УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ БАТАРЕИ АККУМУЛЯТОРОВ С ПЛОСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ ЛАМЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ И КОРПУСОМ ИЗ НЕПРОВОДЯЩЕГО НЕМАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА Советский патент 1995 года по МПК H01M10/48 H01M10/50 H02H7/18 

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

Целью изобретения является сокращение габаритов и упрощение конструкции устройства.

На фиг.1 схематично представлено устройство для контроля состояния батареи аккумуляторов с плоскими электродами ламельной конструкции и корпусом из проводящего немагнитного материала, в сечении которого видно размещение платы с обмоткой и аккумуляторов; на фиг.2 то же устройство, вид сверху; на фиг.3 представлена электросхема устройства; на фиг.4 общий вид платы с обмоткой; на фиг.5 схематично представлен общий вид платы с размещенными внутри нее обмоткой, генератором переменного напряжения, пороговым элементом и источником стабильного напряжения постоянного тока.

Устройство содержит батарею 1 аккумуляторов 2 с плоскими электродами 3 ламельной конструкции и корпусом 4 из непроводящего немагнитного материала. Батарея 1 условно состоит из двух последовательно соединенных аккумуляторов 2. Аккумуляторы 2 комбинированы с индикатором их состояния, содержащим (фиг. 3 и 5) генератор 5 переменного напряжения, обмотку 6, первый вывод 7 которой соединен с первым выводом 8 генератора 5, пороговый элемент 9, сигнализатор 10, вход 11 которого подключен к выходу 12 порогового элемента 9, источник 13 стабильного напряжения постоянного тока и плату 14 из непроводящего немагнитного материала. Обмотка 6 выполнена плоской и размещена внутри платы 14 из непроводящего немагнитного материала, установленной между аккумуляторами 2. Второй вывод 15 обмотки 6 соединен с вторым выводом 16 генератора 5 переменного напряжения, а вход 17 порогового элемента 9 подключен к выходу 18 генератора 5. Соединение аккумуляторов 2 между собой в батарее 1 производится при помощи шины 19.

Генератор 5 переменного напряжения выполняется на транзисторе 20 по трехточечной схеме. Генератор 5 содержит в емкостной ветви колебательного контура два конденсатора 21 и 22, первые выводы которых соединены вместе, а вторые выводы подключены соответственно к выводам 8 и 16 генератора 5, соединенными соответственно с выводами 7и 15 обмотки 6, образующей индуктивную ветвь колебательного контура. Генератор 5 содержит также конденсаторы 23, 24 и 25, резисторы 26, 27, 28, 29 и 30. Второй вывод конденсатора 21 через разделительный конденсатор 23 подключен к базе транзистора 20, а второй вывод конденсатора 22 соединен с коллектором транзистора 20. Соединенные вместе первые выводы конденсаторов 21 и 22 подключены к соединительным вместе первым выводам резисторов 26 и 27, конденсатора 24 и первому выводу на выходе источника 13 стабильного напряжения постоянного тока. Второй вывод резистора 26 подключен к базе транзистора 20, а вторые выводы резистора 27 и конденсатора 24, соединенные вместе, подключены к эмиттеру транзистора 20. Первые выводы резисторов 28, 29 и 30 соединены вместе и подключены к второму выводу на выходе источника 13 стабильного напряжения. Вторые выводы этих резисторов подключены соответственно к базе и коллектору транзистора 20 и первому выводу конденсатора 25. Второй вывод конденсатора 25 подключен к коллектору транзистора 20, соединенному также с выходом 18 генератора 5.

Пороговый элемент 9 содержит на входе эмиттерный повторитель на транзисторе 31, несимметричный триггер с эмиттерной связью или триггер Шмитта на транзисторах 32 и 33 и выпрямитель на диоде 34, обеспечивающий подачу на вход триггера Шмитта однополярного сигнала с выхода эмиттерного повторителя на транзисторе 31. Эмиттерный повторитель уменьшает влияние порогового элемента 9 на работу генератора 5 переменного напряжения, а триггер Шмитта обеспечивает скачкообразное изменение сигнала на выходе 12 порогового элемента 9 по достижении напряжением на выходе генератора 5 заданной величины. Пороговый элемент 9 содержит также резисторы 35, 36, 37, 38, 39, 40,41, 42, 43, 44, 45 и 46, конденсаторы 47 и 48 и терморезистор 49. Резисторы 35 и 36 составляют делитель напряжения на входе эмиттерного повторителя на транзисторе 31. Первые выводы этих резисторов соединены вместе и подключены к базе транзистора 31 и через разделительный конденсатор 47 к входу 17 порогового элемента 9. Второй вывод резистора 35 соединен с коллектором транзистора 31, первыми выводами резисторов 39 и 41 и вторым выводом на выходе источника 13 стабильного напряжения. Второй вывод резистора 39 подключен к коллектору транзистора 32 и первому выводу резистора 40, второй вывод которого соединен с базой транзистора 33 и первым выводом резистора 42. Второй вывод резистора 41 соединен с коллектором транзистора 33 и выходом 12 порогового элемента 9. Эмиттер транзистора 31 соединен с первым выводом резистора 37 и анодом диода 34, катод которого подключен к базе транзистора 32 и первому выводу конденсатора 48. Эмиттер транзистора 32 подключен к соединенным вместе первым выводам резисторов 43, 44, 45, 46 и терморезистора 49 и эмиттеру транзистора 33. Вторые выводы резисторов 44, 45 и 46 подключены соответственно к клеммам 50, 51, 52. Вторые выводы резисторов 36, 37, 38, 42, 43, терморезистора 49 и конденсатора 48 соединены вместе и подключены к первому выводу на выходе источника 13 стабильного напряжения.

