СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЛИТИЕВОГО ТИОНИЛ ХЛОРИДНОГО ПЕРВИЧНОГО ЭЛЕМЕНТА ПИТАНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G01R31/36 

Изобретение относится к области электрических измерений, а именно к измерению остаточного ресурса литиевых тионил хлоридных первичных элементов, и может использоваться при тестировании литиевых источников, используемых в системах длительного автономного функционирования.

Известно, что литиевые тионил хлоридные первичные элементы обладают уникальной совокупностью температурных, ресурсных и массогабаритных характеристик. Это обусловливает их широкое применение для питания электронных модулей самого различного назначения. Однако существенным неудобством для пользователей является отсутствие технологий оперативной диагностики состояния данных элементов. Основная проблема заключается в том, что на аноде литиевого тионил хлоридного элемента формируется пассивирующая многослойная пленка сложной структуры [1, 2]. Она имеет высокую ионную и очень низкую электронную проводимости. Разброс ее сопротивления значительно увеличивается со временем хранения. Именно существование такой пленки обеспечивает малый саморазряд элемента при высоких температурах. Однако ее сопротивление оказывается включенным последовательно с внутренним сопротивлением элемента и маскирует его [3].

Известны два метода разрушения пассивирующей пленки [2]. Первый метод - механический, достигаемый путем встряхивания элемента и ударением по нему. Однако указанная методика неприемлема для систем длительного функционирования, работающих в автономном автоматическом режиме.

Второй метод разрушения пленки - воздействие на нее постоянным достаточно большим током, также неприемлем, т.к. сопряжен с заметным расходом ресурса источника питания.

Наиболее близким к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа импульсно-релаксационный метод тестирования элементов питания [4], включающий импульсное подключение к элементу питания нагрузки и определение по переходным характеристикам его остаточного ресурса. Метод позволяет диагностировать различные электрохимические элементы питания. На его основе производятся многочисленные батарейные тестеры.

Однако известный способ не эффективен для анализа состояния литиевых тионил хлоридных первичных элементов, так как одним из значимых параметров для прогноза является текущее внутреннее сопротивление элемента, а оно искажается пассивирующей пленкой, т.е. фактически мы измеряем сопротивление пассивирующей пленки, а не уровень остаточного ресурса литиевого тионил хлоридного первичного элемента питания.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно устранение влияния на измерение остаточного ресурса литиевого источника питания сопротивления пассивирующей пленки при минимальном воздействии на остаточный ресурс непосредственно самого элемента питания.

Указанная задача в способе определения остаточного ресурса литиевого тионил хлоридного первичного элемента питания, включающем импульсное подключение нагрузки и определение по переходным характеристикам его остаточного ресурса, решена тем, что на элемент питания предварительно осуществляют одновременное воздействие электрическими импульсами и постоянным током.

Благодаря предварительному одновременному воздействию на элемент питания электрических импульсов и постоянного тока удается с минимальными затратами электрической энергии элемента питания разрушить пассивирующую пленку и определить его остаточный ресурс. Эффективность данного механизма объясняется тем, что короткие импульсы увеличенной амплитуды вызывают локальный импульсный нагрев пленки и появление механических напряжений, связанных с пространственной неоднородностью температурного поля. Если величина напряжений превышает порог прочности материала пленки, она начинает трескаться. Совместное влияние проникающего в трещины электролита и постоянного тока приводит к разрушению пленки.

Выгодно для ускорения разрушения пленки при одновременном уменьшении затрачиваемой электрической энергии осуществлять периодическими сериями однотипных импульсов амплитудами не менее 30%-100% от предельно допустимого импульсного тока элемента, или сериями импульсов с изменяемой скважностью внутри каждой серии и амплитудами не менее 30%-100% от предельно допустимого импульсного тока элемента, или апериодическими сериями импульсов с изменяемой скважностью внутри каждой серии и амплитудами не менее 30%-100% от предельно допустимого импульсного тока элемента.

Амплитуда напряжений зависит от скорости выделения тепла и его количества. Оба этих параметра определяются амплитудой импульса и его длительностью. Причем от амплитуды импульса тока зависимость существенно более сильная, чем от длительности. Во-первых, количество тепла, выделяемого в единицу времени пропорционально квадрату величины тока. Во-вторых, чем выше скорость выделения тепла при фиксированном его количестве, тем больше градиенты температуры и связанные с ними механические напряжения. Но у каждого производителя имеются собственные ограничения на величины максимального импульсного и постоянного токов, а их величина по-разному влияет на извлекаемый ресурс элемента. Это связано с различной конструкцией электродов и особенностями применяемых технологий производства. Поэтому для каждого типа литиевого тионил хлоридного элемента необходимо находить компромиссный набор параметров серии разрушающих импульсов и величины постоянного тока исходя из требований минимального деструктивного воздействия на элемент, времени измерения и количества расходуемого на измерительный процесс ресурса. Причем, если амплитуда механических напряжений не превышает порог прочности материала пленки, то рассмотренный механизм разрушения не работает. Наши экспериментальные данные указывают на наличие нижней границы амплитуды импульса тока, при которой еще происходит какое-то разрушение, в окрестности 30% от максимальной амплитуды, допустимой для данного элемента. Отсюда следует, что целесообразно для упрощения способа воздействовать на элемент питания одиночными периодическими импульсами амплитудами не менее 30%-100% от предельно допустимого импульсного тока элемента.

