RU94383U1

RU94383U1 - PRIMARY LITHIUM BATTERY

Info

Publication number: RU94383U1
Application number: RU2010105266/22U
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Галкин; Роман Петросович Папикян; Алексей Александрович Савин; Игорь Рудольфович Хан
Original assignee: Открытое акционерное общество "Литий-Элемент"
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2010-05-20

Abstract

Первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, одну цепь последовательно соединенных первичных литиевых источников тока (ИТ), положительный и отрицательный выводы которой подключены, соответственно, к положительному и отрицательному токовыводам батареи, полевой транзистор, источник опорного напряжения с положительным и отрицательным выводами, при этом приводящий канал полевого транзистора включен между одним из выводов цепи ИТ и токовыводом батареи, источник опорного напряжения соединен выводом одноименной полярности с другим выводом цепи ИТ, термопредохранитель, размещенный в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и имеющий температуру срабатывания, не превышающую максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, отличающаяся тем, что снабжена резистором, подключенным к затвору полевого транзистора и выводу цепи ИТ, к которому подключен проводящий канал полевого транзистора, а термопредохранитель электрически включен последовательно с источником опорного напряжения в цепи, соединяющей затвор полевого транзистора с выводом цепи ИТ. A primary lithium battery containing at least one circuit of series-connected primary lithium current sources (IT), the positive and negative terminals of which are connected, respectively, to the positive and negative current terminals of the battery, a field-effect transistor, a reference voltage source with positive and negative terminals, in this case, the driving channel of the field-effect transistor is connected between one of the terminals of the IT circuit and the current output of the battery, the reference voltage source is connected by the terminal of the same polarity with the other terminal of the IT circuit, a thermal fuse located in the zone of the thermal energy flow from the field-effect transistor and having an operation temperature not exceeding the maximum permissible the operating temperature of the field-effect transistor, characterized in that it is equipped with a resistor connected to the gate of the field-effect transistor and the terminal of the IT circuit, to which the conducting channel of the field-effect transistor is connected, and the thermal fuse is electrically connected in series with the source reference voltage in the circuit connecting the gate of the field-effect transistor with the output of the IT circuit.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, электрическому оборудованию, а именно первичной батареи для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую, и может быть использована при производстве батарей из первичных химических источников тока (ИТ), предназначенных для основного и резервного обеспечения электроэнергией систем телемеханики и аварийной сигнализации, автономной диагностической аппаратуры внутритрубных инспекционных приборов нефтепроводов и газопроводов, а также для применения в качестве автономных источников питания других различных электронных устройств и приборов.The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular, electrical equipment, namely, a primary battery for direct conversion of chemical energy into electrical energy, and can be used in the production of batteries from primary chemical current sources (IT), intended for primary and backup power supply of telemechanics systems and alarm systems, autonomous diagnostic equipment for in-line inspection instruments for oil and gas pipelines, as well as for I as autonomous power sources other various electronic devices and appliances.

Известна первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельных цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первичных литиевых ИТ, объединенных в едином корпусе, оборудованном контактными выводами, при этом батарея дополнительно снабжена электронным регулятором, который содержит диоды, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, и, по крайней мере, два диода, подключенных последовательно после каждого ИТ, являющегося последним в каждой цепи последовательно соединенных ИТ, при этом батарея содержит литиевые ИТ одной электрохимической системы, а все цепи содержат одинаковое количество ИТ, при этом разность между значениями выходного напряжения батареи без внешней нагрузки и выходного напряжения батареи под нагрузкой не превышает четырехкратного значения выходного напряжения любого ИТ батареи, измеренного без нагрузки (см. патент РФ на полезную модель №43106, МПК Н01М 10/48, опубл. 27.12.2004 г.).Known primary lithium battery containing at least two parallel circuits, each of which consists of series-connected primary lithium IT, combined in a single housing equipped with contact leads, while the battery is additionally equipped with an electronic controller that contains diodes, each of which connected in parallel with one IT, and at least two diodes connected in series after each IT, which is the last in each chain of IT connected in series, while the battery with holds lithium IT of one electrochemical system, and all circuits contain the same amount of IT, while the difference between the output voltage of the battery without external load and the output voltage of the battery under load does not exceed four times the output voltage of any IT battery measured without load (see RF patent Utility Model No. 43106, IPC Н01М 10/48, published on December 27, 2004).

