УСТРОЙСТВО ТЕСТИРОВАНИЯ И АКТИВАЦИИ ЛИТИЙ-ТИОНИЛХЛОРИДНОЙ БАТАРЕИ

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам обслуживания батарей и содержания их в исправности, и может быть использована для контроля работоспособности и активации литиевых, преимущественно, первичных литий-тионилхлоридных батарей (ЛТХБ) в процессе их эксплуатации в составе технических устройств и систем (ТУС), функционирующих в автономном режиме с электропитанием от упомянутых ЛТХБ.
2
Функционирование ТУС в автономном режиме обеспечивается химическими источниками тока (ХИТ). При этом, во многих приложениях к системе электропитания ТУС предъявляются повышенные требования по длительности автономной работы (>5 лет), поддержке интенсивных токовых нагрузок и устойчивости к воздействию предельных температур окружающей среды. Для удовлетворения этим требованиям электропитание ТУС должно осуществляться с использованием ХИТ с соответствующими характеристиками. Так, по оценкам экспертов [Л1, Л2] солевые и щелочные батарейки имеют ограниченные возможности по емкости и способности выдавать мощные токовые импульсы, сохранять работоспособность в течении длительного (более 5 лет) срока эксплуатации, имеют высокий саморазряд и их выходное напряжение существенно зависит от величины остаточной емкости. Это ограничивает их использование для обеспечения функционирования ТУС в упомянутых сложных условиях, для которых более привлекательной альтернативой является применение литиевых ХИТ, которые не имеют подобных недостатков. Литиевые батареи - это химические источники тока, в которых в качестве анода используется металлический литий, один из самых химически активных металлов. Он имеет самый большой электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. При этом, среди литиевых батарей лучшими по большинству параметров являются элементы системы литий-тионлхлорид (Li/SOCl). Они характеризуются самым высоким выходным напряжением (3,6 В), максимальной электрической емкостью, самым широким диапазоном температур, очень малыми токами саморазряда и средним типовым током разряда, а отдельные серии изделий способны работать в расширенном температурном диапазоне и выдавать повышенные токи разряда. По сравнению с солевыми и алкалайновыми ХИТ, литиевые источники тока обладают очень важными преимуществами. Главное из них - высокая удельная плотность энергии. Иными словами, литиевые элементы, при равных с другими ХИТ габаритах, имеют наибольший запас энергии и, следовательно, способны обеспечить более продолжительное время работы различной аппаратуры/ ТУС в автономном режиме. Еще одно важное качество ЛТХБ - большой срок хранения, достигающий 10 лет, а в некоторых случаях и 15 лет. Это обеспечивается низким уровнем саморазряда этих изделий. Так, типовой ток саморазряда снижает номинальную емкость ЛТХБ не более чем на 1% в год. То есть за 10 лет заряд ЛТХБ, теоретически уменьшится лишь на 10%. Для сравнения: солевые батарейки хранятся не более 3-4-х лет. Если щелочные батарейки, к примеру, практически перестают работать при температуре -25-30°С, то литий-тионилхлоридные - могут работать при температуре -55-60°С. Это связано с тем, что температура замерзания жидкого тионилхлорида равна -130°С. Большинство стандартных литиевых ХИТ способно работать при температурах +85°С. Лидеры мирового рынка заявляют в технической документации о том, что они гарантируют устойчивую работу своих элементов при +130 и даже +150°С.
Превосходные качества литий-тионилхлоридных батарей, заключающиеся в том, что они являются мощными элементами питания, обладают исключительными энергетическими характеристиками, имеют низкий саморазряд, долгий срок хранения и широкий температурный диапазон, делают их востребованными для широкого круга потребителей (нефтяников, газовиков, геологов, военных и др.). Поэтому, ЛТХБ широко востребованы и активно используются для обеспечения электропитания различных видов ТУС.
2
Однако, как показала практика использования ЛТХБ (Li/SOCl), эти батареи могут преждевременно терять свою работоспособность и вызвать отказы в работе ТУС, особенно, когда регламенты их обслуживания нарушаются или не выполняются. Рассмотрим причины снижения работоспособности ЛТХБ более подробно. Низкий ток саморазряда и весьма длительный (>10 лет) срок хранения ЛТХБ обусловлен существованием тончайшей изолирующей пленке хлорида лития (ИПХЛ), образующейся на поверхности металлического литиевого электрода. Она возникает еще в момент сборки элемента на конвейерной линии предприятия-изготовителя, как только литий вступает в контакт с тионилхлоридом. А возникнув, она прерывает взаимодействие реагентов и останавливает реакцию. Ее существование проявляется главным образом в низком токе саморазряда батареи.
2
Наличие упомянутой ИПХЛ создает противоречивую ситуацию. Так, с одной стороны, ее наличие гарантирует необходимые (полезные) свойства: низкий ток саморазряда и долгий срок хранения ЛТХБ. Поэтому, ИПХЛ - необходимо сохранять. С другой стороны, с течением времени, толщина хлорида лития нарастает, а пропорционально толщине пленки увеличивается и сопротивление изоляции, снижается выходное напряжение ЛТХБ и уменьшается ее разрядный ток. В момент подключения ЛТХБ к нагрузке наблюдается понижение напряжения на ее выходных контактах. Если номинальное напряжение у ЛТХБ при стандартном токе разряда должно быть примерно 3,6 В, то из-за изолирующей пленки оно может понизиться до 2,3-2,7 В или еще ниже. Поэтому, для предотвращения снижения работоспособности ЛТХБ и предотвращения выхода ТУС, питающихся от этой ЛТХБ, ИПХЛ необходимо разрушить. Для разрушения ИПХЛ необходимо использовать энергоресурс ЛТХБ, что ведет к снижению общего ресурса ЛТХБ. Поэтому, для предотвращения преждевременной потери работоспособности ЛТХБ не надо разрушать ИПХЛ, однако, в этом случае происходит пассивация ЛТХБ и потеря ее способности отдавать в нагрузку ток, предусмотренный спецификацией этого изделия. Явление пассивации литиевой батареи [ЛЗ] физически выражается в понижения напряжения на ее выходе при подключении нагрузки. В элементах питания пассивация играет двоякую роль. В ЛТХБ тионилхлорид находится в жидком состоянии. Металл (литий) погружается в тионилхлорид, вступает с ним в реакцию и, через короткое время, пассивируется. Продуктом этого процесса является хлорид лития. Слой этой соли на поверхности лития очень тонкий, но он предотвращает дальнейшую химическую реакцию между литием и тионилхлоридом. Пассивация в LiSOCl элементах происходит сразу после производства батарейки (ЛТХБ). Без этого элемент питания не мог бы храниться в течении длительного время. Так как слой хлорида лития на поверхности металла (лития) предотвращает дальнейшую реакцию между литием и тионилхлоридом, то в результате саморазряд внутри батарейки становится очень незначительным. Таким образом, срок хранения батарейки может составлять более 10 лет. Это положительная сторона эффекта пассивации - она защищает гальванический элемент от заметной потери емкости (саморазряда). Но существуют и отрицательные стороны пассивации. Так, когда батарея хранится какое-то время и затем начинает использоваться, начальное напряжение батареи будет низким, так как покрытый слоем собственной соли литий уже не так химически активен по отношению к электролиту. Потребуется некоторое время, прежде чем рабочий ток разрушит пленку на поверхности металлического контакта и рабочее напряжение батареи выйдет на номинальный уровень. Это называется пассивация напряжения или, иначе, задержка напряжения. Упомянутый эффект пассивации может оказаться существенным и вызвать проблемы в обеспечении необходимых сервисов для приложений, где требуется мгновенное обеспечение полной работоспособности батарей после длительного хранения или эксплуатации в составе ТУСС, которые функционируют в режиме микропотрбеления (<1 мА). Пассивация не оказывает существенного влияния на работу систем с малым потреблением тока, например, 1 мА. Если же в устройстве изредка требуется большое потребление тока, например, 50 мА, это может привести к отказу, так как для этого требуется вовлечь в химический процесс с электролитом большую поверхность металла (Li). Поскольку малый рабочий ток в течение большей части времени работы устройства недостаточен для препятствия образования защитной пленки, то неизбежно происходит снижение работоспособности (надежности) батареи, поскольку толщина пленки растет, что вызывает повышение внутреннего сопротивления батареи и увеличение уровня пассивации (снижения) напряжения батареи под нагрузкой. Кроме того, для ТУС, работающих в режиме микропотребления тока, существенной окажется и потеря емкости батареи, поскольку процент использования полезного вещества уменьшается. При работе батарейки на малых токах процесс пассивации будет проходить безостановочно. Поэтому, активные вещества (литий и тионилхлорид) будут постоянно расходоваться на образование хлорида лития, что приведет к снижению емкости. Установлено, что при работе батареи в составе ТУС, которое работает в режиме микропотребления тока, за 3 месяца может быть использовано около 90% емкости ее активного вещества. Если же ЛТХБ работает более 5 лет, то ее энергоресурс может быть реализован только на 65%, а остальной ресурс нейтрализуется в процессе непрекращающейся пассивации. Создается ситуация, при которой, с одной стороны, эффект пассивации - продукт технологического характера и необходим для защиты гальванического элемента от заметной потери емкости из-за саморазряда, что обеспечивает сохранение работоспособности батареи в течении большого времени (>10 лет). Поэтому пассивацию необходимо сохранять. С другой стороны, наличие пассивации ведет к снижению, как энергетического ресурса батареи, так и ее работоспособности, особенно в начальные моменты времени подключения нагрузки, что может вызывать сбои и отказы в работе технических устройств и систем, функционирующих в автономном режиме и питающихся от пассивированных ЛТХБ. Поэтому, ЛТХБ необходимо подвергать активации (депассивации).
