Блок аккумуляторных батарей, содержащий уложенные в стопу сборки, выполненные на основе плат и аккумуляторных батарей
Изобретение относится к блоку аккумуляторных батарей, который содержит стопу сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей. Каждая сборка, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, содержит схемную плату, электрический соединитель, установленный на схемной плате, и элемент аккумуляторной батареи, прикрепленный к стороне схемной платы. Элементы аккумуляторной батареи размещены между схемными платами с образованием слоистой конструкции, а соединители соединены между собой. Схемные платы и соединители электрически соединяют элементы аккумуляторной батареи друг с другом, при этом стопа батарей снабжена платой управления, которая выполнена с возможностью измерения напряжения на каждом элементе аккумуляторной батареи через линию связи, а также идентификации любых неисправных элементов батареи. Кроме того, каждая сборка содержит нагревательный элемент и выключатели. Повышение срока службы блока аккумуляторных батарей, за счет предотвращения ухудшения характеристик аккумуляторных батарей, является техническим результатом изобретения. Устройство удобно в обслуживании за счет отсутствия необходимости в отпаивании выводов неисправного элемента аккумуляторной батареи и повторной пайке. 12 з.п. ф-лы, 9 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ, И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Блок аккумуляторных батарей может содержать стопу элементов аккумуляторной батареи, соединенную в последовательную и/или параллельную конфигурации. Выводы элементов аккумуляторной батареи могут быть соединены токопроводящими шинами или иными проводниками. Если блок аккумуляторных батарей предназначается для использования в среде с сильной вибрацией, элементы аккумуляторной батареи могут быть закреплены в корпусе аккумуляторной батареи заливочным компаундом, а проводники могут быть припаяны или приварены к выводам для обеспечения возможности подключения.
Со временем элемент аккумуляторной батареи может нуждаться в замене. Для замены элемента аккумуляторной батареи, его выводы отпаивают, высвобождают элемент аккумуляторной батареи из заливочного компаунда и извлекают из корпуса аккумуляторной батареи. Поверхности очищают от старого заливочного компаунда, и вставляют заменяющий элемент аккумуляторной батареи в корпус аккумуляторной батареи. Добавляют новый компаунд, и проводники повторно припаивают к выводам заменяющего элемента аккумуляторной батареи.
Удаление элемента аккумуляторной батареи из заливочного компаунда без повреждения соседних элементов аккумуляторной батареи является сложным и занимает много времени. Отпаивание и повторная пайка выводов также являются сложными и занимают много времени.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно представленному в настоящем документе варианту реализации изобретения раскрыт блок аккумуляторных батарей, содержащий стопу сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей. Каждая сборка, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, содержит схемную плату, электрический соединитель, установленный на схемной плате, и элемент аккумуляторной батареи, прикрепленный к стороне схемной платы. Элементы аккумуляторной батареи размещены между схемными платами с образованием слоистой конструкции, а соединители соединены между собой. Схемные платы и соединители электрически соединяют элементы аккумуляторной батареи друг с другом.
Согласно еще одному представленному в настоящем документе варианту реализации изобретения раскрыт блок аккумуляторных батарей, содержащий стопу из множества сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, и плату управления. Каждая сборка, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, содержит схемную плату, элемент аккумуляторной батареи на схемной плате, по меньшей мере один нагревательный элемент, размещенный вблизи указанного элемента аккумуляторной батареи, и электрический соединитель на схемной плате. Плата управления содержит схемную плату и схему технического обслуживания. Элементы аккумуляторной батареи размещены между схемными платами с образованием слоистой конструкции, а электрические соединители зафиксированы друг с другом с зажимом. Схемные платы и соединители соединяют элементы аккумуляторной батареи в последовательную конфигурацию. Трассирующие элементы на схемных платах и штырьки соединителей образуют линии связи, которые обеспечивают возможность связи схемы технического обслуживания с каждой сборкой, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей.
Согласно еще одному представленному здесь варианту реализации изобретения раскрыт спутник, содержащий подсистему питания, включающую в себя блок аккумуляторных батарей. Блок аккумуляторных батарей содержит стопу сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей. Каждая сборка, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, содержит схемную плату, электрический соединитель, установленный на схемной плате, и литий-ионный элемент аккумуляторной батареи, прикрепленный к стороне схемной платы. Элементы аккумуляторной батареи размещены между схемными платами с образованием слоистой конструкции. Трассирующие элементы на схемных платах и штырьки соединителей электрически соединяют элементы аккумуляторной батареи друг с другом в последовательную конфигурацию.
Эти функциональные элементы и функции могут быть получены независимо в различных вариантах реализации настоящего изобретения или могут быть скомбинированы в других вариантах реализации. Дополнительные подробности вариантов реализации изобретения могут быть показаны со ссылкой на нижеследующее описание и чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На ФИГ. 1 приведена иллюстрация блока аккумуляторных батарей.
На ФИГ. 2 приведена иллюстрация элемента аккумуляторной батареи.
На ФИГ. 3А приведена иллюстрация схемной платы для сборки, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, блока аккумуляторных батарей.
На ФИГ. 3В приведена иллюстрация платы управления блока аккумуляторных батарей.
