СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОХРОМНЫХ УСТРОЙСТВ БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ
METHOD AND APPARATUS FOR SWITCHING LARGE-AREA ELECTROCHROMIC DEVICES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и системе переключения электрохромного устройства большой площади. Более точно, изобретение относится к способу переключения электрохромных устройств, обеспечивающему приложение безопасных электрических потенциалов и одновременную оптимизацию скорости переключения и однородности светопропускания.
Предпосылки создания изобретения
Оптические свойства электрохромных материалов претерпевают изменение, когда под воздействием электрического поля в них внедряются ионы и электроны. Поскольку электрохромное устройство может быть создано из таких материалов, при приложении электрического потенциала между двумя электродами меняется проницаемость упомянутого устройства в видимой части спектра. Электрохромные устройства имеют множество применений, включая регулируемое остекление (у которого пропускание тепла и света регулируется согласно определенной схеме), автомобильные зеркала (которые регулируются, чтобы предотвратить ослепление водителя бликами и т.д.) и материалы для дисплеев (в которых электрохромные устройства применяются в форме элементов отображения, образующих переключаемые изображения).
2
Для применения электрохромных материалов в остеклении окон необходимо, чтобы электроды имели большую площадь (>1 м) и действовали при температуре в пределах от -20°С до +80°С. Эти ограничения предусматривают особые требования к материалам, применимым в конструкции электрохромного устройства, и влияют на характеристики переключения. Для успешного промышленного внедрения электрохромных устройств для остекления окон необходим длительный срок службы в режиме переключения (>10 лет), достаточная однородность светопропускания и приемлемое время переключения (<15 минут); при этом все эти характеристики зависят от используемого алгоритма переключения. Приложение избыточных электрических потенциалов вызывает побочные реакции, приводящие к постепенному ухудшению свойств устройства и сокращению срока полезной службы. Приложение слишком низких потенциалов приводит к чрезмерно частым переключениям. Следовательно, переключение электрохромных устройств должно осуществляться таким образом, чтобы удовлетворять перечисленным выше требованиям.
Срок полезной службы электрохромных устройств зависит в основном от величины приложенных электрических потенциалов и величины заряда, вводимого в электрохромные слои; при этом пределы этих параметров можно легко определить путем электрохимических опытов. Если определен обратимый предел инжекции заряда для электрохромных слоев, и слои не заряжают избыточным зарядом во время переключения устройства (т.е. обратимый предел не превышен), в таком случае наибольшее влияние на срок службы устройства будет оказывать приложенный потенциал.
Диапазон потенциалов, которые могут прилагаться между электродными слоями без ухудшения свойств устройства, часто называют диапазоном устойчивости окислительно-восстановительного потенциала; приложение потенциалов вне этого диапазона приводит к ухудшению свойств устройства и тем самым сокращению срока службы. Диапазон устойчивости окислительно-восстановительного потенциала можно определить, например, путем опытов с использованием циклической вольтамперометрии при различных температурах. Затем можно осуществить оптимизацию срока полезной службы путем простого ограничения электрического потенциала между электродными слоями диапазоном устойчивости окислительно-восстановительного потенциала для данной конкретной системы. Сложность применения этого подхода состоит в том, что потенциал обычно прилагается между двумя электрическими контактами, которые находятся на противоположных сторонах электрохромного устройства (как показано на фиг.1).
Типичные структуры электрохромных устройств, известные из уровня техники, имеют подложки (обычно стекло), электродные слои (электропроводящие), электрохромные слои и электролит (полимерный или неорганический). К электродным слоям подведены электрические контакты.
AB
f
f
f
Когда между контактами прилагают потенциал (контактный потенциал, U), между электродными слоями генерируется рассредоточенное электрическое поле. Электродные слои имеют относительно высокое удельное сопротивление по сравнению с металлическими проводниками (приблизительно 10-20 Ом на единицу площади), в результате чего образуется значительное падение потенциала на протяжении каждого из электродных слоев. Следовательно, образующаяся разность потенциалов (U(x)) между электродными слоями в заданной точке х, является функцией смещения точки х от электродных контактов. Если электрохромный элемент (ячейка) имеет только два контакта, невозможно напрямую измерить потенциал U(x) между электродными слоями. Чтобы гарантировать, что потенциал между электродными слоями находится в диапазоне устойчивости окислительно-восстановительного потенциала, необходимо рассчитать U(x) или напрямую измерить его (и в этом случае необходимо по меньшей мере три контакта).
f
f,max
f,max
Описанное выше распределение потенциала таково, что U(x) имеет наибольшую величину вблизи контактов элемента и наименьшую величину на полпути между контактами элемента. В результате, переключение (окрашивание и обесцвечивание) происходит быстрее по краям элемента (вблизи контактов), чем посередине устройства (между контактами), т.е. имеет место так называемый "краевой эффект". Поскольку потенциал между электродными слоями является наибольшим в районе контактов по краям элемента, не требуется имитировать распределение потенциала по всему элементу, а достаточно установить соотношение между потенциалом, приложенным к контактам элемента, и максимальным потенциалом (U), генерированным между электродными слоями. Затем приложенный потенциал можно соответствующим образом ограничить и тем самым гарантировать, что максимальный потенциал U, генерированный между электродными слоями, остается в пределах безопасного окислительно-восстановительного потенциала.
