УСТРОЙСТВО УСТРАНЕНИЯ ЗАДЕРЖЕК ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПАССИВИРОВАННОЙ ЛИТИЙ-ТИОНИЛХЛОРИДНОЙ БАТАРЕИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕЕ ТОКОВЫХ НАГРУЗОК

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам обслуживания батарей и содержания их в исправности, и может быть использована для активации литиевых батарей, преимущественно, для депассивации литий-тионилхлоридных батарей (ЛТХБ) и компенсации влияния эффекта их пассивации на бесперебойное электропитание технических устройств и систем (ТУС), функционирующих в автономном режиме с электропитанием от ЛТХБ.
2
При функционировании ТУС в автономном режиме с электропитанием от химических источников тока (ХИТ) к системе их электропитания часто предъявляются повышенные требования по обеспечению большой длительности автономной работы и сохранению работоспособности в сложных условиях эксплуатации при ограниченных массе и габаритах ТУС.Для удовлетворения этим требованиям электропитание ТУС должно осуществляться с использованием ХИТ с большими энергетическими характеристиками. По оценкам экспертов [Л1, Л2] самую большую плотность энергии обеспечивают литиевые батареи. При этом, среди литиевых батарей лучшими по большинству параметров являются элементы системы литий-тионлхлорид (Li/SOCl). Эти изделия характеризуются самым высоким выходным напряжением (3,6 В), максимальной электрической емкостью, широким диапазоном рабочих температур (могут работать при температуре -55…-60°C), способностью выдавать повышенные токи разряда и обеспечивают большой срок хранения, который может превышать более 10 лет. Превосходные качества литий-тионилхлоридных батарей, заключающиеся в том, что они являются мощными элементами питания, обладают исключительными энергетическими характеристиками, имеют низкий саморазряд, длительный 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.Следует отметить, что низкий ток саморазряда и весьма длительный срок хранения ЛТХБ обусловлен существованием тончайшей изолирующей пленки 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. Образование и существование ИПХЛ проявляется главным образом в низком токе саморазряда батареи.
Исследования показали, что наличие ИПХЛ на электроде ЛТХБ создает противоречивую ситуацию. С одной стороны, наличие ИПХЛ гарантирует необходимые (полезные) свойства: низкий ток саморазряда и длительный срок хранения ЛТХБ, поэтому ИПХЛ необходимо сохранять. С другой стороны, с течением времени, толщина пленки хлорида лития нарастает и пропорционально ее толщине увеличивается и сопротивление изоляции, что вызывает снижение выходного напряжения ЛТХБ и приводит к уменьшению ее разрядного тока (выходная мощность ЛТХБ снижается). В момент подключения нагрузки к ЛТХБ наблюдается понижение напряжения на ее выходных контактах (мощности ЛТХБ недостаточно для обеспечения мощности, необходимой нагрузке). Если номинальное напряжение у ЛТХБ при стандартном токе разряда должно быть примерно 3,6 В, то из-за наличия значительного слоя ИПХЛ оно может понизиться до 2,3-2,7 В или еще ниже. Поэтому, для предотвращения снижения работоспособности ЛТХБ и предотвращения выхода из строя/отказа ТУС, получающих электропитание от этой ЛТХБ, ИПХЛ надо разрушать. Для разрушения ИПХЛ используется принудительный разряд ЛТХБ, что неизбежно ведет к снижению общего энергоресурса ЛТХБ. Очевидно, что для предотвращения преждевременной потери работоспособности ЛТХБ из-за ее периодических процедур разряда, разрушать ИПХЛ не надо. Однако, в этом случае из-за образования ИПХЛ происходит потеря способности ЛТХБ отдавать в нагрузку ток, предусмотренный спецификацией этого изделия, что может вызывать отказ в работе ТУС, питающейся от данной ЛТХБ.
Как известно из техники [Л3], явление снижения выходного напряжения на выходе литиевой батареи при подключении к ней нагрузки называется эффектом пассивации, а процедуры, приводящие к устранению этого эффекта, называются активацией/депассиваций ЛТХБ. В элементах питания пассивация играет двоякую роль. Положительная сторона пассивации в том, что она защищает гальванический элемент от заметной потери емкости (снижаются токи утечки), благодаря чему повышается срок хранения этого изделия. Однако, когда батарея хранится какое-то время и затем начинает использоваться (подключается к нагрузке), то начальное выходное 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. То есть, при подключении нагрузки к ЛТХБ возникает задержка напряжения (пассивация выходного напряжения ЛТХБ), которая может вызывать сбои/ отказы в работе ТУС.Наиболее уязвимы, с точки зрения возникновения отказов те ТУС, которые длительное время функционируют в режиме экономного энергопотребления (<1 мА) и периодически включаются в режим максимального энергопотребления, при котором ЛТХБ должна обеспечить номинальные/максимальные выходные значения напряжения и тока. Поскольку малый рабочий ток в течение длительного времени работы ТУС недостаточен для препятствия процессу образования ИПХЛ, то неизбежно происходит снижение работоспособности батареи, поскольку толщина ИПХЛ постоянно растет, вызывая повышение внутреннего сопротивления ЛТХБ и увеличение уровня ее пассивации, что сопровождается снижением выходного напряжения батареи под нагрузкой и ограничением выходного тока ЛТХБ. Кроме того, для ТУС, работающих в режиме микропотребления тока, существенной окажется и потеря емкости батареи, поскольку процент использования полезного вещества ЛТХБ уменьшается. При работе ЛТХБ на малых токах процесс пассивации проходит безостановочно, поэтому, активные вещества (литий и тионилхлорид) будут постоянно расходоваться на образование хлорида лития, что приведет к снижению емкости батареи. Известно, что при работе ЛТХБ в составе ТУС, которая работает в режиме низкого энергопотребления, 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 (образования ИПХЛ на электроде ЛТХБ).
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 длительного времени (>10 лет). Поэтому пассивацию необходимо сохранять. С другой стороны, наличие пассивации ведет к снижению, как энергетического ресурса батареи, так и ее работоспособности/надежности (с точки зрения обеспечения бесперебойного электропитания ТУС), 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, пассивацию ЛТХБ необходимо устранять путем ее активации. То есть, для разрушения ИПХЛ, которая непрерывно образуется в ЛТХБ, необходимо выполнять периодические процедуры активации ЛТХБ. При этом энергетические затраты, связанные с активацией ЛТХБ это - вынужденные/необходимые потери энергоресурса ЛТХБ, связанные с поддержанием ее в рабочем состоянии. Очевидно, что расход энергоресурса ЛТХБ на проведение ее активации снижает количество энергоресурса ЛТХБ, который может быть использован на поддержание ТУС в рабочем состоянии (на электропитание нагрузки), и существенно влияет, как на надежность, так и на длительность автономной работы ТУС. В результате энергетических потерь, связанных с активацией ЛТХБ, уровень автономности ТУС, выражающийся в длительности автономного функционирования ТУС, может существенно снижаться или в работе ТУС могут возникать преждевременные отказы.
В связи с эти возникает задача повышения надежности и длительности автономной работы ТУС, электропитание которых осуществляется от ЛТХБ.
