Батарея химических источников тока

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении батарей первичных и вторичных химических источников тока (ХИТ). Согласно изобретению батарея ХИТ содержит множество единичных ХИТ или модулей из нескольких ХИТ, соединенных в последовательную электрическую цепь, выравнивающее устройство (ВУ), обеспечивающее при работе батареи выравнивание напряжений на отдельных ХИТ или модулях, а также блок управления выравнивающим устройством. В качестве ВУ используется один или несколько источников постоянного тока (ИПТ), выходы которых подключены параллельно каждому единичному ХИТ или модулю таким образом, что их полярности совпадают. ИПТ используют для питания внешние источники энергии, в том числе сеть переменного тока. ИПТ могут быть выполнены по трансформаторным или безтрансформаторным схемам, в качестве ИПТ также могут использоваться вспомогательные ХИТ, например топливные элементы. Подключение ИПТ к единичным ХИТ может быть выполнено непосредственно или с использованием коммутаторов. 11 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании батарей первичных и вторичных источников тока.

Наиболее близким к данному изобретению является аккумуляторная батарея с устройством нивелирования разбаланса напряжений на отдельных аккумуляторах или модулях аккумуляторов. Устройство нивелирования разбаланса содержит трансформатор с рабочими обмотками на одном сердечнике, число которых соответствует числу аккумуляторов или модулей, управляющий ключевой элемент, последовательно соединенный с каждой рабочей обмоткой, систему управления в виде коммутирующего элемента питания, соединенного с выводами аккумуляторной батареи, генератор импульсов и формирователь импульсов управления ключевыми элементами в виде емкости [Патент РФ №2156533, опубл. 2000 г.].

Недостатком известной батареи являются сложность электрической схемы выравнивания напряжения на отдельных аккумуляторах в батарее, а также необходимость использования относительно мощных трансформаторов.

Задачей изобретения является создание батареи первичных или вторичных химических источников тока, обеспечивающей выравнивание напряжений на единичных ХИТ, соединенных в последовательную электрическую цепь в процессе разряда батареи, а для батарей, состоящих из электрически перезаряжаемых ХИТ (химических аккумуляторов или ионисторов), - и при их заряде. В качестве первичных источников тока могут использоваться гальванические элементы, топливные элементы, механически перезаряжаемые первичные элементы различных типов.

Указанный технический результат достигается тем, что в батарее первичных или вторичных химических источников тока (ХИТ), содержащей множество единичных ХИТ или модулей из нескольких ХИТ, соединенных в последовательную электрическую цепь, выравнивающее устройство, обеспечивающее при работе батареи выравнивание напряжений на отдельных ХИТ или модулях, состоящее из одного или нескольких источников постоянного тока, выходы которых подключены параллельно каждому единичному ХИТ или модулю таким образом, что их полярности совпадают, блок управления выравнивающим устройством, в качестве источников постоянного тока используются вспомогательные ХИТ, топливные элементы или электронные блоки, питание которых осуществляется от внешних (относительно батареи) источников энергии.

В батарее ХИТ согласно изобретению в качестве электронных блоков используется трансформатор с одной или несколькими вторичными обмотками, которые подключены к единичным ХИТ или модулям и имеют в цепях подключения по крайней мере один элемент с однонаправленной проводимостью, при этом первичная обмотка трансформатора подключена к внешней сети переменного тока.

В батарее ХИТ согласно изобретению ток в цепях подключения источника постоянного тока к единичному ХИТ или модулю ограничивается с помощью позистора.

В батарее ХИТ согласно изобретению в цепях подключения источника постоянного тока к единичному ХИТ или модулю имеется электрический предохранитель.

В батарее ХИТ согласно изобретению в качестве предохранителя используется самовосстанавливающийся предохранитель.

В батарее ХИТ согласно изобретению единичные ХИТ или модули подключаются к источнику постоянного тока с помощью коммутатора, управляемого блоком управления.

В батарее ХИТ согласно изобретению единичные ХИТ или модули подключаются к источнику постоянного тока с помощью коммутатора, управляемого блоком управления.

В батарее ХИТ согласно изобретению в коммутаторе используются электронные ключи.

В батарее ХИТ согласно изобретению блок управления содержит микропроцессор.

В батарее ХИТ согласно изобретению блок управления измеряет величину тока, протекающего в цепях подключения источников постоянного тока к единичным ХИТ или модулям.

Пример конкретного выполнения.

Конструкция батареи.