Переключение с помощью сильных токов обеспечивает более быстрое срабатывание и, следовательно, меньшее время переключения, но приводит к увеличению неоднородности светопропускания. Распределение электрического потенциала между электродными слоями элемента по своей природе зависит от сопротивления электродных слоев и тока через элемент. Сильные токи приводят к большему внутреннему падению потенциала между электродными слоями, в результате чего уменьшается однородность распределения потенциала. Следовательно, чтобы электрохромные устройства переключались с более однородным светопропусканием, полезно ограничить ток через элемент, хотя при этом время переключения становится неприемлемо большим, если ток слишком слаб. Следовательно, быстрое переключение и переключение с однородным светопропусканием являются взаимно конкурирующими задачами, и между ними должно быть найдено равновесие, чтобы оптимизировать характеристики переключения. Таким образом, по существу необходимо иметь возможность регулировать ток через элемент, чтобы переключать элементы с приемлемой скоростью и однородным светопропусканием.
max
ges
ges
eff
max
eff
В WO 9837453 описан способ переключения электрохромных устройств, согласно которому сформулирована преамбула формулы изобретения. Этот способ предусматривает переключение электрохромного устройства путем приложения потенциала, изменяющегося от ноля вольт вплоть до предварительно заданного зависящего от температуры предельного потенциала "U". На протяжении изменения потенциала непрерывно измеряют ток, и на основании потенциала и результатов измерения тока вычисляют полное сопротивление "R" элемента. На основании приложенного потенциала, тока через элемент и полного сопротивления ("R") вычисляют эффективный потенциал "U" на электрохромных слоях. Потенциал прилагают таким образом, что "U" и "U" ограничены предварительно заданными зависящими от температуры предельными потенциалами, пока не будет достигнуто желаемое оптическое/зарядовое состояние.
Этот способ имеет следующие недостатки.
ges
ges
1. Приложение электрического потенциала согласно этому способу осуществляют, исходя из полного сопротивления элемента ("R"), которое описывается как сумма всех омических сопротивлений между контактами элемента. В основу способа положена теория, согласно которой это сопротивление можно использовать, чтобы гарантировать невыход за безопасные пределы электрохимического потенциала во время переключения. Полное сопротивление элемента складывается из последовательных сопротивлений кабелей, электродных слоев, электрохромных слоев и электролита. Тем не менее, как доказано опытным путем, эта теория не действует на практике, и использование сопротивления "R" для управления переключением электрохромных устройств приводит к приложению электрических потенциалов, значительно превышающих безопасные пределы электрохимического потенциала.
eff
eff
eff
2. Способ предусматривает вычисление эффективного потенциала "U" на электрохромных слоях, который не соответствует дискретной физической величине. Предполагается, что ограничение приложенного электрического потенциала, исходя из "U", должно предотвратить постепенное ухудшение свойств. В действительности, ограничение приложенного электрического потенциала, исходя из "U" - приводит к тому, что электрические потенциалы между электродными слоями значительно превышают безопасные пределы устойчивости окислительно-восстановительного потенциала.
3. Способ не позволяет оптимизировать однородность светопропускания или скорость переключения, поскольку отсутствует регулирование тока.
4. Способ лишь позволяет осуществлять переключение между полностью окрашенным и обесцвеченным состояниями.
2
В ЕР 0475847 В1 описан способ переключения электрохромного устройства путем приложения сначала слабого импульса напряжения, на протяжении которого измеряют ток, который используют для расчета температуры и, следовательно, выбора соответствующего конечного переключающего потенциала. Переключение осуществляют при постоянном потенциале, пока плотность тока не достигнет определенного заданного порогового значения, плотность заряда не достигнет 10 мГц/см или пока не будет достигнут желаемый уровень светопропускания. Этот способ также предусматривает возможности переключения электрохромных устройств с тремя электродами, при этом к двум электродным контактам (контактам 1 и 2) прилагают разность потенциалов таким образом, чтобы разность потенциалов между контактами 2 и 3 оставалась постоянной.
Этот способ не позволяет оптимизировать однородность светопропускания или скорость переключения, поскольку отсутствует регулирование тока. Использование электрохромных устройств с тремя контактами позволяет точно и безопасно регулировать потенциал между электрохромными слоями при условии, что не превышены безопасные пределы окислительно-восстановительного потенциала. Тем не менее, такие устройства невыгодны из-за того, что технология их изготовления неоправданно усложнена, поскольку перед нанесением покрытия подложки необходимо разрезать по размеру и маскировать (чтобы обеспечить третий контакт), в результате чего увеличивается время изготовления и расходы.
