Способ измерения остаточной емкости химического источника тока Советский патент 1992 года по МПК H01M10/48 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в процессе изготовления и эксплуатации химических источников тока (ХИТ).

Известен способ определения степени заряженности аккумуляторной батареи: путем заряда ее пульсирующим током, измерения на ней напряжения пульсации переменной составляющей зарядного тока, сравнения измеренной величины с экспериментальным графиком и оценки степени заряженности аккумуляторной батареи по графику зависимости напряжения пульсации переменной составляющей зарядного

тока от степени заряженности аккумуляторной батареи (1). Недостаток этого способа заключается в сложности его осуществления, так как необходимо формировать пульсирующий зарядный ток и измерять напряжение пульсаций переменной составляющей зарядного тока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является принятый в качестве прототипа и реализованный в устройстве для контроля остаточной емкости гальванического элемента способ, согласно которому формируют и подают на испытуемый элемент одно.поляр- ные положительные импульсы зарядного

00 СА) О СП

напряжения, превышающие ЭДС испытуемого элемента, затем измеряют полную длительность искаженного импульса и по этому признаку судят о величине остаточной емкости испытуемого образца 2. К чис- лу недостатков этого способа относятся сравнительно большая длительность измерительного процесса, включающая длительность измерительного импульса и длительность искажений этого импульса, появляющихся вследствие переходных процессов; сравнительно высокая энергоемкость процесса вследствие необходимости электропитания , например , генератора стабилизированных по частоте высокоч астот- ных колебаний, устройств выделения полной длительности искаженного импульса и других вспомогательных процессов.

Цель изобретения заключается в сокращении длительности и энергоемкости изме- рительного процесса.

Цель достигается тем, что по способу контроля остаточной емкости гальванического элемента путем формирования и под- а.чи на него однополярных положительных импульсов, превышающих напряжение разомкнутой цепи контролируемого источника, измерения полной длительности искаженного измерительного импульса и оценки по величине искажения измеритель- ыого импульса остаточной емкости подают на контролируемый источник одиночный прямоугольный формы импульс постоянного напряжения, равного (1,0...1,5) Кр.ц., где ур.ц. - напряжение разомкнутой цепи испытуемого источника, длительностью 10 , измеряют установившееся значение тока в течение измерительного импульса, а остаточную емкость определяют по предва- рительно установленной для данного типа ХИТ функциональной зависимости остаточной емкости от установившегося значения тока во время измерительного импульса постоянного напряжения. .

Заявляемое техническое решение отличается- от прототипа-тем, что длительность измерительного импульса устанавливают в пределах от до 103 с, величину (амплитуду) постоянного напряжения устанавли- вают равной (1,0...1,5) Up.q., измеряют установившееся значение зарядного тока в течение измерительного импульса, а остаточную емкость испытуемого источника оп- ределяют по предварительно установленной для данного типа ХИТ функциональной зависимости остаточной емкости, от установившегося значения тока во время измерительного зарядного импульса постоянного напряжения.

Это отличие позволяет сделать вывод о том, что заявленное техническое решение соответствует критерию новизна.

Признаки, отличающие заявленное техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изученииданнойисмежнойобластейтехни- ки и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию существенные отличия.

Известно, чтоТеньковцев В.В., Центер Б.И. Основы теории и эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1985-96, с. 52,53) по мере заряда аккумулятора при постоянном напряжении зарядный ток уменьшается (с. 531, рис. 185). Поэтому каждому уровню заряженное™ испытуемого химического источника тока соответствует конкретное значение зарядного тока. В предлагаемом способе использовано именно это свойство.

Для осуществления способа на испытуемый элемент или батарею элементов подают одиночный кратковременный прямоугольной формы зарядный импульс постоянного напряжения.

Простейшая функциональная электрическая схема осуществления способа показана на фиг.1. Здесь резистор R служит для установки требуемого значения напряжения зарядного импульса, измеряемого вольтметром pV. Амперметр рА служит для измерения установившегося значения зарядного тока через испытуемый источник во время измерительного импульса постоянного напряжения, а ключом S1 замыкают и размыкают электрическую цепь, формируя заданную длительность измерительного импульса.

При подаче на испытуемый источник положительного постоянного напряжения зарядный ток не мгновенно достигает устойчивого, т.е. установившегося, значения, а спустя некоторое время, соответствующее продолжительности переходных процессов, длительности которых в ХИТ разных типов достигают десятков и сотен секунд (3, с. 150). В топливных элементах переходный процесс составляет, например, с, а в источниках тока со свободным жидким электролитом он длится около 100 с (3, с. 152). Для электродных процессов в твердой фазе время переходных процессов увеличивается (3, с. 152).

Длительность импульса напряжения, подаваемого на ХИТ для измерения установившегося значения тока, должна превышать длительность переходного процесса испытуемого образца ХИТ для того, чтобы

установился стационарный электрохимический режим, при котором и измеряют установившееся значение зарядного тока. Исходя из этого, в предлагаемом способе практическую длительность импульса напряжения, подаваемого на испытуемый образец, устанавливают в пределах 10 -103с, Эти пределы длительности зарядного импульса перекрывают практическое время срабатывания измерительных средств и практические пределы длительности переходных процессов в ХИТ. Для конкретных типов ХИТ рекомендуется конкретная длительность импульса, например для никель- кадмиевых аккумуляторов она находится в пределах 1-10 с.

