Способ определения остаточной ёмкости химических источников тока
METHOD FOR DETERMINING THE RESIDUAL CAPACITY OF CHEMICAL CURRENT SOURCES

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для определения остаточной электрической емкости первичных химических источников тока (ХИТ), т.е. неперезаряжаемых гальванических элементов питания, непосредственно в условиях эксплуатации, без отключения от нагрузки.
Непосредственно измерить с достаточной точностью можно только ограниченное число параметров ХИТ, например, разность потенциалов на электродах ХИТ или протекающий ток в электрической цепи при подключении к нему нагрузки. Что же касается наиболее значимой характеристики ХИТ, его емкости, т.е. количества электричества, которое он отдает при работе, то непосредственно этот параметр не измеряется, для его оценки используются косвенные методы.
Используемые на практике способы контроля емкости ХИТ с достаточной степенью условности можно разделить на две группы:
• способы, расходующие измеряемую величину;
• способы, не расходующие (или расходующие незначительно) измеряемую величину.
К первой группе относятся измерение времени разряда ХИТ при номинальной постоянной нагрузке и измерение напряжения под нагрузкой, а ко второй - определение емкости по отклику на тестовый сигнал, импульсы различной длительности или по внутреннему сопротивлению ХИТ. Кроме того, существуют и используются также различные комбинации этих методов.
Измерение времени разряда ХИТ при постоянной (номинальной) нагрузке используется только для аккумуляторов. Из-за необходимости их полного разряда процесс измерения является очень длительным, до трех суток. Кроме того, результатом является только то значение ресурса, которое было у аккумулятора изначально, а не текущее (остаточное) значение.
Измерение напряжения при разряде на эталонную нагрузку также, как правило, используется для аккумуляторов. Алгоритмы анализа полученной измерительной информации при этом могут быть различными.
2
Например, известен способ тестирования литиевого источника тока по патенту РФ №2551702, включающий разряд источника тока на внешнюю нагрузку и измерение его напряжения под нагрузкой. При этом сопротивление нагрузки уменьшают так, чтобы ток увеличивался до величины, при которой напряжение под нагрузкой источника тока отличалось от напряжения разомкнутой цепи на 0,001 В, при этом полученное значение тока сравнивают с эталонной величиной и при превышении эталона тестируемый источник тока бракуется. Технический результат заключается в возможности проводить неразрушаюшую диагностику элементов системы Li/SOCl без потери емкости.
Указанные алгоритмы позволяют быстро оценить параметры ХИТ, но их можно использовать в качестве оценочного метода только для полностью заряженных ХИТ, а оценка в любой момент времени состояния заряженности ХИТ по значению его напряжения при подключенной нагрузке вообще невозможна, так как напряжение сильно зависит от предыстории эксплуатации («эффект памяти»). Кроме того, на результат измерений сильно влияет техническое состояние элементов коммутации (проводов, игл, зажимов и т.д.) и текущее эксплуатационное состояние ХИТ (температура, время от ближайшего заряда для аккумуляторов и т.п.). Еще одним недостатком является невозможность (или, по крайней мере, большая сложность) использования данного способа для оценки ресурса ХИТ большой емкости и большого напряжения из-за большой мощности рассеивания.
Еще одним недостатком метода оценки разрядного напряжения является ограниченная область его использования, т.к. он применим не для всех типов ХИТ. Так, для самых распространенных в настоящее время литиевых ХИТ он не обеспечивает необходимой точности определения остаточной емкости из-за пологой разрядной кривой. Для литий-тионилхлоридных источников тока, например, разрядная кривая имеет пологую форму вплоть до 80-90% отданной емкости. Кроме того, в зависимости от условий хранения ХИТ, предшествующего диагностике остаточного ресурса, форма разрядной кривой и уровень разрядного напряжения будут различны. Этот метод с большой достоверностью позволяет только по уровню разрядного напряжения при заданном токе проводить отбраковку ХИТ с явным технологическим браком.
Использование тестового импульса предполагает подачу на ХИТ импульсов тока различной формы на различных частотах и анализ его реакции (отклика) с помощью полученных ранее зависимостей. Форма импульсов, их полярность и длительность зависят от вида ХИТ, его параметров, компании-производителя и т.п. При этом для измерения с приемлемой точностью значение импульсного тока должно быть не менее 1 А (для ХИТ с внутренним сопротивлением от единиц до десятков мОм, в этом диапазоне находится массово используемый ряд ХИТ), но может достигать и 15-20 А.