Исследования показали, что наличие упомянутых противоречий, связанных с наличием эффекта пассивации и необходимости проведения процедур активации ЛТХБ, в процессе которых часть энергоресурса ЛТХБ расходуется на поддержание ЛТХБ в работоспособном состоянии, усложняет решение поставленной задачи. Информационным/патентным поиском установлено, что известные из техники устройства/системы/технические решения, которые могут быть использованы для решения поставленной задачи, имеют существенные недостатки, поэтому поиск новых решений является актуальным.
По мнению авторов, повышение уровня надежности и длительности автономного функционирования ТУС, электропитание которых осуществляется от ЛТХБ, может быть достигнуто на основе минимизации энергетических потерь ЛТХБ, связанных с ее обслуживанием. Здесь предполагается, что при качественном обслуживании достигается, как минимизация энергетических потерь, связанных с активацией ЛТХБ, так и поддерживается полная работоспособность батареи (ПРБ), как способность отдавать в нагрузку значение тока, предусмотренного спецификацией производителя этого изделия (ЛТХБ) или как способность обеспечивать максимальный ток, потребляемый ТУС, в котором используется ЛТХБ. В идеальном/предельном случае весь энергоресурс ЛТХБ должен быть использован для электропитания нагрузки (ТУС). Однако, наличие эффекта пассивации ЛТХБ приводит к тому, что в известных устройствах/системах/технических решениях при обслуживании ЛТХБ часть ее энергоресурса расходуется на активацию ЛТХБ, что снижает эффективность решения поставленной задачи.
Как установлено в процессе исследований, решение поставленной задачи весьма затруднено следующими обстоятельствами. Как известно из техники, суть активации ЛТХБ выражается в разрушении ИПХЛ путем выполнения принудительного разряда ЛТХБ импульсами тока в соответствии с рекомендациями производителя ЛТХБ, что неизбежно приводит к потере общего энергоресурса ЛТХБ. При этом, создается противоречивая ситуация, при которой, с одной стороны, чтобы обеспечить сохранение в течении длительного времени энергоресурс 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 работоспособности ЛТХБ и способности ее отдавать в нагрузку требуемый ток, ИПХЛ периодически надо 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 ТУС.Частично данное противоречие устраняется, когда ЛТХБ находится на хранении, поскольку время ее хранения может быть точно установлено. В этом случае, перед вводом в эксплуатацию ЛТХБ, 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 ЛТХБ 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, потере состояния ПРБ в результате ее пассивации.
Для решения поставленной задачи иногда используется известный из техники [Л3, Л4] способ активации ЛТХБ, предусматривающий для батарей, находящихся на длительном хранении, проведение через каждые полгода процедуры активации с доведением выходного напряжения ЛТХБ до ее 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 ЛТХБ 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 с 3.6 В до уровня 3 В. Время активации не должно превышать 5 минут.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, что 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/ФЛ 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, и 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 ТУС 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. В данном способе возможность выполнения активации ЛТХБ с оптимизацией расхода/ снижения энергоресурса на поддержание ее в рабочем состоянии - не обеспечивается.
Из техники [Л5] 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 (депассиваций) 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 активации/депассиваций 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. При использовании данного способа возможность обслуживания с минимизацией/снижением 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, - не обеспечивается.
Из техники [Л6] известно 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.
Устройство функционирует следующим образом. В исходном состоянии узлом БКПБ осуществляется измерение напряжения на элементах батареи. Тестирование батареи осуществляется кратковременным подключением к ней узла РЦ, который эмулирует нагрузку с ее номинальным током. Если в процессе тестирования напряжение на батарее находится в пределах допустимых значений, то на индикатор выводится сообщение об исправности батареи. В простейшем случае индикатор может быть двухцветным светодиодом, зеленое или красное свечение которого может свидетельствовать, соответственно, об исправности или разряженном состоянии батареи. Предполагается, что наличие тестового режима может обеспечить устранение пассивации батареи. В рабочем состоянии, при подключении нагрузки (после включения электропитания ТУС), батарея начинает разряжаться. Уровень напряжения на элементах батареи контролируется узлом БКПБ. В процессе разряда батареи или при воздействии на нее больших разрядных токов, напряжение на отдельных элементах батареи может уменьшаться, что свидетельствует о их разряде или снижении работоспособности. В этих случаях, узлом БКПБ под управлением узла БУ осуществляется балансировка элементов батареи, обеспечивающая перераспределение токовой нагрузки между элементами батареи. Если в процессе эксплуатации напряжение на батарее снизится ниже допустимого значения, то этот факт будет зафиксирован узлом БУ, который включит на индикаторе режим индикации факта, что батарея разряжена/не работоспособна.
Данное устройство частично устраняет недостатки предыдущего устройства. Это обусловлено тем, что в устройстве предусмотрена процедура тестирования батареи, которая позволяет контролировать работоспособность батареи и своевременно оповещать пользователя ТУС о ее состоянии с помощью индикатора. Кроме того, узлом БКПБ обеспечивается балансировка токовой нагрузки на элементы батареи, что обеспечивает повышение ее работоспособности.
Данное техническое решение имеет недостатки, аналогичные предыдущему устройству. Так, тестирование батареи, не обеспечивает достоверного контроля работоспособности батареи, поскольку ее пассивация может развиваться постепенно и на этапе тестирования номинальным нагрузочным током не обнаруживаться и не устраняться. Кроме того, тестирование батареи номинальным током не обеспечивает проверку ее работоспособности при максимальном рабочем токе ТУС.Частое тестирование батареи, 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 может в ряже случаев способствовать развитию процесса пассивации отдельных элементов батареи, потому, что действие импульсов повышенного тока, способного разрушить ИПХЛ, снижается узлом БКПБ.
Исследования показали, что минимизация энергетических затрат (МЭЗ), связанных с активацией ЛТХБ, весьма проблематична, 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, что приводит к ускоренному расходу ее энергоресурса. С другой стороны, для экономного расхода энергоресурса ЛТХБ, необходимо проводить ее активацию как можно реже, может нарушить работоспособность ЛТХБ и вызвать сбои/ отказы в работе ТУС.
По мнению авторов, наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является, известное из техники [Л7], устройство тестирования и активации литий-тионилхлоридной батареи, (далее - устройство), состоящее из микроконтроллера (МК), индикатора, разрядной цепи (РЦ), блока контроля параметров батареи (БКПБ), блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ), памяти и литий-тионлхлоридной батареи (ЛТХБ), которая своими с первого по третий портами соединена, соответственно, со вторым портом узла РЦ, со вторым портом узла БКПБ и со вторым портом узла БТВСБ, который первым портом соединен с первым портом узла МК, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом узла РЦ, с первым портом узла БКПБ и с портом узла памяти. При этом, узел МК функционирует по программе, обеспечивающей возможность мониторинга внутреннего сопротивления (ВС) батареи ЛТХБ в процессе ее эксплуатации, предусматривающего регистрацию в памяти начального (при вводе ЛТХБ в эксплуатацию) значения внутреннего сопротивления (НЗВС) ЛТХБ, формирования с фиксацией в памяти порогового/допустимого значения внутреннего сопротивления (ПЗВС) ЛТХБ, величина которого может быть установлена, например, как 1.5-2 величины НЗВС узла ЛТХБ или такому ее значению, при котором с помощью ЛТХБ обеспечивается максимальный ток потребления технического устройства (нагрузки), в котором установлена ЛТХБ, периодического, например, один раз в неделю, тестирования ВС ЛТХБ с помощью узла БТВСБ, фиксации и накопления в памяти измеренных (полученных в процессе тестирования ЛТХБ) значений ВС ЛТХБ, обработки накопленных в памяти значений ВС ЛТХБ и определения степени деградации (потери работоспособности) ЛТХБ по величине ее внутреннего сопротивления на основе сравнения текущего ВС ЛТХБ с ее пороговым/допустимым значением (ПЗВС ЛТХБ), автоматического запуска процедуры активации ЛТХБ, при достижении ВС ЛТХБ уровня, превышающего пороговое/допустимое значение (ПЗВС ЛТХБ), управления процедурой активации ЛТХБ, предусматривающей использование узла РЦ для формирования импульса разрядного тока (ИРТ) с параметрами (величиной тока и временем его действия), предусмотренными производителем ЛТХБ, с одновременным контролем напряжения на элементах ЛТХБ с помощью узла БКПБ, отображения на индикаторе состояния батареи, соответствующего работоспособности или потери ее работоспособности, если после выполнения процедуры активации/тестирования выходное напряжение ЛТХБ/ВС ЛТХБ находится, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами.
