БАТАРЕЯ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
BATTERY OF CHEMICAL CELLS

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании вторичных источников тока.
Известен источник тока [1], включающий множество идентичных единичных батарей, связанных последовательно и/или параллельно соответствующими выключателями. Указанные выключатели приводятся в действие центральным блоком управления в соответствии с требованиями нагрузки.
Недостатками известного источника тока [1] при использовании перезаряжаемых химических источников тока (единичных элементов или модулей из химических аккумуляторов или электрохимических конденсаторов) являются:
выход из строя всей батареи при отказе одного из химических источников тока из-за невозможности его дистанционного вывода из электрической цепи;
разбаланс напряжений химических источников тока с течением времени при осуществлении большого числа циклов «заряд-разряд» источника тока.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является батарея химических источников тока, содержащая множество единичных химических источников тока или модулей из нескольких единичных химических источников тока, коммутируемых с помощью ключевых элементов в единую электрическую цепь [2].
Недостатком технического решения [2] является то, что в последовательной цепи химических источников тока присутствует группа ключевых элементов (К11, К12…K1n на фиг.1 описания технического решения [2]). Эти ключевые элементы используются для управляемого вывода из состава (отключения) одного или нескольких химических источников тока в случае их деградации (существенного необратимого снижения энергоемкости). При этом непрерывность электрической цепи батареи в целом обеспечивается шунтированием отключаемого участка цепи при помощи одного из ключевых элементов из другой группы ключевых элементов (К21, К22…K2n на фиг.1 описания технического решения [2]).
В случае, когда указанные ключевые элементы являются нормально замкнутыми контактами реле, при длительной эксплуатации возможны как увеличенное сопротивление контактного соединения в замкнутом положении контактов контактной пары (вследствие, например, действия вибрации или иных внешних воздействий), так и возможность неразмыкания контактной пары при срабатывании реле вследствие так называемой «холодной сварки».
В случае, когда указанные ключевые элементы являются транзисторами, существует опасность случайного непреднамеренного изменения их рабочего состояния (например, включения в отключенном состоянии или отключения во включенном состоянии от действия помех по цепи управления).
Указанные недостатки существенно снижают уровень надежности батареи химических источников тока.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в обеспечении надежного электрического соединения (с очень малым омическим сопротивлением) последовательно включенных химических источников тока, образующих батарею, а также надежного управляемого отключения одного или нескольких химических источников тока в случае их деградации путем замены вышеуказанных ключевых элементов (К11, К12…K1n на фиг.1 описания технического решения [2]) плавкими вставками. Характеристики плавких вставок выбираются так, чтобы любая плавкая вставка могла неограниченно долго выдерживать максимальный рабочий ток батареи, но разрушалась током, генерируемым энергией химического источника тока, в цепи которого она установлена, при шунтировании этого участка цепи соответствующим ключевым элементом, аналогичным элементам К21, К22…K2n (на фиг.1 описания технического решения [2]).
Достигаемый технический результат заключается в повышении уровня надежности батареи химических источников тока.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в батарее химических источников тока, содержащей n химических источников тока, представляющих собой единичные химические источники тока или модули из нескольких единичных химических источников тока, причем каждый из химических источников тока имеет два разнополярных электрических вывода: первый (положительный или отрицательный) и второй (отрицательный или положительный) и n электропроводящих элементов; химические источники тока подключены одинаковым образом в последовательную цепь так, что второй вывод первого химического источника тока при помощи первого электропроводящего элемента подключен к первому выводу второго химического источника тока, второй вывод второго химического источника тока при помощи второго электропроводящего элемента подключен к первому выводу третьего химического источника тока и так далее до (n-1)-го химического источника тока, второй вывод которого при помощи (n-1)-го электропроводящего элемента подключен к первому выводу n-го химического источника тока; первый вывод первого химического источника тока образует собой первый вывод для подключения батареи химических источников тока к внешней электрической цепи, второй вывод n-го химического источника тока при помощи n-го электропроводящего элемента подключен к второму выводу для подключения батареи химических источников тока к внешней электрической цепи; батарея химических источников тока содержит также n ключевых элементов, каждый из которых имеет первый и второй силовые, а также управляющий выводы, силовые выводы упомянутых ключевых элементов подключены к выводам химических источников тока следующим образом: первый вывод первого ключевого элемента подключен к первому выводу первого химического источника тока, второй вывод первого ключевого элемента, а также первый вывод второго ключевого элемента подключены к первому выводу второго химического источника тока, второй вывод второго ключевого элемента, а также первый вывод третьего ключевого элемента подключены к первому выводу третьего химического источника тока и так далее до n-го химического источника тока, к первому выводу которого подключены второй вывод (n-1)-го ключевого элемента, а также первый вывод n-го ключевого элемента, второй вывод которого подключен к второму выводу для подключения батареи химических источников тока к внешней электрической цепи; батарея химических источников тока содержит датчики напряжения химических источников тока, датчик тока батареи химических источников тока, а также устройство управления ключевыми элементами, согласно заявляемому техническому решению в качестве n электропроводящих элементов используются плавкие вставки, каждая из которых обладает тем свойством, что при замыкании какого-либо i-го (i=1,2,3, …n) ключевого элемента, шунтирующего цепь последовательно включенных i-й плавкой вставки и i-го химического источника тока, i-я плавкая вставка разрушается током, генерируемым энергией i-го химического источника тока.
