Метод релаксационного динамического контроля литиевых источников тока в рабочем режиме

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, показана ее актуальность и определена цель, поставлены задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы, методология и методы исследования, достоверность и обоснованность результатов, определены положения, выносимые на защиту, приведены апробация и публикации, структура и объем диссертации, соответствие паспорту специальности и личный вклад автора.
В первой главе рассмотрено современное состояние ЭХИТ и методов их контроля. Проведен обзор ЭХИТ, установлено, что одними из наиболее востребованных и перспективных источников энергии являются ЛИТ, которые обладают высокой удельной плотностью запасаемой электрической энергии и могут работать в широком диапазоне выходных мощностей. В процессе эксплуатации и под воздействием окружающей среды наблюдается деградация ЛИТ, приводящая к уменьшению емкости и увеличению внутреннего сопротивления.
Проведен анализ типовых неисправностей ЛИТ, систематизированы причины деградации и ее воздействие на эксплуатационные характеристики ЛИТ. Определено, что важной проблемой ЛИТ является то, что при работе электрод покрывается пассивационной пленкой SEI (англ. Solid Electrolyte Interphase), образующийся при соприкосновении электролита с активной поверхностью электрода. По мере старения ЛИТ толщина слоя SEI увеличивается, этот процесс наблюдается, даже если ЛИТ не эксплуатируется. Рост слоя SEI влияет на эксплуатационные характеристики ЛИТ с точки зрения ограничений срока службы, способности к восстановлению, так как литий, используемый при формировании этого слоя, перестает участвовать в процессах накопления заряда. Уменьшение активных поверхностей электродов из-за растрескивания или частичной блокировки активных участков электродов трудно проницаемыми поверхностными пленками, снижает способность электродов удерживать литий. Эти процессы приводят к снижению отдаваемой в нагрузку мощности и количества запасаемой энергии. При эксплуатации основное влияние на скорость деградационных процессов оказывают следующие факторы: температура, уровень заряда, характер нагрузки и ее стабильность. Функционирование ЛИТ при высоких уровнях заряда ускоряет деградацию из-за увеличения скорости паразитных электрохимических реакций при работе с высокими потенциалами электродов, в то время как режимы с высокими токами потребления нагрузки увеличивают вероятность отказа из-за механических напряжений, возникающих в ЛИТ во время циклов заряда-разряда, а также из-за процессов осаждения лития во время заряда. Установлено, что для увеличения ресурса источников питания на ЛИТ необходимо использование правильных режимов функционирования и обнаружение неисправностей на ранних этапах для корректировки режимов работы или замены.
Проведен аналитический обзор методов контроля ЛИТ на основе анализа поляризационной кривой, импедансных характеристик, методов на основе анализа переходных характеристик, вызванных изменениями тока или напряжения нагрузки. Установлено, что актуальной задачей является разработка средств встроенного контроля в процессе функционирования ЛИТ с минимальным воздействием на режимы его работы. Анализ показал, что рассмотренные методы имеют ограниченную применимость, поскольку либо могут использоваться только в лабораторных условиях, либо требуют сложных процедур калибровки и накопления большого объема статистики для каждого конкретного применения. Анализ литературных источников показывает, что многие неисправности ЛИТ уже на ранних этапах развития вызывают изменения частотных характеристик импеданса. Существующие методы, такие как импедансная спектроскопия, имеют
ряд ограничений для создания встроенных систем оперативного контроля, так как процедура измерения требует сложной аппаратуры и занимает продолжительное время. Выявлено, что высоким потенциалом для решения задачи разработки встроенных систем оперативного контроля ЛИТ обладает группа методов на основе анализа релаксационных процессов, вызванных слабыми возмущающими сигналами. В результате исследований, проведенных в первой главе, выявлены пути повышения эффективности систем контроля ЛИТ, сформулирована цель и определены задачи дальнейших исследований.
Во второй главе предложен метод неразрушающего контроля технического состояния ЛИТ по релаксационным динамическим характеристикам, вызванным скачкообразным изменением нагрузки, позволяющий производить оперативную оценку в процессе нормального функционирования. Определено, что для построения встроенных систем оперативного контроля предпочтительным способом изменения нагрузки является коммутация дополнительной нагрузки (рисунок 1). Такое воздействие на исследуемый ЛИТ вызывает релаксационные процессы, параметры которых зависят от внутреннего технического состояния и режимов работы электрохимической системы.
