СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ЕМКОСТИ АККУМУЛЯТОРА
ACCUMULATOR RESIDUAL CAPACITANCE DETERMINATION METHOD

Изобретение относится к химическим источникам тока (далее - ХИТ), а более конкретно к способам определения остаточной емкости (т.е. степени разряженности) электрических аккумуляторов.
В процессе эксплуатации аппаратуры, энергоснабжение которой обеспечивается электрическим аккумулятором, желательно, а во многих случаях необходимо, знать остаточную емкость аккумулятора (т.е. его степень разряженности) для того, чтобы прогнозировать возможность дальнейшей работы аппаратуры, питаемой от аккумулятора, или принять решение о зарядке этого аккумулятора (Химические источники тока: Справочник / под ред. Н.В. Коровина и А.М. Скундина - М.: Издательство МЭИ, 2003, с.24).
Наиболее распространенным и наиболее простым способом количественной оценки остаточной емкости аккумулятора является измерение напряжения на его клеммах в условиях разомкнутой цепи или измерение напряжения на клеммах при протекании неизменного тока нагрузки (патент РФ №530375, кл. Н01М 10/48, оп. 30.09.1976 г.). Этот способ основан на том, что для аккумуляторов многих электрохимических систем напряжение разомкнутой цепи снижается по мере разряда, и существует однозначная зависимость между этими величинами (фиг.1). В частности, подобное явление присуще и наиболее распространенному в настоящее время типу литий-ионных аккумуляторов, у которых положительный электрод изготовлен из литированного оксида кобальта или подобных оксидных соединений.
Недостатком известного способа является то, что он не может быть применен для определения остаточной емкости получающих все большее распространение литий-ионных аккумуляторов, у которых положительный электрод изготовлен из литированного фосфата железа (феррофосфата лития). Характерная особенность феррофосфата лития состоит в том, что потенциал такого электрода практически не изменяется до самого конца разряда, а в конце разряда происходит резкое смещение потенциала в отрицательную сторону. В результате, разрядная кривая аккумулятора с таким положительным электродом почти на всем протяжении является горизонтальной прямой (фиг.2). Резкое изменение (снижение) напряжения наступает после снятия 90-95% емкости, что исключает мониторинг степени разряженности по измерению напряжения разомкнутой цепи.
Широкое распространение получили также способы определения остаточной емкости литиевых аккумуляторов по изменению их внутреннего сопротивления.
Известен способ определения остаточной емкости первичного элемента с анодом из металлического лития, в соответствии с которым измерение внутреннего сопротивления проводится в два этапа: вначале на элемент подается предварительный сильный импульс разрядного тока, который разрушает пассивную пленку на литиевом аноде, а сразу после этого проводится измерение электрохимического импеданса в широком диапазоне частот. Анализ частотной зависимости импеданса и ее сравнение с калибровочной кривой позволяют оценить остаточную емкость элемента (см. патент РФ №2295139, кл. G01R 31/36, оп. 27.10.2006 г.).
Известный способ отличается сложностью осуществления, громоздкостью применяемой измерительной аппаратуры и не может быть применен для определения остаточной емкости литий-ионных аккумуляторов.
Аналогичный способ измерения остаточной емкости никель-металлгидридных аккумуляторов описан в патенте США №6653817, кл. 320/132, оп. 25.11.2003. Здесь предлагается проводить измерения импеданса на переменном токе в достаточно широком диапазоне частот; остаточную емкость аккумулятора оценивают из анализа частотной зависимости импеданса.
Недостатком известного способа является сложность и громоздкость измерительной аппаратуры.
Известен способ определения остаточной емкости никель-металлгидридных аккумуляторов, в котором измеряют значения напряжения и тока разряда, по этим значениям определяют внутреннее сопротивление аккумулятора (патент США №6987377, кл. 320/132, от 17.01.2006). Затем с помощью специального устройства (встроенный калькулятор) рассчитывают производную от внутреннего сопротивления по зарядной емкости. Авторы упомянутого изобретения установили, что при почти полном заряде (около 90%) эта производная меняет знак, т.е. зависимость внутреннего сопротивления от зарядной емкости имеет максимум. Таким образом, в данном случае не измеряется остаточная емкость в произвольном состоянии аккумулятора, а только определяется приближение к окончанию заряда.
В то же время авторы настоящего изобретения обнаружили, что при разряде достаточно большими токами даже аккумуляторов с положительным электродом на основе феррофосфата лития все-таки происходит заметное снижение напряжения на клеммах аккумулятора по мере разряда (подчеркнем, что здесь имеется в виду не напряжение разомкнутой цепи, а напряжение под током нагрузки). Такое снижение напряжения на клеммах аккумулятора под токовой нагрузкой (по мере его разряда) обусловлено ростом внутреннего сопротивления аккумулятора. Увеличение внутреннего сопротивления аккумулятора по мере его разряда определяется разными процессами, физика которых выходит за рамки описания настоящего способа. Важно только, что внутреннее сопротивление аккумулятора является гораздо более чувствительной величиной по отношению к остаточной емкости, чем напряжение разомкнутой цепи.
