2. Оцінка внутрішнього опору ХІТ як однієї з його електричних характеристик
3. Використання параметра внутрішнього опору при відпрацюванні технології виготовлення джерел струму та...
4. Апаратура для вимірювання внутрішнього опору джерел струму
5. література
6. Інші статті на цю тему:

2005

Внутрішній опір хімічних джерел струму (ХДС) - параметр, на який багато користувачів не звертають уваги. Однак його величина істотно впливає на працездатність пристроїв з автономним живленням.

Багато радіостанції отримували харчування від батарей, що складаються з нікель-кадмієвих акумуляторів ємністю 700 мА.ч (ти- за розміром АА).

При заміні деградованої батареї користувач часто вибирає сучасні нікель-металгідридні акумулятори того ж типорозміру, ємність яких досягає 2000-2200 мА · год. Однак може виявитися, що тривалість роботи нових батарей (особливо при низькій температурі) значно менше очікуваної. І пояснюється це більш високим внутрішнім опором нових акумуляторів, через що при великому споживання енергії в режимі передачі радіостанція відключається, хоча її ємність ще не вичерпана.

Напруга хімічного джерела струму при розряді може бути записано у вигляді рівняння

U = НРЦ - IR = НРЦ - I (RΩ + Rпол),

де I - розрядний струм, R - повний опір ХІТ, RΩ - чисто омічний опір, яке визначається опором токоподводящих деталей електродів, їх активних мас і опором електроліту, Rпол - поляризаційне опір, що відображає швидкість електрохімічних реакцій. Опір Rпол видається важким еквівалентною схемою, що містить ємність подвійного електричного струму, активний опір переносу заряду і RС-ланцюжки, що відображають дифузійний опір, адсорбційні процеси і інші особливості електрохімічного процесу. Воно залежить від струму розряду.

Для оцінки опору ХІТ може використовуватися реєстрація його відгуку на подачу імпульсу постійного струму і на вплив змінного струму в деякому діапазоні частот.

У першому випадку при аналізі відгуку ХІТ на імпульс постійного струму можна оцінити складові його повного опору: на RΩ відбувається миттєва зміна напруга, Rпол забезпечує експоненціальне зміна напруги ХІТ до його нового стаціонарного стану. Апаратура для таких вимірів досить проста, проблема полягає лише в способі і швидкості реєстрації відгуку, а також в завданні тривалості періоду реєстрації.

Реєстрація відгуку на змінний синусоїдальний сигнал дає більш детальне уявлення про поляризаційному опорі і дозволяє оцінити всі його складові. Відгук зазвичай представляється у вигляді годографа імпедансу (на площині в координатах дійсної і реактивної складових повного комплексного опору).

Вимірювання проводяться при послідовному тестуванні на різних частотах з діапазону від десятків кілогерц до сотих часток герца. Тестовий сигнал повинен бути дуже малим, що призводить до дуже складної апаратурною реалізації методу і робить його виключно лабораторним.

Оцінка внутрішнього опору ХІТ як однієї з його електричних характеристик

В даний час характеристика внутрішнього опору (імпедансу) ХІТ повинна обов'язково включатися в список його технічних характеристик. Стандарт МЕК і вітчизняний ГОСТ дозволяють використовувати обидва описаних раніше методу вимірювання. Але вони призводять до різних величин параметра і необхідно зрозуміти, чи можна порівнювати характеристики опору аналогічної продукції вітчизняних і зарубіжних виробників.

Величина імпедансу ХІТ, яка дається в каталогах зарубіжних виробників, оцінюється при вимірах на змінному струмі частотою 1000 ± 100 Гц (протягом 1-5 с). Опір обчислюється за формулою

R1000 Гц = U- / I- ;,

де I ~ і U ~ - змінний струм і напруга з отклі- кому на нього джерела струму. Змінний струм вибирається так, щоб пікове значення напруги не перевищувало 20 мВ. Для широкого спектра джерел струму величина R1000 Гц відповідає їх омічному опору RΩ.

У Росії характеристика внутрішнього опору ХІТ зазвичай вимірюється при подачі імпульсу постійного струму. Оцінюється величина опору

R = (U1-U2) / (I2-I1) (1)

де U1 і U2 - напруга, яке реєструється після пропускання струму I1 і I2 відповідно протягом регламентованих інтервалів часу τ 1 і Τ 2. У таблиці вказані ці параметри для джерел струму різних електрохімічних систем.

