УСТРОЙСТВО ЗАРЯДА ЭЛЕМЕНТА АККУМУЛЯТОРА С ОГРАНИЧЕНИЕМ И СИГНАЛИЗАЦИЕЙ ЕГО ТОКОВЫХ ПЕРЕГРУЗОК

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам заряда химических источников тока, и может быть использована для заряда элементов аккумуляторов (ЭА), преимущественно, никель-кадмиевых и никель-металлгидридных герметичных цилиндрических, и их зашиты от токовых перегрузок с формированием сигналов тревог для оповещения и привлечения внимания физических лиц о фактах возникновения упомянутых токовых перегрузок ЭА.
Работоспособность технических устройств и систем, функционирующих в автономном режиме, как правило, обеспечивается с помощью химических источников тока (ХИТ) - аккумуляторов. При этом, среди большого ассортимента ХИТ, производимых и широкого потребляемых в мире, значительное место по популярности занимают никель-кадмиевые и никель-металлгидридные [Л1] герметичные цилиндрические аккумуляторы (далее - аккумулятор). Эти изделия широко применяются в различной технике, например, для электропитания радиостанций, радиотелефонов и радиоудлинителей, портативных компьютеров, цифровых фотоаппаратов и видеокамер, различных приборов, инструментов и других устройств. Актуальность такого вида аккумуляторов, как показано в [Л2-Л3], обусловлена рядом их достоинств и преимуществ, среди которых: высокая надежность, долговечность, большое количество циклов заряда/разряда, работоспособность при низких температурах, поддержка больших разрядных токов, способность заряжаться как малыми, так и большими токами, а также низкая стоимость. Кроме того, все эти аккумуляторы являются взрывопожаробезопасными, выдерживают короткие замыкания и конструктивно оснащены прочным герметичным корпусом, который выдерживает давление внутренних газов в тяжелых условиях эксплуатации. Поэтому, аккумуляторы данного типа востребованы во многих применениях, в том числе, ответственных, то есть там, где требуется обеспечить высокий уровень надежности функционирования устройств и систем, например, в связи, медицине, военном деле и др.
Поскольку эффективность работы упомянутых устройств и систем, в том числе, надежность и длительность их автономной работы, существенно зависит от состояния системы электропитания, основу которой составляет элемент аккумулятора (ЭА), то поиск технических решений, обеспечивающих поддержание высокого уровня работоспособности и надежности ЭА, является важной задачей.
Как известно [Л4], для поддержки работоспособности и надежного функционирования элемента аккумулятора необходимо в процессе его эксплуатации соблюдать регламенты, то есть, установленные производителем правила, предписывающие порядок организации хранения, подготовки к работе, ввода в эксплуатацию, разряде под нагрузкой в составе пользовательских устройств/систем (ПУС), заряде при выполнении обслуживания и др. При нарушении регламентов эксплуатации могут возникать «стрессовые» воздействия на ЭА, например, токовые перегрузки, приводящие к интенсивной деградации электрических параметров элемента аккумулятора, ускоренной потери его работоспособности, снижению надежности функционирования и выходу из строя этого изделия.
Как известно, для поддержания и восстановления работоспособности ЭА используются зарядные устройства (ЗУ), выполненные в виде законченных изделий, оборудованных отсеком для установки ЭА с целью его заряда. После выполнения процедуры заряда ЭА отключается от ЗУ и устанавливается в контейнер электропитания ПУС. После разряда под действием нагрузки, создаваемой ПУС, аккумулятор опять «возвращается» в ЗУ. В таком «жизненном цикле» можно выделить две фазы, где в одной из них аккумулятор подвергается воздействиям со стороны ЗУ, а в другой - воздействиям со стороны ПУС. Можно полагать, что вне зависимости к какому изделию подключен ЭА: или к ЗУ или к ПУС, «стрессовые» воздействия (СВ) на него могут быть весьма разрушительным. Например, при подключении ЭА к ЗУ или ПУС возможны СВ типа, соответственно, перезаряд или переразряд большими токами. Например, ПУС может выйти из строя, создав на элемент аккумулятора «стрессовое» воздействие в виде К.З. (короткого замыкания) в цепи электропитания. ПУС могут быть оставлены включенными в течении чрезмерно длительного времени, что тоже может вызвать «стрессовую» нагрузку на ЭА в виде его переразряда. Как известно из [Л5], большинство производителей рекомендуют ток нагрузки для NiMH-аккумуляторов от 0,2 до 0,5 Сн (то есть от 20 до 50% номинальной емкости). Для NiMH-аккумуляторов, более предпочтителен поверхностный, а не глубокий разряд. При этом, как отмечается, долговечность аккумуляторов непосредственно связана именно с глубиной разряда. Известно также [Л6], что современные цилиндрические Ni-Cd аккумуляторы с рулонными электродами допускают более высокие разрядные токи: для некоторых типов аккумуляторов максимальный долговременный ток составляет 7-10C. При этом, на срок службы аккумуляторов сильное воздействие оказывает режим эксплуатации, в том числе, режим и глубина разряда. Так, при воздействии «стрессовых» воздействий в виде повышенной токовой нагрузки на аккумулятор, происходит его интенсивный износ (порча) из-за ускорения всех химических реакций (в 2-4 раза на каждые 10°С), вызванных разогревом этого изделия. При этом, увеличивается риск начала процесса выделения водорода. Водород при низкой скорости его рекомбинации может накапливаться в аккумуляторе и создать угрозу быстрого увеличения давления и деформации корпуса, что приводит к снижению плотности сборки, увеличению сопротивления и уменьшению разрядного напряжения аккумулятора. Водород накапливается в аккумуляторе также и при переразрядах ниже 0 В. Герметичные щелочные аккумуляторы оснащены аварийным клапаном для сброса излишнего давления газа. Но их эксплуатация не предусматривает неоднократного вскрытия клапана, так как это приводит к необратимой потери баланса состава химического элемента. При эксплуатации аккумуляторов из-за набухания электродов и изменения их пористой структуры происходит отсасывание электролита из сепаратора. Поэтому внутреннее сопротивление аккумулятора увеличивается и изменяется состав электролита. Электропроводность электролита при этом уменьшается и разрядные характеристики аккумулятора существенно ухудшаются.
