ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к источникам питания с импульсным отбором мощности и может быть использована при производстве источников питания с повышенными удельными электрическими характеристиками.
Известен источник питания, содержащий электрохимический источник тока (аккумулятор), ключевой элемент с блоком управления и накопитель энергии. (А.С. СССР №560279, кл. Н01М 10/50, 1977).
Недостатком указанного известного источника питания являются низкие удельные характеристики и ограниченное время работы, связанные с характеристиками используемого аккумулятора.
Известен источник питания, содержащий электрохимический источник тока, ключевой элемент с блоком управления и индуктивный накопитель энергии (Полезная модель №45842, кл. Н01М 12/06, 27.05.2005).
Недостатком этого известного источника питания являются низкие удельные характеристики и ограниченное время работы, связанные с неоптимальным выбором параметров составляющих источника питания.
Из известных источников питания наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является источник питания, содержащий электрохимический источник тока (ЭХИТ), включающий, по крайней мере, один элемент с анодом и катодом, разделенными электролитом, ключевой элемент, блок управления и индуктивный накопитель энергии, накопительный конденсатор (Патент РФ №.2302060 C1, HO1M 12/06).
Недостатком этого известного источника питания являются низкие удельные характеристики и ограниченное время работы, связанные с неоптимальным выбором параметров составляющих источника питания.
Техническим результатом полезной модели является создание источника питания, обладающего повышенными разрядными удельными электрическими характеристиками.
Указанный технический результат достигается тем, что источник питания содержит ЭХИТ, включающий, по меньшей мере, один элемент с анодом и катодом, разделенными электролитом, ключевой элемент с блоком управления и индуктивный накопитель энергии, контроллер для измерения тока, напряжения, а также первой, второй производных тока и напряжения по времени, накопительный конденсатор, при этом он дополнительно содержит стабилизатор разрядной мощности.
Целесообразно, чтобы в качестве индуктивного накопителя энергии был взят дроссель или трансформатор.
Сущность полезной модели поясняется чертежами (Рис.1-3) и описанием работы источника.
На Рис.1 представлена функциональная схема источника питания
На Рис.2-3 представлены сравнительные характеристики для двух режимов разряда
Источник питания включает ЭХИТ 1 любого типа, например, литийионный или свинцовый аккумулятор, ключевой элемент с блоком управления 2, индуктивный накопитель 3, накопительный конденсатор 4, стабилизатор разрядной мощности 5, контроллер 6 для измерения тока, напряжения, а также первой, второй производных тока и напряжения по времени, сопротивление нагрузки 7.
2
2
Источник тока работает следующим образом. При замыкании ключевого элемента 2 протекает ток от источника 1. Энергия, накапливаясь в дросселе 3, передается в нагрузку 7 через накопительный конденсатор 4 и стабилизатор разрядной мощности 5. Измеритель напряжения и тока разряда контролирует вторую производную напряжения по времени и первую производную тока по времени. При этом максимальная мощность с ЭХИТ снимается при достижении первой производной тока во времени, равной нулю. При dI/dτ=0 ЭХИТ отключается от нагрузки. За время включенного состояния ЭХИТ работает при минимальном внутреннем сопротивлении, равном активной составляющей полного сопротивления, т.е. при отсутствии поляризационной составляющей. Таким образом, при включенном состоянии ЭХИТ отдает максимально возможную энергию при своем минимальном внутреннем сопротивлении. При выключенном состоянии ток через ЭХИТ должен быть равен нулю, т.к. в противном случае постоянно-токовый фон приводит к появлению поляризационной составляющей внутреннего сопротивления ЭХИТ. Время выключенного состояния определяется временем восстановления напряжения ЭХИТ до конечного при условии равенства нулю второй производной напряжения по времени (dU/dτ=0). Таким образом, суть электронного устройства, включающего в себя ключевой элемент с блоком управления, индуктивный накопитель, накопительный конденсатор, стабилизатор разрядной мощности, контроллер для измерения тока, напряжения, первой, второй производных тока и напряжения по времени, заключается в том, чтобы отделить по времени отбор электрической энергии с ЭХИТ от собственно окислительно-восстановительной химической реакции, проходящей в ЭХИТ, являющейся источником электродвижущей силы последнего. Во время включенного состояния индуктивный накопитель электрической энергии со стабилизатором мощности обеспечивает непрерывный рост тока с ЭХИТ до момента равенства нулю первой производной тока по времени. В этом интервале времени электрохимическая реакция не идет. В отключенном состоянии происходит сама электрохимическая реакция при отсутствии тока.
