CC BY
129Алевтина ТАГАНОВА Александр ФЕДОРОВ Станислав САРАПОВ
При выборе химических источников тока (ХИТ) для источников автономного питания (ИП) различной аппаратуры неизменно возникает вопрос оценки работоспособности и качества аналогичной продукции разных производителей в реальных режимах и условиях их эксплуатации. А в процессе работы ИП пользователя интересует еще и возможность оценки технического состояния ХИТ, степени их разряжен-ности и деградации.
Диагностические параметры химических источников тока и методы диагностики
Возможности оценки качества и контроля состояния ХИТ, особенно герметичных, определяются мерой изменения их электрических диагностических параметров, в качестве которых могут быть использованы напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) и под нагрузкой (Ираб) или отклик на тестовый сигнал, позволяющий проявить составляющие внутреннего сопротивления. Последний параметр наиболее информативен, так как отражает как разницу в конструкции и технологии изготовления ХИТ, так и особенности протекающих в нем электрохимических процессов.
Сравнение аналогичной продукции разных компаний производится обычно в состоянии, которое определяется условиями эксплуатации выбираемых проектировщиком источников тока: он должен получить представление о работоспособности ХИТ в максимально жестких условиях и режимах с учетом интенсивности работы аппаратуры. Понятно, что предпочтителен выбор таких типов ХИТ, который обеспечивает отдачу в этих условиях максимальной энергии и максимальную однородность изделий в партии.
Современные анализаторы качества
и технического состояния аккумуляторов и батарей
Химические источники тока разных электрохимических систем широко используются в качестве источников автономного электропитания в различной аппаратуре. И вопросы диагностики их состояния возникают как при выборе типа аккумуляторов и производстве батарей, так и в процессе эксплуатации.
Комплектация батарей
При комплектации батарей обычно производится сортировка аккумуляторов по основной их характеристике — величине номинальной емкости Сн. Гарантированный срок службы аккумуляторов отражает количество циклов, которое аккумулятор должен обеспечивать до снижения Сн до регламентируемого уровня (обычно на 40% для отечественной продукции, на 20-30% — для зарубежной). Для батарей гарантированный срок службы значительно меньше и разница тем больше, чем меньше однородность аккумуляторов по целому ряду характеристик, которые следует учитывать, если рабочий ток больше номинального (обычно до 0,2 Сн). Производитель аккумуляторов даже для свежей продукции при этих условиях оговаривает снижение разрядной емкости и уровня рабочего напряжения. А при эксплуатации из-за постепенного увеличения внутреннего сопротивления источника тока рабочее напряжение еще более снижается, и тем больше, чем больше ток разряда. При жестких установках параметров эксплуатационного оборудования это приводит к более быстрому отключению источников тока и на заряде, и на разряде, что создает впечатление быстрого уменьшения отдаваемой энергии.
Предсказать уровень рабочего напряжения ХИТ при больших токах можно на основе информации об их внутреннем сопротивлении. Разброс аккумуляторов по этому параметру зависит от степени автоматизированности производства и может достигать десятков процентов.
Важную информацию дает и зарядная характеристика: максимальный уровень зарядного напряжения и характер его изменения в процессе перезаряда. При оценке работоспособности источников тока в номиналь-
ном режиме зарядные характеристики обычно не регистрируются. Но их вид позволяет выделить аккумуляторы с плохим газовым балансом, который приводит к повышенному внутреннему давлению и разогреву их при перезаряде. Эти аккумуляторы деградируют в процессе эксплуатации быстрее других.
Оценка степени разряженности ХИТ
При оценке степени разряженности ХИТ появляются проблемы, определяемые особенностями современных источников тока, производимых для работы в широком диапазоне нагрузок. Их рабочее напряжение при номинальном токе и внутреннее сопротивление мало меняются при разряде вплоть до 80-90% емкости, и во многих случаях изменение диагностических параметров позволяет различать лишь практически разряженные источники тока от тех, которые еще способны обеспечить работоспособность прибора. Возможности для диагностики ХИТ разных электрохимических систем различны, что определяется особенностями их природы [1, 2]. К тому же с увеличением номинальной емкости источников тока любой системы диагностика затрудняется из-за уменьшения величин самих диагностических параметров, что приводит к необходимости существенного увеличения чувствительности и точности диагностической аппаратуры.
В процессе эксплуатации происходит необратимое изменение активных масс электродов, приводящее к снижению емкости аккумуляторов и увеличению внутреннего сопротивления. Последний параметр используется как диагностический для оценки степени деградации ХИТ.