Батарея литий-ионных аккумуляторов выполнена по электрической схеме, приведенной на чертеже. Батарея состоит из 4-х аккумуляторов G1 - G4, соединенных последовательно, и имеет выводы U₊ и U_-. Устройство, выравнивающее напряжение на аккумуляторах при заряде и разряде батареи, представляет собой трансформатор Т, имеющий одну первичную обмотку Т1:1 и две вторичные Т1:2 и Т1:3. Первичная обмотка трансформатора Т1:1 подключена к сети (генератору) переменного тока А1. Одна из вторичных обмоток трансформатора Т1:2 (выравнивающая обмотка) подключена к аккумуляторам G1-G4. Для защиты цепей подключения от перегрузки последовательно с выравнивающей обмоткой Т1:2 включен позистор R. Подключение аккумуляторов G1-G4 осуществляется через электронный коммутатор, имеющий 4 канала подключения. Коммутатор выполнен на 4-х парах транзисторов VT1-VT8, работающих в ключевом режиме. Каждая пара транзисторов VT подключена так, что при включении обеспечивает протекание тока от выравнивающей обмотки трансформатора Т1:2 к соответствующему аккумулятору G1-G4, если напряжение на аккумуляторе будет ниже, чем напряжения на выравнивающей обмотке трансформатора Т1:2, с учетом падения напряжения на позисторе R и на этой паре транзисторов VT. Количество витков первичной и выравнивающей обмоток трансформатора Т1:2, а также напряжение сети (генератора) переменного тока А1 подобраны таким образом, чтобы выходное напряжение с учетом потерь на позисторе R и соответствующих транзисторах VT равнялось 85% от максимального зарядного напряжения для аккумуляторов батареи. Включение каждой пары транзисторов VT1-VT8 осуществляется подачей сигнала от блока А2, управляющего работой коммутатора. Одновременное включение нескольких каналов подключения не допускается. Разряд аккумуляторов G1-G4 через обмотку трансформатора Т1:2 исключают транзисторы в цепи их подключения. Питание блока А2 осуществляется от трансформатора через обмотку Т1:3. Частота переключения каналов подключения регулируется при настройке в диапазоне от 0,1 Гц до 10 кГц.

Алгоритм работы батареи.

При разряде батареи аккумуляторы с разрядной емкостью меньше среднего значения (“слабые” аккумуляторы) разрядной емкости аккумуляторов в батарее будут разряжаться быстрее. Когда напряжение “слабых” аккумуляторов станет ниже напряжения на выравнивающей обмотке Т1:2 (с учетом всех потерь в цепи ее подключения к аккумуляторам), при подключении к трансформатору часть разрядного тока в их цепи будет обеспечиваться трансформатором Т за счет энергии, поступающей из сети переменного тока. При подключении к трансформатору Т аккумуляторов с разрядной емкостью выше среднего значения (“сильные” аккумуляторы), имеющих напряжение выше напряжения на выравнивающей обмотке, ток от трансформатора к аккумуляторам протекать не будет. Таким образом обеспечивается выравнивание напряжений аккумуляторов в батарее.

При заряде последовательной цепочки аккумуляторов от зарядного устройства в начальный период все аккумуляторы будут дополнительно подзаряжаться через трансформатор Т от сети переменного тока. Так как аккумуляторы с емкостью меньше средней по батарее будут заряжаться быстрее, быстрее будет расти и напряжение на них. Следовательно, быстрее будет снижаться ток подзаряда от внешней сети через трансформатор Т вплоть до полного его прекращения при достижении напряжением аккумуляторов напряжения на выравнивающей обмотке. Дополнительный подзаряд через трансформатор Т аккумуляторов с емкостью больше средней, повышающих свое напряжение медленнее, будет происходить большими токами, что обеспечивает выравнивание напряжения на аккумуляторах в батарее.

Формула изобретения

1. Батарея первичных или вторичных химических источников тока (ХИТ), содержащая множество единичных ХИТ или модулей из нескольких ХИТ, соединенных в последовательную электрическую цепь, выравнивающее устройство, обеспечивающее при работе батареи выравнивание напряжений на отдельных ХИТ или модулях, состоящее из одного или нескольких источников постоянного тока, выходы которых подключены параллельно каждому единичному ХИТ или модулю таким образом, что их полярности совпадают, блок управления выравнивающим устройством, отличающаяся тем, что в качестве источников постоянного тока используются вспомогательные ХИТ, топливные элементы или электронные блоки, питание которых осуществляется от внешних (относительно батареи) источников энергии.

2. Батарея ХИТ по п.1, отличающаяся тем, что в качестве электронных блоков используется трансформатор, с одной или несколькими вторичными обмотками, которые подключены к единичным ХИТ или модулям и имеют в цепях подключения по крайней мере один элемент с однонаправленной проводимостью, при этом первичная обмотка трансформатора подключена к внешней сети переменного тока.

3. Батарея ХИТ по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что ток в цепях подключения источника постоянного тока к единичному ХИТ или модулю ограничивается с помощью позистора.

4. Батарея ХИТ по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что в цепях подключения источника постоянного тока к единичному ХИТ или модулю имеется электрический предохранитель.

5. Батарея ХИТ по п.4, отличающаяся тем, что в качестве предохранителя используется самовосстанавливающийся предохранитель.

6. Батарея ХИТ по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что единичные ХИТ или модули подключаются к источнику постоянного тока с помощью коммутатора, управляемого блоком управления.

7. Батарея ХИТ по п.6, отличающаяся тем, что в коммутаторе используются электронные ключи.

8. Батарея ХИТ по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что блок управления содержит микропроцессор.

9. Батарея ХИТ по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что блок управления измеряет величину тока, протекающего в цепях подключения источников постоянного тока к единичным ХИТ или модулям.

10. Батарея ХИТ по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что блок управления формирует сигнал о превышении предельного значения разбаланса между напряжениями единичных ХИТ или модулей.

11. Батарея ХИТ по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что блок управления регулирует величину тока, протекающего в цепях подключения источников постоянного тока к единичным ХИТ или модулям.

12. Батарея ХИТ по п.11, отличающаяся тем, что ток в цепях подключения регулируется с помощью по крайней мере одного транзистора, работающего в линейном режиме.

РИСУНКИ

Рисунок 1