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 химических источников тока (ИТ), предназначенных для основного или резервного обеспечения электроэнергией систем телемеханики и аварийной сигнализации, автономной аппаратуры, приборов и устройств  нефтепроводов и газопроводов, а также для применения в качестве автономных или резервных источников питания других различных электронных устройств и приборов.
Известна литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, один литиевый химический ИТ с положительным и отрицательным токовыводами, диод, подключенный параллельно ИТ, полевой транзистор, проводящий канал которого соединен последовательно с ИТ, резистор и термопредохранитель, причем резистор электрически подключен между затвором полевого транзистора и одним токовыводом ИТ с полярностью, к которому присоединен проводящий канал полевого транзистора, а термопредохранитель подключен между затвором транзистора и другим токовыводом ИТ противоположной полярности и размещен в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора, при этом термопредохранитель размещен одновременно в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и в зоне потока тепловой энергии от ИТ, при этом температура срабатывания термопредохранителя находится в интервале от максимально допустимой рабочей температуры для ИТ до максимально допустимой рабочей температуры для полевого транзистора (см. патент РФ на полезную модель № 152522, МПК Н01М 10/00, опубл. 10.06.2015 г.).
Батарея по известному техническому решению снабжена общей защитой от перегрева, при срабатывании которой отключается нагрузка от ИТ батареи. Эта защита обусловлена наличием и срабатыванием термопредохранителя, размещенного одновременно в зоне потока тепловой энергии от ИТ и в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора. Однако, в момент подключения к батареи емкостной нагрузки и резком увеличении разрядного тока батареи при одновременном закрытии проводящего канала транзистора, возможен его резкий нагрев до недопустимых температур, дальнейший тепловой пробой транзистора и его выход из строя, который влечет за собой выход из строя батареи в целом. Кроме того, при подключении емкостной нагрузки, что эквивалентно кратковременному внешнему короткому замыканию, в результате резкого увеличения разрядного тока, возможен выход из строя химических источников тока, составляющих батарею, за счет повреждения (перегорания) внутренних, встроенных в их конструкцию, токовых предохранителей. Все это указывает на недостаточную надежность батареи в целом.
Известна литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, одну цепь последовательно электрически соединенных выводами разноименной полярности литиевых 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, при этом 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 (см. патент РФ на полезную модель № 164335, МПК Н01М 10/00, опубл. 24.02.2016 г.).
В известном техническом решении разрядное напряжение одного из ИТ используется 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, исключая дальнейший разряд батареи. Таким образом, транзистор является элементом, регулирующим посредством открытия или закрытия проводящего канала протекание тока и, соответственно, разряд батареи. Вместе с тем, в момент подключения емкостной нагрузки, разрядный ток батареи резко возрастает и, в случае закрывания проводящего канал транзистора в этот момент, его температура будет также резко повышаться, что приведет к тепловому пробою, выходу из строя транзистора и невозможности дальнейшей эксплуатации батареи. Кроме того, при подключении емкостной нагрузки, что эквивалентно кратковременному внешнему короткому замыканию, и резком увеличении разрядного тока, возможен выход из строя химических ИТ, составляющих батарею, за счет повреждения (перегорания) внутренних, встроенных в их конструкцию, токовых предохранителей. Это снижает надежность работы литиевой батареи.
Известна также 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, 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 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, известная конструкция литиевой батареи также характеризуется недостаточной надежностью. Это обусловлено тем, что в момент подключения к батарее емкостной нагрузки, которая характеризуется малым внутренним сопротивлением, возможен перегрев проводящего канала транзистора, что приведет к его пробою и выходу из  строя. Кроме того, при подключении емкостной нагрузки, что эквивалентно кратковременному внешнему короткому замыканию, и резком увеличении разрядного тока, возможен выход из строя химических ИТ, составляющих батарею, за счет повреждения (перегорания) внутренних, встроенных в их конструкцию, токовых предохранителей.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является известная 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, при этом батарея снабжена полевым транзистором и источником опорного напряжения с положительным и отрицательным выводами, причем 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, а выводом противоположной полярности источник опорного напряжения соединен с затвором полевого транзистора (см. патент РФ на полезную модель № 71819, МПК Н01М 10/48, опубл. 20.03.2008 г.).
Недостатки известного технического решения следующие. В момент подключения емкостной нагрузки к батареи (например, конденсатора емкостью 3000 мкФ и более) разрядный ток батареи может достигать максимальных значений, например, более 100 А. В этот момент на контактных выводах цепи ИТ разрядное напряжение будет практически равно нулю, а к затвору полевого транзистора будет приложено напряжение источника опорного напряжения в полярности, закрывающей проводящий канал полевого транзистора. То есть, в момент подключения емкостной нагрузки разрядный ток батареи стремится к максимальным значениям при переходном процессе закрытия проводящего канала. В таком режиме по мере заряда конденсатора емкостной нагрузки возможен нагрев проводящего канала полевого транзистора выше допустимых значений, что приводит к тепловому пробою полевого транзистора и выходу его из строя. Кроме того, при подключении емкостной нагрузки, что эквивалентно кратковременному внешнему короткому замыканию, и в результате резкого увеличения разрядного тока, возможен выход из строя химических ИТ, составляющих батарею, за счет повреждения (перегорания) внутренних, встроенных в их конструкцию, токовых предохранителей. Это является недопустимым при эксплуатации батареи и указывает на ее недостаточную надежность.