Источник 13 стабильного напряжения постоянного тока содержит стабилитрон 53, параллельно которому включен конденсатор 54. Выводы стабилитрона 53 подключены к выходу источника 13 стабильного напряжения. На вход источника 13 подается напряжение от сети постоянного тока или от контролируемой аккумуляторной батареи 1 (не показано). Стабилитрон 53 подключен к входу источника 13 через балластный резистор 55.

Генератор 5, пороговый элемент 9 и источник 13 стабильного напряжения выполняются по интегральной технологии и размещаются в корпусе 56, который крепится к плате 14 и выступает над поверхностью аккумуляторов 2. Корпус 56 содержит клеммы 57 для подключения к цепям питания и сигнализатору 10.

Плата 14 содержит панель 58 из листового электроизоляционного материала, укрепленную между накладками 59 из диэлектрика. Обмотка 6 наносится печатным способом с двух сторон панели 58. Причем печатные проводники выполняются в виде, например, прямоугольной спирали. При этом направление витков спирали на первой и второй сторонах панели 58 от начала обмотки 6 к ее концу совпадают. Соединение печатных проводников обмотки 6, размещенных на первой и второй сторонах панели 58, производится при помощи контактных площадок 60 с металлизацией в отверстии 61 между ними. Минимальная толщина платы 14 составляет 0,3-0,5 мм.

Резисторы 44, 45, 46 используются при настройке срабатывания порогового элемента 9. Подключение резисторов производится выборочно при помощи перемычек между клеммами 50, 51, 52 соответственно и клеммой 62, соединенной с вторым выводом резистора 43. Резисторы имеют различную величину сопротивления, например, в пропорции 1:2:3, что позволяет повысить точность настройки. Клеммы 50, 51, 52 и 62 выводятся на корпусе 56 (не показано). После настройки порогового элемента 9 эти клеммы изолируются.

Могут быть использованы также другие способы настройки срабатывания порогового элемента 9, например изменение соотношения сопротивления плеч делителя напряжения на входе эмиттерного повторителя на транзисторе 31 за счет изменения сопротивления резистора 35 или 36. Для настройки могут также применяться переменные резисторы.

При помощи терморезистора 49 повышается стабильность работы устройства при изменении температуры окружающей среды. При этом терморезистор 49 может размещаться не только в корпусе 56, но и внутри платы 14 (не показано).

Аккумуляторы 2 помещены в контейнер 63. Причем плата 14 заменяет прокладку, используемую для уплотнения аккумуляторов 2 при их размещении в контейнере 63. Подключение батареи 1 аккумуляторов 2 к нагрузке производится при помощи клемм 64.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения на вход источника 13 стабильного напряжения постоянного тока возбуждается генератор 5 переменного напряжения. Обмоткой 6 колебательного контура генератора 5 создается переменное электромагнитное поле с частотой 20-500 кГц. При этом в стальных ламелях электродов 3 аккумуляторов 2, расположенных по обе стороны обмотки 6, наводятся вихревые токи, глубина проникновения которых в указанном диапазоне частот меньше толщины материала ламели электрода. Электромагнитное поле вихревых токов оказывает обратное воздействие на обмотку 6, вызывая в ней изменение активного и реактивного сопротивлений при изменении сопротивления ламелей 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 аккумулятора 2 от источника постоянного напряжения, начинается тепловой разгон аккумуляторов 2, приводящий к их выходу из строя.

Изменение магнитных свойств стали ламелей электродов 3 при их нагреве оказывает значительно меньшее влияние на параметры колебательного контура с обмоткой 6, чем измерение проводимости, так как температура точки Кюри стали (750-770^оС) значительно превышает максимальную рабочую температуру электродов 3 аккумуляторов 2 (70-80^оС). Влияние на работу устройства магнитного потока, рассеиваемого обмоткой 6, не связанного с ламелями электродов 3, практически исключается, так как обмотка находится в узком пазу между электродами 3 двух аккумуляторов 2, стальные ламели которых перекрывают и экранируют обмотку 6.

