СПОСОБ ТЕСТИРОВАНИЯ ЛИТИЕВОГО ИСТОЧНИКА ТОКА Российский патент 2015 года по МПК G01R31/36 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении литиевых химических источников тока.

Повышение качества изготовления литиевых химических источников тока является важной задачей их производства. Для повышения качества изготовления литиевых химических источников тока необходимы надежные и информативные способы тестирования источников тока.

Известные способы тестирования химических источников тока предусматривают определение ряда их характеристик, в первую очередь, напряжение или ток разряда, электрическая емкость при полном разряде, характер изменения напряжения в течение разряда или при выключении и включении тока разряда. Значения перечисленных характеристик позволяют судить о качестве изготовления и степени сохранения работоспособности химических источников тока в процессе их эксплуатации. Так, в способе контроля разряженности стартерного серебряно-цинкового аккумулятора (А.С. 1078505, СССР, МКИ Н01М10/42,10/32. Способ контроля разряженности стартерного серебряно-цинкового аккумулятора и устройства для его осуществления / Гераськов В.П. - Заявл. 21.06.82; опубл. в Б.И. 1984, №7.) предлагается разряжать аккумулятор на эталонную нагрузку током 0,3-0,5 часового разряда в течение времени диффузионного процесса, снимать нагрузку и измерять скорость возрастания напряжения. В большом количестве работ предлагают проводить анализ разрядной кривой (Пат. 2182383 Россия, МПК⁷ Н 01 М 10/42, G01R31/36. Способ определения остаточной емкости свинцового аккумулятора / Маслаков М.Д. - №2000132131109. Заявл. 20.12; опубл.10.05.2002) или изменения напряжения при кратковременном разряде (А.С. 997143, СССР, МКИ Н 01 М 10/48. Способ определения емкости химического источника тока / Соловьев В.М. - Заявл. 01.12.80, № 3211364/24-07; опубл. в БИ, 1983, № 6). Анализ проводят, сопоставляя данные измерений с предварительно определенными зависимостями разрядного напряжения от отданной емкости и пропускаемого тока в основных режимах разряда. Подобные методы могут быть усложнены применением импульсного тока, что повышает их точность (А.С. 1003208, СССР, МКИ Н01М10/42. Способ определения остаточной емкости химического источника тока / Козинцев Б.Я.; НПО Квант. - Заявл. 21.07.81, № 3321563/24-07; опубл. в Б.И. 1983, №9).

Наиболее близким по технической сути является патент Великобритании №2350686 (Пат. 2350686 (Великобритания) МПК7G01R31/36. Switchtec Power Systems Limited / Adnan Anbuku, Philip Pascoe. - №9912778.9. Заявл. 03.06.1999; опубл. 06.12.2000; НПК G14). Изобретение касается метода определения емкости ХИТ, в первую очередь свинцового аккумулятора, но распространим и на другие виды ХИТ, включая и первичные источники тока. Метод предусматривает получение начального участка разрядной кривой тестируемого ХИТ. Снятие разрядной кривой возможно при токе, выбранном из широкого диапазона значений токов, и при температуре окружающей среды, выбранной также из широкого диапазона значений. При снятии начального участка разрядной кривой затрачивается от 1 до 10% номинальной емкости ХИТ.

Полученный начальный участок тока разрядной кривой содержит "провал" напряжения, после нижней точки которого (U_пр) разрядная кривая поднимается до разрядного напряжения U_р (фиг. 1).

Авторы патента установили, что электрическая емкость ХИТ линейно зависит и от значений U_пр, и от значений U_р. Для тестируемого типа ХИТ эти линейные зависимости устанавливают предварительно. Они справедливы для широкого диапазона токов разряда и температуры окружающей среды. При тестировании определяют U_пр, или U_р исследуемого ХИТ и по предварительно установленным зависимостям емкости от значений U_пр или U_р определяют емкость тестируемого ХИТ.

Описанный метод позволяет определить емкость, оставшуюся после частичного разряда или саморазряда ХИТ, не прибегая к полному разряду источника тока. Однако этот метод не позволяет прогнозировать уровень саморазряда свежеизготовленных источников тока и отбраковывать ХИТ, обладающих недопустимо высоким саморазрядом.

Перед авторами стояла задача разработки способа тестирования литиевого ХИТ, позволяющего прогнозировать уровень саморазряда свежеизготовленного источника тока для отбраковки ХИТ с недопустимо высоким саморазрядом.

Поставленная задача решена тем, что снимается и исследуется начальный участок вольтамперной кривой тестируемого ХИТ и определяется значение тока (I_реаг), при котором напряжение ХИТ становится равным напряжению разомкнутой цепи (НРЦ) минус 0,001 В. На фиг.2 представлен описанный начальный участок вольтамперной кривой литий-тионилхлоридного элемента ER14P.