Пример практической реализации
Пример №1.
Испытывалась литий-ионная батарея, состоящая из трех последовательно соединенных аккумуляторов SLPB 55205130 напряжением 12,6 В и емкостью 11 А·ч. Батарея заряжалась до 12,6 В (4,2 В на аккумулятор) и разряжалась до 8,1 В (2,7 на аккумулятор) в двух режимах.
Режим 1. Разряд производился на постоянном сопротивлении 1,2 Ом.
Режим 2. К той же батарее подключалось электронное устройство, включающее в себя ключевой элемент с блоком управления, индуктивный накопитель, накопительный конденсатор, стабилизатор разрядной мощности, контроллер для измерения тока, напряжения, первой, второй производных тока и напряжения по времени, и на выходе электронного устройства подключалась нагрузка. Нагрузка подбиралась таким образом, чтобы на выходе электронного устройства мощность была равна начальной разрядной мощности в режиме №1 с постоянным сопротивлением 1,2 Ом. Мощность фиксировалась как на входе, так и на выходе электронного устройства. Частота отбора энергии варьировалась от 19 кГц до 0,25 кГц.
На рис.2 показаны зависимости снимаемых мощностей от относительной емкости батареи для двух режимов работы ЭХИТ. Видно, что в режиме разряда на постоянном сопротивлении (кривая 1) начальная разрядная мощность, равная 125 Вт, монотонно убывает в зависимости от степени разряда аккумуляторной батареи до значения 64 Вт, соответствующего 95%-ной степени разряженности. Падение мощности составило почти 90%. В режиме №2 мощности, снимаемые как на выходе электронного устройства (кривая 2), так и на входе электронного устройства (кривая 3) не зависят от степени разряженности аккумуляторной батареи и составляют 125 Вт и 135 Вт, соответственно. Разница в 10 Вт, равная 135 Вт - 125 Вт теряется в самом электронном устройстве. Полное внутреннее сопротивление в режиме №1 составило 12 мОм, а в режиме №2-4,5 мОм, что равно активной составляющей полного внутреннего сопротивления батареи.
Пример №2. Испытывалась стартерная свинцовая аккумуляторная батарея производства фирмы Varta 12 В 40 Ахч. Батарея разряжалась в двух режимах до конечного напряжения 10,2 В.
Режим 1. Батарея разряжалась на постоянном сопротивлении 0,31 Ом до напряжения 10,2 В.
Режим 2. Батарея разряжалась с подключением электронного устройства, включающего в себя ключевой элемент с блоком управления, индуктивный накопитель, накопительный конденсатор, стабилизатор разрядной мощности, контроллер для измерения тока, напряжения, первой, второй производных тока и напряжения по времени. Нагрузка подбиралась таким образом, чтобы на выходе электронного устройства мощность была равна начальной разрядной мощности в режиме №2 с постоянным сопротивлением 0,31 Ом. Мощность фиксировалась как на входе, так и на выходе электронного устройства. Частота отбора энергии варьировалась от 19 кГц до 0,25 кГц.
На рис.3 показаны зависимости снимаемых мощностей от относительной емкости батареи для двух режимов работы ЭХИТ. Видно, что для режима №1 (кривая 1) мощность с начального значения 502 Вт, соответствующая полностью заряженной батарее, к концу разряда, соответствующему 52% разрядной емкости, составляет 380 Вт, т.е. падение мощности составило 32%. В режиме с подключенным электронным устройством мощности, как снимаемые на выходе электронного устройства (кривая 2), так и на входе электронного устройства (кривая 3), не зависят от степени разряда батареи и остаются постоянными 502 Вт и 540 Вт, соответственно. Причем разрядная емкость в режиме №2 составляет 62%. Полное внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи в режиме №1 при разряде на постоянном сопротивлении 0,31 Ом менялось с начальных 16 мОм до конечных 22 мОм. В режиме №2 с подключенным электронным устройством - с начальных 2 мОм до конечного 7 мОм, что соответствует активной составляющей полного внутреннего сопротивления.
Приведенные выше описания конструкции, работы заявляемого устройства и примера практической реализации показывают, что данное устройство может быть реализовано на практике. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию «промышленная применимость».