В известной конструкции используется, так называемая, диодная защита первичных литиевых источников тока от их переразряда, при которой параллельно ИТ подключается диод. Диодная защита ограничивает напряжение переполюсовки ИТ при его переразряде, но она не защищает ИТ от глубокого разряда, т.е. разряда ИТ при разрядном напряжении менее 2 В. В этом случае в первичных литиевых ИТ происходит накопление побочных, в том числе пожароопасных продуктов, которые не стабильны, и присутствие даже незначительных количеств воды резко ускоряет экзотермическое разложение этих продуктов, что с большой вероятностью может приводить к взрыву ИТ. При глубоком разряде в ИТ возможно полное израсходование электролита и образование, так называемых, «сухих пятен», приводящих к возгоранию лития и взрыву ИТ, что не допустимо в эксплуатации. Это указывает на недостаточную надежность и безопасность батареи в целом.The known design uses the so-called diode protection of primary lithium current sources from overdischarge, in which a diode is connected in parallel with IT. Diode protection limits the IT polarity reversal voltage during its overdischarge, but it does not protect IT from deep discharge, i.e. IT discharge at a discharge voltage of less than 2 V. In this case, secondary lithium IT accumulates by-products, including fire hazardous products, which are unstable, and the presence of even small amounts of water dramatically accelerates the exothermic decomposition of these products, which is likely to lead to IT explosion. With a deep discharge in IT, it is possible that the electrolyte is completely consumed and so-called “dry spots” are formed, resulting in lithium ignition and IT explosion, which is not permissible in operation. This indicates a lack of reliability and safety of the battery as a whole.

Известна первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельно соединенные с токовыводами через термопредохранитель электрические цепи, состоящие из первичных литиевых элементов, каждый из которых имеет параллельно соединенный с ним диод, при этом каждая электрическая цепь имеет защитное средство в виде последовательно включенного в нее диода, причем батарея имеет контрольные выводы, каждый из которых соединен с одной соответствующей цепью в точке, расположенной между последним первичным литиевым элементом цепи и последовательно включенным диодом. Каждый контрольный вывод батареи может быть соединен с соответствующей электрической цепью через высокоомный резистор. При этом батарея может быть снабжена дополнительными контрольными выводами по числу остальных первичных литиевых элементов, кроме последних, а каждый из дополнительных контрольных выводов соединен с положительным выводом соответствующего первичного литиевого элемента (см. патент РФ на полезную модель №45204. МПК Н01М 10/00, опубл. 27.04.2005 г.).Known primary lithium battery containing at least two parallel connected to current leads through a thermal fuse electrical circuit, consisting of primary lithium cells, each of which has a parallel diode connected to it, each electrical circuit has a protective tool in the form of series-connected in a diode, and the battery has test leads, each of which is connected to one corresponding circuit at a point located between the last primary lithium element of the circuit and sequentially connected diode. Each control terminal of the battery can be connected to the corresponding electric circuit through a high-resistance resistor. In this case, the battery can be equipped with additional test leads by the number of other primary lithium cells, except the last, and each of the additional test leads is connected to the positive terminal of the corresponding primary lithium cell (see RF patent for utility model No. 45204. IPC Н01М 10/00, published on April 27, 2005).

В известной конструкции также каждый из первичных литиевых элементов имеет параллельно соединенный с ним диод, ограничивающий напряжение переполюсовки ИТ при его переразряде. Вместе с тем, он не защищает ИТ от глубокого разряда, при котором в первичных литиевых ИТ происходит накопление нестабильных пожароопасных продуктов, что может привести к возгоранию и взрыву ИТ, что указывает на недостаточную надежность и безопасность батареи в целом.In the known construction, each of the primary lithium cells also has a diode connected in parallel with it, limiting the voltage of IT reverse polarity during its overdischarge. At the same time, it does not protect IT from deep discharge, in which unstable fire hazardous products accumulate in primary lithium IT, which can lead to IT fire and explosion, which indicates insufficient reliability and safety of the battery as a whole.

Известна также первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельных цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первичных литиевых ИТ, объединенных в едином корпусе, оборудованном контактными выводами, при этом батарея дополнительно снабжена электронным регулятором, который содержит диоды, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, и, по крайней мере, два диода, подключенных последовательно после каждого ИТ, являющегося последним в каждой цепи последовательно соединенных ИТ, при этом каждая цепь последовательно соединенных первичных литиевых ИТ дополнительно снабжена предохранителем, включенным между общим проводом всех параллельных цепей и первым ИТ цепи. По крайней мере, одна цепь последовательно соединенных первичных литиевых ИТ может быть дополнительно снабжена предохранителями, включенными между каждым ИТ цепи и его соединением с диодом, включенным параллельно ИТ (см. патент РФ на полезную модель №46388, МПК Н01М 10/48, опубл. 27.06.2005 г.).A primary lithium battery is also known, containing at least two parallel circuits, each of which consists of series-connected primary lithium IT, combined in a single housing equipped with contact leads, the battery being additionally equipped with an electronic controller that contains diodes, each of which are connected in parallel with one IT, and at least two diodes connected in series after each IT, which is the last in each chain of IT connected in series, with each I chain of series-connected primary lithium IT is further provided with a fuse connected between a common wire of parallel chains and the first IT chain. At least one circuit of series-connected primary lithium ITs can be additionally equipped with fuses connected between each IT circuit and its connection with a diode connected in parallel with IT (see RF patent for utility model No. 46388, IPC Н01М 10/48, publ. June 27, 2005).

