ПЕРВИЧНАЯ ЛИТИЕВАЯ БАТАРЕЯ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве батарей из первичных химических источников тока (ХИТ), например, с тионилхлорид-литиевыми или сульфурилхлорид-литиевыми элементами, предназначенных для резервного электропитания систем телемеханики и аварийной сигнализации, для обеспечения электроэнергией автономной аппаратуры внутритрубных диагностических устройств и приборов нефтепроводов и газопроводов, а также для применения в качестве автономных источников электроэнергии постоянного тока для питания других различных электронных устройств и приборов.
Известны литий-диоксид марганцевые батареи (например, 12 МРЛ-800, ЖФИР.563562.003 ТУ "С", 12 МРЛ 400, ИЛВЕ.563214.009 ТУ "С", изготовитель ОАО "ЛИТИЙ-ЭЛЕМЕНТ", г. Саратов). Батареи собраны из отдельных ХИТ, состоящих из отрицательных литиевых и положительных диоксидмарганцевых электродов, разделенных сепаратором, собранных в призматический блок, пропитанный электролитом. Блок помещен в герметичный корпус из нержавеющей стали. Такие батареи обладают высокой удельной энергией и могут быть собраны последовательно-параллельным соединением отдельных ХИТ на любое номинальное напряжение, кратное 3 В, и практически любую электрическую емкость и мощность.
Известные батареи обладают высокой сохранностью заряда (более 10 лет) и достаточно высокой надежностью. Однако недостатком литий-диоксид марганцевых батарей является их способность к горению в герметичных батарейных отсеках (без доступа кислорода) при возникновении различных внештатных ситуаций (например, при механическом повреждении отдельных ХИТ при монтаже батарей), что сопровождается повышением давления, приводящему к взрыву батарейного отсека.
Известна также батарея с водным электролитом, например, батарея NaS, содержащая, по крайней мере, две параллельно соединенные ветви, которые соответственно состоят из рядов m+n ячеек, соединенных параллельно, при этом "m" и "n" являются любыми натуральными числами. Батарея снабжена схемой для измерения разбаланса напряжений на соединенных между собой ячейках батареи, обеспечивающей возможность контролировать состояние частей батареи (см. патент ВОИС на изобретение №8602738, МПК Н 01 М 10/48, G 01 R 31/36, опубл. 09.05.1986 г.).
Так как при последовательно-параллельном соединении источников тока при разряде (заряде) даже незначительный разброс, например, по емкости, отдельных
источников тока, приводит к значительному разбалансу, например, по остаточной емкости в конце разряда, групп источников тока, составляющих батарею, то в известном техническом решении предлагается схема контроля разбаланса групп источников тока при разряде (заряде) батареи. Однако низкая надежность и низкая электрическая емкость таких батарей не позволяют их использовать в условиях пожаро- и взрывобезопасной эксплуатации для обеспечения электроэнергией автономной аппаратуры внутритрубных диагностических устройств нефтегазовой промышленности.
Известны батареи ХИТ, в которых используются различные электронные регуляторы. Например, известно устройство нивелирования разбаланса напряжений, по крайней мере, на двух соединенных между собой ячейках аккумуляторной батареи или, по крайне мере, на двух соединенных между собой батареях, содержащее трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу ячеек или батарей, при этом каждая из рабочих обмоток имеет одинаковое число витков, управляющий ключевой элемент, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой в соответствующей ячейке или батарее, и систему управления в виде коммутирующего элемента питания, соединенного с выводами аккумуляторной батареи, генератора импульсов и формирователя импульсов управления ключевыми элементами, выполненного в виде соединенной с управляющим входом каждого ключевого элемента соответствующей емкости, и соответствующих параллельно соединенных друг с другом резистора и диода, соединенных с управляющим входом соответствующего ключевого элемента и соответствующей ячейкой или батареей, при этом в устройство дополнительно введены системы размагничивания трансформатора, источник питания и драйвер управления, установленный в системе управления, при этом соответствующие емкости формирователя импульсов управления ключевыми элементами объединенным общим выводом соединены с выходом драйвера управления, входом подключенного к выходу генератора импульсов, источник питания соединен с коммутирующим элементом питания и выходом - с цепью питания системы управления, а система размагничивания трансформатора соединена с цепью питания устройства (см. патент РФ на изобретение №2156533, МПК Н 02 J 7/00, Н 02 J 7/34, опубл. 20.09.2000 г.).
Недостатком описанного выше известного устройства является его недостаточная надежность вследствие сложности конструкции. При этом батарея также практически неприменима из-за сложности и низкой надежности при количестве отдельных ХИТ, составляющих батарею, например, более 10 штук.