Перспективно для ускорения разрушения пленки осуществлять импульсное воздействие на фоне постоянного тока с амплитудой не менее 10%-100% от предельно допустимого постоянного тока элемента.

Поскольку по мере остывания пленки после воздействия разрушающего импульса трещины будут стараться закрыться, существует минимальная поверхностная плотность постоянного тока, которая за время остывания успеет разрушить края этих трещин настолько, что электролит сможет проникнуть через получившиеся зазоры к поверхности литиевого электрода и фиксировать ситуацию. То есть не дать трещинам зарасти к следующему разрушающему импульсу. Из-за особенностей конструкции и технологии изготовления у разных производителей существенно отличается предельная величина постоянного тока, протекающего через элемент. Поэтому для каждого типа элемента необходимо индивидуально подбирать величину стабилизирующего постоянного тока. Из наших экспериментальных данных следует, что эта величина лежит в интервале от 10% до 100% от максимально допустимого постоянного тока.

Таким образом, заявляемый способ благодаря предварительному разрушению пассивирующей пленки за счет одновременного воздействия импульсных нагрузок на фоне постоянного тока позволяет определять остаточный ресурс у тионил хлоридных литиевых первичных источников питания, что не имеет аналогов среди известных методов, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».

На фигуре 1 представлена блок-схема устройства для измерения остаточного ресурса литиевых тионил хлоридных первичных элементов, где: 1 - элемент питания; 2(R1) и 3(R2) - нагрузочные сопротивления; 4(R3) и 5(R4) - сопротивления делителя для измерения напряжения на элементе питания; 6(R5) - сопротивление токового шунта; 7(К1) и 8(К2) - электронные ключи, управляемые сигналами с микроконтроллера (на фигуре не показан).

На фигуре 2 представлены серии одиночных разрушающих и измерительных импульсов на фоне постоянного тока, где: 9 - серия одиночных разрушающих импульсов; 10 - серия одиночных измерительных импульсов; 11 - фон постоянного тока.

На фигуре 3 представлены серии периодических групп разрушающих и измерительных импульсов на фоне постоянного тока, где: 12 - разрушающие импульсы; 13 - измерительные импульсы.

На фигуре 4 представлены серии апериодических групп разрушающих и измерительных импульсов на фоне постоянного тока, где: 14 - разрушающие импульсы; 15 - измерительные импульсы.

Осуществление заявляемого способа рассмотрим на примере работы устройства, представленного на фиг.1. Работа устройства начинается с запуска разрушающей серии импульсов на фоне постоянного тока. Разрушающие импульсы формируются с помощью кратковременного подключения сопротивления 3(R2), постоянный ток - с помощью подключения сопротивления 2(R1). Функционирование алгоритма определения остаточного ресурса основано на измерении параметров измерительного импульса. С этой целью сигналы напряжения на шунте (выход 1, фиг.1) и делителя напряжения батареи (выход 2, фиг.1) подаются на АЦП микроконтроллера. Они описывают временные зависимости релаксационных процессов в окрестностях передних и задних фронтов напряжения и тока на тестируемом элементе 1 при импульсном подключении нагрузки 3(R2) при постоянно подключенной на все время измерения нагрузке 2(R1). По этим данным, с помощью предварительно измеренных на других элементах набора калибровочных зависимостей остаточного ресурса от измеряемых параметров, вычисляется остаточный ресурс тестируемого элемента 1. Возможные структуры серий импульсов, разрушающих пассивирующую пленку, и измерительных импульсов приведены на фиг.2, 3 и 4.

Длительности импульсов и задержки между ними внутри каждой группы могут быть различны, но структура всех групп должна быть одинакова.

Рассмотрим различные примеры реализации заявляемого способа. Измерения во всех приведенных ниже примерах осуществлялись с помощью устройства, блок-схема которого представлена на фиг.1. Для измерений использовались сборки из трех последовательно включенных первичных элементов LSH-20 производства фирмы SAFT (Франция). Остаточный ресурс этих сборок был заранее известен. Для определения остаточного ресурса по измеренным параметрам использовались калибровочные зависимости, снятые на других сборках методом контролируемого разряда.

Пример 1.

