ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Российский патент 2010 года по МПК H01M12/06 H02J7/04 B60L11/18 

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

Известен источник питания, содержащий электрохимический источник тока (аккумулятор), ключевой элемент с блоком управления и накопитель энергии (А.С. СССР №560279, кл. Н01М 10/50, 1977).

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

Известен источник питания, содержащий электрохимический источник тока, ключевой элемент с блоком управления и индуктивный накопитель энергии (Полезная модель №45842, кл. Н01М 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.

Из известных источников питания наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является источник питания, содержащий электрохимический источник тока (ЭХИТ), включающий, по крайней мере, один элемент с анодом и катодом, разделенными электролитом, шунтирующую емкость, подключенную к выходу ЭХИТ, DC-DC преобразователь с ключевым элементом, блоком управления и индуктивным накопителем энергии (Патент РФ №2302060 С1, кл. Н01М 12/06).

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

Техническим результатом изобретения является создание источника питания, обладающего повышенными удельными электрическими характеристиками.

Указанный технический результат достигается тем, что источник питания содержит электрохимический источник тока (ЭХИТ), включающий, по меньшей мере, один элемент с анодом и катодом, разделенными электролитом, шунтирующую емкость, подключенную к электрическому выходу ЭХИТ, DC-DC преобразователь с ключевым элементом с блоком управления и индуктивным накопителем энергии. Вход DC-DC преобразователя подключен к шунтирующей емкости, а выход подключен к нагрузке. Блок управления выполнен с возможностью реализации функции регулирования частоты переключения ключевого элемента в диапазоне 5 кГц ÷ 1МГц, при этом удельный импеданс анода составляет 0,01÷1,6 Ом·см. Соотношение величин шунтирующей емкости С_ш и дифференциальной емкости анода С_а определялось выражением С_ш/С_а=0,5÷5. Указанные диапазоны изменения удельного импеданса анода и соотношения емкостей являются оптимальными. Выбор оптимальных значений указанных параметров в конечном итоге сказывается на стоимостных показателях изготовления ЭХИТ и преобразователя. Заявленный диапазон изменения удельного импеданса анода определяется тем, что при малых плотностях тока разряда (I≤100 мА/см²) в постоянно-токовом режиме разряда ЭХИТ удельный импеданс анода Ra превышает 4 Ом·см² (см. фиг.2). В указанном случае для заметного снижения удельного импеданса анода достаточно работать в частотном токовом режиме при частоте 5 кГц, при этом удельный импеданс анода снижается до 1,5 Ом·см². При плотностях тока более 100 мА/см² удельный импеданс анода R_a при постоянно токовом режиме снижается до 1 Ом·см² и для уменьшения внутреннего сопротивления ЭХИТ необходимо уменьшить удельный импеданс анода хотя бы на два порядка до 0,01 Ом·см², для чего необходимо увеличить частоту токового режима до 1 МГц. Таким образом, диапазон частот переключения ключевого элемента составляет от 5 кГц до 1 МГц, а соответствующий ему диапазон изменения удельного импеданса анода составляет 0,01÷1,6 Ом·см². При частоте переключения 4 кГц удельный импеданс анода составил 2,3 Ом·см, что значительно больше, чем 1,6 Ом·см². При частоте переключения более 1 МГц не происходит дальнейшего уменьшения импеданса анода и внутреннего сопротивления ЭХИТ, поскольку оно определяется сопротивлением электролита, которое не зависит от частоты. Оптимальность соотношения емкостей С_ш/С_а=0,5÷5 подтверждается ниже.

Целесообразно, чтобы входное сопротивление DC-DC преобразователя составляло 0,5÷5,0 мОм. Указанный диапазон входного сопротивления преобразователя обеспечивает максимальный КПД преобразования электрической энергии. Сопротивление преобразователя менее 0,5 мОм сложно реализовать технически, при сопротивлении более 5 мОм растут потери энергии в преобразователе и снижается КПД. Целесообразно, чтобы DC-DC преобразователь содержал планарный трансформатор, к J выходной обмотке которого подключен индуктивный накопитель энергии. Планарный трансформатор имеет малые габариты и прост в изготовлении. На выходе трансформатора напряжение, по крайней мере, на порядок выше, чем напряжение на входе в трансформатор. Индуктивный накопитель, выполненный на более высокое выходное напряжение, при прочих равных условиях, имеет меньшие габариты и массу. ЭХИТ имеет внутреннее сопротивление R, равное сумме сопротивлений электролита, катода и анода. (R=R_эл+R_к+R_a), причем сопротивление анода можно упрощенно представить в виде эквивалентной схемы фиг.1, где: С_д.с. - емкость двойного слоя, R_θ - сопротивление прохождению заряда через двойной слой, R_эл - сопротивление электролита.