Функциональная схема данного устройства приведена на фиг.1. Устройство (фиг.1) 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, соответственно, 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 БКПБ 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 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 ЛТХБ 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.1) функционирует следующим образом. 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 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/разрядилась).
В данном техническом решении (ТР) предполагается, что снижение расхода энергоресурса ЛТХБ на поддержание ее в работоспособном состоянии может быть достигнуто за счет использования предварительного (перед проведением активации ЛТХБ) периодического контроля внутреннего сопротивления ЛТХБ (КВСБ), на основании результатов которого принимаются решения о необходимости выполнения процедуры ее активации по следующему алгоритму: если текущее (измеренное) ВСБ больше или меньше порогового/допустимого значения ВСБ, то активация ЛТХБ, соответственно, проводится или нет.Такая стратегия может давать положительные результаты только при достижении оптимальной периодичности проведения процедур контроля ВСБ, что не реализовано в данном устройстве.
Недостатком данного ТР является низкая эффективность, с точки зрения контроля и поддержания работоспособности ЛТХБ, а также минимизации расхода емкости ЛТХБ на ее активацию. Это обусловлено следующими факторами. Во-первых, использование данного ТР может вызывать высокий уровень потерь энергоресурса ЛТХБ, расходуемого на контроль и поддержку работоспособности ЛТХБ. Это обусловлено тем, что КВСБ ЛТХБ не может быть оптимизирован по периодичности его выполнения (необходимые признаки и свойства в данном ТР - отсутствуют), поэтому на практике возможны, как чрезмерно высокая частота проведения процедур КВСБ, так и низкая частота проведения КВСБ. При высокой частоте выполнения тестовых процедур КВСБ происходит ускоренный расход энергоресурса ЛТХБ, так как каждая из процедур КВСБ является «стрессом» для ЛТХБ, с точки зрения воздействия на нее токовых нагрузок, которые по интенсивности могут превышать значения рабочих/номинальных токов. Для получения надежных результатов КВСБ необходимо использовать высокую частоту проведения процедур КВСБ, что вызывает интенсивный расход емкости ЛТХБ. То есть, повышение надежности контроля уровня работоспособности ЛТХБ достигается высокой ценой - повышенным расходом энергоресурса батареи, что приводит к сокращению длительности автономной работы ТУС, питающегося от ЛТХБ, а также снижением надежности его работы, поскольку вероятность отказа ТУС в условиях воздействия на ЛТХБ дополнительной токовой нагрузки - снижается. Использование данного ТР может вызывать снижение надежности работы ТУС, питающихся от ЛТХБ, в случаях, когда контроль и поддержка ее работоспособности осуществляется с низкой периодичностью (редко). При низкой частоте выполнения тестовых процедур КВСБ происходит неконтролируемая пассивация ЛТХБ, процедуры активации ЛТХБ могут выполняться не своевременно, что служит источником снижения уровня работоспособности ЛТХБ и отказов в работе ТУС, функционирующих при электропитании от ЛТХБ. То есть, отсутствие в данном ТР возможностей по оптимизации периодичности проведения процедур контроля внутреннего сопротивления ЛТХБ может привести к существенному повышению уровня энергетических потерь ЛТХБ, связанных с контролем работоспособности и проведением процедур ее активации, или к снижению уровня работоспособности ЛТХБ из-за ее пассивации, так как активация ЛТХБ может выполняться не своевременно. В первом случае (при высокой частоте проведения процедур КВСБ) снижается длительность автономной работы ТУС, во втором случае (при низкой частоте проведения КВСБ) - снижается надежность работы ТУС, так как достаточно пассивированная ЛТХБ не может обеспечить ТУС необходимой выходной мощностью. Кроме того, возможность обслуживания ЛТХБ без потерь ее энергоресурса в данном техническом решении - не обеспечивается.
По мнению авторов, решение поставленной задачи, связанной с повышением надежности и длительности автономной работы ТУС при электропитании от ЛТХБ, может быть достигнуто на основе применения к ней, так называемого принципа управляемого разряда (ПУР). Суть ПУР, предложенного авторами, состоит в применении к ЛТХБ нормированного (по величине разрядного тока - Ip и времени его действия - Tp) режима разряда, осуществляемого для предварительного (перед подачей энергии в нагрузку) «переноса» энергии в буферный накопитель энергии (БНЭ), с возможностью изменения параметров Ip и Tp в зависимости от состояния (степени заряженности) БНЭ и значений/уровня ВСБ, измеряемого в процессе подзарядки БНЭ. Предполагается, что узел БНЭ может быть выполнен с возможностью передачи в нагрузку необходимой мощности (напряжения/тока) без задержек его выходного напряжения. Организованная таким образом «развязка»/изоляция ЛТХБ от нагрузки, с точки зрения устранения между ними непосредственной энергетической/электрической связи, позволяет устранить влияние эффекта пассивации ЛТХБ на нагрузку в виде задержки в подаче выходного напряжения ЛТХБ в нагрузку при воздействии на нее нагрузочных токов. Кроме того, при использовании такой схемы электропитания нагрузки (с использованием БНЭ) предоставляется возможность исключить потери энергоресурса/емкости ЛТХБ на тестирование электрических параметров (например, измерение внутреннего сопротивления ЛТХБ) и ее активацию, поскольку эти процедуры (тестирование и активация ЛТХБ) могут быть выполнены в процессе выполнения процедур зарядки/подзарядки БНЭ. Таким образом, при реализации предложенной идеи, может быть достигнута полная компенсация задержек напряжения, которые возникают на выходе пассивированной ЛТХБ в случае подключения к ней нагрузки, что может быть обеспечено выполнением БНЭ с использованием накопителей энергии, которые свободны от недостатков ЛТХБ (не имеют эффекта пассивации). Кроме того, при использовании данной идеи также может быть достигнуто существенное снижение затрат энергоресурса ЛТХБ на поддержание ее в работоспособном состоянии, что может быть обеспечено установкой необходимых режимов зарядки/подзарядки БНЭ, например, выбором уровня и длительности импульсов зарядного тока (выбором параметров Ip и/или Tp), а также использования токовых импульсов в циклах зарядки/подзарядки БНЭ для тестирования ВСБ и активации ЛТХБ. Если в устройстве - прототипе процедуры тестирования электрических параметров и активации ЛТХБ приводили к дополнительным потерям ее энергоресурса, то при реализации авторской идеи, дополнительные потери емкости/энергии ЛТХБ могут быть практически исключены и почти весь энергоресурс ЛТХБ может быть передан в нагрузку (посредством БНЭ) без задержки ее выходного напряжения (обеспечено бесперебойное электропитание нагрузки).
