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, 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 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, термопредохранитель, размещенный в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и имеющий температуру срабатывания не превышающую максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, при этом 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 (см. патент РФ на полезную модель №94383, МПК H01M 10/48, опубл. 20.05.2010 г.).
Однако в известной конструкции, из-за естественного технологического разброса фактических значений электрической емкости ИТ, который может составлять 10-20%, возможен при разряде батареи разряд некоторых ИТ до 0 В и последующее изменение полярности ИТ (т.е. переполюсовка ИТ), что может приводить к взрыву ИТ и выходу из строя батареи в целом.
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 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 H01M 10/48, опубл. 27.06.2005 г.).
В известной конструкции используется диодная защита первичных литиевых ИТ от их переполюсовки более, чем 0,5-1,0 В, при которой параллельно источнику тока подключается диод. Однако, такая защита, ограничивает напряжение переполюсовки ИТ при его переразряде, но не защищает ИТ от чрезмерного глубокого разряда, который может приводить к взрыву ИТ и выходу из строя батареи.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является известная 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, полевые транзисторы, проводящий канал каждого из которых соединен последовательно с соответствующим ИТ, предохранительные элементы, 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, отличающаяся тем, что полевые транзисторы выполнены с проводящим P-каналом, причем проводящий канал каждого из транзисторов включен между ИТ и его соединением с диодом со стороны положительного токовывода ИТ, а затвор соединен с отрицательным токовыводом этого же ИТ. Предохранительные элементы могут быть выполнены в виде термопредохранителя либо в виде самовосстанавливающегося предохранителя (см. патент РФ на полезную модель №106499, МПК H01M 10/48, опубл. 21.03.2011 г.).
Известная конструкция батареи при малых токах разряда (менее 0,5 А) исключает возможность глубокого разряда ИТ батареи. Исключение возможности глубокого разряда обеспечивается встроенными в батарею дополнительными элементами, такими как полевые транзисторы, а также предохранительными элементами, каждый из которых установлен в зоне потока тепловой энергии от соответствующего полевого транзистора и включен последовательно в силовую (разрядную) цепь ИТ. При снижении разрядного напряжения ниже конечного напряжения происходит разогрев корпуса полевого транзистора. Предохранительный элемент (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, разрывает разрядную цепь, прекращая протекание токов через полевой транзистор и соответствующий ИТ. Однако, при больших токах разряда (более 1,5 А) в данной конструкции необходимо использовать термопредохранители (или самовосстанавливающиеся предохранители) достаточно крупногабаритные, так как они включены в силовую (разрядную) цепь. Это значительно повышает их время срабатывания из-за большой собственной теплоемкости. Из-за увеличенного времени срабатывания термопредохранителя (или самовосстанавливающегося предохранителя) 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 (или самовосстанавливающегося предохранителя) становится невозможным, а, следовательно, не будут устранены причины, обеспечивающие предпосылки для глубокого разряда ИТ батареи, в частности, будет продолжено протекание тока через полевой транзистор и дальнейший разряд ИТ. Как уже отмечалось, при глубоком разряде возможна разгерметизация (взрыв) отдельных ИТ и батареи в целом, что является недопустимым в эксплуатации.
Задачей настоящей полезной модели является создание конструкции батареи с повышенной безопасностью, обусловленной исключением глубокого разряда ИТ батареи при больших значениях разрядного тока.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является уменьшение времени отключения нагрузки от 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 из последовательно соединенных положительными и отрицательными токовыводами первичных литиевых химических источников тока (ИТ), диоды, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, полевые транзисторы, проводящий канал каждого из которых соединен последовательно с соответствующим ИТ, термопредохранители, каждый из которых размещен в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора этого же ИТ, согласно полезной модели батарея снабжена резисторами, каждый из которых подключен к затвору полевого транзистора и токовыводу ИТ, к которому подключен проводящий канал этого же полевого транзистора, а каждый термопредохранитель электрически включен между затвором полевого транзистора, в зоне потока тепловой энергии от которого он размещен, и другим токовыводом противоположной полярности этого же ИТ.
Указанный технический результат достигается за счет следующего.
При данной схеме включения полевых транзисторов, они используются как элементы, позволяющие отключать ИТ батареи от разряда при переходе их в режим глубокого разряда за счет закрытия проводящего канала, прекращая тем самым глубокий разряд и возможную переполюсовку ИТ при дальнейшем разряде батареи.
При закрытии проводящего канала происходит значительное увеличение его сопротивления и, за счет этого, отключение участка цепи с ИТ батареи от общей разрядной цепи при продолжении разряда остальных ИТ, входящих в батарею. В процессе закрытия проводящего канала происходит разогрев полевого транзистора за счет выделяющейся тепловой энергии. При этом возможен его тепловой пробой. Для исключения теплового пробоя в зоне потока тепловой энергии от транзистора размещен термопредохранитель, который при разогреве транзистора срабатывает и при данной схеме его включения практически мгновенно обеспечивает полное закрытие проводящего канала. При этом разряд данного ИТ прекращается и прекращается также дальнейший нагрев транзистора.
