УПРАВЛЕНИЕ ЗАРЯДОМ МЕТАЛЛ-ВОЗДУШНОЙ БАТАРЕИ
CHARGE MANAGEMENT OF METAL-AIR BATTERY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к управлению зарядом металл-воздушной батареи, содержащей металл-воздушные элементы с тремя электродами.
Уровень техники
В металл-воздушных элементах батарей используют отрицательный электрод на основе металла, такого как цинк, железо или литий, связанный с воздушным электродом. Чаще всего используемым электролитом является водно-щелочной электролит.
Во время разряда такой батареи на положительном электроде восстанавливается кислород, а на отрицательном электроде окисляется металл:
n+
-
Разрядка на отрицательном электроде: M → M + n⋅e
2
2
-
-
Разрядка на положительном электроде: O + 2⋅НО + 4⋅е → 4⋅ОН
Преимуществом металл-воздушных систем является использование положительного электрода бесконечной емкости, поскольку нет необходимости в хранении в электроде расходуемого кислорода, который можно получать из окружающего воздуха. Электрохимические генераторы металл-воздушного типа известны своей повышенной массовой энергией, которая может достигать нескольких сот Вт⋅ч/кг.
Воздушные электроды находят свое применение, например, в щелочных топливных элементах, которые представляют особый интерес по сравнению с другими системами по причине повышенной реакционной кинетики на электродах и по причине отсутствия благородных металлов, таких как платина. Металл-воздушные батареи используют также, например, в слуховых аппаратах.
Воздушный электрод является твердой пористой структурой, как правило, из частиц углерода, входящих в контакт с жидким электролитом. Граница раздела между воздушным электродом и жидким электролитом является так называемой границей раздела «с тройным контактом», где одновременно присутствуют активное твердое вещество электрода, газообразный окислитель, то есть воздух, и жидкий электролит. Различные типы воздушных электродов для воздушно-цинковых батарей описаны, например, в библиографической статье М. Небурчинова и др. под названием “A review on air cathodes for zinc-air fuel cells” («Обзор воздушных катодов для воздушно-цинковых топливных элементов»), Journal of Power Sources, 195 (2010), стр. 1271-1291.
Когда металл-воздушную батарею необходимо зарядить, направление тока меняют на обратное. На положительном электроде образуется кислород, и на отрицательном электроде при восстановлении оседает металл:
n+
-
Реакция заряда на отрицательном электроде: M + n⋅e → М
-
-
2
2
Реакция заряда на отрицательном электроде: 4⋅ОН → O + 2⋅НО + 4⋅е
Батареи металл-воздушного типа очень хорошо работают на разряд, но при заряде остается целый ряд нерешенных проблем.
Использование воздушного электрода при зарядке для осуществления реакции окисления и выделения кислорода имеет несколько недостатков. Пористая структура воздушного электрода является хрупкой. Было отмечено, что эта структура механически разрушается при выделении газа, когда ее используют для производства кислорода путем окисления жидкого электролита. Гидравлическое давление, появляющееся внутри электрода при образовании газа, является достаточным для разрыва связей между частицами углерода, образующими воздушный электрод.
Деградация воздушного электрода, когда его используют для заряда или подзаряда металл-воздушной батареи, значительно сокращает срок службы батареи. Это является одной из основных причин недостаточного коммерческого распространения электрически заряжаемых металл-воздушных аккумуляторов.
Защищать воздушный электрод от деградации можно путем использования второго положительного электрода, называемого вторым электродом «заряда», который применяют для реакции выделения кислорода.
При этом воздушный электрод отделен от электрода заряда, и только этот электрод заряда используют для реакции выделения кислорода. В этом случае воздушный электрод остается инертным в фазе заряда и сохраняет фиксированный потенциал. В патенте US 3 532 548 (Z.Starchurski) описана, например, воздушно-цинковая батарея с вторым вспомогательным электродом, используемым для фазы заряда.
С другой стороны, некоторые проблемы могут возникать со стороны отрицательного электрода во время электрического подзаряда металл-воздушной батареи, например, воздушно-цинковой батареи.
n+
Во время подзаряда металлические ионы M восстанавливаются на отрицательном электроде и оседают в виде металла М, как только потенциал на этом электроде становится достаточно отрицательным. Равномерное и однородное осаждение металла на электроде необходимо для обеспечения хорошей стойкости во время циклов заряда или разряда этого электрода.
Однако было отмечено, что в некоторых условиях металл осаждается в виде губчатого вещества, которое плохо пристает к поверхности электрода и может затем отделяться от электрода, что приводит к потере активного вещества и, следовательно, к снижению емкости батареи. В других случаях было отмечено, что металл может также осаждаться в виде неравномерных скоплений, называемых дендритами. Эти дендриты могут расти, достигая положительного электрода во время заряда, что приводит к внутреннему короткому замыканию, препятствующему подзаряду.
Для решения этих проблем и для получения однородного слоя цинка во время фазы заряда в заявке WO 2014 083268 А1 было предложено поддерживать потенциал отрицательного электрода ниже критического порога. Этот потенциал получают путем измерения напряжения между воздушным электродом с фиксированным потенциалом во время заряда и отрицательным электродом.
Вышеупомянутые решения относятся только к одному металл-воздушному элементу. Однако, как правило, батареи состоят из множества элементов, соединенных между собой последовательно, параллельно или при помощи комбинации последовательных и параллельных соединений. Заряд такой батареи требует использования единого зарядного устройства, питающего батарею постоянным током. Зарядное устройство подсоединяют к двум клеммам батареи, соответствующим отрицательному электроду элемента, находящегося на одном из концов батареи, и положительному электроду заряда элемента, находящегося на другом конце батареи.