Наиболее близким техническим решением к предложенной полезной модели является первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельных цепи, каждая из которых состоит, по крайней мере, из двух последовательно соединенных первичных литиевых источников тока (ИТ), объединенных в едином корпусе, оборудованном контактными выводами, при этом в качестве первичных литиевых ИТ используют ИТ, энергия которых лежит в диапазоне 25-125 Вт·час, а разброс электрической емкости между ИТ составляет не более 15%, при этом батарея дополнительно снабжена электронным регулятором, который содержит, по крайней мере, четыре диода, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, и, по крайней мере, две цепи, каждая из которых содержит последовательно соединенные термопредохранитель и диод и подключена к выходу каждого ИТ, являющимся последним в каждой цепи последовательно соединенных ИТ (см. патент РФ на полезную модель №39745, МПК Н 01 М 10/48, опубл. 10.08.2004 г.).
Недостатком известной литиевой батареи является то, что после снятия 80-85% электрической емкости, в параллельных цепях из-за различия электрических характеристик отдельных ИТ происходит перераспределение токов по параллельным цепям. При этом токи в отдельных цепях могут достичь и превысить допустимые значения для используемых ИТ, что может привести к их разгерметизации (взрыву). Кроме того, при глубоком разряде (снятии 90-95% заложенной электрической емкости) и снижении в батарее значительного рабочего напряжения по сравнению со значением напряжения батареи без нагрузки, возможен переразряд отдельных ИТ, имеющих меньшую электрическую емкость по сравнению с другими ИТ, что также может привести к их разгерметизации (взрыву).
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание надежной в эксплуатации и взрывобезопасной при глубоком разряде батареи (снятии 92-95% заложенной электрической емкости).
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является исключение хаотичного резкого перераспределения токов при глубоком разряде батареи.
Поставленная задача достигается тем, что первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельных цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первичных литиевых ИТ, объединенных в едином корпусе, оборудованном контактными выводами, при этом батарея дополнительно снабжена электронным регулятором, который содержит диоды, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, и, по крайней мере, два диода, подключенных
последовательно после каждого ИТ, являющимся последним в каждой цепи последовательно соединенных ИТ согласно полезной модели, батарея содержит литиевые ИТ одной электрохимической системы, а все цепи содержат одинаковое количество ИТ, при этом разность между значениями выходного напряжения батареи без внешней нагрузки и выходного напряжения батареи под нагрузкой не превышает четырехкратного значения выходного напряжения любого ИТ батареи, измеренного без нагрузки.
Каждая из параллельных цепей батареи может состоять, по крайней мере, из пяти последовательно соединенных ИТ.
Целесообразно, чтобы в батарее в качестве первичных литиевых ИТ были использованы ИТ электрохимических систем литий-тионилхлорид или литий-сульфурилхлорид.
В предложенной конструкции батареи повышение надежности и взрывобезопасности обусловлено следующим.
Как отмечалось выше, в конечном итоге к взрыву и разрушению батареи приводит различие электрических характеристик отдельных ИТ, вследствие чего происходит перераспределение токов по параллельным цепям.
Для исключения вышеуказанных факторов предлагается использовать в батарее ИТ одной электрохимической системы, например, системы литий-тионилхлорид или системы литий-сульфурилхлорид. При этом выбор ИТ электрохимических систем литий-тионилхлорид и/или литий-сульфурилхлорид продиктован тем, что они обладают более высокой удельной энергией в сравнении с другими электрохимическими системами и главное, в отличие, например, от электрохимической системы литий-диоксид марганца, перечисленные выше электрохимические системы в герметичных отсеках не пожароопасны и не могут создать ситуации, приводящие к разрыву герметичного батарейного отсека за счет газов, выделяемых при горении ИТ или их компонентов.
Кроме того, для уменьшения возможности перераспределения токов все параллельные цепи содержат одинаковое количество ИТ, например, не менее пяти. Это объясняется следующим. Выходное напряжение батареи вследствие законов физики равно выходному напряжению одной из параллельной цепей. При этом выходные напряжения цепей равны между собой.
В случае выполнения цепей из различного количества элементов при включении произойдет очень быстрое во времени перераспределение токов в цепях для выравнивания напряжения, при этом цепи с наименьшим количеством элементов будут нести, соответственно, меньшую нагрузку и ИТ в этих цепях будут отдавать меньшую
емкость по сравнению с цепями с большим количеством ИТ. Неравномерность разряда может привести к переразряду отдельных ИТ, их разгерметизации и другим негативным последствиям.
