ПЕРВИЧНАЯ ЛИТИЕВАЯ БАТАРЕЯ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, электрическому оборудованию, а именно первичной батареи для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, и может быть использована при производстве батарей из первичных химических источников тока (ИТ), предназначенных для основного и резервного обеспечения электроэнергией систем телемеханики и аварийной сигнализации, автономной диагностической аппаратуры внутритрубных инспекционных приборов нефтепроводов и газопроводов, а также для применения в качестве автономных источников питания других различных электронных устройств и приборов.
Известна 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 приводящий 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, при этом батарея 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.).
Однако в известной конструкции при возникновении коротких замыканий между корпусами соседних ИТ может происходить быстрый полный разряд ИТ (до 0 В и последующее изменение полярности ИТ, т.е. переполюсовка ИТ), что приведет к взрыву ИТ и выходу из строя батареи в целом.
Известна 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 Н01М 10/48, опубл. 27.06.2005 г.).
В известной конструкции используется диодная защита первичных литиевых ИТ от их переразряда, при которой параллельно источнику тока подключается диод. Однако, такая защита, ограничивая напряжение переполюсовки ИТ при его переразряде, не защищает ИТ от глубокого разряда, т.е. разряда ИТ ниже конечного напряжения разряда. Такой разряд может произойти при возникновении короткого замыкания, например, двух соседних ИТ, включенных последовательно в одну цепь. В конечном итоге, это может привести к взрыву ИТ и выходу из строя батареи.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является известная первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, одну цепь из последовательно соединенных положительными и отрицательными токовыводами первичных литиевых химических источников тока (ИТ), диоды, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, при этом батарея снабжена полевыми транзисторами с проводящим N-каналом, причем проводящий канал каждого из транзисторов включен между ИТ и его соединением с диодом со стороны отрицательного токовывода ИТ, а затвор соединен с положительным токовыводом этого же ИТ. Первичная литиевая батарея может быть снабжена предохранительными элементами, которые выполнены в виде термопредохранителей или самовосстанавливающихся предохранителей, каждый из которых включен между одним из ИТ и его соединением с диодом со стороны положительного токовывода ИТ, и размещен в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора этого же ИТ (см. патент РФ на полезную модель №94059, МПК Н01М 10/48, опубл. 10.05.2010 г.).
В известной конструкции используется полевой транзистор с проводящим N-каналом, который подключен последовательно с ИТ со стороны отрицательного токовывода, являющегося корпусом ИТ.
Вместе с тем, наиболее вероятными внутрисхемными замыканиями в батарее являются замыкания между корпусами ИТ. При таком замыкании, один из ИТ оказывается замкнутым через собственный предохранитель и проводящий канал транзистора, который подключен к «соседнему» ИТ. Причем, если используется термопредохранитель, происходит короткое замыкание ИТ, с которым последовательно подключен термопредохранитель. Это приводит к взрыву ИТ и разрушению батареи в целом. Если используется самовосстанавливающийся предохранитель, то при таком замыкании произойдет полный разряд ИТ (разряд до 0 В и последующая переполюсовка ИТ), с которым последовательно подключен самовосстанавливающийся предохранитель. Это также может привести к взрыву ИТ и разрушению батареи. При этом в случае отсутствия предохранителей при больших токах, т.е. токах, превышающих максимально допустимые токи конкретных типов транзисторов, транзистор выходит из строя в первую очередь, защита от корпусных замыканий не срабатывает, что также впоследствии приводит к взрыву батареи.
Задачей настоящей полезной модели является создание конструкции батареи с повышенной безопасностью, обусловленной исключением полного разряда каждого ИТ батареи.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является направленный разряд ИТ через последовательно подключенный с ним транзистор.
Указанный технический результат достигается тем, что первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, одну цепь из последовательно соединенных положительными и отрицательными токовыводами первичных литиевых химических источников тока (ИТ), диоды, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, полевые транзисторы, проводящий канал каждого из которых соединен последовательно с соответствующим ИТ, предохранительные элементы, каждый из которых включен между ИТ и его соединением с диодом со стороны положительного токовывода ИТ, и размещен в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора этого же ИТ, согласно полезной модели, полевые транзисторы выполнены с проводящим Р-каналом, причем проводящий канал каждого из транзисторов включен между ИТ и его соединением с диодом со стороны положительного токовывода ИТ, а затвор соединен с отрицательным токовыводом этого же ИТ.
Предохранительный элемент может быть выполнен, например, в виде термопредохранителя или самовосстанавливающегося предохранителя.
Под «термопредохранителем» в настоящем описании полезной модели понимается одноразовый предохранитель, размыкающий цепь, если температура окружающей среды в контуре превышает номинальную температуру срабатывания предохранителя.
Под «самовосстанавливающимся предохранителем» в настоящем описании полезной модели понимается предохранитель, содержащий резистор, например, полимерный, сопротивление которого резко увеличивается под воздействием проходящего тока или температуры окружающей среды и восстанавливается до начальных величин после устранения этих причин.
Указанный технический результат достигается за счет следующего.
Полевые транзисторы используются как элементы, позволяющие отключать ИТ батареи от разряда в начальной стадии их глубокого разряда, исключая тем самым глубокий разряд и возможную переполюсовку ИТ при дальнейшем разряде батареи.
