RU158210U1 - Устройство восстановления работоспособности пассивированной литий-тионилхлоридной батареи - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам обслуживания батарей и содержания их в исправности, и может быть использована для контроля работоспособности и активации литиевых батарей, преимущественно, первичных литий-тионилхлоридных батарей (ЛТХБ) в процессе их эксплуатации в составе технических устройств и систем (ТУС), функционирующих в автономном режиме с электропитанием от упомянутых ЛТХБ. Сущность полезной модели заключается в том, что в известное устройство, состоящее из микроконтроллера (МК), индикатора, разрядной цепи (РЦ), блока контроля параметров батареи (БКПБ), блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ), памяти и ЛТХБ, которая своими с первого по третий портами соединена со вторым портом РЦ, со вторым портом БКПБ и со вторым портом БТВСБ, который первым портом соединен с первым портом МК, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом РЦ, с первым портом БКПБ и с портом памяти, и выполненное с возможностью мониторинга внутреннего сопротивления литий-тионлхлоридной батареи (ВСБ), включающего проведение периодического измерения ВСБ, сравнения текущего значения ВСБ с пороговым значением внутреннего сопротивления ЛТХБ (ПЗВСБ) и при достижении ВСБ уровня, превышающего ПЗВСБ, автоматического запуска процедуры активации ЛТХБ путем воздействия на нее импульсом разрядного тока с параметрами, рекомендованными производителем ЛТХБ, отображения на индикаторе состояния ЛТХБ, соответствующего работоспособности или потери ее работоспособности, если после выполнения процедуры активации выходное напряжение ЛТХБ находится, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами, дополнительно в его состав введены модуль часов реального времени (МЧРВ), компьютерный порт (КП) и датчик тока (ДТ), который своими с первого по третий портами соединен, соответственно, с четвертым портом ЛТХБ, с нагрузкой и с восьмым портом МК, который своими шестым и седьмым портами соединен, соответственно, с портом МЧРВ и с первым портом КП, который выполнен с возможностью подключения своим вторым портом к внешним устройствам типа ЭВМ, имеющим аналогичные порты/интерфейсы, для организации с ними информационных коммуникаций, при этом узел МК функционирует по программе, обеспечивающей возможность контроля режимов разряда ЛТХБ путем измерения текущего значения тока в нагрузке (ТЗТН) по данным, поступающим с узла ДТ, сравнения ТЗТН со значением порогового тока в нагрузке (ЗПТН) при котором процесс пассивации ЛТХБ прекращается, контроля времени эксплуатации ЛТХБ в режиме пассивации путем использования комплексной обработки данных, поступающих от узлов ДТ и МЧРВ, для измерения длительности временных интервалов (ДВИ) в течении которых ТЗТН находится ниже ЗПТН, регистрации в памяти измеренных значений ДВИ и их суммирования для вычисления текущего значения времени пассивации ЛТХБ (ТЗВПБ), сравнения величины ТЗВПБ с пороговым временем пассивации ЛТХБ (ПВПБ), при достижении которого ЛТХБ нуждается в проверке электрических параметров, и автоматического запуска процедуры тестирования внутреннего сопротивления ЛТХБ в случаях, когда ТЗВПБ равно или превышает величину ПВПБ, а также поддержки функций узла КП по информационному обмену с внешними устройствами типа ЭВМ, включая ввод/запись в память контрольных данных типа значений параметров ПЗВСБ, ЗПТН и ПВПБ. Введенные существенные признаки обеспечивают снижения потерь энергоресурса ЛТХБ, расходуемого на процедуры активации, необходимые для поддержания ЛТХБ в работоспособном состоянии.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам обслуживания батарей и содержания их в исправности, и может быть использована для контроля работоспособности и активации литиевых батарей, преимущественно, первичных литий-тионилхлоридных батарей (ЛТХБ) в процессе их эксплуатации в составе технических устройств и систем (ТУС), функционирующих в автономном режиме с электропитанием от упомянутых ЛТХБ.

При функционировании ТУС в автономном режиме с электропитанием от химических источников тока (ХИТ), к системе электропитания ТУС во многих приложениях предъявляются повышенные требования по обеспечению большой длительности автономной работы и сохранению работоспособности в сложных условиях эксплуатации при ограниченных массе и габаритах ТУС. Для удовлетворения этим требованиям электропитание ТУС должно осуществляться с использованием ХИТ с большими энергетическими характеристиками. По оценкам экспертов [Л1, Л2] самую большую плотность энергии обеспечивают литиевые батареи. При этом, среди литиевых батарей лучшими по большинству параметров являются элементы системы литий-тионлхлорид (Li/SOCl₂). Эти изделия характеризуются самым высоким выходным напряжением (3,6 В), максимальной электрической емкостью, широким диапазоном рабочих температур (могут работать при температуре -55…-60°C), способностью выдавать повышенные токи разряда и обеспечивают большой срок хранения, который может превышать более 10 лет. Превосходные качества литий-тионилхлоридных батарей, заключающиеся в том, что они являются мощными элементами питания, обладают исключительными энергетическими характеристиками, имеют низкий саморазряд, длительный срок хранения и широкий температурный диапазон, делают их востребованными для широкого круга потребителей (нефтяников, газовиков, геологов, военных и др.). Поэтому, ЛТХБ широко востребованы и активно используются для обеспечения электропитания различных видов ТУС. Следует отметить, что низкий ток саморазряда и весьма длительный срок хранения ЛТХБ обусловлен существованием тончайшей изолирующей пленки хлорида лития (ИГТХЛ), образующейся на поверхности металлического литиевого электрода. Она возникает еще в момент сборки элемента на конвейерной линии предприятия-изготовителя, как только литий вступает в контакт с тионилхлоридом. А возникнув, она прерывает взаимодействие реагентов и останавливает реакцию. Образование и существование ИПХЛ проявляется главным образом в низком токе саморазряда батареи.

Исследования показали, что наличие ИПХЛ создает противоречивую ситуацию. С одной стороны, наличие ИПХЛ гарантирует необходимые (полезные) свойства: низкий ток саморазряда и длительный срок хранения ЛТХБ, поэтому ИПХЛ необходимо сохранять. С другой стороны, с течением времени, толщина хлорида лития нарастает и пропорционально ее толщине увеличивается и сопротивление изоляции, что вызывает снижение выходного напряжения ЛТХБ и приводит к уменьшению ее разрядного тока. В момент подключения нагрузки к ЛТХБ наблюдается понижение напряжения на ее выходных контактах. Если номинальное напряжение у ЛТХБ при стандартном токе разряда должно быть примерно 3,6 В, то из-за наличия значительного слоя ИПХЛ оно может понизиться до 2,3-2,7 В или еще ниже. Поэтому, для предотвращения снижения работоспособности ЛТХБ и предотвращения выхода из строя/отказа ТУС, получающих электропитание от этой ЛТХБ, ИПХЛ надо разрушать. Для разрушения ИПХЛ используется принудительный разряд ЛТХБ, что неизбежно ведет к снижению общего энергоресурса ЛТХБ. Очевидно, что для предотвращения преждевременной потери работоспособности ЛТХБ из-за ее периодических процедур разряда, разрушать ИПХЛ не надо. Однако, в этом случае из-за образования ИПХЛ происходит потеря способности ЛТХБ отдавать в нагрузку ток, предусмотренный спецификацией этого изделия, что может вызывать отказ в работе ТУС, питающейся от данной ЛТХБ. Образуется «замкнутый круг».