Известная батарея также снабжена диодной защитой и предохранителями для исключения последствий внутрисхемных замыканий. Однако известная защита не предохраняет от глубокого разряда ИТ, при котором может происходить накопление побочных нестабильных, в том числе, пожароопасных, продуктов, что может приводить к взрыву ИТ, что указывает на недостаточную надежность и безопасность батареи в целом.The known battery is also equipped with diode protection and fuses to eliminate the effects of in-circuit short circuits. However, the well-known protection does not protect against a deep IT discharge, during which accumulation of side unstable, including fire hazardous products can occur, which can lead to an IT explosion, which indicates insufficient reliability and safety of the battery as a whole.

Наиболее близким к предложенному техническому решению является первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, одну цепь последовательно соединенных первичных литиевых ИТ, положительный и отрицательный выводы которой подключены, соответственно, к положительному и отрицательному токовыводам батареи, снабженная полевым транзистором и источником опорного напряжения с положительным и отрицательным выводами, причем проводящий канал полевого транзистора включен между одним из выводов цепи ИТ и токовыводом батареи, источник опорного напряжения соединен выводом одноименной полярности с другим выводом цепи ИТ, а выводом противоположной полярности источник опорного напряжения соединен с затвором полевого транзистора. Известная батарея может быть снабжена термопредохранителем или самовосстанавливающимся предохранителем, размещенным в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и электрически включенным последовательно с проводящим каналом полевого транзистора, при этом температура срабатывания такого термопредохранителя или самовосстанавливающего предохранителя не превышает максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора (см. патент РФ на полезную модель №71819, МПК Н01М 10/48, опубл. 20.03.2008 г.).Closest to the proposed technical solution is a primary lithium battery containing at least one circuit of series-connected primary lithium IT, the positive and negative terminals of which are connected, respectively, to the positive and negative current leads of the battery, equipped with a field-effect transistor and a reference voltage source with positive and negative terminals, moreover, the conducting channel of the field-effect transistor is connected between one of the terminals of the IT circuit and the battery current output, the source of -frequency voltage of same polarity terminal connected to the other terminal IT chain, and the opposite polarity terminal of a reference voltage source connected to the gate of the FET. The known battery may be equipped with a thermal fuse or a self-healing fuse located in the heat energy flow from the field effect transistor and electrically connected in series with the conducting channel of the field effect transistor, while the response temperature of such a thermal fuse or self-healing fuse does not exceed the maximum permissible operating temperature of the field effect transistor (see patent RF for utility model No. 71819, IPC Н01М 10/48, publ. March 20, 2008).

Известная конструкция батареи при малых токах разряда (менее 1 А) исключает возможность глубокого разряда батареи и ее составных элементов. Исключение возможности глубокого разряда обеспечивается встроенными в батарею дополнительными элементами, такими как полевой транзистор, источник опорного напряжения, а также предохранительным элементом, установленным в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора. При больших токах разряда батарей (более 5 А) и снижении разрядного напряжения ниже конечного напряжения происходит разогрев корпуса полевого транзистора. При этом во время срабатывания полевого транзистора, например, закрытии проводящего канала полевого транзистора, при мощных нагрузках возможен тепловой пробой полевого транзистора, вследствие превышения текущей рабочей температуры полевого транзистора значения его максимально допустимой температуры эксплуатации, после чего продолжится протекание токов через полевой транзистор, приводя в конечном итоге к глубокому разряду ИТ. Термопредохранитель или самовосстанавливающийся предохранитель, находящийся в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора, нагреваясь от полевого транзистора, при достижении определенной температуры (в пределах допустимой рабочей температуры полевого транзистора) срабатывает, дополнительно разрывая цепь, прекращая протекание токов через полевой транзистор. Однако, при больших токах разряда в данной конструкции необходимо использовать термопредохранители достаточно крупногабаритные, что значительно повышает их время срабатывания из-за большой собственной теплоемкости. Из-за увеличенного времени срабатывания термопредохранителя может происходить перегрев полевого транзистора и короткое замыкание (тепловой пробой) проводящего канала. После короткого замыкания проводящего канала его электрическое сопротивления резко будет снижено, что приведет к остыванию (снижению температуры) корпуса полевого транзистора. При таких условиях срабатывание термопредохранителя становится невозможным, а, следовательно, не будут устранены причины, обеспечивающие предпосылки для глубокого разряда элементов батареи, в частности, будет продолжено протекание тока через полевой транзистор. Как уже отмечалось, при глубоком разряде батареи возможно разгерметизация (взрыв) отдельных элементов и батареи в целом, что является недопустимым в эксплуатации.The known design of the battery at low discharge currents (less than 1 A) eliminates the possibility of deep discharge of the battery and its constituent elements. An exception to the possibility of deep discharge is provided by additional elements built into the battery, such as a field effect transistor, a voltage reference source, as well as a safety element installed in the zone of thermal energy flow from the field effect transistor. At high discharge currents of the batteries (more than 5 A) and a decrease in the discharge voltage below the final voltage, the field-effect transistor body heats up. At the same time, during the operation of the field-effect transistor, for example, closing the conducting channel of the field-effect transistor, thermal breakdown of the field-effect transistor is possible under strong loads, due to the current operating temperature of the field-effect transistor exceeding the value of its maximum permissible operating temperature, after which the currents flow through the field-effect transistor, leading to the ultimate in deep IT. A thermal fuse or a self-healing fuse located in the area of the heat energy flow from the field effect transistor, heating from the field effect transistor, when a certain temperature is reached (within the permissible operating temperature of the field effect transistor), it trips, additionally breaking the circuit, stopping the flow of currents through the field effect transistor. However, at high discharge currents in this design, it is necessary to use large-sized thermal fuses, which significantly increases their response time due to the large intrinsic heat capacity. Due to the increased response time of the thermal fuse, overheating of the field-effect transistor and a short circuit (thermal breakdown) of the conductive channel can occur. After a short circuit of the conductive channel, its electrical resistance will be sharply reduced, which will lead to cooling (lowering temperature) of the field-effect transistor housing. Under such conditions, the operation of the thermal fuse becomes impossible, and therefore, the reasons providing the preconditions for a deep discharge of the battery cells will not be eliminated, in particular, the current will continue to flow through the field effect transistor. As already noted, with a deep discharge of the battery, depressurization (explosion) of individual elements and the battery as a whole is possible, which is unacceptable in operation.

