Определение состояния источника тока

В течении эксплуатации химических источников тока часто возникает вопрос о возможности определения их технического состояния. Для первичных источников тока - это оценка их сохранности и способности обеспечить определенный рабочий диапазон напряжения. Для перезаряжаемых (вторичных) источников тока имеют смысл два вопроса: возможность определить в любой момент величину остаточной емкости и прогноз дальнейшей работоспособности. При анализе этих задач мы сталкиваемся с тремя проблемами:
- существование параметров источников тока, которые позволили бы с требуемой точностью обеспечить оценку их состояния;
- разброс значений этих параметров у источников тока одного типа;
- существование простой аппаратуры, позволяющей произвести тестирование источника тока, и методик определения его состояния.

Оценочные параметры источников тока

При диагностике технического состояния любого объекта методы неразрушающего контроля всегда предпочтительнее. В случае источника тока это методы, позволяющие оценить его состояние без потери энергии или при очень малой ее потере.

Как для определения остаточной емкости источника тока, необходимость в которой характерна и для первичных источников тока, и для перезаряжаемых, так и для прогнозирования последующей работоспособности аккумуляторов, в качестве диагностических параметров могут быть применены одни и те же характеристики источников тока. Это их напряжение при разомкнутой цепи и под нагрузкой, сопротивление, реакция на специфический тестовый электрический сигнал.

Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ)
Так как напряжение разомкнутой цепи источников тока разных электрохимических систем практически всегда превышает 1В, а изменения его при потере емкости как правило невелики, для измерений нужно использовать цифровой вольтметр с большим входным сопротивлением, чтобы не нагружать источник тока, и погрешностью не более ±0,1 %. Нужно также исключить воздействие различных факторов, дестабилизирующих измерения: проводить их следует при одинаковой температуре и при стабильном состоянии источника тока.

Попытки использовать измерения напряжения разомкнутой цепи для оценки остаточной емкости источника тока предпринимались чаще всего при диагностировании первичных источников тока. Большого успеха в оценке степени сохранности элементов при измерениях напряжения разомкнутой цепи достигнуть не получилось. Это обусловлено не столько малыми изменениями напряжения разомкнутой цепи элементов при уменьшении их остаточной емкости, сколько тем фактом, что эти изменения соизмеримы с разбросом этого параметра у свежих элементов, особенно от различных производителей. Однако этот параметр благодаря простоте измерений считается приемлемым для грубой оценки сохранности первичных источников тока, даже литиевых, у которых пассивация поверхности анода со временем искажает картину изменений напряжения разомкнутой цепи.

Точно определить состояние заряженности щелочных аккумуляторов с неизвестной предысторией эксплуатации по величине напряжения разомкнутой цепи нельзя. Но такие измерения дают возможность оценить степень сохранности аккумулятора в течение нескольких недель после очередного заряда.

Так, например, в результате исследования саморазряда и скорости уменьшения напряжения разомкнутой цепи аккумуляторов с разной потерей емкости за 28 суток хранения (25, 60 и 28% соответственно) был построен единый график зависимости между величинами напряжения разомкнутой цепи щелочных аккумуляторов и их саморазряда (рисунок 1). Видно, что независимо от скорости саморазряда аккумуляторов все экспериментальные данные могут быть аппроксимированы одной кривой, представляющей почти линейную зависимость между этими величинами.

Рис.1. Зависимость напряжения разомкнутой цепи щелочных аккумуляторов от понижения емкости при хранении в течении 1 месяца после заряда

При хранении в течение более длительного времени скорость саморазряда понижается, а характер процессов в аккумуляторе изменяется. Поэтому зависимость между напряжением разомкнутой цепи и остаточной емкостью при потере более 30-40% емкости несколько поменяется. Следует отметить что при длительной эксплуатации из-за различных процессов деструкции, зависимость может существенно изменится.

Уровень разряженности свинцово-кислотных аккумуляторов по величине его напряжения разомкнутой цепи можно определить более точно, потому что концентрация электролита в процессе разряда изменяется линейно и довольно значительно. Изменение напряжения разомкнутой цепи батарей из герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов при изменении степени заряженности показано на рисунке 2.

