ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H01M10/48 H01M10/26 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к вторичным элементам, в частности к аккумуляторам с плоскими электродами и корпусом из непроводящего немагнитного материала, комбинированным с индикаторами состояния, сигнализирующими о переходе аккумуляторов в аварийный режим при тепловом разгоне.

Известен химический источник тока, содержащий аккумуляторы с плоскими электродами и корпусом из немагнитного непроводящего материала и устройство для контроля их состояния, включающее генератор переменного напряжения, обмотку, соединенную с генератором, плату из непроводящего немагнитного материала, пороговый элемент, сигнализатор, связанный с выходом порогового элемента и источник стабильного напряжения постоянного тока [1] Недостатком источника тока является объемное исполнение обмотки и применение ферритового сердечника, что увеличивает габариты и усложняет его конструкцию, т.к. затрудняет компоновку аккумуляторов в батарею и усложняет электросхему источника тока в связи с необходимостью компенсации изменения параметров ферритовых сердечников, обладающих низкой термической и временной стабильностью. Этот недостаток повышает также трудоемкость технического обслуживания источника тока, в том числе, монтажа и демонтажа аккумуляторов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является химический источник тока, содержащий батарею аккумуляторов с плоскими электродами и корпусом из немагнитного непроводящего материала и устройство для контроля их состояния, включающее генератор переменного напряжения, плоскую обмотку, подключенную к выводам генератора, размещенную внутри платы из непроводящего немагнитного материала, установленной между аккумуляторами, пороговый элемент, соединенный с выходом генератора, сигнализатор, связанный с выходом порогового элемента, и источник стабильного напряжения постоянного тока [2] Недостатком этого химического источника тока является низкая достоверность контроля состояния аккумуляторов безламельной конструкции по температуре для выявления перехода в режим теплового разгона в связи с влиянием на результаты контроля характеристик активной массы электродов, в том числе степени заряженности.

При контроле состояния аккумуляторов с электродами ламельной конструкции снижение достоверности результатов контроля может происходить из-за технологического разброса величины удельной проводимости и температурного коэффициента сопротивления материала ламелей. Указанные параметры в процессе производства материала ламелей не контролируются, т.к. он не является сплавом сопротивления.

Целью изобретения является повышение достоверности контроля состояния аккумуляторов.

Достигается это тем, что в химическом источнике тока, содержащем батарею аккумуляторов с плоскими электродами и корпусом из немагнитного непроводящего материала и устройство для контроля их состояния, включающее генератор переменного напряжения, плоскую обмотку, подключенную к выводам генератора, размещенную внутри платы из непроводящего немагнитного материала, установленную между аккумуляторами, пороговый элемент, соединенный с выходом генератора, сигнализатор, связанный с выходом порогового элемента, и источник стабильного напряжения постоянного тока, внутри аккумуляторов между стороной электрода, обращенной к обмоткe, и корпусом аккумулятора, помещен слой из электропроводящего материала с термозависимым сопротивлением.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый химический источник тока отличается наличием слоя из электропроводящего материала с термозависимым сопротивлением, размещенным между стороной электрода, обращенной к обмотке, и корпусом аккумулятора.

Таким образом заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Анализ аналогов в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом устройстве и признать заявляемое техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 схематично представлен химический источник тока, в сечении которого видно размещение аккумуляторов, слоя из электропроводящего материала с термозависимым сопротивлением и платы с обмоткой; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 электросхема химического источника тока; на фиг. 4 общий вид платы с обмоткой; на фиг. 5 общий вид платы с размещенными внутри нее обмоткой, генератором переменного напряжения, пороговым элементом и источником напряжения постоянного тока.

Химический источник тока содержит батарею 1 аккумуляторов 2 с плоскими электродами 3 и корпусом 4 из непроводящего немагнитного материала. Батарея 1 условно состоит из двух последовательно соединенных аккумуляторов 2. Химический источник тока содержит также устройство для контроля состояния аккумуляторов 2, включающее генератор 5 переменного напряжения, плоскую обмотку 6, первый 7 и второй 8 выводы которой соединены соответственно с первым 9 и вторым 10 выводами генератора 5. Обмотка 6 размещена внутри платы 11 из непроводящего немагнитного материала, установленной между аккумуляторами 2. Химический источник тока содержит также используемые в устройстве контроля состояния аккумуляторов 2 пороговый элемент 12, вход 13 которого подключен к выходу 14 генератора 5, сигнализатор 15 и источник 16 стабильного напряжения постоянного тока. Вход 17 сигнализатора 15 подключен к выходу 18 порогового элемента 12. Внутри аккумуляторов 2 между стороной электрода 3, обращенной к обмотке 6, и корпусом 4 каждого аккумулятора 2 помещен слой 19 из электропроводящего материала с термозависимым сопротивлением. Слой 19 может, например, состоять из стальной фольги с заданными и контролируемыми в процессе производства удельной электрической проводимостью и температурным коэффициентом сопротивления. Слой 19 может также наноситься, например, методом осаждения в вакууме на внутреннюю поверхность корпуса 4 аккумулятора 2 или на поверхность электрода 3.

