ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2007 года по МПК H01M12/06 G05F1/56 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к источникам питания, включающим высокочастотные преобразователи постоянного напряжения и может быть использовано при производстве источников питания с повышенными электрическими характеристиками.

Известен источник питания, содержащий электрохимический источник тока (аккумулятор), ключевой элемент с блоком управления и накопитель энергии. (А.с. СССР №560279, кл. H01M 10/50, 1977).

Недостатком указанного известного источника питания являются низкие удельные характеристики и ограниченное время работы, связанные с характеристиками используемого аккумулятора.

Из известных источников питания наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является источник питания, содержащий электрохимический источник тока, ключевой элемент с блоком управления и индуктивный накопитель энергии (Полезная модель №45842, кл. Н01M 12/06, 27.05.2005).

Недостатком этого известного источника питания являются низкие удельные характеристики и ограниченное время работы, связанные с неоптимальным выбором параметров составляющих источника питания.

Задачей изобретения является создание источника питания, обладающего повышенными электрическими характеристиками.

Указанный технический результат достигается тем, что источник питания содержит электрохимический источник тока, ключевой элемент с блоком управления и индуктивный накопитель энергии с индуктивностью L, при этом электрохимический источник тока зашунтирован конденсатором емкостью С_ш, в качестве электрохимического источника тока взят источник тока с водным раствором электролита, газодиффузионным катодом и внутренним сопротивлением R, определяемым выражением R=(0,09÷0,14)(L/C_ш)^0,5, при этом соотношение емкости электрохимического источника тока С_ист и емкости шунтирующего конденсатора С_ш определяется выражением С_ист=(50÷100)С_ш, а соотношение емкости шунтирующего конденсатора и индуктивности накопителя энергии определяется выражением LC_ш=(2/π)²T², где Т - время накопления энергии в индуктивном накопителе.

Использование в качестве электрохимического источника тока источника тока с водным раствором электролита, газодиффузионным катодом и внутренним сопротивлением R, определяемым выражением R=(0,09÷0,14)(L/C_ш)^0,5, выбор оптимальных соотношения емкости электрохимического источника тока С_ист и емкости шунтирующего конденсатора С_ш, определяемого выражением С_ист=(50÷100)С_ш, и соотношения емкости шунтирующего конденсатора и индуктивности накопителя энергии, определяемого выражением LC_ш=(2/π)²T², где Т - время накопления энергии в индуктивном накопителе, позволяет существенно повысить выходные электрические характеристики источника питания. Заявленный источник питания тока обладает существенно более высокими удельными электрическими характеристиками по сравнению с другими известными электрохимическими источниками тока. Указанные соотношения величин составляющих источника питания являются оптимальными и определены экспериментально в процессе разработки и испытаний источника питания.

Целесообразно, чтобы в качестве индуктивного накопителя энергии в схемах с отбором энергии в момент паузы тока был взят дроссель, а в случае отбора энергии как в режиме протекания, так и в режиме паузы тока был взят импульсный трансформатор. Использование указанных накопителей энергии с индуктивностью, определяемой вышеописанным соотношением, способствует повышению выходных характеристик источника питания за счет исключения диффузионной и поляризационной составляющих внутреннего сопротивления используемого электрохимического источника тока.

Из известных способов эксплуатации источника питания наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является способ, заключающийся в периодическом подключении и отключении электрохимического источника тока к индуктивному элементу накопительному посредством ключевого элемента. (Полезная модель №№45842, кл. Н01M 12/06, 27.05.2005).

Недостатком указанного известного способа является недостаточно высокие выходные электрические характеристики источника питания, что связано с неоптимальным выбором параметров составляющих источника питания.

Задачей изобретения является создание способа эксплуатации источника питания, обеспечивающего повышенные электрическими характеристиками.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе эксплуатации источника питания, заключающемся в периодическом подключении и отключении электрохимического источника тока с напряжением разомкнутой цепи U и током короткого замыкания I к индуктивному накопительному элементу посредством ключевого элемента, контролируют напряжение и ток нагрузки и при достижении значения тока i величины i=(0,1÷0,2)I отключают электрохимический источник тока от индуктивного накопительного элемента, а при достижении напряжения на электрохимическом источнике тока величины (0,6÷0,8)U вновь подключают электрохимический источник тока к индуктивному накопительному элементу.

Указанный способ эксплуатации позволяет существенно повысить выходные электрические характеристики источника питания за счет выбора оптимальных параметров для подключения и отключения электрохимического источника тока от индуктивного накопителя энергии. Указанный диапазон изменения тока нагрузки i=(0,1÷0,2)I найден экспериментально в процессе разработки и испытаний источника, соответствует линейной области изменения тока и является оптимальным.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, не известна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом и описанием работы источника.

На чертеже представлена функциональная схема источника питания.