В процессе исследований установлено, что в процессе обслуживания/заряда ЭА с помощью ЗУ и эксплуатации ЭА в составе потребительских устройств и систем (ПУС), интенсивное снижение его работоспособности и надежности, может происходить из-за «стрессовых» воздействий (СВ), наиболее опасными и разрушительными из которых являются токовые перегрузки ЭА. Эти СВ (токовые перегрузки) вызывают интенсивную деградацию электрических параметров элемента аккумулятора, ускоренную потерю его работоспособности, снижение надежности функционирования и выход из строя этого изделия.
Существует противоречивая ситуация при которой, с одной стороны, для использования по назначению или для его обслуживания/заряда элемент аккумулятора надо подключить, соответственно, к ПУС или к ЗУ. Однако, находясь под нагрузкой в составе ПУС или на заряде в составе ЗУ, элемент аккумулятора может подвергаться СВ (токовым перегрузкам). С другой стороны, для защиты элемент аккумулятора от упомянутых СВ, его не надо подключать к ПУС или ЗУ.
Установлено, что известные технические решения не обеспечивают высокий уровень защиты ЭА от токовых перегрузок, что приводит к снижению уровня работоспособности и надежности функционирования ЭА, поэтому, поиск более эффективных TP является актуальной задачей.
Из техники [Л7] известно зарядное устройство (ЗУ), состоящее из контактов для подключения к источнику напряжения (КПИН) зарядной цепи (ЗЦ), контактов для подключения аккумуляторов (ЮТА) и блока контроля и управления (БКУ), который своими с первого по третий портами соединен, соответственно, с выходом узла КПИН, со входом узла ЗЦ и с выходом узла ЗЦ и входом узла КПА, и выполненное с возможностью обеспечивать заряд аккумуляторов токами разной величины, предотвращать протекания тока от аккумуляторов в узел ЗЦ, исключать обратный отбор мощности от аккумуляторов и защищать их от перегрузок при повторной подаче входного питающего напряжения.
Данное ЗУ функционирует следующим образом. В исходном состоянии к узлу КПА подключаются аккумуляторы (4 шт.). Узел КЛИН подключается к источнику постоянного напряжения. Сразу же после подачи на ЗУ питающего напряжения, начинается процесс заряда аккумуляторов постоянным током с использованием метода стабилизации зарядного тока, известного из техники [Л8]. Напряжение с выхода узла КЛИН поступает через узел ЗЦ на вход батареи аккумуляторов. При этом, узел ЗЦ стабилизирует ток, протекающий в цепи заряда.
С помощью данного ЗУ обеспечивается возможность быстрого заряда аккумуляторов (большим током около 1А) в течении нескольких часов или их подзарядка небольшим током (около 0.1А). Длительность заряда контролируется пользователем ЗУ. По истечении нескольких часов (3-5 час) ускоренного заряда считается, что аккумуляторы восстановили работоспособность (зарядились) и ЗУ может быть выключено.
К достоинствам данного ЗУ можно отнести то, что в нем реализованы некоторые защитные функции предусматривающие предотвращение протекания тока от аккумуляторов в узел ЗЦ, исключение обратного отбора мощности от аккумуляторов и их защита от перегрузок при повторной подаче напряжения.
Также к достоинствам данного ЗУ можно отнести то, что в нем реализован режим ускоренного заряда, что позволяет сократить время восстановления работоспособности аккумуляторов. Пользователи ценят свое время и предпочитают ЗУ, с помощью которых имеется возможность выполнять быстрый заряд аккумуляторов.
Данное ЗУ имеет низкую эффективность поддержания работоспособности элемента аккумулятора (ЭА), что обусловлено отсутствием механизмов защиты его от токовых перегрузок, возникающих в процессе эксплуатации этого изделия, особенно, при установке ЭА в ПУС.
В данном ЗУ не обеспечивается идентификация обслуживаемых/заряжаемых экземпляров ЭА, так как они обезличены относительно используемого зарядного устройства, что приводит к применению к ЭА, имеющим различные электрическими характеристики, типовой процедуры обслуживания (заряда) и может существенно снижать эффективность восстановление работоспособности ЭА, а также подвергать ЭА «стрессовым» воздействиям (например, токовым перегрузкам).
В данном ЗУ отсутствует защита ЭА от перезаряда, что может быть источником возникновения «стрессовых» воздействий, например, когда пользователь вовремя не выключил процедуру заряда ЭА, то, как показано в [Л12, Л13], при ускоренном заряде с использованием больших зарядных токов перезаряд аккумулятора вызывает ухудшение его электрических параметров, а также снижает надежность и качество этого изделия.
В данном ЗУ нет механизмов защиты ЭА от «стрессовых» воздействий и сигнализации о их возникновении.
Наличие выше указанных недостатков, присущих данному зарядному устройству, может вызывать ускоренную потерю работоспособности, интенсивный износ и преждевременный выход из строя элемента аккумулятора, обслуживаемого с помощью этого ЗУ.