Задача, на решение которой направлено предложенное техническое решение, заключается в повышении надежности работы литиевой батареи.
Техническим результатом, который обеспечивается приведенной совокупностью признаков, является ограничение величины разрядного тока батареи в переходном процессе подключения емкостной нагрузки или при случайном внешнем коротком замыкании за счет ограничения тока проводящего канала полевого транзистора.
,
Поставленная задача достигается тем, что литиевая батарея, содержащая цепь последовательно соединенных литиевых 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, а затвор полевого транзистора подключен к выводу цепи ИТ противоположной полярности, источник опорного напряжения, содержащий резистор и стабилитрон, согласно полезной модели батарея дополнительно снабжена полевым транзистором и резистором, при этом проводящий канал дополнительного полевого транзистора подключен между затвором основного полевого транзистора и его проводящим каналом со стороны его подключения к цепи ИТ, а затвор дополнительного полевого транзистора подключен к проводящему каналу основного полевого транзистора со стороны его подключения к токовыводу батареи, при этом резистор источника опорного напряжения подключен между затвором основного полевого транзистора и выводом цепи ИТ противоположной полярности,  стабилитрон источника опорного напряжения выбран с напряжением стабилизации, превышающим напряжение открытия проводящего канала основного полевого транзистора, и подключен между затвором и проводящим каналом основного полевого транзистора параллельно проводящему каналу дополнительного полевого транзистора, а дополнительный резистор включен между проводящим каналом основного полевого транзистора и точкой его соединения со стабилитроном источника опорного напряжения и проводящим каналом дополнительного полевого транзистора со стороны подключения к выводу цепи ИТ.
Технический результат достигается за счет следующего.
При отключенной нагрузке на затворе основного полевого транзистора устанавливается относительно проводящего канала напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона. Стабилитрон подбирается с напряжением стабилизации, превышающим напряжение открытия проводящего канала полевого транзистора. При этом проводящий канал полностью открывается и имеет минимальное сопротивление.
Напряжение на затворе дополнительного полевого транзистора относительно его проводящего канала практически равно нулю, проводящий канал дополнительного полевого транзистора полностью закрыт и имеет максимальное сопротивление (десятки МОм).
В момент подключения емкостной нагрузки (или при внешнем кратковременном  коротком замыкании) на дополнительномрезисторе, включенном между выводом цепи ИТ и проводящим каналом основного транзистора, появляется напряжение за счет проходящего тока, которое уменьшает напряжение на затворе основного полевого транзистора, так как имеет полярность встречную полярности напряжения на стабилитроне. По мере возрастания тока напряжение на затворе основного транзистора достигает величины, при котором проводящий канал начинает закрываться. При этом дальнейшее увеличение тока становится невозможным. Заряд емкостной нагрузки и разряд литиевых ИТ осуществляется ограниченным по величине током.
Если батарея при внешнем коротком замыкании остается короткозамкнутой на длительное время (более времени заряда емкостной нагрузки), то, по мере закрытия проводящего канала основного полевого транзистора, на нем появляется напряжение, которое становится достаточным для открытия проводящего канала дополнительного полевого транзистора. При этом напряжение на затворе основного полевого транзистора становится равным нулю, его проводящий канал полностью закрывается, батарея отключается от короткозамкнутой нагрузки и разряд литиевых ИТ прекращается.
Таким образом, обеспечивается ограничение разрядного тока батареи, которое исключает возможность выхода из строя внутренних, встроенных в конструкцию батареи и в составляющие ее химические ИТ, токовых предохранителей и управляющих элементов, что значительно повышает надежность литиевой батареи в целом, поскольку препятствует выходу из строя самих литиевых ИТ, например, вследствие их разрушения.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, где представлен пример принципиальной схемы предложенной литиевой батареи.
Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 – цепь литиевых ИТ; 2 – выводы цепи ИТ;  3 - токовыводы батареи; 4 – основной полевой транзистор; 5 – проводящий канал основного полевого транзистора 4; 6 – затвор основного полевого транзистора 4; 7 – резистор источника опорного напряжения; 8 – стабилитрон источника опорного напряжения; 9 – дополнительный полевой транзистор; 10 – дополнительный резистор; 11 – проводящий канал дополнительного полевого транзистора 9; 12 – затвор дополнительного полевого транзистора 9.
Литиевая батарея содержит цепь 1 последовательно соединенных литиевых ИТ.
Положительный и отрицательный выводы 2 цепи 1 ИТ подключены, соответственно, к положительному и отрицательному токовыводам 3 батареи.
Батарея содержит полевой транзистор 4, проводящий канал 5 которого включен между одним из выводов 2 цепи 1 ИТ и токовыводом 3 батареи, а затвор 6 полевого транзистора 4 подключен к выводу цепи 1 ИТ противоположной полярности, и источник опорного напряжения, содержащий последовательно подключенные резистор 7 и стабилитрон 8, который выбран с напряжением стабилизации, превышающим напряжение открытия проводящего канала 5 полевого транзистора 4.
Батарея снабжена дополнительным полевым транзистором 9 и дополнительным  резистором 10. При этом проводящий канал 11 дополнительного полевого транзистора 9 подключен между затвором 6 основного полевого транзистора 4 и его проводящим каналом 5 со стороны его подключения к цепи 1 ИТ, а затвор 12 дополнительного полевого транзистора 9 подключен к проводящему каналу 5 полевого транзистора 4 со стороны его подключения к токовыводу 3 батареи.
При этом резистор 7 источника опорного напряжения подключен между затвором 6 полевого транзистора 4 и выводом 2 цепи 1 ИТ противоположной полярности.
Стабилитрон 8 источника опорного напряжения подключен между затвором 6 и проводящим каналом 5 полевого транзистора 4 параллельно проводящему каналу 11 дополнительного полевого транзистора 9.
Дополнительный резистор 10 включен между проводящим каналом 5 основного полевого транзистора 4 и точкой его соединения со стабилитроном 8 источника опорного напряжения и проводящим каналом 11 дополнительного полевого транзистора 9 со стороны подключения к выводу 2 цепи 1 ИТ.
В качестве ИТ цепи 1 могут быть использованы, например, источники тока DD-HR 150G, производства Vitzrocell (Южная Корея), например, в количестве 10 штук. Напряжение разомкнутой цепи ИТ при этом будет составлять 36,7 В.
В качестве полевого транзистора 4 могут быть применены транзистор IRF4905L (P- проводящий канал), транзистор IRL2505 (N- проводящий канал).
В качестве полевого транзистора 9 могут быть применены транзистор Si4401DDY (P- проводящий канал), транзистор IRL7468 (N- проводящий канал).
В качестве резистора 7 может быть применен резистор 0,25 Вт, 1206, 3 МОм, 1%, Чип резистор (SMD).
В качестве стабилитрона 8 может быть применен стабилитрон PLVA650A.
В качестве резистора 10 может быть применен резистор 1 Вт, 2512, 0,33 Ом, 1%, Чип резистор (SMD).
Литиевая батарея работает следующим образом.
При отключенной нагрузке на затворе 6 основного полевого транзистора 4 устанавливается относительно проводящего канала 5 напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона 8. Для данного стабилитрона 8 и величины сопротивления резистора 7 напряжение стабилизации составляет 4,5 В. Напряжение открытия проводящего канала 5 полевого транзистора 4 (IRF4905L или IRL2505) составляет 4 В. При этом проводящий канал 5 полевого транзистора 4 полностью открывается и имеет минимальное сопротивление. Напряжение на затворе 12 дополнительного полевого транзистора 9 относительно его проводящего канала 11 практически равно нулю, проводящий канал 11 дополнительного полевого транзистора полностью закрыт и имеет максимальное сопротивление (десятки МОм).
В момент подключения емкостной нагрузки (например, емкости 100 мкФ или при внешнем кратковременном коротком замыкании) на резисторе 10, включенном между выводом 2 цепи 1 ИТ и проводящим каналом 5 основного полевого транзистора 4, появляется напряжение за счет проходящего тока, которое уменьшает напряжение на затворе 6 основного полевого транзистора 4, так как имеет полярность встречную полярности напряжения на стабилитроне 8. По мере возрастания тока, напряжение на затворе 6 основного транзистора 4 достигает величины, при котором проводящий канал 5 начинает закрываться. При этом дальнейшее увеличение тока становится невозможным. Заряд емкостной нагрузки осуществляется ограниченным током. Для приведенных выше номиналов транзисторов, резисторов и стабилитрона максимальное значение, ограниченное по величине, тока, составляет не более 2 А.
Если батарея при внешнем коротком замыкании остается короткозамкнутой на длительное время (более времени заряда емкостной нагрузки), то, по мере закрытия проводящего канала 5 полевого транзистора 4, на нем появляется напряжение, которое становится достаточным для открытия проводящего канала 11 дополнительного полевого транзистора 9. При этом напряжение на затворе 6 основного полевого транзистора 4 становится равным нулю, его проводящий канал 5 полностью закрывается и батарея отключается от короткозамкнутой нагрузки.
Таким образом, обеспечивается ограничение разрядного тока батареи, которое исключает возможность выхода из строя внутренних, встроенных в конструкцию батареи и в составляющие ее химические ИТ, токовых предохранителей и управляющих элементов, что могло бы повлечь за собой выход из строя самих литиевых ИТ, например, вследствие их разрушения, что значительно повышает надежность литиевой батареи в целом.