УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
DEVICE FOR PROTECTION OF LITHIUM-ION BATTERY

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и касается переключающих (а точнее - блокирующих) байпасных устройств, установленных параллельно каждому из аккумуляторов батареи космического аппарата (КА).
В процессе эксплуатации аккумуляторных батарей (АБ) в составе системы электроснабжения КА в течение срока активного существования (САС) 10-15 лет вероятно возникновение дефекта - замыкания в одном или более аккумуляторах, соединенных в батарею последовательно. При этом необходимо обеспечить протекание разрядного тока остальных аккумуляторов в обход дефектного аккумулятора при условии неразрывности общей цепи.
Известен термочувствительный переключатель [1], содержащий корпус, в котором расположены подвижный и неподвижный контакты и термочувствительный элемент, выполненный из фольгового ленточного материала с эффектом памяти формы, принятый за аналог.
Недостатком вышеуказанного аналога является невозможность протекания через его контакты больших токов - порядка десятков ампер - каким разряжаются АБ современных КА. Область применения аналога ограничена сигнализацией предельной температуры, т.е. использованием в качестве датчика, термореле, теплового пожарного извещателя. Требуемое переходное сопротивление (не более 150-200 мкОм) не может быть достигнуто в приемлемых массогабаритных ограничениях только за счет термочувствительного элемента с эффектом памяти формы.
Наиболее близким к заявляемому устройству является байпасный переключатель [2], принятый за прототип, состоящий из корпуса с расположенными в нем рабочей пружиной, исполнительного механизма с подвижным контактом, неподвижных контактов, собачки предохранителя, силопривода на основе термочувствительного элемента с эффектом памяти формы, электронагревательного элемента.
Указанный прототип имеет недостатки, вытекающие из условий работы имеющих место при штатной эксплуатации: космический вакуум и САС длительностью 10-15 лет.
В условиях космического вакуума проявляется эффект так называемой диффузионной сварки, когда при «отгазке» с поверхностей подвижного и неподвижных контактов, которые предварительно подпружинены, последние самоочищаются на атомном уровне, а контакт, бывший подвижным, становится неподвижным и байпасное устройство перестает выполнять свою целевую функцию, хотя при всех наземных испытаниях, в том числе и приемо-сдаточных, устройство работает исправно.
Кроме того, рабочая пружина (поз. 2 в описании прототипа) находится в течение САС в предварительно напряженном состоянии. Это сопровождается «осадкой» пружины, когда она не может полностью восстановить свою первоначальную форму, а развиваемое ею усилие уменьшается.
Задача, решаемая заявляемым устройством, - обеспечение надежности срабатывания при неразрывности цепи и минимуме переходного сопротивления контактов.
Данная задача решается за счет того, что заявляемое устройство для защиты литий-ионной аккумуляторной батареи, состоящее из корпуса и расположенных в нем неподвижных и подвижного контактов, электронагревательного и термочувствительного элементов, эластичной и упругой мембран, при этом подвижный контакт выполнен из легкоплавкого сплава и размещен вместе с электронагревательным элементом в полости, ограниченной корпусом, эластичной мембраной и одним из неподвижных контактов, а полость между корпусом и эластичной и упругой мембранами на треть заполнена жидкостью с малой удельной теплотой парообразования, выполняющей одновременно роль термочувствительного элемента, причем в неподвижных контактах выполнены отверстия.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом техническом решении отсутствуют предварительно напряженные звенья (пружины), а функции термочувствительного элемента и силового привода совмещены.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 изображено заявляемое устройство в исходном состоянии.
На фиг. 2 - в активированном.
На фиг. 3 изображена схема подключения устройства к аккумулятору.
Устройство содержит корпус 1, неподвижные контакты 2 с отверстиями 3, электронагревательный элемент 4, покрытый слоем электроизоляции, находящийся в полости между одним из неподвижных контактов, с которым соединен электрически и эластичной мембранной 5, полость заполнена легкоплавким сплавом 6, который в исходном состоянии находится в твердой фазе, с другой стороны от эластичной мембраны 5, в полости 7 находится жидкость с малой удельной теплотой парообразования, выполняющей одновременно роль термочувствительного элемента, объем полости 7 заполнен на треть и ограничен упругой мембраной 8, которая в исходном состоянии не напряжена.
Устройство подключается к положительному борну 10 аккумулятора An неподвижным контактом 2, который электрически соединен с одним из контактов электронагревательного элемента 4, второй контакт которого подсоединен к катоду диода 9. Другой неподвижный контакт 2 и анод диода 9 соединены с отрицательным борном 11 аккумулятора An.