При заряде батареи из последовательно соединенных элементов общий ток, проходящий через батарею, остается неизменным, даже если элементы по отдельности не находятся в одинаковом состоянии заряда. Элементы могут также находиться под разным напряжением. Выделение кислорода на аноде металл-воздушного элемента приводит к сильным флуктуациям напряжения между двумя электродами заряда элемента. Действительно, в отличие от закрытой батареи, в которой и положительные, и отрицательные электроды могут заряжаться и, следовательно, находятся при стабильном потенциале, положительный электрод заряда металл-воздушного элемента не находится в равновесии с активным веществом, поскольку происходит выделение кислорода наружу.
Сильные флуктуации напряжения в металл-воздушном элементе могут еще больше усилить неоднородность осаждения металла на отрицательных электродах элементов такой батареи.
Устройства управления зарядом обычных батарей с двумя электродами позволяют распределять ток заряда в элементах батареи, чтобы обеспечивать полный заряд всех элементов. Эти устройства управления зарядом контролируют напряжение на контактах элемента, чтобы идентифицировать его точку на предварительно построенной кривой заряда ток-напряжение. Когда напряжение на контактах элемента переходит через характеристическую точку конца заряда, заряд останавливают. Эти устройства управления зарядом не приспособлены для батареи с металл-воздушными элементами, в которых флуктуации напряжения приводят к неточности данных состояния заряда элемента и где необходимо следить, чтобы не превысить пороговый потенциал на отрицательном электроде, как указано выше.
Вышеизложенные проблемы очень затрудняют эффективное управление батареей, состоящей из металл-воздушных элементов, с целью увеличения числа электрических циклов заряда и разряда батареи и обеспечения, таким образом, большего срока службы батареи. Следовательно, существует потребность в способе управления зарядом батареи, состоящей из металл-воздушных элементов, а также в устройстве управления зарядом такой батареи.
Раскрытие изобретения
Для решения вышеупомянутых проблем настоящим изобретением предложен способ управления зарядом металл-воздушной батареи, содержащей по меньшей мере один элемент, при этом элемент содержит по меньшей мере один отрицательный электрод, первый положительный воздушный электрод и второй положительный электрод выделения кислорода, при этом для каждого элемента при подаче тока на элемент, приводящей во время заряда к прохождению тока заряда между отрицательным электродом и вторым положительным электродом выделения кислорода, способ содержит следующие этапы:
- сравнивают абсолютную величину потенциала отрицательного электрода с критическим пороговым значением, при этом потенциал отрицательного электрода определяют относительно первого положительного воздушного электрода;
- когда абсолютная величина потенциала отрицательного электрода достигает порогового значения, отводят избыток тока заряда, зависящий от разности между током, подаваемым на элемент, и током заряда.
Изобретением предложен способ управления зарядом металл-воздушной батареи, соответствующий условиям этих элементов и применяемый с элементами, содержащими второй электрод заряда.
Согласно изобретению, потенциал отрицательного электрода каждого металл-воздушного элемента сравнивают с заданным контрольным напряжением этого элемента. Этот подход отличается от известных решений, в которых контролируемым параметром для определения состояния заряда элемента батареи является напряжение между электродами заряда.
Преимуществом изобретения является возможность поддержания потенциала отрицательного электрода ниже порогового значения при любых обстоятельствах. Этого эффекта достигают за счет отвода части тока заряда, который в противном случае мог бы привести к превышению порогового значения потенциала отрицательного электрода. При этом ток, поступающий из батареи на элемент, следует двумя параллельными путями: часть тока продолжает питать элемент и проходит через электролит, тогда как избыточная часть направляется, например, по меньшей мере в один другой элемент батареи. Согласно представленной выше общей терминологии, когда абсолютная величина потенциала отрицательного электрода достигает вышеупомянутого порогового значения, избыток тока заряда отводят от отрицательного электрода этого элемента, причем этот избыток тока заряда зависит от разности между током, подаваемым на элемент, и током заряда.
Использование электрического потенциала отрицательного электрода в качестве параметра контроля состояния заряда батареи вместо напряжения позволяет преодолеть проблемы нестабильности напряжения металл-воздушных элементов, затруднявшие разработку эффективной системы регулирования для батарей, в которых используют такие элементы.
Потенциал первого положительного воздушного электрода является стабильным в фазе заряда, и этот электрод можно использовать таким образом в качестве контрольного электрода с целью измерения изменяющегося потенциала отрицательного электрода. Таким образом, напряжение между отрицательным электродом и первым положительным воздушным электродом позволяет получить потенциал отрицательного электрода. Измеряя потенциал отрицательного электрода, изобретение позволяет не принимать во внимание сильные флуктуации потенциала на положительном электроде заряда, связанные с реакцией выделения кислорода, как было указано выше. При этом изобретение позволяет избежать нежелательного разрушения элемента во время заряда, поддерживая потенциал отрицательного электрода ниже порогового значения, называемого также заданным значением.
Кроме того, потенциал отрицательного электрода, измеряемый в элементе, не зависит от состояния соседних элементов, с которыми соединен данный элемент. Следовательно, заявленный способ управления зарядом не зависит от числа элементов в батарее. Способ можно применять для каждого элемента, независимо от состояния соседних элементов.