Например, в способе определения остаточной емкости литиевого химического источника тока (ЛХИТ) и устройстве для его реализации по патенту РФ №2326475 контролируют провал напряжения при импульсном разряде, при этом импульсный разряд тестируемого ЛХИТ осуществляют током 20÷80 мА в течение 10÷200 мс, а значение остаточной емкости определяют по величине провала напряжения при импульсном разряде из предварительно полученной для данного типа ЛХИТ зависимости провала напряжения при импульсном разряде от остаточной емкости.
Способ определения остаточного ресурса литиевого тионилхлоридного первичного элемента питания по патенту РФ №2467340 может использоваться при тестировании литиевых источников, используемых в системах длительного автономного функционирования. Согласно изобретению, способ включает импульсное подключение нагрузки и определение по переходным характеристикам его остаточного ресурса, при этом на элемент питания предварительно осуществляют одновременное воздействие электрическими импульсами и постоянным током. Это позволяет устранить влияние на измерение остаточного ресурса литиевого источника питания сопротивления пассивирующей пленки при минимальном воздействии на остаточный ресурс непосредственно самого элемента питания.
Импульсные способы просты в реализации, не занимают много времени, но имеют все те же недостатки, что и предыдущий, и, кроме того, высокое энергопотребление. ХИТ, пусть и незначительно, в процессе тестирования разряжается.
Контроль по внутреннему сопротивлению предполагает измерение внутреннего сопротивления (комплексного или различных его составляющих) ХИТ на одной или на разных частотах подаваемого напряжения нового ХИТ и в процессе его эксплуатации. По результатам этих измерений оценивается остаточная емкость ХИТ.
Например, в патенте РФ №2295139 способ определения остаточной емкости первичного источника тока заключается в том, что на первичный химический источник тока подают предварительный импульс тока, разрушающий пассивирующую пленку на аноде. Непосредственно после пропускания предварительного импульса тока через первичный источник тока проводят измерения его импеданса в частотном диапазоне от долей герца до 1 кГц, а из полученного годографа импеданса рассчитывают величину фазового угла в точке, в которой модуль экстремума мнимой части годографа имеет максимальное значение. Остаточную емкость определяют путем сравнения полученной величины фазового угла с калибровочной кривой.
Импедансный способ нашел широкое применение благодаря малым затратам времени на диагностику и тому, что при его реализации практически не расходуется ресурс ХИТ. Тем не менее способ пригоден только для определенного типа систем, причем в качестве индикатора емкости ХИТ из-за низкой точности ее измерения. Кроме того, реализация способа требует очень сложной математической обработки данных, причем используемая математическая модель индивидуальна для каждого типа ХИТ.
Все перечисленные способы обладают одним существенным недостатком: они неприменимы для оценки ресурса ХИТ в режиме эксплуатации, то есть для проведения измерений требуется отключение ХИТ от нагрузки. Однако на практике часто актуальной является задача контроля остаточного ресурса элементов питания непосредственно в процессе эксплуатации устройств или систем, в которых они используются, т.е. необходим непрерывный мониторинг значения израсходованной и остаточной емкости ХИТ.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ измерения электрической емкости химических источников тока по патенту РФ №2172044.
эл
зар
эл
зap
Согласно изобретению, способ заключается в процессе разряда испытуемого источника на конденсаторную нагрузку, измерении времени заряда конденсатора и расчете электрической емкости измеряемого химического источника тока по формуле Q=C•U/(2t•k), где Q - электрическая емкость измеряемого источника тока, А•ч; С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф; U - напряжение на измеряемом источнике тока, В; t - время заряда конденсатора от измеряемого источника тока, с; k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические особенности измеряемого ХИТ.
В качестве недостатков данного способа можно отметить следующие.
Прежде всего, как и в описанных выше аналогах, для определения электрической емкости ХИТ его необходимо отключить от нагрузки и провести тестовый эксперимент, т.е. задача непрерывного мониторинга значения емкости этим способом решена быть не может.