При организации ПУР выбор/установка параметров Ip и Tp может базироваться на использовании результатов измерений ВСБ, рекомендациях производителей по активации ЛТХБ и данных о токовых нагрузках на ЛТХБ, препятствующих образованию ИПХЛ. Такой подход основан на следующих рассуждениях. Как известно из [Л8], при отсутствии воздействии на ЛТХБ токовых нагрузок на поверхности ее литиевого электрода толщина ИПХЛ увеличивается с течением времени, что вызывает повышение выходного/внутреннего сопротивления батареи и проявление эффекта пассивации в большей мере. ТУС с малым потреблением мощности с током потребления в несколько миллиампер не могут в процессе работы разрушить ИПХЛ и вывести ЛТХБ из режима пассивации. Только лишь мощный токовый импульс позволяет полностью разрушить образовавшийся хлорид лития. При этом, количество энергии (количество емкости батареи - Qa), которая расходуется на процесс активации ЛТХБ может быть определено выражением: Qa=Ia*Та, где Ia - ток активации, Ta - время/длительность активации. Как правило, значение параметров Ia и Та нормируются производителями ЛТХБ. Например, максимальное значение Ia для ЛТХБ компании ЕЕМВ типа ER14250, ER14505, ER26500, ER34615, ER14505M, ER26500M и ER34615M составляет, соответственно, 80 мА, 200 мА, 260 мА, 460 мА, 1000 мА, 2000 мА и 3000 мА. При этом, для активации ЛТХБ, вне зависимости от их модели, время/длительность воздействия Та током Ia пропорционально времени/длительности хранения ЛТХБ. Так, при хранении ЛТХБ в течении 3, 6 и 12 месяцев, время/длительность активации составляет, соответственно, Та (15 сек), 2Та (30 сек) и 4Та (60 сек). Путем простой аппроксимации данных от компании ЕЕМВ можно вычислить значение Та для любого периода времени хранения ЛТХБ, например, для активации ЛТХБ после хранения ее в течении одного месяца необходимо разрядить ЛТХБ током Ia в течении Та=5 сек. Как правило, значение тока Ia указано в документации производителя и обычно равно удвоенному максимально допустимому рабочему току разряда ЛТХБ или считается, что Ia не должен превышать значения максимального импульсного тока ЛТХБ. Это позволяет вычислить ориентировочные значения токов активации для различных ЛТХБ, руководствуясь их основными электрическими характеристиками (максимальным допустимым рабочим током/максимальным импульсным током). Также известно, что при работе в составе ТУС на ЛТХБ могут воздействовать токовые нагрузки, препятствующие образованию ИПХЛ. Так, в [Л9], показано, что при использовании батарей фирмы Omnicell типа ER14250, ER14335, ER14505, ER17335 и ER18505, минимальные сопротивления нагрузки Rдп, при которых эти батареи не пассивируются, составляют значения, соответственно, 660 Ом, 580 Ом, 330 Ом, 330 Ом и 220 Ом. Вычисленный пороговый ток нагрузки Iп, препятствующий образованию ИПХЛ в ЛТХБ батареях типа ER14250, ER14335, ER14505, ER17335 и ER18505, составляет, соответственно, около 5 мА, 6 мА, 10 мА, 11 мА и 16 мА, что составляет около 1/200 части их номинальной емкости (Qн/200). Установлено, что на основе паспортные данных об электрических параметрах ЛТХБ, используемой для электропитания ТУС, например, ее номинальной емкости Qн, можно вычислить пороговый ток нагрузки Iп, препятствующий образованию ИПХЛ в ЛТХБ. Использование этого параметра (Iп) позволяет создавать условия (режимы разряда), препятствующие процессу пассивации ЛТХБ. Например, при зарядке/подзарядке БНЭ разрядный ток Iрб, воздействующий на ЛТХБ, может быть выбран из условия Iрб≥Iп, что обеспечит нейтрализацию/прекращение пассивации ЛТХБ. Однако, как показали исследования, условие Iрб≥Iп является недостаточным для поддержания ЛТХБ в работоспособном состоянии, то есть, в состоянии, при котором ЛТХБ может обеспечить номинальную выходную мощность. Это обусловлено тем, что при использовании ПУР некоторое время ЛТХБ может находиться в режиме «холостого хода», например, когда БНЭ полностью заряжен и нагрузка от него отключена (ТУС - выключено). При отсутствии воздействия на ЛТХБ токовых нагрузок начинает развиваться процесс ее пассивации. В некоторой степени он допустим, пока не приводит к снижению работоспособности ЛТХБ. Однако, степень пассивации необходимо контролировать, что по мнению авторов, целесообразно осуществлять путем тестирования ВСБ на каждом очередном цикле зарядки/подзарядки БНЭ. При этом, «перенос» энергии из ЛТХБ в БНЭ может быть организован в виде двух фаз, первая и вторая из которых предусматривает использование величины Iрб, ориентированного на выполнение процедур, соответственно, тестирования ВСБ (кратковременная, ограниченная по времени единицами - долями секунд, когда Iрб определяется исходя из условий теста ЛТХБ по уровню работоспособности) и зарядки/подзарядки БНЭ (долговременная, когда режим разряда ЛТХБ определяется из условий Iрб≥Iп и необходимости обеспечить требуемую скорость подзарядки БНЭ для бесперебойного электропитания нагрузки/ТУС).
По мнению авторов, в качестве основных элементов накопителя энергии (узел БНЭ) могут быть использованы изделия типа графеновых суперконденсаторов, что основано на следующих данных. Как известно из [Л10], разработано новое поколение накопителей энергии в виде графеновых суперконденсаторов, которые имеют небольшие габариты и могут хранить столько же электричества, сколько и обычные аккумуляторы. Создан суперконденсатор с плотностью хранения энергии 60 ватт-часов на литр, что сопоставимо со свинцово-кислотными аккумуляторами. Как сообщается в [Л11], создан высокоэффективный суперконденсатор на основе графена. По емкостным параметрам такой суперконденсатор не уступает литий-ионной аккумуляторной батарее. Это изделие обеспечивает быстрое (в течении единиц секунд) накопление и отдачу электрического заряда, а также выдерживает десятки тысяч рабочих циклов заряда - разряда без потери своих электрических характеристик. При измерении характеристик суперкондесатора установлено, что его электроемкость достигает примерно 150 фарад на грамм, с плотностью хранения энергии 64 ватт на килограмм. Как сообщается в [Л12], ученые Nanotek Instruments и Angstron Materials разработали суперконденсатор энергетическая плотность которого достигает 136 Вт-ч/кг, что превышает плотность «упаковки» энергии в никель-металл-гидридный (NiMH) аккумуляторах. При этом, в отличие от химического аккумулятора, графеновый суперконденсатор может заряжаться за секунды или минуты в зависимости от емкости и мощность источника. Как известно из [Л13], разработаны микроминиатюрные суперконденсаторы, которые могут выступить в качестве источников энергии различных ТУС.Эти изделия отличаются высокой емкостью (на четыре порядка превышающую емкость обычных электролитических конденсаторов), обеспечивают скорость разряда в три порядка выше, чем обычные суперконденсаторы, и имеют сверхмалые размеры (несколько микрометров). Электроды этих суперконденсаторов состоят из частиц, размером 6-7 миллимикронов в диаметре. При этом, каждая частица представляет собой нечто наподобие луковицы из углерода. Именно эти сферические углеродные слои и обеспечивают очень большое значение площади электрода конденсатора. Как сообщается в [Л14], группа ученых из Института твердого тела и исследований материалов Лейбница (Leibniz Institute for Solid State and Materials Research) в Дрездене, Германия, возглавляемая профессором Оливером Г. Шмидтом (Professor Oliver G Schmidt), разработала достаточно мощный микросуперконденсатор, толщиной всего в несколько нанометров.
