Комбинированный электрохимический источник тока

Использование: при изготовлении батарей на основе первичных и вторичных электрохимических источников тока, в частности батарей на основе топливных элементов и аккумуляторов. Сущность изобретения: комбинированный электрохимический источник тока (КИТ) содержит единичные вторичные электрохимические источники тока (ВИТ), электрически соединенные по последовательной или последовательно-параллельной схеме, к каждому из которых с помощью коммутирующего устройства через электронный преобразователь подключен первичный электрохимический источник тока (ПИТ). Блок управления контролирует напряжение каждого ВИТ и отключает соответствующий ПИТ при заряде ВИТ до заданного уровня напряжения или отключает КИТ от нагрузки при разряде ВИТ ниже заданного уровня напряжения. Технический результат - повышение удельных мощностных и энергетических характеристик. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании химических источников тока.

Наиболее близким к данному изобретению является источник тока, включающий множество единичных первичных или вторичных химических источников тока или модулей из нескольких ХИТ, соединенных в последовательную электрическую цепь, и один или несколько вспомогательных ХИТ, топливных элементов, металловоздушных источников тока, подключаемых к каждому из единичных ХИТ с помощью коммутатора, управляемого электронным блоком управления [Патент РФ №2230418, опубл. 10.06.04].

Недостатком известного источника тока является, то что вспомогательные электрохимические источники тока, ликвидируя разбаланс напряжений в батарее, практически не повышают удельные энергетические или мощностные характеристики источника тока.

Задачей изобретения является создание химического источника тока, обладающего одновременно повышенными удельными мощностными и энергетическими характеристиками.

Указанный технический результат достигается тем, что:

в комбинированном электрохимическом источнике тока, содержащем множество единичных первичных и вторичных электрохимических источников тока или модулей из нескольких электрохимических источников тока, коммутирующие устройства, электронный блок управления коммутирующими устройствами, единичные вторичные электрохимические источники тока или модули из нескольких вторичных электрохимических источников тока, электрически соединены по последовательной или последовательно-параллельной схеме, к каждому единичному вторичному электрохимическому источнику тока или модулю с помощью коммутирующего устройства подключен единичный первичный электрохимический источник тока или модуль из нескольких первичных электрохимических источников тока через электронный преобразователь, обеспечивающий согласование рабочих напряжений первичного и вторичного электрохимического источника тока, а блок управления коммутирующими устройствами контролирует напряжение каждого единичного вторичного электрохимического источника тока или модуля.

В комбинированном электрохимическом источнике тока в качестве первичного электрохимического источника тока использован топливный элемент.

В комбинированном электрохимическом источнике тока в качестве первичного электрохимического источника тока использован металловоздушный источник тока.

В комбинированном электрохимическом источнике в качестве коммутирующего устройства использовано электромеханическое реле.

В комбинированном электрохимическом источнике в качестве коммутирующего устройства использован транзисторный ключ.

В комбинированном электрохимическом источнике в качестве вторичного электрохимического источника тока использован литий-ионный аккумулятор.

В комбинированном электрохимическом источнике в качестве вторичного электрохимического источника тока использован литий-полимерный аккумулятор.

В комбинированном электрохимическом источнике в качестве вторичного электрохимического источника тока использован электрохимический конденсатор.

В качестве электрохимического конденсатора использован двойнослойный электрохимический конденсатор.

В качестве электрохимического конденсатора использован гибридный электрохимический конденсатор, содержащий электроды разных типов: один электрод, работающий на эффекте емкости двойного слоя, второй электрод - электрод химического аккумулятора, накопление электрического заряда на котором происходит за счет обратимого ионного переноса между электролитом и электродом

В комбинированном электрохимическом источнике блок управления коммутирующими устройствами выполнен на базе одного или нескольких микропроцессоров и обеспечивает отключение комбинированного электрохимического источника тока от нагрузки с помощью дополнительного коммутирующего устройства.

Блок управления коммутирующими устройствами контролирует напряжение каждого единичного первичного электрохимического источника тока или модуля.

Пример конкретного выполнения.

Вариант 1.

