RU2794518C1 - Method for determining the residual capacity of chemical current sources - Google Patents
Method for determining the residual capacity of chemical current sources Download PDFInfo
- Publication number
- RU2794518C1 RU2794518C1 RU2022127391A RU2022127391A RU2794518C1 RU 2794518 C1 RU2794518 C1 RU 2794518C1 RU 2022127391 A RU2022127391 A RU 2022127391A RU 2022127391 A RU2022127391 A RU 2022127391A RU 2794518 C1 RU2794518 C1 RU 2794518C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- value
- residual
- current
- cps
- capacity
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для определения остаточной электрической емкости первичных химических источников тока (ХИТ), т.е. неперезаряжаемых гальванических элементов питания, непосредственно в условиях эксплуатации, без отключения от нагрузки.The invention relates to the field of electrical measuring technology and is intended to determine the residual electrical capacity of primary chemical current sources (CPS), i.e. non-rechargeable galvanic batteries, directly in the operating conditions, without disconnecting from the load.
Непосредственно измерить с достаточной точностью можно только ограниченное число параметров ХИТ, например, разность потенциалов на электродах ХИТ или протекающий ток в электрической цепи при подключении к нему нагрузки. Что же касается наиболее значимой характеристики ХИТ, его емкости, т.е. количества электричества, которое он отдает при работе, то непосредственно этот параметр не измеряется, для его оценки используются косвенные методы.Only a limited number of CPS parameters can be directly measured with sufficient accuracy, for example, the potential difference on the CPS electrodes or the current flowing in the electrical circuit when a load is connected to it. As for the most significant characteristic of a HIT, its capacity, i.e. the amount of electricity that it gives off during operation, then this parameter is not directly measured, indirect methods are used to evaluate it.
Используемые на практике способы контроля емкости ХИТ с достаточной степенью условности можно разделить на две группы:The methods used in practice to control the capacity of CPS can be divided into two groups with a sufficient degree of conventionality:
• способы, расходующие измеряемую величину;• ways that consume the measured value;
• способы, не расходующие (или расходующие незначительно) измеряемую величину.• methods that do not consume (or consume insignificantly) the measured value.
К первой группе относятся измерение времени разряда ХИТ при номинальной постоянной нагрузке и измерение напряжения под нагрузкой, а ко второй - определение емкости по отклику на тестовый сигнал, импульсы различной длительности или по внутреннему сопротивлению ХИТ. Кроме того, существуют и используются также различные комбинации этих методов.The first group includes measuring the discharge time of the CPS at a nominal constant load and measuring the voltage under load, and the second group includes determining the capacitance by response to a test signal, pulses of various durations, or by the internal resistance of the CPS. In addition, various combinations of these methods also exist and are used.
Измерение времени разряда ХИТ при постоянной (номинальной) нагрузке используется только для аккумуляторов. Из-за необходимости их полного разряда процесс измерения является очень длительным, до трех суток. Кроме того, результатом является только то значение ресурса, которое было у аккумулятора изначально, а не текущее (остаточное) значение.The measurement of the discharge time of the HIT at a constant (nominal) load is used only for batteries. Due to the need for their complete discharge, the measurement process is very long, up to three days. In addition, the result is only the value of the resource that the accumulator originally had, and not the current (residual) value.
Измерение напряжения при разряде на эталонную нагрузку также, как правило, используется для аккумуляторов. Алгоритмы анализа полученной измерительной информации при этом могут быть различными.Measurement of voltage when discharging to a reference load is also commonly used for batteries. Algorithms for analyzing the obtained measurement information in this case can be different.
Например, известен способ тестирования литиевого источника тока по патенту РФ №2551702, включающий 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 неразрушаюшую диагностику элементов системы Li/SOCl2 без потери емкости.For example, a method for testing a lithium current source is known according to RF patent No. 2551702, which includes discharging the current source to an external load and measuring its voltage under load. At the same time, the load resistance is reduced so that the current increases to a value at which the voltage under load of the current source differs from the open circuit voltage by 0.001 V, while the obtained current value is compared with the reference value and, if the reference is exceeded, the tested current source is rejected. The technical result is the ability to carry out non-destructive diagnostics of the elements of the Li/SOCl 2 system without loss of capacity.