Понятно, что методы контроля и оценки состояния должны быть неразрушающими:
ХИТ
113
без потерь энергии или при малой потере. Наиболее желательна диагностика одномоментная в течение самого короткого времени. При такой процедуре у ХИТ в унифицированном для этого состоянии могут быть измерены все указанные диагностические параметры. Но наиболее полную информацию может дать анализ изменения этих параметров в цикле заряда-разряда. При большом ресурсе ХИТ несколько циклов, проводимых с целью диагностики, также могут рассматриваться как неразрушающий метод их контроля.
Аппаратура для проведения диагностических процедур при циклировании ХИТ
При оценке качества ХИТ для анализа реальной ситуации необходимо получить достаточно большой объем информации, который может быть обеспечен только с помощью устройств, способных к циклиро-ванию ХИТ при различных режимах заряда и разряда и сохраняющих информацию для последующего анализа. Такую аппаратуру обычно называют анализаторами источников тока. Они используются при исследованиях и эксплуатации промышленных источников тока, при проектировании источников автономного электропитания аппаратуры. Анализаторы, используемые в сервисных центрах, могут иметь специальные программы обработки результатов измерений для принятия решения о состояния ХИТ.
До последнего десятилетия было востребовано оборудование, обеспечивающее только постоянный ток, поскольку массово проводились испытания, главным образом, щелочных аккумуляторов. Оно было пригодно и для вентилируемых свинцово-кислотных источников тока при условии обеспечения возможности ступенчатого уменьшения тока в конце заряда. Расширение списка электрохимических систем герметичных ХИТ с иной стратегией зарядного процесса привело к множественности программ испытаний, а быстрое увеличение номенклатурных рядов ХИТ — к требованию увеличения мощности испытательного оборудования. Решение проблемы могло быть обеспечено как при создании специализированного оборудования для испытаний источников тока разных электрохимических систем, так и более целесообразного универсального, обеспечивающего:
• возможность испытаний и отдельных аккумуляторов, и батарей;
• возможность заряда при различных стратегиях процесса:
- при постоянном токе с низким уровнем пульсаций и различными способами контроля окончания процесса: до набора предельной емкости Сзар, до предельного напряжения итах, по величине сни-
жения напряжения (-AU), до предельной температуры;
- при постоянном напряжении и ограниченном начальном токе;
• широкий диапазон токов заряда-разряда;
• возможность проведения большого количества циклов заряда-разряда токами различной величины при разных способах контроля конца обоих процессов;
• измерение внутреннего сопротивления источника тока;
• протоколирование информации о ходе процессов.
Первые анализаторы (зарубежного производства), появившиеся на российском рынке, предназначалась для тестирования ХИТ, используемых в мобильной связи и различной портативной аппаратуре.
В России наиболее известна аппаратура канадской компании Cadex Electronics Inc., позволяющая проводить независимые испытания одновременно до 4 любых герметичных источников тока с напряжением от 1,2 до 15 В, подключаемых к устройству с помощью сменных адаптеров. Допустимые токи заряда-разряда не превышают 2 А. Модели Cadex С700, Cadex С720 и Cadex С740 используются в режимах, отвечающих требованиям входного контроля источников тока:
• для приведения в действие новых и долго хранившихся;
• для тренировки с целью достижения максимальной емкости;
• для быстрого заряда без определения емкости;
• капельного дозаряда ХИТ в течение суток;
• только для разряда;
• для ресурсных испытаний.
Анализаторы имеют клавиатуру для ввода
и редактирования параметров тестируемых источников тока и последовательный порт для подключения к персональному компьютеру. Поставляемое по запросу программное обеспечение позволяет подключать к компьютеру до 128 анализаторов. Обеспечивается информирование о некоторых неисправностях источников тока. Результаты обслуживания могут быть распечатаны.
Аналогичные возможности и характеристики имеет и анализатор аккумуляторных батарей Battery Optimizing System (BOS) Motorola на 4 независимых канала.
Оборудование канадской компании Vencon Technologies Inc. для двух каналов испытаний ХИТ с напряжением от 0 до 24 В обеспечивает токи заряда-разряда до 2 А в одном канале. Увеличение мощности может быть достигнуто при параллельной работе на один канал. Подключение к источникам тока осуществляется с помощью кабеля с зажимами типа «крокодил».
Две модели одноканального анализатора английской компании Astratec Electronics Ltd, предназначенные для тестирования щелочных аккумуляторных батарей сотовых телефонов и радиостанций, измеряют их внутрен-
нее сопротивление и дают прогноз ожидаемой емкости, точность и ценность которого предлагается оценить самим пользователям. Возможно проведение нескольких циклов заряда-разряда для приведения батареи после долгого хранения в рабочее состояние.