Заявленный способ управления зарядом позволяет точно идентифицировать превышение критического порогового значения потенциала и избежать образования губчатых веществ или дендритов на отрицательном электроде, которые могли бы привести к разрушению элемента и к сокращению срока службы батареи.
Как правило, недостатком устройств управления зарядом в стандартных батареях с двумя электродами является то, что они работают в рабочем режиме типа «все или ничего». Действительно, как правило, ток отводят полностью, когда устройство управления зарядом определяет, что элемент зарядился, сравнивая напряжение на его контактах с заданным напряжением, характерным для конца заряда. Отводя только избыток тока заряда, который мог бы привести к бесполезному повышению потенциала отрицательного электрода, изобретение позволяет продолжать заряд металл-воздушного элемента до полного завершения, даже когда потенциал отрицательного электрода достигает порогового значения.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, избыток тока заряда элемента можно отвести в соседний элемент или в зарядное устройство.
Термин «соседний элемент» обозначает первый ближайший элемент относительно рассматриваемого элемента. Распределение избыточного тока от элемента к элементу позволяет управлять распределением тока заряда в батарее, содержащей большое число элементов.
Отвод избытка тока заряда, появляющегося, когда достигается критическое пороговое значение потенциала отрицательного электрода, можно использовать в соседнем элементе, который может иметь другое состояние заряда.
Предпочтительно для каждого элемента критическое пороговое значение можно зафиксировать в зависимости от потенциала в начале заряда.
Во время заряда на отрицательном электроде одновременно происходит восстановление ионов цинката с получением цинка и восстановление воды с получением водорода. Вероятность протекания второй реакции получения водорода повышается по мере увеличения потенциала отрицательного электрода, который становится более отрицательным. Устанавливая потолочное значение потенциала восстановления в зависимости от потенциала начала заряда, можно снизить риск протекания реакции получения водорода, чреватого разрушением элемента. Пороговое значение потенциала на отрицательном электроде можно установить как значение, соответствующее потенциалу отрицательного электрода в начале заряда, увеличенное, например, на 10%.
Согласно варианту выполнения, критическое пороговое значение можно пересматривать через равномерные интервалы времени.
Как правило, после сотни циклов заряда и разряда характеристика ток-напряжение заряда элемента батареи может меняться, несмотря на все меры, принимаемые для ее сохранения. Следовательно, это изменение следует учитывать, адаптируя через равномерные промежутки времени пороговое значение потенциала при помощи описанного выше метода. Такую переоценку можно, например, производить после определенного числа циклов заряда и разряда, чтобы учитывать постепенную деградацию элемента.
Согласно частному варианту выполнения, можно предусмотреть аналоговую схему, содержащую компонент с переменным сопротивлением, при этом отвод избытка тока заряда осуществляют путем изменения сопротивления указанного компонента.
Чтобы отвести избыток тока заряда, когда потенциал отрицательного электрода достигает значения порогового потенциала, использование аналогового компонента, сопротивление которого можно изменять в зависимости от прикладываемого к нему напряжения, позволяет быстро отвести избыточный ток заряда. Такой механизм отвода, который может быть основан, например, на использовании силового транзистора, такого как транзистор Дарлингтона, вполне можно применять для металл-воздушных элементов.
В частности, сопротивление компонента может меняться по меньшей мере в зависимости от величины, характеризующей разность между потенциалом отрицательного электрода и указанным пороговым значением, что дает на выходе компонента указанный избыток тока заряда.
Использование разности между потенциалом отрицательного электрода и пороговым значением в качестве средства регулирования активации аналогового компонента отвода избытка тока заряда, представляет собой средство, предназначенное для защиты элемента от возможной деградации. При этом ток, подаваемый на элемент, полностью проходит в элементе в начале заряда, когда потенциал отрицательного электрода ниже порогового значения, а после достижения порогового значения избыток тока, равный разности между током, подаваемым на элемент, и током, проходящим в элементе, отводят в другой элемент.
Согласно варианту выполнения, измерение потенциала отрицательного электрода может включать в себя фильтрацию для стабилизации напряжения между отрицательным электродом и первым воздушным электродом.
Динамика заряда металл-воздушного элемента может привести к движению носителей заряда в электролите, создающему шум, влияющий на измерение потенциала отрицательного электрода элемента. Шум может являться причиной колебаний тока и напряжения, которые могут привести к помехам при регулировании заряда металл-воздушного элемента. Фильтрация напряжения, измеряемого между катодом и воздушным электродом, например, с применением операционного усилителя, используемого в дифференциальной монтажной схеме, позволяет отсекать высокочастотные колебания напряжения. Таким образом, измеряемый потенциал отрицательного электрода перестает подвергаться быстрым флуктуациям, которые могут привести к ошибке регулирования во время управления зарядом батареи.
Объектом изобретения является также устройство управления зарядом для элемента металл-воздушной батареи, содержащей по меньшей мере один элемент, при этом элемент содержит по меньшей мере один отрицательный электрод, первый положительный воздушный электрод и второй положительный электрод выделения кислорода, при этом для каждого элемента при подаче тока на элемент, приводящей во время заряда к прохождению тока заряда между отрицательным электродом и вторым положительным электродом выделения кислорода, устройство управления зарядом осуществляет следующие этапы:
- сравнивает абсолютную величину потенциала отрицательного электрода с критическим пороговым значением, определяя при этом потенциал отрицательного электрода относительно первого положительного воздушного электрода;
- когда абсолютная величина потенциала отрицательного электрода достигает порогового значения, отводит избыток тока заряда, зависящий от разности между током, подаваемым на элемент, и током заряда.