В ЕР 0718667 А1 описана система переключения электрохромных устройств с двумя контактами с использованием блока управления с пользовательским интерфейсом, генератора мощности, датчика температуры и т.д. В этом патенте подробно описаны способы переключения с использованием постоянного потенциала или постоянного тока, при этом для каждого способа предусмотрены конкретные условия и критерии безопасности. Способ с использованием постоянного потенциала предусматривает приложение предварительно заданного зависящего от температуры потенциала к элементу, пока не будет достигнута требуемая плотность заряда или не произойдет падение тока ниже определенного предельного значения. Способ с использованием постоянного тока предусматривает приложение тока, пока не будет достигнута требуемая плотность заряда или не произойдет падение тока ниже определенного предельного значения. Непрерывно вычисляют вторую разность потенциалов относительно времени, и уменьшают (наполовину) заданное значение тока, если оно превышает определенное предельное значение.
Недостатком этого способа является то, что в нем ограничивают ток через элемент или напряжение, но не то и другое. Работа в режиме постоянного тока, описанная в этом способе, может использоваться для оптимизации скорости переключения и однородности светопропускания, но она не гарантирует того, что потенциалы между электродными слоями остаются в безопасных пределах окислительно-восстановительного потенциала. Потенциал, генерируемый между электродными слоями, можно контролировать с использованием трехэлектродной системы, но при этом повышается сложность, и увеличиваются расходы. Уменьшение приложенного тока на 50% с учетом второй разности потенциалов относительно времени, является новым решением, однако, оно не гарантирует невыход за пределы окислительно-восстановительного потенциала. Способ на основе постоянного потенциала не позволяет регулировать ток через элемент и, следовательно, не позволяет одновременно оптимизировать скорость переключения и однородность светопропускания.
В US 7277215 В2 описана система переключения электрохромных устройств с тремя электродными контактами. Два из электродов используют для переключения элемента, а два других используют для обнаружения нагрева и(или) повреждения. Для окрашивания и обесцвечивания устройства, измерения температуры, нагрева устройства и обнаружения механического повреждения панели в микроконтроллере используются разнообразные методы на основе переменного тока/постоянного тока. Для вычисления тока утечки и соответствующей корректировки параметров переключения в контроллере используется внутренняя схема, которая согласована с внешними условиями. Эта система исключительно сложна, при этом внутренние схемы контроллера должны быть хорошо согласованы с конкретными свойствами электрохромного устройства. Описанная система обеспечивает новое решение задач, связанных с током утечки в электрохромных устройствах с неорганическими ионными проводниками, однако, оно является чрезмерно сложным для систем с неорганическими ионными проводниками.
Несмотря на эти усовершенствования, сохраняется потребность в способе переключения электрохромных устройств, в котором:
1) гарантируется, что потенциал между электродными слоями всегда остается в безопасных пределах окислительно-восстановительного потенциала даже для устройств с двумя электродными контактами;
2) обеспечивается оптимизация скорости переключения и однородность светопропускания посредством ограничения приложенного тока через элемент.
Краткое изложение сущности изобретения
Настоящее изобретение направлено на решение описанных выше задач известного уровня техники. В основу настоящего изобретения положена задача создания способа переключения электрохромного устройства, в котором гарантируется, что потенциал между пленочными электродами всегда остается в безопасных пределах окислительно-восстановительного потенциала, и одновременно обеспечивается оптимизация однородности светопропускания и скорости переключения путем ограничения тока через элемент (ячейку).
C
Чтобы безопасными образом переключать электрохромное устройство, очень важно, чтобы приложенный потенциал между электродами не выходил за безопасные пределы окислительно-восстановительного потенциала. Эти пределы могут быть предварительно заданы по результатам электрохимических исследований, например, циклической вольтамперометрии. К сожалению, в обычных условиях невозможно напрямую измерить разность потенциалов между электродными слоями, поскольку оба электродных контакта расположены на противоположных сторонах элемента. Поэтому, можно напрямую измерить только приложенный контактный потенциал U и рассчитать разность потенциалов между электродными слоями. Потенциал между электродными слоями значительно меняется на протяжении площади элемента в зависимости от расстояния от обоих электродных контактов, однако, разность потенциалов между электродными слоями всегда является наибольшей по краям элемента вблизи электродных контактов. Следовательно, чтобы переключать устройство безопасным образом и тем самым обеспечивать максимальный срок службы, не требуется знать полное распределение потенциала элемента при заданном наборе условий, а достаточно знать максимальную разность потенциалов между электродными слоями и гарантировать, что она находится в безопасных пределах электрохимического потенциала.
Было обнаружено, что зависимость между приложенным контактным потенциалом и максимальной разностью потенциалов, генерированной между электродными слоями, можно описать простым уравнением с использованием тока через элемент и постоянного сопротивления. Это сопротивление зависит только от ширины и высоты элемента и от свойств материала электродного слоя. Это сопротивление почти не зависит от температуры и, следовательно, на него не влияет удельная проводимость электролита. Это выгодно, поскольку, чтобы гарантировать генерацию безопасных потенциалов между электродными слоями, не требуется знать удельную проводимость электролита.