Для предлагаемой полезной модели разность между значениями выходного напряжения батареи без внешней нагрузки и выходного напряжения батареи под нагрузкой не должна превышать четырехкратного значения выходного напряжения любого ИТ батареи, измеренного без нагрузки. Превышение четырехкратного значения говорит о том, что в одной из цепей уже до четырех ИТ могли разрядиться полностью или находятся в стадии близкой к глубокому разряду, что приведет к хаотичному, быстроменяющемуся перераспределению токов по параллельным цепям. При этом происходит быстрый во времени глубокий переразряд отдельных ИТ и превышение допустимых токов разряда для отдельных цепей, которые могут приводить к разгерметизации (взрыву) отдельных ИТ. Контроль за разрядом четырех ИТ в одной цепи объясняет также целесообразность выполнения цепи, по крайней мере, из пяти последовательно соединенных ИТ. В этом случае даже при разряде четырех ИТ в одной цепи один из элементов цепи будет короткое время до выключения батареи отдавать емкость и, тем самым, позволит избежать глубокого переразряда ИТ батареи, который, например, для литиевых ИТ может привести к их взрыву. При выполнении цепей из последовательно соединенных ИТ более пяти, тем не менее, исходя из экспериментальных данных, достаточно разрядки только четырех ИТ в одной цепи для начала хаотичного, быстроменяющегося перераспределения токов по параллельным цепям, который приводит к глубокому переразряду отдельных ИТ и превышению допустимых токов разряда для отдельных цепей, после чего следует разгерметизации или взрыв отдельных ИТ.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором показан пример электрической принципиальной схемы предложенной первичной литиевой батареи, используемой с электронным регулятором.
1.1
N.М
1.1
N.M
1
N
Буквенные обозначения на схеме соответствуют следующему: UT-UT - первичные литиевые ИТ (где N - количество параллельных цепей; М - количество последовательных соединенных ИТ в каждой из параллельных цепей); VD-VD - диоды, обеспечивающие шунтирование ИТ при их полном разряде для исключения глубокой переполюсовки; VD-UD - диоды, исключающие заряд отдельных цепей за счет энергии других цепей; FU - плавкий предохранитель для защиты батареи при случайном внешнем коротком замыкании; PV - вольтметр для измерения напряжения отдельных последовательно соединенных цепей ИТ (может не встраиваться в конструкцию электронного регулятора); SA - переключатель цепей (если вольтметр PV в
1
N
бат
конструкции батареи не предусмотрен, то вместо переключателя цепей в батарее монтируется технологический разъем для осуществления измерения внешним вольтметром напряжения отдельных последовательно соединенных цепей ИТ); R-R - добавочные сопротивления; U - напряжение первичной батареи.
Цифрой 1 на схеме обозначен блок измерительных приборов.
1.1
N.M
Первичная литиевая батарея представляет собой набор первичных литиевых ИТ UT-UT одной электрохимической системы, например, литий-тионилхлорид или литий-сульфурилхлорид, в количестве необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости (энергии), объединенных в прочном едином защитном герметичном корпусе, выполненном в виде блока, оборудованным контактными выводами, например, электрическими разъемами.
1.1
N.M
Источники тока UT-UT электрически соединяются, по крайней мере, в две параллельные цепи, каждая из которых состоит из, по крайней мере, пяти последовательно соединенных первичных литиевых ИТ. При этом все цепи содержат одинаковое количество ИТ, например, М.
1.1
N.M
1
N
1.M
Батарея дополнительно снабжена электронным регулятором, который содержит диоды VD-VD количество которых равно количеству ИТ и каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, а также диоды, например, VD-VD, подключенные последовательно после каждого ИТ, например, UT, являющимся последним в каждой цепи последовательно соединенных ИТ. Причем количество таких диодов равно количеству параллельно подключенных цепей ИТ, соединенных последовательно между собой, например, N, а их подключение может быть произведено не только непосредственно после ИТ, но и, например, через последовательно подключенный термопредохранитель.
1.1
N.M
При этом разность между значениями выходного напряжения батареи в любой момент времени в процессе эксплуатации без внешней нагрузки и выходного напряжения батареи под нагрузкой не превышает четырехкратного значения выходного напряжения любого ИТ UT-UT батареи, измеренного без нагрузки.
Батарея используется следующим образом.
В момент включения возможно кратковременное небольшое неравномерное распределение токов по параллельным цепям, затем выравнивание токов при снижении выходного напряжения батареи по сравнению с выходным напряжением батареи без нагрузки. Затем по истечении короткого промежутка времени после включения (10-20 с) ток, протекающий через каждую параллельную цепь, становится практически равен току разряда батареи, деленному на количество параллельных цепей.
Снимаемая электрическая емкость на этой стадии работы незначительна и составляет десятые доли процентов заложенной электрической емкости батареи.