Указанные алгоритмы позволяют быстро оценить параметры ХИТ, но их можно использовать в качестве оценочного метода только для полностью заряженных ХИТ, а оценка в любой момент времени состояния заряженности ХИТ по значению его напряжения при подключенной нагрузке вообще невозможна, так как напряжение сильно зависит от предыстории эксплуатации («эффект памяти»). Кроме того, на результат измерений сильно влияет техническое состояние элементов коммутации (проводов, игл, зажимов и т.д.) и текущее эксплуатационное состояние ХИТ (температура, время от ближайшего заряда для аккумуляторов и т.п.). Еще одним недостатком является невозможность (или, по крайней мере, большая сложность) использования данного способа для оценки ресурса ХИТ большой емкости и большого напряжения из-за большой мощности рассеивания.These algorithms allow you to quickly evaluate the CPS parameters, but they can be used as an evaluation method only for fully charged CPS, and the assessment of the state of charge of the CPS at any time by the value of its voltage with a connected load is generally impossible, since the voltage strongly depends on the history of operation ( "memory effect"). In addition, the measurement result is strongly affected by the technical condition of the switching elements (wires, needles, clamps, etc.) and the current operational state of the CPS (temperature, time from the next charge for batteries, etc.). Another disadvantage is the impossibility (or, at least, great complexity) of using this method for estimating the life of a high-capacity and high-voltage CPS due to the high power dissipation.
Еще одним недостатком метода оценки разрядного напряжения является ограниченная область его использования, т.к. он применим не для всех типов ХИТ. Так, для самых распространенных в настоящее время литиевых ХИТ он не обеспечивает необходимой точности определения остаточной емкости из-за пологой разрядной кривой. Для литий-тионилхлоридных источников тока, например, разрядная кривая имеет пологую форму вплоть до 80-90% отданной емкости. Кроме того, в зависимости от условий хранения ХИТ, предшествующего диагностике остаточного ресурса, форма разрядной кривой и уровень разрядного напряжения будут различны. Этот метод с большой достоверностью позволяет только по уровню разрядного напряжения при заданном токе проводить отбраковку ХИТ с явным технологическим браком.Another disadvantage of the method for estimating the discharge voltage is the limited area of its use, because it is not applicable to all types of HIT. Thus, for the currently most common lithium CPS, it does not provide the necessary accuracy in determining the residual capacity due to a flat discharge curve. For lithium-thionyl chloride current sources, for example, the discharge curve has a flat shape up to 80-90% of the given capacity. In addition, depending on the storage conditions of the CPS prior to the diagnosis of the residual life, the shape of the discharge curve and the level of the discharge voltage will be different. This method with high reliability allows only for the level of discharge voltage at a given current to carry out the rejection of CPS with an obvious technological defect.
Использование тестового импульса предполагает подачу на ХИТ импульсов тока различной формы на различных частотах и анализ его реакции (отклика) с помощью полученных ранее зависимостей. Форма импульсов, их полярность и длительность зависят от вида ХИТ, его параметров, компании-производителя и т.п. При этом для измерения с приемлемой точностью значение импульсного тока должно быть не менее 1 А (для ХИТ с внутренним сопротивлением от единиц до десятков мОм, в этом диапазоне находится массово используемый ряд ХИТ), но может достигать и 15-20 А.The use of a test pulse involves the supply of current pulses of various shapes at various frequencies to the HIT and the analysis of its reaction (response) using the previously obtained dependencies. The shape of the pulses, their polarity and duration depend on the type of CPS, its parameters, manufacturer, etc. At the same time, in order to measure with acceptable accuracy, the value of the pulsed current must be at least 1 A (for CPS with internal resistance from units to tens of mOhm, a massively used CPS series is in this range), but it can reach 15-20 A.
Например, в способе определения остаточной емкости литиевого химического источника тока (ЛХИТ) и устройстве для его реализации по патенту РФ №2326475 контролируют провал напряжения при импульсном разряде, при этом импульсный разряд тестируемого ЛХИТ осуществляют током 20÷80 мА в течение 10÷200 мс, а значение остаточной емкости определяют по величине провала напряжения при импульсном разряде из предварительно полученной для данного типа ЛХИТ зависимости провала напряжения при импульсном разряде от остаточной емкости.For example, in the method for determining the residual capacity of a lithium chemical current source (LCCS) and the device for its implementation according to the patent of the Russian Federation No. and the value of the residual capacitance is determined by the magnitude of the voltage dip during a pulsed discharge from the dependence of the voltage dip during a pulsed discharge on the residual capacitance previously obtained for this type of LHIT.