Составные элементы такого устройства управления зарядом позволяют эффективно осуществлять описанный выше способ. В частности, используя вместо напряжения между двумя электродами заряда потенциал отрицательного электрода для сравнения этого потенциала с критическим пороговым значением, изобретение эффективно защищает элемент от деградации, которая может быть вызвана повышенными потенциалами на отрицательном электроде. Таким образом, изобретение решает появляющуюся в металл-воздушных элементах проблему больших флуктуаций напряжения между электродами заряда, как было описано выше.
Электронная схема управляет зарядом элемента, отводя избыток тока заряда, соответствующий току, который мог бы привести к повышению потенциала электрода сверх порогового значения. Отвод избыточного тока заряда происходит эффективно, когда потенциал отрицательного электрода достигает порогового значения.
Таким образом, заявленное устройство управления зарядом позволяет контролировать состояние заряда каждого элемента, одновременно предохраняя эти элементы и гарантируя повышенный срок службы, независимо от состояния заряда и/или от потенциала других элементов батареи.
В частности, аналоговая схема может отводить избыток тока заряда в соседний элемент или в зарядное устройство через соединение с указанным соседним элементом или с зарядным устройством соответственно.
Согласно варианту выполнения изобретения, аналоговая схема отвода избытка тока заряда может содержать компонент с переменным сопротивлением, при этом отвод избытка тока заряда осуществляют путем изменения сопротивления указанного компонента.
В частности, компонент с переменным сопротивлением является силовым транзистором.
Использование силового транзистора обеспечивает высокую скорость реагирования при отводе избытка тока. С другой стороны, управлять таким аналоговым компонентом можно при помощи незначительной энергии, отводя при этом токи большой силы порядка 3 ампер за несколько сот микросекунд.
В частности, силовой транзистор может быть транзистором Дарлингтона.
Транзистор Дарлингтона может оказаться компонентом, подходящим для отвода сильных токов в несколько ампер при помощи команды, требующей слабых токов в несколько мА. Он может также отвечать требованиям реагирования при отводе тока из металл-воздушных элементов, когда потенциал отрицательного электрода приближается к потенциальному пороговому значению потенциала и, в частности, когда этот потенциал достигает порогового значения.
Согласно варианту выполнения изобретения, устройство управления зарядом может дополнительно содержать электронную схему измерения разности потенциала между отрицательным электродом и первым положительным воздушным электродом.
Согласно варианту выполнения изобретения, электронная схема измерения может содержать фильтр-стабилизатор напряжения.
Динамика заряда металл-воздушного элемента может привести к движению носителей заряда в электролите, приводящему к шуму, и делая измерение потенциала отрицательного электрода элемента чувствительным к этому шуму. В частности, речь может идти о быстрых флуктуациях, как правило, превышающих 75 Гц, напряжения на контактах электродов заряда. В качестве средства снижения шума изобретение может использовать, например, измерительную схему на основе дифференциального усилителя с применением операционного усилителя, который ведет себя как фильтр нижних частот. Таким образом, измерение потенциала отрицательного электрода не искажается из-за ошибок, связанных с высокочастотным шумом, то есть в этом контексте из-за частот, как правило, превышающих 75 Гц.
Объектом изобретения является также батарея, содержащая по меньшей мере один элемент, при этом каждый элемент содержит по меньшей мере один отрицательный электрод, второй положительный электрод выделения кислорода и описанное выше устройство управления зарядом.
Краткое описание чертежей
Заявленный способ будет более понятен из нижеследующего описания примеров осуществления, представленных в качестве иллюстраций и не носящих ограничительного характера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схема металл-воздушного элемента с тремя электродами.
Фиг. 2 - схема батареи, состоящей из трех последовательно соединенных металл-воздушных элементов и содержащей устройство отвода избытка тока заряда.
Фиг. 3 - схема устройства управления зарядом для металл-воздушного элемента с тремя электродами.
Фиг. 4 - электронная структура схемы измерения потенциала отрицательного электрода металл-воздушного элемента.
Фиг. 5а и 5b - электронные структуры схемы, позволяющей оценивать отклонение, соответствующее разности между заданным пороговым потенциалом и измеряемым потенциалом отрицательного электрода.
Фиг. 6 - электронная структура схемы, позволяющей корректировать измеренное отклонение, рассчитанное при помощи схем, показанных на фиг. 5а и 5b.
Фиг. 7 - электронная структура схемы, позволяющей получать напряжение управления компонентом с переменным сопротивлением, отводящим избыток тока заряда.
Фиг. 8 - электронная структура схемы, позволяющей управлять активацией транзистора Дарлингтона, отводящего избыток тока заряда в соседний элемент.
Из соображений ясности размеры различных элементов, показанных на этих фигурах, не пропорциональны их реальным размерам. На фигурах одинаковые обозначения соответствуют одинаковым элементам.
Осуществление изобретения
Изобретение относится к заряду батареи, состоящей из металл-воздушных элементов, соединенных последовательно, параллельно или при помощи комбинаций последовательных и параллельных соединений.