f,max
Разность потенциалов, приложенная к контактам элемента, распределяется среди электродных слоев вследствие резистивного характера электродных слоев (смотри раздел "Предпосылки создания изобретения"). Вместе с тем, можно доказать, что максимальная разность потенциалов U, генерируемая между электродными слоями (т.е. по краям элемента вблизи электродных контактов), может быть вычислена согласно следующей формуле:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>f</mi><mo>,</mo><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mi>C</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>i</mi><mi>C</mi></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mi>E</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
C
C
Eff
Eff
в которой U означает потенциал, приложенный к контактам элемента, iозначает ток через элемент, a R означает эффективное сопротивление элемента. Эффективное сопротивление R может быть вычислено на основании размеров элемента согласно следующей формуле:
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>E</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>w</mi><mi>h</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mi>k</mi><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
C
f,max
в которой w и h означают ширину и высоту элемента в сантиметрах, при этом высота соответствует длине краев элемента, на которых расположены контакты, k означает константу, которая характерна для материала, используемого для электродного слоя электрохромных устройств (независимо от размеров устройства). Эффективное сопротивление является константой, которая устанавливает взаимосвязь между потенциалом U, приложенным к контактам элемента, и максимальным потенциалом U, генерированным между электродными слоями. Эффективное сопротивление является функцией размеров элемента, и его требуется вычислять только один раз, предпочтительно до начала процесса переключения. Для вычисления единственного значения эффективного сопротивления только необходимо, чтобы были известны ширина и высота устройства, а также материальная константа k, в результате чего получают конкретную зависимость между потенциалом, приложенным к контактам элемента, и максимальным потенциалом между электродными слоями.
C
ЕС
Максимальный потенциал между электродными слоями невозможно регулировать напрямую, поскольку можно регулировать только потенциал, приложенный к контактам элемента. Вместе с тем, можно косвенно ограничить потенциал между электродными слоями путем соответствующего ограничения контактного потенциала (U) элемента. Если для заданного процесса переключения (окрашивания или обесцвечивания) предварительно установлен безопасный предел U окислительно-восстановительного потенциала, приложенный контактный потенциал можно соответствующим образом ограничить путем следующего вычисления:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>C</mi><mo>,</mo><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>E</mi><mi>C</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mi>C</mi></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mi>E</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mtext>       </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
C
C,max
f,max
EC
Если потенциал U, приложенный к контактам элемента, поддерживается ниже верхнего предела U, косвенным путем гарантируется, что максимальный потенциал U между электродными слоями не превышает соответствующий безопасный предел U окислительно-восстановительного потенциала.
C
C
step
В изобретении предусмотрено, что потенциал U элемента и ток "i", протекающий через устройство, измеряется непрерывно. К контактам устройства прилагают ступенчато изменяющийся электрический потенциал, начинающийся с фиксированного потенциала и увеличивающийся на предварительно заданные величины U (10-100 мВ), пока не будут выполнены конкретные условия. Ступенчато изменяющийся потенциал прилагают таким образом, чтобы гарантировать соблюдение двух критериев:
ec,max
EC
1) максимальный потенциал U между электродными слоями не должен превышать зависящий от температуры безопасный электрохимический предел U;
max
2) ток через элемент не должен превышать предварительно заданный (зависящий от температуры) предел i.
Использование постоянного электрического потенциала в этом способе позволяет переключать электрохромные устройства при потенциалах, которые всегда поддерживаются в безопасных пределах окислительно-восстановительного потенциала. Использование ограничения тока позволяет оптимизировать скорость переключения и однородность светопропускания. Этот процесс можно разделить на несколько стадий, которые могут быть лучше поняты со ссылкой на соответствующие чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан вид в поперечном разрезе электрохромного устройства согласно изобретению,
на фиг.2 - блок-схема контроллера, иллюстрирующая измерительные и управляющие параметры, необходимые для переключения электрохромного устройства согласно изобретению,
на фиг.3 - блок-схема алгоритма переключения, заданного в изобретении,
на фиг.4 - диаграмма, иллюстрирующая характеристики переключения (потенциал, ток и плотность заряда) во время окрашивания и обесцвечивания электрохромного устройства согласно изобретению,
на фиг.5 - такая же диаграмма, как на фиг.4, но в измененном масштабе, иллюстрирующая только первые 80 секунд окрашивания.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан вид в поперечном разрезе типичного электрохромного устройства. Стеклянная подложка 1 покрыта первым электродным слоем 2, на который нанесен первый слой 3, в который могут быть обратимо введены ионы. Первый слой 3, в который могут быть обратимо введены ионы, является электрохромным по своей природе. Первый слой, в который могут быть обратимо введены ионы, отделен от второго слоя 5, в который могут быть обратимо введены ионы, ионопроводящим слоем 4. Ионопроводящим слоем 4 может служить органический полимер, однако, он не ограничен такими материалами. Второй слой 5, в который могут быть обратимо введены ионы, является противоэлектродом для первого слоя 3, в который могут быть обратимо введены ионы, и может являться или не являться электрохромным по своей природе. Многослойную структуру устройства завершает вторая стеклянная подложка 7, которая покрыта вторым электродным слоем 6. Электродные слои 2, 6 имеют электрические контакты (А и В), между которыми может быть приложен электрический потенциал.
