WO2013028090A1

WO2013028090A1 - Способ определения остаточного ресурса литиевого тионил хлоридного первичного элемента питания

Info

Publication number: WO2013028090A1
Application number: PCT/RU2011/000633
Authority: WO
Inventors: Андрей Андреевич БРЫЗГАЛОВ; Сергей Владимирович СОЛОБОЕВ; Анатолий Сергеевич КОЗЛОВ; Александр Андреевич ЗЫКОВ
Original assignee: Bryzgalov Andrei Andreevich; Soloboev Sergei Vladimirovich; Kozlov Anatolii Sergeevich; Zykov Aleksandr Andreevich
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2013-02-28

Abstract

Изобретение относится к области электрических измерений, а именно к измерению остаточного ресурса литиевых тионил хлоридных первичных элементов и может использоваться при тестировании литиевых источников используемых в системах длительного автономного функционирования. Способ определения остаточного ресурса литиевого тионил хлоридного первичного элемента питания, включающий импульсное подключение нагрузки и определение по переходным характеристикам его остаточного ресурса. Новым является то, что на элемент питания предварительно осуществляют одновременное воздействие электрическими импульсами и постоянным током.

Description

Способ определения остаточного ресурса литиевого тионил хлоридного первичного элемента питания

Область техники

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

Предшествующий уровень техники

Известно, что литиевые тионил хлоридные первичные элементы обладают уникальной совокупностью температурных, ресурсных и массогабаритных харак- теристик. Эго обусловливает их широкое применение для питания электронных модулей самого различного назначения. Однако существенным неудобством для пользователей является отсутствие технологий оперативной диагностики состояния данных элементов. Основная проблема заключается в том, что на аноде литиевого тионил хлоридного элемента формируется пассивирующая многослойная плёнка сложной структуры [1, 2]. Она имеет высокую ионную и очень низкую электрон- ную проводимости. Разброс её сопротивления значительно увеличивается со вре- менем хранения. Именно существование такой плёнки обеспечивает малый само- разряд элемента при высоких температурах. Однако её сопротивление оказывается включённым последовательно с внутренним сопротивлением элемента и маскирует его [3].

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

Второй метод разрушения плёнки - воздействие на нее постоянным достаточ- но большим током, также неприемлем, т.к. сопряжён с заметным расходом ресурса источника питания.

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

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

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно устранение влияния на измерение остаточного ресурса литиевого источ- ника питания сопротивления пассивирующей плёнки при минимальном воздейст- вии на остаточный ресурс непосредственно самого элемента питания.

Раскрытие изобретения

Указанная задача в способе определения остаточного ресурса литиевого тио- нил хлоридного первичного элемента питания, включающем импульсное подклю- чение нагрузки и определение по переходным характеристикам его остаточного ре- сурса, решена тем, что на элемент питания предварительно осуществляют одновре- менное воздействие электрическими импульсами и постоянным током.

Благодаря предварительному одновременному воздействию на элемент пита- ния электрических импульсов и постоянного тока, удается с минимальными затра- тами электрической энергии элемента питания разрушить пассивирующую плёнку и определить его остаточный ресурс. Эффективность данного механизма объясня- ется тем, что короткие импульсы увеличенной амплитуды вызывают локальный импульсный нагрев пленки и появление механических напряжений, связанных с пространственной неоднородностью температурного поля. Если величина напря- жений превышает порог прочности материала плёнки, она начинает трескаться. Со- вместное влияние проникающего в трещины электролита и постоянного тока при- водит к разрушению плёнки. Выгодно для ускорения разрушения пленки при одновременном уменьшении затрачиваемой электрической энергии осуществлять периодическими сериями од- нотипных импульсов амплитудами не менее 30%- 100% от предельно допустимого импульсного тока элемента или сериями импульсов, с изменяемой скважностью внутри каждой серии и амплитудами не менее 30%-100% от предельно допустимо- го импульсного тока элемента или апериодическими сериями импульсов, с изме- няемой скважностью внутри каждой серии и амплитудами не менее 30%-100% от предельно допустимого импульсного тока элемента.

