В процессе эксплуатации химических источников тока (ХИТ) часто возникает вопрос о возможности оценки его технического состояния. Для первичных источников тока это оценка их сохранности и способности обеспечить требуемый уровень рабочего напряжения. Для перезаряжаемых ХИТ имеют смысл два вопроса: оценка состояния заряженности в любой момент и прогноз дальнейшей работоспособности. При этом контроль состояния источника тока должен быть неразрушающим: без потери энергии или при очень малой потере.
При рассмотрении этих вопросов мы сталкиваемся с тремя проблемами:
- наличие параметров источника тока, которые позволили бы с достаточной точностью обеспечить оценку его состояния,
- информация о количественной мере этих параметров для исследуемого источника тока и статистическом их разбросе,
- наличие аппаратуры для тестирования.
У герметичных источников тока, и элементов, и аккумуляторов, для этой цели используются одни и те же доступные для измерений электрические характеристики: напряжение разомкнутой цепи и под нагрузкой, сопротивление, реакция на специфический сигнал, позволяющий проявить влияние составляющих полного сопротивления.
При диагностике ХИТ разных электрохимических систем удается достичь различных успехов.
Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) как диагностический параметр пытались использовать, прежде всего, для оценки сохранности первичных источников тока. Но параметр, измеряемый при обеспечении стабильных температурных условий, меняется мало и эти изменения соизмеримы с разбросом НРЦ свежеизготовленных элементов.
Оценить по НРЦ в любой момент состояние заряженности щелочных аккумуляторов с неизвестной предысторией эксплуатации также не удается, поскольку величина НРЦ зависит от многих факторов, ранжировать которые по степени влияния не удается.
Однако, в течение достаточно продолжительного промежутка времени после очередного заряда аккумуляторов можно оценить их саморазряд и дозарядить их до состояния полной готовности. Для этого требуется информация об особенностях аккумуляторов разных производителей, которая накапливается при их эксплуатации.
Так, например, экспериментально определенные зависимости величин НРЦ и саморазряда цилиндрических щелочных аккумуляторов SAFT и призматических никель-кадмиевых аккумуляторов ОАО » НИАИ» Источник» позволяют четко оценить остаточную их емкость, но зависимости эти несколько различаются: при НРЦ = 1,25 В у первых сохраняется 60-65% емкости, у вторых — в 2 раза меньше [1].
Следует отметить также, что с наработкой аккумуляторов такая оценка остаточной емкости становится все менее точной.
Остаточную емкость герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов можно определить более точно, поскольку в процессе разряда концентрация электролита и его электропроводность меняются линейно и довольно значительно. При температуре 25 ºС НРЦ в процессе разряда до исчерпания емкости уменьшается на 10%.
Напряжение под нагрузкой кажется более перспективным параметром для оценки состояния ХИТ, но имеет место специфическая разница возможностей диагностирования первичных и перезаряжаемых источников тока.
Электроды элементов многих электрохимических систем при хранении претерпевают серьезные изменения. Эти изменения особенно заметны у литиевых элементов, металлический анод которого пассивируется тем сильнее, чем больше продолжительность хранения и температура.
При подаче тестового импульса наблюдается провал напряжения и восстановление его до рабочего только через некоторый промежуток времени, иногда значительный. Дальнейшее хранение снова приводит к пассивации электрода.
А при проектировании аккумуляторов обеспечение стабильности его напряжения на значительной части разрядной кривой было одной из главных задач. Поэтому у современных аккумуляторов с тонкими электродами зона, при которой рабочее напряжение меняется мало, составляет обычно 80-85 % разрядной кривой в средней ее части. И диагностика состояния заряженности в этой области невозможна.
Отклик на тестовый сигнал, кратковременный, но достаточно мощный, чтобы проявить особенности источника тока, может обеспечить большие возможности для оценки его состояния. Для тестирования используют импульс постоянного или синусоидального переменного тока, а также более сложной формы.
Напряжение химического источника тока при подаче разрядного импульса тока в общем виде может быть записано в виде уравнения
U = НРЦ — IR = НРЦ — I (RΩ + Rпол ),
где I — ток импульса, R — полное сопротивление ХИТ, RΩ — омическое сопротивление, определяемое сопротивлением токоподводящих деталей электродов, их активных масс и сопротивлением электролита, Rпол — поляризационное сопротивление, отражающее скорость электрохимических реакций.
При регистрации отклика ХИТ на импульс постоянного тока можно разделить изменение напряжения за счет этих двух составляющих его полного сопротивления. На RΩ происходит мгновенное изменение напряжение, Rпол обеспечивает постепенное изменение напряжения ХИТ до его нового стационарного состояния.
Аппаратурная реализация таких измерений достаточно проста, проблема состоит только в способе и скорости регистрации отклика, а также в задании продолжительности периода регистрации, которая зависит как от величины тока, так и от состояния заряженности ХИТ.