Из техники [Л9] известно зарядное устройство (ЗУ), состоящее из корпуса и размещенных в нем разъема для подключения к источнику напряжения (РПИН), зарядной цепи (ЗЦ), отсека для установки аккумуляторов (ОУА), светодиодного индикатора (СИ) и блока контроля и управления (БКУ), который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с выходом узла РПИН и первым входом узла ЗЦ, со вторым входом узла ЗЦ, со входом узла СИ и с выходом узла ЗЦ и входом узла ОУА, и выполненное с возможностью изменения тока заряда, тестирования исправности, контроля времени заряда, полярности подключения аккумуляторов и их защиты от избыточного напряжения.
Данное зарядное устройство (ЗУ) функционирует во многом подобно предыдущему ЗУ. В исходном состоянии в узел ОУА устанавливаются аккумуляторы (до 4-х шт.), что обеспечивает их подключение к ЗУ. При этом обеспечивается контроль правильной полярности аккумуляторов, установленных в узел ОУА. Если аккумулятор установлен в узел ОУА не правильно, то эта ситуация отображается с помощью узла СИ, например, светоиндикатор начинает мигать. Кроме того, процедура заряда для такого аккумулятора не активируется. Узел РПИН подключается к источнику напряжения. Сразу же после подачи на ЗУ питающего напряжения, выполняется процедура тестирования исправности, а затем начинается процесс заряда исправных аккумуляторов, который осуществляется постоянным током, с использованием упомянутого метода стабилизации зарядного тока. Наличие неисправного аккумулятора также сигнализируется узлом СИ, например, путем изменения цвета его свечения. Напряжение с выхода узла РПИН поступает через узел ЗЦ на вход аккумуляторов. При этом, узел ЗЦ стабилизирует ток, протекающий в цепи заряда.
С помощью данного ЗУ обеспечивается заряд аккумулятора в течении около 14…16-и часов в режиме нормального заряда и в течении нескольких часов в режиме ускоренного заряда. Для защиты аккумуляторов от перегрузок, которые могут возникнуть в результате перезаряда, узлом БКУ осуществляется контроль времени заряда аккумуляторов. То есть, после завершения заряда аккумуляторов данное ЗУ автоматически выключается.
Данное ЗУ частично устраняет недостатки предыдущего устройства. Это достигается за счет того, что в нем повышено качество обслуживания и реализованы дополнительные механизмы защиты аккумуляторов от перегрузок. Это - контроль правильной установки (полярности) аккумуляторов в узел ОУА, а также выполнение процедур тестирования исправности и контроля времени заряда с защитой от избыточного напряжения.
Данному устройству присущи недостатки, аналогичные предыдущему ЗУ. Данное зарядное устройство также имеет низкую эффективность поддержания работоспособности аккумуляторов, что обусловлено отсутствием механизмов их зашиты от различного рода СВ, особенно, от токовых перегрузок которые могут возникать в процессе эксплуатации этих изделий в составе ПУС.
Из техники [Л10], известно зарядное устройство (ЗУ), состоящее из корпуса и размещенных в нем разъема для подключения к источнику напряжения (РПИН), зарядной цепи (ЗЦ), отсека для установки аккумулятора (ОУА), индикатора и блока контроля и управления (БКУ), который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с выходом узла РПИН и первым входом узла ЗЦ, со вторым входом узла ЗЦ, со входом узла индикатора и с выходом узла ЗЦ и входом узла ОУА, и выполненное с возможностью ограничения потребляемого тока и напряжения на входе, защиты от неправильного подключения аккумуляторной батареи, контроля за степенью зарядки аккумулятора и автоматического управления зарядным током и отображения на узле индикатора степень заряда аккумулятора.
Работа этого ЗУ во многом сходна с функционированием предыдущего зарядного устройства. Режим заряда аккумулятора контролируется узлом БКУ, который вырабатывает сигналы управления узлом ЗЦ. Процесс заряда отображается с помощью индикатора.
Данное ЗУ частично устраняет недостатки предыдущего устройства. Так, применение для заряда импульсного тока, вместо постоянного, как известно из [Л11], способствует частичному восстановлению активного вещества в аккумуляторах, то есть, приводит к снижению упомянутого «эффекта памяти». С помощью узла БКУ осуществляется контроль и управление процедурой заряда аккумулятора, а также обеспечивается ее своевременное прекращение с отображением результатов с помощью индикатора.
Данному устройству присущи недостатки, аналогичные предыдущему ЗУ. Так, при использовании в составе ПУС, элемент аккумулятора также может подвергаться «стрессовым» воздействиям, например, токовым перегрузкам, которые могут возникать при возникновении неисправностей в системе электропитания ПУС. В этом случае, находясь в ПУС, элемент аккумулятора наиболее уязвим к токовой перегрузке, так лишен защиты от упомянутых «стрессовых» воздействий.
В рассмотренных выше зарядных устройствах защита ЭА действует до тех пор, пока ЭА находится в ЗУ. При отключении ЭА от ЗУ для его использования в составе ПУС, ЭА лишается средств защиты. То есть, существует противоречие, суть которого состоит в том, что для использования по назначению ЭА необходимо установить в ПУС, а для защиты ЭА от упомянутых «стрессовых» воздействий его не надо устанавливать в ПУС.