Задачей настоящей полезной модели является создание конструкции батареи с повышенной безопасностью, обусловленной исключением глубокого разряда цепей ИТ батареи при больших значениях разрядного тока.The objective of this utility model is to create a battery design with increased safety due to the exclusion of deep discharge of IT battery circuits at high discharge currents.

Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является уменьшение времени отключения нагрузки от цепей ИТ батареи за счет снижения времени закрывания проводящего канала полевого транзистора.The technical result achieved in solving the problem is to reduce the time that the load is disconnected from the IT battery circuit by reducing the time it takes to close the conductive channel of the field effect transistor.

Указанный технический результат достигается тем, что первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, одну цепь последовательно соединенных первичных литиевых источников тока (ИТ), положительный и отрицательный выводы которой подключены, соответственно, к положительному и отрицательному токовыводам батареи, полевой транзистор, источник опорного напряжения с положительным и отрицательным выводами, при этом приводящий канал полевого транзистора включен между одним из выводов цепи ИТ и токовыводом батареи, источник опорного напряжения соединен выводом одноименной полярности с другим выводом цепи ИТ, термопредохранитель, размещенный в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора и имеющий температуру срабатывания не превышающую максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, согласно полезной модели батарея снабжена резистором, подключенным к затвору полевого транзистора и выводу цепи ИТ, к которому подключен проводящий канал полевого транзистора, а термопредохранитель электрически включен последовательно с источником опорного напряжения в цепи, соединяющей затвор полевого транзистора с выводом цепи ИТ.The specified technical result is achieved in that the primary lithium battery containing at least one circuit of series-connected primary lithium current sources (IT), the positive and negative terminals of which are connected, respectively, to the positive and negative current outputs of the battery, a field effect transistor, a reference source voltage with positive and negative terminals, while the driving channel of the field effect transistor is connected between one of the terminals of the IT circuit and the battery current output, the reference voltage source voltage is connected by the terminal of the same polarity to another terminal of the IT circuit, a thermal fuse located in the heat energy flow zone from the field effect transistor and having a trip temperature not exceeding the maximum allowable working temperature of the field effect transistor, according to a useful model, the battery is equipped with a resistor connected to the gate of the field effect transistor and the circuit terminal IT, to which the conductive channel of the field-effect transistor is connected, and the thermal fuse is electrically connected in series with the reference source voltage in the circuit connecting the gate of the field-effect transistor to the output of the IT circuit.

Под «термопредохранителем» в настоящем описании полезной модели понимается одноразовый предохранитель, размыкающий цепь, если температура окружающей среды в контуре превышает номинальную температуру срабатывания предохранителя.By “thermal fuse” in the present description of a utility model is meant a one-time fuse that opens the circuit if the ambient temperature in the circuit exceeds the rated fuse tripping temperature.

Указанный технический результат достигается за счет следующего.The specified technical result is achieved due to the following.

Полевой транзистор используется, как элемент, позволяющий отключать последовательно соединенные цепи ИТ от токовыводов батареи при снижении разрядного напряжения цепей ниже конечного (безопасного) напряжения разряда.A field effect transistor is used as an element that allows disconnecting series-connected IT circuits from battery current outputs when the discharge voltage of the circuits decreases below the final (safe) discharge voltage.