Амплитуда напряжений зависит от скорости выделения тепла и его количест- ва. Оба этих параметра определяются амплитудой импульса и его длительностью. Причём от амплитуды импульса тока зависимость существенно более сильная, чем от длительности. Во-первых, количество тепла, выделяемого в единицу времени пропорционально квадрату величины тока. Во-вторых, чем выше скорость выделе- ния тепла при фиксированном его количестве, тем больше градиенты температуры и связанные с ними механические напряжения. Но у каждого производителя име- ются собственные ограничения на величины максимального импульсного и посто- янного токов, а их величина по-разному влияет на извлекаемый ресурс элемента. Это связано с различной конструкцией электродов и особенностями применяемых технологий производства. Поэтому для каждого типа литиевого тионил хлоридно- го элемента необходимо находить компромиссный набор параметров серии разру- шающих импульсов и величины постоянного тока исходя из требований мини- мального деструктивного воздействия на элемент, времени измерения и количества расходуемого на измерительный процесс ресурса. Причём, если амплитуда механи- ческих напряжений не превышает порог прочности материала плёнки, то рассмот- ренный механизм разрушения не работает. Наши эксп иментальные данные ука- зывают на наличие нижней границы амплитуда импульса тока, при которой ещё происходит какое-то разрушение, в окрестности 30% от максимальной амплитуда, допустимой для данного элемента. Отсюда следует, что целесообразно для упроще- ния способа воздействовать на элемент питания одиночными периодическими им- пульсами амплитудами не менее 30%- 100% от предельно допустимого импульсно- го тока элемента.

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

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

Таким образом, заявляемый способ благодаря предварительному разрушению пассивирующей плёнки за счет одновременного воздействия импульсных нагрузок на фоне постоянного тока позволяет определять остаточный ресурс у тионил хло- ридных литиевых первичных источников питания.

Краткое описание чертежей

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

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

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

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

Лучший вариант осуществления изобретения

Осуществление заявляемого способа рассмотрим на примере работы устрой- ства, представленного на фиг.1. Работа устройства начинается с запуска разру- шающей серии импульсов на фоне постоянного тока. Разрушающие импульсы формируются с помощью кратковременного подключения сопротивления 3(R2), постоянный ток - с помощью подключения сопротивления 2(R1). Функционирова- ние алгоритма определения остаточного ресурса основано на измерении парамет- ров измерительного импульса. С этой целью сигаалы напряжения на шунте (выход 1, фиг. 1) и делителя напряжения батареи (выход 2, фиг. 1) подаются на АЦП мик- роконтроллера. Они описывают временные зависимости релаксационных процес- сов в окрестностях передних и задних фронтов напряжения и тока на тестируемом элементе 1 при импульсном подключении нагрузки 3(R2) при постоянно подклю- чённой на всё время измерения нагрузке 2(R1). По этим данным, с помощью пред- варительно измеренных на других элементах набора калибровочных зависимостей остаточного ресурса от измеряемых параметров, вычисляется остаточный ресурс тестируемого элемента 1. Возможные структуры серий импульсов, разрушающих пассивирующую плёнку, и измерительных импульсов приведены на фиг.2, 3 и 4.

Длительности импульсов и задержки между ними внутри каждой уппы мо- гут быть различны, но структура всех групп должна быть одинакова.

Техническая применимость

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

Пример 1.

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

Пример 2.

Была проведена серия периодических разрушающих импульсов со сложным элементом периода, состоящим из семи импульсов (см. фиг.З). Длительность пер- вых четырёх импульсов внутри элемента периода - 600 миллисекунд, задержки между импульсами - 6 секунд. Длительность следующих двух импульсов - 50 миллисекунд, задержки между этими импульсами - 500 миллисекунд. Задержка между третьим и четвёртыми импульсами - 6 секунд. Длительность седьмого (по- следнего) импульса - 400 миллисекунд. Задержка между шестым и седьмым им- пульсами - 50 миллисекунд. Амплитуда импульсов - 1 А, величина фонового тока - 80 мА. Задержка между элементами периода - 10 секунд. Для измерений ис- пользовались шестой и седьмой импульсы в каждом периоде. Измеряемые пара- метры приблизились к стационарным значениям к концу второго периода. Рас- четная величина остаточного ресурса соответствовала известному остаточному остаточному ресурсу сборки из трёх элементов (примерно 50% от начального ре- сурса) при температуре плюс 50 градусов Цельсия с точностью не хуже 5% от на- чального ресурса. Расход ресурса сборки на измерение - 0.0023 А*ч или примерно 0.018% начального ресурса сборки при данной температуре для тока разряда 80 мА.

Пример 3.

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

0.2% начального ресурса сборки при данной температуре для тока разряда 80 мА.

Таким образом, заявляемый способ позволяет:

- эффективно разрушать пассивирующую плёнку за приемлемое для выпол- нения измерений время без существенного расхода ресурса элемента;

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

Литература:

1. Львов А. Л. «Соросовский образовательный журнал», 2001, N°3, с.45-51

2.Вихарев Л. И вновь о правильном питании, или некоторые особенности эксплуа- тации литиевых батарей, «Компоненты и технологии», 2006, N°4,

3. Каневский Л.С. Проблема импедансной диагностики тионилхлоридно-литиевых источников тока, «Электрохимия», 2007, N° 43, стр. 87-93.

4. Патент США а7622929, МКИ: G01N27/416, 2009г.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

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

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

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

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

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