По мнению авторов, успешное решение поставленной задачи может быть достигнуто на основе использования идеи, суть которой состоит в организации непрерывного контроля токовых и температурных режимов работы элемента аккумулятора (ЭА) с возможностью ограничения токовых перегрузок, а также организации сигнализации, обеспечивающей предупреждение (привлечение внимания) пользователей о фактах возникновения упомянутых СВ. Например, при выходе ПУС из строя и возникновении в системе его электропитания значительного тока, аккумулятор подвергается «шоковому» разряду, что может вызвать, как упоминалось, интенсивному износу и снижению надежности функционирования и/или выходу из строя этого изделия. В таких случаях пользователь ПУС или вообще не замечает, что возникла аварийная ситуация или обнаруживает этот факт слишком поздно, с точки зрения «спасения» аккумулятора, так как это может быть определено только по косвенным признакам, например, сильному разогреву корпуса ПУС, возникновению специфичного запаха и др. То есть, устранение «стрессовых» воздействий на аккумулятор, как правило, происходит с большой задержкой, после того, как аккумулятор существенно снизил свою работоспособность. Очевидно, что использование механизмов ограничения величины токовой перегрузки и времени их воздействия будет способствовать сохранению его работоспособности и надежности.
С учетом предложенной авторами идей, устранение упомянутого противоречия может быть достигнуто на основе объединения ЗУ и ЭА в одно изделие. Это позволяет устранить обезличенность ЗУ относительно обслуживаемого им элемента аккумулятора и, тем самым, оптимизировать режимы обслуживания узла ЭА, с точки зрения обеспечения его максимальной работоспособности. При этом, наиболее предпочтительным конструктивным решением является такое исполнение ЗУ, которое, с одной стороны, содержит интегрированный в него ЭА, и с другой стороны, обеспечивает стандартный типоразмер, например, типа «АА».
По мнению авторов, наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является, известное из техники [Л12], зарядное устройство (ЗУ), состоящее из корпуса и размещенных в нем разъема для подключения к источнику напряжения (РПИН), зарядной цепи (ЗЦ), элемента аккумулятора (ЭА), индикатора и блока контроля и управления (БКУ), который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с выходом узла РПИН и первым входом узла ЗЦ, со вторым входом узла ЗЦ, со входом узла индикатора и с выходом узла ЗЦ и входом узла ОУА, и выполненное с возможностью управления зарядом элементом аккумулятора, отображения степени заряда узла ЭА с помощью индикатора, трансформации конструкции узла корпуса к двум видам, в первом и втором из которых обеспечивается, соответственно, открытие доступа к узлу РПИН, для его подключения к внешнему источнику напряжения, и закрытие доступа к узлу РПИН, для придания узлу корпуса форм-фактора, соответствующего стандартному типоразмеру аккумулятора, например, «АА».
Функциональная схема данного ЗУ (далее - устройство) представлена на фиг.1
Устройство (фиг.1) содержит корпус 1, в котором установлены: индикатор 2, блок контроля и управления (БКУ) 3, разъем для подключения к источнику напряжения (РПИН) 5, зарядная цепь (ЗЦ) 6 и элемента аккумулятора (ЭА) 7. При этом, узел КЛИН 5 выполнен в виде стандартного разъема, что обеспечивает возможность подключения ЗУ к типовому источнику напряжения для осуществления его электропитания, например сетевому адаптеру. Конструкция узла корпуса 1 выполнена с возможностью трансформации, при которой, в одном из положений (например, при раскрытии корпуса 1) обеспечивается свободный доступ к узлу РПИН 5 для обеспечения возможности его подключения к внешнему источнику напряжения 4, а в другом положении (например, при закрытом корпусе 1) обеспечивается целостность ЗУ и его конструктивное соответствие стандартному форм-фактору (типоразмеру), например, типа «АА».
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии устройство по внешнему виду и типоразмеру конструкции соответствует стандартному аккумулятору. Это позволяет легко использовать данное изделие по назначению, например, устанавливать в типовые контейнеры электропитания пользовательских устройств и систем. Для выполнения процедуры заряда элемента аккумулятора 7 корпус 1 раскрывается, например, откидывается в сторону крышка корпуса 1, расположенная со стороны анода аккумулятора, и обеспечивается доступ к узлу РПИН 5, который выполнен в виде стандартного разъема. Для подачи питающего напряжения на устройство узел РПИН 5 подключается к внешнему источнику напряжения 4, например, сетевому адаптеру. После этого начинается процесс заряда элемента аккумулятора 7 под управлением узла БКУ 3. Процесс заряда индицируется на индикаторе 2, например, путем его мигания. После окончания заряда характер свечения индикатора 2 изменяется, например, становится постоянным, что указывает пользователю об окончании процедуры заряда узла ЭА 7. После этого устройство отключается от источника напряжения 4 и выполняется обратная трансформация (сборка) корпуса 1 для придания устройству вида и конструкции, соответствующей стандартному типоразмеру аккумулятора, что позволяет его устанавливать в стандартные контейнеры (отсеки) электропитания потребительских устройств и систем.
Данное ЗУ частично устраняет недостатки предыдущего устройства. Это обеспечивается за счет того, что устройство выполнено по принципу «все-в одном», то есть, и зарядное устройство и элемент аккумулятора объединены в одно изделие, что позволяет устранить упомянутую неопределенность между ЗУ и обслуживаемым им аккумулятором. При этом реализуется и используется очень важное свойство - режимы обслуживания (заряда) ЗУ адаптированы и оптимизированы к свойствам и параметрам элемента аккумулятора 7 на этапе изготовления этого изделия, что обеспечивает возможность более эффективного поддержания работоспособности узла ЭА 7 в процессе его эксплуатации. В данном устройстве процедура обслуживания (заряда) осуществляется в соответствии с заводскими настройками, учитывающими как электрические характеристики элемента аккумулятора 7, так и технологические особенности его производства. В данном ЗУ реализована адаптация режима обслуживания (заряда) элемента аккумулятора 7 к его электрическим параметрам. Благодаря этому работоспособность узла ЭА 7 может быть существенно улучшена, по сравнению с предыдущим ЗУ.