Целью полезной модели является снижения потерь энергоресурса литий-тионилхлоридной батареи, связанных с поддержанием ее в работоспособном состоянии.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройство, состоящее из микроконтроллера (МК), индикатора, разрядной цепи (РЦ), блока контроля параметров батареи (БКПБ), блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ), памяти и литий-тионлхлоридной батареи (ЛТХБ), которая своими с первого по третий портами соединена, соответственно, со вторым портом РЦ, со вторым портом БКПБ и со вторым портом БТВСБ, который первым портом соединен с первым портом МК, который своими вторым, четвертым и пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом БКПБ и с портом памяти, и выполненное с возможностью мониторинга внутреннего сопротивления литий-тионлхлоридной батареи (ВСБ) в процессе ее эксплуатации, включая регистрацию в памяти начального (при вводе ЛТХБ в эксплуатацию) значения внутреннего сопротивления литий-тионлхлоридной батареи (НЗВСБ), формирования с фиксацией в памяти порогового/допустимого значения внутреннего сопротивления литий-тионлхлоридной батареи (ПЗВСБ), выполнения процедур тестирования ВСБ, фиксации и накопления в памяти измеренных (полученных в процессе тестирования ЛТХБ) текущих значений внутреннего сопротивления ЛТХБ (ТЗВСБ), обработки накопленных в памяти значений ТЗВСБ и определения степени деградации (потери работоспособности) ЛТХБ по величине ее внутреннего сопротивления на основе сравнения величин ТЗВСБ и ПЗВСБ, выполнения процедур активации ЛТХБ при достижении ТЗВСБ уровня, превышающего ПЗВСБ, управления процедурой активации ЛТХБ, предусматривающей формирование импульса разрядного тока (ИРТ) с необходимыми параметрами (величиной тока и временем его действия), например, установленными/рекомендованными производителем ЛТХБ, отображения на индикаторе состояния ЛТХБ, соответствующего работоспособности или потери ее работоспособности, если после выполнения процедуры активации выходное напряжение ЛТХБ находится, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами, дополнительно в его состав введены электрический накопитель энергии (ЭНЭ), выполненный в виде батареи графеновых суперконденсаторов (БГС), и контроллер заряда батареи графеновых суперконденсаторов (КЗБГС), который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с третьим портом МК, с третьим портом БТВСБ, с первым портом РЦ и с первым портом БГС, которая вторым портом может подключаться к нагрузке, при этом, узел КЗБГС функционирует под управлением МК и совместно с ним обеспечивает возможность поддержки выходного напряжения БГС в пределах допустимых значений путем ее периодической подзарядки с использованием энергоресурса/мощности ЛТХБ, управления режимом подзарядки БГС, предусматривающего программирование параметров ИРТ со значением тока и временем его действия, обеспечивающих поддержание выходного напряжения БГС в заданных/допустимых пределах в соответствии с мощностью, потребляемой нагрузкой, динамического управления параметрами ИРТ в процессе его воздействия на ЛТХБ в каждом цикле подзарядки БГС адаптивно к изменению скорости разряда БГС под действием нагрузки, осуществления в каждом цикле подзарядки БГС контроля внутреннего сопротивления ЛТХБ и автоматической корректировки параметров ИРТ по данным, полученным в ходе измерения ТЗВСБ, включая установку таких параметров ИРТ, при которых обеспечивается активация ЛТХБ или стабилизация ее параметров в случаях, соответственно, когда ТЗВСБ≥ПЗВСБ или когда ТЗВСБ<ПЗВСБ.
Функциональная схема устройства устранения задержек выходного напряжения пассивированной литий-тионилхлоридной батареи при воздействии на нее токовых нагрузок (далее - устройство) представлена на фиг.2. Устройство (фиг.2) состоит из индикатора 2, разрядной цепи (РЦ) 3, блока контроля параметров батареи (БКПБ) 4, блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ) 5, памяти 6, литий-тионлхлоридной батареи (ЛТХБ) 8, контроллера заряда батареи графеновых суперконденсаторов (КЗБГС) 9, батареи графеновых суперконденсаторов (БГС) 10 и микроконтроллера (МК) 1, который своими первым, вторым, третьим, пятым и четвертым портами соединен, соответственно, с первым портом БТВСБ 5, с портом индикатора 2, с первым портом КЗБГС 9, с портом памяти бис первым портом БКПБ 4, который вторым портом соединен со вторым портом ЛТХБ 8, которая своими первым и третьим портами соединена, соответственно, со вторым портом РЦ 3 и со вторым портом БТВСБ 5, который третьим портом соединен со вторым портом КЗБГС 9, который своими третьим и четвертым портами соединен, соответственно, с первым портом РЦ 3 и с первым портом БГС 10, который вторым портом может подключаться к нагрузке 7. При этом, устройство выполнено с возможностью мониторинга внутреннего сопротивления литий-тионлхлоридной батареи 8 (ВСБ) в процессе ее эксплуатации, включая регистрацию в памяти начального (при вводе ЛТХБ 8 в эксплуатацию) значения внутреннего сопротивления литий-тионлхлоридной батареи 8 (НЗВСБ), формирования с фиксацией в памяти 6 порогового/допустимого значения внутреннего сопротивления литий-тионлхлоридной батареи 8 (ПЗВСБ), выполнения процедур тестирования ВСБ, фиксации и накопления в памяти 6 измеренных (полученных в процессе тестирования ЛТХБ 8) текущих значений внутреннего сопротивления литий-тионлхлоридной батареи 8 (ТЗВСБ), обработки накопленных в памяти 6 значений ТЗВСБ и определения степени деградации (потери работоспособности) ЛТХБ 8 по величине ее внутреннего сопротивления на основе сравнения ТЗВСБ с ПЗВСБ, выполнения процедур активации ЛТХБ 8 путем воздействия на нее импульсами разрядного тока (ИРТ) с программируемыми параметрами по величине тока и временем его действия и отображения на индикаторе 2 состояния ЛТХБ 8, соответствующего работоспособности или потери ее работоспособности, если после выполнения процедуры активации выходное напряжение ЛТХБ 8 находится, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами. Кроме того, узел КЗБГС 9 функционирует под управлением МК 1 и совместно с ним обеспечивает возможность поддержки выходного напряжения БГС 10 в пределах допустимых значений путем периодической/циклической (по мере необходимости) ее подзарядки с использованием энергоресурса/мощности ЛТХБ 8, управления параметрами ИРТ, воздействующими на ЛТХБ 8, адаптивно к степени/скорости разряда БГС 10 под действием нагрузки 7 путем применения к ЛТХБ 8 режимов разряда, предусматривающих воздействие на нее импульсов разрядного тока 1р, нормированных по величине и времени действия Тр, в результате действия которых обеспечивается своевременная подзарядка БГС 10, использования циклов подзарядки БГС 10 для выполнения процедур тестирования и активации ЛТХБ 8 путем выполнения подзарядки БГС 10 с применением режимов тестирования, депассиваций и стабилизации, обеспечивающих, соответственно, измерение ТЗВСБ, активацию ЛТХБ 8 и воздействие на ЛТХБ 8 током, препятствующим ее пассивации, и осуществления контроля ТЗВСБ в начале каждого цикла подзарядки БГС 10 с последующей установкой режима депассиваций или стабилизации ЛТХБ 8 в случаях, соответственно, когда ТЗВСБ>ПЗВСБ или ТЗВСБ<ПЗВСБ.