Наиболее продвинутыми и эффективными с точки зрения срока службы металл-воздушными элементами являются элементы с тремя электродами, такими как элемент, показанный на фиг. 1. На фиг. 1 схематично показана батарея, состоящая из одного металл-воздушного элемента 10. Такой элемент 10 содержит электролит, как правило, в виде щелочного раствора. Отрицательный электрод 1, как правило, из металла, такого как цинк, железо или литий, соединен с отрицательной клеммой зарядного устройства 5. Первый положительный воздушный электрод 2 используют в силовой схеме во время разряда. Во время заряда этот первый положительный воздушный электрод 2 используют только с целью измерения потенциала отрицательного электрода 1. Режим работы для заряда или разряда можно выбирать при помощи триггерного устройства 6, такого как реле. Второй положительный воздушный электрод 3 выделения кислорода используют только во время заряда батареи. Всем элементом управляют при заряде при помощи устройства 7 управления зарядом, называемого “Battery Management System” или BMS в англо-саксонской терминологии.
Учитывая сильные флуктуации напряжения, возникающие между клеммами 1 и 3 заряда, устройства управления зарядом, применяемые в обычных батареях с двумя электродами, не подходят для батарей, содержащих элементы металл-воздушного типа. Кроме того, необходимо поддерживать потенциал отрицательного электрода ниже порогового значения, чтобы избежать образования дендритов или губчатых веществ во время осаждения металлических ионов на электрод в фазе подзаряда.
Когда производят подзаряд батареи, содержащей несколько элементов, постоянный ток, выдаваемый зарядным устройством 5, проходит через все элементы батареи без учета потенциала каждого элемента. Поскольку кинетика заряда может меняться от одного элемента к другому, во время заряда батареи могут возникать сильные разбросы потенциала отрицательных электродов каждого элемента, и в некоторых элементах может быть превышено критическое пороговое значение потенциала, что может привести к деградации батареи.
На фиг. 2 схематично показана батарея, содержащая три последовательно соединенных металл-воздушных элемента 7, каждый из которых оснащен устройством 7 управления зарядом в соответствии с изобретением. Ток заряда, выдаваемый зарядным устройством, проходит между отрицательной клеммой, соединенной с отрицательным электродом 1 элемента 11, находящегося на конце батареи, и положительной клеммой второго электрода 3 выделения кислорода элемента 12, находящегося на другом конце батареи. Изобретение связывает с каждым элементом батареи устройство 7 управления зарядом, выполненное с возможностью получать измерение значения потенциала отрицательного электрода 1 элемента, сравнивать это значение с пороговым значением, соответствующим заданному значению, которое не следует превышать, и приводить в действие устройство отвода избытка тока заряда при достижении порогового значения.
Избыток тока заряда можно определить как ток, равный разности между током, подаваемым на элемент и называемым также входным током элемента, и током, реально проходящим в элементе через электролит от отрицательного электрода к второму положительному электроду выделения кислорода.
На фиг. 3 схематично показаны основные компоненты, которые могут быть включены в заявленное устройство 7 управления зарядом. Для упрощения на этой фигуре показан только один элемент батареи, питаемый зарядным устройством 5.
Устройство 7 управления зарядом содержит электронную схему 40, позволяющую измерять потенциал отрицательного электрода 1 посредством измерения разности потенциалов между первым положительным воздушным электродом 2 и отрицательным электродом 1. Значение, измеренное схемой 40, можно передать в электронную схему 80 регулирования. Эта схема 80 может также получать заданное пороговое значение 50, которое может быть фиксированным значением или значением, переустанавливаемым по истечении определенного числа циклов заряда и разряда. Схема 80 может содержать первый электронный блок, действующий как корректор 60 регулирования, который сравнивает значения измеряемого потенциала с заданным пороговым значением 50 с целью управления вторым электронным блоком, образующим устройство 70 отвода тока заряда.
Кроме того, заявленное устройство 7 управления зарядом отличается от известных устройств управления зарядом тем, что использует аналоговое управление отводом избытка тока заряда, а не логическое управление. Таким образом, отводимое количество тока заряда может быть таким, что часть тока может продолжать проходить через элемент, когда потенциал отрицательного электрода достигает заданного значения 50. Вместе с тем, отвод может происходить реально, только когда пороговое значение достигнуто.
Следует заметить, что заряд элемента является нелинейным процессом. Так, в начале цикла заряда ток, проходящий через элемент, может быть высоким, и потенциал отрицательного электрода 1 меньше порогового значения 50. По мере восстановления металлических ионов на отрицательном электроде 1 потенциал отрицательного электрода 1 увеличивается. Однако зарядное устройство питает элементы неизменным током. Таким образом, изобретение позволяет поддерживать неизменный ток в элементе в первой фазе заряда батареи, одновременно сохраняя потенциал отрицательного электрода ниже порога 50. Когда потенциал отрицательного электрода 1 достигает порогового значения, избыточный ток отводится в другой элемент. Остающаяся часть тока позволяет завершить зарядку батареи, не повреждая элемента. Обычно заряд батареи заканчивают, когда в батарею было подано определенное количество тока. Поскольку изобретение позволяет перенаправить внутри самой батареи избыточный ток заряда в элементы, которые могут использовать весь или часть тока зарядного устройства 5, можно зафиксировать конец заряда в зависимости от полного тока, выдаваемого зарядным устройством, на основании заранее определенного значения, соответствующего количеству тока, позволяющему полностью зарядить все элементы батареи.
Фиг. 4-8 иллюстрируют в виде электронных схем частный пример выполнения описанных выше компонентов 40, 80, 60 и 70. Для реализации описанного выше способа управления зарядом можно использовать версии выполнения, основанные на других технических средствах, позволяющих выполнять функции измерения, сравнения потенциала с заданным значением и управления устройством отвода.