К достоинствам этого ЗУ также можно отнести то, что оно обладает простой и удобством в использовании, так как оно никогда не потеряется, его не надо искать - оно всегда «под рукой», что очень удобно для пользователя этого изделия. Разъем для подключения устройства к источнику напряжения (РПИН) 5 выполнен в виде стандартного разъема, что обеспечивает его простое подключение к типовым источникам напряжения, например, сетевым адаптерам.
Данное зарядное устройство имеет низкую эффективность поддержания работоспособности элемента аккумулятора и его защиты от токовых перегрузок, особенно, при установке ЭА в ПУС.
Это обусловлено наличием в нем недостатков, во многом аналогичных предыдущему устройству. При этом, наиболее существенными факторами, существенно снижающими работоспособность элемента аккумулятора, является отсутствие защиты узла ЭА 7 от токовых перегрузок, которые могут возникать в процессе его эксплуатации, особенно при использовании в составе ПУС, а также отсутствие возможностей привлечения внимания физических лиц к фактам возникновения «стрессовых» воздействий на узел ЭА 7 для устранения действия на него упомянутых «стрессовых» воздействий, например, отключения устройства от источника напряжения 4 или изъятия устройства из контейнера питания ПУС.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей зарядного устройства, связанных с повышением работоспособности обслуживаемого им элемента аккумулятора на основе защиты его от действия токовых перегрузок.
Поставленная цель достигается за счет того, что в зарядное устройство (далее - устройство), состоящее из корпуса и размещенных в нем разъема для подключения к источнику напряжения (РПИН), зарядной цепи (ЗЦ), элемента аккумулятора (ЭА), индикатора и блока контроля и управления (БКУ), который своими с первого по третий портами соединен, соответственно, со входом узла индикатора, со входом узла ЭА и с первым портом узла ЗЦ, который своим вторым портом соединен с выходом узла РПИН, и выполненное с возможностью управления зарядом элементом аккумулятора, отображения степени заряда узла ЭА с помощью индикатора, трансформации конструкции узла корпуса к двум видам, в первом и втором из которых обеспечивается, соответственно, открытие доступа к узлу РПИН, для его подключения к внешнему источнику напряжения, и закрытие доступа к узлу РПИН, для придания узлу корпуса форм-фактора, соответствующего стандартному типоразмеру аккумулятора, дополнительно введены в его состав акустический излучатель (АИ), датчик температуры (ДТ) и самовостанавливающийся предохранитель (СВП), который своими первым и вторым портами соединен, соответственно, с третьим портом узла ЗЦ и третьим портом узла БКУ, который своими пятым и шестым портами соединен, соответственно, со входом узла АИ и с выходом датчика температуры (ДТ), который выполнен с возможностью формирования выходного напряжения, пропорционального температуре узла ЭА и узла СВП, который выполнен с возможностью резкого увеличения или уменьшения внутреннего сопротивления (импеданса) при, соответственно, превышении порогового тока, протекающего через него, или отключении электропитания (прекращения протекания электрического тока через узел СВП), кроме того, узел БКУ выполнен в виде микроконтроллера (МК), функционирующего по программе, обеспечивающей возможность обработки сигналов, поступающих от узла ДТ, для контроля и управления процедурами заряда/ восстановления работоспособности узла ЭА и идентификации токовых перегрузок узла ЭА с формированием сигналов тревог путем активации узлов индикатора и АИ, обеспечивающих световую и звуковую индикацию (излучение световых и акустических сигналов) для привлечения внимания физических лиц о наличии упомянутых токовых перегрузок узла ЭА.
Функциональная схема устройства заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых перегрузок (далее - устройство) приведена на фиг.2.
Устройство (фиг.2) состоит из корпуса 1, акустического излучателя (АИ) 2, индикатора 3, датчика температуры (ДТ) 4, элемента аккумулятора (ЭА) 6, микроконтроллера (МК) 7, разъема для подключения к источнику напряжения (РПИН) 9, зарядной цепи (ЗЦ) 10 и самовостанавливающегося предохранителя (СВП) 11. При этом, узел МК 5 своими с первого по пятый портами соединен, соответственно, с портом узла АИ 2, со входом узла индикатора 3, с выходом узла ДТ 4, с первым портом узла ЗЦ 10 и с входом узла ЭА и первым портом узла СВП 11, который вторым портом соединен со вторым портом узла ЗЦ 10, который своим третьим портом соединен с узлом РПИН 9. При этом, узел ДТ 4 выполнен с возможностью формирования выходного напряжения, пропорционального температуре узла ЭА и узла СВП 11, который выполнен с возможностью резкого увеличения или уменьшения внутреннего сопротивления (импеданса) при, соответственно, превышении порогового тока, протекающего через него, или отключении электропитания (прекращения протекания электрического тока через узел СВП 11), узел БКУ выполнен в виде микроконтроллера (МК), функционирующего по программе, обеспечивающей возможность обработки сигналов, поступающих от узла ДТ 4, для контроля и управления процедурами заряда/ восстановления работоспособности узла ЭА 6 и идентификации токовых перегрузок узла ЭА 6 с формированием сигналов тревог путем активации узлов индикатора 3 и АИ 2, обеспечивающих световую и звуковую индикацию (излучение световых и акустических сигналов) для привлечения внимания физических лиц о наличии упомянутых токовых перегрузок узла ЭА 6.
