Автономный источник питания на основе литиевых элементов
AUTONOMOUS POWER SUPPLY BASED ON LITHIUM CELLS

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для автономного питания электроприемников электрической энергией от батарей на основе литиевых химических источников тока (ЛХИТ).
Литиевые гальванические элементы имеют хорошие энергетические характеристики, определяемые их высоким рабочим напряжением, малым саморазрядом, способностью отдавать гарантированную электрическую емкость при номинальных разрядных токах после длительного режима хранения.
Известно, что для выполнения требований электроприемников по уровням напряжения, обеспечения безопасности эксплуатации и повышения ресурсных характеристик таких ЛХИТ объединяются в батареи, содержащие герметизированный контейнер с крышкой, набор электрически соединенных ЛХИТ, размещенных в контейнере, и электрические разъемы для подключения нагрузки и средств контроля и управления [1].
1
1
2
2
3
Батареи ЛХИТ можно применять для непосредственного питания шин электроприемников только при невысоких требованиях к качеству электроэнергии, так как разрядная характеристика ЛХИТ [2] имеет три типовых участка (фиг. 2) с выходным напряжением изменяющимся в широком диапазоне. Первый этап разряда батареи ЛХИТ (0-t) -кратковременный, отличающийся резким снижением выходного напряжения; второй этап (t-t) - длительный, характеризуемый незначительным изменением напряжения при разряде номинальными токами; третий, заключительный этап разряда (t-t) - кратковременный режим с значительным снижением напряжения при разряде.
Нестабильность выходной характеристики батареи ЛХИТ определяет необходимость применения преобразования постоянного тока в постоянный со стабилизаций напряжения в заданном диапазоне, которое может быть выполнено с помощью конвертора напряжения постоянного тока DC/DC [3].
Из известных технических решений наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является устройство экономичного автономного источника питания [4], содержащего источник питания, инвертор, тиристоры, диод, силовой повышающий трансформатор, выпрямитель, конденсатор и систему управления. Рассматриваемое устройство обеспечивает экономичный режим потребления электроэнергии от источника постоянного тока за счет его повторно-кратковременного режима работы.
Недостатком этого устройства, принятого нами за прототип, является то, что, с одной стороны, для обеспечения автономного питания электроприемников применяется источник постоянного тока, имеющий ограниченную емкость, а с другой, используются постоянно работающие преобразователи (инвертор, трансформатор и выпрямитель), включенные последовательно, что усложняет конструкцию, снижает КПД преобразования, коэффициент полезного использования энергии автономного источника, и, как следствие, снижает продолжительность питания потребителей от автономного источника (АИЛ).
Целью изобретения является повышение коэффициента полезного использования дорогостоящей электроэнергии автономного источника, а также создание режима эксплуатации автономного источника питания, позволяющего снизить тепловыделения от преобразователей напряжения, что обеспечит повышение продолжительности питания потребителей от автономного источника.
Указанная цель достигается тем, что в автономный источник включаются параллельно соединенные через разделительные диоды батареи ЛХИТ, которые, в свою очередь, подключаются к шинам электроприемников через две, коммутируемые схемой управления, параллельные ветви. Обе ветви содержат разделительные диоды, что обеспечивает их бесперебойное переключение на работу через преобразователь и обратно. Кроме того, вторая ветвь содержит преобразователь напряжения типа конвертор выполняющий функцию стабилизации напряжения. Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что схема управления непрерывно измеряет напряжение на батареи ЛХИТ, определяет интервалы времени, когда необходимо включение преобразователя для стабилизации напряжения на шинах электроприемников или его отключение при соответствии напряжения на батареи ЛХИТ допустимому диапазону отклонения напряжения.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства.
Оно содержит:
1.1, 1.2, 1.3 - батарея литиевых химических источников тока;
2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 - разделительный диод;
3.1, 3.2 - нормально разомкнутый контакт силового контактора;
4 - преобразователь постоянного тока в постоянный с стабилизацией выходного напряжения (конвертер);
5 - схема управления;
6 - шины электроприемников постоянного напряжения.