Соединение аккумуляторов 2 между собой в батарее 1 производится при помощи шины 20. Генератор 5 переменного напряжения выполняется на транзисторе 21 по трехточечной схеме. Генератор 5 содержит в емкостной ветви колебательного контура два конденсатора 22 и 23, первые выводы которых соединены вместе, а вторые выводы подключены соответственно к выводам 9 и 10 генератора 5, соединенным соответственно с выводами 7 и 8 обмотки 6, образующей индуктивную ветвь колебательного контура. Генератор 5 содержит также конденсаторы 24, 25 и 26, резисторы 27, 28, 29, 30 и 31. Второй вывод конденсатора 22 через разделительный конденсатор 24 подключен к базе транзистора 21, а второй вывод конденсатора 23 соединен с коллектором транзистора 21. Соединенные вместе первые выводы конденсаторов 22 и 23 подключены к соединенным вместе первым выводам резисторов 27 и 28, конденсатора 25 и первому выводу на выходе источника 16 стабильного напряжения постоянного тока. Второй вывод резистора 27 подключен к базе транзистора 21, а вторые выводы резистора 28 и конденсатора 25, соединенные вместе, подключены к эмиттеру транзистора 21. Первые выводы резисторов 29, 30 и 31 соединены вместе и подключены к второму выводу на выходе источника 16 стабильного напряжения. Вторые выводы этих резисторов подключены соответственно к базе и коллектору транзистора 21 и первому выводу конденсатора 26. Второй вывод конденсатора 26 подключен к коллектору транзистора 21, соединенному также с выходом 14 генератора 5.

Пороговый элемент 12 содержит на входе эмиттерный повторитель на транзисторе 32, несимметричный триггер с эмиттерной связью или триггер Шмитта на транзисторах 33 и 34 и выпрямитель на диоде 35, обеспечивающий подачу на вход триггера Шмитта однополярного сигнала с выхода эмиттерного повторителя на транзисторе 32. Эмиттерный повторитель уменьшает влияние порогового элемента 12 на работу генератора 5 переменного напряжения, а триггер Шмитта обеспечивает скачкообразное изменение сигнала на выходе 18 порогового элемента 12 при достижении напряжением на выходе генератора 5 заданной величины. Пороговый элемент 12 содержит также резисторы 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46 и 47, конденсаторы 48 и 49 и терморезистор 50. Резисторы 36 и 37 составляют делитель напряжения на входе эмиттерного повторителя на транзисторе 32. Первые выводы этих резисторов соединены вместе и подключены к базе транзистора 32 и через разделительный конденсатор 48 к входу 13 порогового элемента 12. Второй вывод резистора 36 соединен с коллектором транзистора 32, первыми выводами резисторов 40 и 42 и вторым выводом на выходе источника 16 стабильного напряжения. Второй вывод резистора 40 подключен к коллектору транзистора 33 и первому выводу резистора 41, второй вывод которого соединен с базой транзистора 34 и первым выводом резистора 43. Второй вывод резистора 42 соединен с коллектором транзистора 34 и выходом 18 порогового элемента 12. Эмиттер транзистора 32 соединен с первым выводом резистора 38 и анодом диода 35, катод которого подключен к базе транзистора 33 и первому выводу конденсатора 49. Эмиттер транзистора 33 подключен к соединенным вместе первым выводам резисторов 44, 45, 46, 47 и терморезистора 50 и эмиттеру транзистора 34. Вторые выводы резисторов 44, 45 и 46 подключены соответственно к клеммам 51, 52 и 53. Вторые выводы резисторов 37, 38, 39, 43, 44 конденсатора 49 и терморезистора 50 соединены вместе и подключены к первому выводу на выходе источника 16 стабильного напряжения. Источник 16 стабильного напряжения постоянного тока содержит стабилитрон 54, параллельно которому включен конденсатор 55. Выводы стабилитрона 54 подключены к выходу источника 16 стабильного напряжения. На вход источника 16 подается напряжение от сети постоянного тока или от аккумуляторной батареи 1 (условно не показано). Стабилитрон 54 подключен к входу источника 16 через балластный резистор 56. Генератор 5, пороговый элемент 12 и источник 16 стабильного напряжения выполняются по интегральной технологии и размещаются в корпусе 57, который крепится к плате 11 и выступает над поверхностью аккумуляторов 2. Корпус 57 содержит клеммы 58 для подключения к цепям питания и сигнализатору 15.