Устройство (фиг.2) функционирует следующим образом. Работа этого устройства частично сходна с функционированием предыдущего ЗУ. В исходном состоянии корпус 1 трансформирован таким образом, что его конструкция соответствует форм-фактору (типоразмеру) аккумулятора, что обеспечивает возможность простой установки этого изделия в типовой отсек пользовательского изделия, например, плеера, радиочасов и др. При использовании в составе пользовательского изделия могут возникать токовые перегрузки узла ЭА 6, например, в следствии возникновения неисправностей в цепи электропитания ПУС. При возникновении токовой перегрузки узла ЭА 6, ток, протекающий через узел СВП, превышает допустимый пороговый уровень, что вызывает «срабатывание» узла СВП, что выражается в скачкообразном увеличении его внутреннего сопротивления, что обеспечивает блокировку токовой перегрузки узла ЭА 6. При этом, в качестве узла СВП может быть использован, полимерный самовосстанавливающийся предохранитель, известный из техники [Л13], который представляет собой матрицу из непроводящего ток полимера, смешанного с техническим углеродом. В холодном состоянии полимер кристаллизован, а пространство между кристаллами заполнено частицами углерода, образующими множество проводящих цепочек. Если через предохранитель (узел СВП 11) начинает протекать слишком большой ток, он начинает нагреваться, и в какой-то момент времени полимер переходит в аморфное состояние, увеличиваясь в размерах. Из-за этого увеличения углеродные цепочки начинают разрываться, что вызывает рост сопротивления, и предохранитель нагревается еще быстрее. В конце концов, сопротивление предохранителя (узла СВП 11) увеличивается настолько, что он начинает заметно ограничивать протекающий ток, защищая таким образом, внешнюю цепь. После устранения замыкания, когда протекающий ток снизится до исходного значения, предохранитель (узел СВП 11) остывает.
Из-за возникновения токовой перегрузки, температура узлов ЭА 6 и СВП 11 увеличивается. Тепловое воздействие 5 фиксируется узлом ДТ 4, который вырабатывает повышенное электрическое напряжение, подаваемое на узел МК 7. При достижении порогового значения напряжения, поступающего с узла ДТ 4, узлом МК 7 осуществляется формирование сигналов тревог путем активации соответствующих режимов работы узлов индикатора 3 (например, периодического мигания) и АИ 2, обеспечивающих световую и звуковую индикацию (излучение световых и акустических сигналов) для привлечения внимания физических лиц о наличии упомянутых токовых перегрузок узла ЭА 6.
После устранения причин, вызвавших токовую перегрузку, узел ЭА 6 может быть подключен к источнику напряжения 8 для выполнения процедуры заряда, либо установлен в ПУС для использования по назначению. Для выполнения процедуры обслуживания (заряда) узла ЭА 6, корпус 1 трансформируется так, что открывается доступ к узлу РПИН 9, который выполнен в виде типового разъема, установленного внутри корпуса 1. Это позволяет подключить узел РПИН 9 к источнику напряжения 8, например, сетевому адаптеру. После подачи питающего напряжения на узел РПИН 9 начинается процедура обслуживания (заряда) узла ЭА 6, что осуществляется аналогично, как в ЗУ-прототипе. При этом, действие механизмов защиты узла ЭА 6 от токовых перегрузок - сохраняется и действует аналогично, как указано выше. При этом, эффективность обслуживания узла ЭА 6 и защита его от «стрессовых» воздействий, например, перезаряда, повышается. Это достигается за счет того, что обслуживание/заряд узла ЭА 6 осуществляется с использованием контроля температурного режим узла ЭА 6 (воздействие 5). Например, при превышении пороговой температуры узла ЭА 6, от узла МК 7 на узел ЗЦ 10 подается блокирующий сигнал и его дальнейший заряд узла ЭА 6 прекращается. То есть, алгоритм обслуживания узла ЭА 6 формируется узлом МК 7 с использованием данных, поступающих с узла ДТ 4.
После обслуживания/ заряда устройство приводится к виду, необходимому для использования в составе ПУС. Для этого, конструкции корпуса 1 вновь трансформируется к виду, соответствующему стандартному типоразмеру аккумулятора, например «АА», что позволяет использовать устройство по назначению в составе потребительских устройств и систем, например, путем установки в их отсеки электропитания.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого технического решения, является снижение степени износа и повышение надежности аккумулятора, что обеспечивается за счет защиты его от действия чрезмерных токовых нагрузок.
В предлагаемом устройстве обеспечивается следующее сочетание отличительных признаков и свойств.
В состав устройства дополнительно введены акустический излучатель (АИ 2), датчик температуры (ДТ 4) и самовостанавливающийся предохранитель (СВП 11), который своими первым и вторым портами соединен, соответственно, с третьим портом узла ЗЦ 10 и третьим портом узла МК 7, который своими пятым и шестым портами соединен, соответственно, со входом узла АИ 2 и с выходом датчика температуры (ДТ 4).
Узел датчика температуры ДТ 4 выполнен с возможностью формирования выходного напряжения, пропорционального температуре узла ЭА 6 и узла СВП 11.
Узел СВП 11 выполнен с возможностью резкого увеличения или уменьшения внутреннего сопротивления (импеданса) при, соответственно, превышении порогового тока, протекающего через него, или отключении электропитания (прекращения протекания электрического тока через узел СВП 11).
Узел БКУ выполнен в виде микроконтроллера (МК 7), функционирующего по программе, обеспечивающей возможность обработки сигналов, поступающих от узла ДТ 4, для контроля и управления процедурами заряда/восстановления работоспособности узла ЭА 6 и идентификации токовых перегрузок узла ЭА 6 с формированием сигналов тревог путем активации узлов индикатора и АИ 2, обеспечивающих световую и звуковую индикацию (излучение световых и акустических сигналов) для привлечения внимания физических лиц о наличии упомянутых токовых перегрузок узла ЭА 6.