Итак, в ЛТХБ между электродами существует изолирующая пленка, которая, с одной стороны, способствует тому, что батарейка может очень долго оставаться работоспособной, почти не расходуя активные вещества, сохраняя свою электрическую емкость. Она, как бы «бережет» ЛТХБ для будущей работы. С другой стороны - пониженное выходное напряжение ЛТХБ мешает нормальной работе электроники. Высокое сопротивление пленки сказывается на величине разрядного тока, снижая его меньше допустимых пределов. В результате мощности элемента питания может быть недостаточно и, электронный прибор, получающий питание от литиевого источника, может работать неустойчиво, со сбоями. Более того, со временем, по мере роста пленки, повышения внутреннего сопротивления элемента и снижения выходного напряжения, он может отказать («уснуть») совсем, хотя батарея еще не исчерпала свою емкость даже наполовину. Практически, из-за пассивации ЛТХБ, в быту может перестать работать тестер или электронные переносные весы, в офисе, при включении электропитания, может перестать загружаться BIOS и остановиться энергонезависимые часы компьютера, во время длительного путешествия внезапно может отказать GPS-навигатор, в автономных промышленных устройствах могут отказать приборы учета типа счетчиков-расходомеров воды, газа, нефтепродуктов, тепла и т.п., неожиданно могут прекратить работу системы аварийного оповещения на опасных производствах, может произойти отказ (выйти из строя) медицинской аппаратуры, военной техники, разорваться связь с космическим аппаратом и т.п.
Таким образом, с одной стороны, ЛТХБ востребованы во многих применениях, в том числе, ответственных, то есть там, где требуется обеспечить высокий уровень надежности функционирования устройств и систем, например, в связи, медицине, военном деле и др. А с другой стороны, эти изделия могут повлечь отказ (выход из строя) ТУС. То есть, эффективность работы различных устройств/ систем, надежность и длительность их автономной работы, существенно зависит от состояния системы электропитания, основу которой составляет ЛТХБ. Для обеспечения высокой надежности функционирования системы электропитания ТУС, необходимо обеспечить качественное обслуживание ЛТХБ и контроль их работоспособности. Иными словами, поскольку ЛТХБ является важным элементом, который существенным образом влияет на работоспособность и надежность устройств и систем, которые от него получают электропитание, то качественное обслуживание и контроль работоспособности ЛТХБ является важной задачей.
Здесь под обслуживанием понимается выполнение процедуры активации (депассивации) ЛТХБ и контроля ее работоспособности.
В процессе исследований установлено, что повышение качества обслуживания может быть достигнуто на основе минимизации энергетических потерь, связанных с активацией ЛТХБ, а также организации такого обслуживания, при котором сохраняется полная работоспособность батареи (ПРБ), как способность отдавать в нагрузку значение тока, предусмотренного спецификацией производителя этого изделия или как способность обеспечивать максимальный ток, потребляемый ТУС, в котором используется ЛТХБ.
Как показали исследования, активации ИПХЛ, суть которой выражается в разрушении изолирующей пленки хлорида лития, связана с выполнением процедуры разряда ЛТХБ. Фактически, выполнение активации ЛТХБ - принудительный ее разряд, вызывающий снижение энергии, запасенной в ЛТХБ. Поэтому, в процессе обслуживания ЛТХБ, выражающегося в проведении периодических процедур ее активации и контроля работоспособности, неизбежно происходит снижению работоспособности, надежности и потеря общего энергоресурса ЛТХБ. При этом, создается противоречивая ситуация, при которой, с одной стороны, чтобы обеспечить сохранение в течении длительного времени энергию ЛТХБ - ее не надо принудительно разряжать. В таком случае из-за эффекта пассивации ЛТХБ ее работоспособность «угаснет» с течением времени. А с другой стороны, для поддержки способности ЛТХБ и способности ее отдавать в нагрузку требуемый ток, периодически необходимо ИПХЛ - разрушать, то есть подвергать ЛТХБ процедуре активации. Поскольку активация предусматривает принудительный разряд ЛТХБ, то это неизбежно ведет к снижению энергетического ресурса/ емкости ЛТХБ и эффективности ее использования в составе ТУ С.Частично данное противоречие устраняется, когда ЛТХБ находится на хранении, поскольку время ее хранения может быть точно установлено. В этом случае, перед вводом в эксплуатацию, ее активируют в соответствии с рекомендациями производителя в соответствии с известными сроками хранения. После ввода ЛТХБ в эксплуатацию выполнять рекомендации производителя по активации батареи становится практически невозможно, поскольку она находится под воздействием неизвестных токовых нагрузок, одни из которых могут препятствовать процессу пассивации, а другие - способствовать. В результате этого, создается противоречивая ситуация, при которой, с одной стороны, для предотвращения отказов в работе ТУС необходимо чаще проводить активацию ЛТХБ, а с другой стороны, для обеспечения экономного расхода энергоресурса батареи, ее активацию надо выполнять реже.
То есть, поддержка состояния ПРБ на практике весьма проблематична, что связано с действием объективных факторов, среди которых отсутствие сведений о сроках хранения и режимах эксплуатации в составе ТУС. Это приводит к тому, что ЛТХБ может подвергаться процедуре активации или чрезмерно часто, или не своевременно. В первом случае ЛТХБ подвергается ускоренному износу и быстрой потере энергоресурса, а во втором, потери работоспособности/состояния ПРБ в результате ее пассивации.