На ФИГ. 4А приведена иллюстрация последовательной конфигурации элементов аккумуляторной батареи для блока аккумуляторных батарей.
На Фиг. 4В, 4С и 4D показаны примеры соединений элемента аккумуляторной батареи, образованных трассирующими элементам схемной платы и штырьками соединителя.
На ФИГ. 5 приведена иллюстрация способа эксплуатации блока аккумуляторных батарей по ФИГ. 1.
На ФИГ. 6 приведена иллюстрация способа замены элемента аккумуляторной батареи в блоке аккумуляторных батарей по ФИГ. 1.
На ФИГ. 7 приведена иллюстрация еще одного блока аккумуляторных батарей.
На ФИГ. 8 приведена иллюстрация сборки, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей и включающей в себя размещенные сторона к стороне элементы аккумуляторной батареи.
На ФИГ. 9 приведена иллюстрация спутника, включающего в себя блок аккумуляторных батарей.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Со ссылкой на ФИГ. 1 показан блок 100 аккумуляторных батарей, включающий в себя стопу 110 из множества сборок 120, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, и плату 130 управления. Каждая сборка 120, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, содержит схемную плату 122, электрический соединитель 124, установленный на схемной плате 122, и плоский элемент 126 аккумуляторной батареи, прикрепленный к стороне схемной платы 122.
Плата 130 управления содержит схемную плату 132 и соединитель 134, установленный на схемной плате 132, но не содержит элемент аккумуляторной батареи. Плата 130 управления также содержит схему 136 технического обслуживания, электрически соединенную с соединителем 134. Схема 136 технического обслуживания может реализовывать различные функции, такие как контроль элементов 126 аккумуляторной батареи, нагрев элементов 126 аккумуляторной батареи и выравнивание нагрузки элементов 126 аккумуляторной батареи. Схема 136 технического обслуживания может содержать процессор, запрограммированный для реализации этих различных функций.
Сборки 120, выполненные на основе плат и аккумуляторных батарей, и плата 130 управления вместе уложены в стопу с элементами 126 аккумуляторной батареи, размещенными между схемными платами 122 и 132 с образованием слоистой конструкции. Элементы 126 аккумуляторной батареи могут быть зафиксированы с зажимом между схемными платами 122 и 132, и при этом элементы 126 аккумуляторной батареи испытывают небольшое сжатие или размещены без сжатия.
Схемные платы 122 и 132 могут быть установлены в каркасную конструкцию 140 и разделены ею. Например, каркасная конструкция 140 может содержать проставки или стойки. Когда схемные платы 122 и 132 уложены в стопу и прикреплены к каркасной конструкции 140, соединители 124 и 134 фиксируются друг с другом с зажимом для обеспечения возможности подключения.
Трассирующие элементы на схемных платах 122 и штырьки соединителей 124 сборок 120, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, соединяют элементы 126 аккумуляторной батареи в последовательную и/или параллельную конфигурацию. Соединитель 134 платы 130 управления могут образовывать выводы блока 100 аккумуляторных батарей.
Трассирующие элементы на схемных платах 122 и штырьки соединителей 124 сборок 120, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, образуют линии связи, такие как линии считывания или опроса и линии управления. Схема 136 технического обслуживания на плате 130 управления соединена с этими линиями связи через трассирующие элементы на схемной плате 132. Указанные линии связи обеспечивают возможность связи схемы 136 технического обслуживания с каждой сборкой 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей.
Электрические соединители 124 134 могут быть соединителями с поверхностным монтажом (SMD). Например, на ФИГ. 1 соединитель 124 крайней слева сборки 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, может представлять собой охватываемый соединитель с поверхностным монтажом, соединители 124 других сборок 120, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, могут представлять собой охватываемо-охватывающие соединители с поверхностным монтажом, соединитель 134 платы 130 управления может представлять собой охватывающий соединитель с поверхностным монтажом.
Со ссылкой на ФИГ. 2 показан пример плоского элемента 126 аккумуляторной батареи, известный как элемент батареи в виде гибкого контейнера (pouch cell). Элемент 126 аккумуляторной батареи не ограничен какими-либо конкретными химическими процессами и явлениями. Для решения некоторых задач необходимы литий-ионные (Li-ion) аккумуляторные батареи (LIBs). Литий-ионные аккумуляторные батареи имеют меньший вес и большую энергетическую плотность, чем перезаряжаемые аккумуляторные батареи, такие как никель-металл-гидридные и никель-кадмиевые аккумуляторные батареи. Им не свойственно ухудшение свойств, обусловленных запоминанием.
Элемент 126 аккумуляторной батареи содержит гибкий контейнер 210, который может быть выполнен из неметаллических материалов. Схемные платы 122 и 132 защищают элементы 126 аккумуляторной батареи от физического повреждения, такого как прокалывания.
Выводы 220 элемента аккумуляторной батареи выступают наружу из гибкого контейнера 210. Хотя выводы 220 не ограничены какой-либо конкретной конфигурацией, на схемной плате 122 по ФИГ. 3А могут быть установлены выводы, выполненные в виде выступов.