Рисунок 1 – Схема коммутации основной RН1 и дополнительной ΔR нагрузок
Представлены теоретические модели релаксационных динамических характеристик в форме отклика на изменение сопротивления нагрузки для электрических моделей первого и второго порядков. В частности, описана переходная характеристика электрической модели второго порядка (рисунок 2), включающей в себя поляризационные сопротивления R1, R3, связанные с процессами переноса заряда и диффузии, емкости двойного слоя C1, C2 и омическое сопротивление R2 электролита. После подключения ΔR эквивалентную схему нагрузки можно также представить общей нагрузкой RН2, образованной параллельным соединением основной RН1 и дополнительной ΔR нагрузок.
Показано, что изображение тока после коммутации для электрической модели второго порядка может быть описана следующим выражением:
E(R R)((CR2CR2)pCCRR(RR)) E
I 211123121313 ,(1)
22 R R (R (1pCR)(1pCR)pCR2(1pCR)pCR2(1pCR)) pR 122 11 23 11 23 23 11 1
8

гдеR RRRR ,R RRRR . 1 1 2 3 Н1 2 1 2 3 Н2
Рисунок 2 – RC-цепь второго порядка для расчета переходной характеристики, вызванной скачкообразным изменением нагрузки
Анализ (1) показывает, что переходный процесс эквивалентной схемы второго порядка имеет следующую структуру:
I22(t)FAeBt CeDt. (2)
Параметры A, B, C, D, F могут быть определены из экспериментальных данных в результате компьютерного фиттинга уравнения (2) по сигналу напряжения UL(t)RН2 I22(t). На основе уравнений (1) и (2) получена система уравнений, решение которой позволяет определить параметры электрической модели R1, R2, R3, C1, C2:
AC(RR)(R R)E;  1 3 2 1
 R R (R  R  R ) 122 1 3

ADBC 2 1 1 1 2 3 ;
(R R)(CR2CR2)E
 RRCCRR(R RR)
 1 2 1 2 1 3 2 1 3 R RRRR ;
(3)
12132 1 3
Данная система включает в себя нелинейные уравнения и требует применения
сложных методов численного решения. При допущении о том, что сопротивление нагрузки намного больше внутреннего сопротивления ЛИТ RН >> R1+R2+R3, которое имеет место в практически применяемых режимах эксплуатации ЛИТ, для модели второго порядка показана возможность сведения системы алгебраических уравнений к системе линейных уравнений с тремя неизвестными R1, R2 и R3, что существенно повышает точность и уменьшает вычислительные затраты:
1 1 2 3 Н1
BDCR(R R)CR(R R);
 232 3 112 1  CCRR(R RR)
12132 1 3 BD R2 .
 CCRR(R RR)

 R   R   R   ;  11 1 12 2 13 3 1
 R  R  R  ;  21 1 22 2 23 3 2
 R   R   R   ;  31 1 32 2 33 3 3
(4)
где 11 E(RН2 RН1), 12 AR1R2, 13 0, 1 AR1R2RН2, 21 0, 22 CR1R2, 23 E(RН2 RН1), 2 CR1R2RН2,31 1, 32 1, 33 1,
3 R1 RН1.
После определения величин сопротивлений, могут быть определены
величины емкостей C1 и C2:
C1  1 ;C2  1 . (5) BR DR
Точность предложенного метода может быть дополнительно повышена за счет учета мгновенного скачка напряжения на начальной стадии релаксационного процесса. Для повышения точности определения сопротивлений RH1 и RH2 целесообразно использовать многократные измерения с последующим усреднением.