Как известно из техники [Л3], явление снижения выходного напряжения на выходе литиевой батареи при подключении к ней нагрузки называется эффектом пассивации, а процедуры, приводящие к устранению этого эффекта называются активацией/депассиваций ЛТХБ. В элементах питания пассивация играет двоякую роль. Положительная сторона пассивации в том, что она защищает гальванический элемент от заметной потери емкости, благодаря чему повышается срок хранения этого изделия. Однако, когда батарея хранится какое-то время и затем начинает использоваться (подключается к нагрузке), то начальное выходное напряжение батареи будет низким, так как покрытый слоем собственной соли литий уже не так химически активен по отношению к электролиту. Потребуется некоторое время, прежде чем рабочий ток разрушит пленку на поверхности металлического контакта и рабочее напряжение батареи выйдет на номинальный уровень. То есть, при подключении нагрузки к ЛТХБ возникает задержка напряжения, которая может вызывать сбои/отказы в работе ТУС. Наиболее уязвимы, с точки зрения возникновения отказов те ТУС, которые длительное время функционируют в режиме экономного энергопотребления (<1 мА) и периодически включаются в режим максимального энергопотребления, при котором ЛТХБ должна обеспечить номинальные/максимальные выходные значения напряжения и тока. Поскольку малый рабочий ток в течение длительного времени работы ТУС недостаточен для препятствия процессу образования ИПХЛ, то неизбежно происходит снижение работоспособности батареи, поскольку толщина ИПХЛ постоянно растет, вызывая повышение внутреннего сопротивления ЛТХБ и увеличение уровня ее пассивации, что сопровождается снижением выходного напряжения батареи под нагрузкой и ограничением выходного тока ЛТХБ. Кроме того, для ТУС, работающих в режиме микропотребления тока, существенной окажется и потеря емкости батареи, поскольку процент использования полезного вещества ЛТХБ уменьшается. При работе ЛТХБ на малых токах процесс пассивации проходит безостановочно, поэтому, активные вещества (литий и тионилхлорид) будут постоянно расходоваться на образование хлорида лития, что приведет к снижению емкости батареи. Установлено, что при работе ЛТХБ в составе ТУС, которое работает в режиме низкого энергопотребления, за 3 месяца может быть использовано около 90% емкости ее активного вещества. Если же ЛТХБ работает более 5 лет, то ее энергоресурс может быть реализован только на 65%, а остальной ресурс нейтрализуется в процессе непрекращающейся пассивации (образования ИПХЛ).

Создается ситуация, при которой, с одной стороны, эффект пассивации - продукт технологического характера и необходим для защиты гальванического элемента от заметной потери емкости из-за саморазряда, что обеспечивает сохранение работоспособности батареи в течении длительного времени (>10 лет). Поэтому пассивацию необходимо сохранять. С другой стороны, наличие пассивации ведет к снижению, как энергетического ресурса батареи, так и ее работоспособности/надежности (с точки зрения обеспечения бесперебойного электропитания ТУС), особенно в начальные моменты времени подключения нагрузки, что может вызывать сбои и отказы в работе технических устройств и систем, функционирующих в автономном режиме и питающихся от пассивированных ЛТХБ. Поэтому, пассивацию ЛТХБ необходимо устранять путем ее активации (депассивации). То есть, для разрушения ИПХЛ, которая непрерывно образуется в ЛТХБ, необходимо выполнять периодические процедуры активации ЛТХБ. При этом энергетические затраты, связанные с активацией/депассивацией ЛТХБ это - вынужденные/необходимые потери энергоресурса ЛТХБ, связанные с поддержанием ее в рабочем состоянии. Очевидно, что расход энергоресурса ЛТХБ на проведение ее активации снижает количество энергоресурса ЛТХБ, который может быть использован на поддержание ТУС в рабочем состоянии, и существенно влияет, как на надежность, так и на длительность автономной работы ТУС.

Таким образом, в результате энергетических потерь, связанных с активацией ЛТХБ, уровень автономности ТУС, выражающийся в длительности автономного функционирования ТУС, может существенно снижаться или в работе ТУС могут возникать преждевременные отказы.

В вязи с эти возникает задача повышения надежности и длительности автономной работы ТУС, электропитание которых осуществляется от ЛТХБ.

Исследования показали, что наличие упомянутых противоречий, связанных с наличием эффекта пассивации и необходимости проведения процедур активации/депассивации ЛТХБ, в процессе которых часть энергоресурса ЛТХБ расходуется на поддержание ЛТХБ в работоспособном состоянии, усложняет решение поставленной задачи. Информационным/патентным поиском установлено, что известные из техники устройства/системы/технические решения, которые могут быть использованы для решения поставленной задачи, имеют существенные недостатки, поэтому поиск новых решений является актуальным.

По мнению авторов, повышение уровня надежности и длительности автономного функционирования ТУС, электропитание которых осуществляется от ЛТХБ, может быть достигнуто на основе минимизации энергетических потерь ЛТХБ, связанных с ее обслуживанием, которое может включать как контроль работоспособности ЛТХБ, так и ее активацию. Можно полагать, что при качественном обслуживании достигается, как минимизация энергетических потерь, связанных с активацией ЛТХБ, так и поддерживается полная работоспособность батареи (ПРБ), как способность отдавать в нагрузку значение тока, предусмотренного спецификацией производителя этого изделия (ЛТХБ) или как способность обеспечивать максимальный ток, потребляемый ТУС, в котором используется ЛТХБ.

Как установлено в процессе исследований, решение поставленной задачи весьма затруднено следующими обстоятельствами. Как известно из техники, суть активации ЛТХБ выражается в разрушении ИПХЛ путем выполнения принудительного разряда ЛТХБ импульсами тока в соответствии с рекомендациями производителя ЛТХБ, что неизбежно приводит к потере общего энергоресурса ЛТХБ. При этом, создается противоречивая ситуация, при которой, с одной стороны, чтобы обеспечить сохранение в течении длительного времени энергоресурс ЛТХБ - ее не надо принудительно разряжать. В таком случае из-за эффекта пассивации ЛТХБ ее работоспособность «угаснет» с течением времени. А с другой стороны, для поддержки работоспособности ЛТХБ и способности ее отдавать в нагрузку требуемый ток, ИПХЛ периодически надо разрушать, то есть подвергать ЛТХБ процедуре активации. Поскольку активация предусматривает принудительный разряд ЛТХБ, то это неизбежно ведет к снижению энергетического ресурса/емкости ЛТХБ и эффективности ее использования в составе ТУС. Частично данное противоречие устраняется, когда ЛТХБ находится на хранении, поскольку время ее хранения может быть точно установлено. В этом случае, перед вводом в эксплуатацию ЛТХБ, ее активируют в соответствии с рекомендациями производителя в соответствии с известными сроками хранения. После ввода ЛТХБ в эксплуатацию выполнять рекомендации производителя по активации батареи становится практически невозможно, поскольку она находится под воздействием неизвестных токовых нагрузок, одни из которых могут препятствовать процессу пассивации, а другие - способствовать. В результате этого, создается противоречивая ситуация, при которой, с одной стороны, для предотвращения отказов в работе ТУС необходимо чаще проводить активацию ЛТХБ, а с другой стороны, для обеспечения экономного расхода энергоресурса батареи, ее активацию надо выполнять реже. То есть, поддержка состояния полной работоспособности батареи (ПРБ) на практике весьма проблематична, что связано с действием объективных факторов, среди которых отсутствие сведений о сроках хранения и режимах эксплуатации ЛТХБ в составе ТУС. Это приводит к тому, что ЛТХБ может подвергаться процедуре активации или чрезмерно часто, или не своевременно. В первом случае ЛТХБ подвергается ускоренному износу и быстрой потере энергоресурса, а во втором, потере состояния ПРБ в результате ее пассивации.

Для решения поставленной задачи иногда используется известный из техники [Л3, Л4] способ активации ЛТХБ, предусматривающий для батарей, находящихся на длительном хранении, проведение через каждые полгода процедуры активации с доведением выходного напряжения ЛТХБ до ее номинального напряжения. Способ предусматривает перед введением в эксплуатацию, выполнять разряд ЛТХБ до тех пор, пока напряжение на ее выходе не достигнет номинального. При этом, осуществление упомянутой активации ЛТХБ осуществляется током, который должен быть примерно в 1~3 раза выше тока, потребляемого электронным устройством в его нормальном режиме работы. При выполнении активации допускается падение напряжения с 3.6 В до уровня 3 В. Время активации не должно превышать 5 минут. Если через 5 минут батарейка, которая хранилась полгода, не обеспечивает требуемый уровень выходного напряжения, принимается решение, что она уже неработоспособна и должна быть заменена.