Устройство работает следующим образом.
Батареи литиевых химических источников тока 1.1…1.3 через разделительные диоды 2.1…2.3 соединяются параллельно, что увеличивает мощность и емкость автономного источника тока. Наличие разделительных диодов 2.1…2.3 исключает влияние батарей друг на друга при их разряде. При необходимости включения АИЛ на шины электроприемников 6 первым по команде схемы управления 5 замыкается контакт 3.1, напряжение от батарей ЛХИТ поступает через преобразователь 4 и разделительный диод 2.5 на шины электроприемников 6. Поскольку на первом этапе (участок I) напряжение на батареи ЛХИТ больше допустимого значения для электроприемников (фиг. 3), то преобразователь осуществляет стабилизацию напряжения на уровне требований электроприемников. В процессе разряда батарей ЛХИТ напряжение на них снижается, достигая значения  (фиг. 3), при котором электроприемники могут питаться от ЛХИТ напрямую без преобразователя 4 (участок II). Для отключения преобразователя 4 по сигналу схемы управления 5 замыкается контакт 3.2 и напряжение от батареи ЛХИТ поступает на разделительный диод 2.4. Поскольку напряжение на его выходе больше, чем на выходе разделительного диода 2.5, то последний запирается, создавая условия для бесперебойного отключения преобразователя 4 по команде схемы управления 5. После отключения преобразователя 4 напряжение на его выходе снижается и диод 2.5 запирается напряжением, проходящим через диод 2.4. Если в процессе разряда напряжение на батарее ЛХИТ снизится ниже допустимого значения  (фиг. 3), то по команде схемы управления 5 замыкается контакт 3.1, включая преобразователь 4 (участок III). Напряжение преобразователя 4 поступает на разделительный диод 2.5. Поскольку напряжение на выходе диода 2.5 при работающем преобразователе будет выше, чем на диоде 2.4, то последний запирается и питание от батарей на шины электроприемников поступает через преобразователь 4.
Таким образом, отключение преобразователя на стабильном участке разряда батарей ЛХИТ (участок II), когда напряжение питания электроприемников находится в допустимых пределах, позволяет исключить из последовательной цепи элемент с низким коэффициентом полезного действия, что, во-первых, увеличит коэффициент полезного использования энергии АИЛ и, следовательно, увеличивает продолжительность питания электроприемников от комплекта ЛХИТ, а во-вторых уменьшает тепловыделения в сооружения, где установлен АИЛ.
Заявителям не известен путь решения поставленной задачи с приведенной совокупностью существенных признаков, что говорит об "изобретательском уровне" технического решения.
Авторами испытан автономный источник питания на основе литиевых элементов, состоящий из 96 батарей ЛХИТ, четырех параллельно включенных преобразователей постоянного тока в постоянный, суммарной мощностью 6,0 кВт, с величиной выходного напряжения (31±1)В, включающий параллельную преобразователям цепь с управляемым выключателем, который обеспечил бесперебойное питание ответственных электроприемников напряжением (31±1)В на всем временном интервале разряда батарей ЛХИТ.
Приведенные данные и сведения подтверждают возможность промышленного осуществления предлагаемого изобретения.
Источники информации
1. Патент РФ №2373614 С2, кл. Н01М 6/16, опубл. 10.04.2009.
2. Варыпаев В.Н. и д.р. Химические источника тока. - М.: Высш.шк., 1990. - 240 с.
3. Справочник по силовой электронике / Ю.К. Розанов, П.А. Воронин, С.Е. Рывкин, Е.Е. Чаплыгин; под ред. Ю.К. Розанова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. 472 с.
4. Патент РФ №2417508 С1, кл. Н02М 3/315, опубл. 27.04.2011.