В силу своего включения, а именно проводящий канал полевого транзистора включен последовательно с одним из токовыводов цепи ИТ и токовыводом батареи, источник опорного напряжения соединен выводом одноименной полярности с другим выводом цепи ИТ, при этом выводом противоположной полярности источник опорного соединения соединен через термопредохранитель с затвором полевого транзистора, проводящий канал полевого транзистора открывается при значении напряжения на выводах цепи ИТ, большем чем значение напряжения на источнике опорного напряжения и закрывается, при значении напряжения на выводах цепи ИТ меньшем значения напряжения на источнике опорного напряжения. При закрытии проводящего канала полевого транзистора мгновенно и резко повышается внутреннее сопротивление батареи (в миллионы раз), при этом происходит отключение цепи ИТ от токовыводов батареи и, соответственно, снижение практически до нуля тока подключенной к батарее нагрузке.By virtue of its inclusion, namely, the conducting channel of the field-effect transistor is connected in series with one of the current terminals of the IT circuit and the battery current output, the reference voltage source is connected by the terminal of the same polarity to the other terminal of the IT circuit, while the terminal of the opposite polarity is connected to the source of the reference connection through a thermal fuse with a field shutter the transistor, the conducting channel of the field effect transistor opens when the voltage value at the terminals of the IT circuit is greater than the voltage value at the source of the reference voltage and closes, when the voltage value at the terminals of the IT circuit is lower than the voltage value at the voltage reference source. When the conducting channel of the field-effect transistor is closed, the internal resistance of the battery instantly and sharply rises (millions of times), while the IT circuit is disconnected from the battery's current outputs and, accordingly, the load connected to the battery is reduced to almost zero.

При значении напряжения цепи ИТ меньшем значения напряжения на источнике опорного напряжения, во время срабатывания полевого транзистора, например, закрытии проводящего канала полевого транзистора при мощных нагрузках, возможен тепловой пробой полевого транзистора, вследствие превышения текущей рабочей температуры полевого транзистора значения его максимально допустимой температуры эксплуатации. Для исключения этого, в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора размещен термопредохранитель, который, нагреваясь от полевого транзистора, при достижении определенной температуры (в пределах допустимой рабочей температуры полевого транзистора), срабатывает. Так как затвор полевого транзистора соединен через резистор с проводящим каналом, то при срабатывании термопредохранителя потенциал затвора становится равным потенциалу проводящего канала. При таких условиях транзистор мгновенно закрывается и прекращается протекание электрического тока через нагрузку батареи. При этом требование о температуре срабатывания термопредохранителя, не превышающей максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, необходимо для осуществления отключения полевого транзистора до его выхода из строя за счет возможного перегрева.If the voltage of the IT circuit is lower than the voltage at the source of the reference voltage, during the operation of the field-effect transistor, for example, closing the conductive channel of the field-effect transistor under heavy loads, thermal breakdown of the field-effect transistor is possible due to the current operating temperature of the field-effect transistor exceeding its maximum permissible operating temperature. To avoid this, a thermal fuse is placed in the zone of heat energy flow from the field effect transistor, which, when heated by the field effect transistor, when a certain temperature is reached (within the permissible operating temperature of the field effect transistor), it trips. Since the gate of the field-effect transistor is connected through a resistor to the conductive channel, when the thermal fuse is activated, the gate potential becomes equal to the potential of the conductive channel. Under such conditions, the transistor instantly closes and stops the flow of electric current through the load of the battery. At the same time, the requirement for the thermal fuse tripping temperature not exceeding the maximum permissible operating temperature of the field effect transistor is necessary for shutting down the field effect transistor before its failure due to possible overheating.

В отличие от прототипа в предложенной полезной модели термопредохранитель электрически включен последовательно с источником опорного напряжения в цепи, соединяющей затвор полевого транзистора с выводом цепи ИТ, т.е. в цепи управления полевого транзистора, например, между выводом источника опорного напряжения и затвором полевого транзистора. В прототипе термопредохранитель включен в силовую цепь последовательно с проводящим каналом полевого транзистора.In contrast to the prototype, in the proposed utility model, the thermal fuse is electrically connected in series with the reference voltage source in the circuit connecting the gate of the field-effect transistor to the output of the IT circuit, i.e. in the control circuit of the field effect transistor, for example, between the output of the reference voltage source and the gate of the field effect transistor. In the prototype, a thermal fuse is included in the power circuit in series with the conductive channel of the field effect transistor.

Это обусловлено следующим.This is due to the following.

Ток управления полевого транзистора (ток затвора) не превышает 0,000001 А, т.е. в миллионы раз меньше разрядных токов в батареи. Поэтому в предлагаемой полезной модели возможно использование малогабаритного термопредохранителя, который характеризуется незначительной временной инерцией срабатывания, что также снижает время срабатывания полевого транзистора.The control current of the field effect transistor (gate current) does not exceed 0.000001 A, i.e. millions of times less discharge currents in batteries. Therefore, in the proposed utility model, it is possible to use a small thermal fuse, which is characterized by insignificant temporary inertia of operation, which also reduces the response time of the field effect transistor.