Значение I_реаг зависит от скорости саморазряда литиевого ХИТ. Чем больше скорость саморазряда, тем больше значение I_реаг, поскольку саморазряд активирует рабочие поверхности электродов. Если предварительно определить значения I_реаг, отвечающие недопустимо высокому саморазряду, то эти значения можно использовать при прогнозировании уровня саморазряда свежеизготовленных литий-тионилхлоридных ХИТ и отбраковывать элементы с недопустимо высоким I_реаг, а значит и саморазрядом.

Предлагаемый способ тестирования литиевого источника тока состоит в следующем. Определяют область значений I_реаг, отвечающую недопустимому саморазряду элементов. Для этого выделяют партию из ХИТ, которые необходимо тестировать. Каждый из выбранных ХИТ поочередно включают в цепь, состоящую из переменного сопротивления с максимальным значением 15-20 МОм, цифрового вольтметра с точностью измерения не менее 10^-3 В и микроамперметра с точностью измерения не менее 10^-6 А. Уменьшают значение переменного сопротивления от максимального до величины, при которой разрядное напряжение становится меньше НРЦ на 0,001 В. Значения тока в этой точке принимают за величину I_реаг.

После определения I_реаг каждого из выделенной партии ХИТ разряжают несколько элементов и определяют их емкость. Оставшиеся элементы хранят при нормальных климатических условиях или повышенной температуре окружающей среды в течение определенного срока. После хранения элементы полностью разряжают и определяют величину потерянной емкости. Значения тока реагирования свежеизготовленных ХИТ, показавших недопустимо низкую емкость после хранения, принимают в качестве эталона для отбраковки литиевых ХИТ данного типа после их изготовления.

При проведении тестирования производимых литиевых ХИТ определяют по вышеописанной методике I_реаг каждого тестируемого элемента. Полученные значения I_реаг сопоставляют со значениями, принятыми в качестве эталона для данного типа ХИТ. При превышении значения I_реаг тестируемого ХИТ эталонного значения источник тока бракуется из-за недопустимого саморазряда.

Предложенный способ тестирования литиевых ХИТ имеет ряд достоинств. Значения токов реагирования I_реаг определяются на начальном участке вольтамперной кривой ХИТ и находятся в области микротоков разряда, что требует минимальные затраты времени (минуты) и емкости ХИТ (миллионные доли номинальной емкости). Электрическая установка для определения I_реаг простая и включает переменное сопротивление с максимальным значением 15-20 МОм, вольтметр с точностью до 10^-3 В и микроамперметр с точностью измерений до 10^-6 А.

Эффективность предлагаемого способа тестирования раскрывается приведенным ниже примером.

Пример. Провели тестирование предлагаемым способом партии свежеизготовленных цилиндрических литий-тионилхлоридных элементов ER14P с рулонной конструкцией блока электродов. Получены начальные участки вольтамперных кривых каждого элемента в области микротоков разряда. При проведении тестирования элементов использовали контрольно-измерительные приборы, перечисленные в табл. 1.

Таблица 1

Контрольно-измерительные приборы, использованные для получения вольтамперных зависимостей элементов

Наименование приборов Тип Количество, шт. Вольтметр Sanwa PC520M 1 Микроамперметр Ф-195, ГОСТ 8711-78 1 Переменное сопротивление Диапазон изменения сопротивления
20 Ом-14 МОм 1

Испытания элементов проводили при нормальных климатических условиях. Перед снятием начального участка вольтамперной зависимости элементы выдерживали до установления постоянного значения НРЦ. Начальный участок вольтамперной кривой получали, разряжая элемент на переменное сопротивление. Значение сопротивления уменьшали от максимального до величины, при которой напряжение разряда становилось меньше значения НРЦ (измеряемого до третьего знака после запятой) на 0,001 В. Величину тока разряда в этой точке принимали за значение I_реаг. В табл.2 приведены номера тестируемых элементов, значения их НРЦ и I_реаг. Элементы разбиты на три группы по значениям I_реаг : 1 группа - I_реаг до 70 мкА; 2 группа - I_реаг от 70 до 100 мкА; 3 группа - I_реаг выше 100 мкА.

Таблица 2

Значения НРЦ и тока реагирования тестируемых свежеизготовленных элементов ER14P

Группа 1 Группа 2 Группа 3 № элемента НРЦ,
В I_реаг,
мкА; № элемента НРЦ,
В I_реаг,
мкА; №
элемента НРЦ,
В I_реаг,
мкА; 7253 3,644 20 7263 3,645 85 7261 3,644 140 7255 3,643 22 7265 3,641 84 7277 3,644 241 7257 3,644 55 7269 3,642 79 7278 3,644 225 7274 3,641 68 7279 3,645 78 7284 3,644 243 7280 3,646 57 7282 3,644 76 7285 3,643 147 7283 3,683 61 7289 3,646 100 7286 3,643 132 7296 3,648 52 7290 3,647 87 7292 3,644 156 7297 3,647 34 7299 3,646 99 7293 3,643 139 7298 3,646 32 7301 3,646 100 7304 3,644 119