Использование данного способа частично устраняет недостатки предыдущего способа, поскольку в процессе его использования может достигаться в той или иной мере активация ЛТХБ. Однако, эффективность использования данного способа весьма низкая. Это обусловлено следующими факторами субъективного и объективного характера. Так, при использовании данного способа, установленные регламенты/ требования производителя батареи могут быть грубо нарушены, поскольку физические лица (ФЛ), выполняющие обслуживание ЛТХБ, могут иметь низкую подготовку и квалификацию. Допущенные нарушения нормативов, предусмотренных процедурой обслуживания (активации) ЛТХБ, например, из-за отвлечений, ошибок и значительных погрешностей при визуальном контроле процессов разряда ЛТХБ и измерениях напряжения на ее выходе, могут вызывать избыточный расход емкости ЛТХБ или ее неполную активацию. То есть, выполнение процедуры активации ЛТХБ в этом способе выполняется «на глаз» /примерно/ без соблюдения строго регламента, что сказывается на качестве активации ЛТХБ и контроле ее работоспособности, поскольку может привести к частичному восстановлению работоспособности ЛТХБ или к чрезмерному расходу ресурса этой батареи (потери емкости). Кроме того, данный способ дает примерные рекомендации по активации ЛТХБ: «активация осуществляется током, который должен быть примерно в 1~3 раза выше тока, потребляемого электронным устройством в его нормальном режиме работы». Это также снижает эффективность использования данного способа и может вызывать ускоренный расход энергоресурса ЛТХБ, поскольку при ее активации потребитель / ФЛ может выполнять разряд ЛТХБ чрезмерно большими токами и/или чрезмерно длительное время, особенно, в условиях априорной неопределенности рабочих режимов ТУС, в которых будет использоваться ЛТХБ, и отсутствия данных о сроках ее выпуска/ хранения и/или эксплуатации в режиме разряда микротоками, не препятствующими пассивации ЛТХБ. Также, данный способ имеет низкую эффективность применения при эксплуатации ЛТХБ в составе ТУС. Это обусловлено тем, что при эксплуатации ТУС работа ЛТХБ осуществляется в комбинированном режиме, предусматривающем: хранение (ТУС - выключено), работу в микротоковом режиме, способствующем пассивации ЛТХБ, и работу с номинальной токовой нагрузкой. При таком режиме работы пользователю ТУС практически невозможно определить точную периодичность проведения процедуры активации ЛТХБ. Поэтому, активации будет проводиться случайным образом, скорее всего, более часто, чем требуется, для того, чтобы обеспечить состояние ПРБ. В этом случае ЛТХБ будет ускоренно терять свой энергоресурс. Если же активация будет проводиться редко, то за счет эффекта пассивации ЛТХБ может потерять свою работоспособность и вызвать отказ в работе ТУС. В данном способе возможность выполнения активации ЛТХБ с оптимизацией расхода / снижения энергоресурса на поддержание ее в рабочем состоянии - не обеспечивается.

Из техники [Л5] известен способ активации ЛТХБ, предполагающий для аппаратуры, большую часть времени пребывающей в выключенном состоянии или потребляющей микротоки, перед началом использования по назначения подвергать активации, выражающейся в том, что ЛТХБ вручную подключается к нагрузке на несколько секунд и под контролем напряжения на клеммах разряжается током, превышающем стандартный в несколько раз до тех пор, пока мощный разряд тока, протекающего через ЛТХБ, не разрушит изолирующую пленку, с завершением активации после того, как напряжение на нагрузке восстановится до рабочего уровня, за которым принимается значение напряжения, превышающее 3 В.

Данный способ можно считать более приемлемым, по сравнению с предыдущим, поскольку, согласно мнению большинства экспертов, более надежным критерием активации (депассивации) ЛТХБ является не полное восстановление номинального напряжения 3.6 В на выходе батареи, а достижение значения, превышающего 3 В, как предусмотрено в данном способе активации ЛТХБ. Именно такой критерий (достижение >3 В на выходе нагруженной ЛТХБ) может обеспечить более бережный расход энергоресурса обслуживаемой батареи.

Недостатки данного способа - аналогичные, как и у предыдущего способа. Данный способ также предлагает примерный режим обслуживания ЛТХБ: «выполнять разряд батареи током, превышающем стандартный в несколько раз». Данный способ депассивации ЛТХБ может вызывать существенное снижение ресурса ЛТХБ, поскольку при его использовании не регламентируется периодичность процедуры активации и воздействие на ЛТХБ осуществляется не нормированным по времени и значению тока «стрессовым» воздействием большими токами, что вызывает значительный расход емкости батареи и ускоренную выработку ее ресурса. Также, данный способ имеет низкий уровень эффективности, поскольку после установки ЛТХБ в ТУС, вопрос обслуживания ЛТХБ остается «открытым», то есть, как и когда эту процедуру выполнять - все на усмотрение пользователя, который лишен достоверной информации о степени износа и пассивации ЛТХБ. При использовании данного способа возможность обслуживания с минимизацией/снижением энергетических потерь, связанных с активацией ЛТХБ и организация такого обслуживания, при котором сохраняется способность ЛТХБ отдавать в нагрузку значение тока, предусмотренного спецификацией производителя или поддерживать максимальный ток потребления ТУС, - не обеспечивается.

Из техники [Л6] известно устройство, состоящее из батареи последовательно соединенных химических источников тока (далее - батарея), блока балансировки и контроля параметров батареи (БКПБ), разрядной цепи (РЦ), индикатора и блока управления (БУ), который своими с первого по третий портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом узла РЦ и с первым портом узла БКПБ, который вторым портом соединен с первым портом батареи, которая вторым портом соединена со вторым портом узла РЦ, при этом, узел БУ выполнен с возможностью контроля работоспособности батареи по данным, поступающим с узла БКПБ, который выполнен с возможностью контроля напряжения на элементах батареи и балансировки их токовой нагрузки.

Устройство функционирует следующим образом. В исходном состоянии узлом БКПБ осуществляется измерение напряжения на элементах батареи. Тестирование батареи осуществляется кратковременным подключением к ней узла РЦ, который эмулирует нагрузку с ее номинальным током. Если в процессе тестирования напряжение на батарее находится в пределах допустимых значений, то на индикатор выводится сообщение об исправности батареи. В простейшем случае индикатор может быть двухцветным светодиодом, зеленое или красное свечение которого может свидетельствовать, соответственно, об исправности или разряженном состоянии батареи. Предполагается, что наличие тестового режима может обеспечить устранение пассивации батареи. В рабочем состоянии, при подключении нагрузки (после включения электропитания ТУС), батарея начинает разряжаться. Уровень напряжения на элементах батареи контролируется узлом БКПБ. В процессе разряда батареи или при воздействии на нее больших разрядных токов, напряжение на отдельных элементах батареи может уменьшаться, что свидетельствует о их разряде или снижении работоспособности. В этих случаях, узлом БКПБ под управлением узла БУ осуществляется балансировка элементов батареи, обеспечивающая перераспределение токовой нагрузки между элементами батареи. Если в процессе эксплуатации напряжение на батарее снизится ниже допустимого значения, то этот факт будет зафиксирован узлом БУ, который включит на индикаторе режим индикации факта, что батарея разряжена / не работоспособна.

Данное устройство частично устраняет недостатки предыдущего устройства. Это обусловлено тем, что в устройстве предусмотрена процедура тестирования батареи, которая позволяет контролировать работоспособность батареи и своевременно оповещать пользователя ТУС о ее состоянии с помощью индикатора. Кроме того, узлом БКПБ обеспечивается балансировка токовой нагрузки на элементы батареи, что обеспечивает повышение ее работоспособности.

Данное техническое решение имеет недостатки, аналогичные предыдущему устройству. Так, тестирование батареи, не обеспечивает достоверного контроля работоспособности батареи, поскольку ее пассивация может развиваться постепенно и на этапе тестирования номинальным нагрузочным током не обнаруживаться и не устраняться. Кроме того, тестирование батареи номинальным током не обеспечивает проверку ее работоспособности при максимальном рабочем токе ТУС. Частое тестирование батареи, осуществляемое при каждом включении электропитания ТУС, с одной стороны, способствует частичной активации, однако ведет к повышенному расходу ее энергоресурса. Следует также заметить, что балансировка токовой нагрузки на элементы батареи может в ряже случаев способствовать развитию процесса пассивации отдельных элементов батареи, потому, что действие импульсов повышенного тока, способного разрушить ИПХЛ, снижается узлом БКПБ.

Можно полагать, что для сохранения высокого уровня работоспособности ЛТХБ, необходимо осуществлять мониторинг степени ее пассивации и выполнять активацию ЛТХБ только лишь по мере необходимости.

Исследования показали, что минимизация энергетических затрат (МЭЗ), связанных с активацией ЛТХБ, весьма проблематична, поскольку пассивация ЛТХБ зависит от многих факторов, учет влияния которых на формирование ИПХЛ в ЛТХБ практически учесть/предсказать невозможно. При разных температурах и токовых режимах, воздействующих на ЛТХБ, степень ее пассивации будет различной, поэтому, точное определение момента, когда необходимо провести активацию ЛТХБ, весьма затруднительно. Создается противоречивая ситуация, при которой, с одной стороны, для обеспечения состояния ПРБ необходимо ЛТХБ активировать часто, что приводит к ускоренному расходу ее энергоресурса. С другой стороны, для экономного расхода энергоресурса ЛТХБ, необходимо проводить ее активацию как можно реже, может нарушить работоспособность ЛТХБ и вызвать сбои/отказы в работе ТУС.