Это исключает перегрев полевого транзистора (тепловой пробой) при срабатывании устройства защиты, в том числе при больших импульсных значениях разрядного тока батареи (более 5 А), что повышает безопасность в эксплуатации предлагаемой конструкции батареи в сравнении с прототипом.This eliminates the overheating of the field effect transistor (thermal breakdown) when the protection device is triggered, including at high pulse values of the discharge current of the battery (more than 5 A), which increases the safety in operation of the proposed battery design in comparison with the prototype.

Полезная модель иллюстрируется чертежом, где представлен пример принципиальной схемы предложенной первичной литиевой батареи.The utility model is illustrated in the drawing, which shows an example of a circuit diagram of the proposed primary lithium battery.

Цифрами на чертеже обозначены: 1 - первичные литиевые ИТ; 2 - полевой транзистор; 3 - источник опорного напряжения; 4 - термопредохранитель, размещенный в зоне теплового потока от полевого транзистора 2; 5 - резистор.The numbers in the drawing indicate: 1 - primary lithium IT; 2 - field effect transistor; 3 - reference voltage source; 4 - thermal fuse located in the heat flux from the field effect transistor 2; 5 - resistor.

Первичная литиевая батарея содержит, по крайней мере, одну цепь последовательно включенных первичных литиевых ИТ 1, в количестве необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости (энергии), объединенных в прочном едином защитном герметичном корпусе, выполненном в виде блока, оборудованным контактными положительным и отрицательным токовыводами. При этом положительный и отрицательный выводы цепи ИТ 1 подключены с однополярными выводами батареи: положительный вывод цепи ИТ 1 с положительным токовыводом батареи, а отрицательный вывод цепи ИТ 1 с отрицательным токовыводом батареи.The primary lithium battery contains at least one chain of series-connected primary lithium IT 1, in the amount necessary to provide the required battery voltage and electric capacity (energy), combined in a strong single protective sealed enclosure made in the form of a unit equipped with positive and negative current outputs. In this case, the positive and negative terminals of the IT 1 circuit are connected with unipolar battery terminals: the positive terminal of the IT 1 circuit with a positive battery current and the negative terminal of the IT 1 circuit with a negative battery current.

Батарея снабжена полевым транзистором 2 и источником 3 опорного напряжения с положительным и отрицательным выводами.The battery is equipped with a field effect transistor 2 and a reference voltage source 3 with positive and negative terminals.

Проводящий канал полевого транзистора 2 включен между одним из выводов цепи ИТ 1, например, отрицательным, и токовыводом батареи, также отрицательным.The conductive channel of the field-effect transistor 2 is connected between one of the terminals of the IT circuit 1, for example, negative, and the battery current output, also negative.

Источник 3 опорного напряжения соединен выводом одноименной полярности с другим токовыводом цепи ИТ 1, например, с положительным токовыводом.The reference voltage source 3 is connected by a terminal of the same polarity with another current output of the IT 1 circuit, for example, with a positive current output.

Батарея также содержит термопредохранитель 4, размещенный в зоне потока тепловой энергии от полевого транзистора 2 и имеющий температуру срабатывания не превышающую максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора 2.The battery also contains a thermal fuse 4, located in the zone of the flow of thermal energy from the field effect transistor 2 and having a tripping temperature not exceeding the maximum allowable operating temperature of the field effect transistor 2.

Термопредохранитель 4 электрически включен последовательно с источником 3 опорного напряжения в цепи, соединяющей затвор полевого транзистора с выводом цепи ИТ, т.е. в цепи управления полевого транзистора.The thermal fuse 4 is electrically connected in series with the reference voltage source 3 in the circuit connecting the gate of the field-effect transistor to the output of the IT circuit, i.e. in the control circuit of the field effect transistor.

Термопредохранитель 4 может быть электрически включен, между выводом источника опорного напряжения, например, «минусовым», и затвором полевого транзистора 2 (см. фиг.).The thermal fuse 4 can be electrically switched on, between the output of the reference voltage source, for example, “negative”, and the gate of the field-effect transistor 2 (see. Fig.).

Термопредохранитель 4 может быть электрически включен, между выводом источника опорного напряжения, например, «плюсовым», и положительным токовыводом батареи.The thermal fuse 4 can be electrically switched on, between the output of the reference voltage source, for example, “positive”, and the positive current output of the battery.

К затвору полевого транзистора 2 и выводу цепи ИТ 1, например, положительному, к которому подключен проводящий канал полевого транзистора 2, подключен резистор 5.To the gate of the field-effect transistor 2 and the output of the IT circuit 1, for example, positive, to which the conductive channel of the field-effect transistor 2 is connected, a resistor 5 is connected.

В качестве полевого транзистора 2 могут быть использованы, например, полевые транзисторы IRLR2905, IRL 2505, IRL 2705 производства International Rectifier (IR).As the field effect transistor 2, for example, field effect transistors IRLR2905, IRL 2505, IRL 2705 manufactured by International Rectifier (IR) can be used.