Устройство (фиг.2) функционирует следующим образом. В данном устройстве узлы БКПБ 4, память 6 и индикатор 2 работают также, как и в устройстве-прототипе. В исходном состоянии узлом БКПБ 4 под управлением МК 1 осуществляется контроль электрических параметров ЛТХБ 8, узлом КЗБГС 9 под управлением МК 1 осуществляется проверка состояния узла БГС 10 на предмет степени его заряженности, что реализуется проверкой/измерением уровня его выходного напряжения. Если состояние ЛТХБ 8 и БГС 10 соответствует рабочему, когда напряжение на их выходах находится в допустимых границах, то на индикатор 2 выводится сообщение о работоспособности устройства. Если в процессе работы узлов МК 1 и КЗБГС 9 выявлено, что выходное напряжение узла БГС 10 снизилось ниже допустимого значения, то запускается процедура его подзарядки с использование энергии, накопленной в ЛТХБ 8. Подзарядка БГС 10 может осуществляться в несколько этапов, которые могут отличаться по значению используемых токов и длительности их действия. Например, на одном из этапов на ЛТХБ 8 действует режим разряда, позволяющий выполнить измерение величины ТЗВСБ, для чего задействуется узел БТВСБ 5. На этом этапе БГС 10 получает короткий, но достаточно мощный токовый импульс подзарядки, в течении которого кроме собственно зарядки/подзарядки выполняется измерение ТЗВСБ. Значение разрядных токов Ip и длительности их действия Тр на ЛТХБ 8 выбирается аналогично устройству-прототипу. По результатам измерения принимается решение об уровне работоспособности ЛТХБ 8 и на индикатор 2 выводится соответствующее сообщение, аналогично, как в устройстве- прототипе. Далее начинается следующий этап, в течении которого подзарядка БГС 10 осуществляется с задействованием узла РЦ 3, посредством которого к ЛТХБ 8 могут применяться различные по интенсивности режимы разряда. Так, если установлено, что величина ТЗВСБ находится в допустимых пределах (не превышает ПЗВСБ), то к ЛТХБ 8 применяется режим разряда, предусматривающий воздействие на нее импульса разрядного тока Ip и времени его действия Тр, при котором обеспечивается, с одной стороны, требуемая скорость подзарядки узла БГС 10 с учетом расхода его энергии в нагрузку 7 и, с другой стороны, создаются условия, при которых пассивация ЛТХБ 8 (процесс образования ИПХЛ на электроде ЛТХБ 8) - прекращается. Если же установлено, что величина ТЗВСБ превышает ПЗВСБ, то к ЛТХБ 8 применяется режим разряда, при котором также обеспечивается, как подзарядка узла БГС 10 адаптивно к скорости/интенсивности его разряда, определяемого мощностью, потребляемой нагрузкой 7, так и выполнение процедуры активации ЛТХБ 8 с применением к ней соответствующих токовых воздействий, например, аналогичных как в устройстве-прототипе. Для поддержания выходного напряжения БГС 10 в допустимых пределах значение зарядного тока в данном устройстве изменяется в зависимости от мощности, потребляемой нагрузкой 7. То есть, при увеличении мощности нагрузки 7 (увеличения тока, потребляемого нагрузкой 7) скорость разряда БГС 10 будет увеличиваться, что достигается учащением/ускорением (повышением частоты) циклов подзарядки БГС 10 и/или повышением уровня зарядного тока и/или времени его действия. В результате этого на ЛТХБ 8 будут воздействовать разрядные токи Ir, значение которых может находиться в пределах Imах-Imin для обеспечения, соответственно, максимальной - минимальной скорости заряда БГС 10. При совмещении процедур подзарядки БГС 10 и измерения ВСБ в едином цикле токового воздействия на ЛТХБ 9, значение Ir согласовывается со значениями Itest, Iаktiv, Istab, где Itest - ток разряда ЛТХБ 8, при котором обеспечивается тестирование/измерение ВСБ (измерение ТЗВСБ), Iaktiv - ток, при котором обеспечивается активация ЛТХБ 8, Istab - ток, при котором обеспечиваются условия поддержания ЛТХБ 8 в работоспособном состоянии - когда ИПХЛ на электроде ЛТХБ 8 не образуется. Таким образом, в процессе снабжения нагрузки электроэнергией от БГС 10, кроме обеспечения условий своевременной подзарядки БГС 10, в данном устройстве также обеспечиваются условия тестирования ВСБ (измерения ТЗВСБ), условия активации ЛТХБ 8 и условия стабилизации параметров ЛТХБ 8 для поддержания ее работоспособном состоянии. Таким образом, в данном устройстве посредством узлов МК 1 КЗБГС 9 обеспечивается возможность согласования следующих режимов: а) режима подзарядки БГС 10 (режим ПБГС), предусматривающего использование ИРТ со значением тока Iбгс и временем его действия Тбгс, обеспечивающего поддержание выходного напряжения БГС 10 в заданных/допустимых пределах/границах в соответствии с мощностью, потребляемой нагрузкой 7 (в соответствии с токами нагрузки 7, вызывающих разрядку БГС 10), б) режима измерения внутреннего сопротивления ЛТХБ 8 (режим ИВСБ), предусматривающего использование ИРТ со значением тока Iвсб и временем его действия Твсб, обеспечивающего измерение ТЗВСБ в каждом цикле подзарядки БГС 10, в) режима активации ЛТХБ 8 (режим АЛТХБ), предусматривающего использование ИРТ со значением тока Ia и временем его действия Та, обеспечивающего депассивацию/активацию ЛТХБ 8, г) режима стабилизации параметров ЛТХБ 8 (СПЛТХБ), предусматривающего использование ИРТ со значением тока Iсп и временем его действия Теп, препятствующего пассивации ЛТХБ 8 (когда ИПХЛ на электроде ЛТХБ 8 не образуется). Согласование указанных режимов в данном устройство обеспечивается на основе динамического управления параметрами ИРТ в процессе его воздействия на ЛТХБ 8 в каждом цикле подзарядки БГС 10 адаптивно к степени/скорости разряда БГС 10 под действием нагрузки 7 и корректировки параметров ИРТ по данным, полученным в ходе измерения ТЗВСБ, включая поддержку режима АЛТХБ с установкой параметров ИРТ со значениями Iбгс≥Ia и Тбгс≥Ia в случаях, когда ТЗВСБ≥ПЗВСБ или поддержку режима СПЛТХБ с установкой параметров ИРТ со значениями Iбгс≥Iсп и Тбгс≥Iсп в случаях, когда ТЗВСБ<ПЗВСБ. Результаты активации ЛТХБ 8, оценка уровня ее работоспособности (уровень выходного напряжения, текущее значение ВСБ, степень деградации ВСБ) и степень заряда БГС 10 отображаются на узле индикатора 2, что позволяет пользователям устройства (физическим лицам) контролировать состояние ЛТХБ 8 и прогнозировать сроки ее замены.