Источник питания содержит электрохимический источник тока 1, например источник тока с магниевым анодом, газодиффузионным катодом и водным раствором электролита, ключевой элемент 2, блок управления 3, эквивалентная емкость источника тока 4, шунтирующую емкость 5, эквивалентное внутреннее сопротивление источника тока 6, индуктивный накопитель энергии 7. Источник тока работает следующим образом. При замыкании ключевого элемента 2 через накопительный элемент 7 протекает рабочий ток, являющийся суммой двух токов: тока источника тока 1 и тока шунтирующей емкости 5. Для получения максимального КПД перевода электрической энергии, запасенной в эквивалентной емкости источника тока, достижением максимального КПД по мощности, необходимо, чтобы нарастание в индуктивном накопителе происходило по линейному закону в соответствие с выражением i(t)=U/R(1-exp(-tR/L), где i - величина рабочего тока, t - время изменения тока, U - напряжение разомкнутой цепи, R - эквивалентное внутреннее сопротивление источника тока, L - величина индуктивности накопителя энергии. При достижении рабочего тока величины i=(0,1÷0,2)I отключают источник тока от накопительного элемента. В этот момент происходит передача энергии, запасенной в накопительном элементе, потребителю (не показан), а также заряд шунтирующей емкости 5, когда рабочее напряжение источника достигает величины (0,6÷0,8)U, вновь подключают электрохимический источник тока к индуктивному накопительному элементу.

Пример практической реализации. На базе одного элемента металловоздушного источника тока с водным раствором NaCl, магниевым анодом площадью 240 см², газодиффузионным катодом площадью 250 см². Источник тока имел напряжение разомкнутой цепи 1,7, эквивалентное внутреннее сопротивление 10 мОм и эквивалентную емкостью 14 мФ, ток короткого замыкания 170 А. Был изготовлен источник питания, включающий указанный источник тока, шунтирующую емкость С_ш=200 мкФ, дроссель в качестве накопителя с индуктивностью 3 мкГн, ключевой элемент и блок управления. Источник питания обеспечивал выходные напряжение 12 В при потребляемой нагрузкой (лампа накаливания) мощности 10 Вт.

Приведенные выше описание конструкции, работы заявляемого устройства и примера практической реализации показывает, что данное устройство может быть реализовано на практике. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию "промышленная применимость".

Источник питания содержит электрохимический, источник тока, ключевой элемент с блоком управления и индуктивный накопитель энергии с индуктивностью L, при этом электрохимический источник тока зашунтирован конденсатором емкостью С_ш, в качестве электрохимического источника тока взят источник тока с водным раствором электролита, газодиффузионным катодом и внутренним сопротивлением R, определяемым выражением R=(0,09÷0,14)(L/C_ш)^0,5, соотношение емкостей электрохимического источника тока и шунтирующего конденсатора определяется выражением С_ист=(50÷100)С_ш, а соотношение емкости шунтирующего конденсатора и индуктивности накопителя энергии определяется выражением LC_ш=(2/π)²/T², где Т - время накопления энергии в индуктивном накопителе. В качестве накопителя энергии взят дроссель или трансформатор. Что касается способа эксплуатации источника питания, при котором периодически подключают и отключают электрохимический источник тока с напряжением разомкнутой цепи U и максимальным током нагрузки I к индуктивному накопительному элементу посредством ключевого элемента, то при этом контролируют напряжение и ток в цепи электрохимического элемента и при достижении значения тока величины (0,1÷0,2)I отключают электрохимический источник тока от индуктивного накопительного элемента, а при достижении напряжения на электрохимическом источнике тока величины (0,6÷0,8)U вновь подключают электрохимический источник тока к индуктивному накопительному элементу. 2 н. и 2 з.п. ф-лы. 1 ил.

1. Источник питания, содержащий электрохимический источник тока, ключевой элемент с блоком управления и индуктивный накопитель энергии с индуктивностью L, отличающийся тем, что электрохимический источник тока зашунтирован конденсатором емкостью С_ш, в качестве электрохимического источника тока взят источник тока с водным раствором электролита, газодиффузионным катодом и эквивалентным внутренним сопротивлением R, определяемым выражением R=(0,09÷0,14)(L/C_ш)^0,5, при этом соотношение емкостей электрохимического источника тока и шунтирующего конденсатора определяется выражением С_ист=(50÷100)С_ш, а соотношение емкости шунтирующего конденсатора и индуктивности накопителя энергии определяется выражением LC_ш=(2/π)²/Т², где Т - время накопления энергии в индуктивном накопителе.2. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве накопителя энергии взят дроссель.3. Источник тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве накопителя энергии взят трансформатор.4. Способ эксплуатации источника питания, заключающийся в периодическом подключении и отключении электрохимического источника тока с напряжением разомкнутой цепи U и током короткого замыкания I к индуктивному накопительному элементу посредством ключевого элемента, отличающийся тем, что контролируют напряжение и ток нагрузки и при достижении значения тока величины (0,1÷0,2)I отключают электрохимический источник тока от индуктивного накопительного элемента, а при достижении напряжения на электрохимическом источнике тока величины (0,6÷0,8)U вновь подключают электрохимический источник тока к индуктивному накопительному элементу.