По мнению авторов, наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является, известное из техники [Л7], устройство тестирования и активации литий-тионилхлоридной батареи, (далее - устройство), состоящее из микроконтроллера (МК), индикатора, разрядной цепи (РЦ), блока контроля параметров батареи (БКПБ), блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ), памяти и шины электропитания (ШЭП), которая своими с первого по третий портами соединена со вторым портом РЦ, со вторым портом БКПБ и со вторым портом БТВСБ, который первым портом соединен с первым портом МК, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом РЦ, с первым портом БКПБ и с портом памяти, при этом, узел ШЭП выполнен с возможностью подключения к его пятому и к четвертому порту, соответственно литий-тионилхлоридной батареи (ЛТХБ) и нагрузки, питающейся (получающей электропитание) от упомянутой ЛТХБ, узел памяти выполнен с возможностью хранения контрольных данных, характеризующих предельно допустимые электрические параметры и режимы активации ЛТХБ, подключаемой к пятому порту ШЭП, включая пороговое значения внутреннего сопротивления упомянутой ЛТХБ (ПЗВСБ), пороговое значение напряжения упомянутой ЛТХБ (ПЗНБ), значение тока активации упомянутой ЛТХБ (ЗТАБ) и значение времени активации упомянутой ЛТХБ (ЗВАБ), кроме того, узел БТВСБ выполнен с возможностью контроля текущего значения внутреннего сопротивления ЛТХБ (ТЗВСБ), подключенной к пятому порту ШЭП, узел БКПБ выполнен с возможностью контроля текущего значения напряжения ЛТХБ (ТЗНБ), подключенной к пятому порту ШЭП, узел МК выполнен с возможностью функционирования по программе, обеспечивающей обработку данных, поступающих с узлов БТВСБ и БКПБ, включая сравнение ТЗВСБ с ПЗВСБ, сравнение ТЗНБ с ПЗНБ и включение узла РЦ для обслуживания ЛТХБ, подключенной к пятому порту ШЭП, с использованием режимов, определяемых параметрами ЗТАБ и ЗВАБ, и при достижении ТЗВСБ уровня, превышающего ПЗВСБ и/или снижения ТЗНБ ниже ПЗНБ, сигнализации/отображения состояния работоспособности упомянутой ЛТХБ с помощью индикатора.

Функциональная схема данного устройства приведена на фиг. 1. Устройство (фиг. 1) состоит из микроконтроллера (МК) 1, индикатора 2, разрядной цепи (РЦ) 3, блока контроля параметров батареи (БКПБ) 4, блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ) 5, памяти 6 и шины электропитания (ШЭП) 8, которая своими с первого по третий портами соединена, соответственно, со вторым портом узла РЦ 3, со вторым портом узла БКПБ 4 и со вторым портом узла БТВСБ 5, который первым портом соединен с первым портом узла МК 1, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора 2, с первым портом узла РЦ 3, с первым портом узла БКПБ 4 и с портом узла памяти 6, при этом, узел ШЭП 8 выполнен с возможностью подключения к его пятому и к четвертому портам, соответственно, литий-тионилхлоридной батареи (ЛТХБ) 7 и нагрузки 9, питающейся от упомянутой ЛТХБ 7, узел памяти 6 выполнен с возможностью хранения контрольных данных, характеризующих предельно допустимые электрические параметры и режимы активации ЛТХБ 7, подключаемой к пятому порту ШЭП 8, включая пороговое значение внутреннего сопротивления упомянутой литий-тионилхлоридной батареи 7 (ПЗВСБ), пороговое значение напряжения упомянутой литий-тионилхлоридной батареи 7 (ПЗНБ), значение тока активации упомянутой ЛТХБ 7 (ЗТАБ) и значение времени активации упомянутой ЛТХБ 7 (ЗВАБ), кроме того, узел БТВСБ 5 выполнен с возможностью контроля текущего значения внутреннего сопротивления литий-тионлхлоридной батареи 7 (ТЗВСБ), подключенной к пятому порту ШЭП 8, узел БКПБ 4 выполнен с возможностью контроля текущего значения напряжения литий-тионлхлоридной батареи 7 (ТЗНБ), подключенной к пятому порту ШЭП 8, узел МК 1 выполнен с возможностью функционирования по программе, обеспечивающей обработку данных, поступающих с узлов БТВСБ 5 и БКПБ 4, включая сравнение ТЗВСБ с ПЗВСБ, сравнение ТЗНБ с ПЗНБ и включение узла РЦ 3 для активации/разряда ЛТХБ 7, подключенной к пятому порту ШЭП 8, током, соответствующим ЗТАБ в течении времени, соответствующего ЗВАБ, при достижении ТЗВСБ уровня, превышающего ПЗВСБ и/или снижения ТЗНБ ниже ПЗНБ, а также сигнализации/отображения состояния работоспособности упомянутой ЛТХБ с помощью индикатора 2.

Устройство (фиг. 1) функционирует следующим образом. В исходном состоянии нагрузка 9 отключена от четвертого порта ШЭП 8 (ТУС выключено). Периодически, например, один раз в сутки или неделю, автоматически запускается процедура обслуживания узла ЛТХБ 7, подключенной к пятому порту ШЭП 8, осуществляемая под управлением узла МК 1. Процедура обслуживания упомянутой ЛТХБ 7 включает измерение текущего значения внутреннего сопротивления батареи (ТЗВСБ) и текущего значения напряжения батареи (ТЗНБ). Далее происходит проверка факта нахождения измеренных значений ТЗВСБ и ТЗНБ в допустимых пределах. Для этого они сравниваются с контрольными данными, хранящимися в памяти 6. ТЗВСБ сравнивается с величиной ПЗВСБ и ТЗНБ сравнивается с ПЗНБ. При достижении ТЗВСБ уровня, превышающего значение ПЗВСБ, начинается разряд (активация) батареи током величиной ЗТАБ в течении времени ЗВАБ, иначе считается, что ЛТХБ 7, подключенная к 5 порту ШЭП 8 (далее - батарея), работоспособна и на индикатор 2 выводится соответствующее сообщение/сигнал, например его свечение становится зеленым. Обслуживание батареи выполняется под управлением узла МК 1. При этом, узел РЦ 3 используется для формирования импульса разрядного тока с параметрами (величиной тока - ЗТАБ и временем его действия - ЗВАБ), предусмотренными производителем батареи. При включении узла РЦ 3 также включается узел БКПБ 4 для контроля уровня напряжения на ШЭП 8 (на выходе батареи, подключенной к пятому порту ШЭП 8). После завершения процедуры активации на индикаторе 2 отображается состояние ЛТХБ 8, соответствующее работоспособности или потери ее работоспособности. Например, при использовании в качестве узла индикатора 2 двухцветного светодиода, цвет его свечения устанавливается зеленым, как признак работоспособной батареи, в противном случае - цвет свечения индикатора 2 устанавливается красным (батарея - разряжена/неисправна).

В данном техническом решении (TP) предполагается, что снижение расхода энергоресурса ЛТХБ на поддержание ее в работоспособном состоянии может быть достигнуто за счет использования предварительного (перед проведением активации ЛТХБ) периодического контроля внутреннего сопротивления ЛТХБ (КВСБ), на основании результатов которого принимаются решения о необходимости выполнения ее активации по следующему алгоритму: если ТЗВСБ больше или меньше ПЗВСБ, то активация ЛТХБ, соответственно, проводится или нет. Такая стратегия может давать положительные результаты только при используовании минимальной частоте проведения процедур контроля ТЗВСБ, что не невозможно достичь в данном устройстве. Причем, причиной этому является отсутствие функциональной зависимости между состоянием (уровнем работоспособности/уровнем пассивации) ЛТХБ и частотой ее обслуживания. Для снижения рисков пропуска состояний ЛТХБ, соответствующих критическим (с чрезмерным уровнем пассивации, когда ЛТХБ потеряла работоспособность), частота ее обслуживания, в части, касающейся контроля ТЗВСБ, должна быть высокой, что ведет к ускоренному разряду батареи.

Недостатком данного TP является низкая эффективность обслуживания батареи, с точки зрения наличия больших потерь ее энергоресурса, расходуемого на контроль ТЗВСБ. Исходя из того, что батарея постоянно должна находиться в работоспособном состоянии, то измерение ее ТЗВСБ должно выполняться достаточно часто, иначе, из-за действия эффекта пассивации она может выйти из строя и вызвать отказ в работе нагрузки/ТУС. Использование данного TP сопровождается высоким уровнем потерь энергоресурса батареи, расходуемого на ее обслуживание (в части контроля ее работоспособности путем тестирования ТЗВСБ), что приводит к сокращению длительности и снижению надежности автономной работы ТУС, питающегося от батареи. Вероятность отказа ТУС в условиях воздействия на батарею дополнительной токовой нагрузки, возникающей при большой частоте тестирования ТЗВСБ, - повышается. Использование данного TP для решения поставленной задачи - малоэффективно, так его применение может вызывать снижение надежности работы ТУС, питающихся от батареи, как при частом тестировании ее ТЗВСБ, так и в случаях, когда проверка ТЗВСБ осуществляется с низкой периодичностью. При низкой частоте КВСБ происходит неконтролируемая пассивация батареи, из-за чего активация батареи может выполняться не своевременно, что служит источником снижения уровня работоспособности батареи и отказов в работе ТУС, функционирующих при электропитании от батареи.