Комбинированный электрохимический источник тока (КИТ) выполнен по электрической схеме, приведенной на фиг.1. Он состоит из 3-х первичных источников тока 1, 2, 3, каждый из которых представляет собой единичный магний-воздушный источник тока (МВИТ) с выходным напряжением от 0,9 до 1,5 В. Каждый МВИТ через свой DC-DC преобразователь 4, 5, 6 и электромагнитные реле 11 (11.2), 12 (12.2), 13 (13.2) подключен к 3-м аккумуляторным модулям 7, 8, 9, каждый из которых состоит из 2-х соединенных параллельно литий-полимерных аккумуляторов емкостью 10 А·ч. Аккумуляторные модули 7, 8, 9 электрически соединены по последовательной схеме. DC-DC преобразователи 4, 5, 6 преобразуют выходное напряжение МВИТ 1, 2, 3 в напряжение, лежащее в диапазоне от 3,0 до 4,2 В. Максимальная выходная мощность каждого DC-DC преобразователя 4, 5, 6 порядка 60 Вт. В выходной цепи КИТ U₊ имеется электромагнитное реле 14 (14.2), а выходная цепь U_- подключена к аккумуляторному модулю 9 непосредственно. Включение/отключение электромагнитных реле 11 (11.1)...14 (14.1), осуществляется блоком управления 10, измерительные цепи которого подключены к аккумуляторным модулям 7, 8, 9, а напряжение питания поступает с этих же аккумуляторных модулей.

Алгоритм функционирования КИТ.

Блок управления 10 измеряет напряжение на каждом аккумуляторном модуле 7, 8, 9. Если напряжение на аккумуляторном модуле ниже 4,1 В, включается соответствующее реле 11, 12 или 13 и начинается заряд этого аккумуляторного модуля 7, 8 или 9. При достижении на любом из них напряжения 4,2 В соответствующее реле 11, 12 или 13 размыкается и, соответственно, заряд аккумуляторного модуля отключается. При подключении КИТ к нагрузке начинается его разряд. При малых токах нагрузки ток в разрядной цепи будет определяться только токами DC-DC преобразователей 4, 5, 6, при этом избыточная мощность МВИТ 1, 2, 3 будет использована для подзаряда аккумуляторных модулей 7, 8, 9. При больших токах нагрузки ток в разрядной цепи будет складываться из разрядных токов аккумуляторных модулей 7, 8, 9 и выходных токов DC-DC преобразователей 4, 5, 6. При разряде любого аккумуляторного модуля 7, 8 или 9 ниже 3,0 В с помощью реле 14 КИТ отключается от нагрузки, при этом начинается заряд аккумуляторных модулей. Включение реле 14 и, соответственно, появление возможности разряда КИТ происходит при повышении напряжения на всех аккумуляторных модулях 7, 8, 9 выше 3,6 В.

Вариант 2.

Комбинированный электрохимический источник тока выполнен по электрической схеме, приведенной на фиг.2. Он состоит из 3-х модулей первичных источников тока 1, 2, 3, каждый из которых представляет собой два соединенных последовательно единичных магний-воздушных источников тока (модуль МВИТ) с выходным напряжением от 1,8 до 3,0 В. Каждый модуль МВИТ через свой DC-DC преобразователь 4, 5, 6 и электронные ключи 11, 12, 13 подключен к 3-м аккумуляторным модулям 7, 8, 9, каждый из которых состоит из 6-ти соединенных последовательно герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов емкостью 10 А·ч. Аккумуляторные модули 7, 8, 9 электрически соединены по последовательной схеме. DC-DC преобразователи 4, 5, 6 преобразуют выходное напряжение модулей МВИТ 1, 2, 3 в напряжение, лежащее в диапазоне от 10,0 до 14,5 В. Максимальная выходная мощность каждого DC-DC преобразователя 4, 5, 6 порядка 25 Вт. В выходной цепи КИТ U₊ имеется электронный ключ 14, а выходная цепь U_- подключена к аккумуляторному модулю 9 непосредственно. Включение/отключение электронных ключей 11...14 осуществляется блоком управления 10, измерительные цепи которого подключены к модулям МВИТ 1, 2, 3, аккумуляторным модулям 7, 8, 9, а напряжение питания поступает с этих же аккумуляторных модулей. К блоку управления 10 подключены светодиоды 15, 16, 17.

