Устройство для защиты литий-ионной аккумуляторной батареи

Изобретение касается переключающих или блокирующих байпасных устройств, установленных параллельно каждому из аккумуляторов литий-ионной батареи космического аппарата. В устройство, состоящее из корпуса и расположенных в нем неподвижных и подвижного контактов, электронагревательного и термочувствительного элементов, дополнительно введены эластичная и упругая мембраны. Подвижный контакт выполнен из легкоплавкого сплава и размещен вместе с электронагревательным элементом в полости, ограниченной корпусом, эластичной мембраной и одним из неподвижных контактов. Полость между корпусом и эластичной и упругой мембранами на треть заполнена жидкостью с малой удельной теплотой парообразования, выполняющей роль термочувствительного элемента. В неподвижных контактах выполнены отверстия. Технический результат - повышение надежности срабатывания, обеспечение минимума переходного сопротивления контактов и неразрывности цепи в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи в составе системы электроснабжения космического аппарата в течение всего срока службы. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и касается переключающих (а точнее - блокирующих) байпасных устройств, установленных параллельно каждому из аккумуляторов батареи космического аппарата (КА).

В процессе эксплуатации аккумуляторных батарей (АБ) в составе системы электроснабжения КА в течение срока активного существования (САС) 10-15 лет вероятно возникновение дефекта - замыкания в одном или более аккумуляторах, соединенных в батарею последовательно. При этом необходимо обеспечить протекание разрядного тока остальных аккумуляторов в обход дефектного аккумулятора при условии неразрывности общей цепи.

Известен термочувствительный переключатель [1], содержащий корпус, в котором расположены подвижный и неподвижный контакты и термочувствительный элемент, выполненный из фольгового ленточного материала с эффектом памяти формы, принятый за аналог.

Недостатком вышеуказанного аналога является невозможность протекания через его контакты больших токов - порядка десятков ампер - каким разряжаются АБ современных КА. Область применения аналога ограничена сигнализацией предельной температуры, т.е. использованием в качестве датчика, термореле, теплового пожарного извещателя. Требуемое переходное сопротивление (не более 150-200 мкОм) не может быть достигнуто в приемлемых массогабаритных ограничениях только за счет термочувствительного элемента с эффектом памяти формы.

Наиболее близким к заявляемому устройству является байпасный переключатель [2], принятый за прототип, состоящий из корпуса с расположенными в нем рабочей пружиной, исполнительного механизма с подвижным контактом, неподвижных контактов, собачки предохранителя, силопривода на основе термочувствительного элемента с эффектом памяти формы, электронагревательного элемента.

Указанный прототип имеет недостатки, вытекающие из условий работы имеющих место при штатной эксплуатации: космический вакуум и САС длительностью 10-15 лет.

В условиях космического вакуума проявляется эффект так называемой диффузионной сварки, когда при «отгазке» с поверхностей подвижного и неподвижных контактов, которые предварительно подпружинены, последние самоочищаются на атомном уровне, а контакт, бывший подвижным, становится неподвижным и байпасное устройство перестает выполнять свою целевую функцию, хотя при всех наземных испытаниях, в том числе и приемо-сдаточных, устройство работает исправно.

Кроме того, рабочая пружина (поз. 2 в описании прототипа) находится в течение САС в предварительно напряженном состоянии. Это сопровождается «осадкой» пружины, когда она не может полностью восстановить свою первоначальную форму, а развиваемое ею усилие уменьшается.

Задача, решаемая заявляемым устройством, - обеспечение надежности срабатывания при неразрывности цепи и минимуме переходного сопротивления контактов.

Данная задача решается за счет того, что заявляемое устройство для защиты литий-ионной аккумуляторной батареи, состоящее из корпуса и расположенных в нем неподвижных и подвижного контактов, электронагревательного и термочувствительного элементов, эластичной и упругой мембран, при этом подвижный контакт выполнен из легкоплавкого сплава и размещен вместе с электронагревательным элементом в полости, ограниченной корпусом, эластичной мембраной и одним из неподвижных контактов, а полость между корпусом и эластичной и упругой мембранами на треть заполнена жидкостью с малой удельной теплотой парообразования, выполняющей одновременно роль термочувствительного элемента, причем в неподвижных контактах выполнены отверстия.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом техническом решении отсутствуют предварительно напряженные звенья (пружины), а функции термочувствительного элемента и силового привода совмещены.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено следующее.

На фиг. 1 изображено заявляемое устройство в исходном состоянии.

На фиг. 2 - в активированном.

На фиг. 3 изображена схема подключения устройства к аккумулятору.

Устройство содержит корпус 1, неподвижные контакты 2 с отверстиями 3, электронагревательный элемент 4, покрытый слоем электроизоляции, находящийся в полости между одним из неподвижных контактов, с которым соединен электрически и эластичной мембранной 5, полость заполнена легкоплавким сплавом 6, который в исходном состоянии находится в твердой фазе, с другой стороны от эластичной мембраны 5, в полости 7 находится жидкость с малой удельной теплотой парообразования, выполняющей одновременно роль термочувствительного элемента, объем полости 7 заполнен на треть и ограничен упругой мембраной 8, которая в исходном состоянии не напряжена.

