Сенсорные экраны, touchscreen, сенсорные киоски, Polyswitch, термопринтеры, силовые реле от Конкур электрикСенсорные экраны, touchscreen, сенсорные киоски, Polyswitch, термопринтеры, силовые реле от Конкур электрик
электромеханические, электронные и системные компоненты
(812) 441-36-38; (495) 755-93-29
 
Найти:    
Наши публикации
Новый инновационный самовосстанавливающийся компонент защиты для силовых литий-ионных аккумуляторов

Сергей Белых
bsv@konkurel.ru

Быстро расширяющийся рынок силовых литий-ионных аккумуляторов используемых в переносных электроприборах, велосипедах с электрической тягой и источниках бесперебойного питания создал потребность в рентабельных самовосстанавливающихся устройствах защиты электрических цепей от перегрузок по току (свыше 30А при постоянном напряжении до 30В). Чтобы удовлетворить эту потребность компанией Tyco Electronics / Raychem Circuit Protection было создано гибридное устройство состоящее из соединенных параллельно друг с другом биметаллического предохранителя и самовосстанавливающегося устройства защиты PolySwitch. Получившийся металлогибридный полимерный термистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления получил обозначение MHP. В совокупности элемент MHP обеспечивает самовосстанавливающуюся защиту от перегрузок по току и контроль за состоянием силовых контактов биметаллического предохранителя, а именно предотвращает возникновение электрической дуги между контактами и их дребезг. Каким же образом это происходит мы и рассмотрим в настоящей статье.

Преимущества устройства MHP перед существующими решениями

Силовые литий-ионные аккумуляторы требуют надежной специфической защиты по току. Существующие методы защиты электрических цепей подобных аккумуляторов сложны и дороги, а конкретные устройства защиты занимают много места. В качестве примера таких методов можно привести использование схемных решений на базе интегральных микросхем, силовых MOSFET-транзисторов и радиаторов охлаждения или обычных биметаллических предохранителей. В первом случае защита сложна, дорога и громоздка, во втором имеет большие габариты и низкую надежность, поскольку контакты предохранителя должны быть рассчитаны на токи свыше 30А и к тому же из-за электрической дуги и дребезга ограничивается число циклов переключения контактов биметаллического предохранителя.

В свою очередь, новое гибридное устройство MHP, разработанное Tyco Electronics, лишено всех этих недостатков и может полностью или частично заменить собой рассмотренные схемы защиты. К тому же устройство MHP обеспечивает снижение затрат и повышает надежность и долговечность работы силовых литий-ионных аккумуляторов.

Принцип работы

При нормальном режиме работы устройства MHP, большая часть тока проходит через контакты биметаллического предохранителя из-за его более низкого контактного сопротивления по сравнению с сопротивлением устройства PolySwitch. Когда происходит, например, заклинивание ротора электродвигателя, контакты биметаллического предохранителя начинают размыкаться, их сопротивление увеличивается, и большая часть тока начинает протекать через устройство PolySwitch. В этом случае предотвращается возникновение электрической дуги между контактами биметалла, поскольку большая часть энергии отводится на PolySwitch. К тому же от этой энергии температура самого устройства PolySwitch растет и он начинает дополнительно прогревать биметалл, что приводит к устранению дребезга его контактов.

На Рисунке 1 показаны шаги срабатывания устройства MHP:
  1. Во время нормального режима работы большая часть тока проходит через биметаллический предохранитель, т.к. его сопротивление контакта очень низкое.
  2. Когда контакт начинает размыкаться, его сопротивление растет. Если сопротивление между биметаллическими контактами станет больше сопротивления PolySwitch, то большая часть тока начнет протекать уже через него. Таким образом предотвращается возникновение электрической дуги между контактами биметаллического предохранителя. А дополнительный подогрев биметалла от PolySwitch позволяет избежать дребезга контактов.
  3. После полного размыкания контактов, сработавшее устройство PolySwitch своей температурой поддерживает контакты биметалла в разомкнутом состоянии, тем самым препятствуя замыканию контактов до устранения неисправности вызвавшей срабатывание защиты или до отключения электроприбора от аккумулятора.

Рисунок 2 показывает схему параллельного включения биметаллического предохранителя и устройства PolySwitch. В дальнейшем по этой схеме проводилось тестирование устройства MHP.
Рисунок 1. Принцип работы устройства МНР.