В отличие от прототипа в предложенной полезной модели термопредохранитель электрически включен в цепи, соединяющей затвор полевого транзистора с токовыводом ИТ, т.е. в цепи управления полевого транзистора. В прототипе термопредохранитель включен в силовую (разрядную) цепь последовательно с проводящим каналом полевого транзистора.
Это обусловлено следующим.
Ток управления полевого транзистора (ток затвора) в миллионы раз меньше тока проводящего канала (тока разряда батареи). Поэтому в предлагаемой полезной модели возможно использование малогабаритных термопредохранителей, которые характеризуется незначительной временной инерцией срабатывания, что в конечном итоге снижает время закрытия проводящего канала. При этом исключается перегрев полевого транзистора (тепловой пробой) при работе устройства защиты в целом, что особенно актуально при больших токовых нагрузках. Это в конечном итоге повышает безопасность в эксплуатации предлагаемой конструкции батареи в сравнении с прототипом.
Полезная модель иллюстрируется чертежами - фиг. 1, фиг. 2, на которых представлены примеры принципиальных электрических схем предложенной первичной литиевой батареи. На фиг. 1 приведен пример принципиальной электрической схемы с использованием полевых транзисторов с проводящим P-каналом, а на фиг.2-е проводящим N-каналом.
Цифрами на чертежах обозначены: 1 - первичные литиевые ИТ; 2 - диоды; 3 - полевые транзисторы; 4 - предохранители, размещенные в зоне теплового потока от полевых транзисторов 3; 5 - резисторы.
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 едином 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.
Батарея снабжена полевыми транзисторами 3, проводящий канал каждого из которых включен последовательно с ИТ 1. Количество полевых транзисторов равно количеству ИТ 1, причем проводящий канал каждого из транзисторов 3 включен между соответствующим токовыводом ИТ 1 и его соединением с диодом 2, а затвор соединен с токовыводом противоположной полярности этого же ИТ 1 через термопредохранитель - 4. Затвор дополнительно соединен через резистор 5 с токопроводящим каналом со стороны его соединения с токовыводом ИТ 1. Термопредохранитель конструктивно размещен в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора 3 этого же ИТ 1, причем температура срабатывания предохранителя 4 не должна превышать максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора 3.
В качестве полевого транзистора 3 (см. чертеж - фиг.1)могут быть использованы, например, полевые транзисторы с проводящим P-каналом - IRF7210, IRF7220, IRF7225, IRF7240 производства International Rectifier (IR).
На чертеже - фиг. 2 представлена аналогичная схема батареи с полевыми транзисторами с проводящим N-каналом, например, IRLR2905, IRL 2505, IRL 2705, IRF7401 производства International Rectifier (IR).
В качестве термопредохранителя 4 могут быть использованы, например, малогабаритные термопредохранители серии ΤΖΚ-10, ΤΖΚ-11, ΤΖΚ-12, ΤΖΚ-13, TZK-14 производства Bourns, Inc (США) с температурой срабатывания в пределах 100÷150°C.
В качестве резистора 5 могут быть использованы, например, резисторы для поверхностного монтажа 0,1-10,0 Мом типа SMD различных производителей.
Первичная литиевая батарея работает следующим образом.
В процессе работы первичной литиевой батареи под нагрузкой (в процессе разряда батареи) рабочее напряжение ИТ 1 и батареи в целом уменьшается.
В начальной стадии глубокого разряда ИТ 1 полевые транзисторы 3 отключают их от разряда, исключая, тем самым, переразряд ИТ 1 и их переполюсовку.
При снижении разрядного напряжения ИТ 1 менее конечного напряжения (конечное напряжение, как правило, составляет 2,0 В) проводящий канал полевого транзистора 3 закрывается. Сопротивление проводящего канала 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 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 процессе закрытия полевого транзистора, за счет роста сопротивления проводящего канала, возможен его разогрев. Для исключения теплового пробоя полевого транзистора 3, в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора 3 размещен термопредохранитель 4, который, нагревается от полевого транзистора 3, и при достижении определенной температуры (в пределах допустимой рабочей температуры полевого транзистора 3) срабатывает и разрывает цепь управления. При этом, так как затвор полевого транзистора 3 соединен через резистор 5 с проводящим каналом, при срабатывании термопредохранителя 4 потенциал затвора становиться равным потенциалу проводящего канала. При таких условиях транзистор 3 мгновенно закрывается и прекращается протекание электрического тока через ИТ 1. Для осуществления отключения и сохранения полевого транзистора в исправном состоянии необходимо, чтобы температура срабатывания термопредохранителя не превышала максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора.
В предлагаемой полезной модели термопредохранитель включен в цепь управления. Поэтому в данной конструкции батареи возможно использование малогабаритного термопредохранителя, который характеризуется незначительной временной инерцией срабатывания, что в конечном итоге снижает время закрытия проводящего канала. При этом исключается инерционный перегрев полевого транзистора (тепловой пробой) при работе устройства защиты, что особенно важно при больших токовых нагрузках, что повышает безопасность в эксплуатации предлагаемой конструкции батареи в сравнении с прототипом.
Таким образом, в предлагаемой полезной моделе исключается потенциально опасный глубокий разряд и переполюсовка любого ИТ, который может приводить к взрыву ИТ, что значительно повышает пожаровзрывобезопасность батареи в эксплуатации и надежность батареи в целом.