наличие самовосстанавливающихся предохранителей R-R по одному из вариантов выполнения батареи позволяет устранить последствия возможных замыканий общего, например, "минусового", провода с ИТ батареи. Кроме того, эти предохранители также срабатывают в случае повреждения целостности монтажа батареи и при чрезмерном нагреве ИТ при разряде ИТ для исключения последствий возникновения в процессе эксплуатации батареи внутрисхемных замыканий, например, замыканий всей последовательно соединенной цепи ИТ или ее части.
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.
1.1
N.М
1.1
N.M
При разряде отдельного ИТ UT...UT срабатывает диод D...D, подключенный параллельно к этому ИТ, после чего ток начинает идти через этот диод, минуя разряженный ИТ, исключая переполюсовку (изменение полярности) разряженного ИТ.
1.1
1.M-1
N.1
N.M-1
Подключение самовосстанавливающихся предохранителей R-R, ..., R-R последовательно между каждыми параллельными соединениями двух соседних ИТ с соответствующими им диодами, т.е. фактически последовательно и с ИТ и с диодами, позволяет исключить явление деления тока, и таким образом, исключается обратное протекание тока через ИТ и его заряд.
1.M
N.M
T1
TN
При значительном количестве цепей ИТ в батареи и ИТ в рамках одной цепи соответственно усложняется их монтаж в корпус батареи. При этом при одновременном совпадении в процессе эксплуатации батареи множественных повреждений, например, в виде возникновения как замыканий внутри схемы, так и замыканий между разными цепями, срабатывают предохранители как R-R, так и R-R (по второму варианту осуществления батареи).
1
N
При этом в случае чрезмерного разряда одной из цепей, вызванного, например, разрядами большого числа последовательно соединенных ИТ, находящихся в одной цепи, происходит отключение этой цепи, при помощи диодов D...D, включенных в каждую цепь в отдельности.
Таким образом, защита первичной литиевой батареи самовосстанавливающимися предохранителями, включенными в схеме батареи по предложенным вариантам, упрощает изготовление (сборку) батареи и исключает последствия, как внутрисхемных
замыканий, так и замыканий между разными цепями, которые приводят к непредсказуемым последствиям, включая нагрев батареи до взрыва ИТ и полного разрушения батареи, взрыву батареи внутри герметичного батарейного отсека и разрушению батарейного отсека. При этом исключение аварийных ситуаций повышает безопасность при эксплуатации первичной литиевой батареи и увеличивает ресурс ее безаварийной работы.