Кроме того, входящий в формулу коэффициент k учитывает два вида факторов: характеристики самого элемента (материал, конструктивные и технологические особенности изготовления) и настройки измерительной схемы, а именно значение уровня напряжения ХИТ, до которого производится заряд накопительного конденсатора и которое соответственно определяет одну из граничных точек измеряемого времени заряда. По результатам проведенных исследований в патенте рекомендовано выбирать значение к в диапазоне от 0,86 до 0,95; для получения оптимального значения для конкретного типа элемента необходимо проведение дополнительных предварительных исследований. Если же проводить полный заряд накопительного конденсатора, то из-за экспоненциального характера зарядной кривой на ее конечном этапе возникает большая погрешность измерений.
Технической проблемой заявляемого изобретения является разработка способа определения остаточной емкости химических источников тока с возможностью непрерывного контроля потребленного и остаточного ресурса ХИТ непосредственно в процессе эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения электрической емкости химических источников тока, включающем измерение напряжения на источнике и заряд конденсатора известной емкости, дополнительно непрерывно измеряют рабочую температуру ХИТ и ток в его нагрузке, осуществляют циклы заряда-разряда конденсатора напряжением, пропорциональным току в нагрузке, формируют базовые электрические заряды (БЭЗ) равной ампер-секундной площади и в режиме реального времени определяют значение заряда, переданного в нагрузку, как количество БЭЗ за анализируемый интервал времени, а остаточный ресурс определяют как разность между начальным значением электрической емкости ХИТ и потребленной емкостью и корректируют его значение в соответствии с текущим значением рабочей температуры по заранее известной зависимости. При этом для коррекции значения остаточного ресурса ХИТ используют либо паспортную зависимость емкости от температуры, либо зависимость, полученную в результате статистических исследований ХИТ. При необходимости остаточный ресурс определяют в единицах энергии, для чего полученное значение остаточной электрической емкости умножают на значение напряжения ХИТ.
Остаточный ресурс представляет собой разницу между начальной и потребленной энергией элемента. Таким образом, для его нахождения необходимо постоянно контролировать потребленное количество электричества (заряд) и, интегрируя это значение, вычитать его из начального значения емкости элемента с учетом температуры эксплуатации. Зависимость изменения емкости от температуры приводится в паспорте на ХИТ, однако в процессе работы элемента происходит его старение. Если элемент какое-то время не работал, может произойти пассивация его электродов (это особенно характерно для литий-тионилхлоридных батарей). Поэтому за начальное значение ресурса необходимо принимать значение заряда (энергии) ХИТ в момент его включения в работу.
В технических устройствах с автономным питанием могут реализовываться различные режимы энергопотребления, как активные, так и пассивные. В пассивном режиме расход заряда определяется только энергопотреблением элементной базы устройства, для питания которого используется ХИТ. Активные режимы работы могут сильно разниться между собой по таким параметрам, как энергопотребление, длительность и периодичность (частота) возникновения. Они могут быть, например, кратковременными периодами высокого потребления, более длительными периодами меньшего потребления и т.д. Для корректного учета потребленного заряда (энергии) и определения остаточного ресурса необходим непрерывный мониторинг энергопотребления, независимо от длительности отдельных режимов. При этом потребленный заряд должен учитываться нарастающим итогом.
Основным преимуществом заявляемого способа по сравнению с известными решениями является контроль потребленного и остаточного ресурса ХИТ непосредственно в процессе эксплуатации, без отключения от нагрузки, что позволяет в режиме реального времени принимать решение о необходимости замены ХИТ. Это обеспечивается тем, что для контроля используют напряжение, пропорциональное току, потребляемому нагрузкой, а не сам ток потребления.
Непрерывный мониторинг подразумевает учет энергопотребления как в пассивных (статических), так и в активных (статических и динамических) режимах работы нагрузки. В заявленном способе это обеспечивается формированием БЭЗ путем непрерывного интегрирования напряжения, пропорционального току в нагрузке, с последующим накоплением количества БЭЗ.
При этом в процессе контроля ресурс ХИТ практически не расходуется. Это обеспечивается за счет того, что, в отличие от известного способа, в котором конденсатор заряжают разрядным током ХИТ, в предлагаемом способе заряд производят с помощью линейного интегратора напряжением, пропорциональным потребляемому току.
Реализация предлагаемого метода учета потребления энергии ХИТ иллюстрируется фиг. 1-5.