Элемент 126 аккумуляторной батареи по ФИГ. 2 показан имеющим относительно призматическую геометрическую форму. Однако элемент 126 аккумуляторной батареи не ограничен таким решением. Элемент 126 аккумуляторной батареи может иметь иную геометрическую форму, такую как цилиндрическая геометрическая форма.
Хотя элемент 126 аккумуляторной батареи по ФИГ. 2 показан выполненным относительно плоским, элемент 126 аккумуляторной батареи не ограничен таким решением. Например, элемент 126 аккумуляторной батареи может иметь неплоские поверхности. Схемная плата 122 может быть выполнена с возможностью удержания такого элемента 126 аккумуляторной батареи, или для удержания такого элемента 126 аккумуляторной батареи между схемными платами 122 может быть использован держатель аккумуляторной батареи.
Со ссылкой на ФИГ. 3А показан пример схемной платы 122 для блока 100 аккумуляторных батарей. Выводы 220 элемента аккумуляторной батареи, выполненные в виде выступов, электрически соединены с контактными площадками 310 элементов батареи на схемной плате 122. Например, выводы 220 элемента аккумуляторной батареи могут быть припаяны к контактным площадкам 310 элементов батареи. Контактные площадки 310 элементов батареи электрически соединены со штырьками соединителя 124 (например, трассирующими элементам на схемной плате 122). Выводы 220 элемента аккумуляторной батареи могут быть припаяны прямо на контактных площадках 310 элементов батареи. Указанное исключает изгиб на выводах 220 аккумуляторной батареи, что уменьшает величину теплового напряжения на выводах 220 элемента аккумуляторной батареи.
Плоская сторона элемента 126 аккумуляторной батареи прикреплена к монтажному участку 320 схемной платы 122. Например, элемент 126 аккумуляторной батареи может быть прикреплен к монтажному участку 320 посредством адгезивного связующего или может удерживаться на схемной плате 122 каркасной конструкцией и т.п. Элемент 126 аккумуляторной батареи может закрывать по меньшей мере половину стороны схемной платы 122.
По меньшей мере один нагревательный элемент 330 установлен на схемной плате 122 снаружи монтажного участка 320. В примере по ФИГ. ЗА четыре нагревательных элемента 330 установлены по периметру монтажного участка 320. (В примере по ФИГ. 1 показан только один нагревательный элемент 330 на схемную плату 122.) Нагревательные элементы 330 могут содержать, например, бескорпусные резисторы, пленочные нагреватели и полиимидные пленочные нагреватели. Выключатель 477, показанный на ФИГ. 4D в виде полевого транзистора (FET), соединяет нагревательный элемент 330 с элементом 126 аккумуляторной батареи. При включении выключателя 477 элемент 126 аккумуляторной батареи отдает энергию нагревательному элементу 330. Схема 136 технического обслуживания посылает управляющий сигнал на выключатель 477 через линию связи. Схема 136 технического обслуживания решает, когда осуществлять включение и выключение выключателя 477.
Монтажный участок 320 может быть частично или полностью покрыт теплопроводящим слоем 340 переноса. Нагревательные элементы 330 термически размещены вблизи слоя 340 переноса. Таким образом, когда нагревательные элементы 330 генерируют тепло, это тепло переносится в слой 340 переноса. Слой 340 переноса, который примыкает к элементу 126 аккумуляторной батареи (лучше всего показано на ФИГ. 1), равномерно распределяет тепло на элементе 126 аккумуляторной батареи. Слой 340 переноса может содержать медную пластину и сквозные отверстия. Сквозными отверстиями создается тепловой мостик между противоположными сторонами схемной платы 122, который улучшает перенос тепла между элементами 126 аккумуляторной батареи.
Сборка 120, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, не ограничена одним слоем 340 переноса, примыкающим к элементу 126 аккумуляторной батареи. В некоторых случаях слои 340 переноса могут находиться на противоположных сторонах схемной платы 120, благодаря чему каждый элемент 126 аккумуляторной батареи находится между двумя слоями 340 переноса.
Со ссылкой на ФИГ. 3В показан пример платы 130 управления. Схема 136 технического обслуживания может содержать устройство 350 управления нагревом, устройство 355 измерения напряжения элемента аккумуляторной батареи и управляющую логическую схему 360. Схема 136 технического обслуживания может быть включена и выключена выключателем 365 питания.
Все линии считывания или опроса элемента аккумуляторной батареи могут быть подведены к плате 130 управления через соединители 124 и 134. Каждая линия считывания или опроса обеспечивает измерение напряжения для одного из элементов 126 аккумуляторной батареи. Устройство 355 измерения напряжения элемента аккумуляторной батареи может содержать аналого-цифровой преобразователь для преобразования измеренных напряжений в цифровые значения и отправки последовательного потока цифровых значений в управляющую логическую схему 360, которая контролирует измеренные напряжения различных элементов 126 аккумуляторной батареи.
Все линии устройств управления нагревом могут быть подведены к плате 130 управления через соединители 124 и 134. Под управлением управляющей логической схемы 360 устройство 350 управления нагревателем посылает управляющие сигналы на выключатели на сборках 120, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей. В качестве реакции на эти управляющие сигналы выключатели включают и выключают нагревательные элементы 330.