Способ определения остаточного ресурса литиевого тионилхлоридного первичного элемента питания по патенту РФ №2467340 может использоваться при тестировании литиевых источников, используемых в системах длительного автономного функционирования. Согласно изобретению, способ включает импульсное подключение нагрузки и определение по переходным характеристикам его остаточного ресурса, при этом на элемент питания предварительно осуществляют одновременное воздействие электрическими импульсами и постоянным током. Это позволяет устранить влияние на измерение остаточного ресурса литиевого источника питания сопротивления пассивирующей пленки при минимальном воздействии на остаточный ресурс непосредственно самого элемента питания.The method for determining the residual resource of a lithium thionyl chloride primary battery according to RF patent No. 2467340 can be used when testing lithium sources used in long-term autonomous operation systems. According to the invention, the method includes a pulse connection of the load and the determination of its residual life by the transient characteristics, while the battery is previously subjected to simultaneous exposure to electrical impulses and direct current. This makes it possible to eliminate the influence of the resistance of the passivating film on the measurement of the residual life of a lithium power source, while minimizing the impact on the residual life of the battery itself.
Импульсные способы просты в реализации, не занимают много времени, но имеют все те же недостатки, что и предыдущий, и, кроме того, высокое энергопотребление. ХИТ, пусть и незначительно, в процессе тестирования разряжается.Pulse methods are easy to implement, do not take much time, but have all the same disadvantages as the previous one, and, in addition, high power consumption. HIT, albeit slightly, is discharged during testing.
Контроль по внутреннему сопротивлению предполагает измерение внутреннего сопротивления (комплексного или различных его составляющих) ХИТ на одной или на разных частотах подаваемого напряжения нового ХИТ и в процессе его эксплуатации. По результатам этих измерений оценивается остаточная емкость ХИТ.Control by internal resistance involves measuring the internal resistance (complex or its various components) of the CPS at one or at different frequencies of the applied voltage of the new CPS and during its operation. Based on the results of these measurements, the residual capacity of the CPS is estimated.
Например, в патенте РФ №2295139 способ определения остаточной емкости первичного источника тока заключается в том, что на первичный химический источник тока подают предварительный импульс тока, разрушающий пассивирующую пленку на аноде. Непосредственно после пропускания предварительного импульса тока через первичный источник тока проводят измерения его импеданса в частотном диапазоне от долей герца до 1 кГц, а из полученного годографа импеданса рассчитывают величину фазового угла в точке, в которой модуль экстремума мнимой части годографа имеет максимальное значение. Остаточную емкость определяют путем сравнения полученной величины фазового угла с калибровочной кривой.For example, in RF patent No. 2295139, the method for determining the residual capacity of the primary current source consists in the fact that a preliminary current pulse is applied to the primary chemical current source, which destroys the passivating film on the anode. Immediately after passing the preliminary current pulse through the primary current source, its impedance is measured in the frequency range from fractions of a hertz to 1 kHz, and from the resulting impedance hodograph, the phase angle is calculated at the point at which the modulus of the extremum of the imaginary part of the hodograph has a maximum value. The residual capacitance is determined by comparing the measured phase angle with the calibration curve.
Импедансный способ нашел широкое применение благодаря малым затратам времени на диагностику и тому, что при его реализации практически не расходуется ресурс ХИТ. Тем не менее способ пригоден только для определенного типа систем, причем в качестве индикатора емкости ХИТ из-за низкой точности ее измерения. Кроме того, реализация способа требует очень сложной математической обработки данных, причем используемая математическая модель индивидуальна для каждого типа ХИТ.The impedance method has found wide application due to the low time spent on diagnostics and the fact that its implementation practically does not consume the HIT resource. However, the method is suitable only for a certain type of systems, and as an indicator of the CPS capacity due to the low accuracy of its measurement. In addition, the implementation of the method requires very complex mathematical data processing, and the mathematical model used is individual for each type of HIT.
Все перечисленные способы обладают одним существенным недостатком: они неприменимы для оценки ресурса ХИТ в режиме эксплуатации, то есть для проведения измерений требуется отключение ХИТ от нагрузки. Однако на практике часто актуальной является задача контроля остаточного ресурса элементов питания непосредственно в процессе эксплуатации устройств или систем, в которых они используются, т.е. необходим непрерывный мониторинг значения израсходованной и остаточной емкости ХИТ.All of the above methods have one significant drawback: they are not applicable for assessing the life of the CPS in the operating mode, that is, for measurements, it is required to disconnect the CPS from the load. However, in practice, the task of monitoring the residual life of batteries directly during the operation of devices or systems in which they are used is often relevant, i.e. it is necessary to continuously monitor the value of the spent and residual capacity of the CPS.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ измерения электрической емкости химических источников тока по патенту РФ №2172044.Closest to the proposed invention in terms of technical essence is a method for measuring the electrical capacitance of chemical current sources according to RF patent No. 2172044.