Известен способ определения остаточной емкости ХИТ путем контроля напряжения при импульсном разряде при подключении к ХИТ контрольного сопротивления (АС СССР №550708, кл. Н01М 10/48, 1977).
Недостатком указанного способа является сложность достоверного определения емкости ХИТ, что связано с формой кривой провала напряжения на ХИТ при импульсном разряде, которая имеет максимум в области 30% разряженности и две ниспадающие ветви. В связи с этим данный способ не может быть использован для определения остаточной емкости литий-ионных аккумуляторов с положительным электродом из литированного фосфата железа (феррофосфата лития), поскольку зависимость сопротивления такого аккумулятора (и соответствующего провала напряжения при импульсной нагрузке) от степени разряженности не имеет экстремумов.
Наиболее близким к настоящему изобретению является способ определения остаточной емкости литиевого химического источника тока (ХИТ), при котором контролируют провал напряжения при импульсном разряде, при том, что импульсный разряд тестируемого ХИТ осуществляют током (20÷80)С мА в течение 10-200 мс, а значение остаточной емкости ХИТ определяют по величине провала напряжения при импульсном разряде из предварительно полученной для данного типа ХИТ зависимости провала напряжения при импульсном разряде от остаточной емкости ХИТ (патент РФ №2326475 кл. Н01М 10/48, оп. 10.06.2008 г.).
Недостатком известного способа является то, что он, преимущественно, относится к определению остаточной емкости первичного источника тока системы «литий-фторированный углерод» с характерной разрядной кривой, приведенной в описании упомянутого изобретения. Известный способ предусматривает использование довольно большого тока в импульсе - от 20C до 80C, где C - коэффициент, численно равный номинальной емкости источника тока. Такие значения разрядного тока не могут быть реализованы в аккумуляторах с положительным электродом на основе феррофосфата лития, поскольку такие электроды вообще не выдерживают разрядной нагрузки более 3C (в исключительных случаях, более 5C).
Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, состоит в обеспечении возможности определения остаточной емкости литий-ионного аккумулятора с положительным электродом на основе феррофосфата лития при одновременном повышении достоверности такого определения.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения остаточной емкости аккумулятора путем его импульсного нагружения током, измерения величины падения напряжения на его клеммах и определения остаточной емкости по заранее снятой зависимости величины падения напряжения от его остаточной емкости нагружение производят в течение 0,01-0,1 секунд током, не менее чем в 5 раз превышающим максимально допустимый ток непрерывного разряда для данного типоразмера аккумулятора, но меньшим, чем допустимый для данного аккумулятора импульсный ток нагрузки.
Для повышения достоверности способа дополнительно контролируют ток рабочей нагрузки аккумулятора и его импульсное нагружение током осуществляют при минимальном значении тока рабочей нагрузки аккумулятора или в периоды его работы на холостом ходу.
При осуществлении способа в условиях постоянной высокой рабочей нагрузки по току или при отсутствии за весь цикл его разряда периодов работы на холостом ходу, на время импульсного нагружения аккумулятора током и измерения падения напряжения на клеммах аккумулятора, его отключают от рабочей нагрузки, что повышает достоверность способа. При этом, чтобы снизить влияние операций способа на работу нагрузки, на время отключения аккумулятора от нагрузки ее питают от дополнительного аккумулятора и/или от накопительного конденсатора.
Ниже приводится пример осуществления заявленного способа определения остаточной емкости литий-ионного аккумулятора с положительным электродом на основе феррофосфата лития.
Заявленный способ определения остаточной емкости литий-ионного аккумулятора с положительным электродом на основе феррофосфата лития в лабораторных условиях был реализован с помощью универсального зарядно-разрядного устройства УЗР, описанного в книге: Таганова А.А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б. Герметичные химические источники тока: элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации: Справочник. - СПб.: Химиздат, 2005. с.236-249. УЗР позволяет задавать на испытуемый аккумулятор зарядный или разрядный ток по определенной, заданной оператором программе. Измерения проводили на аккумуляторе емкостью 20 мАч с максимально допустимым током непрерывного разряда 35 мА и с допустимым для данного аккумулятора импульсным током нагрузки 300 мА. Программа испытаний была составлена так, что аккумулятор постоянно разряжали током рабочей нагрузки со значением 10 мА, а через каждые 12 мин нагружали импульсным током 200 мА с длительностью импульса 0,05 с. Устройство УЗР непрерывно регистрировало напряжение аккумулятора U1 при разряде током 10 мА, а также и напряжение U2 при импульсном нагружении аккумулятора током 200 мА. Вычисляли падение напряжения на аккумуляторе ΔU во время импульса токовой нагрузки, т.е. вычисляли разность напряжений ΔU=U1-U2. Одновременно с помощью устройства УЗР при каждом нагружении аккумулятора импульсным током фиксировали значение его остаточной емкости (в % от полной емкости Qmax заряженного аккумулятора). Полученная таким образом зависимость падения напряжения на аккумуляторе ΔU во время импульса токовой нагрузки от остаточной емкости Q (в % от полной емкости Qmax заряженного аккумулятора) аккумулятора приведена на фиг.3.