Соединитель 134 платы 130 управления также образует положительный и отрицательный выводы 370 и 375 аккумуляторной батареи. Элементы 126 аккумуляторной батареи соединены между этими выводами 370 и 375 аккумуляторной батареи.
Со ссылкой на ФИГ. 4А показан пример последовательной конфигурации элементов 126 аккумуляторной батареи. Элементы 126 аккумуляторной батареи выполнены в стопе 110 из N сборок 120, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, где N>4 (сборки 120, выполненные на основе плат и аккумуляторных батарей, не показаны на ФИГ. 4А). Сборка 120, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, ближайшая к плате 130 управления называется N-ой сборкой 120, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, а ее элемент 126 аккумуляторной батареи называется N-ым элементом 126 аккумуляторной батареи. Сборка 120, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, самая дальняя от платы 130 управления, называется первой сборкой 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, а ее элемент 126 аккумуляторной батареи называется первым элементом 126 аккумуляторной батареи.
Первый соединитель 410 соединяет положительный вывод N-ого элемента 126 аккумуляторной батареи с положительным выводом 370 аккумуляторной батареи на плате 130 управления. Вторые соединители 420 соединяют отрицательный вывод одного элемента 126 аккумуляторной батареи с положительным выводом следующего элемента 126 аккумуляторной батареи. Третий соединитель 430 соединяет отрицательный вывод первого элемента 126 аккумуляторной батареи с отрицательным выводом 375 аккумуляторной батареи на плате 130 управления.
На ФИГ. 4В-4D показаны примеры того, каким образом из трассирующих элементов схемной платы и штырьков соединителей образованы соединители 410, 420 и 430. На ФИГ. 4В и 4С показаны трассирующие элементы на первой и второй сторонах 450 и 460 схемной платы 122 для каждой со второй по N-ую сборки 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей. На ФИГ. 4D показаны трассирующие элементы на одной стороне 470 схемной платы 122 для первой сборки 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей.
Рассмотрим схемную плату 122 N-ой сборки 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей. Положительный вывод 370 аккумуляторной батареи на плате 130 управления соединен с положительной контактной площадкой 310 элемента батареи N-ой сборки 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, первым трассирующим элементом 452 на первой стороне 450 схемной платы 122, и также штырьками 454 в соединителе 124. Таким образом, образован первый соединитель 410.
Второй трассирующий элемент 456 соединен с отрицательной контактной площадкой 310 элемента батареи N-ой сборки 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей. Второй трассирующий элемент 456 соединен с третьим трассирующим элементом 462 на второй стороне 460 схемной платы 122 N-ой сборки 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей. Этот третий трассирующий элемент 462 соединен со штырьками 454 соединителя, первым трассирующим элементом 452 и контактной площадкой 310 элемента батареи в "N-1"-й сборке 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей. Таким образом, второй соединитель 420 образован сочетанием второго и третьего трассирующих элементов 456 и 462 на N-ой сборке, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, и штырьков 454 и первых трассирующих элементов 452 на "N-1"-й сборке 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей.
Теперь рассмотрим первую сборку 120, выполненную на основе плат и аккумуляторных батарей, которой оканчивается стопа. Четвертый трассирующий элемент 471 соединяет положительную контактную площадку 310 элемента батареи со штырьками 472 соединителя 124. Это приводит к замыканию второго соединителя 420 между первым и вторым элементами 126 аккумуляторной батареи.
Отрицательный вывод первого элемента 126 аккумуляторной батареи соединен пятым трассирующим элементом 473 со штырьками 474 соединителя 124. Эти штырьки 474 соединены со штырьками 458 (через трассирующие элементы 464) в соединителе 124 второй сборки 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей. Соединение с отрицательным выводом 375 аккумуляторной батареи на плате 130 управления замыкается штырьками 458 в соединителях 124 со второй по N-ую сборки 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей. Таким образом, образован третий соединитель 430.
На ФИГ. 4D также показано, каким образом может обеспечиваться управление нагревательным элементом 330. Нагревательный элемент 330 соединен между нагревательными площадками 475 и 476. Одна нагревательная площадка 475 соединена с положительной контактной площадкой 310 элемента батареи через четвертый трассирующий элемент 471. Другая нагревательная площадка 476 соединена с отрицательной контактной площадкой 310 элемента батареи через выключатель 477. Выключатель 477 может представлять собой полевой транзистор. Трассирующий элемент 478 для управления выключателем 477 соединен со штырьком соединителя 124. Трассирующий элемент 479 для измерения напряжения соединен между положительной контактной площадкой 310 элемента аккумуляторной батареи и другим штырьком соединителя 124.
На ФИГ. 4В и 4С показано, каким образом другие сборки 120, выполненные на основе плат и аккумуляторных батарей, могут управлять нагревом. Могут быть использованы обе стороны 450 и 460 схемной платы 122.
Со ссылкой на ФИГ. 5 показан способ эксплуатации блока 100 аккумуляторных батарей. В начальном состоянии (состояние 510) схема 136 технического обслуживания выключена, и блок 100 аккумуляторных батарей может быть соединен с нагрузкой или не соединен с ней. Определенные факторы (например, цикличная работа, повышенная температура и старение) могут со временем ухудшать характеристики аккумуляторных батарей. Для продления срока службы блока 100 аккумуляторных батарей может быть выполнено техническое обслуживание.