В качестве источника 3 опорного напряжения могут быть использованы химические источники тока, цепи последовательно соединенных химических источников тока на необходимо напряжение, а также различные электронные устройства (стабилизаторы, преобразователи напряжения), которые, например, преобразуют напряжение батареи в опорное напряжение необходимой величины.As a source of reference voltage 3, chemical current sources, chains of series-connected chemical current sources to the required voltage, as well as various electronic devices (stabilizers, voltage converters) can be used, which, for example, convert the battery voltage to the reference voltage of the required value.

В качестве источника 3 опорного напряжения может быть использована пассивная цепь, состоящая из резистора и стабилитрона (набора стабилитронов) на необходимую величину опорного напряжения, подключенная к полевому транзистору и выводом цепи ИТ.As a source of reference voltage 3, a passive circuit can be used, consisting of a resistor and a zener diode (a set of zener diodes) for the required value of the reference voltage connected to the field-effect transistor and the output of the IT circuit.

В качестве стабилитрона могут быть использованы, например, стабилитроны серии TS (TS 06000, TS 08700, TS 09100, TS 10000) производства ВКС Semiconductors, Inc (США).As a zener diode, for example, zener diodes of the TS series (TS 06000, TS 08700, TS 09100, TS 10000) manufactured by the VKS Semiconductors, Inc (USA) can be used.

В качестве термопредохранителя могут быть использованы, например, малогабаритные термопредохранители серии TZK (TZK-10; 102°С; 0,1 А; 250 В) производства Bourns, Inc (США) с температурой срабатывания в пределах 90÷110°С.As a thermal fuse, for example, small-sized thermal fuses of the TZK series (TZK-10; 102 ° C; 0.1 A; 250 V) manufactured by Bourns, Inc (USA) with a tripping temperature within 90 ÷ 110 ° C can be used.

Первичная литиевая батарея работает следующим образом.The primary lithium battery operates as follows.

В процессе работы первичной литиевой батареи под нагрузкой (процесс разряда батареи) рабочее напряжение в цепях батареи и батареи в целом уменьшается.During operation of the primary lithium battery under load (battery discharge process), the operating voltage in the battery and battery circuits as a whole decreases.

Последовательно в цепь ИТ 1 между выводом цепи ИТ 1 и одним из токовыводов, например, «минусовым», своим проводящим каналом включается полевой транзистор 2.Consistently in the IT circuit 1 between the output of the IT 1 circuit and one of the current outputs, for example, “negative”, a field-effect transistor 2 is connected with its conductive channel.

Полевой транзистор использован в связи с тем, что токи управления проводящим каналом в этом типе транзисторов практически равны нулю (~1·10^-7 А), т.е. управление проводящим каналом (величиной его сопротивления и, соответственно, внутреннего сопротивления батареи) осуществляется разностью напряжений цепи ИТ 1 и источника 3 опорного напряжения.The field-effect transistor is used due to the fact that the control currents of the conducting channel in this type of transistor are practically zero (~ 1 · 10 ^-7 A), i.e. the conductive channel (the value of its resistance and, accordingly, the internal resistance of the battery) is controlled by the voltage difference of circuit IT 1 and source 3 of the reference voltage.

Источник 3 опорного напряжения соединен выводом одноименной полярности с другим токовыводом цепи ИТ 1, например, с выводом «плюс», а выводом противоположной полярности («минус») источник 3 опорного напряжения соединен с затвором полевого транзистора 2.The reference voltage source 3 is connected by a terminal of the same polarity with another current output of the IT 1 circuit, for example, with a plus terminal, and a terminal of opposite polarity (minus), a reference voltage source 3 is connected to the gate of the field effect transistor 2.

Источник 3 опорного напряжения на своих токовыводах выдает разность потенциалов (напряжение) со значением, не меньшим, чем значение конечного (безопасного) напряжения разряда батареи.The reference voltage source 3 at its current outputs provides a potential difference (voltage) with a value not less than the value of the final (safe) voltage of the battery discharge.

В случае, если значение рабочего напряжения батареи будет выше значения напряжения на токовыводах источника 3 опорного напряжения, проводящий канал полевого транзистора 2 будет открыт, и через него, батарею и нагрузку в целом будет свободно протекать ток.If the value of the operating voltage of the battery is higher than the voltage at the current outputs of the reference voltage source 3, the conducting channel of the field effect transistor 2 will be open, and through it, the battery and the load as a whole will flow freely.

Однако, когда значение рабочего напряжения батареи станет ниже значения напряжения на токовыводах источника 3 опорного напряжения, проводящий канал полевого транзистора 2 будет закрыт, что снимет нагрузку с батареи посредством отключения цепи ИТ 1 от токовыводов батареи за счет значительного увеличения внутреннего сопротивления батареи.However, when the value of the operating voltage of the battery becomes lower than the voltage at the current outputs of the reference voltage source 3, the conducting channel of the field effect transistor 2 will be closed, which will remove the load from the battery by disconnecting the IT circuit 1 from the battery current outputs due to a significant increase in the internal resistance of the battery.