На фиг. 4 представлен пример электронной схемы 40 измерения потенциала отрицательного электрода 1. Эта схема 40 включает в себя дифференциальный усилитель 2001, который можно выбрать для работы в диапазонах напряжения, как правило, от 0 В до 6 В. Значение этого диапазона напряжения обычно зависит от количества элементов в батарее. Отрицательная клемма усилителя 2001 может быть соединена с отрицательным электродом 1 через резистор 4001. Потенциал 101 этого электрода обозначен V-. Положительная клемма может быть соединена с вторым положительным электродом 2 выделения кислорода через резистор 4002. Между резистором 4002 и усилителем 2001 можно вставить резистор 4003, соединенной с массой. Потенциал 102 этого электрода обозначен V+. Усилитель может содержать резистор 4004 обратной связи. На выходе схемы 40 можно получить напряжение 301, обозначенное Vdiff, соответствующее потенциалу отрицательного электрода 1.
Использование операционного усилителя для измерения напряжения может представлять особый интерес в рамках металл-воздушного элемента с учетом использования слабых напряжений и токов. Действительно, использование операционного усилителя позволяет осуществлять измерение, которое лишь очень незначительно нарушает электрическое состояние электродов 1 и 2 измерения. Кроме того, операционный усилитель может действовать как фильтр нижних частот, что позволяет избегать колебаний напряжения, которые могли бы стать причиной погрешности в регулировании. В качестве альтернативы можно предусмотреть использование фильтра нижних частот на входе или на выходе схемы измерения потенциала.
Согласно частному варианту выполнения, значения сопротивления резисторов 4001-4004 можно выбрать равными 2,2 кОм, и в качестве операционного усилителя можно выбрать усилитель LT1001A. Этот тип монтажа обеспечивает токи 1,4 мА на линии, соединенной с V-, рассеивающие мощность 4,2 мВт, и токи 0,7 мА на линии, соединенной с V+, рассеивающие мощность 1,1 мВт. Эти значения могут в незначительной степени меняться с учетом внутренних соединений различных схем, показанных на фиг. 4-8.
Затем напряжение 301 можно направить на корректор 60 регулирования для сравнения с заданным значением, как показано на фиг. 5b.
На фиг. 5а, 5b и 6 показана электронная схема в качестве примера выполнения корректора 60 регулирования, показанного на фиг. 3.
На фиг. 5а предложена монтажная схема инвертирующего усилителя для изменения знака напряжения 50, соответствующего пороговому значению Vref. Эта монтажная схема содержит операционный усилитель 2002, положительную клемму которого можно соединить с массой через резистор 5002. Отрицательную клемму можно соединить с заданным напряжением 50 через резистор 5001. Здесь тоже можно предусмотреть резистор 5003 обратной связи.
Резисторы 5001-5003 могут иметь, например, значение сопротивления 2,2 кОм. Усилитель 2002 может иметь такие же характеристики, как и усилитель 2001. Таким образом, монтажную схему, показанную на фиг. 5а, можно адаптировать для инверсии знака входного напряжения 50, составляющего от 1,3 В до 1,7 В. Абсолютное значение выходного напряжения 51 инвертирующего усилителя тоже может составлять от 1,3 В до 1,7 В. Максимальный ток на линии, содержащей вход Vref, может быть равен 0,8 мА. Мощность, рассеиваемая в каждом резисторе, может быть равна 1,4 мВт.
Выход 51 монтажной схемы на фиг. 5а используют как вход в монтажной схеме сумматора-инвертора на фиг. 5b.
Монтажную схему сумматора-инвертора, показанную на фиг. 5b, можно предусмотреть для вычисления разности между заданным значением 50 и напряжением 301, отображающим потенциал отрицательного электрода 1. Отрицательную клемму суммирующего-инвертирующего усилителя 2003 можно соединить через резистор 5004 с линией, находящейся под напряжением 51. Ее можно также соединить через резистор 5005 с линией, находящейся под напряжением 301. Положительную клемму усилителя 2003 можно соединить с массой через резистор 5006, и усилитель 2003 может содержать резистор 5007 обратной связи. Усилитель 2003 может выдавать на выходе напряжение 53, обозначенное Vref-Vdiff, соответствующее отклонению между заданным значением 50 и потенциалом отрицательного электрода 1, определяемым напряжением 301.
Согласно частному варианту выполнения, резисторы 5004-5007 могут иметь значение сопротивления 2,2 кОм, и усилитель 2003 может быть идентичным усилителям 2001 и 2002. Выходное напряжение 53 может меняться от -1,7 В до 1,3 В. Максимальный ток на линии, находящейся под напряжением 301, может быть равен 1,4 мА, и максимальный ток на выходе может быть равен 0,8 мА. Поскольку выход 53 соединен с монтажной схемой инвертирующего усилителя, показанного на фиг. 6, как правило, имеющего высокое сопротивление на входной линии, можно точнее оценивать максимальные токи и мощности, рассеиваемые монтажной схемой, показанной на фиг. 5b. Максимальный ток на линии, находящейся под напряжением 301, может быть равен 2,1 мА и максимальный ток на линии, находящейся под напряжением 51, может быть равен 1,6 мА. Мощность, рассеиваемая в этой монтажной схеме, может быть равна 26 мВт.
Монтажная схема, показанная на фиг. 6, соответствует инвертирующему усилителю, позволяющему усиливать разность напряжений 53, чтобы построить напряжение управления устройством отвода избытка тока заряда. Монтажная схема, показанная на фиг. 6, позволяет применить коэффициент усиления к разности 53. Этот коэффициент усиления позволяет корректировать отклонение между потенциалом на отрицательном электроде и заданным значением 50, сверх которого компонент 81 с переменным сопротивлением, показанный на фиг. 8, начинает отводить часть тока, подаваемого в элемент. При этом можно выбрать такой коэффициент усиления, при котором описанный ниже компонент 81 с переменным сопротивлением может отводить небольшую часть тока, подаваемого на элемент, даже когда потенциал отрицательного электрода не достигает заданного значения 50.