Согласно изобретению, способ заключается в процессе разряда испытуемого источника на конденсаторную нагрузку, измерении времени заряда конденсатора и расчете электрической емкости измеряемого химического источника тока по формуле Qэл=C•U/(2tзар•k), где Qэл - электрическая емкость измеряемого источника тока, А•ч; С - емкость заряжаемого конденсатора, Ф; U - напряжение на измеряемом источнике тока, В; tзap - время заряда конденсатора от измеряемого источника тока, с; k - коэффициент, учитывающий конструктивные и технологические особенности измеряемого ХИТ.According to the invention, the method consists in the process of discharging the source under test to a capacitor load, measuring the charge time of the capacitor and calculating the electrical capacitance of the measured chemical current source according to the formula Q el =C•U/(2t charge •k), where Q el is the electrical capacitance of the measured source current, A•h; C - capacitance of the charged capacitor, F; U - voltage on the measured current source, V; t zap - capacitor charging time from the measured current source, s; k - coefficient taking into account the design and technological features of the measured CPS.
В качестве недостатков данного способа можно отметить следующие.The disadvantages of this method are the following.
Прежде всего, как и в описанных выше аналогах, для определения электрической емкости ХИТ его необходимо отключить от нагрузки и провести тестовый эксперимент, т.е. задача непрерывного мониторинга значения емкости этим способом решена быть не может.First of all, as in the analogues described above, in order to determine the electrical capacitance of a CPS, it must be disconnected from the load and a test experiment should be carried out, i.e. the problem of continuous monitoring of the capacitance value cannot be solved in this way.
Кроме того, входящий в формулу коэффициент k учитывает два вида факторов: характеристики самого элемента (материал, конструктивные и технологические особенности изготовления) и настройки измерительной схемы, а именно значение уровня напряжения ХИТ, до которого производится заряд накопительного конденсатора и которое соответственно определяет одну из граничных точек измеряемого времени заряда. По результатам проведенных исследований в патенте рекомендовано выбирать значение к в диапазоне от 0,86 до 0,95; для получения оптимального значения для конкретного типа элемента необходимо проведение дополнительных предварительных исследований. Если же проводить полный заряд накопительного конденсатора, то из-за экспоненциального характера зарядной кривой на ее конечном этапе возникает большая погрешность измерений.In addition, the coefficient k included in the formula takes into account two types of factors: the characteristics of the element itself (material, design and technological features of manufacturing) and the settings of the measuring circuit, namely the value of the CPS voltage level, to which the storage capacitor is charged and which, accordingly, determines one of the boundary points of the measured charging time. According to the results of the research in the patent, it is recommended to choose the value of k in the range from 0.86 to 0.95; to obtain the optimal value for a particular type of element, additional preliminary studies are necessary. If, however, a full charge of the storage capacitor is carried out, then due to the exponential nature of the charging curve, a large measurement error arises at its final stage.
Технической проблемой заявляемого изобретения является разработка способа определения остаточной емкости химических источников тока с возможностью непрерывного контроля потребленного и остаточного ресурса ХИТ непосредственно в процессе эксплуатации.The technical problem of the claimed invention is the development of a method for determining the residual capacity of chemical current sources with the possibility of continuous monitoring of the consumed and residual CPS resource directly during operation.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения электрической емкости химических источников тока, включающем измерение напряжения на источнике и заряд конденсатора известной емкости, дополнительно непрерывно измеряют рабочую температуру ХИТ и ток в его нагрузке, осуществляют циклы заряда-разряда конденсатора напряжением, пропорциональным току в нагрузке, формируют базовые электрические заряды (БЭЗ) равной ампер-секундной площади и в режиме реального времени определяют значение заряда, переданного в нагрузку, как количество БЭЗ за анализируемый интервал времени, а остаточный ресурс определяют как разность между начальным значением электрической емкости ХИТ и потребленной емкостью и корректируют его значение в соответствии с текущим значением рабочей температуры по заранее известной зависимости. При этом для коррекции значения остаточного ресурса ХИТ используют либо паспортную зависимость емкости от температуры, либо зависимость, полученную в результате статистических исследований ХИТ. При необходимости остаточный ресурс определяют в единицах энергии, для чего полученное значение остаточной электрической емкости умножают на значение напряжения ХИТ.The specified technical result is achieved by the fact that in the method for measuring the electric capacitance of chemical current sources, including measuring the voltage at the source and charging a capacitor of known capacity, the operating temperature of the CPS and the current in its load are additionally continuously measured, charge-discharge cycles of the capacitor are carried out with a voltage proportional to the current in load, form basic electric charges (BEC) equal to the ampere-second area and in real time determine the value of the charge transferred to the load as the number of BEC for the analyzed time interval, and the residual resource is determined as the difference between the initial value of the electric capacitance of the CPS and the consumed capacitance and adjust its value in accordance with the current value of the operating temperature according to a predetermined relationship. In this case, to correct the value of the residual resource of the CPS, either the passport dependence of the capacity on temperature, or the dependence obtained as a result of statistical studies of the CPS, is used. If necessary, the residual resource is determined in units of energy, for which the obtained value of the residual electrical capacity is multiplied by the voltage value of the HIT.