По три свежеизготовленных элемента из каждой группы были разряжены до 2 В током 0,25 А. Остальные были выдержанны при нормальных климатических условиях в течение 12 и 18 месяцев и разряжены током 0,25 А до 2 В. Значения разрядной емкости всех испытанных элементов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Разрядная емкость тестируемых элементов свежеизготовленных и после хранения

Группа № элемента Время хранения, месяц Разрядная емкость, А·ч Средняя разрядная емкость, А·ч Потерянная емкость, А·ч, % 1 2 3 4 5 6 1 7257 0 4,4 4,72 0 7297 0 5,05 7298 0 4,71 2 7282 0 4,48 4,84 0 7289 0 5,2 7290 0 4,48 3 7285 0 4,97 4,98 0 7292 0 4,97 7293 0 5,0 1 7253 12 3,94 4,14 0,58
12%, 7255 12 4,35 7280 12 4,13 2 7265 12 4,16 3,95 0,89
18,4% 7269 12 3,94 7279 12 3,75 3 7261 12 3,83 3,78 1,2
24% 7284 12 3,76 7304 12 3,75 1 7274 18 4,1 4,08 0,64
13,5% 7283 18 4,15 7296 18 3,99 2 7263 18 3,85 3,85 0,99
20,5% 7289 18 3,9 7299 18 3,8 3 7277 18 3,8 3,53 1,45
29% 7278 18 3,27 7286 18 3,52

Представленные в табл. 3 экспериментальные данные однозначно показывают, что чем больше I_реаг у свежеизготовленного элемента, тем больше скорость саморазряда данного элемента при последующем хранении. Так, элементы третьей группы, показавшие при тестировании в свежеизготовленном состоянии значения I_реаг больше 100 мкА, через год естественного хранения потеряли 24 % емкости, а через 1,5 года - 29 %. В то же время элементы первой группы, показавшие при тестировании в свежеизготовленном состоянии значения I_реаг меньше 70 мкА, через год естественного хранения потеряли только 12 % емкости, а через 1,5 года - 13,5 %.

Полученные данные подтверждают, что значения I_реаг, полученные при анализе начальных участков вольтамперных кривых свежеизготовленных элементов, позволяют прогнозировать уровень саморазряда этих элементов при последующем хранении. Опираясь на данные, приведенные в табл. 3, можно, по значениям I_реаг свежеизготовленных элементов ER14P, отбраковывать элементы с большими значениями I_реаг, как обладающие недопустимо большой скоростью саморазряда. Например, элементы с I_реаг, превышающим 70 мкА или 100 мкА (в зависимости от требований к срокам сохраняемости).

Тестирование свежеизготовленных литий-тионилхлоридных элементов по методу, являющемуся прототипом, не дает информации ни о емкости элементов, ни о скорости их саморазряда при последующем хранении. Это связано с тем, что разрядные кривые свежеизготовленных литий-тионилхлоридных элементов не имеют "провала" напряжения, который можно проанализировать согласно методу-прототипу.

Приведенный пример тестирования литий-тионилхлоридных элементов ER14P в соответствии с признаками, изложенными в формуле изобретения, подтверждает возможность практической реализации заявленного изобретения с достижением указанного технического результата. На основании изложенного можно сделать заключение о соответствии заявленного изобретения критерию "промышленная применимость".

Таким образом, проведенный анализ уровня техники дает нам право утверждать, что заявленная нами совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, неизвестна, что отвечает критерию "новизна".

Изучение технических решений с целью выявления существенных признаков нашего изобретения, совпадающих с признаком прототипа, показало, что заявленное нами изобретение не следует явно для специалиста в данной области из известного уровня техники. Считаем, что предлагаемое решение соответствует критерию - "изобретательский уровень".

На основании вышеизложенного считаем, что предлагаемое нами техническое решение может быть признано изобретением и защищено патентом Российской Федерации.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам диагностики литиевых химических источников тока. Способ включает разряд источника тока на внешнюю нагрузку и измерение его напряжения под нагрузкой. При этом сопротивление нагрузки уменьшают так, чтобы ток увеличивался до величины, при которой напряжение под нагрузкой источника тока отличалось от напряжения разомкнутой цепи на 0,001 В, при этом полученное значение тока сравнивают с эталонной величиной и при превышении эталона тестируемый источник тока бракуется. Технический результат заключается в возможности проводить неразрушающую диагностику элементов системы Li/SOCl₂ без потери емкости. 2 ил.

Способ тестирования литиевого источника, включающий разряд источника тока на внешнюю нагрузку и измерение его напряжения под нагрузкой, отличающийся тем, что сопротивление нагрузки уменьшают так, чтобы ток увеличивался до величины, при которой напряжение под нагрузкой источника тока отличалось от напряжения разомкнутой цепи на 0,001 В, при этом полученное значение тока сравнивают с эталонной величиной и при превышении эталона тестируемый источник тока бракуется.