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, 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 H01M 10/00, опубл. 27.04.2005 г.).
В известной конструкции используется, так называемая, диодная защита первичных литиевых источников тока (ИТ) 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 Н01М 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 ИТ, положительный и отрицательный выводы которой подключены, соответственно, к положительному и отрицательному токовыводам батареи, модуль контроля и управления, который в свою очередь содержит 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, при этом модуль контроля и управления дополнительно снабжен 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 встроенным в батарею модулем контроля и управления, который в процессе разряда батареи контролирует непрерывно разрядное напряжение и при снижении разрядного напряжения ниже значения, равному конечному напряжению, производит отключение батареи от нагрузки.
Недостатком данной конструкции является наличие потребления электрической энергии модулем контроля и управления, тот есть, расход энергии батареи на обеспечение непрерывного контроля за состоянием батареи. Особенно этот недостаток проявляется при работе батареи в длительном ждущем режиме постоянной готовности к разряду (например, в средствах охранной сигнализации) или при длительном хранении.
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 соединенных литиевых ИТ, положительный и отрицательный выводы которой подключены, соответственно, к положительному и отрицательному токовыводам батареи, модуль контроля и управления (МКУ), включающий электронный ключ, нормально закрытый проводящий канал которого включен между одним из выводов цепи ИТ и токовыводом батареи, имеющий цепь питания, подключенную к выводам цепи последовательно соединенных ИТ, согласно полезной модели батарея дополнительно снабжена диодом, токоограничивающим элементом, дополнительным источником тока и реле с нормально разомкнутыми контактами, причем диод включен в прямом направлении между токовыводом батареи и цепью последовательно соединенных литиевых ИТ, нормально разомкнутые контакты реле включены в разрыв цепи питания МКУ, токоограничивающий элемент подключен параллельно нормально закрытому проводящему каналу электронного ключа, а дополнительный источник тока с реле соединены в последовательную цепь, которая подключена встречно и параллельно диоду.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является уменьшение потребления электрической энергии модулем контроля и управления в периоды времени, когда внешняя нагрузка отключена от батареи.
Устройство поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображен пример исполнения электрической схемы предлагаемой литиевой батареи.
Цифрами на чертеже обозначены: 1 - цепь последовательно соединенных литиевых ИТ; 2 - токовыводы батареи; 3 - МКУ; 4 - электронный ключ; 5 - нормально закрытый проводящий канал электронного ключа, 6 - цепь питания МКУ; 7 - диод; 8 - токоограничивающий элемент в виде резистора; 9 - дополнительный источник тока; 10 - оптоэлектронное реле; 11 - нормально разомкнутые контакты реле; 12 - внешняя нагрузка батареи; 13 - резистор.
Литиевая батарея, содержит, по крайней мере, одну цепь последовательно соединенных литиевых ИТ 1, положительный и отрицательный выводы которой подключены, соответственно, к положительному и отрицательному токовыводам батареи 2, МКУ 3, включающий электронный ключ 4, нормально закрытый проводящий канал 5 которого включен между одним из выводов цепи ИТ и токовыводом батареи, имеющий цепь питания 6, подключенную к выводам цепи последовательно соединенных ИТ 1, диод 7, токоограничивающий элемент 8, выполненный в виде резистора, дополнительный источник тока 9 и реле 10 с нормально разомкнутыми контактами 11, причем диод 7 включен в прямом направлении между токовыводом батареи 2 и цепью последовательно соединенных литиевых ИТ 1, нормально разомкнутые контакты 11 реле 10 включены в разрыв цепи питания МКУ 3, токоограничивающий элемент 8 подключен параллельно нормально закрытому проводящему каналу 5 электронного ключа 4, а дополнительный источник тока 9 с реле 10 соединены в последовательную цепь, которая подключена встречно и параллельно диоду 7.
Литиевая батарея может быть также снабжена резистором 13, который целесообразно использовать для ограничения тока дополнительного источника тока 9, проходящего через светодиод оптоэлектронного реле 10.