При включении выключателя 365 питания схема 136 технического обслуживания выполняет наблюдение за элементом батареи (состояние 520). Устройство 355 измерения напряжения элемента аккумуляторной батареи непрерывно измеряет напряжение каждого элемента 126 аккумуляторной батареи и отправляет цифровые значения напряжения в управляющую логическую схему 360 (состояние 520). Управляющая логическая схема 360 обеспечивает зарядку и разрядку блока 100 аккумуляторных батарей в пределах определенных диапазонов температуры. Она также определяет, следует ли выполнить балансировку элементов аккумуляторной батареи. Управляющая логическая схема 360 также определяет, работает ли каждый элемент 126 аккумуляторной батареи согласно необходимым требованиям.
Если управляющая логическая схема 360 определяет, что элементы аккумуляторной батареи несбалансированны, она идентифицирует элемент 126 аккумуляторной батареи, который имеет более высокое напряжение, чем другие элементы 126 аккумуляторной батареи, и выдает команду на устройство 350 управления нагревом включения выключателя 477, которое заставляет идентифицированный элемент 126 аккумуляторной батареи выполнить разряд в нагревательный элемент 330. После выключения выключателя 477 контрольное наблюдение за элементом батареи возобновляют (состояние 520). Когда управляющая логическая схема 360 определяет, что идентифицированный элемент 126 аккумуляторной батареи восстанавливает балансировку, выключатель 477 выключают.
Схема 136 технического обслуживания также может содержать датчик температуры (например, терморезистор) для измерения температуры блока 100 аккумуляторных батарей. Значение измеренной температуры подают в управляющую логическую схему 360, которая также определяет, следует ли осуществить нагрев блока 100 аккумуляторных батарей.
Если управляющая логическая схема 360 определяет, что блок 100 аккумуляторных батарей необходимо нагреть, она может выдать команду на устройство 350 управления нагревом для включения всех выключателей 477 на всех сборках 120, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, (состояние 540). В результате каждый элемент 126 аккумуляторной батареи осуществляет разрядку через нагревательный элемент 330. После выключения выключателей 477 контрольное наблюдение за элементом батареи возобновляют (состояние 520). Управляющая логическая схема 360 может определять необходимость замены элемента 126 аккумуляторной батареи (состояние 550). Если управляющая логическая схема 360 выполняет такое определение, она может выдать информацию о таком состоянии на внешние электронные устройства (например, другой компьютер или контроллер) через интерфейс SPI, UART или I2C.
Со ссылкой на ФИГ. 6 показан способ замены неисправного элемента аккумуляторной батареи в блоке 100 аккумуляторных батарей. В блоке 610 стопу 110 частично или полностью разбирают для удаления сборки 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, содержащей неисправный элемент 126 аккумуляторной батареи. В блоке 620, в котором сборку 120, выполненную на основе плат и аккумуляторных батарей, заменяют сборкой 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, имеющей исправный элемент 126 аккумуляторной батареи. В блоке 630, стопу 110 снова собирают с использованием заменяющей сборки 120, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей.
Таким образом, неисправный элемент 126 аккумуляторной батареи заменяют быстро. Отсутствует необходимость в отпаивании выводов неисправного элемента аккумуляторной батареи и повторной пайке выводов заменяющего элемента аккумуляторной батареи. Отсутствует необходимость в высвобождении неисправного элемента 126 аккумуляторной батареи из заливочного компаунда, и отсутствует возможность повреждения соседних элементов аккумуляторной батареи при высвобождении неисправного элемента 126 аккумуляторной батареи.
Выполненные с возможностью укладки в стопу сборки 120, выполненные на основе плат и аккумуляторных батарей, обеспечивают иные преимущества. Например, блок 100 аккумуляторных батарей выполнен с возможностью изменения. Напряжение может быть увеличено или уменьшено посредством добавления сборок 120, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, в стопу 110 или удаления сборок 120 из стопы 110.
Нагрев является более равномерным, поскольку нагревательные элементы 330 размещены вблизи элементов 126 аккумуляторной батареи. Таким образом, предотвращено образование участков перегрева. Для балансировки и нагрева элементов аккумуляторной батареи используются одни и те же нагревательные элементы 330.
Со ссылкой на ФИГ. 7 показан блок 700 аккумуляторных батарей, включающий в себя первую и вторую стопы 110, которые уложены друг с другом в стопу. Каждая стопа 110 содержит множество элементов 126 аккумуляторной батареи, соединенных в последовательную конфигурацию. Каждая стопа 110 также содержит свою собственную плату 130 управления. Полученные в результате две аккумуляторные батареи могут обеспечивать резервирование или могут быть соединены в параллельную конфигурацию (например, посредством соединения положительных выводов аккумуляторной батареи плат 130 управления, и посредством соединения отрицательных выводов аккумуляторной батареи плат 130 управления).
Блок аккумуляторных батарей согласно настоящему документу не ограничен одним элементом аккумуляторной батареи на сборку 120, выполненную на основе плат и аккумуляторных батарей. Например, каждая сборка 120, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, может содержать первые и вторые элементы аккумуляторной батареи.