На фиг.2 показана упрощенная блок-схема аппаратуры, необходимой для переключения электрохромного устройства согласно изобретению. Соответствующий источник напряжения (U) генерирует потенциал, который может быть приложен к контактам А и В электрохромного элемента (ячейки) путем переключения соответствующих реле. Источник напряжения также может содержать средство измерения приложенного потенциала, при этом результаты измерений поступают на анализ в контроллер. Предусмотрено, что для непрерывного измерения тока через элемент используется соответствующий амперметр, при этом результаты измерений циклически поступают в контроллер. Для измерения температуры электрохромного устройства используют датчик температуры, который может входить в конструкцию электрохромного устройства. На основании значений температуры, пределов электрохимического потенциала (безопасных пределов окислительно-восстановительного потенциала) и тока через элемент контроллер вычисляет величину электрического потенциала, который должен быть приложен к контактам элемента. Контроллер управляет всем процессом переключения с использованием конкретного алгоритма, подробно описанного далее. Таким образом, контроллер способен выполнять вычисления согласно описанному далее алгоритму переключения, предпочтительно с использованием микропроцессор для управления средствами программного обеспечения. Программное обеспечение контроллера также позволяет вычислять плотность заряда путем интегрирования измеренного тока относительно времени. Такой контроллер был ранее описан в WO 0067070.
Переключение электрохромного устройства (изменение светопропускания устройства) осуществляют путем регулирования приложенного к контактам А и В электрического потенциала согласно конкретному алгоритму, подробно показанному на фиг.3. Электрический потенциал, приложенный к контактам, электрохромного устройства во время переключения, ограничивают таким образом, что бы выполнить два условия.
f,max
ЕС
I. Максимальный потенциал (U), генерированный между электродными слоями, не должен превышать зависящий от температуры безопасный предел (U) окислительно-восстановительного потенциала.
II. Приложенный электрический потенциал должен ступенчато увеличиваться, только когда измеренный ток через элемент меньше предварительно заданного зависящего от температуры предела.
Далее со ссылкой на фиг.3 описан предложенный в изобретении алгоритм переключения. До того, как может быть начат процесс переключения, в памяти контроллера должны быть сохранены различные параметры электрохромного устройства. В число необходимых параметров входят:
высота и ширина электрохромного устройства;
константа сопротивления электродных слоев;
EC
безопасные пределы (U) электрохимического потенциала для процессов окрашивания и обесцвечивания;
верхний предел тока (вычисленный с учетом времени переключения/однородности светопропускания);
step
размер шага потенциала (U);
min
минимальный ток (i).
set
1. После изменения заданного значения светопропускания начинают процесс переключения (окрашивание или обесцвечивание). Это действие может совершено пользователем путем взаимодействия с системой (например, путем нажатия на кнопку контроллера) или системой дистанционного управления (например, посредством программируемой команды, поступающей от управляющего компьютера). Путем прямого вычисления или интерполяции из справочной таблицы предпочтительно определяют плотность заряда (Q), соответствующую желаемому заданному значению светопропускания. Сравнивают желаемую плотность заряда с фактической плотностью заряда и стадией, обозначенной как окрашивание или обесцвечивание, соответственно.
Измеряют потенциал разомкнутой цепи электрохромного устройства, и затем прилагают этот потенциал к контактам элемента.
C,max
2. Измеряют потенциал элемента и ток, и вычисляют плотность заряда на основании данных зависимости тока и времени (или измеряют напрямую с помощью интегрирующих электронных средств). На основании приведенного выше Уравнения 3 вычисляют максимальный безопасный потенциал Uэлемента.
set
3. Условие ограничения заряда: переключение может продолжаться только до тех пор, пока не достигнута желаемая плотность заряда. Контроллер сравнивает текущую плотность заряда с желаемой плотностью заряда (Q), и инициирует прекращение процесса переключения, когда достигнута желаемая плотность заряда.
max
max
max
0
0
max
4. Условие ограничения тока 1: приложенный потенциал может быть увеличен, только если ток через элемент меньше максимального тока (i) через элемент, определенного согласно уравнению i=(j×Area)+F(Т-Т), в котором j означает плотность тока, Area означает полезную площадь элемента, Т означает температуру электрохромного элемента, а Т означает исходную температуру, при этом коэффициент F позволяет изменять ток в зависимости от температуры и тем самым изменять скорость переключения относительно температуры. Контроллер сравнивает измеренный ток с верхним пределом тока; приложенный потенциал может быть увеличен, только если ток через элемент не достигает верхнего предела. Если ток через элемент превышает верхний предел тока, процесс возвращается к описанному выше шагу 2. При постоянном потенциале ток через элемент быстро уменьшается, за счет чего ток через элемент может превысить предел i только на короткое время и на небольшую величину (обычно на несколько миллиампер).
