ЛИТИЕВАЯ БАТАРЕЯ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, электрическому оборудованию, а именно к литиевой батарее для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, и может быть использована при производстве батарей из первичных химических источников тока и/или вторичных химических источников тока, например, литий-ионных аккумуляторов (ИТ), предназначенных для автономного электропитания диагностической аппаратуры внутритрубных инспекционных приборов нефтепроводов и газопроводов, а также для применения в качестве автономных источников питания других различных электронных устройств, приборов и систем.
Известна первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельно соединенные с токовыводами через термопредохранитель электрические цепи, состоящие из первичных литиевых элементов, каждый из которых имеет параллельно соединенный с ним диод, при этом каждая электрическая цепь имеет защитное средство в виде последовательно включенного в нее диода, причем батарея имеет контрольные выводы, каждый из которых соединен с одной соответствующей цепью в точке, расположенной между последним первичным литиевым элементом цепи и последовательно включенным диодом. Каждый контрольный вывод батареи может быть соединен с соответствующей электрической цепью через высокоомный резистор. При этом батарея может быть снабжена дополнительными контрольными выводами по числу остальных первичных литиевых элементов, кроме последних, а каждый из дополнительных контрольных выводов соединен с положительным выводом соответствующего первичного литиевого элемента (см. патент РФ на полезную модель №45204. МПК Н01М 10/00, опубл. 27.04.2005 г.).
В известной конструкции используется, так называемая, диодная защита первичных литиевых источников тока от их заряда и переразряда, при которой параллельно ИТ подключается диод, а в каждой цепи последовательно соединенных ИТ включается диод, исключающий возможность заряда ИТ. Диодная защита исключает возможность заряда ИТ, ограничивает напряжение переполюсовки ИТ при его переразряде, но она не защищает ИТ от глубокого разряда, т.е. разряда ИТ при разрядном напряжении менее 2 В. В этом случае в первичных литиевых ИТ происходит накопление побочных, в том числе пожароопасных продуктов, которые не стабильны, и присутствие даже незначительных количеств воды резко ускоряет экзотермическое разложение этих продуктов, что с большой вероятностью может приводить к взрыву ИТ. При глубоком разряде в ИТ возможно полное израсходование электролита и образование, так называемых, «сухих пятен», приводящих к возгоранию лития и взрыву ИТ, что не допустимо в эксплуатации. Это указывает на недостаточную надежность и безопасность батареи в целом.
Известна также 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, являющегося последним в каждой цепи последовательно соединенных ИТ, при этом каждая цепь последовательно соединенных первичных литиевых ИТ дополнительно снабжена предохранителем, включенным между общим проводом всех параллельных цепей и первым ИТ цепи. По крайней мере, одна цепь последовательно соединенных первичных литиевых ИТ может быть дополнительно снабжена предохранителями, включенными между каждым ИТ цепи и его соединением с диодом, включенным параллельно ИТ (см. патент РФ на полезную модель №46388, МПК H01M 10/48, опубл. 27.06.2005 г.).
Известная батарея также снабжена диодной защитой и предохранителями для исключения последствий внутрисхемных замыканий. Однако известная защита не предохраняет от глубокого разряда ИТ, при котором может происходить накопление побочных нестабильных, в том числе, пожароопасных, продуктов, что может приводить к взрыву ИТ, что указывает на недостаточную надежность и безопасность батареи в целом.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, одну цепь последовательно соединенных первичных литиевых источников тока (ИТ), положительный и отрицательный выводы которой подключены, соответственно, к положительному и отрицательному токовыводам батареи, полевой транзистор, источник опорного напряжения с положительным и отрицательным выводами, при этом проводящий канал полевого транзистора включен между одним из выводов цепи ИТ и токовыводом батареи, источник опорного напряжения соединен выводом одноименной полярности с другим выводом цепи ИТ, термопредохранитель, размещенный в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и имеющий температуру срабатывания, не превышающую максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, отличающаяся тем, что снабжена резистором, подключенным к затвору полевого транзистора и выводу цепи ИТ, к которому подключен проводящий канал полевого транзистора, а термопредохранитель электрически включен последовательно с источником опорного напряжения в цепи, соединяющей затвор полевого транзистора с выводом цепи ИТ. (см. патент РФ на полезную модель №94383, МПК Н01М 10/48, опубл. 20.05.2010 г.).
Известная конструкция батареи исключает возможность глубокого разряда батареи и ее составных элементов. Исключение возможности глубокого разряда обеспечивается встроенными в батарею дополнительными элементами, такими как полевой транзистор, источник опорного напряжения, а также предохранительным элементом - термопредохранителем, установленным в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и включенным в цепь управления полевого транзистора.
Недостатками данной конструкции является достаточная сложность конструкции батареи. Сложность конструкции прежде всего связана с наличием в батарее встроенного источника опорного напряжения, который сам по себе является достаточно сложным устройством и требует в батарее пространства для его размещения. Особенно этот недостаток проявляется при необходимости длительного сохранении заряда батареи, что в свою очередь требует применения стабильного во времени по характеристикам и, соответственно, конструктивно сложного источника опорного напряжения.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в расширении арсенала технических средств в данной области.
Данная задача достигается за счет того, что литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, одну цепь последовательно электрически соединенных выводами разноименной полярности литиевых источников тока (ИТ), положительный и отрицательный выводы которой подключены, соответственно, к положительному и отрицательному токовыводам батареи, полевой транзистор, проводящий канал которого включен между одним из выводов цепи ИТ и токовыводом батареи, термопредохранитель, размещенный в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и имеющий температуру срабатывания, не превышающую максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, согласно полезной модели батарея снабжена диодом, включенным между затвором полевого транзистора и выводом цепи ИТ, к которому подключен проводящий канал полевого транзистора, а термопредохранитель включен между затвором полевого транзистора и электрическим соединением выводами разноименной полярности двух ИТ, являющихся крайними в цепи последовательно соединенных ИТ и размещенных со стороны подключения проводящего канала полевого транзистора к цепи ИТ.