Как показал информационный/патентный поиск, известные технические решения, которые могут быть использованы для обслуживания ЛТХБ, имеют существенные недостатки, снижающие качество обслуживания ЛТХБ и контроля/ поддержания ее работоспособности, что обусловлено наличием упомянутых выше противоречий, поэтому поиск более эффективных решений является актуальной задачей.
Из техники [Л3] известен способ снижения влияния эффекта пассивации ЛТХБ, предполагающий подключение параллельно ей конденсатора большой емкости (около 250 мкФ). Предполагается, что при включении электропитания ТУС, «провал» напряжения на выходе пассивированной ЛТХБ будет компенсирован энергией, запасенной в конденсаторе.
Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает депассивацию (активацию) батареи, а только лишь частично снижает влияние этого эффекта на выходное напряжение ЛТХБ при подключении нагрузки в виде ТУС. Эффективность данного способа весьма низкая, поскольку с течением времени пассивация развивается, что может привести к преждевременному выходу ЛТХБ из строя в силу причин, рассмотренных выше (увеличение толщины ИПХЛ, повышение внутреннего сопротивления, увеличение «провала» выходного напряжения при увеличении нагрузочного тока потеря емкости), что может повлечь возникновение отказа (нарушение работоспособности) ТУС. Кроме того, во многих случаях ЛТХБ эксплуатируется в режиме микропотребления ТУС. В таком режиме эффект пассивации ЛТХБ развивается бесконтрольно и наличие упомянутого конденсатора совершенно не препятствует этому процессу, что существенно ограничивает эффективность применения данного способа.
Из техники [ЛЗ] также известен способ активации ЛТХБ, предусматривающий для батарей, находящихся на длительном хранении, проведение (примерно через каждые полгода) процедуры активации ЛТХБ с доведением ее выходного напряжения до номинального напряжения. Способ предусматривает, перед введением в эксплуатацию, выполнять разряд ЛТХБ до тех пор, пока напряжение на ее выходе не достигнет номинального. При этом, осуществление упомянутой активации осуществляется током, который должен быть примерно в 1~3 раза выше тока, потребляемого электронным устройством в его нормальном режиме работы. При выполнении активации допускается падение напряжения 3.6-вольтовой батарейки до уровня 3 В. Время активации не должно превышать 5 минут и если через 5 минут батарейка, которая хранилась полгода, не обеспечивает требуемый уровень выходного напряжения, принимается решение, что она уже неработоспособна и должна быть заменена.
Использование данного способа частично устраняет недостатки предыдущего способа, поскольку в процессе его использования может достигаться в той или иной мере активация ЛТХБ. Однако, эффективность использования данного способа весьма низкая. Это обусловлено следующими факторами субъективного и объективного характера. Так, при использовании данного способа, установленные регламенты/ требования производителя батареи могут быть грубо нарушены, поскольку физические лица (ФЛ), выполняющие обслуживание ЛТХБ, могут иметь низкую подготовку и квалификацию. Допущенные нарушения нормативов, предусмотренных процедурой обслуживания (активации) ЛТХБ, например, из-за отвлечений, ошибок и значительных погрешностей при визуальном контроле процессов разряда ЛТХБ и измерениях напряжения на ее выходе, могут вызывать избыточный расход емкости ЛТХБ или ее неполную активацию. То есть, выполнение процедуры активации ЛТХБ в этом способе выполняется «на глаз»/примерно/без соблюдения строго регламента - все это сказывается на качестве активации ЛТХБ и контроле ее работоспособности, поскольку может привести к частичному восстановлению работоспособности ЛТХБ или к чрезмерному расходу ресурса этой батареи (потери емкости). Кроме того, данный способ дает примерные рекомендации по активации ЛТХБ: «активация осуществляется током, который должен быть примерно в 1~3 раза выше тока, потребляемого электронным устройством в его нормальном режиме работы». Это также снижает эффективность использования данного способа и может вызывать ускоренный расход энергоресурса ЛТХБ, поскольку при ее активации потребитель может выполнять разряд ЛТХБ чрезмерно большими токами и/или чрезмерно длительное время, особенно, в условиях априорной неопределенности рабочих режимов ТУС, в которых будет использоваться ЛТХБ, отсутствия данных о сроках ее выпуска/ хранения и/или эксплуатации в режиме разряда микротоками, не препятствующими пассивации ЛТХБ. Также, данный способ имеет низкую эффективность применения при эксплуатации ЛТХБ в составе ТУС. Это обусловлено тем, что при эксплуатации ТУС работа ЛТХБ осуществляется в комбинированном режиме, предусматривающем: хранение (ТУС - выключено), работу в микротоковом режиме, способствующем пассивации ЛТХБ, и работу с номинальной токовой нагрузкой. При таком режиме работы пользователю ТУСС практически невозможно определить точную периодичность проведения процедуры активации ЛТХБ. Поэтому, активации будет проводиться случайным образом, скорее всего, более часто, чем требуется, для того, чтобы обеспечить состояние ПРБ. В этом случае ЛТХБ будет ускоренно терять свой энергоресурс. Если же активация будет проводиться редко, то за счет эффекта пассивации, ЛТХБ может потерять свою работоспособность и вызвать отказ в работе ТУС.
Из техники [Л4] известен способ активации ЛТХБ, предполагающий, для аппаратуры, большую часть времени пребывающей в выключенном состоянии или потребляющей микротоки, перед началом использования по назначения, подвергать активации, выражающейся в том, что ЛТХБ вручную подключается к нагрузке на несколько секунд и, под контролем напряжения на клеммах, разряжается током, превышающем стандартный в несколько раз до тех пор, пока мощный разряд тока, протекающего через ЛТХБ, не разрушит изолирующую пленку, с завершением активации после того, как напряжение на нагрузке восстановится до рабочего уровня, за которым принимается значение напряжения, превышающее 3 В.
Данный способ можно считать более приемлемым, по сравнению с предыдущим, поскольку, согласно мнению большинства экспертов, более надежным критерием активации (депассивации) ЛТХБ является не полное восстановление номинального напряжения 3.6 В на выходе батареи, а достижение значения, превышающего 3 В, как предусмотрено в данном способе активации ЛТХБ. Именно такой критерий (достижение >3 В на выходе нагруженной ЛТХБ) может обеспечить более бережный расход энергоресурса обслуживаемой батареи.
Недостатки данного способа - аналогичные, как и у предыдущего способа. Данный способ также предлагает примерный режим обслуживания ЛТХБ: «выполнять разряд батареи током, превышающем стандартный в несколько раз». Данный способ депассивации ЛТХБ может вызывать существенное снижение ресурса ЛТХБ, поскольку при его использовании не регламентируется периодичность процедуры активации и воздействие на ЛТХБ осуществляется не нормированным по времени и значению тока «стрессовым» воздействием большими токами, что вызывает значительный расход емкости батареи и ускоренную выработку ее ресурса. Также, данный способ имеет низкий уровень эффективности, поскольку после установки ЛТХБ в ТУС, вопрос обслуживания ЛТХБ остается «открытым», то есть, как и когда эту процедуру выполнять - все на усмотрение пользователя, который лишен достоверной информации о степени износа и пассивации ЛТХБ. Возможность обслуживания с минимизацией энергетических потерь, связанных с активацией ЛТХБ, и организация такого обслуживания, при котором сохраняется способность ЛТХБ отдавать в нагрузку значение тока, предусмотренного спецификацией производителя или поддерживать максимальный ток потребления ТУС, при использовании данного способа, не обеспечивается.
