комбинированный источник постоянного тока

(i) область использования

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

(ii) предшествующий уровень техники

наиболее близким к данному изобретению является источник тока, включающий множество единичных первичных или вторичных химических источников тока (хит) или модулей из нескольких хит, соединенных в последовательную электрическую цепь, и один или несколько источников постоянного тока: вспомогательных хит, топливных элементов, метало-воздушных источников тока и др, подключаемых к каждому из единичных хит с помощью коммутатора, управляемого электронным блоком управления. [пат. Pф JчO2230418, Oп. 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.

(iii) раскрытие изобретения.

задачей изобретения является создание источника постоянного тока, обладающего одновременно повышенными удельными мощностными и энергетическими характеристиками.

указанный технический результат достигается тем, что:

в комбинированном источнике постоянного тока, содержащем единичные первичные источники постоянного тока или модули из нескольких единичных первичных источников постоянного тока, единичные вторичные электрохимические источники тока или модули из нескольких вторичных 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 нескольких вторичных электрохимических источников тока с помощью коммутирующего устройства подключен единичный первичный источник постоянного тока или модуль из нескольких первичных источников постоянного тока через электронный преобразователь, обеспечивающий согласование рабочих напряжений первичного и вторичного - источников тока, а блок управления коммутирующими устройствами контролирует и поддерживает в заданном диапазоне напряжение каждого единичного вторичного электрохимического источника тока или модуля нескольких вторичных электрохимических источников тока путем их отключения от первичных источников постоянного тока или модулей из нескольких единичных первичных источников постоянного тока или от внешней электрической цепи (нагрузки).

в комбинированном источнике постоянного тока в качестве первичного источника постоянного тока использован топливный элемент.

в комбинированном источнике постоянного тока в качестве первичного источника постоянного тока использован метало-воздушный источник тока.

в комбинированном источнике постоянного тока в качестве первичного источника постоянного тока использован фотоэлектрический преобразователь

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 двухслойный 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.

блок управления коммутирующими устройствами контролирует и поддерживает в заданном диапазоне напряжение каждого единичного первичного источника постоянного тока или модуля из нескольких единичных первичных источников постоянного тока путем его отключения от единичного вторичного электрохимического источника тока или модуля из нескольких единичных вторичных электрохимических источников тока.

(iv) примеры реализации изобретения

пример 1

комбинированный источник постоянного тока (кит) выполнен по электрической схеме, приведенной на фиг. 1. он состоит из 3-х модулей единичных первичных источников постоянного тока 1, 2, 3, каждый из которых представляет собой батарею фотоэлектрических преобразователей (модуль фэп) с выходным напряжением от 1.8 до 3.0 в. каждый модуль фэп через свой преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение (DC-DC преобразователь) 4, 5, 6 и силовые контакты электромагнитных реле 11 (11.2), 12 (12.2), 13 (13.2) подключен к 3-м модулям вторичных электрохимических источников тока 7, 8, 9, каждый из которых состоит из 2-х соединенных параллельно литий-полимерных аккумуляторов емкостью 10 A*ч (аккумуляторный модуль). аккумуляторные модули 7, 8, 9 электрически соединены по последовательной схеме. DC-DC преобразователи 4, 5, 6 преобразуют выходное напряжение модулей фэп 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 (силовые контакты 14.2), а выходная цепь U. подключена к аккумуляторному модулю 9 непосредственно. включение/отключение управляющих обмоток 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 модулей фэп 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.

пример 2

комбинированный источник постоянного тока выполнен по электрической схеме, приведенной на фиг. 2. он состоит из 3-х единичных 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 электронные ключи 11, 12, 13 подключен к 3-м модулям из единичных вторичных электрохимических источников тока 7, 8, 9, каждый из которых состоит из 6-ти соединенных последовательно герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов емкостью 10 A*ч (аккумуляторный модуль). 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 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 (цепи управления электронными ключами 11 ... 14 на схеме не показаны). измерительные цепи блока управления 10 подключены к мвит 1, 2, 3 и аккумуляторным модулям 7, 8, 9, а напряжение его 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 мвит 1, 2, 3 и каждом аккумуляторном модуле 7, 8, 9. если напряжение на

мвит выше 0,8 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 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 мвит 1, 2, 3 до 0,8 в блок управления 10 отключает этот мвит от соответствующего аккумуляторного модуля с помощью электронного ключа 11, 12 или 13 и формирует световой сигнал о разряде этого мвит с помощью свето диода 15, 16 или 17. пример 3. комбинированный источник постоянного тока выполнен по электрической схеме, приведенной на фиг. 3. он состоит из 6-ти модулей из единичных первичных источников постоянного тока 1, 2, 3, 18, 19, 20, каждый из которых представляет собой три соединенных последовательно единичных водородо-воздушных твердо-

полимерных 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 модулям из единичных вторичных электрохимических источников тока 7, 8, 9, 27, 28, 29, каждый из которых представляет собой батарею гибридных электрохимических конденсаторов 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) (цепи управления электронными ключами 11, 12, 13, 24, 25, 26 на схеме не показаны). измерительные цепи блока управления 10 подключены к модулям тптэ 1, 2, 3, 18, 19, 20 и конденсаторам 7, 8, 9, 27, 28, 29, а напряжение его питания поступает с этих же конденсаторов. к блоку управления 10 подключены свето диоды 15, 16, 17, 30, 31, 32. алгоритм функционирования кит.

блок управления A7 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.