Со ссылкой на ФИГ. 8 показана схемная плата 810, в которой размещены первые и вторые элементы 126 аккумуляторной батареи. Схемная плата 810 содержит соседние первые и вторые половины 820 и 830. Каждая половина 820 и 830 содержит контактные площадки 310 элементов батареи, монтажный участок 320, нагревательные элементы 330 и теплопроводящий слой 340 переноса. Первая и вторая стороны 820 и 830 могут совместно использовать один из нагревательных элементов 330. Каждая половина 820 и 830 также содержит соединитель 124.
Если множество сборок 120, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, содержащих схемные платы 810, уложены в стопу, элементы 126 аккумуляторной батареи на первых половинах 820 могут быть соединены последовательно, и элементы 126 аккумуляторной батареи на вторых половинах 830 могут быть соединены последовательно. Полученные в результате две аккумуляторные батареи могут обеспечивать резервирование или могут быть соединены в параллельную конфигурацию.
Блок 100 аккумуляторных батарей не ограничен каким-либо конкретным применением. Однако блок 100 аккумуляторных батарей особенно предпочтителен для спутников и других космических летательных аппаратов.
Со ссылкой на ФИГ. 9 показан спутник 910, включающий в себя такие подсистемы, как подсистема 920 обеспечения движения, подсистема 930 управления ориентацией, подсистема 940 связи и подсистема 950 питания. Подсистема 960 питания содержит резервный блок 955 аккумуляторных батарей. Резервный блок 955 аккумуляторных батарей может содержать блок 700 аккумуляторных батарей по ФИГ. 7 или блок 800 аккумуляторных батарей по ФИГ. 8, или два отдельных блока 100 аккумуляторных батарей по ФИГ. 1.
Элементы 126 аккумуляторной батареи блока 955 аккумуляторных батарей могут являться литий-ионными элементами 126 аккумуляторной батареи. Первая стопа элементов 126 аккумуляторной батареи соединена в последовательную конфигурацию, и вторая стопа элементов 126 аккумуляторной батареи соединена в последовательную конфигурацию. Первая стопа элементов 126 аккумуляторной батареи может подавать питание на первую шину, и вторая стопа элементов 126 аккумуляторной батареи может подавать питание на вторую шину.
Блок 955 аккумуляторных батарей может оставаться неиспользованным в течение продолжительного времени между закупкой и запуском спутника 910. Во время этого продолжительного периода может быть принято решение о замене элемента 126 аккумуляторной батареи. Элемент 126 аккумуляторной батареи может быть заменен быстро, без необходимости его высвобождения из заливочного компаунда, без необходимости отпаивания его выводов и без необходимости повторной пайки выводов заменяющей аккумуляторной батареи.
Во время запуска спутника 910 блок 955 аккумуляторных батарей будет подвергнут сильным вибрациям. С элементами 126 аккумуляторной батареи, зафиксированными с зажимом между схемными платами 122 и 132, и с электрическими соединителям 124 и 134, зафиксированными друг с другом с зажимом, блок 955 аккумуляторных батарей может выдерживать сильные вибрации.
Блок 955 аккумуляторных батарей также позволяет избежать проблем, вызванных перетиранием проводов от датчиков, вызванным вибрацией во время запуска. Снаружи стопы блока нет ни линий считывания или опроса, ни линий управления, а также нет линий аккумуляторных батарей. Все линии управления и измерения проложены через соединители 124, и все электрические соединения выполнены на схемных платах 122.
На орбите спутник 910 будет подвергаться воздействию изменяющегося магнитного поля Земли. Блок 955 аккумуляторных батарей, выполненный из неметаллического материала, позволяет избежать проблем, связанных с магнитными диполями, которые могут изменять ориентацию и положение спутника 910.
Кроме того, изобретение содержит варианты реализации согласно следующим пунктам.
Пункт 1. Блок аккумуляторных батарей, содержащий: стопу сборок, которые выполнены на основе плат и аккумуляторных батарей и каждая из которых включает в себя схемную плату, электрический соединитель, установленный на схемной плате, и элемент аккумуляторной батареи, прикрепленный к стороне схемной платы; причем
элементы аккумуляторной батареи размещены между схемными платами с образованием слоистой конструкции, а соединители соединены между собой; и при этом
схемные платы и соединители электрически соединяют элементы аккумуляторной батареи друг с другом.
Пункт 2. Блок аккумуляторных батарей по пункту 1, в котором элементы аккумуляторной батареи соединены в последовательную конфигурацию.
Пункт 3. Блок аккумуляторных батарей по пункту 1, в котором каждый элемент аккумуляторной батареи имеет неметаллический гибкий контейнер.
Пункт 4. Блок аккумуляторных батарей по пункту 1, в котором для каждой сборки, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, схемная плата содержит контактные площадки элементов батареи, припаянные к выводам элемента аккумуляторной батареи.
Пункт 5. Блок аккумуляторных батарей по пункту 1, в котором для каждой сборки, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, элемент аккумуляторной батареи закрывает по меньшей мере половину стороны схемной платы.