Алгоритм функционирования КИТ.

Блок управления 10 измеряет напряжение на каждом модуле МВИТ 1, 2, 3 и каждом аккумуляторном модуле 7, 8, 9. Если напряжение на модуле МВИТ выше 1,8 В, а напряжение на аккумуляторном модуле ниже 13,0 В, включается соответствующий электронный ключ 11, 12 или 13 и начинается заряд этого аккумуляторного модуля 7, 8 или 9. При достижении на любом из них напряжения 14,5 В соответствующий электронный ключ 11, 12 или 13 и, соответственно, заряд аккумуляторного модуля отключается. При подключении КИТ к нагрузке начинается его разряд. При малых токах нагрузки ток в разрядной цепи будет определяться только токами DC-DC преобразователей 4, 5, 6, при этом избыточная мощность модулей МВИТ 1, 2, 3 будет использована для подзаряда аккумуляторных модулей 7, 8, 9. При больших токах нагрузки ток в разрядной цепи будет складываться из разрядных токов аккумуляторных модулей 7, 8, 9 и выходных токов DC-DC преобразователей 4, 5, 6. При разряде любого аккумуляторного модуля 7, 8 или 9 ниже 10,0 В с помощью электронного ключа 14 КИТ отключается от нагрузки, при этом начинается заряд аккумуляторных модулей. Включение электронного ключа 14 и, соответственно, появление возможности разряда КИТ происходит при повышении напряжения на всех аккумуляторных модулях 7, 8, 9 выше 12,0 В. При снижении напряжения на любом модуле МВИТ 1, 2, 3 до 1,8 В блок управления 10 отключает этот модуль МВИТ от соответствующего аккумуляторного модуля с помощью электронного ключа 11, 12 или 13 и формирует световой сигнал о разряде этого модуля МВИТ с помощью светодиода 15, 16 или 17.

Вариант 3.

Комбинированный электрохимический источник тока выполнен по электрической схеме, приведенной на фиг.3. Он состоит из 6-ти модулей первичных источников тока 1, 2, 3, 18, 19, 20, каждый из которых представляет собой три соединенных последовательно единичных водородовоздушных твердополимерных топливных элементов (модуль ТПТЭ) с выходным напряжением от 1,5 до 3,0 В. Каждый модуль ТПТЭ через свой DC-DC преобразователь 4, 5, 6, 21, 22, 23 и электронные ключи 11, 12, 13, 24, 25, 26 подключен к 6-ти вторичным источникам тока 7, 8, 9, 27, 28, 29, каждый из которых представляет собой гибридный электрохимический конденсатор с щелочным электролитом и окисно-никелевым электродом емкостью 4 Ф и максимальным рабочим напряжением 14 В (далее по тексту конденсатор). Конденсаторы 7, 8, 9, 27, 28, 29 электрически соединены по последовательно-параллельной схеме. DC-DC преобразователи 4, 5, 6, 21, 22, 23 преобразуют выходное напряжение модулей ТПТЭ 1, 2, 3, 18, 19, 20 в напряжение, лежащее в диапазоне от 9,0 до 14,0 В. Максимальная выходная мощность каждого DC-DC преобразователя 4, 5, 6, 21, 22, 23 порядка 5 Вт. В выходной цепи КИТ U₊ имеется электронный ключ 14, а выходная цепь U_- подключена к конденсаторам 9 и 29 непосредственно. Включение/отключение электронных ключей 11, 12, 13, 24, 25, 26 осуществляется блоком управления 10 (10.1 и 10.2), измерительные цепи которого подключены к модулям ТПТЭ 1, 2, 3, 18, 19, 20, конденсаторам 7, 8, 9, 27, 28, 29, а напряжение питания поступает с этих же конденсаторов. К блоку управления 10 подключены светодиоды 15, 16, 17, 30, 31, 32.

Алгоритм функционирования КИТ.