Для верификации предложенного метода в среде моделирования NI Multisim было проведено модельное исследование релаксационных динамических характеристик для эквивалентных схем первого и второго порядков, в результате которого были получены переходные характеристики, анализ которых показал, что они имеют сильную зависимость от параметров модели ЛИТ. Для подтверждения надежности предлагаемого метода моделирование было выполнено для различных значений R1, R2, R3, C1, C2 в диапазонах 0,1 – 1,0 Ом, 0,1 – 1,0 Ом, 0,03 – 1,00 Ом, 0,1-1,0 Ф и 1,0-40,0 Ф, после чего были определены средние относительные ошибки: 1,90 %, 12,40 %, 4,83 %, 1,24 % и 25,70 % соответственно. Полученные величины погрешностей удовлетворительны на большей части рассмотренных диапазонов измерения параметров схемы. Большие погрешности связаны с крайними значениями, соответствующими длительным переходным процессам, превышающим рассматриваемый интервал моделирования.
Показано, что предложенные методы позволяют определить параметры эквивалентной электрической схемы с достаточной для разработки средств технического контроля точностью. Предложенные методы справедливы только для случая, когда ЛИТ не выходит за пределы линейного режима работы, т.е. когда воздействие достаточно мало. В качестве критерия малости воздействия может служить малое изменение потенциала электрохимической системы, которое не должно превышать величину температурного потенциала на каждую ячейку (26 мВ при нормальной температуре).
10

В третьей главе проведено исследование релаксационных процессов ЛИТ, вызванных ступенчатым изменением нагрузки. Для исследования релаксационных динамических характеристик ЛИТ разработана экспериментальная установка, структурная схема которой представлена на рисунке 3, где ЭХИТ – исследуемая электрохимическая система, Дтемп – датчик температуры, НЭ – нагревательный элемент, КТ – контроллер температуры, ОН и ДН – основная и дополнительная нагрузки, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, СК1 и СК2 – схемы коммутации, МУН – модуль управления нагрузкой, МПС – микропроцессорная система.
Рисунок 3 – Структурная схема экспериментальной установки
Экспериментальная установка позволяет формировать зондирующее воздействие путем ступенчатого изменения сопротивления нагрузки и измерять вызванный им переходной процесс с погрешностью измерения напряжения не превосходящей 50 мкВ с возможностью управляемого изменения температуры с погрешностью ± 1°C. Измерения электрических сигналов производятся при помощи прецизионного модульного АЦП PXI-5922 компании National Instruments, который при частоте дискретизации 50 кГц имеет 24-битную разрядность с уровнем собственных шумов 3,4 мкВ (среднеквадратичное значение) в диапазоне от -10 В до 10 В. Схемы коммутации управляют электрическими режимами работы ЛИТ, которые могут быть выполнены с малыми стоимостными и массогабаритными характеристиками на основе электромагнитных реле или транзисторах, работающих в ключевом режиме. В качестве Дтемп используется цифровой модуль на основе термопары типа K, который передает данные о температуре в МПС. Установка записывает полученные данные в текстовые файлы для их дальнейшей обработки и анализа. Программное обеспечение для экспериментальной установки написано
на языке программирования LabVIEW, а для обработки данных на языке Python 3. Экспериментальные исследования показали существенное изменение формы релаксационного процесса из-за временного тренда, связанного с разрядом ЛИТ. Следовательно, для получения корректных результатов при обработке измерительных сигналов требуется процедура компенсации данного тренда, которая заключается в вычитании сигнала, полученного как результат фиттинга сигнала напряжения линейной функцией после окончания переходных процессов. Согласно экспериментальным исследованиям, рекомендуется использовать величину Δt составляющую 10-30 % от времени измерения переходного процесса. Среднеквадратическая погрешность фиттинга в большинстве случае не превышает
величину 10-5 В, что сопоставимо с погрешностью измерительного оборудования. Проведены экспериментальные исследования релаксационных динамических характеристик, вызванных скачкообразным изменением нагрузки. К полученным в процессе разряда переходным характеристикам была применена процедура оптимального линейного сглаживания, после которой проводилась процедура компьютерного фитинга переходной характеристики моделью с двумя экспонентами. Относительная среднеквадратическая погрешность фитинга не превышала 2·10-5. Анализ этой погрешности говорит о том, что она вносит минимальный вклад в общую погрешность оценки параметров электрической
модели.