Таблиця

При такій методиці виміряна величина включає крім RΩ ще й поляризаційне опір. Вона помітно більше величини R1000 Гц. А так як стаціонарне стан джерела струму до моменту Τ 2 може і не до- Стигала, ця величина не завжди характеризує і повний опір джерела струму.

Використання параметра внутрішнього опору при відпрацюванні технології виготовлення джерел струму та діагностиці їх стану

Вимірювання внутрішнього опору ХІТ можуть бути використані розробниками при відпрацюванні технології їх виготовлення. У цьому випадку найбільш корисною є інформація про опір RΩ, так як вона дає можливість краще виявити всі залежності між конструктивними і технологічними параметрами і кінцевими характеристиками вироби. Така інформація допомагає швидше вибрати кращий сепараційний матеріал, визначити допуски при дозуванні електроліту, оцінити щільність збірки.

Для діагностики технічного стану ХІТ (ступеня розрядженого, ступеня деградації, стану після тривалого зберігання) в залежності від природи джерел струму різних електрохімічних систем корисною може бути інформація і про омічному опорі, і про поляризаційному.

У герметичних джерел струму з водним електролітом (лужних і свинцево-кислотних) осушення сепаратора в результаті розбухання електродів і деяких втрат води, зміна щільності складання електродів і деформація акумуляторів в результаті підвищеного тиску призводять до збільшення омічного опору. У літієвих джерел струму цей ефект виражений менше, а зміна поверхневої анодної плівки позначається на поляризаційному опорі.

На жаль, зміни параметрів внутрішнього опору ХДС в літературі зазвичай описують тільки якісно. Через великого спектру використовуваних в різних додатках джерел струму, різноманітності їх конструкцій і технологій виготовлення діагностика стану ХІТ за величиною їх внутрішнього опору може стати можливою лише при накопиченні даних щодо конкретних джерел струму [1], так як:

• розкид RΩ свіжовиготовлених ХІТ конкретного типу може бути порівняний зі зміною RΩ цього джерела струму в процесі розряду; це найбільшою мірою стосується вітчизняних акумуляторів;
• розкид внутрішнього опору акумуляторів провідних зарубіжних компаній, таких як SAFT, SANYO, PANASONIC, зазвичай не перевищує 20%;
• зміни RΩ при зміні ступеня розрядженого залежать від типу джерела струму і його ємності;
• зміни RΩ при зміні ступеня розрядженого і ступеня деградації різні в різних виробників;
• діагностика літієвих джерел струму на їхню внутрішньому опору утруднена через швидку пассивации анода, а розкид опору пасивної плівки значно збільшується з часом зберігання.

Можливості діагностування стану літій-іонних акумуляторів вивчені погано, але відомо, що їх омічний опір в процесі розряду збільшується мало, а пассивация їх анодів різного складу порівнянна з пасивацією металевого літієвого анода в літієвих елементах.

Зі сказаного випливає, що визначення стану джерела струму з невідомою передісторією експлуатації вельми проблематично. Однак при періодичному вимірі RΩ ХДС в процесі експлуатації (при однаковій високого ступеня зарядженості і температурі) можна прогнозувати його працездатність. Зазвичай джерела струму вважаються працездатними до тих пір, поки їх фактична розрядна ємність відразу не стане менш 60-50% від номінальної ємності (Сп). Залежність відразу і провідникові в межах цього періоду експлуатації досить точно описується емпіричним рівнянням

Сраз RΩ = const

Тому, вимірявши омічний опір RΩ використовуваного джерела струму на початку експлуатації, при періодичних наступних його вимірах можна з достатньою точністю передбачати реальну ємність ХІТ. І ця процедура займає всього кілька секунд. Вимірювання опору можливі і на працюючих в буферному режимі батареях.

Виявлення моменту прискорення деградації джерел струму дозволяє своєчасно вжити заходів по відновленню їх працездатності або заміні.

За швидкістю зміни опору протягом терміну служби можна судити і про правильність умов експлуатації.

Порівняння величин RΩ акумуляторів в складі батареї можна використовувати для швидкого виявлення «слабких». Деформація акумуляторів або висихання сепаратора призводить до значного збільшення опору щодо середнього його значення для всіх акумуляторів батареї.