По мнению авторов, решение поставленной задачи, связанной с повышением надежности и длительности автономной работы ТУС при электропитании от ЛТХБ, может быть достигнуто на основе повышения качества обслуживания упомянутой батареи, с точки зрения снижения ее энергоресурса, расходуемого на поддержание ЛТХБ в работоспособном состоянии. Условно, обслуживание батареи можно разделить на две составных части: контроль работоспособности батареи (КРБ) и восстановление работоспособности батареи (ВРБ). ВРБ, как правило, осуществляется с использованием рекомендаций производителей ЛТХБ и включает разряд батареи в течении заданного времени. Можно полагать, что ВРБ это - активация ЛТХБ, используемая для снижения внутреннего сопротивления батареи, которое может повышаться за счет действия эффекта пассивации ЛТХБ. На этапе КРБ в устройстве-прототипе за счет периодического контроля ТЗВСБ обеспечивается обнаружение факта увеличения внутреннего сопротивления батареи выше допустимого значения, что служит сигналом к началу активации ЛТХБ. В результате того, что воздействие нагрузки на батарею (в виде разрядных токов) носит случайный характер, то развитие пассивации батареи невозможно сопоставить с периодичностью КРБ, то есть с частотой проведения измерений ТЗВСБ. В устройстве-прототипе возможность прогнозирования/вычисления/определения степени пассивации ЛТХБ - не возможен. Наличие неопределенности состояния батареи с точки зрения уровня ее пассивации вынуждает для обеспечения поддержания ее работоспособном состоянии выполнять измерение электрических параметров ЛТХБ, включая контроль ТЗВСБ, со значительно большей частотой, чем это может быть необходимо. Что, как было показано выше, приводит к дополнительным потерям энергоресурса ЛТХБ на ее обслуживание (включая измерение ТЗВСБ).

Согласно идее авторов, предлагается устранить неопределенность, связанную с частотой КРБ и состоянием ЛТХБ на основе контроля уровня пассивации батареи (КУПБ). По мнению авторов, КУПБ может быть реализован на основе мониторинга/измерения токовых нагрузок и подсчете времени их воздействия на ЛТХБ. При этом, авторы исходят из того, что развитие пассивации происходит только в течении того времени, когда на батарею воздействуют разрядные токи, не превышающие пороговое значение. Определение времени в течении которого батарея находилась под воздействием токовой нагрузки, не превышающей пороговое значение (при котором действует эффект пассивации), может характеризовать уровень пассивации ЛТХБ и служить исходными данными/сигналами для инициализации КРБ (тестирования/контроля ТЗВСБ). То есть, выполнение контроля ТЗВСБ может осуществляться по мере необходимости, определяемой по достижения критического уровня пассивации ЛТХБ.

Предложенная авторами идея базируется на следующих данных. Как известно из [Л8], при отсутствии воздействии на ЛТХБ токовых нагрузок на поверхности ее литиевого электрода толщина ИПХЛ увеличивается с течением времени, что вызывает повышение выходного/внутреннего сопротивления батареи и проявление эффекта пассивации в большей мере. ТУС с малым потреблением мощности с током потребления в несколько миллиампер не могут в процессе работы разрушить ИПХЛ и вывести ЛТХБ из режима пассивации. Только лишь мощный токовый импульс позволяет полностью разрушить образовавшийся хлорид лития. При этом, количество энергии (количество емкости батареи - Qa), которая расходуется на процесс активации ЛТХБ может быть определено выражением: Qa=Ia*Ta, где Ia - ток активации, Та - время/длительность активации. Как правило, значение параметров Ia и Та нормируются производителями ЛТХБ. Например, максимальное значение Ia для ЛТХБ компании ЕЕМВ типа ER14250, ER14505, ER26500, ER34615, ER14505M, ER26500M и ER34615M составляет, соответственно, 80 мА, 200 мА, 260 мА, 460 мА, 1000 мА, 2000 мА и 3000 мА. При этом, для активации ЛТХБ, вне зависимости от их модели, время/длительность воздействия Та током Ia пропорционально времени/длительности хранения ЛТХБ. Так, при хранении ЛТХБ в течении 3, 6 и 12 месяцев, время/длительность активации составляет, соответственно, Та (15 сек), 2Та (30 сек) и 4Та (60 сек). Путем простой аппроксимации данных от компании ЕЕМВ можно вычислить значение Та для любого периода времени хранения ЛТХБ, например, для активации ЛТХБ после хранения ее в течении одного месяца необходимо разрядить ЛТХБ током Ia в течении Та=5 сек. Как правило, значение тока Ia указано в документации производителя и обычно равно удвоенному максимально допустимому рабочему току разряда ЛТХБ или считается, что Ia не должен превышать значения максимального импульсного тока ЛТХБ. Таким образом, можно вычислить ориентировочные значения токов активации для любых литиево-тионилхлоридных батарей, руководствуясь их основными электрическими характеристиками. Однако, при использовании ЛТХБ в составе ТУС, определение значения Та становится проблематичным, поскольку на ЛТХБ, находящейся под воздействием токовых нагрузок, процесс развития пассивации контролировать весьма затруднительно/невозможно.

Исследования показали, что при работе в составе ТУС на ЛТХБ могут воздействовать токовые нагрузки, препятствующие образованию ИПХЛ. Так, в [Л9], показано, что при использовании батарей фирмы Omnicell типа ER14250, ER14335, ER14505, ER17335 и ER18505, минимальные сопротивления нагрузки Rдп, при которых эти батареи не пассивируются, составляют значения, соответственно, 660 Ом, 580 Ом, 330 Ом, 330 Ом и 220 Ом. Вычисленный пороговый ток нагрузки Iп, препятствующий образованию ИПХЛ в ЛТХБ батареях типа ER14250, ER14335, ER14505, ER17335 и ER18505, составляет, соответственно, около 5 мА, 6 мА, 10 мА, 11 мА и 16 мА, что составляет около 1/200 части их номинальной емкости (Qн/200). Установлено, что на основе паспортные данных об электрических параметрах ЛТХБ, используемой для электропитания ТУС, например, ее номинальной емкости Qн, можно вычислить пороговый ток нагрузки Iп, препятствующий образованию ИПХЛ в ЛТХБ. Использование этого параметра (Iп) позволяет контролировать условия, способствующие/препятствующие процессу пассивации ЛТХБ. Например, при организации контроля текущего значения тока в нагрузке Iт можно фиксировать факты равенства/превышения его величины пороговому току нагрузки Iп, препятствующему образованию ИПХЛ в ЛТХБ. На основе подсчета времени работы ЛТХБ в режиме, когда Iт<Iп, можно определить время в течении которого процесс пассивации ЛТХБ беспрепятственно развивается, предполагая, что при Iт≥Iп пассивации ЛТХБ прекращается. То есть, на основе использования контроля текущего значения тока в нагрузке Iт и сравнения его с пороговым током нагрузки Iп с подсчетом времени пассивации Тп ЛТХБ можно вычислять/прогнозировать/определять состояние ЛТХБ, соответствующее критическому уровню ее пассивации, что может быть использовано для инициализации обслуживания батареи, включая тестирование внутреннего сопротивления и ее активацию. На основе контроля уровня пассивации ЛТХБ устраняется неопределенность в периодичности обслуживания ЛТХБ, то есть, проводить их по мере необходимости. При снижении частоты обслуживания ЛТХБ снижаются и затраты ее энергоресурса, используемые на проведение обслуживания и количество энергии, направляемой для электропитания нагрузки/ТУС - увеличивается. Это приводит к повышению надежности и длительности автономной работы нагрузки/ТУС.

Целью полезной модели является снижения потерь энергоресурса литийтионил-хлоридной батареи (ЛТХБ) на ее обслуживание.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройство, состоящее из микроконтроллера (МК), индикатора, разрядной цепи (РЦ), блока контроля параметров батареи (БКПБ), блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ), памяти и шины электропитания (ШЭП), которая своими с первого по третий портами соединена со вторым портом РЦ, со вторым портом БКПБ и со вторым портом БТВСБ, который первым портом соединен с первым портом МК, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом РЦ, с первым портом БКПБ и с портом памяти, при этом, узел ШЭП выполнен с возможностью подключения к его пятому порту литий-тионилхлоридной батареи (ЛТХБ), узел памяти выполнен с возможностью хранения контрольных данных, характеризующих предельно допустимые электрические параметры и режимы активации ЛТХБ, подключаемой к пятому порту ШЭП, включая пороговое значения внутреннего сопротивления упомянутой ЛТХБ (ПЗВСБ), пороговое значение напряжения упомянутой ЛТХБ (ПЗНБ), значение тока активации упомянутой ЛТХБ (ЗТАБ) и значение времени активации упомянутой ЛТХБ (ЗВАБ), кроме того, узел БТВСБ выполнен с возможностью контроля текущего значения внутреннего сопротивления ЛТХБ (ТЗВСБ), подключенной к пятому порту ШЭП, узел БКПБ выполнен с возможностью контроля текущего значения напряжения ЛТХБ (ТЗНБ), подключенной к пятому порту ШЭП, узел МК выполнен с возможностью функционирования по программе, обеспечивающей обработку данных, поступающих с узлов БТВСБ и БКПБ, включая сравнение ТЗВСБ с ПЗВСБ, сравнение ТЗНБ с ПЗНБ и включение узла РЦ для активации/разряда ЛТХБ, подключенной к пятому порту ШЭП, током, соответствующим ЗТАБ в течении времени, соответствующего ЗВАБ, при достижении ТЗВСБ уровня, превышающего ПЗВСБ и/или снижения ТЗНБ ниже ПЗНБ, сигнализации/отображения с помощью индикатора состояния упомянутой ЛТХБ, соответствующее работоспособности или потери ее работоспособности, если после обслуживания ЛТХБ ее ТЗВСБ/ТЗНБ находится, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами, дополнительно в его состав введены модуль часов реального времени (МЧРВ) и датчик тока (ДТ), который своими первым и третьим портами соединен, соответственно, с четвертым портом ШЭП и с шестым портом МК, который седьмым портом соединен с портом МЧРВ, при этом, узел ДТ выполнен с возможностью подключения своим вторым портом к нагрузке для обеспечения ее электропитанием от упомянутой ЛТХБ, узел памяти выполнен с возможностью хранения контрольных данных, включая пороговое значение времени пассивации литий-тионилхлоридной батареи (ПЗВПБ), подключаемой к пятому порту ШЭП, при достижении которого упомянутая ЛТХБ нуждается в обслуживании, и пороговое значение тока пассивации литий-тионлхлоридной батареи (ПЗТПБ), подключаемой к пятому порту ШЭП, при превышении которого развитие пассивации упомянутой ЛТХБ прекращается, кроме того, узел МК функционирует по программе, обеспечивающей возможность контроля уровня пассивации ЛТХБ, подключенной к пятому порту ШЭП, на основе измерения длительности ее работы в режиме пассивации, что достигается обработкой данных, поступающих с узлов ДТ и МЧРВ, вычислением длительности временных интервалов пассивации (ВИЛ), в течении которых текущее значение тока в нагрузке (ТЗТН), подключенной ко второму порту ШЭП, находится ниже ПЗТПБ, с фиксацией в узле памяти значений ВИЛ и с игнорированием регистрации в памяти интервалов времени, в течении которых значение тока в упомянутой нагрузке, равно или превышает ПЗТПБ, и вычислением текущего времени пассивации литий-тионилхлоридной батареи (ТЗВПБ), подключенной к пятому порту ШЭП, как общей длительности ее работы под воздействием токовой нагрузки, подключенной ко второму порту ДТ, с величиной ТЗТН не превышающей ПЗТПБ, путем подсчета значений упомянутых ВИЛ, сравнения величины ТЗВПБ с величиной ПЗВПБ и инициализации обслуживания упомянутой ЛТХБ, включая работу узла БТВСБ по тестированию внутреннего сопротивления ЛТХБ, подключенной к пятому порту ШЭП, при достижении или превышении ТЗВПБ величины ПЗВПБ.

Функциональная схема устройства восстановления работоспособности пассивированной литий-тионилхлоридной батареи (далее - устройство) представлена на фиг. 2. Устройство (фиг. 2) состоит из микроконтроллера (МК) 1, индикатора 2, разрядной цепи (РЦ) 3, блока контроля параметров батареи (БКПБ) 4, блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ) 5, памяти 6, датчика ток (ДТ) 10, модуля часов реального времени (МЧРВ) 11 и шины электропитания (ШЭП) 8, которая своими с первого по четвертый портами соединена, соответственно, со вторым портом РЦ 3, со вторым портом БКПБ 4, со вторым портом БТВСБ 5 и с первым портом ДТ 10, который третьим портом соединен с шестым портом МК 1, который своими с первого по пятый и седьмым портами соединен, соответственно, с первым портом БТВСБ 5, со входом индикатора 2, с первым портом РЦ 3, с первым портом БКПБ 4, с портом памяти бис портом МЧРВ 11, при этом, узел ДТ 10 выполнен с возможностью подключения своим вторым портом к нагрузке 9 для обеспечения ее электропитания энергией упомянутой ЛТХБ 7, узел памяти 6 выполнен с возможностью хранения контрольных данных, включая пороговое значение времени пассивации литий-тионилхлоридной батареи (ПЗВПБ) 7, подключаемой к пятому порту ШЭП 8, при достижении которого упомянутая ЛТХБ 7 нуждается в обслуживании, и пороговое значение тока пассивации литий-тионлхлоридной батареи 7 (ПЗТПБ), подключаемой к пятому порту ШЭП 8, при превышении которого развитие пассивации упомянутой ЛТХБ 7 прекращается, кроме того, узел МК 1 функционирует по программе, обеспечивающей возможность контроля уровня пассивации ЛТХБ 7, подключенной к пятому порту ШЭП 8, на основе измерения длительности ее работы в режиме пассивации, что достигается совместной обработкой данных, поступающих с узлов ДТ 10 и МЧРВ 11, вычислением длительности временных интервалов пассивации (ВИЛ), в течении которых текущее значение тока в нагрузке 9 (ТЗТН), подключенной ко второму порту ШЭП 8, находится ниже ПЗТПБ, с фиксацией в узле памяти 6 значений ВИЛ и с игнорированием регистрации в памяти 6 интервалов времени, в течении которых значение тока в упомянутой нагрузке 9, равно или превышает ПЗТПБ, и вычислением текущего времени пассивации литий-тионилхлоридной батареи 7 (ТЗВПБ), подключенной к пятому порту ШЭП 8, как общей длительности ее работы под воздействием токовой нагрузки 9, подключенной ко второму порту ДТ 10, с величиной ТЗТН не превышающей ПЗТПБ, путем подсчета значений упомянутых ВИЛ, сравнения величины ТЗВПБ с величиной ПЗВПБ и включения узла БТВСБ 5 для тестирования внутреннего сопротивления ЛТХБ 7, подключенной к пятому порту ШЭП 8, при достижении или превышении ТЗВПБ величины ПЗВПБ.