Плата 11 содержит панель 59 из листового электроизоляционного материала, укрепленную между накладками 60 из диэлектрика. Обмотка 6 наносится печатным способом с двух сторон панели 59. Причем печатные проводники выполняются в виде, например прямоугольной, спирали. При этом направление витков спирали на первой и второй стороне панели 59 от начала обмотки 6 к ее концу совпадают. Соединение печатных проводников обмотки 6, размещенных на первой и второй стороне панели 59, производится при помощи контактных площадок 61 с металлизацией в отверстии 62 между ними. Минимальная толщина платы 11 составляет 0,3-0,5 мм.

Резисторы 45, 46, 47 используются при настройке срабатывания порогового элемента 12. Подключение резисторов производится выборочно при помощи перемычек между клеммами соответственно 51, 52, 53 и клеммой 63, соединенной с вторым выводом резистора 44. Резисторы 45, 46, 47 имеют различную величину сопротивления, например, в пропорции 1:2:3, что позволяет повысить точность настройки. Клеммы 51, 52, 53 и 63 выводятся на корпусе 57 (условно не показано). После настройки порогового элемента 12 эти клеммы изолируются.

Могут быть использованы также другие способы настройки срабатывания порогового элемента 12, например, изменение соотношения сопротивления плеч делителя напряжения на входе эмиттерного повторителя на транзисторе 32 за счет изменения сопротивления резистора 36 или резистора 37. Для настройки могут также применяться переменные резисторы.

При помощи терморезистора 50 повышается стабильность работы схемы при изменении температуры окружающей среды. При этом терморезистор 50 может размещаться не только на корпусе 57, но и внутри платы 11 (условно не показано).

Аккумуляторы 2 помещены в контейнер 64. Причем плата 11 заменяет прокладку, используемую для уплотнения аккумуляторов 2 при их размещении в контейнере 64. Подключение батареи 1 аккумуляторов 2 к нагрузке производится при помощи клемм 65.

Химический источник тока обеспечивает в процессе, например, заряда проведение контроля состояния батареи 1 аккумуляторов 2 по температуре электродов 3, граничащих со слоем 19, переход между которыми имеет малое тепловое сопротивление. При подаче напряжения на вход источника 16 стабильного напряжения постоянного тока возбуждается генератор 5 переменного напряжения. Обмоткой 6 колебательного контура генератора 5 создается переменное электромагнитное поле с частотой 0,02-2 МГц. При этом в слоях 19, лежащих по обе стороны обмотки 6, размещенных между сторонами электродов 3, обращенных к обмотке 6, и корпусом 4 аккумуляторов 2, наводятся вихревые токи. Глубина проникновения вихревых токов с учетом соответствующего выбора характеристик материала, составляющего слой 19, в указанном диапазоне частот меньше толщины слоя 19. Поэтому изменения состояния активной массы электрода 3 в процессе заряда или разряда и связанные с этим изменения магнитной восприимчивости железного электрода (для железо-никелевого аккумулятора) и степени заряженности аккумулятора не оказывают влияния на результаты контроля. Электромагнитное поле вихревых токов оказывает обратное воздействие на обмотку 6, вызывая в ней изменение активного и реактивного сопротивления при изменении сопротивления слоя 19 вследствие зависимости его от температуры электродов 3 аккумуляторов 2. Температура электродов 3 аккумуляторов 2 не должна, например, превышать 70-80^оС, если аккумуляторы 2 относятся к щелочным аккумуляторам никель-кадмиевой группы. При увеличении температуры электродов 3 выше указанной величины, что возможно при заряде аккумуляторов 2 от источника постоянного напряжения, начинается тепловой разгон аккумуляторов 2, приводящий к их выходу из строя. При использовании стали в качестве материала слоя 19 изменение ее магнитных свойств при нагреве электродов 3 оказывает значительно меньшее влияние на параметры колебательного контура с обмоткой 6, чем изменение проводимости, т.к. температура точки Кюри стали (750-770^оС) значительно превышает максимальную рабочую температуру электродов 3 аккумуляторов 2 (70-80^оС).

Изменение магнитных свойств стали в этом диапазоне температур не вносит дополнительной погрешности, т.к. учитывается при регулировке порогового устройства.