Апаратура для вимірювання внутрішнього опору джерел струму

У Росії до теперішнього часу стандартизованої апаратури для вимірювання внутрішнього опору ХІТ на постійному струмі немає. А апаратура для імпедансних досліджень дуже дорога і використовується тільки в дослідницьких центрах.

Вимірювання опору джерел струму, які реалізовані в зарубіжній діагностичної апаратури для ХІТ невеликої ємності, прив'язані до методики вимірювань на постійному струмі, але зазвичай не до стандарту, і тому дозволяють питання тільки порівняльних випробувань однотипних джерел струму.

В даний час, коли стала обов'язковою оцінка характеристики внутрішнього опору випускаються джерел струму, і питання діагностування технічного стану масової продукції потребують вирішення, необхідна апаратура, досить проста і універсальна, доступна як компаніям, що виробляють джерела струму, так і сервісним службам.

У ТОВ «Мегарон» розроблений тестер-аналізатор внутрішнього опору хімічних джерел струму, який здійснює вимірювання опору як постійному струму, так і змінному частотою 1 кГц.

Технічні характеристики:

Зовнішній вигляд тестера показаний на малюнку.

Малюнок. Тестер для вимірювання внутрішнього опору джерел струму

Тимчасова діаграма відповідає ГОСТу на лужні акумулятори.

Провідникові, а також імпеданс на частоті 1000 Гц вимірюються в гальваностатичного режимі при струмі розряду I1 протягом перших десяти секунд. За цей час проводиться декілька вимірів з усередненням результатів. Опір вичісля- ється відповідно до формули (1). Поляризаційне опір обчислюється як різниця повного і омічного опору.

Тестер забезпечує точні вимірювання омічного опору і опору на частоті 1000Гц, а повне і поляризаційне опору обчислюються при токах менше регламентованих, однак і ці параметри можуть використовуватися для порівняльних оцінок однотипних джерел струму.

Результати вимірювань (НРЦ, величини омічного опору, поляризационного і повного, імпедансу при 1000 Гц) зчитуються по черзі з 4-розрядного дисплея.

Розроблено вимірювач дозволяє працювати автономно і спільно з комп'ютером.

При підключенні до комп'ютера є додаткові можливості:

• Автоматична реєстрація і збереження параметрів ХІТ.
• Ведення бази обслуговувати ХІТ
• Відбраковування ХІТ. Параметри за якими ведеться відбраковування і їх величини можуть задаватися у всьому робочому діапазоні.
• При підключенні зовнішнього зарядно-розрядного пристрою зняття залежностей показники можуть відрізнятися від ступеня зарядженості ХІТ.

Розробляється модифікація тестера для вимірювання опору герметизованих свинцево-кислотних батарей, яка дає можливість також і вимірювання струму короткого замикання.

Розробляються модифікації тестера:

• з підключенням до комп'ютера через СОМ порт для моніторингу всіх параметрів опору в процесі заряду-розряду;
• Придатні для вимірювання опору герметизованих свинцево-кислотних батарей, які дають можливість також і вимірювання струму короткого замикання.

Розширення діапазону обстежуваних відповідно до стандарту МЕК джерел струму можливо при створенні універсального стаціонарного приладу, де тестовий струм для вимірювань внутрішнього опору на постійному струмі буде задаватися вшіроком діапазоні, а тимчасова його діаграма буде відповідати стандарту на будь-які джерела струму. Виготовлення такого приладу планується в самий найближчий час.

Автори висловлюють подяку А. А. Таганова за допомогу в підготовці матеріалу.

література

1. Таганова А. А., Бубнов Ю. І., Орлов Б. Граматичні хімічні джерела струму: елементи і акумулятори, обладнання для випробувань та експлуатації. СПб: Хіміздат. 2005.
2. Таганова А. А., Пак І. А. Граматичні хімічні джерела струму для портативної апаратури: Довідник. СПб: Хіміздат. 2003.
3. Таганова А. А., Бубнов Ю. І. Граматичні хімічні джерела струму: елементи і акумулятори, способи і пристрої заряду. СПб: Хіміздат. 2002.

Завантажити статтю в форматі PDF

Інші статті на цю тему:

повідомити про помилку