Отрицательную клемму усилителя 2004 можно соединить через резистор 6001 с линией, находящейся под напряжением 53. Положительную клемму можно соединить с массой через резистор 6002. Потенциометр 6003 обычно регулируют по значениям от 10 кОм до 300 кОм, чтобы он мог выполнять роль резистора обратной связи. Следовательно, коэффициент усиления инвертирующего усилителя можно корректировать. Токами на входе положительной и отрицательной клемм усилителя 2004 можно пренебречь с учетом повышенного значения сопротивления резистора обратной связи. Монтажная схема, показанная на фиг. 6, может выдавать на выходе напряжение 54 управления, соответствующее напряжению 53, умноженному на коэффициент усиления альфа. Этот коэффициент усиления выражают в зависимости от сопротивлений R6003 и R6001 как коэффициент, равный -R6003/R600. Усилитель 2004 может быть идентичным усилителям 2001-2003, резистор 6001 может иметь значение сопротивления 1 кОм, и резистор 6002 может иметь значение сопротивления 2,2 кОм.
Использование потенциометра в качестве компонента обратной связи позволяет адаптировать коэффициент усиления к особенностям каждого элемента, как было указано выше. Сопротивление потенциометра можно отрегулировать посредством калибровки один раз перед использованием или можно калибровать повторно после определенного числа циклов заряда и разряда.
Чтобы стабилизировать входное напряжение 53, можно добавить фильтр нижних частот на входе резистора 6001, например, фильтр нижних частот с частотой отсечки 75 Гц. Такой фильтр позволяет ограничить колебания напряжения, которые в противном случае могли бы отрицательно влиять на включение и выключение отвода избыточного тока с помощью компонента с переменным сопротивлением, показанного на фиг. 8.
Устройство 70 отвода тока может содержать схему для генерирования напряжения управления компонентом с переменным сопротивлением, таким как описанный ниже силовой транзистор. На фиг. 7 представлена монтажная схема, в которой напряжение 54 управления добавляют к потенциалу отрицательного электрода 101 с целью генерирования такого напряжения управления. Эта монтажная схема включает в себя суммирующий-инвертирующий усилитель 2005, за которым следует последовательно соединенный инвертирующий усилитель 2006. Отрицательная клемма усилителя 2005 может быть соединена с линией, находящейся под напряжением 54, через резистор 7002 и с линией, находящейся под напряжением 101, через резистор 7001. Положительная клемма может быть соединена с массой через резистор 7003. Можно предусмотреть также резистор 7004 обратной связи.
Выход усилителя 2005 может быть соединен через резистор 7005 с отрицательной клеммой усилителя 2006. Положительную клемму усилителя 2006 можно соединить с массой через резистор 7006. Можно предусмотреть также резистор 7007 обратной связи. На выходе усилителя 2006 монтажная схема может выдавать напряжение 55, соответствующее сумме напряжения 101 и напряжения 54.
Согласно частному варианту выполнения, резисторы 7001-7007 могут иметь сопротивление 2,2 кОм. Усилители 2005 и 2006 могут быть идентичными усилителям 2001-2004.
Напряжение 54 может меняться от -15 В до +15 В, когда усилители могут работать линейно, и напряжение 101 может обычно меняться от 0 до 3 В. Таким образом, максимальное значение напряжения 55 может быть 15 В, и минимальное напряжение может быть -15 В, когда усилители могут работать линейно, при этом усилитель 2005 работает в этих крайних пределах на границе режима насыщения.
Как будет показано на фиг. 8, на выходе линии, находящейся под напряжением 55, и на входе следящей схемы, показанной на фиг. 8, можно установить диод. Поскольку диод блокирует прохождение тока при отрицательных значениях подаваемого напряжения, можно оценивать ток на выходе инвертирующего усилителя 2006. Максимальный ток на выходе 2006 может быть равен 7 мА. При напряжении на клемме инвертора, близком к 1 В, мощность, рассеиваемая в усилителе 2006, может составлять 7 мВт. При токе в 7 мА на линии, содержащей резистор 7002, и при токе 0,9 мА на линии, содержащей резистор 7001, учитывая, что обратная связь усилителя 2006 может добавлять ток 7 мА, максимальный ток на выходе 2005 может быть равен 15 мА.
Мощность, рассеиваемая в линейном усилителе 2005, может составлять 15 мВт.
На основании этих данных мощность, рассеиваемую в усилителе 2004, можно оценить в 7 мВт при насыщенной работе. Максимальная мощность, рассеиваемая в усилителе 2004, может составлять 30 мВт, максимальная мощность, рассеиваемая в усилителе 2005, может составлять 60 мВт, и максимальная мощность, рассеиваемая в усилителе 2006, может составлять 30 мВт.
На фиг. 8 показана следящая монтажная схема, позволяющая создавать напряжение для управления описанным ниже компонентом с переменным сопротивлением. Эта схема содержит диод 801, позволяющий выпрямлять командный сигнал 55 и защищать компонент с переменным сопротивлением. Например, можно использовать диод типа 1N914.