Пункт 6. Блок аккумуляторных батарей по пункту 1, в котором стопа кроме того содержит плату управления, включающую в себя схемную плату и схему технического обслуживания, причем
схемные платы и соединители сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, образуют линии связи, которые обеспечивают возможность связи схемы технического обслуживания с каждой сборкой, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей.
Пункт 7. Блок аккумуляторных батарей по пункту 6, в котором стопа содержит N сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, где целое число N>1; причем
элементы аккумуляторной батареи соединены в последовательную конфигурацию;
первый вывод элемента аккумуляторной батареи в N-ой сборке, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, соединен с первым выводом аккумуляторной батареи на плате управления посредством комбинации трассирующих элементов и штырьков в N-ой сборке, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей; и
выводы последовательных элементов аккумуляторной батареи соединены посредством комбинации трассирующих элементов и штырьков на своих соответствующих сборках, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей; и при этом
второй вывод элемента аккумуляторной батареи на 1-ой сборке, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, соединен со вторым выводом аккумуляторной батареи на плате управления посредством комбинации трассирующих элементов и штырьков на всех сборках, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей.
Пункт 8. Блок аккумуляторных батарей по пункту 6, в котором схема технического обслуживания выполнена с возможностью измерения напряжения на каждом элементе аккумуляторной батареи через линии связи, а также идентификации любых неисправных элементов аккумуляторной батареи.
Пункт 9. Блок аккумуляторных батарей по пункту 6, в котором каждая сборка, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, содержит нагревательный элемент, размещенный вблизи указанного элемента аккумуляторной батареи, и выключатель для соединения нагревательного элемента с элементом аккумуляторной батареи, и при этом
выключатели выполнены с возможностью управления посредством схемы технического обслуживания через линии связи.
Пункт 10. Блок аккумуляторных батарей по пункту 9, в котором схема технического обслуживания выполнена с возможностью включения всех выключателей одновременно для осуществления нагрева.
Пункт 11. Блок аккумуляторных батарей по пункту 9, в котором схема технического обслуживания выполнена с возможностью включения выбранных выключателей для осуществления выравнивания нагрузки.
Пункт 12. Блок аккумуляторных батарей по пункту 9, в котором схемная плата каждой сборки, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, кроме того содержит теплопроводящий слой переноса, примыкающий к элементу аккумуляторной батареи, причем нагревательные элементы термически размещены вблизи слоя переноса.
Пункт 13. Блок аккумуляторных батарей по пункту 1, кроме того содержащий вторую стопу сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, причем
первая и вторая стопы уложены друг с другом в стопу; и при этом
элементы аккумуляторной батареи каждой стопы соединены в последовательную конфигурацию.
Пункт 14. Блок аккумуляторных батарей по пункту 1, в котором каждая сборка, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, кроме того содержит второй элемент аккумуляторной батареи возле первого элемента аккумуляторной батареи, причем
первые элементы аккумуляторной батареи из всех сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, соединены последовательно, и при этом
вторые элементы аккумуляторной батареи из всех сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, соединены последовательно с образованием первой и второй аккумуляторных батарей.
Пункт 15. Способ, включающий замену данного элемента аккумуляторной батареи в блоке аккумуляторных батарей по пункту 1, согласно которому:
разбирают указанную стопу для удаления сборки, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей и содержащей данный элемент аккумуляторной батареи;
производят замену этой сборки сборкой, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей и имеющей заменяющий элемент аккумуляторной батареи; и
снова собирают указанную стопу со сборкой, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, имеющей заменяющий элемент аккумуляторной батареи.
Пункт 16. Способ осуществления технического обслуживания блока аккумуляторных батарей по пункту 1, причем каждая сборка, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, содержит нагревательный элемент, а способ включает разрядку всех элементов аккумуляторной батареи через нагревательные элементы для нагрева блока аккумуляторных батарей.
Пункт 17. Способ по пункту 16, в котором техническое обслуживание кроме того включает разрядку выбранного элемента аккумуляторной батареи через нагревательный элемент для выравнивания нагрузки.
Пункт 18. Блок аккумуляторных батарей, содержащий стопу из множества сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, и плату управления, причем каждая сборка, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, включает в себя схемную плату, элемент аккумуляторной батареи на схемной плате, по меньшей мере один нагревательный элемент, размещенный вблизи указанного элемента аккумуляторной батареи, и электрический соединитель на схемной плате,
причем плата управления включает в себя схемную плату и схему технического обслуживания,
элементы аккумуляторной батареи, размещенные между схемными платами с образованием слоистой конструкции, а электрические соединители, зафиксированные друг с другом с зажимом;
схемные платы и соединители, соединяющие элементы аккумуляторной батареи в последовательную конфигурацию;
трассирующие элементы на схемных платах и штырьки соединителей, образующие линии связи, которые обеспечивают возможность связи схемы технического обслуживания с каждой сборкой, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей.
Пункт 19. Блок аккумуляторных батарей по пункту 18, в котором каждая сборка, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, содержит нагревательный элемент и выключатель, присоединенный между нагревательным элементом и элементом аккумуляторной батареи и сообщающийся со схемой технического обслуживания через линии связи; причем схема технического обслуживания содержит логическую схему, выполненную с возможностью включения всех выключателей для нагрева блока аккумуляторных батарей и включения выбранных выключателей для выравнивания нагрузки.