В качестве источников тока цепи ИТ 1, а также в качестве дополнительного источника тока 9, могут быть использованы, например, источники тока SPL-16S, производства L&P Co., Ltd (Ю. Корея).
В качестве электронного ключа 4 может быть использован интеллектуальный ключ AUIR3314S фирмы Infineon Technologies.
В качестве диода 7 может быть использован диод шоттки 12CWQ03FN фирмы International Rectifier.
В качестве токоограничивающего элемента 8 может быть использован резистор (3,3-9,1) кОм различных производителей.
В качестве реле 10 может быть использовано твердотельное реле LH1525AAB фирмы VISHAY.
В качестве внешней нагрузки может быть реостат, например, сопротивлением, ориентировочно, (4-120) Ом различных производителей.
В качестве резистора 13 может быть использован резистор (2,4-3,3) кОм различных производителей.
Литиевая батарея работает следующим образом.
При отключенной нагрузке 12 от контактных токовыводов 2 батареи (исходное состояние) оптоэлектронное реле 10 отключено, так как в контуре: дополнительный источник тока 9, оптоэлектронное реле 10, диод 7, резистор 13, - диод 7 включен встречно, в связи с чем электрический ток в контуре отсутствует. При отключенном реле 10 электронный ключ МКУ отключен, проводящий канал электронного ключа находится в закрытом состоянии, так как в разрыв цепи питания МКУ включены нормально разомкнутые контакты 11 реле 10. Следовательно, расход электрической энергии от цепи последовательно соединенных ИТ 1 и от дополнительного источника тока 9 отсутствует.
При подключении внешней нагрузки 12 к контактным токовыводам 2 батареи первоначально электрический ток в батарее начинает течь по следующей. цепи: резистор 13, дополнительный источник тока 9, оптоэлектронное реле 10, последовательная цепь соединенных ИТ 1, токоограничивающий элемент (резистор) 8. При достижении величины электрического тока более тока включения реле 10 (в нашем случае, ориентировочно, более 0,5 мА), реле 10 включается, нормально разомкнутые контакты 11 замыкаются. Далее включается электронный ключ 4, так как на него подается через замкнутые контакты 11 питающее напряжение от цепи последовательно соединенных ИТ 1. Нормально разомкнутый проводящий канал 5 электронного ключа замыкается, закорачивая таким образом токоограничивающий элемент (резистор) 8. В этом состоянии к нагрузке без каких-либо токовых ограничений подключается цепь последовательно соединенных ИТ 1. Реле 10 остается во включенном состоянии, так как ток проходящий через внешнюю нагрузку протекает через диод 7 и частично (в диапазоне, ориентировочно, от 1 да 2 Ма) через реле 10, обеспечивая таким образом работу МКУ.
При отключении внешней нагрузки от батареи, ток, протекающий через реле 10, становится равным нулю. Реле отключается и, соответственно, своими нормально разомкнутыми контактами отключает питание МКУ. Электрическая схема возвращается в исходное состояние, при котором расход электрической энергии от цепи последовательно соединенных ИТ 1 и от дополнительного источника тока 9 отсутствует.
Таким образом, для предлагаемой полезной модели какой-либо расход электрической энергии на питание МКУ при отключенной внешней нагрузки от батареи отсутствует. Это является существенным преимуществом в сравнении с прототипом, которое позволяет хранить батареи продолжительное время или эксплуатировать в ждущем режиме в состоянии практически мгновенной готовности к разряду без потерь электрической энергии.
Следует отметить, что в предлагаемой полезной модели в качестве реле можно использовать электромагнитное реле постоянного тока, различные оптопары (транзисторные, симисторные и т.п.), а также электронные ключи, управляемые постоянным током (напряжением). А в качестве токоограничивающего элемента можно использовать какие-либо токоограничивающие схемы, слаботочные предохранители и т.п. элементы.