Показано, что параметры процесса релаксации сильно зависят от состояния
заряда ЛИТ, анализ параметров модели позволяет выявить переразряд и оценить состояние заряда в процессе нормального разряда. Анализ результатов показывает, что сопротивления R1, R3 монотонно возрастают во время разряда ЛИТ. Рост ускоряется, когда напряжение ЛИТ достигает значений ниже 2,7-2,8 В. Описанное поведение можно объяснить увеличением потерь, связанных с диффузией и переносом заряда. Сопротивление R2, связанное с омической поляризацией, остается постоянным в рассматриваемом диапазоне напряжения холостого хода.
Проведено исследование поведения параметров эквивалентной электрической цепи второго порядка в диапазоне температур от -8 до 50 °C (рисунок4). Анализ экспериментальных результатов показывает, что все параметры эквивалентной схемы второго порядка показывают существенную температурную зависимость. Сопротивления R1, R2, R3 монотонно уменьшаются, что позволяет сделать вывод о снижении омических, диффузионных потерь, а также потерь, связанных с переносом заряда. При увеличении температуры от -8 до 13 °C величина сопротивления R3 уменьшилась более чем в 15 раз от 0,17 Ом до 9,7 мОм.
Рисунок 4 – Зависимость параметров эквивалентной электрической схемы второго порядка от температуры
Затем зависимость сохраняет монотонный характер, но скорость уменьшения снижается, при этом величина R3 достигает значения 5,4 мОм. Величина сопротивления R1 в рассматриваемом диапазоне температур уменьшается более чем в 60 раз от 82 до 1,2 мОм. Величина сопротивления R2 при этом монотонно уменьшается от величины 84 до 67 мОм. Малое изменение этого параметра может быть объяснено вкладом омических сопротивлений электродов, контактов и подводящих проводов, имеющих слабую температурную зависимость. Поскольку величины сопротивлений внутренних токопроводящих элементов ЛИТ также являются важными для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик параметрами, то целесообразно рассматривать интегральный параметр R2.
Емкости показывают сильную зависимость от температуры, величины емкостей C1, C2 с увеличением температуры монотонно возрастают. Параметр C1 увеличивается с 0,85 Ф до 5,6 Ф, затем после 47 °C наблюдается резкий рост до 66 Ф. Параметр C2 увеличивается с 4,5 Ф до 30 Ф, затем после 7 °C скорость роста увеличивается, достигая величин свыше 400 Ф при температурах выше 40 °C.
Показано, что параметры электрической модели могут быть использованы для получения информации о внутренних процессах ЛИТ. Подтверждением этого факта являются зависимости полученных оценок параметров электрической модели
от напряжения холостого хода, величины тока потребления и температуры, которые коррелируют с результатами других авторов и могут быть объяснены с позиции общих принципов работы ЛИТ. Экспериментально подтверждена возможность идентификации параметров электрических моделей первого и второго порядков на основе анализа релаксационных процессов. Зависимость полученных параметров электрической модели от напряжения имеет четкое объяснение с позиции физических и химических процессов, протекающих в ЛИТ. Показано, что значения погрешности оценки величин резистивных элементов составляют не более 10 %, а погрешности измерения емкостных элементов – не более 20 %. Отмечается, что использование многократных измерений позволит сократить погрешность. Проведен анализ возможности прогнозирования технического состояния ЛИТ на основе оценки параметров эквивалентной электрической схемы при скачкообразном изменении нагрузки.
Результаты экспериментального исследования позволяют сделать вывод о том, что предложенный во второй главе метод исследования релаксационных динамических характеристик, вызванных ступенчатым изменениям нагрузки, может быть использован для разработки эффективных средств контроля ЛИТ.
В четвертой главе проведена разработка типовой структуры, алгоритмического и программного обеспечения прибора контроля ЛИТ, позволяющего проводить оценку технического состояния без прерывания штатного режима работы.
Проведена разработка методики контроля ЛИТ по релаксационным динамическим характеристикам в рабочем режиме, которая включает в себя этапы формирования зондирующего воздействия в форме скачкообразного изменения нагрузки, измерение отклика и идентификация параметров его математической модели, определение параметров электрической модели и принятие решения о нормальном, критическом или неисправном режимах работы по результатам сравнения параметров электрической модели с пороговыми значениями.
На основании предложенной методики контроля технического состояния ЛИТ разработана типовая структура прибора контроля ЛИТ (рисунок 5) по релаксационным динамическим характеристикам в рабочем режиме.