Поставленная задача решается также благодаря тому, что в батарее химических источников тока ключевые элементы выполнены на базе транзисторов.
Поставленная задача решается также благодаря тому, что в батарее химических источников тока в качестве транзисторов используются полевые транзисторы.
Поставленная задача решается также благодаря тому, что в батарее химических источников тока параллельно каждому ключевому элементу подключена цепь из последовательно соединенных второго ключевого элемента и резистора, причем ключевые элементы могут быть выполнены на базе транзисторов, в частности полевых транзисторов.
Поставленная задача решается также благодаря тому, что в батарее химических источников тока устройство управления ключевыми элементами имеет встроенный программируемый микроконтроллер, измеряющий ток батареи и напряжение на химических источниках тока и управляющий состоянием ключевых элементов в соответствии с заложенной в него программой или по командам, поступающим от внешнего устройства.
Сущность предложенного технического решения поясняется электрической схемой, приведенной на фиг.1.
Батарея химических источников тока содержит n химических источников тока G1, G2, …Gn, представляющих собой единичные химические источники тока или модули из нескольких единичных химических источников тока, причем каждый из химических источников тока имеет два разнополярных электрических вывода 1 и 2 (на фиг.1 положительные выводы обозначены «1», а отрицательные - «2») и n электропроводящих элементов. Согласно заявляемому техническому решению в качестве n электропроводящих элементов используются n плавких вставок F1, F2, …Fn. Надежность электрического контакта при последовательном подключении химических источников тока G1, G2, …Gn в батарею при помощи плавких вставок F1, F2, …Fn может быть обеспечена различными способами, например пайкой или сваркой.
Химические источники тока G1, G2, …Gn подключены одинаковым образом в последовательную цепь так, что вывод 2 химического источника тока G1 при помощи плавкой вставки F1 подключен к выводу 1 химического источника тока G2, вывод 2 химического источника тока G2 при помощи плавкой вставки F2 подключен к выводу 1 химического источника тока G3 и так далее до химического источника тока Gn-1, вывод 2 которого при помощи плавкой вставки Fn-1 подключен к выводу химического источника тока Gn. Вывод 1 химического источника тока G1 образует собой первый вывод «+АБ» для подключения батареи химических источников тока к внешней электрической цепи, вывод 2 химического источника тока Gn при помощи плавкой вставки Fn подключен к второму выводу «-АБ» для подключения батареи химических источников тока к внешней электрической цепи.
Батарея химических источников тока содержит также n ключевых элементов К1, К2, …Kn, каждый из которых имеет первый и второй силовые, а также управляющий выводы. Силовые выводы ключевых элементов К1, К2, …Kn подключены к выводам химических источников тока G1, G2, …Gn следующим образом: первый вывод ключевого элемента К1 подключен к первому выводу химического источника тока G1, второй вывод ключевого элемента К1, а также первый вывод ключевого элемента К2 подключены к первому выводу химического источника тока G2, второй вывод ключевого элемента К2, а также первый вывод ключевого элемента К3 подключены к первому выводу химического источника тока G3 и так далее до химического источника тока Gn, к первому выводу которого подключены второй вывод ключевого элемента Kn-1, а также первый вывод ключевого элемента Kn, второй вывод которого подключен к второму выводу «-АБ» для подключения батареи химических источников тока к внешней электрической цепи. Таким образом, каждый ключевой элемент Ki (i=1,2,3, …n) подключен параллельно цепи, состоящей из последовательно соединенных химического источника тока Gi и плавкой вставки Fi.
Батарея химических источников тока содержит также n цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных второго ключевого элемента Si и резистора Ri (i=1,2,3, …n). Каждая i-я цепочка подключена параллельно каждому ключевому элементу Ki.
Батарея химических источников тока содержит также блок управления (микроконтроллер) ключевыми элементами К1, К2, …Kn и S1, S2, …Sn. При этом выходные сигналы управления от блока управления (микроконтроллера) поступают на управляющие выводы ключевых элементов К1, К2, …Kn и S1, S2, …Sn. В блок управления (микроконтроллер) поступают сигналы U1, U2, …Un от датчиков напряжения химических источников тока G1, G2, …Gn (на фиг.1 датчики напряжения не показаны), а также сигнал Iаб от датчика тока ДТ батареи химических источников тока. Блок управления (микроконтроллер) обменивается информацией с внешним управляющим устройством, которое может корректировать программу работы блока управления (микроконтроллера).