Из техники [Л5] известно устройство активации литий-тионилхлоридной батареи, состоящее из батареи химического источника тока (батарея), разрядной цепи (РЦ), коммутатора и блока контроля напряжения (БКН), который первым и вторым портами соединен, соответственно, с первым портом коммутатора и первым портом батареи и со вторым портом батареи и первым портом узла РЦ, который вторым портом соединен со вторым портом коммутатора. При этом, узел РЦ выполнен с возможностью ограничения максимально допустимого тока, протекающего через активируемую батарею.
Данное устройство работает следующим образом. Для проведения процедуры активации батареи осуществляется замыкание коммутатора на время Т, что вызывает протекание электрического тока I через узел РЦ. При этом с помощью узла БКН обеспечивается возможность оператору, выполняющему активацию батареи, визуальный контроль уровня напряжения на выходе ЛТХБ (батареи). В данном устройстве коммутатор выполнен в виде типового электрического выключателя, а узел РЦ - в виде постоянного резистора Rрц. Значение электрического тока активации батареи определяется выражением: I=Uбат/Rрц, где Uбат - напряжение на выходе батареи, Rрц - значение сопротивления нагрузочного резистора (узла РЦ). В процессе активации батареи оператором (физическим лицом) осуществляется визуальное наблюдение за изменением напряжения на выходе батареи с помощью узла БКН, в качестве которого может использоваться типовой вольтметр. Параметры узла РЦ, выполненного в виде постоянного резистора, устанавливаются из расчета допустимого тока через батарею. Если батарея исправна (работоспособна), то процесс ее активации, фиксируемый визуально по показаниям узла БКН, подчиняется следующей модели: на начальном этапе, сражу же после включения коммутатора, напряжение на выходе батареи может «просаживаться»/уменьшаться (достигать низкого значения - экстремума) менее чем до 3 В (для батареи с номинальным выходным напряжением 3.6 В). Затем, после 5-15 сек после начала процедуры активации батареи, по показанию узла БКН фиксируется факт, что напряжение на батарее начинает плавно нарастать, и по достижению значения, превышающего 3 В и более процедура активации батареи прекращается. Если напряжение на батарее не повышается выше 3 В в течении 1 минуты, то процесс ее активации прекращается и принимается решение о том, что батарея - неисправна (не работоспособна). Данное устройство частично устраняет недостатки предыдущего способа, поскольку в нем устранены многие неопределенности в режиме активации ЛТХБ.
Данному устройству присущи недостатки, аналогичные ранее рассмотренным способам. Процедура активации батареи, при использовании данного устройства носит «примерный» характер, поскольку включение коммутатора осуществляется ручным способом, а контроль уровня выходного напряжения на батарее - визуально. Ошибки операторов, выполняющих процедуру активации батареи, могут существенно влиять на качество выполнения этой процедуры. Низкая точность соблюдения регламента процедуры активации батареи и отсутствие контроля величины разрядного тока может вызывать повышенный расход энергоресурса батареи (из-за разряда батареи во время ее активации чрезмерного большими токами в течении длительного времени). Также следует отметить, что использование данного устройства крайне неудобно, поскольку для проведения процедуры активации батареи требуется постоянное участие ФЛ для осуществления непрерывного визуального контроля выходного напряжения на выходе батареи. А если учесть тот факт, что сосредоточение внимания ФЛ, которые постоянного заняты активной деятельностью, в течении длительного времени для обеспечения рутинного процесса активации батареи (например, для активации ЛТХБ типа ER26500 необходимо 25 минут разряжать током 60 мА), является изнурительным занятием, выполнение которого, с большой вероятностью, может быть нарушено из-за отвлечений упомянутых ФЛ. То есть значительное неудобство использования данного устройства для активации батареи может повлечь существенное снижение качества обслуживания батареи. Также, с помощью данного устройства возможность обслуживания с минимизацией энергетических потерь, связанных с активацией батареи ЛТХБ, и организация такого обслуживания, при котором сохраняется способность батареи ЛТХБ отдавать в нагрузку значение тока, предусмотренного спецификацией производителя этого изделия, при использовании данного способа, не обеспечивается. Это обусловлено тем, что в данном устройстве отсутствуют признаки и свойства, необходимые для контроля режимов эксплуатации батареи, например, фиксации времени нахождения батареи без подключения нагрузки (когда ТУС, в котором установлена батарея, выключено), фиксации времени работы батареи как в режиме разряда микротоками, так и при номинальной нагрузке. Отсутствие данных о режимах эксплуатации не позволяет пользователю достоверно контролировать, так и своевременно осуществлять активацию батареи.
По мнению авторов, наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является, известное из техники [Л6], устройство, состоящее из батареи последовательно соединенных химических источников тока (далее - батарея), блока балансировки и контроля параметров батареи (БКПБ), разрядной цепи (РЦ), индикатора и блока управления (БУ), который своими с первого по третий портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом узла РЦ и с первым портом узла БКПБ, который вторым портом соединен с первым портом батареи, которая вторым портом соединена со вторым портом узла РЦ, при этом, узел БУ выполнен с возможностью контроля работоспособности батареи по данным, поступающим с узла БКПБ, который выполнен с возможностью контроля напряжения на элементах батареи и балансировки их токовой нагрузки.
Функциональная схема устройства представлена на фиг.1. Устройство (фиг.1) состоит из блока управления (БУ) 1, индикатора 2, разрядной цепи (РЦ) 3, блока балансировки и контроля параметров батареи (БКПБ) 4 и батареи последовательно соединенных химических источников тока (батарея). При этом, батарея своими первым и вторым портами соединена, соответственно, со вторым портом узла РЦ 3 и вторым портом узла БКПБ 4, который своим первым портом соединен с третьим портом узла БУ 1, который своими первым и вторым портами соединен, соответственно, со входом индикатора 2 и первым портом узла РЦ 3, при этом, узел БУ 1 выполнен с возможностью контроля работоспособности батареи 5 по данным, поступающим с узла БКПБ 4, который выполнен с возможностью контроля напряжения на элементах батареи 5 и балансировки их токовой нагрузки.
Устройство (фиг.1) функционирует следующим образом. В исходном состоянии узлом БКПБ 4 осуществляется измерение напряжения на элементах батареи 5. Тестирование батареи 5 осуществляется кратковременным подключением к ней узла РЦ 4, который эмулирует нагрузку 6 с ее номинальным током. Если в процессе тестирования напряжение на батарее 5 находится в пределах допустимых значений, то на индикатор 7 выводится сообщение об исправности батареи 5. В простейшем случае индикатор может быть двухцветным светодиодом, зеленое или красное свечение которого может свидетельствовать, соответственно, об исправности или разряженном состоянии батареи 5. Предполагается, что наличие тестового режима может обеспечить устранение пассивации батареи 5.
В рабочем состоянии, при подключении нагрузки (после включения электропитания ТУС), батарея 5 начинает разряжаться. Уровень напряжения на элементах батареи 5 контролируется узлом БКПБ 4. В процессе разряда батареи 5 или при воздействии на нее больших разрядных токов, напряжение на отдельных элементах батареи 5 может уменьшаться, что свидетельствует о их разряде или снижении работоспособности. В этих случаях, узлом БКПБ 4 под управлением узла БУ 1 осуществляется балансировка элементов батареи 5, обеспечивающая перераспределение токовой нагрузки между элементами батареи 5. Если в процессе эксплуатации напряжение на батарее 5 снизится ниже допустимого значения, то этот факт будет зафиксирован узлом БУ 1, который включит на индикаторе 7 режим индикации факта, что батарея 5 разряжена/не работоспособна.