Остаточный ресурс представляет собой разницу между начальной и потребленной энергией элемента. Таким образом, для его нахождения необходимо постоянно контролировать потребленное количество электричества (заряд) и, интегрируя это значение, вычитать его из начального значения емкости элемента с учетом температуры эксплуатации. Зависимость изменения емкости от температуры приводится в паспорте на ХИТ, однако в процессе работы элемента происходит его старение. Если элемент какое-то время не работал, может произойти пассивация его электродов (это особенно характерно для литий-тионилхлоридных батарей). Поэтому за начальное значение ресурса необходимо принимать значение заряда (энергии) ХИТ в момент его включения в работу.The residual resource is the difference between the initial and consumed energy of an element. Thus, to find it, it is necessary to constantly monitor the consumed amount of electricity (charge) and, integrating this value, subtract it from the initial value of the cell capacitance, taking into account the operating temperature. Dependence of capacitance change on temperature is given in the passport for HIT, however, during the operation of the element, its aging occurs. If the cell has not worked for some time, passivation of its electrodes may occur (this is especially true for lithium-thionyl chloride batteries). Therefore, for the initial value of the resource, it is necessary to take the value of the charge (energy) of the CPS at the moment it is put into operation.
В технических устройствах с автономным питанием могут реализовываться различные режимы энергопотребления, как активные, так и пассивные. В пассивном режиме расход заряда определяется только энергопотреблением элементной базы устройства, для питания которого используется ХИТ. Активные режимы работы могут сильно разниться между собой по таким параметрам, как энергопотребление, длительность и периодичность (частота) возникновения. Они могут быть, например, кратковременными периодами высокого потребления, более длительными периодами меньшего потребления и т.д. Для корректного учета потребленного заряда (энергии) и определения остаточного ресурса необходим непрерывный мониторинг энергопотребления, независимо от длительности отдельных режимов. При этом потребленный заряд должен учитываться нарастающим итогом.Self-powered technical devices can implement various power consumption modes, both active and passive. In the passive mode, the charge consumption is determined only by the power consumption of the element base of the device, which is powered by the HIT. Active modes of operation can vary greatly among themselves in terms of such parameters as power consumption, duration and frequency (frequency) of occurrence. They can be, for example, short periods of high consumption, longer periods of low consumption, etc. To correctly account for the consumed charge (energy) and determine the remaining resource, continuous monitoring of energy consumption is necessary, regardless of the duration of individual modes. In this case, the consumed charge should be taken into account on an accrual basis.
Основным преимуществом заявляемого способа по сравнению с известными решениями является контроль потребленного и остаточного ресурса ХИТ непосредственно в процессе эксплуатации, без отключения от нагрузки, что позволяет в режиме реального времени принимать решение о необходимости замены ХИТ. Это обеспечивается тем, что для контроля используют напряжение, пропорциональное току, потребляемому нагрузкой, а не сам ток потребления.The main advantage of the proposed method in comparison with known solutions is the control of the consumed and remaining resource of the CPS directly during operation, without disconnecting from the load, which allows real-time decision making on the need to replace the CPS. This is ensured by the fact that a voltage proportional to the current consumed by the load is used for control, and not the consumption current itself.