Регистрация отклика на переменный синусоидальный сигнал
дает более полное представление о поляризационном сопротивлении. Это позволяет проверить сложные модели эквивалентной схемы ХИТ, отражающие более точно представление об электрохимических реакциях, протекающих в источнике тока.
Измерения необходимой точности обеспечивают при последовательном тестировании на разных частотах в широком их диапазоне. Это обстоятельство и использование тестового сигнала очень малой величины приводит к очень сложной аппаратурной реализации таких измерений и делает этот метод исследований и испытаний исключительно лабораторным.
Тестирующий сигнал сложной формы может привести к упрощению тестирующей аппаратуры и дать хорошие результаты для диагностики состояния ХИТ, если такой сигнал будет результатом сложения нескольких сигналов, специфически изменяющихся при изменениях ХИТ. Но форма его может быть определена только в результате целенаправленных импедансных исследований в широком диапазоне частот.
При выборе метода тестирования обычно сталкиваются не только с недостатком толковых рекомендаций по использованию параметров для тестирования ХИТ рассматриваемой электрохимической системы, но и с отсутствием статистической картины, описывающей изменение этих параметров у конкретного типа ХИТ.
Некоторая информация общего характера по изученным системам может быть представлена в следующем виде:
- омическое сопротивление RΩ позволяет оценить степень разряженности ХИТ разных электрохимических систем, как правило, только при малых величинах остаточной емкости;
- изменения RΩ при увеличении степени разряженности тем значительнее, чем меньше габаритные размеры ХИТ;
- разброс RΩ свежеизготовленных ХИТ сильно различается у разных производителей; он тем меньше, чем более автоматизировано производство и лучше осуществляется контроль технологического процесса;
- разброс RΩ свежеизготовленных ХИТ конкретного типа может быть соизмерим с изменением RΩ этого источника тока в процессе разряда;
- для оценки степени разряженности щелочных и свинцово-кислотных аккумуляторов может быть более целесообразна регистрация изменений его сопротивления переменному току на частоте в диапазоне 0,01 — 1 Гц [1] или отклика на тестовый смешанный сигнал (при частоте 1000, 1 и 0,01 Гц);
- после длительной эксплуатации в результате высыхания герметичных аккумуляторов, перераспределения электролита и деформации аккумуляторов значительно увеличивается их омическое сопротивление, что может быть использовано для диагностики деградации аккумулятора [2];
- при измерении сопротивления переменному току в области частот не ниже 1Гц возможна оценка величины начального провала напряжения после длительного хранения литиевых элементов [3];
- оценка степени сохранности литиевых элементов затруднена из-за быстрой пассивации анода после тестирующего импульса тока, а разброс сопротивления пассивной пленки увеличивается со временем хранения [3];
- возможности диагностирования состояния литий-ионных аккумуляторов изучены плохо, но известно, что их омическое сопротивление в процессе разряда несколько увеличивается, а пассивация их анодов разного состава соизмерима с пассивацией металлического литиевого анода в литиевых элементах;
- для всех химических источников тока необходимо накопление информации о диагностических параметрах в банке данных, что позволит не только описать более четко типичную картину для каждой электрохимической системы, но и обеспечит четкие критерии для принятия решений при диагностировании конкретных типов ХИТ.
Из сказанного выше очевидно, что для оценки возможности диагностирования состояния различных первичных источников тока необходимо обеспечить измерение НРЦ, напряжения под нагрузкой (при подаче тока) и сопротивления постоянному току и переменному на частотах от 1 кГц до 0,1 Гц. Аппаратура, которая может быть использована для диагностики состояния аккумуляторов, должна обеспечивать кроме того возможность проведения нескольких циклов заряда-разряда. При обычно гарантируемой наработке в 500-1000 циклов такие испытания могут считаться неразрушающими, но анализ различия зарядно-разрядных характеристик на этих циклах позволит исследователю лучше описать состояние аккумулятора.
Для проведения комплексных испытаний разнообразных источников тока аппаратура должна обеспечивать возможность:
- испытаний как отдельных элементов и аккумуляторов, так и батарей;
- проведение разряда на постоянное сопротивление (для элементов);
- проведения нескольких циклов заряда-разряда при разных способах контроля конца обоих процессов;
- обеспечения заряда разными режимами: при постоянном токе, при постоянном напряжении при ограничении начального тока;
- достаточно больших токов заряда-разряда;
- автоматизированного протоколирования информации о ходе процессов;
- измерения внутреннего сопротивления источника тока.
Для проведения комплексных испытаний аккумуляторов и батарей на их основе, а также для тестирования неперезаряжаемых ХИТ рекомендуем использовать анализаторы батарей серии ВА400 (Канада, компания LaMantia).
Russian 
English