Устройство (фиг. 2) функционирует следующим образом. Основные алгоритмы функционирования данного устройства аналогичны устройству-прототипу, включая измерение ТЗВСБ, активацию и индикацию состояния ЛТХБ 7, подключенной к пятому порту ШЭП 8 (далее - батарея). Особенностью данного технического решения является наличие признаков и свойств, обеспечивающих контроль степени пассивации батареи. На основе сравнения величины ТЗВПБ с величиной ПЗВПБ определяется критический уровень пассивации батареи, что служит сигналом для включения узла БТВСБ 5 для тестирования внутреннего сопротивления ЛТХБ 7, подключенной к пятому порту ШЭП 8. Это позволяет снизить до допустимого (без снижения надежного контроля работоспособности батареи) значения частоту проверки ТЗВСБ и, тем самым, уменьшить суммарный расход энергоресурса батареи на выполнение этих процедур. Работа устройства происходит следующим образом. Как видно из фиг. 2, снабжение электроэнергией нагрузки 9 от батареи 7 осуществляется через последовательно включенные узлы ШЭП 8 и ДТ 10, что позволяет контролировать нагрузочные токи, воздействующие на батарею 7. В узле памяти 6 хранятся контрольные данные, включая пороговое значение времени пассивации ЛТХБ (ПЗВПБ) 7, подключаемой к пятому порту ШЭП 8, при достижении которого упомянутая ЛТХБ 7 нуждается в обслуживании, и пороговое значение тока пассивации ЛТХБ 7 (ПЗТПБ), подключаемой к пятому порту ШЭП 8, при превышении которого развитие пассивации упомянутой ЛТХБ 7 прекращается. На основе использования данных, размещенных в памяти, узлом МК 1 реализуется заданный алгоритм оценки уровня пассивации батареи 7 и определения начала/инициализации обслуживания батареи, включая проверку ТЗВСБ. В рабочем состоянии узел МК 1 функционирует по программе, с помощью которой обеспечивается оценка уровня пассивации батареи 7 на основе измерения длительности работы батареи 7 в режиме пассивации. Для этого узел МК 1 выполняет совместную обработку данных, поступающих с узлов ДТ 10 и МЧРВ 11, вычисляет длительность временных интервалов пассивации батареи - ВИПБ_к где к=1, 2, 3… - количество измерений временных интервалов пассивации батареи, в течении которых текущее значение тока в нагрузке 9 (ТЗТН), подключенной ко второму порту ШЭП 8, находится ниже ПЗТПБ. Статистика измерений значений ВИПБ_к фиксируется в узле памяти 6 с игнорированием регистрации в памяти 6 интервалов времени, в течении которых значение тока в упомянутой нагрузке 9, равно или превышает ПЗТПБ. Далее, узлом МК 1 вычисляется текущее значение времени пассивации батареи 7 (ТЗВПБ), как величины равной общей длительности работы батареи под воздействием токовой нагрузки 9 с величиной ТЗТН не превышающей ПЗТПБ. ТЗВПБ определяется суммированием значений ВИПБ_к, накопленных в памяти. Далее, узлом МК 1 осуществляется сравнение величины ТЗВПБ с величиной ПЗВПБ и включение узла БТВСБ 5 для тестирования внутреннего сопротивления батареи 7 при достижении или превышении ТЗВПБ величины ПЗВПБ. Таким образом, с помощью узла МК 1 реализуется функций по контролю уровня пассивации ЛТХБ 7, подключенной к пятому порту ШЭП 8, путем измерения длительности ее работы при уровне разрядного тока, протекающего через ШЭП 8, меньшем ПЗТПБ. Кроме того, узлом МК 1 идентифицируется/определяется/фиксируется достижение критического уровня пассивации ЛТХБ 7 (КУПБ), подключенной к пятому порту ШЭП 8, в случаях достижения или превышения текущего времени пассивации упомянутой ЛТХБ 7 величины ПЗВПБ. Кроме того, при обнаружении/определении состояния, соответствующего КУПБ, осуществляется инициализации обслуживания упомянутой ЛТХБ 7. Дальнейшая работа устройства - аналогична работе устройства-прототипа.

В предлагаемом техническом решении обеспечивается возможность максимально снизить частоту проведения процедур тестирования ВСБ без снижения как надежности контроля состояния батареи 7, так и поддержания высокого уровня ее уровня работоспособности. Это также позволяет выполнять активацию батареи 7 с наименьшей частотой и тем самым дополнительно снизить затраты ее энергоресурса на ее обслуживание.

В предлагаемом устройстве восстановления работоспособности пассивированной литий-тионилхлоридной батареи обеспечивается следующее сочетание отличительных признаков и свойств.

В состав устройства дополнительно введены модуль часов реального времени (МЧРВ) и датчик тока (ДТ), который своими первым и третьим портами соединен, соответственно, с четвертым портом ШЭП и с шестым портом МК, который седьмым портом соединен с портом МЧРВ.

Узел ДТ выполнен с возможностью подключения своим вторым портом к нагрузке, получающей электропитание от ЛТХБ, подключенной к пятому порту ШЭП.

Узел памяти выполнен с возможностью хранения контрольных данных, включая пороговое значение времени пассивации литий-тионилхлоридной батареи (ПЗВПБ), подключаемой к пятому порту ШЭП, при достижении которого упомянутая ЛТХБ нуждается в обслуживании, и пороговое значение тока пассивации ЛТХБ (ПЗТПБ), подключаемой к пятому порту ШЭП, при превышении которого развитие пассивации упомянутой ЛТХБ прекращается.

Узел МК функционирует по программе, обеспечивающей возможность контроля уровня пассивации ЛТХБ, подключенной к пятому порту ШЭП, на основе измерения длительности ее работы в режиме пассивации, что достигается обработкой данных, поступающих с узлов ДТ и МЧРВ, вычислением длительности временных интервалов пассивации (ВИЛ), в течении которых текущее значение тока в нагрузке (ТЗТН), подключенной ко второму порту ШЭП, находится ниже ПЗТПБ, с фиксацией в узле памяти значений ВИЛ и с игнорированием регистрации в памяти интервалов времени, в течении которых значение тока в упомянутой нагрузке, равно или превышает ПЗТПБ, и вычислением текущего времени пассивации литий-тионилхлоридной батареи (ТЗВПБ), подключенной к пятому порту ШЭП, как общей длительности ее работы под воздействием токовой нагрузки, подключенной ко второму порту ДТ, с величиной ТЗТН не превышающей ПЗТПБ, путем подсчета значений упомянутых ВИЛ, сравнения величины ТЗВПБ с величиной ПЗВПБ и инициализации обслуживания упомянутой ЛТХБ, включая работу узла БТВСБ по тестированию внутреннего сопротивления ЛТХБ, подключенной к пятому порту ШЭП, при достижении или превышении ТЗВПБ величины ПЗВПБ.

Введение и использование указанных признаков и свойств позволяет контролировать уровень пассивации ЛТХБ 7, подключаемой к пятому порту ШЭП 8, что позволяет снизить частоту обслуживания ЛТХБ 7, в результате чего обеспечивается уменьшение расхода энергоресурса ЛТХБ 7 на ее обслуживание и повышается как надежность, так и длительность автономной работы нагрузки, подключенной ко второму порту ДТ, и получающей электропитание от ЛТХБ 7.

Техническим результатом (TP), обеспечиваемым заявленной ПМ, является снижение частоты обслуживания батареи, подключенной к ШЭП, без снижения уровня ее работоспособности (надежности контроля), что достигается за счет контроля степени ее пассивации, определяемой по длительности времени работы упомянутой ЛТХБ под воздействием токовых нагрузок, не препятствующих действию на нее эффекта пассивации. При достижении ТЗВПБ равном или большем ПЗВБ узлом МК инициализируется обслуживание упомянутой ЛТХБ, что позволяет выполнять ее обслуживание по мере необходимости - с минимальной частотой.

Дополнительными техническими результатами, достигаемыми при использовании предлагаемой ПМ, является снижение затрат энергоресурса упомянутой ЛТХБ (подключенной к пятому порту ШЭП) не на обслуживание и увеличение длительности энергоснабжения нагрузки (подключенной ко второму порту ДТ) от упомянутой ЛТХБ.

Сочетание отличительных признаков и свойств, предлагаемого устройства восстановления работоспособности пассивированной литий-тионилхлоридной батареи из техники не известно, поэтому оно соответствует критерию новизны. При этом, для достижения максимального эффекта по снижению потерь энергоресурса литийтионил-хлоридной батареи, расходуемого на ее обслуживание, необходимо использовать всю совокупность отличительных признаков и свойств, указанных выше.

Обобщенный алгоритм функционирования предлагаемого устройства восстановления работоспособности пассивированной литий-тионилхлоридной батареи может быть представлен в следующем виде.

- Начало.

- Шаг-1. Инициализация узла МК 1 и переход к шагу 2.

- Шаг-2. Измерение тока I в ШЭП 8, переход к шагу 3.

- Шаг-3. Проверка: текущее значение тока в ДТ 10 меньше ПЗТПБ? - Если нет, то возврат к шагу 2, если - да, то переход к шагу 4.

- Шаг-4. Запуск программного таймера узла МК 1 для начала измерения ВИПБ_к, переход к шагу 5.

- Шаг-5. Проверка: текущее значение тока в ДТ 10 меньше ПЗТПБ? - Если - да, то возврат к шагу 5, если нет, то переход к шагу 6,

- Шаг-6. Запись в узел памяти значения ВИПБ_к, переход к шагу 7.

- Шаг-7. Вычисление ТЗВПБ: суммирование всех значений ВИПБ_к, записанных в узле памяти, переход к шагу 8.

- Шаг-8. Проверка: ТЗВПБ<ПЗВБ? - Если да, то переход к шагу 2, если нет, то переход к шагу 9.

- Шаг-9. Вывод на индикатор 2 сообщений/сигналов о достижении состояния ЛТХБ 7, соответствующего пороговому уровню пассивации, переход к шагу 10, переход к шагу 10.

- Шаг-10. Инициализация обслуживания ЛТХБ 7, подключенной к пятому порту ШЭП 9, переход к шагу 2.

- Конец.