При этом, так как затвор полевого транзистора соединен через резистор с проводящим каналом, то при срабатывании термопредохранителя потенциал затвора становиться равным потенциалу проводящего канала. При таких условиях транзистор мгновенно закрывается и прекращается протекание электрического тока через нагрузку батареи. При этом требование о температуре срабатывания термопредохранителя, не превышающей максимально допустимую рабочую температуру полевого транзистора, необходимо для осуществления отключения полевого транзистора до его выхода из строя за счет возможного перегрева.In this case, since the gate of the field-effect transistor is connected through a resistor to the conductive channel, when the thermal fuse is activated, the gate potential becomes equal to the potential of the conductive channel. Under such conditions, the transistor instantly closes and stops the flow of electric current through the load of the battery. At the same time, the requirement for the thermal fuse tripping temperature not exceeding the maximum permissible operating temperature of the field effect transistor is necessary for shutting down the field effect transistor before its failure due to possible overheating.

Для исключения выхода из строя самого полевого транзистора 2, например, вследствие перегрева из-за сверхвысоких температур, вызванных большой токовой нагрузкой на батарею, последовательно с полевым транзистором 2 в зоне потока тепловой энергии от него включается термопредохранитель 4, срабатывающий, нагреваясь от транзистора, при достижении значения рабочей температуры полевого транзистора 2 до значения предельно допустимой температуры его эксплуатации.To exclude the failure of the field-effect transistor 2 itself, for example, due to overheating due to extremely high temperatures caused by a large current load on the battery, a thermal fuse 4 is activated in series with the field-effect transistor 2 in the zone of heat energy flow, which is activated by heating from the transistor when reaching the value of the operating temperature of the field effect transistor 2 to the value of the maximum permissible temperature of its operation.

Ток управления полевого транзистора 2 (ток затвора) не превышает 0,000001 А, т.е. в миллионы раз меньше разрядных токов в батарее. Термопредохранитель 4, подключенный последовательно с источником 3 опорного напряжения в цепи, соединяющей затвор полевого транзистора с выводом цепи ИТ, т.е. цепи управления полевого транзистора 2, имеет меньшую незначительную временную инерцию срабатывания (по сравнению с прототипом), например, вследствие своих незначительных размеров, что снижает время срабатывания полевого транзистора 2.The control current of the field effect transistor 2 (gate current) does not exceed 0.000001 A, i.e. millions of times less than the discharge currents in the battery. Thermal fuse 4 connected in series with the voltage reference 3 in the circuit connecting the gate of the field-effect transistor to the output of the IT circuit, i.e. the control circuit of the field-effect transistor 2, has a smaller insignificant temporary inertia of response (compared with the prototype), for example, due to its small size, which reduces the response time of the field-effect transistor 2.

Поскольку, затвор полевого транзистора 2 соединен через резистор 5 с проводящим каналом, то при срабатывании термопредохранителя 4 потенциал затвора становиться равным потенциалу проводящего канала. При таких условиях транзистор 2 мгновенно закрывается и прекращается протекание электрического тока через нагрузку батареи.Since the gate of the field-effect transistor 2 is connected through a resistor 5 to the conductive channel, when the thermal fuse 4 is activated, the gate potential becomes equal to the potential of the conductive channel. Under such conditions, the transistor 2 instantly closes and stops the flow of electric current through the load of the battery.

Таким образом, исключается перегрев полевого транзистора (тепловой пробой) при срабатывании устройства защиты, в том числе при больших импульсных значениях разрядного тока батареи (более 5 А), что повышает безопасность в эксплуатации предлагаемой конструкции батареи в сравнении с прототипом.Thus, the overheating of the field effect transistor (thermal breakdown) is excluded when the protection device is triggered, including at high pulse values of the discharge current of the battery (more than 5 A), which increases the safety in operation of the proposed battery design in comparison with the prototype.

Claims

A primary lithium battery containing at least one circuit of series-connected primary lithium current sources (IT), the positive and negative terminals of which are connected, respectively, to the positive and negative current terminals of the battery, a field effect transistor, a reference voltage source with positive and negative terminals, the drive channel of the field-effect transistor is connected between one of the terminals of the IT circuit and the battery current output, the reference voltage source is connected by the terminal of the same polarity to with an IT circuit output, a thermal fuse located in the heat energy flow zone from the field effect transistor and having a trip temperature not exceeding the maximum permissible operating temperature of the field effect transistor, characterized in that it is equipped with a resistor connected to the gate of the field effect transistor and the terminal of the IT circuit to which it is connected the conducting channel of the field-effect transistor, and the thermal fuse is electrically connected in series with the reference voltage source in the circuit connecting the gate of the field-effect transistor with the pin house IT chain.