Данное устройство частично устраняет недостатки предыдущего устройства. Это обусловлено тем, что в устройстве предусмотрена процедура тестирования батареи 5, которая позволяет контролировать работоспособность батареи и своевременно оповещать пользователя ТУСС о ее состоянии с помощью индикатора 2. Кроме того, узлом БКПБ 4 обеспечивается балансировка токовой нагрузки на элементы батареи 5, что обеспечивает повышение ее работоспособности.
Данное техническое решение имеет недостатки, аналогичные предыдущему устройству. Так, тестирование батареи 5, не обеспечивает достоверного контроля работоспособности батареи 5, поскольку ее пассивация может развиваться постепенно и на этапе тестирования номинальным нагрузочным током не обнаруживаться и не устраняться. Кроме того, тестирование батареи 5 номинальным током не обеспечивает проверку ее работоспособности при максимальном рабочем токе ТУС. Частое тестирование батареи 5, осуществляемое при каждом включении электропитания ТУС, с одной стороны, способствует частичной активации, однако ведет к повышенному расходу ее энергоресурса. Следует также заметить, что балансировка токовой нагрузки на элементы батареи 5 может в ряже случаев способствовать развитию процесса пассивации отдельных элементов батареи 5, потому, что действие импульсов повышенного тока, способного разрушить ИПХЛ, снижается узлом БКПБ 4.
По мнению авторов, повышение качества обслуживания батареи может быть достигнуто на основе минимизации энергетических затрат (МЭЗ), которые расходуются при активации ЛТХБ для поддержания ее в работоспособном состоянии. Поскольку алгоритмы активации ЛТХБ (разрядные токи и время их воздействия) регламентированы производителями ЛТХБ, то основная задача по достижению МЭЗ может быть сведена к определению такого состояния батареи, при котором назрела необходимость выполнить процедуру активации ЛТХБ.
Исследования показали, что решение задачи по МЭЗ, связанных с активацией ЛТХБ, весьма проблематично, поскольку пассивация ЛТХБ зависит от многих факторов, учет влияния которых на формирование ИПХЛ в ЛТХБ практически учесть/предсказать невозможно. При разных температурах и токовых режимах, воздействующих на ЛТХБ, степень ее пассивации будет различной, поэтому, точное определение момента, когда необходимо провести активацию ЛТХБ, весьма затруднительно. Создается противоречивая ситуация, при которой, с одной стороны, для обеспечения состояния ПРБ необходимо ЛТХБ активировать часто. Это - обеспечивает высокий уровень работоспособности батареи, как ее способности обеспечить ТУС максимальным током потребления (МТП). Однако, частая активация ЛТХБ приводит к чрезмерному расходу ее общего энергоресурса. С другой стороны, для экономного расхода энергоресурса ЛТХБ и достижения МЭП ЛТХБ, необходимо проводить ее активацию как можно реже. Однако, в таком случае, не контролируемое развитие процесса пассивации может нарушить работоспособность ЛТХБ и вызвать сбои/отказы в работе ТУС.
Для разрешения упомянутого противоречия авторами предложена идея, суть которой заключается в том, что в процессе эксплуатации в составе ТУС производится тестирование ЛТХБ, которое позволяет оценить степень пассивации батареи и определить с достаточной точностью момент достижения ее такого состояния, при котором необходимо выполнить/ запустить процедуру активации ЛТХБ. По мнению авторов, тестирование уровня работоспособности ЛТХБ в процессе ее эксплуатации в составе ТУС может быть организовано на основе мониторинга/ измерений внутреннего сопротивления батареи (ВСБ).
Как известно из [Л7], внутреннее сопротивление химических источников тока (ВС ХИТ) - параметр, величина которого существенным образом влияет на способность ТУС функционировать в режимах с повышенной токовой нагрузкой. Например, при увеличении ВС ХИТ выше допустимого значения, работоспособность ТУС может быть нарушена, поскольку ВС ХИТ ограничивает величину тока, отдаваемого батареей в нагрузку. То есть, в режиме повышенного энергопотребления могут возникать отказы ТУС, поскольку ХИТ, в котором увеличилось внутреннее сопротивление выше допустимого значения, не в состоянии больше поддерживать в нагрузке требуемую величину тока, хотя сам ХИТ еще может обладать значительным запасом энергоресурса.
ом
В [Л7] также показано, что для оценки сопротивления ХИТ может использоваться регистрация его отклика на подачу импульса постоянного тока и на воздействие переменного тока в некотором диапазоне частот. В первом случае при анализе отклика ХИТ на импульс постоянного тока можно оценить составляющие его полного сопротивления. При этом, на Rом (Rом - чисто омическое сопротивление, определяемое сопротивлением токоподводящих деталей электродов, их активных масс и сопротивлением электролита) происходит мгновенное изменение напряжение, а Rпол (Rпол - поляризационное сопротивление, отражающее скорость электрохимических реакций) обеспечивает экспоненциальное изменение напряжения ХИТ до его нового стационарного состояния. Регистрация отклика на переменный синусоидальный сигнал дает более детальное представление о поляризационном сопротивлении и позволяет оценить все его составляющие. Отклик обычно представляется в виде годографа импеданса (на плоскости в координатах действительной и реактивной составляющих полного комплексного сопротивления). Согласно известным методикам, измерения производятся при последовательном тестировании на разных частотах из диапазона от десятков кГц до сотых Гц. Следует заметить, что стандарт МЭК и отечественный ГОСТ разрешают использовать оба описанных выше метода измерения. Величина импеданса ХИТ, которая дается в каталогах зарубежных производителей, оценивается при измерениях на переменном токе частотой 1000±100 Гц (в течение 1-5 с). Сопротивление вычисляется по формуле R1000 Гц=U~/I~, где I~ и U~ - переменный ток и напряжение - отклик на него источника тока. При этом, переменный ток выбирается так, чтобы пиковое значение напряжения не превышало 20 мВ. Для широкого спектра источников тока величина R1000 Гц соответствует их омическому сопротивлению Rом. Характеристика внутреннего сопротивления ХИТ измеряется также при подаче импульса постоянного тока. При этом, оценивается величина сопротивления R=(U1-U2)/(I2-I1), где U1 и U2 - напряжение, которое регистрируется после пропускания тока I1 и 12, соответственно, в течение регламентированных интервалов времени Т1 и Т2. При такой методике измеренная величина включает кроме R еще и поляризационное сопротивление.
ом
Как известно из [Л8], из-за большого спектра используемых в разных приложениях источников тока, разнообразия их конструкций и технологий изготовления, диагностика состояния ХИТ по величине их внутреннего сопротивления может стать возможной лишь при накоплении данных относительно конкретных источников тока, так как разброс R свежеизготовленных ХИТ конкретного типа может быть соизмерим с изменением Rом этого источника тока в процессе его эксплуатации. Так, например, разброс внутреннего сопротивления аккумуляторов ведущих зарубежных компаний, таких как SAFT, SANYO, PANASONIC может превышать 20%.
Исследования показали, что при диагностике ХИТ по его ВС следует учитывать, что значение Rом зависит от типа источника тока и его производителя, величины емкости и степени деградации ХИТ. Поэтому, определение состояния источника тока с неизвестной предисторией эксплуатации весьма проблематично. Однако, при периодическом измерении Rом конкретного экземпляра ХИТ в процессе его эксплуатации в составе ТУС, можно прогнозировать работоспособность батареи ХИТ.