Непрерывный мониторинг подразумевает учет энергопотребления как в пассивных (статических), так и в активных (статических и динамических) режимах работы нагрузки. В заявленном способе это обеспечивается формированием БЭЗ путем непрерывного интегрирования напряжения, пропорционального току в нагрузке, с последующим накоплением количества БЭЗ.Continuous monitoring implies taking into account the energy consumption in both passive (static) and active (static and dynamic) load operation modes. In the claimed method, this is ensured by the formation of the BEC by continuously integrating the voltage proportional to the current in the load, followed by the accumulation of the amount of the BEC.
При этом в процессе контроля ресурс ХИТ практически не расходуется. Это обеспечивается за счет того, что, в отличие от известного способа, в котором конденсатор заряжают разрядным током ХИТ, в предлагаемом способе заряд производят с помощью линейного интегратора напряжением, пропорциональным потребляемому току.At the same time, the HIT resource is practically not consumed during the control process. This is ensured by the fact that, in contrast to the known method, in which the capacitor is charged by the discharge current of the HIT, in the proposed method, the charge is produced using a linear integrator with a voltage proportional to the consumed current.
Реализация предлагаемого метода учета потребления энергии ХИТ иллюстрируется фиг. 1-5.The implementation of the proposed method for accounting for the energy consumption of the HIT is illustrated in Fig. 1-5.
На фиг. 1 показана функциональная схема определения остаточного ресурса.In FIG. 1 shows a functional diagram of the determination of the residual resource.
На фиг. 2 приведена схема формирования БЭЗ.In FIG. Figure 2 shows a diagram of the formation of the BEZ.
Фиг. 3 поясняет физический смысл формирования БЭЗ.Fig. 3 explains the physical meaning of the BES formation.
На фиг. 4 представлены результаты моделирования предлагаемого способа в программе Electronics Workbench для статических режимов потребления.In FIG. 4 shows the simulation results of the proposed method in the Electronics Workbench program for static consumption modes.
На фиг. 5 представлены результаты моделирования предлагаемого способа в программе Electronics Workbench для динамических режимов потребления.In FIG. Figure 5 shows the simulation results of the proposed method in the Electronics Workbench program for dynamic consumption modes.
Последовательно с нагрузкой Rн для измерения тока потребления в режиме реального времени включают балластный резистор Rб, сопротивление которого намного меньше сопротивления нагрузки и не оказывает значимого влияния на потребление заряда от ХИТ.In series with the load R n to measure the current consumption in real time, a ballast resistor R b is included, the resistance of which is much less than the load resistance and does not significantly affect the charge consumption from the HIT.
Потребленный (переданный в нагрузку от ХИТ) за определенный промежуток времени t заряд qпотр определяется выражениемThe charge consumed (transferred to the load from the HIT) for a certain period of time t q consumption is determined by the expression
где i - ток, потребляемый нагрузкой.where i is the current consumed by the load.
Эта формула справедлива для постоянного тока потребления. Если это условие не соблюдается, выражение примет видThis formula is valid for direct current consumption. If this condition is not met, the expression will take the form
Этот заряд измеряют количеством условных единичных порций, так называемых базовых электрических зарядов (БЭЗ) qбэз равной ампер-секундной площади, например, 0,1 мА⋅с. Каждую такую порцию формируют посредством интегрирования напряжения, пропорционального потребляемому току.This charge is measured by the number of conditional unit portions, the so-called basic electric charges (BEC) q without equal ampere-second area, for example, 0.1 mA⋅s. Each such portion is formed by integrating a voltage proportional to the consumed current.
Для этого измеренное значение тока i преобразуют в напряжение и подают в формирователь БЭЗ, основными элементами которого являются аналоговый интегратор и компаратор (фиг. 2). Функция интегрирования обеспечивает корректный учет всех возможных режимов потребления вне зависимости от их длительности и значений тока. Временные рамки интегрирования (t1-t2 и t2-t3) определяются моментами достижения значений опорного напряжения Uоп1 и Uоп2, в которых меняют полярность подаваемого на интегратор напряжения. Конкретные значения опорного напряжения выбирают, исходя из условия обеспечения линейного режима работы интегратора.To do this, the measured value of the current i is converted into voltage and fed into the BEC shaper, the main elements of which are an analog integrator and a comparator (Fig. 2). The integration function ensures that all possible consumption modes are correctly taken into account, regardless of their duration and current values. The integration time frame (t 1 -t 2 and t 2 -t 3 ) is determined by the moments of reaching the values of the reference voltage U op1 and U op2 , in which the polarity of the voltage supplied to the integrator is reversed. Specific values of the reference voltage are chosen based on the condition for ensuring the linear mode of operation of the integrator.