В дальнейшем, в процессе эксплуатационного разряда аккумулятора на рабочую нагрузку, при необходимости определения его остаточной емкости (степени разряженности), с помощью устройства УЗР (или аналогичного устройства) импульсно нагружали аккумулятор в течение 0,01-0,1 секунд током, не менее чем в 5 раз превышающим максимально допустимый ток непрерывного разряда для данного типоразмера аккумулятора, но меньшим, чем допустимый для данного аккумулятора импульсный ток нагрузки. Производили измерения падения напряжения ΔU на клеммах аккумулятора при его импульсном нагружении током (например, с помощью быстродействующего измерителя напряжения). Используя полученную зависимость (фиг.3) падения напряжения на аккумуляторе ΔU во время импульса токовой нагрузки от остаточной емкости аккумулятора, для каждого из измеренных ΔU определяли искомое значение Q остаточной емкости аккумулятора.
При осуществлении заявленного способа в условиях, приближенных к естественным условиям эксплуатации, контролировали ток рабочей нагрузки аккумулятора и его импульсное нагружение током осуществляли при минимальном значении тока рабочей нагрузки аккумулятора или в периоды его работы на холостом ходу.
При работе аккумулятора в реальных условиях он может быть подключен к нагрузке с быстро изменяющимися значениями тока нагрузки. Аккумулятор может быть подсоединен (при работе в батарее) параллельно другому аккумулятору или даже нескольким аккумуляторам, как это делается, например, в мощных источниках бесперебойного питания электронной аппаратуры. Указанные аккумуляторы могут рассматриваться как нагрузка для испытуемого аккумулятора. Кроме того, со стороны цепей нагрузки к аккумулятору может быть подключено устройство его автоматической подзарядки или электрогенератор, подзаряжающий аккумулятор в режиме рекуперативного торможения, как это имеет место в электромобилях или в гибридных автомобилях. Во всех описанных случаях подключенные к аккумулятору по его цепи нагрузки различные устройства будут изменять как значение импульсного тока при импульсном нагружении аккумулятора, так и будут влиять на величину падения напряжения на его клеммах ΔU. В перечисленных случаях результаты определения остаточной емкости литий-ионного аккумулятора с положительным электродом на основе феррофосфата лития окажутся недостоверными или, что еще хуже, литий-ионный аккумулятор с положительным электродом на основе феррофосфата лития будет поврежден в результате токовой перегрузки.
Поэтому при определении остаточной емкости литий-ионного аккумулятора с положительным электродом на основе феррофосфата лития в условиях реальной работы производили отключение аккумулятора от рабочей нагрузки на время импульсного нагружения аккумулятора током и измерения падения напряжения на клеммах аккумулятора. Эту операцию осуществляли с помощью одиночного ключа, как это описано, например, в патенте США №6828758, кл. 320/116, оп. 07.12.2004 г., или с помощью спаренных ключей, как это описано, например, в патенте РФ №2375791, кл. Н01М 10/48, оп. 10.12.2009 г. При этом под рабочей нагрузкой аккумулятора подразумевали любые электрические цепи, находящиеся вне его электрических клемм.
В условиях работы аккумулятора на реальную рабочую нагрузку, например на электронное устройство или электромотор, даже кратковременное отключение этой нагрузки от аккумулятора (на время его импульсного нагружения током) может привести к нарушению работы нагрузки. Чтобы исключить это явление, на время отключения аккумулятора от нагрузки ее питали от дополнительного аккумулятора и/или от накопительного конденсатора.
На фиг.1 показана зависимость напряжения разомкнутой цепи от остаточной емкости для литий-ионных аккумуляторов, у которых положительный электрод изготовлен из литированного оксида кобальта или подобных оксидных соединений, на фиг.2 показана зависимость напряжения разомкнутой цепи от остаточной емкости литий-ионных аккумуляторов, у которых положительный электрод изготовлен из литированного фосфата железа (феррофосфата лития), на фиг.3 показана зависимость падения напряжения на аккумуляторе ΔU во время импульса токовой нагрузки от остаточной емкости Q (в % от полной емкости Qmax заряженного аккумулятора) для аккумулятора предлагаемой конструкции.