В предлагаемом техническом решении обеспечивается возможность проведения процедур тестирования ВСБ и активации ЛТХБ 8 в процессе подзарядки узла БГС 10, что позволяет исключить дополнительные потери энергоресурса ЛТХБ 8, связанные с ее тестированием и поддержанием в работоспособном состоянии. Часть энергии ЛТХБ 8, которая в устройстве-прототипе расходуется на тестирование ВСБ и активацию ЛТХБ 8, является энергией потерь. В предлагаемом техническом решении тестирование ВСБ и активация ЛТХБ 8 осуществляется в цикле подзарядки БГС 10, что позволяет исключить энергетические потери, связанные с тестированием и обслуживанием ЛТХБ 8, и в полной мере использовать энергоресурс ЛТХБ 8 для обеспечения электропитания нагрузки 7. Это позволяет существенно снизить потери энергоресурса литий-тионилхлоридной батареи, расходуемого на проведение процедур ее активации и тестирования электрических параметров и успешно решить поставленную задачу, связанную с повышением надежности и длительности автономной работы ТУС, электропитание которых осуществляется от ЛТХБ.
В предлагаемом устройстве устранения задержек выходного напряжения пассивированной литий-тионилхлоридной батареи при воздействии на нее токовых нагрузок обеспечивается следующее сочетание отличительных признаков и свойств.
В состав устройства дополнительно введены электрический накопитель энергии (ЭНЭ), выполненный в виде батареи графеновых суперконденсаторов (БГС) и контроллер заряда батареи графеновых суперконденсаторов (КЗБГС), который своими с первого по четвертый портами соединен, соответственно, с третьим портом МК, с третьим портом БТВСБ, с первым портом РЦ и с первым портом БГС, которая вторым портом может подключаться к нагрузке.
Узел КЗБГС функционирует под управлением МК и совместно с ним обеспечивает возможность поддержки выходного напряжения БГС в пределах допустимых значений путем периодической ее подзарядки с использованием энергоресурса/мощности ЛТХБ, управления режимом подзарядки БГС, предусматривающего программирование параметров ИРТ со значением тока и временем его действия, обеспечивающих поддержание выходного напряжения БГС в заданных/допустимых пределах в соответствии с мощностью, потребляемой нагрузкой, динамического управления параметрами ИРТ в процессе его воздействия на ЛТХБ в каждом цикле подзарядки БГС адаптивно к изменению скорости разряда БГС под действием нагрузки, осуществления в каждом цикле подзарядки БГС контроля внутреннего сопротивления ЛТХБ и автоматической корректировки параметров ИРТ по данным, полученным в ходе измерения ТЗВСБ, включая установку таких параметров ИРТ, при которых обеспечивается активация ЛТХБ или стабилизация ее параметров в случаях, соответственно, когда ТЗВСБ>ПЗВСБ или когда ТЗВСБ<ПЗВСБ.
Введение и использование указанных признаков и свойств позволяет существенно повысить работоспособность ЛТХБ 8, с точки зрения использования ее энергоресурса для электропитания нагрузки 7, поскольку обслуживание ЛТХБ 8, включая ее тестирование и активацию, может быть выполнено без потерь энергоресурса ЛТХБ 8.
Техническим результатом (ТР), достигаемым в данном техническом решении, является повышение надежности ЛТХБ, с точки бесперебойного электропитания нагрузки в течении большего периода времени, что обеспечивается за счет компенсации влияния эффекта пассивации ЛТХБ (возникновения задержек выходного напряжения ЛТХБ при воздействии на нее нагрузочных токов) и снижения потерь емкости ЛТХБ на поддержку ее в работоспособном состоянии. Это, в свою очередь достигается за счет передачи электрической энергии от ЛТХБ в нагрузку через промежуточный электрический накопитель энергии (ЭНЭ), обладающий «идеальными свойствами», с точки зрения отсутствия практических ограничений по обеспечению нагрузки необходимой мощностью в любой момент времени, что позволяет полностью защитить нагрузку от воздействия на нее эффекта пассивации выходного напряжения ЛТХБ (задержки выходного напряжения). Кроме того, за счет совмещения циклов зарядки/ подзарядки ЭНЭ, питающего нагрузку, с процедурами тестирования и активации ЛТХБ, практически полностью исключаются потери ее энергоресурса, связанные с обслуживанием ЛТХБ, что позволяет направить всю ее емкость на электропитание нагрузки. То есть, достигается снижение потерь емкости ЛТХБ на поддержку ее в работоспособном состоянии, поскольку тестирование и активация ЛТХБ осуществляется без дополнительных энергетических затрат. Таким образом, использование данного устройства позволяет успешно решить поставленную задачу по повышению надежности и длительности автономной работы ТУС, электропитание которых осуществляется от ЛТХБ
Сочетание отличительных признаков и свойств, предлагаемого устройства устранения задержек выходного напряжения пассивированной литий-тионилхлоридной батареи при воздействии на нее токовых нагрузок из техники не известно, поэтому оно соответствует критерию новизны. При этом, для достижения максимального эффекта по снижению потерь энергоресурса литий-тионилхлоридной батареи, расходуемого на поддержание ее в работоспособном состоянии (на проведение процедур тестирования электрических параметров и ее активации), необходимо использовать всю совокупность отличительных признаков и свойств, указанных выше.
Обобщенный алгоритм функционирования предлагаемого устройства устранения задержек выходного напряжения пассивированной литий-тионилхлоридной батареи при воздействии на нее токовых нагрузок может быть представлен в следующем виде.
- Начало.
- Шаг-1. Инициализация узла МК 1, формирование в памяти 6 контрольных данных и граничных параметров БГС 10, переход к шагу 2.
- Шаг-2. Проверка с использованием БКПБ 4: напряжение на выходе ЛТХБ 8 - в норме? - Если - да, то переход к шагу 3, если - нет, то переход к шагу 4.
- Шаг-3. Проверка: напряжение БГС 10 - в норме? Если - да, то переход к шагу 2, если нет, то переход к шагу 4.
- Шаг-4. Подзарядка БГС 10 с использованием узла БТВСБ 5 с одновременным измерением ВСБ, переход к шагу 5.
- Шаг-5. Проверка: ВСБ - в пределах нормы? - Если - нет, то переход к шагу 6, если да, то переход к шагу 7.
- Шаг-6. Подзарядка БГС 10 с использованием узла РЦ 3 в режиме активации ЛТХБ 8, переход к шагу 7.