Рисунок 2. Электрическая схема параллельного включения биметаллического предохранителя и устройства PolySwitch. Тестовая электрическая схема.

Преимущества объединения биметаллического предохранителя и устройства PolySwitch

Рисунки 3 и 4 показывают токи и напряжения в схеме с использованием только биметаллического предохранителя. На Рисунке 3 типовое время размыкания цепи 1,28мс при постоянном токе 20А напряжением 24В. Рисунок 4 изображает состояние размыкания цепи при удвоенном напряжении постоянного тока 48В. При коротком замыкании или броске тока, возникающая электрическая дуга увеличивает время размыкания цепи до 334мс.

Рисунок 5 показывает результат объединения устройства PolySwitch и биметаллического предохранителя. Время проходящее между тем, когда биметаллический предохранитель начинает действовать пока устройство PolySwitch полностью не сработало, составляет 6,48мс. С правой стороны Рисунка 5 показано время размыкания контактов биметаллического предохранителя - 4,8мкс.

Эти тесты демонстрируют гладкую работу гибридного устройства защиты без залипания контактов биметаллического предохранителя и отсутствие дребезга этих контактов.
Рисунок 3 и 4. Срабатывание биметаллического предохранителя при 24В и 48В.

Рисунок 5. Срабатывание параллельно соединенных биметаллического предохранителя и устройства PolySwitch при 48В.

Особенности устройства MHP

Этот раздел более подробно описывает преимущества, обеспечиваемые устройством MHP по сравнению с типовыми подходами к подобной защите.

Уменьшенный размер контактов и более низкое сопротивление

В типовых биметаллических предохранителях электрическая цепь размыкается только в одном месте. Поэтому для обеспечения коммутации больших токов приходится увеличивать размеры контактов. Устройство MHP использует контакты с разрывом электрической цепи в двух местах, что уменьшает габариты и массу устройства (Рисунок 6). Эта технология обеспечивает некоторые преимущества по сравнению с типовыми биметаллическими предохранителями:
  1. Такие контакты обладают более низким сопротивлением, из-за более короткого пути протекающего тока.
  2. Нагрев происходит только в точке непосредственного замыкания/размыкания цепи, что позволяет осуществлять более точный тепловой контроль режима работы устройства.
  3. Такие контакты уменьшают размеры всего устройства.

Рисунок 6. Конструкция контактов используемых в устройстве МНР.

Для сравнения на Рисунке 7 приведены стандартные биметаллические контакты. Как видно, контакт разрывает цепь в одном месте и имеет более длинный путь прохождения тока.
Рисунок 7. Конструкция контактов стандартных биметаллических предохранителей.

Улучшенная вибро- и ударостойкость

Рисунок 8 показывает определенное преимущество конструкции устройства МНР, которое позволяет использовать его в условиях постоянных вибраций и ударов. Типичные литий-ионные аккумуляторы, применяемые в носимых электроприборах и подвижной аппаратуре, работают при серьезных и регулярных вибрационных воздействиях. Поэтому устройство MHP нуждается в достаточно сильном давлении между контактами. В обычных биметаллических предохранителях используют, как правило, только пружину поддерживающую подвижный контакт на неподвижном. Однако при воздействии сильных вибраций, а тем более ударов, такого подхода недостаточно.

Рисунок 8. Конструкция устройства МНР.

Преодолеть эту проблему помогло использование биметаллического диска вместо прямоугольных пластин. Диск способен изменять своя плоскую форму только при нагреве до определенной температуры и не реагирует на вибрационные воздействия. Кроме того, в конструкцию был добавлен специальный "крюк", позволяющий увеличить давление между контактами, обеспечиваемое биметаллическим диском. Устройство МНР пережило 1000 ударов с ускорением 1500 g без отказов и 3 удара с ускорением 3000 g.

Тестирование цикла переключения

Рисунок 9 иллюстрирует зависимость сопротивления устройства МНР от температуры. Температуры открытия/закрытия контактов устройства могут быть изменены под требования конкретного применения путем подбора соответствующего биметаллического диска.

Рисунок 9. Зависимость сопротивления от температуры устройства МНР.

Рисунок 10 показывает, как устройство МНР30 переживает более 500 циклов переключения.
Рисунок 10. Жизненный цикл устройства МНР при 36VDC/100A.