Была проведена серия одиночных разрушающих и измерительных импульсов (см. фиг.2). Структура периодической серии импульсов такова: длительность импульсов - 600 миллисекунд, задержки между импульсами - 6 секунд. Амплитуда импульсов - 1 А, величина фонового тока - 80 мА. Для измерений использовался каждый второй импульс. Измеряемые параметры приблизились к стационарным значениям на восьмом - десятом импульсе. Расчетная величина остаточного ресурса соответствовала известному остаточному ресурсу сборки из трех элементов (примерно 10% от начального ресурса) при температуре -40 градусов Цельсия с точностью не хуже 10% от начального ресурса. Расход ресурса сборки на измерение - 0.003 А*ч или примерно 0.05% начального ресурса сборки при данной температуре для тока разряда 80 мА.

Пример 2.

Была проведена серия периодических разрушающих импульсов со сложным элементом периода, состоящим из семи импульсов (см. фиг.3). Длительность первых четырех импульсов внутри элемента периода - 600 миллисекунд, задержки между импульсами - 6 секунд. Длительность следующих двух импульсов - 50 миллисекунд, задержки между этими импульсами - 500 миллисекунд. Задержка между третьим и четвертыми импульсами - 6 секунд. Длительность седьмого (последнего) импульса - 400 миллисекунд. Задержка между шестым и седьмым импульсами - 50 миллисекунд. Амплитуда импульсов - 1 А, величина фонового тока - 80 мА. Задержка между элементами периода - 10 секунд. Для измерений использовались шестой и седьмой импульсы в каждом периоде. Измеряемые параметры приблизились к стационарным значениям к концу второго периода. Расчетная величина остаточного ресурса соответствовала известному остаточному ресурсу сборки из трех элементов (примерно 50% от начального ресурса) при температуре +50 градусов Цельсия с точностью не хуже 5% от начального ресурса. Расход ресурса сборки на измерение - 0.0023 А*ч или примерно 0.018% начального ресурса сборки при данной температуре для тока разряда 80 мА.

Пример 3.

На фигуре 4 приведена структура периодической разрушающей серии импульсов, элементом периода которой является группа различных импульсов. В качестве измерительного импульса использовался каждый пятый импульс данной серии. Измеряемые параметры приблизились к стационарным значениям в конце серии из 300 импульсов. Величина измеренных параметров соответствовала состоянию сборки из трех элементов со 100% ресурсом при комнатной температуре с точностью не хуже 5%. Расход ресурса сборки на измерение - 0.022 А*ч или примерно 0.2% начального ресурса сборки при данной температуре для тока разряда 80 мА.

Таким образом, заявляемый способ позволяет:

- эффективно разрушать пассивирующую пленку за приемлемое для выполнения измерений время без существенного расхода ресурса элемента;

- осуществлять диагностику состояния элемента и определять с достаточной точностью для практических целей его остаточный ресурс.

Литература

1. Львов А.Л. «Соросовский образовательный журнал», 2001, №3, с.45-51.

2. Вихарев Л. И вновь о правильном питании, или некоторые особенности эксплуатации литиевых батарей, «Компоненты и технологии», 2006, №4.

3. Каневский Л.С. Проблема импедансной диагностики тионилхлоридно-литиевых источников тока, «Электрохимия», 2007, №43, стр.87-93.

4. Патент США №7622929, МКИ: G01N 27/416, 2009 г.

Изобретение относится к области электрических измерений и может использоваться при тестировании литиевых источников, используемых в системах длительного автономного функционирования. Согласно изобретению способ определения остаточного ресурса литиевого тионил хлоридного первичного элемента питания, включающий импульсное подключение нагрузки и определение по переходным характеристикам его остаточного ресурса, при этом на элемент питания предварительно осуществляют одновременное воздействие электрическими импульсами и постоянным током. Изобретение обеспечивает возможность устранения влияния на измерение остаточного ресурса литиевого источника питания сопротивления пассивирующей пленки при минимальном воздействии на остаточный ресурс непосредственно самого элемента питания. 5 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 пр.

1. Способ определения остаточного ресурса литиевого тионил хлоридного первичного элемента питания, включающий импульсное подключение нагрузки и определение по переходным характеристикам его остаточного ресурса, отличающийся тем, что на элемент питания предварительно осуществляют одновременное воздействие электрическими импульсами и постоянным током.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют одиночными периодическими импульсами амплитудами не менее 30-100% от предельно допустимого импульсного тока элемента.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют периодическими сериями однотипных импульсов амплитудами не менее 30-100% от предельно допустимого импульсного тока элемента.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодическое воздействие осуществляют сериями импульсов, с изменяемой скважностью внутри каждой серии и амплитудами не менее 30-100% от предельно допустимого импульсного тока элемента.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие осуществляют апериодическими сериями импульсов, с изменяемой скважностью внутри каждой серии и амплитудами не менее 30-100% от предельно допустимого импульсного тока элемента.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют импульсное воздействие на фоне постоянного тока, с амплитудой не менее 10-100% от предельно допустимого постоянного тока элемента.