Известна и другая аналогичная зарубежная аппаратура в различном конструктивном исполнении и с разными возможностями информационного контроля ХИТ, но мощность ее обычно не превышает приведенной выше. Однако в течение последнего десятилетия с увеличением номенклатурных рядов аккумуляторов назрела настоятельная необходимость в оборудовании значительно большей мощности.
Более мощные анализаторы серии ВА 400 с токами заряда-разряда 2, 3 и 5 А предлагает канадская компания LaMantia Products Ltd. С 2003 года их официальным дилером является ЗАО «Регионэлектрокомплект».
Отечественные производители испытательного оборудования тоже быстро отреагировали на требование увеличения мощности. Уже более 5 лет ООО «Бустер-СПб» (Санкт-Петербург, www.buster.spb.ru) выпускает универсальный анализатор, предназначенный для испытаний любых источников тока с напряжением от 0,5 до 18 В при токах в диапазоне от 0,02 до 5 А для одной модификации и от 0,5 до 15 А — в другой. Производится измерение внутреннего сопротивления ХИТ по методике на постоянном токе. Оборудование имеет модульную структуру. Программное обеспечение позволяет с одного компьютера осуществлять контроль до 250 независимо управляемых модулей. Подключение источника тока осуществляется с помощью универсального посадочного места для любых цилиндрических аккумуляторов или с помощью кабеля с зажимами типа «крокодил» для батарей. Малая погрешность измерений напряжения ХИТ (не более ±0,5%) обеспечивается за счет разделения силовых и измерительных цепей и индивидуальной калибровки модулей. Программное обеспечение анализатора обеспечивает протоколирование результатов измерений и автоматический подбор аккумуляторов в батареи по нескольким значимым параметрам.
На предприятии «Мегарон» (Санкт-Петербург, www.megaron.su) разработано универсальное устройство для тестирования источников тока, которое обеспечивает токи в диапазоне от 40 мА до 10 А и все функциональные возможности вышеописанной аппаратуры. Информация передается на дисплей персонального компьютера и сохраняется в базе данных. Особенностью этого устройства является измерение внутреннего сопротивления по обеим регламентируемым методикам (на переменном токе 1000 Гц и на постоянном токе при задаваемых в соответствии с ГОСТ параметрах тестовых импульсов, которые различаются и для ХИТ разных
114
ХИТ
электрохимических систем, и для разных типоразмеров аккумуляторов).
Более 15 лет ООО «Мегарон» выпускает также серию специализированных устройств, обеспечивающих до 6 циклов заряда-разряда герметичных источников тока (щелочных, свинцово-кислотных и литий-ионных). На 4-разрядном индикаторе поочередно выдается информация о заданном режиме испытаний, зарядной и разрядной емкости на каждом цикле, предельном зарядном напряжении и сопротивлении ХИТ. Текущая информация может быть передана и на дисплей персонального компьютера.
Для удобства пользователей, имеющих дело с источниками тока разного качества и технического состояния, в ООО «Мегарон» разработаны устройства, в которых в начале процесса заряда автоматически анализируются характеристики ХИТ. В зависимости от полученной информации обеспечивается ток заряда из диапазона от 0,1 до 1 С. Источник тока бракуется, если в течение некоторого времени его напряжение не меняется. Время заряда может колебаться от 70 минут до 15 часов. На следующем цикле оно может уменьшиться при условии улучшения характеристик источника тока.
Таким образом, оборудования различной мощности, которое позволяет обеспечивать информационный контроль при испытаниях батарей и отдельных аккумуляторов различных электрохимических систем, на российском рынке уже достаточно много. Отработанная идеология проектирования отдельных его узлов и единство программного обеспечения позволяют быстро реагировать на изменение требований со стороны потребителя как в отношении мощности устройств, так и в отношении расширения информационного поля и обеспечения большей скорости опроса. При аналогичных технических характеристиках отечественное оборудование имеет существенно более низкую стоимость.
В настоящее время главной задачей для диагностики ХИТ является систематизация знаний о поведении разнообразных источников тока при работе и формулирование правил принятия решений при различных задачах, которые возникают и у разработчиков разнообразных автономных источников электропитания, и у тех, кто их эксплуатирует. Описанный в литературе опыт работ такого рода анализируется в [3]. В зависимости от режима эксплуатации аппаратуры с автономным электрическим питанием подробно рассматривается весь набор необходимых для анализа параметров, оценивается минимальный объем испытаний, которые должны быть выполнены для возможности сравнения аналогичной продукции разных компаний. Показаны ограничения возможности оценки степени раз-ряженности для источников тока разных электрохимических систем.