Как известно из [Л7], источники тока считаются работоспособными до тех пор, пока их фактическая разрядная емкость Сраз не станет менее 60-50% от номинальной емкости (Сн). Зависимость Сраз и омического сопротивления ХИТ в пределах этого периода эксплуатации достаточно точно описывается эмпирическим уравнением: Сраз*Rом=Const. Поэтому, измерив омическое сопротивление Rом используемого источника тока в начале эксплуатации, при периодических последующих его измерениях можно с достаточной точностью предсказывать реальную работоспособность и емкость ХИТ.
Таким образом, эффективное тестирование работоспособности батареи по величине ВС батареи может быть достигнуто только на основе обработки статистических данных, накопленных в процессе эксплуатации конкретных образцов ЛТХБ, эксплуатируемых в составе ТУС.
Исследования показали, что технические решения, которые могут обеспечить минимизацию энергетических затрат, связанных с активацией батареи и поддержанием ее в состоянии необходимого уровня работоспособности (НУР), как способности обеспечить МРТ ТУС, на основе мониторинга/тестирования внутреннего сопротивления батареи (ВСБ) в процессе ее эксплуатации, фиксации и накопления измеренных значений ВСБ, сравнения их с пороговым значением (ПЗ) и автоматического запуска процедуры активации ЛТХБ при достижении ВСБ уровня ПЗ, из техники не известны.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей известного технического решения, связанных с повышением качества обслуживания литий-тионилхлоридной батареи (ЛТХБ), при котором обеспечивается повышение надежности контроля работоспособности ЛТХБ и снижение энергетических затрат на ее активацию.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройство, состоящее из батареи последовательно соединенных химических источников тока (далее - батарея), блока балансировки и контроля параметров батареи (БКПБ), разрядной цепи (РЦ), индикатора и блока управления (БУ), который своими с первого по третий портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом узла РЦ и с первым портом узла БКПБ, который вторым портом соединен с первым портом батареи, которая вторым портом соединена со вторым портом узла РЦ, при этом, узел БУ выполнен с возможностью контроля работоспособности батареи по данным, поступающим с узла БКПБ, который выполнен с возможностью контроля напряжения на элементах батареи и балансировки их токовой нагрузки, дополнительно в его состав введены память и блок тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ), который своими первым и вторым портами соединен, соответственно, с третьим портом батареи и с четвертым портом узла БУ, который пятым портом соединен с портом памяти, при этом, узел БУ выполнен в виде микроконтроллера (МК), функционирующего по программе, обеспечивающей возможность мониторинга внутреннего сопротивления батареи (ВСБ) в процессе ее эксплуатации, предусматривающего регистрацию в памяти начального (при вводе батареи в эксплуатацию) значения внутреннего сопротивления батареи (НЗ ВСБ), формирования с фиксацией в памяти порогового/ допустимого значения внутреннего сопротивления батареи (ПЗ ВСБ), значение которого может быть установлено, например, как 1.5…2 величины НЗ ВСБ или такому значению, при котором данной батареей обеспечивается максимальный ток потребления ТУС (в котором установлена упомянутая батарея), периодического, например, один раз в неделю, тестирования ВСБ с помощью узла БТВСБ, фиксации и накопления в памяти измеренных (полученных в процессе тестирования батареи) значений ВСБ, обработки накопленных в памяти значений ВСБ и определения степени деградации (потери работоспособности) батареи по величине ее ВСБ путем сравнения текущего ВСБ с ее пороговым/ допустимым значением (ПЗ ВСБ), автоматического запуска процедуры активации батареи, при достижении ВСБ уровня, превышающего пороговое/ допустимое значение (ПЗ ВСБ), управления процедурой активации (депассивации) батареи, предусматривающей использование узла РЦ для формирования импульса разрядного тока с параметрами (величиной тока и временем его действия), предусмотренными производителем батареи для ее активации, с одновременным контролем напряжения на элементах батареи с помощью узла БКПБ, отображения на индикаторе состояния батареи, соответствующего работоспособности или потери ее работоспособности, если после выполнения процедуры активации/ тестирования выходное напряжение батареи/ВСБ находится, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами. Функциональная схема устройства тестирования и активации литий-тионилхлоридной батареи (далее-устройство) приведена на фиг.2. Устройство (фиг.2) состоит из микроконтроллера (МК) 1, индикатора 2, разрядной цепи (РЦ) 3, блока контроля параметров батареи (БКПБ) 4, блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ) 5, памяти 6 и литий-тионлхлоридной батареи (ЛТХБ) 8, которая своими с первого по третий портами соединена со вторым портом узла РЦ 3, со вторым портом узла БКПБ 4 и со вторым портом узла БТВСБ 5, который первым портом соединен с первым портом узла МК 1, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора 2, с первым портом узла РЦ 3, с первым портом узла БКНБ 4 и с портом узла памяти 6. При этом, узел МК 1 функционирует по программе, обеспечивающей возможность мониторинга внутреннего сопротивления батареи (ВС) ЛТХБ 8 в процессе ее эксплуатации, предусматривающего регистрацию в памяти 6 начального (при вводе ЛТХБ 8 в эксплуатацию) значения внутреннего сопротивления (НЗВС) ЛТХБ 8, формирования с фиксацией в памяти 6 порогового/допустимого значения внутреннего сопротивления (ПЗВС) ЛТХБ 8, величина которого может быть установлена, например, как 1.5…2 величины НЗВС узла ЛТХБ 8 или такому значению, при котором с помощью ЛТХБ 8 обеспечивается максимальный ток потребления технического устройства (нагрузки 7), в котором установлена ЛТХБ 8, периодического, например, один раз в неделю, тестирования ВС ЛТХБ 8 с помощью узла БТВСБ 5, фиксации и накопления в памяти 6 измеренных (полученных в процессе тестирования ЛТХБ 8) значений ВС ЛТХБ 8, обработки накопленных в памяти 6 значений ВС ЛТХБ 8 и определения степени деградации (потери работоспособности) ЛТХБ 8 по величине ее внутреннего сопротивления на основе сравнения текущего ВС ЛТХБ 8 с ее пороговым/допустимым значением (ПЗВС ЛТХБ 8), автоматического запуска процедуры активации ЛТХБ 8, при достижении ВС ЛТХБ 8 уровня, превышающего пороговое/допустимое значение (ПЗВС ЛТХБ 8), управления процедурой активации (депассивации) ЛТХБ 8, предусматривающей использование узла РЦ 3 для формирования импульса разрядного тока с параметрами (величиной тока и временем его действия), предусмотренными производителем ЛТХБ 8, с одновременным контролем напряжения на элементах ЛТХБ 8 с помощью узла БКПБ 4, отображения на индикаторе 2 состояния батареи 8, соответствующего работоспособности или потери ее работоспособности, если после выполнения процедуры активации/тестирования выходное напряжение ЛТХБ 8/ВС ЛТХБ 8 находится, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами.
Устройство (фиг.2) функционирует следующим образом. Работа этого устройства частично сходна с функционированием устройства-прототипа.