- Шаг-7. Проверка: напряжение ЛТХБ 8 - в пределах нормы? - Если - нет, то переход к шагу 10, если да, то переход к шагу 8.
- Шаг-8. Проверка: подзарядка БГС 10 завершена? - Если нет, то переход к шагу 9, если да, то переход к шагу 2
- Шаг-9. Подзарядка БГС 10 с использованием узла РЦ 3 с установкой тока, при котором восполняется отбор мощности в нагрузку 7 и процесс пассивации ЛТХБ 8 не развивается, переход к шагу 3.
- Шаг-10. Завершение работы с выводом на индикатор 2 сообщения о потере работоспособности ЛТХБ 8.
- Конец.
Узлы МК 1, индикатора 2, РЦ 3, БКПБ 4, БТВСБ 5, памяти 6 и ЛТХБ 8 могут быть аналогичными соответствующим признакам устройства-прототипа и не требуют значительной доработки при реализации предлагаемого технического решения.
Узел КЗБГС 9 может быть реализован по аналогии с зарядным устройством для суперконденсаторов, известным из [Л15]
Узел БГС 10 может быть реализован на основе использования изделий типа графеновых суперконденсаторов, известных из [Л12-Л14],
Для реализации узлов предлагаемого устройства с необходимыми признаками, свойствами и обеспечения функционирования узла МК 1 по требуемым алгоритмам, также могут быть использованы решения и программные процедуры, известные из авторских программ для ЭВМ [Л16-Л19] и авторских технических решений [Л20-Л31].
На основе приведенных данных можно заключить, что предлагаемая полезная модель устройства устранения задержек выходного напряжения пассивированной литий-тионилхлоридной батареи при воздействии на нее токовых нагрузок, за счет использования указанных выше отличительных признаков и свойств и реализации достигаемого технического результата, позволяет решить поставленную задачу, связанную с повышением надежности и длительности автономной работы ТУС, электропитание которых осуществляется от ЛТХБ.
Приведенные средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, позволяют обеспечить ее промышленную применимость.
Основные узлы предлагаемой полезной модели устройства устранения задержек выходного напряжения пассивированной литий-тионилхлоридной батареи при воздействии на нее токовых нагрузок экспериментально испытаны и могут быть использованы при создании серийных образцов. Производимые устройства, соответствующие предлагаемому техническому решению, могут быть использованы для обслуживания литиевых, преимущественно, литий-тионилхлоридных батарей, используемых, для обеспечения работы ТУС, функционирующих в автономном режиме с электропитанием от ХИТ типа ЛТХБ.
Таким образом, разработанное авторами техническое решение обеспечивает эффективное решение поставленной задачи, связанной с повышением надежности и длительности автономной работы ТУС, получающих электропитание от ЛТХБ. Предлагаемое техническое решение будет востребовано широким кругом пользователей различных устройств и систем, функционирующих с использованием автономных ХИТ типа ЛТХБ. Использование устройства устранения задержек выходного напряжения пассивированной литий-тионилхлоридной батареи при воздействии на нее токовых нагрузок обеспечивает возможность сохранения высокого уровня работоспособности ЛТХБ, что повышает надежность и длительность автономного функционирования как потребительской РЭА, так и техники специального назначения.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Литиевые первичные тионил-хлоридные батареи, http://www.proelectro.ru
2. Продукция компании SCHOTT Electronic Packaging Home и области применения, http://www.schott.com/epackaging/russian/auto/others/battery.html
3. Пассивация в гальванических элементах, http://www.rusilicon.net/elements/passivaciya-v-galvanicheskix-elementax.html
4. Статья Л. Вихарева «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. Устройство тестирования и активации литий-тионилхлоридной батареи, Патент №127520, дата регистрации 27.04.2013 г
8. Батареи и аккумуляторы компании ЕЕМВ, http://www.terraelectronica.ru/images/notes/EK2010_08_4.pdf
9. Литий-тионилхлоридные источники питания, http://www.filur.net/img/stati/statia_litiy_tionil.pdf
10. Графеновые суперконденсаторы, http://pikabu.ru/story/proryiv_v_tekhnike_sozdanyi_superkondensatoryi_iz_grafena_1451409
11. Высокоэффективные суперконденсаторы на основе графена, http://alternativenergy.ru/superkondensatory-na-osnove-grafena.html
1.2. Графеновый суперконденсатор, http://www.facepla.net/index.php/the-news/electronics-news-mnu/892-graphene-based-supercapacitor
13. Микросуперконденсатор, http://www.dailytechinfo.org/nanotech/-sverxmoshhnoe-sredstvo-akkumulirovaniya-mikrosuperkondensator.html
14. Крошечный источник питания для сверхминиатюрной электроники будущего, http://www.nanonewsnet.rWnews/2013/uchenye-sozdali-kroshechnyi-istochnik-pitaniya-dlya-sverkhminiatyurnoi-elektroniki-budushc
15. Зарядное устройство для суперконденсаторов в системе резервного питания, Д. Барбехенн, Современная Электроника, №3/ 2012 г,http://www.soel.ru
16. Программа для ЭВМ «Драйвер светоиндикаторного устройства», Свидетельство о государственной регистрации №2011610487 от 13.11.2010 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
17. Программа для ЭВМ «Программа автоматизированной обработки данных», Свидетельство о государственной регистрации №2009613019 от 10.06.2009 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
18. Программа для ЭВМ «Менеджер сенсора», Свидетельство о государственной регистрации №2009610444 от 20.11.2008 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
19. Программа для ЭВМ «Программа приема и обработки аналоговых сигналов», Свидетельство о государственной регистрации №2011610486 от 11.01.2011 г., правообладатель - ФГУП « 18 ЦНИИ» МО РФ
20. Патент на изобретение №2289856 «Устройство индикации» от 20.12.2006 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
21. Патент на полезную модель №98641 «Устройство заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и контроля их работоспособности» от 20.10.2010 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
22. Патент на полезную модель №114226 «Устройство обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности» от 10.03.2012 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
23. Патент на полезную модель №114227 «Устройство заряда аккумулятора и защиты его от перегрузок» от 10.03.2012 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ
24. Патент на полезную модель №114228 «Устройство заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых перегрузок» от 10.03.2012 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ.
25. Патент на полезную модель №124443 «Устройство дифференцированного управления автономным электропитанием портативной радиоэлектронной аппаратуры» от 20.01.2013 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ.
26. Патент на полезную модель №124983 «Устройство защиты аккумуляторной батареи от пиковых токовых нагрузок» от 20.02.2013 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ.
27. Патент на полезную модель №126513 «Устройство депассивации литий-тионилхлоридной батареи» от 27.03.2013 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ.
28. Патент на полезную модель №126514 «Устройство активации и контроля работоспособности литиевой батареи» от 27.03.2013 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ.
29. Патент на полезную модель №127521 «Устройство контроля электрических параметров и управления режимом заряда литиевой аккумуляторной батареи» от 27.04.2013 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ.
30. Патент на полезную модель №133370 «Система индуктивной зарядки аккумуляторной батареи портативного прибора» от 10.10.2013 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ.
31. Патент на полезную модель №133370 «Устройство беспроводной зарядки аккумуляторной батареи электронного прибора комбинированным автономным источником электроэнергии» от 27.01.2014 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ.