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 литиевых химических источников тока (ИТ), предназначенных для основного и резервного обеспечения электроэнергией систем телемеханики и сигнализации, автономной диагностической аппаратуры внутритрубных инспекционных приборов нефтепроводов и газопроводов, а также для применения в качестве автономных источников тока других различных электронных устройств.
Известна первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельные 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.).
В известной конструкции используется диодная защита первичных литиевых ИТ от их переполюсовки более, чем 0,5-1,0 В, при которой параллельно ИТ подключается диод. Однако, такая защита, ограничивает напряжение переполюсовки ИТ при его переразряде, но не защищает ИТ от чрезмерного глубокого разряда, который может приводить к разгерметизации (взрыву) ИТ и выходу из строя батареи.
Кроме того, при разряде батареи при температуре окружающей среды близкой к максимальной рабочей температуре за счет дополнительного выделения тепла на внутреннем сопротивлении источников тока, составляющих батарею, может произойти их перегрев, то есть нагрев выше предельно допустимых температур. Защиты от перегрева источников тока в данной конструкции батареи не предусмотрено. Это может привести к нарушению герметичности источников тока и вытеканию химически опасного и агрессивного электролита, что при эксплуатации является недопустимым.
Известна 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, 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. Предохранительные элементы могут быть выполнены в виде термопредохранителя либо в виде самовосстанавливающегося предохранителя (см. патент РФ на полезную модель №106499, МПК H01M 10/48, опубл. 21.03.2011 г.).
Данная конструкция батареи имеет защиту от переразряда элементов. Но, так как элементы защиты (термопредохранители, самовосстанавливающиеся предохранители) установлены в силовых токовых цепях (последовательно с ИТ), то они достаточно массивны и инерционны по времени срабатывания. Из-за задержки срабатывания термопредохранителя (или самовосстанавливающегося предохранителя) за счет инерции может происходить перегрев полевого транзистора и короткое замыкание (тепловой пробой) проводящего канала. После короткого замыкания проводящего канала его электрическое сопротивления будет резко снижено, что приведет к остыванию (снижению температуры) корпуса полевого транзистора. При таких условиях срабатывание термопредохранителя (или самовосстанавливающегося предохранителя) становится невозможным. Следовательно возможен глубокий разряд элементов. Как уже отмечалось, при глубоком разряде возможна разгерметизация (взрыв) отдельных ИТ и батареи в целом, что является недопустимым в эксплуатации.
Защиты от перегрева источников тока в данной конструкции батареи также не предусмотрено. Это может привести к нарушению герметичности источников тока и вытеканию химически опасного и агрессивного электролита, что при эксплуатации является недопустимым.
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, полевые транзисторы, проводящий канал каждого из которых соединен последовательно с соответствующим ИТ, термопредохранители, каждый из которых размещен в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора этого же ИТ. Батарея также снабжена резисторами, каждый из которых подключен к затвору полевого транзистора и токовыводу ИТ, к которому подключен проводящий канал этого же полевого транзистора, а каждый термопредохранитель электрически включен между затвором соответствующего полевого транзистора, в зоне потока тепловой энергии которого он размещен, и другим токовыводом противоположной полярности этого же ИТ (Заявка №2014128009/07 (045366) от 08.07.2014 г.).
Данная батарея имеет надежную защиту от переразряда элементов, но не имеет защиты от их перегрева, который возможен при разряде батареи при температуре окружающей среды близкой к максимальной рабочей температуре за счет дополнительного выделения тепла на внутреннем сопротивлении источников тока. Как отмечалось выше, это может привести к нарушению герметичности источников тока и вытеканию химически опасного и агрессивного электролита, что при эксплуатации является недопустимым.
Задачей настоящей полезной модели является создание конструкции батареи с повышенной безопасностью, обусловленной исключением перегрева ИТ батареи при больших значениях разрядного тока и при температуре окружающей среды, близкой к максимально допустимой рабочей температуре.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является отключение нагрузки от ИТ батареи при их перегреве за счет срабатывания термопредохранителя, размещенного одновременно в зоне потока тепловой от ИТ и в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора.
Указанный технический результат достигается тем, что литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, один литиевый химический источник тока (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, согласно полезной модели 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.
Указанный технический результат достигается за счет следующего.
В предложенной полезной модели используется техническое решение защиты от переразряда ИТ, заимствованное у прототипа. Но, в отличие от прототипа термопредохранитель размещен одновременно в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и в зоне потока тепловой энергии от ИТ, а температура срабатывания термопредохранителя находится в интервале от максимально допустимой рабочей температуры для ИТ до максимально допустимой рабочей температуры для полевого транзистора.
Это обусловлено следующим.
Используемый в прототипе термопредохранитель при его нагреве от полевого транзистора в процессе закрытия проводящего канала (при глубоком разряде) срабатывает и, тем самым, обеспечивает отключение ИТ от дальнейшего разряда. Эту же функцию отключения от разряда ИТ в предлагаемой полезной модели термопредохранитель осуществляет и при его нагреве от ИТ. Так как температура срабатывания термопредохранителя находится в интервале от максимально допустимой рабочей температуры для ИТ до максимально допустимой рабочей температуры для полевого транзистора, то и отключение от разряда происходит только в случаях переразряда или перегрева ИТ, но в рабочем диапазоне температур для полевого транзистора. При этом исключается перегрев полевого транзистора (тепловой пробой) при работе устройства защиты в целом, что особенно актуально при больших токовых нагрузках и температуре окружающей среды, близкой к максимально допустимой для ИТ. Это в конечном итоге повышает безопасность в эксплуатации предлагаемой конструкции батареи в сравнении с прототипом.