Блок управления А7 измеряет напряжение на каждом модуле ТПТЭ 1, 2, 3, 18,19, 20 и каждом конденсаторе 7, 8, 9, 27, 28, 29. Если напряжение на модуле ТПТЭ выше 1,5 В, а напряжение на конденсаторе ниже 13,5 В, включается соответствующий электронный ключ 11, 12, 13, 24, 25, 26 и начинается заряд этого конденсатора 7, 8, 9, 27, 28 или 29. При достижении на любом из них напряжения 14,0 В соответствующий электронный ключ 11, 12, 13, 24, 25, 26 и, соответственно, заряд конденсатора отключается. При подключении КИТ к нагрузке начинается его разряд. При малых токах нагрузки ток в разрядной цепи будет определяться только токами DC-DC преобразователей 4, 5, 6, 21, 22, 23, при этом избыточная мощность модулей ТПТЭ 1, 2, 3, 18, 19, 20 будет использована для подзаряда конденсаторов 7, 8, 9, 27, 28, 29. При больших токах нагрузки ток в разрядной цепи будет складываться из разрядных токов конденсаторов 7, 8, 9, 27, 28, 29 и выходных токов DC-DC преобразователей 4, 5, 6, 21, 22, 23. При разряде любого конденсатора 7, 8, 9, 27, 28, 29 ниже 9,0 В с помощью электронного ключа 14 КИТ отключается от нагрузки, при этом начинается заряд конденсаторов. Включение электронного ключа 14 и, соответственно, появление возможности разряда КИТ происходит при повышении напряжения на всех конденсаторах 7, 8, 9, 27, 28, 29 выше 12,0 В. При снижении напряжения на любом модуле ТПТЭ 1, 2, 3, 18, 19, 20 до 1,5 В блок управления 10 отключает этот модуль ТПТЭ от соответствующего аккумуляторного модуля с помощью электронного ключа 11, 12, 13, 24, 25, 26 и формирует световой сигнал о разряде этого модуля ТПТЭ с помощью светодиода 15, 16, 17, 30, 31, 32.

1. Комбинированный электрохимический источник тока, содержащий множество единичных первичных и вторичных электрохимических источников тока или модулей из нескольких электрохимических источников тока, коммутирующие устройства, электронный блок управления коммутирующими устройствами, отличающийся тем, что единичные вторичные электрохимические источники тока или модули из нескольких вторичных электрохимических источников тока электрически соединены по последовательной или последовательно-параллельной схеме, к каждому единичному вторичному электрохимическому источнику тока или модулю с помощью коммутирующего устройства подключен единичный первичный электрохимический источник тока или модуль из нескольких первичных электрохимических источников тока через электронный преобразователь, обеспечивающий согласование рабочих напряжений первичного и вторичного электрохимического источника тока, а блок управления коммутирующими устройствами контролирует напряжение каждого единичного вторичного электрохимического источника тока или модуля.

2. Комбинированный электрохимический источник тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве первичного электрохимического источника тока использован топливный элемент.

3. Комбинированный электрохимический источник тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве первичного электрохимического источника тока использован металловоздушный источник тока.

4. Комбинированный электрохимический источник тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве коммутирующего устройства использовано электромеханическое реле.

5. Комбинированный электрохимический источник тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве коммутирующего устройства использован транзисторный ключ.

6. Комбинированный электрохимический источник тока по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что в качестве вторичного электрохимического источника тока использован литий-ионный аккумулятор.

7. Комбинированный электрохимический источник тока по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что в качестве вторичного электрохимического источника тока использован литий-полимерный аккумулятор.

8. Комбинированный электрохимический источник тока по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что в качестве вторичного электрохимического источника тока использован электрохимический конденсатор.

9. Комбинированный электрохимический источник тока по п.8, отличающийся тем, что в качестве электрохимического конденсатора использован двойнослойный электрохимический конденсатор.

10. Комбинированный электрохимический источник тока по п.8, отличающийся тем, что в качестве электрохимического конденсатора использован гибридный электрохимический конденсатор.

11. Комбинированный электрохимический источник тока по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что блок управления коммутирующими устройствами выполнен на базе одного или нескольких микропроцессоров и обеспечивает отключение комбинированного электрохимического источника тока от нагрузки с помощью дополнительно коммутирующего устройства.

12. Комбинированный электрохимический источник тока по п.11, отличающийся тем, что блок управления коммутирующими устройствами контролирует напряжение каждого единичного первичного электрохимического источника тока или модуля.