RU2659182C1

RU2659182C1 - Regulator of output electrical parameters of beta-voltaic battery

Info

Publication number: RU2659182C1
Application number: RU2017127645A
Authority: RU
Inventors: Петр Михайлович Гаврилов; Игорь Александрович Меркулов; Дмитрий Витальевич Друзь; Денис Валерьевич Тихомиров; Борис Николаевич Бараков; Андрей Петрович Козловский; Алексей Сергеевич Перетокин; Константин Сергеевич Журавлев; Александр Михайлович Гилинский; Павел Викторович Зеленков; Александр Тимофеевич Лелеков; Виктор Геннадьевич Сидоров; Игорь Владимирович Ковалев; Сергей Викторович Богданов
Original assignee: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Горно - Химический Комбинат" (Фгуп "Гхк")
Priority date: 2017-08-01
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2018-06-28

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: use to create power supplies based on semiconductor converters using the beta-voltaic effect. Essence of the invention lies in the fact that the regulator contains blocks of key and storage elements, a control unit including a converter, a voltage regulator, a microcontroller and a temperature sensor, where a block of key elements is connected to the contacts of battery kits and is configured to switch kits to storage elements, the connection scheme of the key elements is determined by the control unit made with feedbacks on one or several channels with the output of the controller, with the contacts of one or more battery packs and with a temperature sensor installed in the voltage regulator.

EFFECT: providing the possibility of controlling and regulating the output electrical parameters of the battery by the regulator during operation.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к атомной и полупроводниковой технике, в частности к созданию источников питания на основе полупроводниковых преобразователей с использованием бета-вольтаического эффекта.The invention relates to atomic and semiconductor technology, in particular to the creation of power sources based on semiconductor converters using the beta-voltaic effect.

Известные бета-вольтаические батареи, например по патенту US №8487392, МПК H01L 27/14, состоят из собранных в стопку комплектов, состоящих из полупроводниковых преобразователей, радиоизотопных, токопроводящих и изолирующих элементов, расположенных в корпусе в определенном порядке. При этом выходные электрические параметры батареи (напряжение и ток) определяются количеством комплектов и их последовательным или параллельным соединением, осуществляемым при сборке, и в процессе эксплуатации не могут изменяться. В то же время изменение выходных электрических параметров батареи в процессе их длительной эксплуатации может иметь принципиальное значение.Known beta-voltaic batteries, for example, according to US patent No. 8487392, IPC H01L 27/14, consist of stacked kits consisting of semiconductor converters, radioisotope, conductive and insulating elements located in a certain order in the housing. In this case, the output electrical parameters of the battery (voltage and current) are determined by the number of sets and their series or parallel connection, carried out during assembly, and cannot be changed during operation. At the same time, a change in the output electrical parameters of the battery during their long-term operation can be of fundamental importance.

Известно адаптивное устройство накопления энергии с первичным фотоэлектрическим преобразователем (см. патент US 2015/0130394 А1, МПК H02J 7/35), содержащее последовательно соединенные солнечную батарею, преобразователь напряжения, накопитель энергии и контроллер (устройство управления) зарядом накопителя энергии. Солнечная батарея играет роль первичного источника энергии.Known adaptive energy storage device with a primary photoelectric converter (see patent US 2015/0130394 A1, IPC H02J 7/35), containing a series-connected solar battery, a voltage converter, an energy storage device and a controller (control device) of the energy storage charge. The solar battery plays the role of the primary source of energy.

Известное устройство реализует регулирование по величине входного напряжения контроллера управления зарядом, для управления зарядным током и напряжением в режиме пониженной входной мощности, например при снижении угла падения света на солнечную батарею. Чем больше напряжение, тем большая мощность отправляется на заряд накопителя энергии. Устройство осуществляет экстремальное регулирование отбираемой от солнечной батареи мощности по выходному напряжению преобразователя напряжения. Экстремальное регулирование мощности реализуется контроллером управления зарядом.The known device implements the regulation of the input voltage of the charge control controller to control the charging current and voltage in the mode of reduced input power, for example, by reducing the angle of incidence of light on the solar battery. The higher the voltage, the more power is sent to the charge of the energy storage. The device carries out extreme regulation of the power taken from the solar battery according to the output voltage of the voltage converter. Extreme power control is implemented by a charge control controller.

В качестве накопителя энергии указывается литий-ионный аккумулятор (или иной), содержащий датчик температуры, по показаниям которого контроллер управления зарядом может остановить зарядный процесс либо изменить его параметры.A lithium-ion battery (or another) containing a temperature sensor is indicated as an energy storage device, according to which a charge control controller can stop the charging process or change its parameters.

Недостатком указанного устройства является то, что в нем отсутствует стабилизация напряжения на выходе.The disadvantage of this device is that it does not have voltage stabilization at the output.

Устройство выбрано заявителем в качестве прототипа.The device is selected by the applicant as a prototype.

Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого регулятора, заключается в возможности управления и регулирования выходных электрических параметров батареи в процессе эксплуатации.The technical result that can be obtained using the inventive controller is the ability to control and regulate the output electrical parameters of the battery during operation.

Указанный технический результат достигается тем, что в регуляторе, содержащем блоки ключевых и накопительных элементов, блок управления, включающий в себя преобразователь и стабилизатор напряжений, микроконтроллер и датчик температуры, блок ключевых элементов соединен с контактами комплектов бета-вольтаической батареи.The specified technical result is achieved in that in the controller containing the blocks of key and storage elements, a control unit including a voltage converter and a voltage stabilizer, a microcontroller and a temperature sensor, a key element block is connected to the contacts of the beta-voltaic battery sets.

Блок ключевых элементов выполнен с возможностью коммутации комплектов посредством ключевых элементов к накопительным элементам.The block of key elements is configured to switch sets by means of key elements to the storage elements.

Схема соединения ключевых элементов определяется блоком управления, выполненным с обратными связями по одному или нескольким каналам с выходными контактами регулятора, с контактами одного или нескольких комплектов бета-вольтаической батареи и с датчиком температуры, установленным в стабилизаторе напряжения.The connection diagram of the key elements is determined by the control unit, made with feedback on one or more channels with the output contacts of the regulator, with the contacts of one or more sets of beta-voltaic batteries and with a temperature sensor installed in the voltage regulator.

В частном случае исполнения в качестве ключевых элементов используются электрические контакты и (или) полупроводниковые переключающие элементы.In the particular case of execution, electrical contacts and (or) semiconductor switching elements are used as key elements.

В частном случае исполнения в качестве накопительных элементов используется электрохимический аккумулятор, или суперконденсатор, или конденсатор, или комбинация этих элементов.In the particular case of execution, an electrochemical battery, or a supercapacitor, or a capacitor, or a combination of these elements is used as storage elements.

Соединение блока ключевых элементов с контактами комплектов бета-вольтаической батареи, выполнение блока ключевых элементов с возможностью коммутации комплектов посредством ключевых элементов к накопительным элементам и определение устройством управления схемы соединения ключевых элементов позволяет в процессе эксплуатации изменять схему соединения комплектов и, тем самым, осуществлять управление и регулирование электрических выходных параметров батареи в процессе эксплуатации.The connection of the block of key elements with the contacts of the beta-voltaic battery sets, the execution of the block of key elements with the ability to switch the sets by means of key elements to the storage elements and the control device determines the connection diagram of the key elements allows you to change the connection diagram of the sets during operation and thereby control and regulation of the electrical output parameters of the battery during operation.

Выполнение обратной связи блока управления с выходом регулятора позволяет в зависимости от изменения сопротивления нагрузки и температуры окружающей среды стабилизировать выходные электрические параметры, в частности напряжение на выходе регулятора.The feedback of the control unit with the output of the regulator allows depending on changes in load resistance and ambient temperature to stabilize the output electrical parameters, in particular the voltage at the output of the regulator.

Использование в качестве ключевых элементов электрических контактов и (или) полупроводниковых переключающих элементов позволяет собрать схему соединения комплектов батареи с получением требуемых выходных электрических параметров.The use of electrical contacts and (or) semiconductor switching elements as key elements makes it possible to assemble a connection diagram of battery sets to obtain the required output electrical parameters.

Использование в качестве накопительных элементов электрохимического аккумулятора, или конденсатора, или комбинации этих элементов, позволяет накапливать электрический заряд от комплектов преобразователей и использовать его при периодическом импульсном потреблении электроэнергии нагрузкой.The use of an electrochemical battery, or capacitor, or a combination of these elements as storage elements, allows you to accumulate electric charge from sets of converters and use it with periodic pulsed power consumption by the load.

Установка датчика температуры в стабилизаторе напряжения позволяет осуществить компенсацию изменения электрических свойств полупроводниковых компонентов устройства в зависимости от температуры.Installing a temperature sensor in a voltage stabilizer allows you to compensate for changes in the electrical properties of the semiconductor components of the device depending on the temperature.

На приведенном чертеже изображена блок-схема регулятора выходных электрических параметров бета-вольтаической батареи.The drawing shows a block diagram of a regulator of the output electrical parameters of a beta-voltaic battery.

Предлагаемый регулятор иллюстрируется чертежами, на которых изображены:The proposed controller is illustrated by drawings, which depict:

на фиг. 1 - регулятор в сборе с батареей;in FIG. 1 - regulator assembly with battery;

на фиг. 2 - блок-схема регулятора.in FIG. 2 is a block diagram of a controller.

Предлагаемый регулятор 1 установлен в корпусе 2 батареи 3 и соединен с контактами комплектов 4 батареи 3 проводниками 5.The proposed controller 1 is installed in the housing 2 of the battery 3 and is connected to the contacts of the sets 4 of the battery 3 by conductors 5.