Рассмотрим вклад анодной составляющей в суммарное внутреннее сопротивление ЭХИТ на примере магний-воздушного ЭХИТ при двух режимах работы: постоянно-токовом и частотном.

В постоянно-токовых режимах работы ЭХИТ сопротивление анода R_a определяется составляющей R_θ, которая будет уменьшаться с увеличением плотности тока за счет увеличения концентрации реагирующих веществ в двойном слое и изменения энергии активации, определяемой скачком потенциала в плотной части двойного слоя.

На Фиг.2 показана зависимость удельного сопротивления R_θ от плотности тока.

При частотном режиме отбора энергии сопротивление анода R_a будет определяется импедансом.

,

где С_д.с. - дифференциальная емкость двойного слоя, f - частота переключения.

Причем емкость двойного слоя зависит от потенциала анода.

На Фиг.3 показаны типичные кривые дифференциальной емкости металлов в растворе 0,1 М и C₅H₁₁OH на фоне 0,1 N растворов поверхностно-неактивных электролитов (А.Н.Фрумкин, Потенциалы нулевого заряда, Москва, 1970, «Наука», с.158).

В отрицательной области потенциалов в поверхностно-неактивных электролитах для всех металлов дифференциальная емкость двойного электрического слоя, как видно из фиг.3, имеет величину порядка 17 мкф/см² (Р.Р.Солем, Теоретическая электрохимия, Москва «Вузовская книга», 2001, с 312-313). Следовательно, при определенном частотном режиме отбора энергии удельный импеданс анода можно снизить настолько, что внутреннее сопротивление ЭХИТ будет приблизительно равно сопротивлению электролита. Например, при частоте 100 кГц удельный импеданс анода составит 0,09 Ом·см². Удельное сопротивление электролита при 0,5 см межэлектродном зазоре при рабочей температуре, равной 60÷70°С, составляет примерно 2,5÷3 Ом·см². Удельное сопротивление современных газодиффузионных катодов составляет при той же температуре ≈0,8÷1 Ом·см². Следовательно, суммарное внутреннее сопротивление в 100 кГц режиме работы ЭХИТ составит (если брать максимальные значения R_эл и R_к) ≈4,1 Ом·см², причем R_a составит ≈2,5% от суммарного внутреннего сопротивления, т.е. ≈0,1 Ом·см².

В постоянно-токовом режиме работы ЭХИТ составляющая R_a при плотностях тока, реализуемых на практике (50÷100 мА/см²), составляет ≈6 Ом·см² (см. Фиг.2). Соответственно, суммарное внутреннее удельное сопротивление составит ≈10 Ом·см², что примерно в 2,5 раза выше, чем в частотном режиме работы, а R_a составит 60% от общего сопротивления.

Превышение мощности, по сравнению с постоянно-токовым режимом отбора энергии, в частотном режиме будет определяться минимальным значением скважности, которая ограничена временем передачи энергии, запасенной в накопительном элементе, потребителю. Шунтирующая емкость С_ш=0,5÷5 С_а подбирается таким образом, чтобы при отключении ЭХИТ от преобразователя потенциал анода не опускался в область более отрицательных значений потенциала, т.к. удельная емкость при менее отрицательных значениях потенциала выше, в особенности при адсорбции органических веществ (Фиг.3).

Сущность изобретения поясняется чертежом (Фиг.4) и описанием работы источника.

Источник питания содержит ЭХИТ 1, например, с магниевым анодом и газодиффузионным катодом, водным раствором электролита, преобразователь постоянного напряжения в постоянное (DC-DC преобразователь) с ключевым элементом 2 с блоком управления и индуктивным накопителем энергии 5, шунтирующую емкость 3, накопительный конденсатор 6 и сопротивление нагрузки 7. Вход DC-DC преобразователя, образованный одним выводом ключевого элемента 2, подключен к шунтирующей емкости 3, а выход, образованный выводом индуктивного накопителя энергии 5, подключен к нагрузке 7. DC-DC преобразователь может содержать планарный трансформатор 4, первичная обмотка которого подключена через ключевой элемент к шунтирующей емкости 3, а вторичная - к индуктивному накопителю энергии 5. Соотношение величин шунтирующей емкости С_ш и дифференциальной емкости анода С_а определялось выражением С_ш/С_а=0,5÷5. Входное сопротивление DC-DC преобразователя составляло 0,5÷5,0 мОм.

Источник тока работает следующим образом. При замыкании ключевого элемента 2 протекает ток, равный сумме тока источника 1 и шунтирующей емкости С_ш 3. Энергия, накапливаясь в индуктивном накопители энергии 5, передается в нагрузку 7 через накопительный конденсатор 6. Время отключенного состояния определяется минимальным временем передачи энергии, запасенной в индуктивном накопителе 5, потребителю 7. Максимальный КПД перевода электрической энергии достигается путем снижения входного сопротивления преобразователя меньше 1 мОм.