Работает устройство следующим образом. При эксплуатации АБ в одном или нескольких аккумуляторах может произойти частичное повреждение сепаратора вследствие технологического дефекта либо нарушений условий эксплуатации. При возникновении в аккумуляторе замыкания - местного локального дефекта электродного блока - он начнет разряжаться суммарным током нагрузки и током, возникающим вследствие локального дефекта, который только разогревает аккумулятор. В такой аварийной ситуации дефектный аккумулятор начнет, по сравнению с исправными, быстро терять остаточную емкость. Его электродный блок разогреется, и аккумулятор разгерметизируется. Дальнейшее развитие аварийной ситуации - «высыхание» электродного блока, когда пары электролита выйдут в зазор между борном и оплавившимся изолятором. Следствием этого будет обрыв неисправного аккумулятора, и на его борнах напряжение сменится на противоположное (переполюсовка), т.к. цепь АБ остается замкнутой через нагрузку.
При переполюсовке отпирается диод 9, включенный последовательно в цепь с электронагревательным элементом 4, сопротивление которого выбирается из условия падения напряжения на нем порядка 2,5-3 В, при протекании через него тока нагрузки АБ, но цепь тока не прерывается, а мощность, рассеиваемая на электронагревательном элементе 4, составляет порядка 50-60 Вт.
Легкоплавкий сплав 6 переходит в жидкую фазу, жидкость, находящаяся в полости 7, переходит в газообразную фазу, давление паров в полости 7 увеличивается. Это проводит к деформации мембран 5 и 8, а легкоплавкий сплав 6, выполняющий роль подвижного контакта, вытесняется через отверстия 3 в одном из неподвижных контактов 2 из полости 6 в межконтактное пространство, замыкая их накоротко.
Объем легкоплавкого сплава выбирается с некоторым запасом, избыток которого проходит через отверстия 3 в другом неподвижном контакте. Напряжение между неподвижными контактами 2 падает до нуля, диод 9, включенный последовательно с нагревательным элементом 4, запирается, температура сплава 6 уменьшается, и он снова переходит в твердую фазу.
Учитывая, что устройство расположено непосредственно на аккумуляторе, то возрастание его температуры до +40-+60°С, также вызовет возрастание температуры легкоплавкого сплава 6 и жидкости с малой удельной теплотой парообразования, которые выступают в качестве термочувствительного элемента. Оставшаяся Δt° до плавления легкоплавкого сплава 6 и закипания жидкости с малой удельной теплотой парообразования преодолеваются за 2,5-3 сек.
Техническая эффективность заявляемого устройства, в отличие от прототипа, заключается в том, что в нем отсутствуют предварительно напряженный элементы (пружины), а скользящие подпружиненные контакты заменены контактом, выполненным из легкоплавкого сплава, который не подвержен диффузионной сварке в вакууме, что обеспечивает его надежность срабатывания, неразрывность цепи аккумуляторов и минимум переходного сопротивления между контактами в процессе эксплуатации АБ в составе системы электроснабжения КА в течение всего САС 10-15 лет.
Пример конкретного исполнения. Чтобы обеспечить равномерное распределение легкоплавкого сплава 6 в полости между контактами 2 (фиг. 2), отверстия 3 располагаются в шахматном порядке. Электронагревательный элемент 4 должен быть электрически изолирован от легкоплавкого сплава 6, для чего его покрывают алундом, аналогично тому, как в электровакуумных приборах изолируется подогреватель от катода. В качестве легкоплавкого сплава 6 может быть выбран сплав Вуда, температура плавления которого 65°С. Эластичная мембрана 5 должна быть электроизолятором, обладать достаточным запасом линейного удлинения и в то же время стойкостью к повышенным температурам, этим требованиям соответствует полимерная пленка, такая как фторопласт. Жидкостью с малой удельной теплотой парообразования может служить этиловый спирт, температура кипения которого +78°С. Т.к. в режиме активации устройства через диод 9 будет протекать ток нагрузки АБ, то для того, чтобы на нем рассеивалось как можно меньше мощности, его следует выбирать с барьером Шоттки.
Источники информации
1. Патент РФ №2210129, МПК Н01Н 37/46, Н01Н 37/32, Н01Н 61/06, 2003.
2. Патент РФ №2415489, МПК Н01Н 37/00, 2006.