В исходном состоянии нагрузка 7 отключена (ТУС выключено). Периодически, например, один раз в сутки или неделю, автоматически запускается процедура тестирования узла ЛТХБ 8, осуществляемая под управлением узла МК 1. Процедура тестирования узла ЛТХБ 8 предусматривает предварительную регистрацию в памяти 6 начального (при вводе ЛТХБ 8 в эксплуатацию) значения внутреннего сопротивления (НЗВС) ЛТХБ 8, формирование с фиксацией в памяти 6 порогового/допустимого значения внутреннего сопротивления (ПЗВС) ЛТХБ 8, значение которого может быть установлено, например, как 1.5…2 величины НЗВС узла ЛТХБ 8 или такому значению, при котором с помощью ЛТХБ 8 обеспечивается максимальный ток потребления нагрузки 7, которой является техническое устройство/система, функционирующая в автономном режиме с электропитанием от ЛТХБ 8, фиксацию и накопления в памяти 6 измеренных (полученных в процессе тестирования ЛТХБ 8) значений ВС ЛТХБ 8, включение узла БТВСБ 5 для измерения текущего значения ВС ЛТХБ 8. Далее, осуществляется обработка накопленных в памяти 6 значений ВС ЛТХБ 8 и определение степени деградации (потери работоспособности) ЛТХБ 8 по величине ее текущего значения внутреннего сопротивления. Для этого осуществляется сравнение текущего ВС ЛТХБ 8 с ее пороговым/допустимым значением (ПЗВС ЛТХБ 8). Далее, при достижении ВС ЛТХБ 8 уровня, превышающего пороговое/допустимое значение (ПЗВС ЛТХБ 8), осуществляется автоматический запуск процедуры активации ЛТХБ 8, иначе, считается, что ЛТХБ 8 - работоспособна и на индикатор 2 выводится соответствующее сообщение.
Если на этапе тестирования ЛТХБ 8 установлено, что текущее значение ВС ЛТХБ 8 превышает ПЗВС ЛТХБ 8, то автоматически запускается процедура активации (депассивации) ЛТХБ 8, которая выполняется под управлением узла МК 1. При этом, узел РЦ 3 используется для формирования импульса разрядного тока с параметрами (величиной тока и временем его действия), предусмотренными производителем ЛТХБ 8, с одновременным контролем напряжения на элементах ЛТХБ 8 с помощью узла БКПБ 4. После завершения процедуры активации на индикаторе 2 отображается состояние ЛТХБ 8, соответствующее работоспособности или потери ее работоспособности. Например, при использовании в качестве узла индикатора 2 двухцветного светодиода, то его свечение устанавливается зеленым, как признак работоспособной ЛТХБ 8, в противном случае - цвет свечения индикатора 2 устанавливается красным (ЛТХБ 8 - разряжена).
Таким образом, в данном техническом решении обеспечивается периодическое тестирование внутреннего сопротивления ЛТХБ 8 и сравнение его с пороговым/допустимым значением внутреннего сопротивления (ПЗВС) ЛТХБ 8. В случаях, когда текущее значение превышает ПЗВС ЛТХБ 8, автоматически запускается процедура активации ЛТХБ 8, что обеспечивает, с одной стороны, поддержание высокого уровня работоспособности ЛТХБ 8 и, с другой стороны, минимизацию затрат ее энергоресурса на активацию батареи.
В предлагаемом устройстве обеспечивается следующее сочетание отличительных признаков и свойств.
В состав устройства дополнительно введены память и блок тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ), который своими первым и вторым портами соединен, соответственно, с третьим портом батареи и с четвертым портом узла БУ, который пятым портом соединен с портом памяти.
Узел БУ выполнен в виде микроконтроллера (МК), функционирующего по программе, обеспечивающей возможность мониторинга внутреннего сопротивления батареи (ВСБ) в процессе ее эксплуатации, предусматривающего регистрацию в памяти начального (при вводе батареи в эксплуатацию) значения внутреннего сопротивления батареи (НЗ ВСБ), формирования с фиксацией в памяти порогового/допустимого значения внутреннего сопротивления батареи (ПЗ ВСБ), значение которого может быть установлено, например, как 1.5…2 величины НЗ ВСБ или такому значению, при котором батареей обеспечивается максимальный ток потребления нагрузкой, подключенной к упомянутой батарее, периодического, например, один раз в неделю, тестирования ВСБ с помощью узла БТВСБ, фиксации и накопления в памяти измеренных (полученных в процессе тестирования батареи) значений ВСБ, обработки накопленных в памяти значений ВСБ и определения степени деградации (потери работоспособности) батареи по величине ее ВСБ путем сравнения текущего ВСБ с ее пороговым/допустимым значением (ПЗ ВСБ), автоматического запуска процедуры активации батареи, при достижении ВСБ уровня, превышающего пороговое/допустимое значение (ПЗ ВСБ), управления процедурой активации (депассивации) батареи с использованием узла РЦ для формирования импульса разрядного тока с параметрами (величиной тока и временем его действия), предусмотренными производителем батареи для ее активации, с одновременным контролем напряжения на элементах батареи с помощью узла БКПБ, напряжения на элементах ЛТХБ 8 с помощью узла БКПБ 4, отображения на индикаторе состояния батареи, соответствующего работоспособности или потери ее работоспособности, если после выполнения процедуры активации/тестирования выходное напряжение батареи/внутреннее сопротивление батареи находится, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами.
Введение и использование указанных признаков и свойств позволяют существенно расширить функциональные возможности известного устройства, связанных с повышением качества обслуживания и контроля работоспособности литий-тионилхлоридной батареи (ЛТХБ), при котором обеспечивается снижение энергетических затрат на ее активацию.
Введение дополнительных признаков и использование новых свойств позволяет в предлагаемом техническом решении достичь существенного повышения эффективности обслуживания, при котором достигается повышение надежности контроля уровня работоспособности батареи и снижение расхода ее энергоресурса, используемого для ее активации.
Техническим результатом, достигаемым в данном техническом решении, является снижение затрат энергоресурса батареи, используемого для ее активации, что обеспечивается за счет уменьшения количества процедур активации батареи, необходимых для поддержания ее в состоянии высокой работоспособности, что, в свою очередь, обеспечивается процедурой периодического тестирования внутреннего сопротивления батареи (ВСБ) и определения степени деградации (потери работоспособности) батареи путем сравнения текущего ВСБ с ее пороговым/допустимым значением (ПЗ ВСБ), установленным/заданным или измеренным при вводе батареи в эксплуатацию.
Повышение достоверности контроля работоспособности ЛТХБ обеспечивается за счет того, что в процессе обслуживания батареи осуществляется своевременная ее активации, в процессе которой тестируется работоспособность батареи, результаты которой отображаются на индикаторе.
Сочетание отличительных признаков и свойств, предлагаемого устройства тестирования и активации литий-тионилхлоридной батареи из техники не известно, поэтому оно соответствует критерию новизны. При этом, для достижения максимального эффекта по расширению функциональных возможностей известного устройства, направленных на повышение эффективности обслуживания, с точки зрения повышения надежности контроля уровня работоспособности батареи и снижения расхода ее энергоресурса, используемого для ее активации, необходимо использовать всю совокупность отличительных признаков и свойств, указанных выше.
Обобщенный алгоритм функционирования предлагаемого устройства может быть представлен в следующем виде.
- Начало;
- Шаг-1. Инициализация узла МК 1 и переход к шагу 2.
- Шаг-2. Проверка установки новой батареи. Узел ЛТХБ 8 отключался (напряжение на входе узла БКПБ 4) было равно 0? Если да, то переход к шагу 3, если - нет, то переход к шагу 5.
- Шаг-3. Процедура активации (депассивации) ЛТХБ 8. Включение узла РЦ 3 для формирования импульса разрядного тока с параметрами (величиной тока и временем его действия), предусмотренными производителем ЛТХБ 8, с одновременным контролем напряжения на элементах ЛТХБ 8 с помощью узла БКПБ 4. Переход к шагу 4.
- Шаг-4. Проверка: активация узла ЛТХБ 8 - успешна? - Если нет, то переход к шагу 11, если - да, то вывод на индикатор 2 сообщения о работоспособности узла ЛТХБ 8 и переход к шагу - 5.