Интегрирование осуществляют в два этапа: вначале интегрируют напряжение, потраченное на заряд конденсатора, а затем - на его разряд (фиг. 3). Значение каждой единичной порции заряда будет определяться параметрами интегратора R и С, значением балластного резистора Rб и пределами интегрирования интегратора t1 и t3. Оно может быть определено по формулеThe integration is carried out in two stages: first, the voltage spent on the charge of the capacitor is integrated, and then on its discharge (Fig. 3). The value of each unit portion of the charge will be determined by the parameters of the integrator R and C, the value of the ballast resistor R b and the integration limits of the integrator t 1 and t 3 . It can be determined by the formula
где Uоп1 и Uоп2 - опорные напряжения компаратора.where U op1 and U op2 are the reference voltages of the comparator.
Значение заряда, переданного в нагрузку, измеряют путем подсчета количества n БЭЗ за анализируемый интервал времени:The value of the charge transferred to the load is measured by counting the number n of the BEC for the analyzed time interval:
Напряжение U на выходе ХИТ в течение этого интервала (фактически это время работы ХИТ) изменяется очень незначительно. Поэтому для дальнейших расчетов используют среднее значение напряжения. Потребленный нагрузкой ресурс может быть оценен как через заряд qпотр, так и через энергию Wпотр, переданную в нагрузку:The voltage U at the HIT output during this interval (in fact, this is the operating time of the HIT) changes very slightly. Therefore, for further calculations, the average value of the voltage is used. The resource consumed by the load can be estimated both through the charge q expended and through the energy W expended transferred to the load:
Остаточный ресурс определяют как разность между начальным значением энергии (емкости) ХИТ и потребленным ресурсом. Начальное значение зависит от температуры, при которой эксплуатируется ХИТ, соответственно его корректируют в соответствии с текущим значением рабочей температуры Траб по заранее известной зависимости емкости от температуры. Поэтому оба этих параметра - напряжение на выходе ХИТ и рабочая температура - также постоянно измеряют.The residual resource is defined as the difference between the initial value of the energy (capacity) of HIT and the consumed resource. The initial value depends on the temperature at which the HIT is operated, respectively, it is corrected in accordance with the current value of the operating temperature T slave according to a previously known dependence of the capacitance on temperature. Therefore, both of these parameters - the voltage at the HIT output and the operating temperature - are also constantly measured.
В качестве зависимости может быть использована паспортная зависимость емкости ХИТ от температуры или зависимость, полученная в результате статистических исследований ХИТ.As a dependence, the passport dependence of the CPS capacity on temperature or the dependence obtained as a result of statistical studies of the CPS can be used.
Для оценки возможности реализации предложенного способа непрерывного контроля остаточного ресурса ХИТ было проведено моделирование в программе для моделирования электрических схем Electronics Workbench.To assess the feasibility of implementing the proposed method for continuous monitoring of the residual life of the CPS, simulation was carried out in the program for simulating electrical circuits Electronics Workbench.
На фиг. 4 показана работа интегратора для трех различных статических режимов тока потребления (1,10 и 50 мА). Как видно, при изменении значения тока потребления частота формирования БЭЗ также будет пропорционально изменяться: чем больше ток потребления, тем выше частота циклов интегрирования.In FIG. 4 shows the operation of the integrator for three different static current consumption modes (1.10 and 50 mA). As can be seen, when the consumption current value changes, the BEC formation frequency will also change proportionally: the greater the consumption current, the higher the frequency of integration cycles.
На фиг. 5 показаны результаты моделирования трех условных режимов работы ХИТ.In FIG. 5 shows the results of simulation of three conditional modes of operation of the CPS.
Для первого режима, «дежурного», ток потребления условно принят равным 1 мА, для второго режима - 10 мА с длительностью 0,1 с, а в третьем режиме - 100 мА с длительностью 0,5 с.For the first mode, "standby", the current consumption is conventionally assumed to be 1 mA, for the second mode - 10 mA with a duration of 0.1 s, and in the third mode - 100 mA with a duration of 0.5 s.
По графикам видно, что, несмотря на кратковременность второго режима, потребленный им ток все равно учитывается интегратором, что доказывает корректность учета. Это достигается за счет использования в предлагаемом методе аналогового интегрирования потребляемого тока.The graphs show that, despite the short duration of the second mode, the current consumed by it is still taken into account by the integrator, which proves the correctness of the account. This is achieved through the use of analog integration of the consumed current in the proposed method.