Полезная модель иллюстрируется чертежами - фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3. На фиг. 1 приведен пример принципиальной электрической схемы с использованием полевых транзисторов с проводящим P-каналом, а на фиг. 2-е проводящим N-каналом. На фиг. 3 показано размещение термопредохранителя.
Цифрами на чертежах обозначены: 1 - литиевые ИТ; 2 - диоды; 3 - полевые транзисторы; 4 - термопредохранители, размещенные одновременно в зоне теплового потока от полевого транзистора 3 и ИТ 1; 5 - резисторы.
Литиевая батарея содержит один литиевый химический источник тока (ИТ) с положительным и отрицательным токовыводами, выполненном в виде блока, оборудованным контактными выводами для подключения внешней нагрузки, например, электрическим разъемом или клеммами.
Параллельно ИТ 1 подключен диод 2, обеспечивающий шунтирование ИТ 1 при его полном разряде.
Батарея снабжена полевым транзистором 3, проводящий канал которого включен последовательно с ИТ 1. Причем проводящий канал транзистора 3 включен между соответствующим токовыводом ИТ 1 и его соединением с диодом 2, а затвор соединен с токовыводом противоположной полярности ИТ 1 через термопредохранитель 4. Затвор также соединен через резистор 5 с токопроводящим каналом со стороны его соединения с токовыводом ИТ 1. Как показано на фиг. 3, термопредохранитель конструктивно размещен одновременно в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора 3 и в зоне потока тепловой энергии от ИТ1, так как все элементы электрической схемы, включая термопредохранитель, размещены непосредственно на торцевой крышке ИТ1 (в зоне потока тепловой энергии от ИТ), а термопредохранитель, в свою очередь, размещен в непосредственном контакте с корпусом полевого транзистора (в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора). При этом температура срабатывания термопредохранителя находится в интервале от максимально допустимой рабочей температуры для источника тока до максимально допустимой рабочей температуры для полевого транзистора. Все элементы электрической схемы для исключения попадания каких-либо электропроводных загрязнений защищены (залиты) электроизоляционным компаундом.
В качестве полевого транзистора 3 (см. чертеж - фиг. 1) могут быть использованы, например, полевые транзисторы с проводящим P-каналом - IRF7210, IRF7220, IRF7225, IRF7240 производства InternationalRectifier (IR).
На чертеже - фиг.2 представлена аналогичная схема батареи с полевыми транзисторами с проводящим N-каналом, например, IRLR2905, IRL 2505, IRL 2705, IRF7401 производства InternationalRectifier (IR).
В качестве термопредохранителя 4 могут быть использованы, например, малогабаритные термопредохранители серии TZK-10, TZK-11, TZK-12, TZK-13, TZK-14 производства Bourns, Inc (США) с температурой срабатывания в пределах 100÷150°C.
В качестве резистора 5 могут быть использованы, например, резисторы для поверхностного монтажа 0,1-10,0 Мом типа SMD различных производителей.
В качестве источника тока ИТ1 может быть использован, например, источник тока SPL-16S, производства Sehoon (Ю. Корея).
Литиевая батарея работает следующим образом.
В процессе разряда батареи рабочее напряжение ИТ 1 уменьшается. В начальной стадии глубокого разряда ИТ 1 полевой транзистор 3 отключает его от разряда, исключая, тем самым, переразряд ИТ 1 и переполюсовку. Это осуществляется следующим образом. При снижении разрядного напряжения ИТ 1 менее конечного напряжения (конечное напряжение, как правило, составляет 2,0 В) проводящий канал полевого транзистора 3 закрывается. Сопротивление проводящего канала 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 отключение ИТ 1 от разрядной цепи. Если при разряде используется несколько однотипных батарей соединенных последовательно, то разряд остальных батарей продолжается, причем ток протекает через шунтирующий диод 2, который соединен параллельно ИТ 1.
В процессе закрытия полевого транзистора, за счет роста сопротивления проводящего канала, происходит его разогрев. В зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора 3 для исключения его теплового пробоя размещен термопредохранитель 4, который, нагревается от полевого транзистора 3, и при достижении определенной температуры (в пределах допустимой рабочей температуры полевого транзистора 3) срабатывает и разрывает цепь управления. При этом, учитывая, что затвор полевого транзистора 3 соединен через резистор 5 с проводящим каналом, при срабатывании термопредохранителя 4 потенциал затвора становиться равным потенциалу проводящего канала. При таких условиях транзистор 3 мгновенно закрывается и прекращается протекание электрического тока через ИТ 1. Для осуществления отключения и сохранения полевого транзистора в исправном состоянии необходимо, чтобы температура срабатывания термопредохранителя не превышала максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора.
Если разряд батареи происходит при температуре окружающей среды близкой к максимально допустимой, то за счет дополнительного выделения тепловой энергии на внутреннем сопротивлении ИТ1 возможен его разогрев выше допустимой температуры. В предложенной полезной модели термопредохранитель размещен на крышке ИТ1. При разогреве ИТ1 до температуры срабатывания термопредохранителя происходит отключение ИТ1 от разряда по тому же механизму, как и при переразряде, и дальнейший разогрев ИТ1 прекращается, что повышает безопасность в эксплуатации предлагаемой конструкции батареи в сравнении с прототипом.
Таким образом, в предлагаемой полезной модели исключается не только потенциально опасный глубокий разряд и переполюсовка ИТ, а также перегрев ИТ, который может приводить к взрыву ИТ, что значительно повышает пожаровзрывобезопасность батареи в эксплуатации и надежность батареи в целом.