Указанные признаки и свойства позволяют существенно расширить функциональные возможности зарядного устройства, связанные с повышением работоспособности обслуживаемого им элемента аккумулятора (ЭА 6) на основе защиты его от действия токовых перегрузок с формированием сигналов оповещения для привлечения внимания физических лиц о фактах возникновения упомянутых токовых перегрузок ЭА 6.
Введение дополнительных признаков и использование новых свойств, а также использование достигаемого технического результата позволяет достичь в предлагаемом техническом решении (TP) существенного повышения уровня работоспособности и надежности узла ЭА 6.
Кроме того, предлагаемое TP обладает простотой в использовании, что достигается за счет минимального участия пользователя в выполнении необходимых действий. Фактически, реализуется принцип «подключил и забыл» - процедуры, связанные как с обслуживанием (восстановления работоспособности), так и с реализацией защиты узла ЭА 3 от перегрузок с сигнализацией о фактах этих перегрузок, осуществляется автоматически, без участия пользователя.
Сочетание отличительных признаков и свойств, предлагаемого устройства заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых перегрузок из техники не известно, поэтому оно соответствует критерию новизны. При этом, для достижения максимального эффекта по расширению функциональных возможностей устройства, связанных с повышением работоспособности и надежности обслуживаемого им элемента аккумулятора на основе защиты его от действия токовых перегрузок, которые могут возникать в процессе эксплуатации этого изделия, особенно, при работе устройства в составе ПУС, необходимо использовать всю совокупность отличительных признаков и свойств, указанных выше.
Обобщенный алгоритм функционирования устройства может быть представлен в следующем виде.
- Начало;
- Шаг - 1. Подготовка к обслуживанию. Трансформация (раскрытие) узла корпуса 1 к виду для доступа к узлу РПИН 9, подключение устройства к источнику напряжения 8. Переход к следующей процедуре.
- Шаг - 2. Обслуживание (заряд) узла ЭА 6. Выполнение узлом МК 7 алгоритма заряда узла ЭА 6 с контролем температуры узлов ЭА 6 и СВП 11.
- Шаг - 3. Проверка: заряд узла ЭА 6 закончен? - Если Да, та вывод на узел индикатора 3 сообщений, отражающих факт окончания заряда узла ЭА 6. Если нет, то возврат к шагу 2.
- Шаг - 4. Подготовка устройства к работе в составе пользовательского изделия (ПУС). Трансформация (сборка, закрытие) конструкции узла корпуса 1 для придания корпусу 1 вида (форм-фактора), соответствующего стандартному типоразмеру аккумулятора, установка устройства в ПУС.
- Шаг - 5. Проверка: температура узла ЭА6 или узла СВП 11 ниже порогового уровня? - Если Да, то возврат. Если Нет, то активация узлов индикатора 3 и АИ 2 для сигнализации о наличии токовой перегрузки узла ЭА 6.
- Шаг - 6. Проверка: температура узла ЭА 6 или узла СВП 11 ниже порогового уровня? Если Нет, возврат к шагу - 5. - Если Да, то прекращение сигнализации о наличии перегрузки узла ЭА 6 (деактивация узлов индикатора 3 и АИ 2). Вывод на индикатор сигналов, отображающих уровень работоспособности узла ЭА 6, для принятия решения пользователю о необходимости выполнения процедуры заряда узла ЭА 6.
- Конец.
Узлы корпуса 1, индикатора 3, ЭА 6, разъема РПИН 9 и ЗЦ 10 - могут быть аналогичными соответствующим признакам прототипа и не требуют значительной доработки при реализации устройства.
Узел АИ 2 может быть реализован на основе пьезокерамических излучателей типа PKLCS1212E4001 [Л 14]., отличающихся миниатюрностью и достаточным уровнем выходных акустических сигналов (75дБ)
Для реализации узла ДТ 4 могут быть использованы датчики температуры серии М310 производства компании Heraeus [Л15]. Эти изделия представляют собой типовые платиновые датчики температуры, отличающиеся миниатюрностью (Ф3.0*1.0 мм), высокой точностью (класс В), широким диапазоном измерений температуры (-70…+500°C).
Для реализации узла СВП 11 могут быть использованы самовосстанавливающиеся предохранители производства фирмы Wayon [Л16], отличающиеся высоким быстродействие (мгновенным временем отклика), низким сопротивлением в рабочем режиме и миниатюрностью. Эти изделия изготовлены из полимерного материала с очень низким сопротивлением. В случае перегрузки по току, сопротивление этих изделий резко возрастает, ограничивая протекающий через них ток до безопасного значения. Когда питание изделия отключено, или цепь восстановлена, предохранитель автоматически перезапускается, то есть, снижает свое сопротивление - самовосстанавливается. Предпочтительным выбором будет использование изделий серий KT12-DL, KT15-CCL, KT15/20-D, KT15/24-DL, KT15/30-D, KT16-DL, LN, LP, LP-CW, LP-D, LR, LV, относящихся к ленточным предохранителям, адаптированным для защиты NiCd/NiMH, Li-ion/Polymer, Li-ion/Li-ion батарей и аккумуляторов.
Узел МК 7 может быть реализован на основе PIC-контроллеров, известных из [Л17].
Для реализации алгоритмов функционирования узла МК 7, связанных с выполнения процедур, выполняемых при обслуживании узла ЭА, могут быть использованы методы, известные из техники [Л18-20].
Для реализации узлов предлагаемого устройства с необходимыми признаками и свойствами и обеспечения функционирования узла МК 5 по требуемым алгоритмам, также могут быть использованы решения и программные процедуры, известные из авторских программ для ЭВМ [Л21-Л28] и авторских технических решений [Л29-Л35].