На фиг. 1 показана функциональная схема определения остаточного ресурса.
На фиг. 2 приведена схема формирования БЭЗ.
Фиг. 3 поясняет физический смысл формирования БЭЗ.
На фиг. 4 представлены результаты моделирования предлагаемого способа в программе Electronics Workbench для статических режимов потребления.
На фиг. 5 представлены результаты моделирования предлагаемого способа в программе Electronics Workbench для динамических режимов потребления.
н
б
Последовательно с нагрузкой R для измерения тока потребления в режиме реального времени включают балластный резистор R, сопротивление которого намного меньше сопротивления нагрузки и не оказывает значимого влияния на потребление заряда от ХИТ.
потр
Потребленный (переданный в нагрузку от ХИТ) за определенный промежуток времени t заряд q определяется выражением
где i - ток, потребляемый нагрузкой.
Эта формула справедлива для постоянного тока потребления. Если это условие не соблюдается, выражение примет вид
бэз
Этот заряд измеряют количеством условных единичных порций, так называемых базовых электрических зарядов (БЭЗ) q равной ампер-секундной площади, например, 0,1 мА⋅с. Каждую такую порцию формируют посредством интегрирования напряжения, пропорционального потребляемому току.
1
2
2
3
оп1
оп2
Для этого измеренное значение тока i преобразуют в напряжение и подают в формирователь БЭЗ, основными элементами которого являются аналоговый интегратор и компаратор (фиг. 2). Функция интегрирования обеспечивает корректный учет всех возможных режимов потребления вне зависимости от их длительности и значений тока. Временные рамки интегрирования (t-t и t-t) определяются моментами достижения значений опорного напряжения U и U, в которых меняют полярность подаваемого на интегратор напряжения. Конкретные значения опорного напряжения выбирают, исходя из условия обеспечения линейного режима работы интегратора.
б
1
3
Интегрирование осуществляют в два этапа: вначале интегрируют напряжение, потраченное на заряд конденсатора, а затем - на его разряд (фиг. 3). Значение каждой единичной порции заряда будет определяться параметрами интегратора R и С, значением балластного резистора R и пределами интегрирования интегратора t и t. Оно может быть определено по формуле
оп1
оп2
где U и U - опорные напряжения компаратора.
Значение заряда, переданного в нагрузку, измеряют путем подсчета количества n БЭЗ за анализируемый интервал времени:
потр
потр
Напряжение U на выходе ХИТ в течение этого интервала (фактически это время работы ХИТ) изменяется очень незначительно. Поэтому для дальнейших расчетов используют среднее значение напряжения. Потребленный нагрузкой ресурс может быть оценен как через заряд q, так и через энергию W, переданную в нагрузку:
раб
Остаточный ресурс определяют как разность между начальным значением энергии (емкости) ХИТ и потребленным ресурсом. Начальное значение зависит от температуры, при которой эксплуатируется ХИТ, соответственно его корректируют в соответствии с текущим значением рабочей температуры Т по заранее известной зависимости емкости от температуры. Поэтому оба этих параметра - напряжение на выходе ХИТ и рабочая температура - также постоянно измеряют.
В качестве зависимости может быть использована паспортная зависимость емкости ХИТ от температуры или зависимость, полученная в результате статистических исследований ХИТ.
Для оценки возможности реализации предложенного способа непрерывного контроля остаточного ресурса ХИТ было проведено моделирование в программе для моделирования электрических схем Electronics Workbench.
На фиг. 4 показана работа интегратора для трех различных статических режимов тока потребления (1,10 и 50 мА). Как видно, при изменении значения тока потребления частота формирования БЭЗ также будет пропорционально изменяться: чем больше ток потребления, тем выше частота циклов интегрирования.
На фиг. 5 показаны результаты моделирования трех условных режимов работы ХИТ.
Для первого режима, «дежурного», ток потребления условно принят равным 1 мА, для второго режима - 10 мА с длительностью 0,1 с, а в третьем режиме - 100 мА с длительностью 0,5 с.
По графикам видно, что, несмотря на кратковременность второго режима, потребленный им ток все равно учитывается интегратором, что доказывает корректность учета. Это достигается за счет использования в предлагаемом методе аналогового интегрирования потребляемого тока.