Пример практической реализации на базе одного металловоздушного источника тока с водным раствором NaCl, магниевым анодом площадью 280 см², газодиффузионным катодом 240 см².

Источник имел напряжение разомкнутой цепи 1,74 В. Межэлектродное расстояние составляло 0,5 см. Был изготовлен источник питания, включающий указанный источник тока, шунтирующую емкость С_ш=10500 мкF, ключевой элемент с блоком управления, планарный трансформатор с накопительным элементом во вторичной цепи. Источник питания обеспечивал выходное напряжение 12 В. Входное сопротивление преобразователя составляло 1 мОм.

Источник тока в постоянно-токовом режиме дал максимальную мощность 42 Вт при напряжении 0,84 В на источнике при температуре 50°С. Плотность тока составила 197 мА/см². После 40 минут работы напряжение на источнике снизилось до 0,75 В, после чего работа была прекращена (т.к. межэлектродное пространство было заполнено продуктами реакции). В постоянно-токовом режиме работы ЭХИТ внутреннее сопротивление составило R_вн=18 мОм, ток=50 А.

После работы в постоянно-токовом режиме к ЭХИТ был подключен DC-DC преобразователь. Были получены следующие результаты. На выходе преобразователя:

Выходное напряжение 12,05 В

Ток нагрузки 3,5 А

Мощность 41,2 Вт.

Преобразователь до эксперимента был тестирован: КПД при входном напряжении 0,9 В и мощности от 45÷60 Вт составил 0,8. Потери в преобразователе составили 11,5 Вт. Потери в соединительных проводах составили 1,5 Вт. Следовательно, на вход преобразователя было подано ≈54,2 Вт.

Ток источника составил 58 А. Действующее напряжение - 0,93 В.

Из расчета ΣR_вн ЭХИТ составил 13 мОм.

По оценке постоянно-токовый режим ΣR_вн=18 мОм.

Уменьшение сопротивления составило 5 мОм.

Далее преобразователь был настроен на частоту 77000 Гц. Внутреннее сопротивление ЭХИТ снизилось несущественно - с 13 Мом до 12,5, однако расход металла снизился почти на 10%.

При работе в режиме 27 кГц расход составил 1,62 А·ч/г, а удельный импеданс анода - 0,37 Ом·см².

При работе в режиме 77 кГц расход составил 1,78 А·ч/г, а удельный импеданс анода - 0,13 Ом·см².

Напряжение на ЭХИТ во время работы в частотных режимах не снижалось (межэлектродное пространство не забивалось продуктами реакции).

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

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве источников питания с повышенными электрическими характеристиками, включающих высокочастотные преобразователи постоянного напряжения в постоянное. Источник питания содержит электрохимический источник тока (ЭХИТ), включающий, по меньшей мере, один элемент с анодом и катодом, разделенными электролитом, шунтирующую емкость, подключенную к электрическому выходу ЭХИТ, DC-DC преобразователь с ключевым элементом, блоком управления и индуктивным накопителем энергии, подключенный к шунтирующей емкости. Блок управления реализует функцию регулирования частоты переключения ключевого элемента в диапазоне 5 кГц ÷ 1 МГц. Удельный импеданс анода составляет 0,016÷1,6 Ом·см². Соотношение величин шунтирующей емкости С_ш и дифференциальной емкости анода С_а определяется выражением С_ш/С_а=0,5÷5. Входное сопротивление DC-DC преобразователя составляет 0,5÷5,0 мОм. DC-DC преобразователь содержит планарный трансформатор, а индуктивный накопитель энергии подключен к выходной обмотке планарного трансформатора. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Источник питания, содержащий электрохимический источник тока (ЭХИТ), включающий, по меньшей мере, один элемент с анодом и катодом, разделенными электролитом, шунтирующую емкость, подключенную к электрическому выходу ЭХИТ, DC-DC преобразователь с ключевым элементом, блоком управления и индуктивным накопителем энергии, вход DC-DC преобразователя подключен к шунтирующей емкости, а выход подключен к нагрузке, отличающийся тем, что указанный блок управления выполнен с возможностью реализации функции регулирования частоты переключения ключевого элемента в диапазоне 5 кГц ÷ 1 МГц, удельный импеданс анода составляет 0,01·1,6 Ом·см².

2. Источник питания по п.1, отличающийся тем, что соотношение величин шунтирующей емкости С_ш и дифференциальной емкости анода С_а определяется выражением С_ш/С_а=0,5÷5.

3. Источник питания по п.1, отличающийся тем, что входное сопротивление DC-DC преобразователя составляет 0,5÷5,0 мОм.

4. Источник питания по п.1, отличающийся тем, что DC-DC преобразователь содержит планарный трансформатор, первичная обмотка которого подключена через ключевой элемент к шунтирующей емкости, а вторичная обмотка подключена к индуктивному накопителю энергии.