Регулятор 1 (см. фиг. 2) содержит блок 6 ключевых элементов 7, блок 8 накопительных элементов 9 и блок управления 10, включающий в себя преобразователь 11 напряжения с устройством управления 12, стабилизатор 13 выходного напряжения и микроконтроллер 14. С контактами комплектов 4 батареи 3 электрически соединены проводниками 5 ключевые элементы 7. Стабилизатор 13 снабжен датчиком температуры 15. Блок управления 10 электрически соединен с нагрузкой 16.Regulator 1 (see Fig. 2) contains a block 6 of key elements 7, a block 8 of storage elements 9, and a control unit 10, which includes a voltage converter 11 with a control device 12, an output voltage stabilizer 13, and a microcontroller 14. With contacts of the battery packs 4 3 are electrically connected by conductors 5 key elements 7. The stabilizer 13 is equipped with a temperature sensor 15. The control unit 10 is electrically connected to the load 16.

Предлагаемый регулятор 1 работает следующим образом. Напряжение с комплектов 4 поступает на блок 6 ключевых элементов 7, который соединяется с блоком 8 накопительных элементов 9 электрической энергии. Блок 8 накопительных элементов 9 электрически соединяется с преобразователем 11 напряжения. Входное напряжение с накопительных элементов 9 в преобразователе 11 напряжения увеличивается до необходимой рабочей величины стабилизатора 13 выходного напряжения посредством использования периодической коммутации емкостных и индуктивных элементов преобразователя 11. В дальнейшем напряжение с преобразователя 11 напряжения поступает на стабилизатор 13 напряжения. Стабилизатор 13 напряжения осуществляет установку и стабилизацию выходного напряжения, подаваемого на нагрузку 16. Управление стабилизатором 13 напряжения (установка напряжения стабилизации) осуществляется при помощи микроконтроллера 14 в сервисном режиме работы батареи 3 и регулятора 1. Датчик 15 температуры, установленный в стабилизаторе 13 напряжения, осуществляет управление закона стабилизации выходного напряжения с учетом изменения (компенсации) температурного режима стабилизатора 13. В сервисном режиме работы микроконтроллер 14 устанавливает схему коммутации блока 6 ключевых элементов 7, изменяя схему соединения комплектов 4 батареи путем выдачи управляющих импульсов на блок 6 ключевых элементов 7. Для запуска сервисного режима работы микроконтроллера 14 на шину питания нагрузки 16 подается модулированный цифровой сигнал, что позволяет подать питание на микроконтроллер 14 и осуществлять обмен цифровой информацией между микроконтроллером 14 и сервисным устройством, подключенным к электронно-вычислительной машине (на чертежах не показаны) посредством стандартного протокола связи.The proposed controller 1 operates as follows. The voltage from the sets 4 is supplied to the block 6 of the key elements 7, which is connected to the block 8 of the storage elements 9 of electric energy. Block 8 of the storage elements 9 is electrically connected to the voltage Converter 11. The input voltage from the storage elements 9 in the voltage converter 11 is increased to the required operating value of the output voltage stabilizer 13 by using periodic switching of capacitive and inductive elements of the converter 11. Subsequently, the voltage from the voltage converter 11 is supplied to the voltage stabilizer 13. The voltage stabilizer 13 carries out the installation and stabilization of the output voltage supplied to the load 16. The voltage stabilizer 13 (stabilization voltage setting) is controlled by the microcontroller 14 in the service mode of the battery 3 and the regulator 1. The temperature sensor 15 installed in the voltage stabilizer 13 carries out control of the law of stabilization of the output voltage, taking into account changes (compensation) in the temperature regime of the stabilizer 13. In the service mode of operation, the microcontroller 14 is installed adds the switching circuit of block 6 of key elements 7, changing the connection diagram of sets of 4 batteries by issuing control pulses to block 6 of key elements 7. To start the service mode of operation of microcontroller 14, a modulated digital signal is supplied to load bus 16, which allows power to be supplied to microcontroller 14 and exchange digital information between the microcontroller 14 and a service device connected to an electronic computer (not shown in the drawings) using a standard proto communication stake.

Claims

1. The regulator of the electrical parameters of the beta-voltaic battery, containing blocks of key and storage elements, a control unit including a converter, a voltage stabilizer, a microcontroller and a temperature sensor, characterized in that the block of key elements is connected to the contacts of the sets of the beta-voltaic battery, the block of key elements is configured to switch sets by means of key elements to storage elements, and the connection scheme of key elements is determined by a control loop made with feedbacks on one or several channels with the controller output, with the contacts of one or more sets of a beta-voltaic battery and with a temperature sensor installed in the voltage regulator.

2. The controller according to claim 1, characterized in that electrical contacts and (or) semiconductor switching elements are used as key elements.

3. The controller according to claim 1, characterized in that an electrochemical battery, or a supercapacitor, or a capacitor, or a combination of these elements is used as storage elements.