Под «термопредохранителем» в настоящем описании полезной модели понимается одноразовый предохранитель, размыкающий цепь, если температура окружающей среды в контуре превышает температуру срабатывания предохранителя.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является упрощение конструкции устройства за счет использования разрядного напряжения одного из ИТ для непосредственного управления проводящим каналом полевого транзистора, а именно: для закрытия проводящего канала транзистора при глубоком разряде ИТ и, соответственно, за счет этого - прекращения разряда батареи на внешнюю нагрузку.
Устройство поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображен пример электрической схемы литиевой батареи.
Цифрами на чертеже обозначены: 1 - литиевые источники тока ИТ; 2 - полевой транзистор; 3 - термопредохранитель, размещенный в зоне теплового потока от полевого транзистора 2; 4 - диод; 5 - резистор.
Литиевая батарея содержит, по крайней мере, одну цепь последовательно электрически соединенных выводами разноименной полярности литиевых источников тока (ИТ) 1, положительный и отрицательный выводы которой подключены, соответственно, к положительному и отрицательному токовыводам батареи, полевой транзистор 2, проводящий канал которого включен между одним из выводов цепи ИТ и токовыводом батареи, термопредохранитель 3, размещенный в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и имеющий температуру срабатывания, не превышающую максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, диод 4, включенный между затвором полевого транзистора и выводом цепи ИТ, к которому подключен проводящий канал полевого транзистора, а термопредохранитель 3 включен между затвором полевого транзистора 2 и электрическим соединением выводами разноименной полярности двух ИТ, являющихся крайними в цепи последовательно соединенных ИТ 1 и размещенных со стороны подключения проводящего канала полевого транзистора 2 к цепи ИТ 1.
Литиевая батарея может быть также снабжена резистором 5, который целесообразно использовать для безопасности - для ограничения разрядного тока ИТ при случайном (нештатном) повреждении (электрическом или тепловом пробое) диода 4 и/или изоляции между затвором и проводящим каналом полевого транзистора.
В качестве источников тока цепи ИТ1 могут быть использованы, например, источники тока SPL-16S, производства L&P Co., Ltd (Ю. Корея).
В качестве полевого транзистора 2 могут быть использованы, например, полевые транзисторы IRLR2905, IRL2505, IRL2705 производства International Rectifier (IR) с напряжением закрытия проводящего канала (напряжением между затвором и истоком проводящего канала полевого транзистора), находящимся в пределах (1,0-2,5) В.
В качестве термопредохранителя могут быть использованы, например, малогабаритные термопредохранители серии TZK (TZK-10; 102°C; 0,1 А; 250 В) производства Bourns, Inc (США) с температурой срабатывания в пределах 90÷110°C.
В качестве диода может быть использованы диоды серий 1N4001-1N4007 различных производителей.
Литиевая батарея работает следующим образом.
В процессе работы литиевой батареи под нагрузкой (процесс разряда батареи) рабочее напряжение ИТ и батареи в целом уменьшается.
Последовательно в цепь ИТ 1 между выводом цепи ИТ 1 и одним из токовыводов, например, «минусовым», своим проводящим каналом включен полевой транзистор 2.
-7
Полевой транзистор использован в связи с тем, что токи управления проводящим каналом в этом типе транзисторов практически равны нулю (~1·10 А), т.е. управление проводящим каналом (величиной его сопротивления и, соответственно, внутреннего сопротивления батареи) осуществляется практически разрядным напряжением ИТ без каких-либо дополнительных существенных разрядных токов.
В случае, если значение разрядного напряжения ИТ батареи будет выше 2,5 В, проводящий канал полевого транзистора 2 будет открыт, и через него, батарею и нагрузку в целом будет свободно протекать ток.
Однако, когда значение разрядного напряжения ИТ батареи станет равным или будет ниже 1,0 В, проводящий канал полевого транзистора 2 будет закрыт. При этом будет отключена нагрузка от батареи посредством отключения цепи ИТ 1 от токовыводов батареи за счет значительного увеличения внутреннего сопротивления проводящего канала полевого транзистора и, соответственно, батареи.
При больших разрядных токах (более 1,0 А) и разрядном напряжении на ИТ равном (1,0-2,5) В (т.е. в переходной период, в процессе закрытия проводящего канала полевого транзистора) возможен нагрев полевого транзистора до температуры, превышающую допустимую (выше 175°C), при которой возможен тепловой пробой полевого транзистора.
Чтобы этого не происходило, в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора размещен термопредохранитель с температурой срабатывания 90÷110°C. Поэтому, в случае разогрева транзистора, при температуре ориентировочно 110°C происходит срабатывание термопредохранителя. Так как затвор полевого транзистора соединен через диод с проводящим каналом, то при срабатывании термопредохранителя потенциал затвора сравнивается с потенциалом проводящего канала. При таких условиях транзистор закрывается и, соответственно, прекращается протекание электрического тока через нагрузку батареи.
При этом требование о температуре срабатывания термопредохранителя, не превышающей максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, необходимо для осуществления отключения полевого транзистора до его выхода из строя за счет возможного перегрева.
Предлагаемая полезная модель не имеет в своем составе источника опорного напряжения. Это существенно упрощает конструкцию батареи в целом в сравнении с прототипом.