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2794518C1 true RU2794518C1 (en) | 2023-04-20 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2172044C1 (en) * | 1999-11-24 | 2001-08-10 | Косюк Виктор Иванович | Method for metering capacity of chemical current supplies |
| RU2325738C2 (en) * | 2004-12-02 | 2008-05-27 | Сони Корпорейшн | Battery pack, charge control method, and device for application |
| US20100261044A1 (en) * | 2008-08-19 | 2010-10-14 | Endress + Hauser Process Solutions Ag | Method for monitoring the state of charge, or remaining capacity, of a disposable or rechargeable battery |
| RU126514U1 (en) * | 2012-06-15 | 2013-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | ACTIVATION AND MONITORING DEVICE OF LITHIUM BATTERY |
| RU2496191C2 (en) * | 2011-02-28 | 2013-10-20 | Виктор Иванович Косюк | Measuring device of electric capacity of chemical current sources |
| JP2014147187A (en) * | 2013-01-28 | 2014-08-14 | Denso Corp | Battery monitoring device |
| RU2594334C1 (en) * | 2016-04-13 | 2016-08-10 | Игорь Борисович Широков | Device for measurement of residual capacitance of chemical current source |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2172044C1 (en) * | 1999-11-24 | 2001-08-10 | Косюк Виктор Иванович | Method for metering capacity of chemical current supplies |
| RU2325738C2 (en) * | 2004-12-02 | 2008-05-27 | Сони Корпорейшн | Battery pack, charge control method, and device for application |
| US20100261044A1 (en) * | 2008-08-19 | 2010-10-14 | Endress + Hauser Process Solutions Ag | Method for monitoring the state of charge, or remaining capacity, of a disposable or rechargeable battery |
| RU2496191C2 (en) * | 2011-02-28 | 2013-10-20 | Виктор Иванович Косюк | Measuring device of electric capacity of chemical current sources |
| RU126514U1 (en) * | 2012-06-15 | 2013-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | ACTIVATION AND MONITORING DEVICE OF LITHIUM BATTERY |
| JP2014147187A (en) * | 2013-01-28 | 2014-08-14 | Denso Corp | Battery monitoring device |
| RU2594334C1 (en) * | 2016-04-13 | 2016-08-10 | Игорь Борисович Широков | Device for measurement of residual capacitance of chemical current source |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2603260C2 (en) | Method for increasing service life of capacitors in sequential units and device for its implementation | |
| US10302709B2 (en) | Battery state-of-health determination using multi-factor normalization | |
| US10527680B2 (en) | Systems and methods for determining battery state of charge | |
| US7573237B2 (en) | System and method for monitoring battery state | |
| US8269502B2 (en) | Method for determining the state of health of a battery using determination of impedance and/or battery state | |
| US6556019B2 (en) | Electronic battery tester | |
| US9841465B2 (en) | Battery DC impedance measurement | |
| US20170115355A1 (en) | Maximum capacity estimator for battery state of health and state of charge determinations | |
| US7446510B2 (en) | Diagnosis method for state-of-health of batteries | |
| US8203305B1 (en) | Enhanced voltage-based fuel gauges and methods | |
| US10620275B2 (en) | State estimation of an energy system | |
| JP2013519893A (en) | In-situ battery diagnostic method by electrochemical impedance spectroscopy | |
| KR20060097581A (en) | Status detector for power supply, power supply, and initial characteristic extracting device for use with power supply | |
| Hossain et al. | A parameter extraction method for the Thevenin equivalent circuit model of Li-ion batteries | |
| US10705153B2 (en) | Methods and apparatus for measuring battery characteristics | |
| KR20200020566A (en) | Battery management apparatus capable of diagnosing battery life using electrochemical impedance spectroscopy and method using the same | |
| US20210080508A1 (en) | Methods and system for a battery | |
| US20230375627A1 (en) | Tracking state of charge of a non-rechargeable battery using impedance spectroscopy | |
| RU2794518C1 (en) | Method for determining the residual capacity of chemical current sources | |
| US20210223324A1 (en) | Methods and apparatus for a battery | |
| KR20220041045A (en) | Battery performance evaluation method and device | |
| Aslan et al. | A Review on The Battery State of Charge Estimation Methods For Electric Vehicle Battery Management Systems | |
| US20230198035A1 (en) | Measurement apparatus, and measurement method | |
| RU160681U1 (en) | PULSE RELAXATION DEVICE FOR THE EVALUATION OF NICKEL-CADMIUM BATTERIES | |
| JP2021113728A (en) | Apparatus and method for measuring power storage device |