C
C,max
C,max
step
5. Условие ограничения потенциала 1: алгоритм гарантирует, что потенциал между пленочными электродами не превышает безопасный электрохимический предел, путем ограничения потенциала U, приложенного к контактам элемента, верхним безопасным пределом U, определенным с помощью Уравнения 3 на описанном выше шаге 2. Если верхний безопасный предельный потенциал U еще не достигнут, приложенный к элементу потенциал увеличивают на предварительно заданный шаг U потенциала, и осуществляют шаг 2;
C,f
C,i
step
т.е. U=U+U,
C,f
C,i
C,max
при этом U и U означают конечный и начальный потенциалы, соответственно. Если верхний безопасный предельный потенциал Uдостигнут, процесс переходит к следующему шагу (условие ограничения тока 2, шаг 6).
min
max
6. Условие ограничения тока 2: процесс переключения может продолжаться, пока не будет достигнут предварительно заданный минимальный ток (i) через элемент. Ток через элемент пропорционален скорости переключения, следовательно, согласно этому условию процесс переключения прекращается, как только скорость процесса падает ниже определенного приемлемого предела. Это предел может быть задан в качестве абсолютной величины тока в миллиамперах или, что удобнее, в процентах максимального тока i через элемент.
C
C,max
step
7. Условие ограничения потенциала 2: это условие действует, только когда уже достигнут максимальный потенциал; в таком случае переключение осуществляется при постоянном потенциале U, а ток уменьшается. В результате уменьшения тока уменьшается верхний безопасный предельный потенциал U согласно Уравнению 3. По мере уменьшения тока приложенный к элементу потенциал в конечном итоге может затем превысить верхний безопасный предел; в этом случае приложенный потенциал снижают на заданный шаг U потенциала и осуществляют шаг 2;
C,f
C,i
step
т.е. U=U+U
C,f
C,i
C,max
при этом U и U означают конечный и начальный потенциалы, соответственно. Если верхний безопасный предельный потенциал U не был достигнут, процесс возвращается к шагу 2.
C,max
Процесс переключения прекращается, когда достигнута желаемая плотность тока или достигнут нижний предел тока. Эта процедура в целом идентична как для окрашивания, так и обесцвечивания, однако, в зависимости от направления переключения (окрашивание или обесцвечивание) должны применяться соответствующие безопасные предельные потенциалы. Чтобы гарантировать полное обесцвечивание, в течение более длительного времени после того, как достигнут минимальный ток, может быть приложен максимальный безопасный контактный потенциал U; это выгодно, когда ток через элемент является слабым, как в случае электрохромных устройств малой площади, в особенности, работающих при низкой температуре, в частности, когда разрешающая способность устройства для измерения тока лежит вблизи нижнего предела тока. В таких случаях полезно увеличить время обесцвечивания согласно следующему уравнению:
Bl
lim
Δt=(T-T)×F,
Bl
lim
min
в котором Δt означает дополнительное время обесцвечивания, которое соответствует продлению времени обесцвечивания после того, как достигнута минимальная плотность тока. Т означает температуру устройства, а T означает предельную (максимальную) температуру, при которой должен быть продлен процесс обесцвечивания. F означает соответствующий коэффициент, который указывает, на какое время должен быть продлен процесс обесцвечивания в пересчете на каждый градус Цельсия ниже минимальной температуры. Например, рассмотрим электрохромное устройство обесцвечивание при температуре 5°С, при этом минимальная температура T и температурный коэффициент F равны 10°С 30 сек/°С, соответственно. Из-за медленного переноса ионов при низкой температуре ток, протекающий во время обесцвечивания устройства, будет относительно слабым, следовательно, вычисленный нижний предел тока может упасть ниже разрешающей способности устройства для измерения тока. В этом случае процесс обесцвечивания может происходить, пока не будет достигнут нижний предел тока, а продление времени обесцвечивание вычисляют согласно следующему уравнению:
Bl
min
Δt=(T-T)×F=(10-5)×30=150s.
C,max
Затем в течение 150 секунд после того, как достигнут минимальный ток, дополнительно прилагают максимальный безопасный контактный потенциал U, и тем самым гарантируют полное обесцвечивание устройства независимо от температуры или разрешающей способности устройства для измерения тока. В конце процесса обесцвечивания переустанавливают на ноль датчик заряда, который затем корректирует любые погрешности измерения заряда на протяжении продленного процесса обесцвечивания, причиной которых может являться разрешающая способность устройства для измерения тока.
Примеры
2
Далее изобретение будет пояснено на примере переключения электрохромного устройства площадью 40×80 см из полностью обесцвеченного в окрашенное состояние. До начала переключения в памяти контроллера сохраняют соответствующие параметры. В число этих параметров входят.
1. Высота электрохромного устройства (длина краев, на которых расположены контакты) = 40 см.
2. Ширина электрохромного устройства (длина краев, на которых не расположены контакты) = 80 см.