Рис.2. Зависимость напряжения разомкнутой цепи и уровня заряженности герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов

Напряжение под нагрузкой (Uраб)
Может показаться, что напряжение источника тока при подключении нагрузки может дать больше информации о его состоянии. Унифицированность замеров для тестирования проще всего обеспечить, если считать рабочим напряжением Uраб такое, которое имеет место для источников тока каждой электрохимической системы при разряде в номинальном режиме.

Но если учесть, что обеспечение стабильности рабочего напряжения является одной из главных проблем при проектировании химических источников тока, отработке его технологии и, наконец, при выборе химического источника тока для определенного технического приложения, то становится очевидным, что этот параметр скорее всего может обеспечить весьма ограниченные возможности для определения степени заряженности источника тока. Так как величина рабочего напряжения определяется не только уровнем заряженности источника тока, но и его индивидуальными особенностями и предысторией использования, в любой момент оценить величину его остаточной емкости по этому параметру нельзя. Более менее четко получается отличить только практически полностью разряженный источник тока от того, который еще сохраняет кое-какую энергию. А учитывая разброс характеристик свежих источников тока, в общем случае трудно надеяться на сколько-нибудь полезную информацию.

Отклик на тестовый сигнал
Повышая нагрузку источника тока, можно больше проявить его индивидуальные особенности. В этом случае в качестве диагностического параметра используется уже отклик источника тока на специальный непродолжительный тестовый сигнал - нагрузку током, обеспечивающим отклик, который можно измерить с достаточной точностью. Учитывая, что внутреннее сопротивление химических источников тока измеряется единицами и десятками миллиом, для того чтобы получить изменение напряжения в несколько милливольт, нужно обеспечить протекание тока порядка 1А и более.

Для того чтобы использовать реакцию на импульс постоянного тока в качестве параметра диагностики, необходимо унифицировать как величину импульса (в величинах относительно емкости источника тока), так и его длительность. Точность оценки напряжения будет зависеть от регламентированных условий измерений и аппаратуры, которая обеспечивает унифицированный тестовый сигнал и измерение отклика с необходимой точностью.

Внутреннее сопротивление
Поскольку, как сказано выше, состояние источника тока может быть лучше всего оценено при непродолжительной его нагрузке током большой величины, появляется желание так организовать измерения, чтобы можно было извлечь как можно больше информации из отклика. Естественна попытка разделить отклик источника тока на протекающий ток в соответствии с долями потерь напряжения на разных составляющих полного сопротивления.

В общем виде напряжение источника тока под нагрузкой описывается формулой:

U = НРЦ - IR = НРЦ - I (R_Ω + Rпол)

где I - ток разряда; R - полное сопротивление химического источника тока. Омическое сопротивление R_Ω определяется сопротивлением токопроводящих деталей электродов, их активных масс и сопротивлением электролита, поляризационное сопротивление Rпол - характером электрохимических процессов. Соотношение R_Ω и Rпол источника тока различно при разной степени его заряженности.

Сопротивление R_Ω отражает все особенности технологического процесса изготовления (количество залитого электролита, распределение его в поровом пространстве электродов и сепаратора, плотность сборки блока электродов, от которой зависит перенос газа от одного электрода к другому). Появляющиеся в процессе эксплуатации дефекты: остаточная деформация корпуса, разбухание электродов, отслоение активной массы, коррозия токоведущих деталей, - сказываются на увеличении именно этого параметра.

Поляризационное сопротивление Rпол отражает динамику электрохимических реакций. Оно повышается при уменьшении степени заряженности. В процессе продолжительной эксплуатации изменения активных масс и состояния поверхности электродов также отражаются на величине Rпол.

Более подробную информацию о поляризационном сопротивлении можно получить при расшифровке отклика источника тока не на импульс постоянного тока, а на протекание переменного тока в определенном диапазоне частот.

Информационные возможности интерпретации результатов измерений сопротивления переменному току связаны с тем, что теория электрических цепей переменного тока опирается на положение, что через химические источники тока ток течет как фарадеевский за счет электрохимических реакций и как ток заряжения двойного электрического слоя.