- Шаг-5. Установка исходных данных. Запуск процедуры тестирования внутреннего сопротивления узла ЛТХБ 8 (выполняется под управлением узла МК 1 с использованием узлов РЦ 3, БКПБ 4 и БТВСБ 5). Регистрация в памяти 6 параметра НЗВС ЛТХБ 8, а также формирование и регистрация в памяти 6 параметра ПЗВС ЛТХБ 8. Переход к шагу 6.
- Шаг-6. Проверка таймера узла МК 1: время ожидания теста узла ЛТХБ 8 истекло? - Если нет, то возврат, если да, то переход к шагу 7.
- Шаг-7. Контрольное тестирование узла ЛТХБ 8. Запуск процедуры тестирования/измерения текущего значения внутреннего сопротивления (ТЗВС) узла ЛТХБ 8. Переход к шагу 8.
- Шаг-8. Проверка: ТЗВС>ПЗВС ЛТХБ 8. Если да, то сброс таймера МК 1, вывод на узел индикатора 2 сообщения о работоспособности узла ЛТХБ 8 и возврат к шагу 6. Если - нет, то переход к шагу 9.
- Шаг-9. Выполнение процедуры активации ЛТХБ 8 и переход к шагу 10.
- Шаг-10. Проверка: активация узла ЛТХБ 8 - успешна? - Если нет, то переход к шагу 11, если - да, то сброс таймера МК 1 и переход к шагу - 6.
- Шаг-11. Вывод на индикатор 2 сообщения об разряде/потери работоспособности узла ЛТХБ 8.
- Конец.
Узлы индикатора 2, РЦ 3, ЛТХБ 8 и БКПБ 4 могут быть аналогичными соответствующим признакам прототипа и не требуют значительной доработки при реализации предлагаемого технического решения. Узел МК 1 может быть реализован на основе PIC-контроллеров, известных из [Л9, Л 10].
Узел памяти 6 может быть реализован с использованием микросхем HY27(U/S)SXX561M [ЛИ] - семейства энергонезависимой Flash памяти, построенной по NAND технологии. Эти изделия отличаются возможностью работы в широком диапазоне напряжений (3.3 В и 1.8 В), имеют миниатюрные размеры и низкое энергопотребление. Узел БТСБ 5 может быть реализован по аналогии с известным из техники [Л12] изделием типа измерителя внутреннего сопротивления ХИТ, позволяющего тестировать ХИТ различных электрохимических систем и измерять их полное внутреннее сопротивление и его составляющие (омическую и поляризационную) в широком диапазоне напряжений и емкостей ХИТ. Для реализации узлов предлагаемого устройства с необходимыми признаками, свойствами и обеспечения функционирования узла МК 3 по требуемым алгоритмам, также могут быть использованы решения и программные процедуры, известные из авторских программ для ЭВМ [Л13-Л16] и авторских технических решений [Л17-Л21].
На основе приведенных данных можно заключить, что предлагаемая полезная модель устройства тестирования и активации литий-тионилхлоридной батареи, за счет использования указанных выше отличительных признаков и свойств и реализации достигаемого технического результата, позволяет решить поставленную задачу, связанную с повышением качества обслуживания, при котором достигается повышение надежности контроля состояния батареи, минимизация энергетических потерь, связанных с ее активацией, а также поддержка необходимого уровня работоспособности этого изделия. При этом, повышение качества обслуживания и контроля работоспособности батареи достигается на основе периодического тестирования ее внутреннего сопротивления (ВС) с автоматической инициацией процедуры активации ЛТХБ, при увеличении ее ВС выше допустимого значения. Это позволяет надежно контролировать состояние батареи, с точки зрения ее работоспособности, и выполнять процедуру активации батареи по мере необходимости, что обеспечивает снижение затрат энергоресурса этого изделия (ЛТХБ) не активацию.
Приведенные средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, позволяют обеспечить ее промышленную применимость.
Основные узлы предлагаемой полезной модели устройства тестирования и активации литий-тионилхлоридной батареи изготовлены, экспериментально испытаны и могут быть использованы при создании серийных образцов.
Производимые устройства могут быть использованы для обслуживания литиевых, преимущественно, литий-тионилхлоридных батарей (ЛТХБ), используемых, для обеспечения работы ТУС, функционирующих в автономном режиме с электропитанием от ХИТ.
Разработанное авторами техническое решение обеспечивает повышение эффективности обслуживания и контроля работоспособности ЛТХБ в процессе ее эксплуатации в составе ТУС. Это достигается на основе тестирования величины внутреннего сопротивления батареи и своевременной ее активации в автоматическом режиме.
Предлагаемое техническое решение будет востребовано широким кругом пользователей различных устройств и систем, функционирующих с использованием автономных источников тока типа ЛТХБ. Использование данного устройства обеспечивает поддержание высокого уровня работоспособности ЛТХБ, что повышает надежность автономного функционирования потребительской РЭА и техники специального назначения в течении длительного времени.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Литиевые первичные тионил-хлоридные батареи, http://www.proelectro.ru/products/id_28188
2. Продукция компании SCHOTT Electronic Packaging Home и области применения, http://www.schott.com/epackaging/russian/auto/others/ battery.html?so=russia&lang=russian
3. Пассивация в гальванических элементах, http://www.rusilicon.net/elements/passivaciya-v-galvanicheskix-elementax.html
4. Статья Л. Вихарева «И вновь о правильном питании, или некоторые особенности эксплуатации литиевых батарей», http://www.kit-e.ru/articles/powersource/2006_4_160.php
5. Пассивация химических источников тока, http://www.ekohit.ru
6. Патент на полезную модель №83657 «Резервированный блок электроники для литий-ионной аккумуляторной батареи», дата публикации 10.06.2009 г.
7. Внутреннее сопротивление ХИТ и его измерение, http://www.megaron.su/content/view/69/
8. Таганова А.А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б. Герметичные химические источники тока: элементы и аккумуляторы, оборудование для испытаний и эксплуатации. Санкт-Петербург. Химиздат. 2005 г. 264 с.
9. Обзор PIC-контроллеров, http://elanina.narod.ru/lanina/index.files/
10. Микроконтроллеры серии PIC18FX5XX с поддержкой шины USB2.0, http://www.trt.ru/products/microchip/pic 18_2.htm
11. Микросхема 256 Мб NAND Flash памяти HY27(U/S)SXX561M, http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Hynix/memory/nand_flash/256M.htm
12. Измеритель внутреннего сопротивления ХИТ, http://www.megaron.su/content/view/360/9/
13. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Драйвер светоиндикаторного устройства», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ, №2011610487 от 13.11.2010 г.
14. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Программа автоматизированной обработки данных», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ №2009613019 от 10.06.2009 г.
15. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Менеджер сенсора», Свидетельство о государственной регистрации в ФИПС РФ.
16. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Программа для ЭВМ «Программа приема и обработки аналоговых сигналов», Свидетельство о регистрации в ФИПС РФ, №2011610486 от 11.01.2011 г.
17. Войсковая часть 11135 (RU), Патент на изобретение №2289856 «Устройство индикации», зарегистрирован 20.12.2006 г.
18. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №98641 «Устройство заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и контроля их работоспособности», зарегистрирован от 20 октября 2010 г.
19. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №114226 «Устройство обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности», зарегистрирован от 10 марта 2012 г.
20. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №114227 «Устройство заряда аккумулятора и защиты его от перегрузок», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 марта 2012 г.
21. ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ, Патент на полезную модель №114228 «Устройство заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых прегрузок», зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 марта 2012 г.