Устройство подключается к положительному борну 10 аккумулятора An неподвижным контактом 2, который электрически соединен с одним из контактов электронагревательного элемента 4, второй контакт которого подсоединен к катоду диода 9. Другой неподвижный контакт 2 и анод диода 9 соединены с отрицательным борном 11 аккумулятора An.

Работает устройство следующим образом. При эксплуатации АБ в одном или нескольких аккумуляторах может произойти частичное повреждение сепаратора вследствие технологического дефекта либо нарушений условий эксплуатации. При возникновении в аккумуляторе замыкания - местного локального дефекта электродного блока - он начнет разряжаться суммарным током нагрузки и током, возникающим вследствие локального дефекта, который только разогревает аккумулятор. В такой аварийной ситуации дефектный аккумулятор начнет, по сравнению с исправными, быстро терять остаточную емкость. Его электродный блок разогреется, и аккумулятор разгерметизируется. Дальнейшее развитие аварийной ситуации - «высыхание» электродного блока, когда пары электролита выйдут в зазор между борном и оплавившимся изолятором. Следствием этого будет обрыв неисправного аккумулятора, и на его борнах напряжение сменится на противоположное (переполюсовка), т.к. цепь АБ остается замкнутой через нагрузку.

При переполюсовке отпирается диод 9, включенный последовательно в цепь с электронагревательным элементом 4, сопротивление которого выбирается из условия падения напряжения на нем порядка 2,5-3 В, при протекании через него тока нагрузки АБ, но цепь тока не прерывается, а мощность, рассеиваемая на электронагревательном элементе 4, составляет порядка 50-60 Вт.

Легкоплавкий сплав 6 переходит в жидкую фазу, жидкость, находящаяся в полости 7, переходит в газообразную фазу, давление паров в полости 7 увеличивается. Это проводит к деформации мембран 5 и 8, а легкоплавкий сплав 6, выполняющий роль подвижного контакта, вытесняется через отверстия 3 в одном из неподвижных контактов 2 из полости 6 в межконтактное пространство, замыкая их накоротко.

Объем легкоплавкого сплава выбирается с некоторым запасом, избыток которого проходит через отверстия 3 в другом неподвижном контакте. Напряжение между неподвижными контактами 2 падает до нуля, диод 9, включенный последовательно с нагревательным элементом 4, запирается, температура сплава 6 уменьшается, и он снова переходит в твердую фазу.

Учитывая, что устройство расположено непосредственно на аккумуляторе, то возрастание его температуры до +40-+60°С, также вызовет возрастание температуры легкоплавкого сплава 6 и жидкости с малой удельной теплотой парообразования, которые выступают в качестве термочувствительного элемента. Оставшаяся Δt° до плавления легкоплавкого сплава 6 и закипания жидкости с малой удельной теплотой парообразования преодолеваются за 2,5-3 сек.

Техническая эффективность заявляемого устройства, в отличие от прототипа, заключается в том, что в нем отсутствуют предварительно напряженный элементы (пружины), а скользящие подпружиненные контакты заменены контактом, выполненным из легкоплавкого сплава, который не подвержен диффузионной сварке в вакууме, что обеспечивает его надежность срабатывания, неразрывность цепи аккумуляторов и минимум переходного сопротивления между контактами в процессе эксплуатации АБ в составе системы электроснабжения КА в течение всего САС 10-15 лет.

Пример конкретного исполнения. Чтобы обеспечить равномерное распределение легкоплавкого сплава 6 в полости между контактами 2 (фиг. 2), отверстия 3 располагаются в шахматном порядке. Электронагревательный элемент 4 должен быть электрически изолирован от легкоплавкого сплава 6, для чего его покрывают алундом, аналогично тому, как в электровакуумных приборах изолируется подогреватель от катода. В качестве легкоплавкого сплава 6 может быть выбран сплав Вуда, температура плавления которого 65°С. Эластичная мембрана 5 должна быть электроизолятором, обладать достаточным запасом линейного удлинения и в то же время стойкостью к повышенным температурам, этим требованиям соответствует полимерная пленка, такая как фторопласт. Жидкостью с малой удельной теплотой парообразования может служить этиловый спирт, температура кипения которого +78°С. Т.к. в режиме активации устройства через диод 9 будет протекать ток нагрузки АБ, то для того, чтобы на нем рассеивалось как можно меньше мощности, его следует выбирать с барьером Шоттки.

Источники информации

1. Патент РФ №2210129, МПК Н01Н 37/46, Н01Н 37/32, Н01Н 61/06, 2003.

2. Патент РФ №2415489, МПК Н01Н 37/00, 2006.