Предпочтительно усилитель 2007 может отличаться от усилителей 2001-2006 тем, что он питается только напряжением +15В, при этом другая клемма питания подключена на массу, чтобы не питать в обратном направлении компонент 81 с переменным сопротивлением. Например, можно использовать усилитель типа LT1006. Положительная клемма усилителя 2007 может иметь соединение с массой через резистор 8001. Максимальный ток в диоде 801 может составлять 0,2 мА при рассеиваемой мощности 0,12 мВт. Мощность, рассеиваемая в резисторе 8001, может составлять 4 мВт, когда значение сопротивления этого резистора равно 100 кОм. Усилитель 2007 может выдавать на выходе выпрямленное напряжение 56. Таким образом, этот усилитель 2007 позволяет проходить слабому току в диоде 801. В отсутствие этого усилителя 2007 размерные параметры диода 801 могут играть роль в подаче достаточного тока для управления транзистором Дарлингтона.
Характеристики максимального тока на выходе усилителя 2007 зависят от потребностей управления компонентом 81 с переменным сопротивлением, отводящим избыток тока заряда. Показанный на фиг. 8 компонент 81 с переменным сопротивлением, который может быть силовым транзистором, таким как транзистор Дарлингтона, предпочтительно может быть выполнен с возможностью обеспечения отвода тока, по меньшей мере равного 3 А. Если считать, что минимальный коэффициент усиления для транзистора Дарлингтона, показанного на фиг. 8, равен 100, ток управления на выходе инвертирующего усилителя 2007 может иметь значение 30 мА. Поскольку напряжение в верхнем состоянии считается равным 13 В, сопротивление управления транзистором Дарлингтона может иметь значение около 400 Ом. Максимальная мощность, рассеиваемая в усилителе 2007, может составлять 150 мВт.
Показанный на фиг. 8 транзистор Дарлингтона 81 может быть соединен с линией, находящейся под напряжением управления 56, через резистор 8002. Это напряжение управления может питать базу первого транзистора устройства с переменным сопротивлением Дарлингтона. Эмиттер второго транзистора устройства с переменным сопротивлением Дарлингтона может быть соединен с отрицательным электродом 1, находящимся под потенциалом 101, рассматриваемого элемента батареи. Коллектор, общий с первым и вторым транзисторами устройства с переменным сопротивлением Дарлингтона, может быть соединен с отрицательным электродом следующего элемента батареи.
Резистор 8002 можно выбрать, например, с сопротивлением, равным 1 кОм. Выбор значения сопротивления этого резистора позволяет регулировать напряжение управления транзистором Дарлингтона. Реакцию транзистора Дарлингтона можно регулировать за счет выбора коэффициента усиления в инвертирующем усилителе, показанном на фиг. 6, при помощи потенциометра 6003, а также за счет выбора резистора 8002.
База транзистора Дарлингтона позволяет пропускать избыток тока заряда от отрицательного электрода данного элемента к отрицательному электроду следующего элемента в батарее, когда напряжение, подаваемое на базу, является достаточным, чтобы сделать транзистор Дарлингтона пропускающим. На практике описанную выше схему регулирования строят таким образом, чтобы транзистор Дарлингтона становился пропускающим, когда потенциал отрицательного электрода достигает порогового значения потенциала 50 или по крайней мере приближается к нему, но не допускал при этом превышения порогового значения 50. В этом случае ток, подаваемый на рассматриваемый элемент, может пойти двумя разными путями: часть тока может проходить через электролит между двумя электродами заряда, и остальная часть может проходить через транзистор Дарлингтона 81.
Ток, отводимый от элемента транзистором Дарлингтона 81, может быть таким, что только часть тока, подаваемого на элемент, позволяющая поддерживать потенциал отрицательного электрода 1 в значении, меньшем или равном порогу, может проходить через электролит между двумя электродами заряда. Таким образом, транзистор Дарлингтона 81 может действовать как аналоговый компонент с переменным сопротивлением, причем это изменение сопротивления контролируется напряжением управления 56, питающим базу транзистора Дарлингтона 81. Поскольку реакция компонента Дарлингтона 81, как правило, является экспоненциальной с учетом повышенного коэффициента усиления, получаемого в пропускном состоянии, то прохождение тока, который может повысить потенциал отрицательного электрода 1 сверх порогового значения 50, блокируется. Напряжение 56 управления зависит от разности между потенциалом отрицательного электрода 1 и пороговым значением 50. Это регулирование позволяет адаптировать сопротивление транзистора Дарлингтона согласованно с отклонением потенциала 101 отрицательного электрода 1.
Описанная выше система регулирования заряда батареи может обеспечивать реакцию в несколько сот микросекунд, в частности, с учетом времени реакции используемых операционных усилителей, которое оценивается в значении 40 микросекунд. Как правило, компонент с переменным сопротивлением Дарлингтона 81 имеет динамику быстрой реакции в десяток наносекунд. Он позволяет отводить до 5 А тока при питании базы первого транзистора током только в 5 мА.
Кроме того, изобретение не ограничивается частными вариантами выполнения, которые были представлены в качестве примеров.
Например, можно отводить избыток тока заряда в другое место, отличное от соседнего элемента. Например, ток заряда может служить для питания аккумулятора.
Изобретение можно применять как для батареи, содержащей только один металл-воздушный элемент, так и для батареи, содержащей множество электрически соединенных между собой металл-воздушных элементов.
Выбор компонентов, таких как резисторы или усилители, был представлен только в качестве примера выполнения, чтобы показать, в частности, что изобретение может работать, используя незначительную энергию, чтобы регулировать с повышенной реакцией токи большой силы.