При температуре электродов 3 аккумуляторов 2 ниже предельно допустимой (70-80^оС) напряжение на входе транзистора 32 триггера Шмитта меньше падения напряжения на сопротивлении в его эмиттерной цепи, т.е. на параллельно соединенных резисторе 43, подстроечных резисторах 44, 45, 46 (в выбранном при настройке наборе) и терморезисторе 49. При этом транзистор 32 закрыт, а транзистор 33 открыт и напряжение на входе 11 сигнализатора 10, снимаемое с выхода 12 порогового элемента 9, имеет минимальную величину. Сигнализатор 10 выдает информацию о нормальной работе батареи 1 аккумуляторов 2.

Нагрев электродов 3 аккумуляторов 2 увеличивает сопротивление ламелей вихревым токам, при этом уменьшаются потери, вносимые в колебательный контур генератора 5. Поэтому при повышении температуры электродов 3 аккумулятора 2 напряжение на выходе 18 генератора 5 возрастает.

При увеличении температуры электродов 3 аккумулятора 2 выше 70-80^оС напряжение на выходе 18 генератора 5 достигает значения, при котором величина напряжения на входе транзистора 32 порогового элемента 9, снимаемого с выпрямителя на диоде 34, резисторе 38 и конденсаторе 48, подключенного к выходу эмиттерного повторителя на транзисторе 31, становится больше падения напряжения на сопротивлении в эмиттерной цепи триггера на транзисторах 32 и 33. Происходит скачкообразное изменение состояния порогового элемента 9, транзистор 32 открывается, а транзистор 33 закрывается. Напряжение на входе 11 сигнализатора 10 достигает максимальной величины и сигнализатор 10 выдает сигнал об аварийном изменении состояния батареи 1 аккумуляторов 2, т.е. о переходе аккумуляторов 2 в режим теплового разгона.

Сигнализатор 10 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.

Устройство может быть изготовлено в виде гибридной интегральной схемы. При этом внутри платы 14 размещаются кроме обмотки 6 генератор 5 переменного напряжения, пороговый элемент 9 и источник 13 стабильного напряжения постоянного тока. При изготовлении этого варианта устройства используются бескорпусные полупроводниковые компоненты. Устройство может также содержать более двух аккумуляторов в батарее 1. При этом количество используемых плат 14 с обмоткой 6, каждая из которых работает в комплекте с генератором 5, пороговым элементом 9, источником 13 стабильного напряжения и сигнализатором 10, определяется исходя из требуемой достоверности результатов контроля.

Предлагаемое техническое решение позволяет снизить габариты устройства за счет выполнения чувствительного элемента в форме плоской обмотки, размещаемой внутри тонкой платы, устанавливаемой между аккумуляторами и используемой в конструкции вместо прокладки между аккумуляторами, служащей для их уплотнения в контейнере батареи.

Использование предлагаемого устройства упрощает конструкцию батареи аккумуляторов, так как для размещения чувствительного элемента, реагирующего на изменение температуры аккумулятора, не требуется введения в конструкцию батареи аккумуляторов дополнительных узлов. Упрощается также электросхема устройства за счет уменьшения количества функциональных блоков.

Использование: контроль состояния аккумуляторов с плоскими электродами ламельной конструкции и корпусом из непроводящего немагнитного материала, комбинированным с индикаторами состояния, сигнализирующими о переходе аккумуляторов в аварийный режим при тепловом разгоне. Сущность изобретения: устройство содержит генератор 5 переменного напряжения, обмотку 6, соединенную с выводами генератора, пороговый элемент 9, сигнализатор 10, подключенный к выходу порогового элемента 9, источник 13 стабильного напряжения постоянного тока и плату 14 из непроводящего немагнитного материала. При этом обмотка 6 размещена внутри платы 14, установленной между аккумуляторами, а вход 17 порогового элемента 9 подключен к выходу 18 генератора 5. Генератор 5, пороговый элемент 9 и источник 13 стабильного напряжения постоянного тока размещены внутри платы 14. При увеличении температуры электродов аккумулятора выше 70 - 80°С напряжение на выходе генератора повышается и вызывает скачкообразное изменение состояния порогового элемента 9 и сигнализатор 10 выдает сигнал об аварийном состоянии. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ БАТАРЕИ АККУМУЛЯТОРОВ С ПЛОСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ ЛАМЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ И КОРПУСОМ ИЗ НЕПРОВОДЯЩЕГО НЕМАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА, содержащее генератор переменного напряжения, обмотку, первый вывод которой соединен с первым выводом генератора, пороговый элемент, сигнализатор, подключенный к выводу порогового элемента, источник стабильного напряжения постоянного тока и плату из непроводящего немагнитного материала, отличающееся тем, что, с целью сокращения его габаритов и упрощения конструкции, обмотка выполнена плоской и размещена внутри платы, установленной между аккумуляторами, при этом второй вывод обмотки соединен с вторым выводом генератора переменного напряжения, а вход порогового элемента подключен к выходу генератора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор переменного напряжения, пороговый элемент и источник стабильного напряжения постоянного тока размещены внутри платы.