При практической реализации конструкции корпуса 1 устройства могут быть использованы решения, аналогичные устройству-прототипу, то есть в виде корпуса с трансформируемой (разборной) конструкцией, обеспечивающей, как удобство подключения к источнику напряжения 8 для обслуживания элемента аккумулятора ЭА 6, так и придание конструкции корпуса 1 вида, соответствующего стандартному типоразмеру для обеспечения возможностей установки устройства в типовые контейнеры (отсеки электропитания) различных изделий.
На основе приведенных данных можно заключить, что предлагаемая авторами полезная модель устройства заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых перегрузок, за счет использования указанных выше отличительных признаков и свойств и реализации достигаемого технического результата, позволяет существенно расширить функциональные возможности известного устройства- прототипа по повышению работоспособности и надежности элемента аккумулятора ЭА 6 на основе ограничения токовых перегрузок (ТП), возникающих при его эксплуатации и использования сигнализации для привлечения внимания физических лиц о фактах возникновения упомянутых ТП.
Приведенные средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, позволяют обеспечить ее промышленную применимость.
Основные узлы предлагаемой полезной модели устройства заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых перегрузок изготовлены, экспериментально испытаны и могут быть использованы при создании серийных образцов.
Производимые изделия могут быть использованы в интересах широкого круга потребителей никель-кадмиевых и никель-металлгидридных герметичных цилиндрических аккумуляторов, особенно для применений, где требуется обеспечить высокий уровень работоспособности и надежности автономного функционирования потребительской техники в течении заданного времени.
Разработанное авторами техническое решение, обеспечивает успешное решение поставленной задачи, связанной с поддержкой высокого уровня работоспособности и надежной работы элемента аккумулятора, что достигается ограничением токовых перегрузок, которым может подвергаться ЭА в процессе его обслуживания и, особенно, при работе ЭА под нагрузкой в составе пользовательских устройств и систем.
Предлагаемое техническое решение будет востребовано широким кругом пользователей для поддержания высокого уровня работоспособности и надежности никель-кадмиевых и никель-металлгидридных герметичных цилиндрических аккумуляторов, используемых для электропитания различных устройств и систем.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторы: история, описание и правильное использование, 159-articles-Ni-Cd
2. Никель-кадмиеваые аккумуляторы, .adetiplus.ru/?title
3. Аккумуляторы для мобильных устройств. mobile/accumulators-mem.shtml
4. Аккумуляторы никель-кадмиевые герметичные цилиндрические. ГОСТ Р МЭК 60285-2002
5. Никель-металлгидридные аккумуляторы,
6. Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы,
7. Зарядное устройство для никель-кадмиевого аккумулятора, Рудольф Ф. Граф и Вильям Шиитс, Энциклопедия электронных схем, том 6, часть 1, книга 4, стр.136-137, издательство ДМК, Москва, 2002 г.
8. Зарядные устройства аккумуляторов,
9. Универсальное зарядное устройство ENKATSU СН-8Н59 для никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов типа «АА» или «ААА». http://www. foto.ru/enkatsu_ch-8h5 9.html
10. Зарядное устройство аккумуляторных батарей, патент RU (11) 2003116121 (13) A, 2003116121/09, дата публикации 10.01.2005 г.
11. Зарядные устройства аккумуляторов, charge.php
12. Устройство EG-BA-001 со встроенным USB разъемом для заряда аккумулятора АА,
13. Самовосстанавливающийся предохранитель,
14. SMD Пьезоизлучатель звуковой 4кГц / 75дБ, 1212е4001.aspx
15. Датчики температуры серии М310, bin/qwery.pl?gr=32404&id=518082216
16. Polymer РТС Resettable Fuse For Battery Protection LP Series, http://www.multiruse.ru/pdf/wayon/lp.pdf
17. Семейство микроконтроллеров PIC 18FX5XX с поддержкой шины USB2.0,
18. Алевтина Аганова, «Диагностика химических источников тока», журнал «Современная Электроника», выпуск №7/2007 г., стр.20-22, www/soel.ru
19. Методика тестирования аккумуляторов и батареек
20.О зарядных устройствах и технологиях заряда аккумуляторов,  1.htm
21. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Драйвер ПЗУ Serial EEPROM», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2009612937 от 5 июня 2009 г.
22. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Драйвер Flash-карточки», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2008614977 от 16 октября, 2008 г.
23. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Контроллер памяти FRAM», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ, №2010612120 от 22.01.2010 г.
24. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Контроллер устройства хранения данных», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ, №2011610241 от 18.10.2010 г.
25. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Драйвер светоиндикаторного устройства», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ, №2011610487 от 13.11.2010 г.
26. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Программа автоматизированной обработки данных», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2009613019 от 10.06.2009 г.
27. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Анализатор файлов», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ, №2009616394 от 18.11.2009 г.
28. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Менеджер сенсора», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ.
29. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №98641 «Устройство заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и контроля их работоспособности», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 20 октября 2010 г.
30. Войсковая часть 11135 (RU), Патент на изобретение №2289856 «Устройство индикации», зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20.12.2006 г.
31. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №86331 «Накопитель с защитой доступа к памяти», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 27.08.2009 г.
32. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №87276 «Защищенный накопитель», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 27.09.2009 г.
33. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №84594 «Накопитель с защитой от несанкционированного доступа к памяти», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10.07.2009 г.
34. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №90595 «Накопитель с защитой от несанкционированного доступа к памяти», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 января 2010 г.
35. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №86026 «Скрытый регистратор доступа на объект», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 августа 2009 г.