Таким образом, по предлагаемому способу заряд испытуемогоисточника осуществляют .одиночным „ прямоугольным положительной полярности кратковременным импульсом постоянного напряжения длительностью 10 3-103 с.

Измерительный зарядный импульс устанавливают прямоугольной формы для того, чтобы при каждом измерении получить одинаковые исходные условия для возникновения переходных процессов, а следовательно, наиболее достоверно обеспечить одинаковый стационарный электрохимический зарядный процесс в источнике, что обеспечивает точность измерения. Одиночный импульс исключает перезаряд источника в случае его полной заряженности, а главное дает экономию энергии на измерении,

Срок службы испытуемых источников в предлагаемом способе учитывают изменением величины постоянного напряжения измерительного импульса, т.е. изменением амплитуды измерительного импульса.

Известно, что зарядное напряжение вторичных ХИТ выражается уравнением

и3 Еэдс+ Еп + Vo.s. b,

где Е -ЭДС (напряжение разомкнутой цепи); . Еп - ЭДС поляризации;

Го.з. - омическое сопротивление при заряде;

з - ток заряда (фиг.2).

Для осуществления заряда при LU const надо выполнить условие Uuu.n. S: Us. где Us - напряжение заряда источника, соответствующее данному уровню заряжен- иости; ии.и. .- амплитуда измерительного импульса. Стало быть нижний предел амплитуды измерительного импульса UH. H. - Up.ц. определяется условием обеспечивания заряда.

Известно, что по мере наработки изде- - лий в эксплуатации в активных массах электродов происходят необратимые процессы вида коррозии решеток, кристаллизации 5 сульфата свинца, сульфатации и др. Процессы старения вызывают снижение напряжения разомкнутой цепи и уменьшение электропроводности, т.е. увеличение омического сопротивления. Эти процессы и вызы10 вают снижение разрядной емкости. По предлагаемому способу свежеизготовленные образцы испытывают при амплитуде измерительного импульса, равной 1,5 ир.ц. . Для с вежеизготовленных образцов величи15 на практически не оказывает влияния на величину установившегося значения тока в течение измерительного импульса. По мере исчерпания ресурса величину амплитуды измерительного импульса уменьшают, -при0 ближая ее при исчерпании гарантийного срока службы к величине фактического напряжения разомкнутой цепи испытуемого источника.

Известно существенное влияние темпе5 ратуры окружающей среды на разрядную емкость ХИТ. В предлагаемом способе влияние температуры учитывают известными методам /, например посредством температурных коэффициентов емкости. Функцмо0 нальная зависимость остаточной емкости от величины установившегося значения тока в течение измерительного импульса может быть установлена для любой температуры. При осуществлении предлагаемого способа

5 при этой температуре нет необходимости учитывать температурную поправку. Если же способ осуществляется при температуре, отличной от температуры функциональной зависимости, то полученный результат

0 пересчитывается с учетом температурной поправки.

Заявляемый способ осуществляли при измерении остаточной емкости аккумуля- торных-батарейЗНКГ-10Д и гальванических

5 элементов типа 373.

Построение экспериментальной функциональной зависимости остаточной емкости батарей ЗИКГ-ЮД и элементов 373 от установившегося значения зарядного тока

0 при воздействии единичного зарядного импульса постоянного напряжения провели по следующей методике.

Для испытаний использовали следующую аппаратуру: аналого-вычислительный

5 комплекс АВК-32, зав. № 43, выпуск 1982; 1 стабилизированный источник постоянного напряжения типа БСП-5, зав. № 894; осциллограф типа СВ-17 зав. № 9113; милливольтметр магнитоэлеткронной системы типа

МВА-47/5, зав. Мг 16908; лабораторные реостаты типа РСП-4, РПШ-5, РСП-3.

Для подготовки образцов к эксперименту батареи 3НКГ-10Д заряжали постоянным током 1А в течение 15 ч. Затем разряжали эти батареи постоянным током 1А первую в течение 1 ч, вторую в течение 3 ч и т.д. Гальванические элементы 373 разряжали током 300 мА.

Подавали единичный зарядный импульс длительностью 2 с постоянного напряжения 5В на батарею ЗНКГ-ЮД и 2В на элемент 373 и измеряли установившееся значение зарядного тока в течение этого импульса. Разряжали батарею ЗНКГ-ЮД током 2А, а элемент 373 током 300 мА, для определения остаточной емкости использовали формулу

QOCT Ip . tp,

где р - ток разряда;

tp - продолжительность разряда.

Разряд проводили до конечного рззряд- .ного напряжения: батареи ЗНКГ-ЮД, равного 2,7В, а элемента 373 - 1, Установившееся значение зарядного тока измеряли осциллографом и милливольтметром. Форма зарядного тока в течение воздействия на батарею и элемент единичного зарядного импульса постоянного напряжения практически прямоугольная.