3. Константа сопротивления электродных слоев (k)=10 Ом.
max
2
<mrow><msub><mi>j</mi><mrow><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>T</mi><mi>i</mi><mi>m</mi><mi>e</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mn>0</mn></mrow><mrow><mn>6</mn><mn>0</mn><mn>0</mn><mi>s</mi></mrow></mfrac><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>C</mi></mrow><mrow><mi>c</mi><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>3</mn><mn>3</mn><mo>,</mo><mn>3</mn><mfrac><mrow><mi>μ</mi><mi>A</mi></mrow><mrow><mi>c</mi><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
4. Максимальная плотность тока (j)=33,3 µA/см, которую вычисляют согласно уравнению
max
в котором (Q) означает максимальную плотность заряда, соответствующую полностью окрашенному состоянию, a (Time) означает желаемое время переключения.
max
5. Максимальный ток (i), который вычисляют согласно уравнению
<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mo>×</mo><mi>A</mi><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>a</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>T</mi><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mi>F</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>3</mn><mn>3</mn><mo>,</mo><mn>3</mn><mfrac><mrow><mi>μ</mi><mi>A</mi></mrow><mrow><mi>c</mi><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>3</mn><mn>2</mn><mn>0</mn><mn>0</mn><mi>c</mi><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>T</mi><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mi>F</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mn>0</mn><mn>7</mn><mi>m</mi><mi>A</mi></mrow>
,
причем в этом примере для простоты допускается, что F=0.
EC,col
6. Безопасный предельный потенциал окрашивания (U)=+3,00 В при 0°С.
7. Эффективное сопротивление электрохромного устройства, вычисленное согласно Уравнению 2:
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>E</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>w</mi><mi>h</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mi>k</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>4</mn><mn>0</mn></mrow><mrow><mn>8</mn><mn>0</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mn>1</mn><mn>0</mn><mo>=</mo><mn>2</mn><mn>0</mn><mi>Ω</mi></mrow>
step
8. Шаг потенциала (U)=20 мВ.
9. Безопасный предельный потенциал обесцвечивания = -2,90 В при 0°С.
10. Нижний предел тока = 10% максимального тока.
2
Для ясности в этом примере будут использованы следующие правила. Окрашивание осуществляют путем увеличения потенциала элемента в положительную сторону, что приводит к протеканию соответствующего положительного тока и соответствующему увеличению плотности заряда. Уменьшение потенциала (в отрицательную сторону) приводит к обесцвечиванию и протеканию отрицательного тока, в результате чего уменьшается плотность заряда. Полностью обесцвеченное и окрашенное состояния соответствуют плотностям заряда 0 и 20 мГц/см, соответственно. На фиг.4 показаны характеристики переключения согласно изобретению для этого примера.
2
2
2
При поступлении команды на переключение (от пользователя или в виде дистанционной команды) контроллер вычисляет плотность заряда, соответствующую желаемому состоянию светопропускания. Если пользователь выбирает полностью окрашенное состояние, желаемая плотность заряда в этом примере составляет 20 мГц/см. Затем контроллер сравнивает мгновенную плотность заряда (0 мГц/см, полностью обесцвеченное состояние) с желаемой плотностью заряда (20 мГц/см, полностью окрашенное состояние) и определяет стадию переключения как окрашивание.
C
Затем измеряют потенциал разомкнутой цепи (оср) электрохромного устройства (потенциал при нулевом токе), после чего контроллер дает команду источнику напряжения подать на контакты элемента потенциал (U), равный измеренному оср элемента. В случае рассматриваемого примера оср составлял -0,382 В.
Затем контроллер считывает показания датчика температуры электрохромного устройства (45°С в этом примере) и вычисляет безопасный электрохимический предел окрашивания согласно уравнению:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>E</mi><mi>C</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>A</mi><mo>+</mo><mi>B</mi><mi>T</mi><mo>=</mo><mn>3</mn><mo>,</mo><mn>0</mn><mi>V</mi><mo>−</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>0</mn><mn>1</mn><mfrac><mi>V</mi><mrow><msup><mrow /><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>4</mn><msup><mn>5</mn><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mn>5</mn><mi>V</mi></mrow>
в котором Т означает температуру электрохромного элемента, а А и В означают константы, соответствующие конструкции электрохромного устройства.
C,max
Начальный ток составляет 0 мА (после приложения оср к контактам элемента), и затем контроллер вычисляет U согласно уравнению:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>C</mi><mo>,</mo><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>E</mi><mi>C</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mi>C</mi></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mi>E</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mn>5</mn><mi>V</mi><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0</mn><mi>A</mi><mo>×</mo><mn>1</mn><mn>0</mn><mi>Ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mn>5</mn><mi>V</mi></mrow>
Поскольку начальный контактный потенциал меньше вычисленного максимального контактного потенциала, а ток слабее вычисленного максимального тока, контактный потенциал увеличивают с использованием уравнения:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>C</mi><mo>,</mo><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>C</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>s</mi><mi>t</mi><mi>e</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>3</mn><mn>8</mn><mn>2</mn><mi>V</mi><mo>+</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>0</mn><mn>2</mn><mi>V</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>3</mn><mn>6</mn><mn>2</mn><mi>V</mi></mrow>
max
C,max
Затем ступенчато увеличивают приложенный контактный потенциал (повторно осуществляя шаги 2-4, показанные на фиг.2), пока не будет достигнут максимальный ток, пока не будет приложен максимальный предельный потенциал или пока не будет достигнута желаемая плотность заряда. Если достигнута желаемая плотность заряда, контроллер прекращает процесс переключения и отсоединяет электрохромное устройство от источника напряжения. Если достигнут максимальный ток, потенциал остается постоянным, пока ток не упадет ниже верхнего предела i. В таком случае ступенчато увеличивают приложенный потенциал, пока не будет достигнут верхний предельный потенциал U.