Узлы МК 1, индикатора 2, РЦ 3, БКПБ 4, БТВСБ 5, памяти 6 и ШЭП 8 могут быть аналогичными соответствующим признакам устройства-прототипа и не требуют значительной доработки при реализации предлагаемого технического решения. Узел МЧРВ 10 может быть реализован на основе использования микросхем часов реального времени (RTC), например, микросхем серии М41Т6х (M41T62LC6F) [Л10], отличающихся миниатюрностью, низким энергопотреблением, наличием встроенного часового кварцевого резонатора (32,768 кГц), поддержкой функций часов/календаря и наличием/поддержкой интерфейса типа I²C для обмена данными с узлом МК 1. Узел ДТ 11 может быть реализован на основе использования микросхем интегральных датчиков тока, например, типа CSA-1V компании «Sentron» [Л11]. Изделие CSA-1V представляет собой одноосевой линейный датчик Холла, который размещен в миниатюрном корпусе и предназначен для измерения постоянного и переменного тока. Датчик выполнен по КМОП-технологии с дополнительным ферромагнитным слоем в качестве концентратора магнитного потока для повышения чувствительности. Преимуществом данной конструкции является то, что она позволяет обеспечить детектирование магнитного потока без громоздких ферритовых колец и дополнительных катушек, за счет увеличения полезного сигнала при сохранении величины шума.

Узел МК 1 может быть реализован на основе PIC-контроллеров, известных из [Л12]. Для реализации узлов предлагаемого устройства с необходимыми признаками, свойствами и обеспечения функционирования узла МК 1 по требуемым алгоритмам, также могут быть использованы решения и программные процедуры, известные из авторских программ для ЭВМ [Л15-Л18] и авторских технических решений [Л19-Л23].

На основе приведенных данных можно заключить, что предлагаемая полезная модель устройства восстановления работоспособности пассивированной литий-тионилхлоридной батареи, за счет использования указанных выше отличительных признаков и свойств и реализации достигаемого технического результата, позволяет решить поставленную задачу, связанную с повышением надежности и длительности автономной работы ТУС, электропитание которых осуществляется от ЛТХБ, подключаемой к пятому порту ШЭП. Повышение уровня надежности и длительности автономной работы ТУС достигается за счет снижения частоты обслуживания ЛТХБ, применяемой для электропитания ТУС (подключаемой к пятому порту ШЭП), без снижения надежности контроля ее состояния/работоспособности, что обеспечивается на основе контроля уровня пассивации упомянутой батареи. Частота обслуживания упомянутой ЛТХБ функционально зависима от ее пассивации, то есть, обслуживание инициализируется только при достижении состояния батареи/ЛТТХБ, соответствующего критическому/пороговому значению. В результате этого, обслуживание батареи осуществляется только по мере необходимости. Снижение частоты обслуживания батареи позволяет увеличить количество ее энергоресурса, направляемого на поддержание на обеспечение автономной работы нагнузки/ТУС и тем самым повысить надежность и длительность автономной работы ТУС.

Приведенные средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, позволяют обеспечить ее промышленную применимость.

Основные узлы предлагаемой полезной модели устройства восстановления работоспособности пассивированной литий-тионилхлоридной батареи экспериментально испытаны и могут быть использованы при создании серийных образцов. Производимые устройства, соответствующие предлагаемому техническому решению, могут быть использованы для обслуживания литиевых, преимущественно, литий-тионилхлоридных батарей, используемых, для обеспечения работы ТУС, функционирующих в автономном режиме с электропитанием от ХИТ типа ЛТХБ.

Таким образом, разработанное авторами техническое решение обеспечивает эффективное решение поставленной задачи, связанной с повышением надежности и длительности автономной работы ТУС, получающих электропитание от ЛТХБ, подключаемой к ШЭП устройства. Предлагаемое техническое решение будет востребовано широким кругом пользователей различных устройств и систем, функционирующих с использованием автономных ХИТ типа ЛТХБ. Использование устройства восстановления работоспособности пассивированной литий-тионилхлоридной батареи обеспечивает возможность сохранения высокого уровня работоспособности ХИТ типа ЛТХБ, что повышает надежность и длительность автономного функционирования как потребительской РЭА, так и техники специального назначения.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Литиевые первичные тионил-хлоридные батареи, http://www.proelectro.ru/products/id_28188

2. Продукция компании SCHOTT Electronic Packaging Home и области применения, http://www.schott.com/epackaging/russian/auto/others/battery.html?so=russia&lang=russian

3. Пассивация в гальванических элементах, http://www.rusilicon.net/elements/passivaciya-v-galvanicheskix-elementax.html

4. Статья Л. Вихарева «И вновь о правильном питании, или некоторые особенности эксплуатации литиевых батарей», http://www.kit-e.ru/articles/powersource/2006_4_160.php

5. Пассивация химических источников тока, http://www.ekohit.ru

6. Патент на полезную модель №83657 «Резервированный блок электроники для литий-ионной аккумуляторной батареи», дата публикации 10.06.2009 г.

7. Устройство тестирования и активации литий-тионилхлоридной батареи, Патент №127520, дата регистрации 27.04.2013 г

8. Батареи и аккумуляторы компании ЕЕМВ, http://www.terraelectronica.ru/images/notes/EK2010_08_4.pdf

9. Литий-тионилхлоридные источники питания, http://www.filur.net/img/stati/statia_litiy_tionil.pdf

10. Микросхемы часов реального времени (RTC) от STMicroelectronics, http://www.compel.ru/lib/ne/2013/2/3-mikroshemyi-chasov-realnogo-vremeni-rtc-ot-stmicroelectronics/

11. Интегральный датчик тока CSA-1V компании Sentron, http://www.yeint.ru/integralnyj_datchik_/

12. Микроконтроллеры серии PIC18FX5XX с поддержкой шины USB2.0, http://www.trt.ru/products/microchip/pic 18_2.htm

13. XXX

14. XXX

15. Программа для ЭВМ «Драйвер светоиндикаторного устройства», Свидетельство о государственной регистрации №2011610487 от 13.11.2010 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

16. Программа для ЭВМ «Программа автоматизированной обработки данных», Свидетельство о государственной регистрации №2009613019 от 10.06.2009 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

17. Программа для ЭВМ «Менеджер сенсора», Свидетельство о государственной регистрации №2009610444 от 20.11.2008 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

18. Программа для ЭВМ «Программа приема и обработки аналоговых сигналов», Свидетельство о государственной регистрации №2011610486 от 11.01.2011 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

19. Патент на изобретение №2289856 «Устройство индикации» от 20.12.2006 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

20. Патент на полезную модель №98641 «Устройство заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и контроля их работоспособности» от 20.10.2010 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

21. Патент на полезную модель №114226 «Устройство обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности» от 10.03.2012 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

22. Патент на полезную модель №114227 «Устройство заряда аккумулятора и защиты его от перегрузок» от 10.03.2012 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

23. Патент на полезную модель №114228 «Устройство заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых перегрузок» от 10.03.2012 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

Claims (1)

1. Устройство восстановления работоспособности пассивированной литий-тионилхлоридной батареи, состоящее из микроконтроллера (МК), индикатора, разрядной цепи (РЦ), блока контроля параметров батареи (БКПБ), блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ), памяти и шины электропитания (ШЭП), которая своими с первого по третий портами соединена со вторым портом РЦ, со вторым портом БКПБ и со вторым портом БТВСБ, который первым портом соединен с первым портом МК, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом РЦ, с первым портом БКПБ и с портом памяти, и выполненное с возможностью обслуживания литий-тионилхлоридной батареи (ЛТХБ), подключенной к пятому порту ШЭП, и отображения на индикаторе уровня ее работоспособности, отличающееся тем, что в его состав дополнительно введены модуль часов реального времени (МЧРВ) и датчик тока (ДТ), который своими первым и третьим портами соединен, соответственно, с четвертым портом ШЭП и с шестым портом МК, который седьмым портом соединен с портом МЧРВ, и выполненное с возможностью подключения ко второму порту ДТ нагрузки для обеспечения ее электропитанием от упомянутой ЛТХБ, хранения в памяти данных о пороговом значении времени пассивации упомянутой ЛТХБ (ПЗВПБ), при достижении которого она нуждается в обслуживании, о пороговом значении тока пассивации упомянутой ЛТХБ (ПЗТПБ), при превышении которого развитие ее пассивации прекращается, использования узла МК для реализации функции контроля уровня пассивации упомянутой ЛТХБ на основе измерения длительности ее работы при уровне разрядного тока меньшем ПЗТПБ и определения критического уровня пассивации упомянутой ЛТХБ (КУПБ), наступающего при достижении или превышении текущего времени ее пассивации величины ПЗВПБ, и инициализации обслуживания упомянутой ЛТХБ при обнаружении/определении ее состояния, соответствующего КУПБ.

   

Images