На Рисунке 11 показано изменение сопротивления устройства во время воздействия ударов с ускорением 1500 g в течение 1000 циклов. Как видно из рисунка, даже на протяжении 1000 регулярных ударов контакты устройства MHP ни разу не разомкнулись.

Рисунок 11. Тест на ударостойкость 1500 g / 1000. Без нагрузки.


Рисунок 12 изображает ударный тест с ускорением 1500 g в течение1000 раз под нагрузкой с потребляемым током 1А. А Рисунок 13 показывает этот же тест, но в течение 3 раз с ускорением 3000 g. Как показывают рисунки, даже под нагрузкой контакты устройства не размыкались.

Рисунок 12. Тест на ударостойкость 1500 g. Нагрузка 1А.


Рисунок 13. Тест на ударостойкость 3000 g. Нагрузка 1А.


Экономическая выгода

Использование устройства МНР в переносной аппаратуре с аккумуляторным питанием может привести к снижению ее стоимости по сравнению с использованием типовой схемы (Рисунки 14а и 14б). Связка устройства МНР с N-канальным MOSFET-транзистором (для контроля заряда) способна заменить собой два дорогих Р-канальных MOSFET-транзистора. Другая потенциальная выгода может заключаться в переносе интегральной схемы в сам электроприбор, а устройство МНР оставить в блоке аккумуляторных батарей, для того чтобы совместить аккумуляторную батарею с электроприборами нового поколения.

Рисунок 14 а и б. Пример использования устройства МНР.


Технические характеристики устройства МНР

Таблица 1 содержит технические характеристики устройства МНР, которое имеет максимальные параметры по напряжению и току 36VDC/100A и время срабатывания менее пяти секунд при токе 100А (@25 С). Рабочий ток устройства 30А и начальное сопротивление до 2мОм, что меньше чем у типичных биметаллических предохранителей (от 3 до 4мОм).

Таблица 1. Технические характеристики МНР30.

Время срабатывания при токе 50А составляет 25 секунд +/- 5 секунд. Это значение достаточно мало, чтобы помочь защитить аккумуляторную батарею от перегрева из-за переразряда и позволяет оператору электроприбора не отвлекаться на "ложные" срабатывания.

Время срабатывания при токе 100А является самым важным параметром при условии защиты аккумуляторной батареи от любой чрезвычайной ситуации, например заклинивание ротора при сверлении отверстий. Также, время срабатывания не должно превышать пяти секунд. Время сброса (возврата в рабочее состояние) не должно быть больше 30 секунд, что позволяет удержать батарею от перегрева и не утомить оператора ожиданием.

Рисунок 15 иллюстрирует внешний вид и габариты устройства МНР, с рабочим током 30А. Этот размер соответствует размеру обычного биметаллического предохранителя, но с рабочим током 15А. Кроме этого, устройство имеет плоские углы на одной стороне и может устанавливаться между стандартными литий-ионными ячейками, диаметром 18мм, в аккумуляторной батарее.

Рисунок 15. Внешний вид и габариты устройства МНР.


Заключение

Доступное в удобном маленьком корпусе, самовосстанавливающееся устройство МНР30 способно обеспечить защиту цепей с потребляемым током до 30А при постоянном напряжении до 30В. При этом благодаря низкому сопротивлению устройства PolySwitch оно подавляет образование электрической дуги между коммутируемыми контактами. А благодаря дополнительному подогреву от PolySwitch устраняется дребезг контактов при работе устройства. Технология устройства МНР позволяет проектировать защиту и для других всевозможных применений. В настоящий момент идет разработка такой защиты для напряжений 400В постоянного тока величиной до 60А.

Устройство рассмотренное в настоящей статье может найти применение ручном электроинструменте, источниках бесперебойного питания, велосипедах с электрической тягой и т.п.

Konkur Electric
197342, г. Санкт-Петербург,
Белоостровская, д. 28, офис 428

105484, г. Москва,
ул. 16-я Парковая, д.21,
корп.1, офис 413
Copyright © ЗАО «Конкур электрик» - электромеханические, электронные и системные компоненты, термопринтеры, сенсорные экраны, touch screen
Частичное или полное копирование материала, размещенного на сайте, без согласия ЗАО «Конкур электрик» запрещено.
Поиск электронных компонентов
Поиск электронных компонентов