В примерах, проиллюстрированных на фиг.3 и 4, приложенный к элементу потенциал ступенчато увеличивают на 20 мВ, пока примерно через 15 секунд не будет достигнут предельный ток через элемент, составляющий 107 мА. Приложенный контактам элемента потенциал в этот момент составляет 2,58 В, однако, максимальный потенциал, генерированный между электродами, составляет лишь 0,44 В. Его вычисляют согласно уравнению:
f,max
C
C
Eff
U=U-iR
C,max
Затем ток через элемент поддерживают приблизительно постоянным, лишь увеличивая контактный потенциал элемента, когда ток падает ниже 107 мА. На протяжении этого времени контроллер непрерывно вычисляет максимальный контактный потенциал U элемента согласно уравнению:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>C</mi><mo>,</mo><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>E</mi><mi>C</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mi>C</mi></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mi>E</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mn>5</mn><mi>V</mi><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>1</mn><mn>0</mn><mn>7</mn><mi>A</mi><mo>×</mo><mn>2</mn><mn>0</mn><mi>Ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>4</mn><mo>,</mo><mn>6</mn><mn>9</mn><mi>V</mi></mrow>
C
Затем контактный потенциал U элемента ступенчато увеличивают на 20 мВ согласно уравнению:
C,f
C,i
step
U=U+U,
C,max
пока не пройдет приблизительно 510 секунд и не будет достигнут верхний предельный потенциал U.
C,max
C,max
C
C,max
После того, как достигнут верхний предельный потенциал U, поддерживают постоянный приложенный к элементу потенциал, а ток уменьшается по мере замедления электрохромной реакции. Циклически (несколько раз в секунду) повторно вычисляют верхний предельный потенциал U, который снижается по мере ослабления тока через элемент. Затем в конце окрашивания или обесцвечивания контактный потенциал U элемента может достигнуть верхнего предельного потенциала U; в этом случае приложенный контактный потенциал необходимо ступенчато уменьшать согласно уравнению:
C,f
C,I
step
U=U-U
2
Контроллер прекращает процесс переключения, когда достигнута желаемая плотность заряда, в этом случае 20 мГц/см.
f,max
2
В примере проиллюстрированном на фиг.4, ток через элемент падает при постоянном потенциале, начиная примерно через 510 секунд, а приложенный к элементу контактный потенциал соответствующим образом уменьшается, в результате чего максимальный потенциал U между электродными слоями эффективно поддерживается на его зависящем от температуры предельном уровне 2,55 В. Желаемая плотность заряда в 20 мГц/см достигается по истечении 632 секунд времени полного окрашивания, когда электрохромное устройство электрически отсоединяется от источника напряжения. После паузы в 20 секунд электрохромное устройство обесцвечивают следующим способом, сходным с описанным выше процессом окрашивания.
1. Контроллер определяет, что температура электрохромного устройства составляет 45°С.
2. Контроллер вычисляет электрохимический предел обесцвечивания согласно уравнению:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>E</mi><mi>C</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>A</mi><mo>+</mo><mi>B</mi><mi>T</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>9</mn><mi>V</mi><mo>+</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>0</mn><mn>1</mn><mfrac><mi>V</mi><mrow><msup><mrow /><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>4</mn><msup><mn>5</mn><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>4</mn><mn>5</mn><mi>V</mi></mrow>
3. Определяют, что потенциал разомкнутой цепи составляет 0,950 В.
4. К контактам электрохромного устройства прилагают потенциал 0,950 В.
5. Ступенчато уменьшают контактный потенциал элемента на 20 мВ (т.е. в отрицательном направлении), пока не будет достигнут верхний предел тока в -107 мА.
C,max
6. Контроллер непрерывно вычисляет максимальный контактный потенциал U элемента согласно уравнению:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>C</mi><mo>,</mo><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>E</mi><mi>C</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mi>C</mi></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mi>E</mi><mi>f</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>4</mn><mn>5</mn><mi>V</mi><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>1</mn><mn>0</mn><mn>7</mn><mi>A</mi><mo>×</mo><mn>2</mn><mn>0</mn><mi>Ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>4</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mn>9</mn><mi>V</mi></mrow>
C,max
7. Затем контактный потенциал элемента уменьшают, только когда величина тока через элемент падает ниже 107 мА, пока не будет достигнут верхний предельный потенциал U (-4,59 В, отрицательная величина в случае обесцвечивания).
8. Затем ступенчато уменьшают величину приложенного контактного потенциала согласно уравнению:
C,f
C,I
step,
U=U-U
по мере ослабления тока обесцвечивания через элемент.
2
2
9. Контроллер прекращает процесс переключения по достижении нижнего предела тока в 10,7 мА (10% × 107 мА). Конечная плотность заряда составляет 0,1 мГц/см, после чего датчик заряда устанавливают на 0 мГц/см, и электрически отсоединяют электрохромное устройство от источника напряжения.