В качестве ключевых элементов К1, К2, …Kn и S1, S2, …Sn могут быть применены как контакты реле, так и транзисторы, при этом наибольший эффект может дать применение полевых (MOSFET) транзисторов, имеющих малое падение напряжения в открытом состоянии и малую мощность цепей управления.
Батарея химических источников тока работает следующим образом.
При заряде батареи блок управления (микроконтроллер) (далее - БУ) контролирует напряжение на каждом химическом источнике тока G1, G2…Gn, а также ток батареи, получая сигналы U1, U2, …Un от датчиков напряжения и сигнал Iаб от датчика тока ДТ. В процессе эксплуатации батареи напряжения химических источников тока G1, G2, …Gn становятся различными - возникает т.н. разбаланс напряжений. Для нивелирования возникающего разбаланса напряжений в батарее БУ вычисляет значение среднее напряжение химических источников тока в батарее и осуществляет сравнение значений напряжений химических источников тока G1, G2, …Gn со средним значением напряжения. При превышении напряжением химического источника тока Gi среднего значения на заданную в программе БУ величину ΔU (например, 50 мВ) БУ на некоторое время (например, 30 с) подает управляющий сигнал на ключевой элемент Si, ключевой элемент Si замыкается, в результате чего химический источник тока Gi разряжается через резистор Ri.
В случае снижения емкости одного из химических источников тока (например, Gj, где j=1,2,3, …n) относительно емкости остальных химических источников тока Gi (i≠j) в батарее химический источник тока Gj будет ограничивать разрядную емкость всей батареи. Возникновение такой ситуации определяет БУ по величине контролируемых напряжений U1, U2, …Un. Если напряжение Uj химического источника тока Gj ниже минимально допустимого Uмин (например, 2,8 В), в то время как остальные химические источники тока Gi (i≠j) в батарее имеют напряжение, например, на 0,7 В выше, то БУ подает управляющий сигнал на ключевой элемент Kj и ключевой элемент Kj (контакт реле или транзистор) замыкается.
В качестве ключевого элемента Kj, например, может быть применена группа параллельно включенных транзисторов, имеющих общий управляющий вход. После включения транзисторов образуется электрическая цепь, состоящая из группы транзисторов (ключевого элемента Kj), химического источника тока Gj и плавкой вставки Fj. Поскольку сопротивление плавкой вставки Fj и группы транзисторов (ключевого элемента Kj) весьма мало (единицы миллиом), ток в цепи может превосходить максимальный рабочий ток химического источника тока Gj в 3…15 раз (например, для химического источника тока с рабочим током 40 А составлять несколько сотен ампер), т.е. рассматриваемый процесс аналогичен короткому замыканию химического источника тока и плавкая вставка Fj разрушается током, генерируемым энергией химического источника тока Gj.
В результате срабатывания (перегорания) плавкой вставки Fj химический источник тока Gj оказывается отключенным от батареи, а участок цепи, состоящий из химического источника тока Gj и плавкой вставки Fj, оказывается замкнутым транзисторной группой (ключевым элементом Kj).
В итоге цепь последовательно подключенных химических источников тока Gi (i≠j) не теряет непрерывности после вывода деградировавшего химического источника тока Gj.
Выбор плавкой вставки и транзисторов производится с учетом следующих условий.
2
1. Плавкая вставка не должна срабатывать при наибольшем рабочем токе батареи. В то же время плавкая вставка должна сработать (перегореть) за сравнительно короткое время (например, единицы секунд), в течение которого спадающий ток закороченного химического источника тока имеет достаточно большую величину. Для плавких вставок (предохранителей) в справочных данных дается значение It, исходя из которого, зная зависимость величины тока короткого замыкания химического источника тока от времени, можно рассчитать время срабатывания плавкой вставки. Например, для химических источников тока с максимальным рабочим разрядным током 40 А может быть применена плавкая вставка (предохранитель) с характеристиками, аналогичными характеристикам быстродействующего предохранителя 0498060 фирмы Littelfuse (габариты 41×12×8 мм), время срабатывания которого при токе больше трехкратного номинального тока 0,5…3 с.
2. Поскольку время срабатывания плавкой вставки может составлять несколько секунд, транзисторы должны быть выбраны таким образом, чтобы ток длительного режима, на который они рассчитаны, был не меньше тока закороченного химического источника тока. Для рассматриваемого примера могут быть выбраны, например, транзисторы с характеристиками, аналогичными характеристикам транзисторов IRFB3004PbF (длительный ток 195 А, сопротивление не более 1,75 мОм).
Исходя из вышеизложенного, задача обеспечения надежного электрического соединения (с очень малым омическим сопротивлением) последовательно включенных химических источников тока, образующих батарею, и надежного управляемого отключения одного или нескольких химических источников тока в случае их деградации путем применения плавких вставок вместо других электропроводящих элементов, например контактов реле, решена.
Это обеспечивает достижение повышения уровня надежности батареи химических источников тока.
Источники информации
1. Пат. США №5461264, опубл. 1995.
2. Пат. РФ №2404490, опубл. 2010.