В процессе эксплуатации батарея характеризуется равномерным распределением токов по параллельным цепям и дальнейшим плавным снижением выходного напряжения батареи по сравнению с ее выходным напряжением без нагрузки. При этом количество отдаваемой емкости составляет 75-80% от заложенной электрической емкости батареи.
1.1
N.M
Далее из-за различий электрических характеристик отдельных ИТ UT-UT (даже незначительных, например, доли процентов) происходит перераспределение токов по параллельным цепям. В цепях, в которых имеются ИТ с меньшей электрической емкостью, ток резко уменьшается, что приводит к росту тока разряда в отдельных цепях. Чем больше имеет батарея параллельных цепей, тем более значительным может быть перераспределение токов.
Например, при количестве параллельных цепей более 25, ток в отдельных цепях может превышать допустимые значения для примененного в батарее типа ИТ.
1.1
N.M
1.1
N.M
Превышение допустимой токовой нагрузки может приводить к разгерметизации ИТ UT-UT (взрыву) и дальнейшим непредсказуемым последствиям. При дальнейшем разряде и снижении напряжения батареи токи в параллельных цепях выравниваются. При этом разность между выходным напряжением батареи без нагрузки и выходным напряжением батареи под нагрузкой приблизительно равна значению выходного напряжения любого ИТ UT-UT. Это означает, что в каждой параллельной цепи имеется по одному полностью разряженному ИТ. На этом этапе количество отдаваемой электрической емкости батареи составляет до 20% общей емкости батареи.
1.1
N.M
1.1
N.M
В этом случае при разряде отдельного ИТ UT...UT срабатывает диод VD...VD (в качестве которых могут быть использованы, например, отечественные кремниевые диоды типа 2Д213А,Б, ГОСТ В22468-77 и 3.362.008ТУ или зарубежные диоды Шоттки серии 12CTQ040 производства «International Rektifier», США) электронного регулятора, подключенный параллельно к этому ИТ, после чего ток начинает идти через этот диод, минуя разряженный ИТ, исключая переполюсовку (изменение полярности) разряженного ИТ. Таким образом, исключается глубокая пере-полюсовка, которая, например, для литиевых ИТ может привести к их взрыву.
1
N
Кроме того, при чрезмерном разряде одной из цепей, вызванного, например, разрядами большого числа последовательно соединенных ИТ, находящихся в одной цепи, происходит отключение этой цепи, при помощи диодов VD...VD (в качестве
которых могут быть использованы, например, кремниевые диоды 1N4001-1N4004 производства «International Rektifier», США).
1.1
N.M
При последующем разряде и уменьшении выходного напряжения батареи под нагрузкой по сравнению с выходным напряжением батареи без нагрузки на величину, превышающую четырехкратное значение выходного напряжения любого ИТ UT-UT батареи, измеренного без нагрузки, наступает стадия разряда, которая характерна резким падением напряжения батареи и хаотичным, быстро меняющимся перераспределением токов по параллельным цепям. Это означает, что электрическая емкость батареи практически израсходована, и в каждой цепи присутствуют, по крайней мере, до четырех полностью разряженных первичных ИТ. При этом возможны глубокий переразряд ИТ, превышение допустимых токов разряда для отдельных цепей, которые могут приводить к разгерметизации (взрыву) отдельных ИТ.
Однако, за счет наличия в конструкции батареи электронного регулятора предложенной конструкции, который может осуществлять любую из следующих операций:
- измерение напряжения отдельных последовательно соединенных цепей ИТ для оценки отсутствия внутренних и/или внешних шунтов ИТ до начала их разряда;
- шунтирование каждого литиевого ИТ при его полном разряде для исключения глубокой переполюсовки;
- отключение последовательно соединенных цепей ИТ, имеющих пониженное напряжение, для исключения возможности их заряда от цепей, имеющих более высокое напряжение;
- отключение батареи в целом или отдельных последовательно соединенных цепей ИТ от нагрузки при внешнем коротком замыкании коммутационных цепей, перегреве батареи для исключения внештатных нерегламентированных режимов разряда,
1.1
N.M
на этой стадии происходит отключение батареи в целях избежания разгерметизации (взрыва) отдельных ИТ UT-UT.
Измерение напряжения в каждой цепи батареи может также производиться блоком измерительных приборов 1, содержащим, например, вольтметр PV.
Это также повышает надежность первичной литиевой батареи и ее пожаро- и взрывобезопасность в процессе эксплуатации.
Таким образом, предложенная конструкция батареи может быть использована при производстве батарей из первичных ХИТ, например, с тионилхлорид-литиевыми или сульфурилхлорид-литиевыми элементами, обладает повышенной надежностью в эксплуатации и является взрывобезопасной при глубоком разряде батареи (снятии 92-95% заложенной электрической емкости).