Экспериментальная зависимость остаточной емкости батареи ЗНКГ-ЮД и элемента типа 373 от установившегося значения зарядного тока измерительного импульса показана на фиг.З.

Полученную по изложенной методике экспериментальную зависимость использовали для измерения остаточной емкости других образцов аккумуляторных батарей ЗНКГ-ЮД и элементов типа 373. Для этого на образец батареи ЗНКГ-ЮД подавали 2- секундный импульс постоянного напряжения 5В, а на элемент 373 - 2, Измеряли установившееся значение тока во время измерительного зарядного импульса и по зиа- чениям токов в графиках фиг.З для батарей ЗНКГ-ЮД и элементов типа 373 оценивали их остаточную емкость. После этого разряжали непрерывно батареи ЗНКГ-ЮД током 1А до напряжения 2,7 В, а элементы типа 373 - до напряжения 1 и оценивали остаточную емкость классическим методом, как произведение полученных значений тока и времени.

В девяти испытаниях максимальная погрешность по предлагаемому способу для батарей ЗНКГ-ЮД по сравнению с классическим непрерывно-разрядным составила 8,5%, а для элементов типа 373 - 6,7%,

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в сокращении длительности и энергоемкости измерительного процесса и может быть оценена следующим образом. В способе-прото- типе длительность измерительного процесса включает в себя длительность самого измерительного импульса и длительность искажений измерительного импульса

(переходного процесса), вызванных соответствующим уровнем заряженное™ испытуемого образца. В способе-прототипе длительность измерительного процесса Тпи равна

.f Т и.и. + Т п.п,

где Ти.и. - длительность измерительного импульса в способе-прототипе;

г п.п. - длительность искажений измерительного импульса, вызванного переходными процессами (фиг.4).

В отличие от прототипа по предлагаемому способу установившееся значение зарядного тока измеряют в течение измерительного импульса. Длительность измерительного импульса напряжения и переходные колебания тока во времени совмещены,поэтомудлительность

измерительного процесса ти.п. однозначно определяется длительностью измерительного импульса Гц.п.

Разница в длительности измерительных процессов составляет

- . . .

л - -

At- Ти.п.- Тц.п.- Tj,i.n. Ти.и.

При равенстве Ти.и. т и.и. измерительных импульсов в способе-прототипе в предлагаемом способе разница составляет

A t т п.п.

I аким образом, сокращение длительности измерительного процесса в предлагаемом способе равно длительности переходных процессов. Если принять, что минимальная длительность измерительных импульсов равна длительности переходного процесса, то сокращение длительности измерительного процесса в предлагаемом способе по сравнению с прототипом сокращается в два раза.

Сокращение энергоемкости предлагаемого способа по сравнению с прототипом достигается за счет того, что для реализации предлагаемого способа не требуется электроэнергии для генерации импульсов эталонной частоты и последующего их преобразования.

Ф о р м у.л а и з о б р е т е Vi и я Способ измерения остаточной емкости химического источника тока (ХИТ) путем формирования и подачи на него однополяр- ных положительных импульсов, превышающих напряжение разомкнутой цепи контролируемого источника, измерения зависимости тока от времени в течение измерительного импульса и оценки по измеренному параметру и ранее установленной эталонной зависимости остаточной емкости ХИТ, отличающийся тем, что, с целью сокращения длительности и энергоемкости измерительного процесса, подают

Sf

5

одиночный прямоугольной формы импульс постоянного напряжения, равного (1,0... 1,5) Up.ц., где Up.ii. напряжение разомкнутой цепи испытуемого источника, длительностью 10 3-103 с, измеряют установив шееся значение тока в течение измерительного импульса, а остаточную емкость определяют по предварительно установленной для данного типа ХИТ эталонной зависимости остаточной емкости от установившегося значения тока во время измерительного импульса постоянного напряжения, причем амплитуду измерительного сигнала выбирают равной амплитуде сигнала, использованного пр и получении эталонной зависимости.

V

Ллд/vУйм

/

tu.u.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве и при эксплуатации химических источников тока для измерения их остаточной емкости. Целью изобретения является сокращение длительности и энергоемкости измерительного процесса. Для измерения остаточной емкости испытуемого источника подают на него одиночный прямоугольной формы положительный зарядный импульс постоянного напряжения, равного (1,0...1,5) ир.ц., где U р.ц. напряжение разомкнутой цепи испытуемого источника, длительностью - 10 , измеряют установившееся значение тока в течение измерительного импульса, а остаточную емкость определяют по предварительно установленной для данного типа химического источника тока функциональной зависимости остаточной емкости от установившегося значения тока во время измерительного импульса постоянного напряжения. 4 ил.. (Л С

Фиг./

АО50100/50200мА

УстанобиНшееся значение зарядного /пека измерительного импульса постоянного напряжения

Фиг.З

Фиг. 2

7- j. .у .

L ti.U ьп.П

Т

/У

. л

4ZT л-. + Тп,п- TVV

Фиг. 4

Т Г

/У Яt

. л

й .й