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 источников тока от их переразряда, при которой параллельно ИТ 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 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 известная защита не предохраняет от глубокого разряда ИТ, при котором может происходить накопление побочных нестабильных, в том числе, пожароопасных, продуктов, что может приводить к взрыву ИТ, что 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 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 во время 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, 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 резко будет 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.
Задачей настоящей полезной модели является создание конструкции батареи с повышенной безопасностью, обусловленной исключением глубокого разряда цепей ИТ батареи при больших значениях разрядного тока.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является уменьшение времени отключения нагрузки от цепей ИТ батареи за счет снижения времени закрывания проводящего канала полевого транзистора.
Указанный технический результат достигается тем, что 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, полевой транзистор, источник опорного напряжения с положительным и отрицательным выводами, при этом приводящий 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, термопредохранитель, размещенный в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и имеющий температуру срабатывания не превышающую максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, согласно полезной модели батарея снабжена резистором, подключенным к затвору полевого транзистора и выводу цепи ИТ, к которому подключен проводящий канал полевого транзистора, а термопредохранитель электрически включен последовательно с источником опорного напряжения в цепи, соединяющей затвор полевого транзистора с выводом цепи ИТ.
Под «термопредохранителем» в настоящем описании полезной модели понимается одноразовый предохранитель, размыкающий цепь, если температура окружающей среды в контуре превышает номинальную температуру срабатывания предохранителя.
Указанный технический результат достигается за счет следующего.
Полевой транзистор используется, как элемент, позволяющий отключать последовательно соединенные цепи ИТ от токовыводов батареи при снижении разрядного напряжения цепей ниже конечного (безопасного) напряжения разряда.
В силу своего включения, а именно проводящий канал полевого транзистора включен последовательно с одним из токовыводов цепи ИТ и токовыводом батареи, источник опорного напряжения соединен выводом одноименной полярности с другим выводом цепи ИТ, при этом выводом противоположной полярности источник опорного соединения соединен через термопредохранитель 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 меньшем значения напряжения на источнике опорного напряжения. При закрытии проводящего канала полевого транзистора мгновенно и резко повышается внутреннее сопротивление батареи (в миллионы раз), при этом происходит отключение цепи ИТ от токовыводов батареи и, соответственно, снижение практически до нуля тока подключенной к батарее нагрузке.
При значении напряжения цепи ИТ меньшем значения напряжения на источнике опорного напряжения, во время 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, который, нагреваясь от полевого транзистора, при достижении определенной температуры (в пределах допустимой рабочей температуры полевого транзистора), срабатывает. Так как затвор полевого транзистора соединен через резистор с проводящим каналом, то при срабатывании термопредохранителя потенциал затвора становится равным потенциалу проводящего канала. При таких условиях транзистор мгновенно закрывается и прекращается протекание электрического тока через нагрузку батареи. При этом требование о температуре срабатывания термопредохранителя, не превышающей максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, необходимо для осуществления отключения полевого транзистора до его выхода из строя за счет возможного перегрева.
В отличие от прототипа в предложенной полезной модели термопредохранитель электрически включен последовательно с источником опорного напряжения в цепи, соединяющей затвор полевого транзистора с выводом цепи ИТ, т.е. в цепи управления полевого транзистора, например, между выводом источника опорного напряжения и затвором полевого транзистора. В прототипе термопредохранитель включен в силовую цепь последовательно с проводящим каналом полевого транзистора.
Это обусловлено следующим.
Ток управления полевого транзистора (ток затвора) не превышает 0,000001 А, т.е. в миллионы раз меньше разрядных токов в батареи. Поэтому в предлагаемой полезной модели возможно использование малогабаритного термопредохранителя, который характеризуется незначительной временной инерцией срабатывания, что также снижает время срабатывания полевого транзистора.
Это исключает перегрев полевого транзистора (тепловой пробой) при срабатывании устройства защиты, в том числе при больших импульсных значениях разрядного тока батареи (более 5 А), что повышает безопасность в эксплуатации предлагаемой конструкции батареи 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 - полевой транзистор; 3 - источник опорного напряжения; 4 - термопредохранитель, размещенный в зоне теплового потока от полевого транзистора 2; 5 - резистор.
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 3 опорного напряжения 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.
Батарея также содержит термопредохранитель 4, размещенный в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора 2 и имеющий температуру срабатывания не превышающую максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора 2.
Термопредохранитель 4 электрически включен последовательно с источником 3 опорного напряжения в цепи, соединяющей затвор полевого транзистора с выводом цепи ИТ, т.е. в цепи управления полевого транзистора.
Термопредохранитель 4 может быть электрически включен, между выводом источника опорного напряжения, например, «минусовым», и затвором полевого транзистора 2 (см. фиг.).
Термопредохранитель 4 может быть электрически включен, между выводом источника опорного напряжения, например, «плюсовым», и положительным токовыводом батареи.
К затвору полевого транзистора 2 и выводу цепи ИТ 1, например, положительному, к которому подключен проводящий канал полевого транзистора 2, подключен резистор 5.
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.
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 термопредохранителя могут быть использованы, например, малогабаритные термопредохранители серии TZK (TZK-10; 102°С; 0,1 А; 250 В) 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.
-7
Полевой транзистор использован в связи с тем, что токи управления проводящим каналом в этом типе транзисторов практически равны нулю (~1·10 А), 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.
При этом, так как затвор полевого транзистора соединен через резистор с проводящим каналом, то при срабатывании термопредохранителя потенциал затвора становиться равным потенциалу проводящего канала. При таких условиях транзистор мгновенно закрывается и прекращается протекание электрического тока через нагрузку батареи. При этом требование о температуре срабатывания термопредохранителя, не превышающей максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, необходимо для осуществления отключения полевого транзистора до его выхода из строя за счет возможного перегрева.
Для исключения выхода из строя самого полевого транзистора 2, например, вследствие перегрева из-за сверхвысоких температур, вызванных большой токовой нагрузкой на батарею, последовательно с полевым транзистором 2 в зоне потока тепловой энергии от него включается термопредохранитель 4, срабатывающий, нагреваясь от транзистора, при достижении значения рабочей температуры полевого транзистора 2 до значения предельно допустимой температуры его эксплуатации.
Ток управления полевого транзистора 2 (ток затвора) не превышает 0,000001 А, т.е. в миллионы раз меньше разрядных токов в батарее. Термопредохранитель 4, подключенный последовательно с источником 3 опорного напряжения в цепи, соединяющей затвор полевого транзистора с выводом цепи ИТ, т.е. цепи управления полевого транзистора 2, имеет меньшую незначительную временную инерцию срабатывания (по сравнению с прототипом), например, вследствие своих незначительных размеров, что снижает время срабатывания полевого транзистора 2.
Поскольку, затвор полевого транзистора 2 соединен через резистор 5 с проводящим каналом, то при срабатывании термопредохранителя 4 потенциал затвора становиться равным потенциалу проводящего канала. При таких условиях транзистор 2 мгновенно закрывается и прекращается протекание электрического тока через нагрузку батареи.
Таким образом, исключается перегрев полевого транзистора (тепловой пробой) при срабатывании устройства защиты, в том числе при больших импульсных значениях разрядного тока батареи (более 5 А), что повышает безопасность в эксплуатации предлагаемой конструкции батареи в сравнении с прототипом.