Пункт 20. Спутник, содержащий подсистему питания, включающую в себя блок аккумуляторных батарей, содержащий:
стопу сборок, которые выполнены на основе плат и аккумуляторных батарей и каждая из которых включает в себя схемную плату, электрический соединитель, установленный на схемной плате, и литий-ионный элемент аккумуляторной батареи, прикрепленный к стороне схемной платы,
элементы аккумуляторной батареи, размещенные между схемными платами с образованием слоистой конструкции, трассирующие элементы на схемных платах и штырьки соединителей, электрически соединяющие элементы аккумуляторной батареи друг с другом в последовательную конфигурацию.
1. Блок (100) аккумуляторных батарей, содержащий:
стопу (110) сборок (120), которые выполнены на основе плат и аккумуляторных батарей и каждая из которых включает в себя схемную плату (122), электрический соединитель (124), установленный на схемной плате, и элемент (126) аккумуляторной батареи, прикрепленный к стороне схемной платы;
причем элементы аккумуляторной батареи размещены между схемными платами с образованием слоистой конструкции, а соединители соединены между собой;
при этом схемные платы и соединители электрически соединяют элементы аккумуляторной батареи друг с другом,
причем стопа, кроме того, содержит плату (130) управления, включающую в себя схемную плату (132) и схему (136) технического обслуживания, причем схемные платы и соединители (134) сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, образуют линии связи, которые обеспечивают возможность связи схемы технического обслуживания с каждой сборкой, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей.
2. Блок аккумуляторных батарей по п.1, в котором элементы аккумуляторной батареи соединены в последовательную конфигурацию.
3. Блок аккумуляторных батарей по п. 1, в котором каждый элемент аккумуляторной батареи имеет неметаллический гибкий контейнер (210).
4. Блок аккумуляторных батарей по п. 1, в котором для каждой сборки, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, схемная плата содержит контактные площадки (310) элементов батареи, припаянные к выводам (220) элемента аккумуляторной батареи.
5. Блок аккумуляторных батарей по п. 1, в котором для каждой сборки, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, элемент аккумуляторной батареи закрывает, по меньшей мере, половину стороны схемной платы.
6. Блок аккумуляторных батарей по п. 1, в котором стопа содержит N сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, где целое число N > 1; причем
элементы аккумуляторной батареи соединены в последовательную конфигурацию;
первый вывод элемента аккумуляторной батареи в N-й сборке, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, соединен с первым выводом аккумуляторной батареи на плате управления посредством комбинации трассирующих элементов и штырьков в N-й сборке, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей;
выводы последовательных элементов аккумуляторной батареи соединены посредством комбинации трассирующих элементов и штырьков на своих соответствующих сборках, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей; и при этом
второй вывод элемента аккумуляторной батареи на 1-й сборке, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, соединен со вторым выводом аккумуляторной батареи на плате управления посредством комбинации трассирующих элементов и штырьков на всех сборках, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей.
7. Блок аккумуляторных батарей по п. 1, в котором схема технического обслуживания выполнена с возможностью измерения напряжения на каждом элементе аккумуляторной батареи через линии связи, а также идентификации любых неисправных элементов аккумуляторной батареи.
8. Блок аккумуляторных батарей по п. 1, в котором каждая сборка, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, содержит нагревательный элемент (330), размещенный вблизи указанного элемента аккумуляторной батареи, и выключатель(477) для соединения нагревательного элемента с элементом аккумуляторной батареи, причем
выключатели выполнены с возможностью управления посредством схемы технического обслуживания через линии связи.
9. Блок аккумуляторных батарей по п. 8, в котором схема технического обслуживания выполнена с возможностью включения всех выключателей одновременно для осуществления нагрева.
10. Блок аккумуляторных батарей по п. 8, в котором схема технического обслуживания выполнена с возможностью включения выбранных выключателей для осуществления выравнивания нагрузки.
11. Блок аккумуляторных батарей по п. 8, в котором схемная плата каждой сборки, выполненной на основе плат и аккумуляторных батарей, кроме того, содержит теплопроводящий слой (340) переноса, примыкающий к элементу аккумуляторной батареи, причем нагревательные элементы термически размещены вблизи слоя переноса.
12. Блок аккумуляторных батарей по п. 1, кроме того, содержащий вторую стопу (110) сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, причем первая и вторая стопы уложены друг с другом в стопу; и при этом элементы аккумуляторной батареи каждой стопы соединены в последовательную конфигурацию.
13. Блок аккумуляторных батарей по п. 1, в котором каждая сборка, выполненная на основе плат и аккумуляторных батарей, кроме того, содержит второй элемент (126) аккумуляторной батареи возле первого элемента аккумуляторной батареи, причем
первые элементы аккумуляторной батареи из всех сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, соединены последовательно, и при этом
вторые элементы аккумуляторной батареи из всех сборок, выполненных на основе плат и аккумуляторных батарей, соединены последовательно с образованием первой и второй аккумуляторных батарей.