Тестеры для одномоментной диагностики ХИТ
При одномоментной диагностике химических источников тока главной проблемой является значительно большая неопределенность для оператора их состояния в момент испытаний (времени хранения до тестирования, степени разряженности и деградации). Представление о возможностях диагностики в этом случае связано с конкретной задачей, которую ставит перед собой испытатель. И необходимость накопления информации на более широком поле состояний химических источников тока, и профессиональный анализ ее становятся в этом случае особенно важными.
К использованию предлагаются тестеры, измеряющие НРЦ источника тока и его внутреннее сопротивление. Последний параметр требует более подробного комментария, так как международный и российский стандарт допускает использование двух методик его измерения — на постоянном токе и переменном с частотой 1000 Гц. Результаты этих измерений значительно различаются, так как они отражают разные особенности протекания процессов.
Зарубежные компании характеризуют свою продукцию величиной сопротивления 1тр1000 Гц, приблизительно равной омическому сопротивлению Ип, которое отражает сопротивление токоподводящих деталей электродов, их активных масс и сопротивление находящегося в порах сепаратора электролита. В России чаще использовали методику измерения на постоянном токе, при которой измеряется полное сопротивление:
^полн = + Rпол,
где Ипол — поляризационное сопротивление, отражающее скорость электрохимических процессов. Поляризационное сопротивление зависит от тока, и поэтому стандарт четко регламентирует токи и продолжительность их протекания при методике измерения на постоянном токе.
Рис. 1. Тестер ООО «Мегарон» для измерения внутреннего сопротивления различных химических источников тока с напряжением до 12 В
Как было указано выше, один из анализаторов ООО «Мегарон» позволяет проводить измерения внутреннего сопротивления любых ХИТ по обеим методикам при соответствующих параметрах тестового сигнала. Это стационарное устройство.
В ООО «Мегарон» разработаны и портативные универсальные тестеры для измерения сопротивления любых химических источников тока с напряжением до 12 В, которые могут работать в автономном режиме при питании от сети ~220 В или от внутреннего источника тока. Они измеряют НРЦ источника тока, его омическое и полное сопротивление, а также Imp1000 Гц и поочередно отражают эти параметры на 4-разрядном индикаторе. Информация может быть передана и на дисплей персонального компьютера. Внешний вид тестера показан на рис. 1. Выпускаются две модификации тестеров для диапазона сопротивлений от 0 до 100 мОм и от 0 до 1000 мОм.
Тестеры могут быть использованы для отбраковки неисправных источников тока, подбора в батареи однородных по этим параметрам аккумуляторов, для проверки качества соединений аккумуляторов в батарее. При периодическом контроле параметров тестеры позволяют прогнозировать деградацию источников тока. Как было сказано выше (при описании анализаторов компании Astratec Electronics Ltd), при измерении внутреннего сопротивления источников тока возможна и оценка ожидаемой разрядной емкости, но точность этого прогноза предлагалось оценивать самим пользователям.
Большой опыт работы с конкретными типами источников тока (стартерными свинцово-кислотным батареями) позволил компании ООО «Мегарон» разработать портативный тестер, который измеряет НРЦ и внутреннее сопротивление батарей разного напряжения. Этот тестер за 15 с оценива-
Рис. 2. Тестер для оценки характеристик стартерных свинцово-кислотных батарей
ет с хорошей точностью разрядную емкость заряженной батареи и ток холодной прокрутки (рис. 2).
В дальнейшем компания предполагает обследование больших партий промышленных изделий и корректировку калибровки тестера, которая позволит прогнозировать характеристики как герметизированных свинцово-кислотных батарей, так и источников тока других электрохимических систем.
Подобную задачу решает и компания Cadex, которая с 2004 года рекламирует новый прибор Spectro CA-12, способный в течение 20 с измерять импедансные характеристики свинцово-кислотных батарей с напряжением 12 В (в диапазоне частот от 20 до 2000 Гц) и оценивать их разрядную емкость и степень разряженности. Большой опыт наших работ с такого рода тестированием говорит о том, что на этом пути маловероятна возможность проектирования универсальных приборов, способных обеспечивать прогноз характеристик любых источников тока, вне зависимости от их электрохимической природы и величины номинальной емкости. ■
Литература
1. Химические источники тока: Справочник под ред. Н. В. Коровина и А. М. Скундина. М.: МЭИ. 2003.
2. Таганова А. А., Бубнов Ю. И., Орлов С. Б. Герметичные химические источники тока: элементы и аккумуляторы, оборудование для испытаний и эксплуатации: Справочник. СПб: Химиздат. 2005.
3. Таганова А. А. Диагностика герметичных химических источников тока. СПб: Химиздат. 2007.