Влияние на результаты контроля погрешности, вносимой магнитным потоком, рассеиваемым обмоткой 6 (не связанным со слоями 19) практически исключается, т. к. обмотка 6 находится в узком пазу между двумя электропроводящими слоями 19 аккамуляторов 2, перекрывающими и экранирующими эту обмотку. При температуре электродов 3 аккумуляторов 2 ниже предельно-допустимой (70-80^оС) напряжение на входе транзистора 33 триггера Шмитта меньше падения напряжения на сопротивлении в его эмиттерной цепи, т.е. на параллельно соединенных резисторе 44, подстроечных резисторах 45, 46, 47 (в выбранном для настройки наборе) и терморезисторе 50. При этом транзистор 33 закрыт, а транзистор 34 открыт и напряжение на входе 17 сигнализатора 15, снимаемое с выхода 18 порогового элемента 12, имеет минимальную величину. Сигнализатор 15 выдает информацию о нормальной работе батареи 1 аккумуляторов 2. Нагрев электродов 3 аккумуляторов 2 и, следовательно, нагрев, граничащих с ними слоев 19, вызывает увеличение сопротивления последних вихревым токам. При этом уменьшаются потери, вносимые в колебательный контур генератора 5. Поэтому при повышении температуры электродов 3 аккумуляторов 2 напряжение на выходе 14 генератора 5 возрастает. При увеличении температуры электродов 3 аккумуляторов 2 выше 70-80^оС напряжение на выходе 14 генератора 5 достигает значения, при котором величина напряжения на входе транзистора 33 порогового элемента 12, снимаемого с выпрямителя на диоде 35, резисторе 39 и конденсаторе 49, подключенного к выходу эмиттерного повторителя на транзисторе 32, становится больше падения напряжения на сопротивлении в эмиттерной цепи транзисторов 33 и 34 триггера. Происходит скачкообразное изменение состояния порогового элемента 12; транзистор 33 открывается, а транзистор 34 запирается. Напряжение на входе 17 сигнализатора 15 достигает максимальной величины и сигнализатор 15 выдает сигнал об аварийном изменении состояния батареи 1 аккумуляторов 2, т. е. о переходе аккумуляторов 2 в режим теплового разгона.

Сигнализатор 15 может содержать аналоговые и цифровые блоки, осуществляющие преобразование сигналов и выполняющие логические операции, и иметь несколько входов для подачи на него дополнительных сигналов, например, пропорциональных напряжению и току батареи 1 аккумуляторов 2.

Предлагаемое устройство может быть изготовлено в виде гибридной интегральной схемы. При этом внутри платы 11 размещаются кроме обмотки 6 генератор 5 переменного напряжения, пороговый элемент 9 и источник 16 стабильного напряжения постоянного тока. При изготовлении этого варианта устройства используются бескорпусные полупроводниковые компоненты.

Предлагаемое устройство может содержать более двух аккумуляторов в батарее 1. При этом количество используемых плат 11 с обмоткой 6, каждая из которых работает в комплекте с генератором 5, пороговым элементом 12, источником 16 стабильного напряжения и сигнализатором 15, определяется исходя из требуемой полноты контроля.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить достоверность контроля состояния аккумуляторов с электродами безламельной конструкции по температуре за счет уменьшения погрешности, вносимой влиянием на результаты контроля характеристик активной массы электродов, в том числе степени заряженности.

Повышается достоверность контроля состояния аккумуляторов с электродами ламельной конструкции по температуре, т.к. в качестве чувствительного элемента используется граничащий с электродом слой из материала с заданными величинами удельной электрической проводимости и температурного коэффициента сопротивления.

Использование: при эксплуатации химических источников тока с плоскими электродами и корпусом из непроводящего немагнитного материала, комбинированных с индикаторами состояния, сигнализирующими о переходе аккумуляторов в аварийный режим при тепловом разгоне. Химический источник тока содержит батарею аккумуляторов с плоскими электродами и корпусом из немагнитного непроводящего материала и устройство для контроля состояния аккумуляторов. Устройство включает в свой состав генератор переменного напряжения и плоскую обмотку, являющуся индуктивной ветвью колебательного контура генератора. Обмотка размещена внутри платы из непроводящего немагнитного материала, установленной между аккумуляторами. Устройство контроля химического источника тока содержит также пороговый элемент, соединенный с выходом генератора, сигнализатор, связанный с выходом порогового элемента, и источник стабильного напряжения постоянного тока. Внутри аккумуляторов между стороной электрода, обращенной к обмотке, и корпусом аккумулятора помещен слой из электропроводящего материала с термозависимым сопротивлением. При работе химического источника тока контролируется температура с целью исключения режима теплового разгона. 5 ил.

ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА, содержащий батарею аккумуляторов с плоскими электродами и корпусом из немагнитного непроводящего материала и устройство для контроля состояния аккумуляторов, включающее генератор переменного напряжения, плоскую обмотку, подключенную к выводам генератора, размещенную внутри платы из непроводящего немагнитного материала, установленную между аккумуляторами, пороговый элемент, соединенный с выходом генератора, сигнализатор, связанный с выходом порогового элемента, и источник стабильного напряжения постоянного тока, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности контроля состояния аккумуляторов, внутри них между стороной электрода, обращенной к обмотке, и корпусом аккумулятора помещен слой из электропроводящего материала с термозависимым сопротивлением.