В случае короткого замыкания между корпусами соседних ИТ (например, при случайном механическом повреждении батареи) происходит разряд замкнутого элемента. Однако, вследствие использования транзистора с проводящим Р-каналом разряд будет происходить направленно через собственные предохранитель и полевой транзистор, т.е. предохранитель и полевой транзистор, включенные последовательно с замкнутым и несанкционированно разряжающимся ИТ. В этом случае при разряде ИТ ориентировочно до 1 В полевой транзистор, подключенный последовательно с разряжающимся ИТ, закроется и дальнейший разряд ИТ будет остановлен.
При закрытии проводящего канала происходит резкое значительное увеличение внутреннего сопротивления цепи в месте подключения ИТ и дальнейшее отключение участка цепи с ИТ батареи от общей разрядной цепи при продолжении разряда остальных ИТ, входящих в батарею.
Таким образом, исключается полный разряд (до 0 В и последующая переполюсовка) и взрыв ИТ, вследствие чего значительно повышается пожаровзрывобезопасность батареи в эксплуатации и надежность батареи в целом.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, где представлен пример принципиальной схемы предложенной первичной литиевой батареи.
Цифрами на чертеже обозначены: 1 - первичные литиевые ИТ; 2 - диоды; 3 - полевые транзисторы с проводящим Р-каналом; 4 - предохранители, размещенные в зоне теплового потока от полевых транзисторов 3.
Первичная литиевая батарея содержит, по крайней мере, одну цепь из последовательно соединенных положительными и отрицательными токовыводами первичных литиевых химических источников тока (ИТ), 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.
Параллельно с каждым ИТ 1 подключен диод 2, обеспечивающий шунтирование ИТ 1 при их полном разряде.
Батарея снабжена полевыми транзисторами 3 с проводящим Р-каналом, каждый из которых включен последовательно с ИТ 1. Количество полевых транзисторов равно количеству ИТ 1, причем проводящий канал каждого из транзисторов 3 включен между соответствующим ИТ 1 и его соединением с диодом 2 со стороны положительного токовывода ИТ 1, а затвор соединен с отрицательным токовыводом этого же ИТ 1.
Первичная литиевая батарея снабжена предохранительным элементом 4, например, термопредохранителем или самовосстанавливающимся предохранителем, каждый из которых включен между ИТ 1 и его соединением с диодом 2 со стороны положительного токовывода ИТ 1, и размещен в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора 3 этого же ИТ 1.
Температура срабатывания предохранителя 4 не должна превышать максимально допустимую рабочую температуру (температуру эксплуатации) полевого транзистора 3.
В качестве полевого транзистора 3 могут быть использованы, например, полевые транзисторы IRF7210, IRF7220, IRF7225, IRF7240 производства International Rectifier (IR).
В качестве самовосстанавливающегося предохранителя могут быть использованы, например, самовосстанавливающиеся предохранители типа RUE 160 производства Tyco Electronics Corporation Raychem CIRCUIT PROTECTION.
В качестве термопредохранителя могут быть использованы, например, термопредохранители серии TZV, TZK, TZR, TZS, TZD производства Bourns, Inc (США) с температурой срабатывания в пределах 90÷110°С.
Первичная литиевая батарея работает следующим образом.
В процессе работы первичной литиевой батареи под нагрузкой (процесс разряда батареи) рабочее напряжение ИТ 1 и батареи в целом уменьшается.
В начальной стадии глубокого разряда ИТ 1 полевые транзисторы 3 отключают их от разряда, исключая, тем самым, переразряд ИТ 1 и их переполюсовку.
Вместе с тем, при случайном механическом повреждении батареи в эксплуатации возможно замыкание корпусов ИТ 1 батареи, например, между точками А и Б. При этом происходит разряжение ИТ 1 через полевой транзистор 3 с проводящим Р-каналом.
При падении конечного напряжения ИТ 1 менее 1,0 В проводящий канал полевого транзистора 3 закрывается. Сопротивление полевого транзистора 3 при этом резко возрастает (в миллионы раз) и, например, уже при 1,5 В достигает 1,0-5,0 МОм.
Таким образом, при закрытии проводящего канала происходит резкое и значительное увеличение внутреннего сопротивления цепи в месте подключения ИТ и отключение участка цепи с ИТ батареи от общей разрядной цепи. При этом продолжается разряд остальных ИТ, входящих в батарею, причем ток протекает через шунтирующий диод 2, который соединен параллельно с разряженным ИТ 1.
Для исключения теплового пробоя полевого транзистора 3, в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора 3 размещен термопредохранитель или самовостанавливающийся предохранитель 4, который, нагревается от полевого транзистора 3, и при достижении определенной температуры (в пределах допустимой рабочей температуры полевого транзистора 3) срабатывает и разрывает цепь, прекращая протекание тока через полевой транзистор 3 и его дальнейший нагрев.
Таким образом, в результате исключается полный разряд (до 0 В) любого ИТ, что предотвращает взрыв этого ИТ и значительно повышает пожаровзрывобезопасность батареи в эксплуатации и надежность батареи в целом.