Устройство для защиты литий-ионной аккумуляторной батареи, состоящее из корпуса и расположенных в нем неподвижных и подвижного контактов, электронагревательного и термочувствительного элементов, отличающееся тем, что в него дополнительно введены эластичная и упругая мембраны, при этом подвижный контакт выполнен из легкоплавкого сплава и размещен вместе с электронагревательным элементом в полости, ограниченной корпусом, эластичной мембраной и одним из неподвижных контактов, а полость между корпусом и эластичной и упругой мембранами на треть заполнена жидкостью с малой удельной теплотой парообразования, выполняющей одновременно роль термочувствительного элемента, причем в неподвижных контактах выполнены отверстия.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам размотки сильфонной трубки терморегулятора, имеющей в состоянии поставки на участок сборки холодильника вид свитой спирали.

Изобретение относится к тепловым выключателям, предназначенным для защиты электронных и электрических приборов от перегрева при неисправностях, позволяет повысить надежность термовыключателя.

Изобретение относится к электротехнике и касается переключающих устройств, в частности байпасных переключателей в литий-ионных аккумуляторных батареях. .

Изобретение относится к электрическим аппаратам, служащим для защиты электрических цепей от перегрузок, в частности к конструкции биметаллического предохранителя для защиты от перегрузки электроизделий промышленного назначения и бытовой техники.

Изобретение относится к электромеханике и может использоваться в электронагревательных приборах, например а отопительных радиаторах. .

Б п т // 409307

Устройство защиты от перенапряжения содержит по меньшей мере один разрядник (2) защиты от перенапряжений и термически расцепляемое переключающее устройство (3), включенное последовательно с разрядником (2). Упомянутые средства образуют унифицированный узел, а термическое расцепляющее средство расположено в области ожидаемого нагрева разрядника (2) при его перегрузке. Согласно изобретению термическое расцепляющее средство выполнено в виде детали-ограничителя, не находящейся под действием рабочего тока или ударного тока, которая разблокирует размыкание переключающего устройства (3) при термической перегрузке, причем переключающее устройство (3) имеет повышенную собственную гасящую способность. Технический результат - создание расширенного непрерывного диапазона самозащиты устройства. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

Предлагаемая система относится к противопожарной технике, а более конкретно к автоматическим устройствам сигнализации о пожарной обстановке и управления противопожарным оборудованием, и может быть использована для противопожарной защиты различных объектов и одновременной передачи сигналов тревоги на удаленный пункт контроля. Технической задачей изобретения является повышение избирательности и помехоустойчивости приемника путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по каналу прямого прохождения и интермодуляционным каналам. Автономная сигнально-пусковая система пожаротушения содержит последовательно соединенные тепловой пускатель 1, источник тока 2 с пиротехническим активатором 3, реле времени 4, сигнальное устройство 5, исполнительное устройство 6, корпус 7, шток 8, пружину сжатия 9, концевой участок 10 подпружиненного штока 8, термочувствительный фиксатор 11, соленоид 12, центральный осевой канал 13, выводы 14, мостик накаливания 15, навеску инициирующего вещества 16, концевой участок 17 подпружиненного штока 8, конечный боек 18, капсюль 19, герметичную оболочку 20, твердотельную шашку 21, электрические выходы 22. Передатчик содержит задающий генератор 23, n - отводную линию задержки 24.i (i=1, 2, …, n), фазоинвертора 25.j (j=1, 2, …, m), сумматор 26, усилитель 27 мощности и передающую антенну 28. Приемник содержит приемную антенну 29, усилитель 30 высокой частоты, смесители 31 и 47, генератор 32 пилообразного напряжения, гетеродины 33 и 46, усилители 34 и 48 промежуточной частоты, обнаружитель 35 ФМн сигнала, анализаторы 36 и 38 спектра, удвоитель 37 фазы, блок 39 сравнения, пороговые блоки 40 и 50, линии задержки 41 и 44, ключи 42 и 51, фазовый детектор 43, блок 45 регистрации, коррелятор 49, узкополосный фильтр 52, фазоинверторы 53, 56 и 59, сумматоры 54, 57 и 60, полосовые фильтры 55 и 58, 9 ил.

Изобретение касается переключающих или блокирующих байпасных устройств, установленных параллельно каждому из аккумуляторов литий-ионной батареи космического аппарата. В устройство, состоящее из корпуса и расположенных в нем неподвижных и подвижного контактов, электронагревательного и термочувствительного элементов, дополнительно введены эластичная и упругая мембраны. Подвижный контакт выполнен из легкоплавкого сплава и размещен вместе с электронагревательным элементом в полости, ограниченной корпусом, эластичной мембраной и одним из неподвижных контактов. Полость между корпусом и эластичной и упругой мембранами на треть заполнена жидкостью с малой удельной теплотой парообразования, выполняющей роль термочувствительного элемента. В неподвижных контактах выполнены отверстия. Технический результат - повышение надежности срабатывания, обеспечение минимума переходного сопротивления контактов и неразрывности цепи в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи в составе системы электроснабжения космического аппарата в течение всего срока службы. 3 ил.

Наверх