Рисунок 5 – Типовая структура прибора контроля ЛИТ по динамическим характеристикам в рабочем режиме
Прибор содержит следующие основные элементы: литиевый источник тока(1), модуль измерения тока (2), электрическая нагрузка (3), модуль формирования ступенчатого воздействия (4), модуль измерения напряжения (5), устройство сбора и предварительной обработки данных (6), блок идентификации параметров модели (7), блок принятия решений (8), устройство управления (9).
Представлено алгоритмическое обеспечение прибора контроля ЛИТ по релаксационным динамическим характеристикам в рабочем режиме и его программная и аппаратная реализация. Предложены схемные решения модуля формирования ступенчатого воздействия. Сформулированы требования к частоте дискретизации измерительных сигналов, согласно которой частота дискретизации должна быть больше или равна величине 20/τ, где τ – меньшая из характерных времен релаксационных процессов, наблюдаемых при скачкообразном изменении нагрузки.
Проведена оптимизация с точки зрения вычислительных затрат процедуры компьютерного фиттинга параметров математической модели, включающей в себя две экспоненты. С учетом большой разницы в величинах постоянных времени двух экспонент, процедуру фиттинга предложено разбить на два этапа фиттинга одноэкспоненциальными функциями на разных стадиях переходного процесса. Показано, что можно добиться более чем двукратного сокращения времени выполнения с сохранением приемлемой точности фиттинга. При этом при анализе медленного переходного процесса рекомендуется выбирать нижнюю границу временного интервала в диапазоне от 5τ1 до 2τ2, где τ1, τ2 – постоянные времени быстрого и медленного переходных процессов соответственно. Для анализа быстрого переходного процесса целесообразно использовать интервал времени до 5τ1. Анализ полученных результатов показывает, что предложенная двухэтапная идентификация параметров модели переходного процесса не приводит к существенному увеличению среднеквадратической ошибки (не более 1 % для рассмотренных случаев), но при этом происходит более чем двукратное уменьшение времени вычислений.
3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В данной работе решена научная задача, связанная с научным обоснованием применения релаксационных динамических характеристик, вызванных изменениями нагрузки для ускоренного контроля состояния литиевых источников тока, и достигнута цель, заключающаяся в разработке метода релаксационного ускоренного контроля литиевых источников тока и его алгоритмического обеспечения для построения типовых встроенных диагностических систем. В ходе достижения цели получены следующие основные результаты:
1.Аналитический обзор существующих методов и приборов контроля технического состояния литиевых источников тока показал, что в настоящее время существует необходимость в разработке ускоренных методов контроля в реальном масштабе времени, что позволяет оперативно оценивать текущее состояние литиевых источников тока.
2. Предложена и разработана математическая модель переходного процесса литиевых источников тока, вызванного скачкообразным изменением нагрузки. Показано, что результаты измерения соответствующего переходного процесса могут использоваться для оценки параметров эквивалентной электрической схемы и для построения оперативных систем контроля литиевых источников тока.
3. Предложена и разработана двухэтапная методика идентификации параметров электрической модели, включающая в себя фиттинг математической модели переходной характеристики и нахождение электрической модели на основе решения системы алгебраических уравнений. Показано, что в случае, если сопротивление нагрузки намного больше внутреннего сопротивления анализируемого литиевого источника тока, то система уравнений сводится к системе линейных алгебраических уравнений. Последнее допущение справедливо практически для всех используемых на практике режимов работы литиевых источников тока.
4. Разработана экспериментальная установка для измерения переходных процессов, формируемых ступенчатыми изменением нагрузки. Установка позволяет измерять мгновенные значения токов и напряжений исследуемого источника тока с частотой дискретизации до 50 кГц (разрядность АЦП 24 бит), температуру исследуемого объекта, формировать сигналы возбуждения с задаваемыми оператором параметрами. Установка осуществляет контроль амплитуды воздействия для поддержания системы линейном режиме.
5. Проведено исследование релаксационных процессов литиевых источников тока, вызванных ступенчатым изменением тока нагрузки и сопротивления нагрузки. Показано, что параметры процесса релаксации сильно зависят от состояния заряда литиевого источника тока, анализ параметров модели позволяет выявить переразряд и оценить состояние заряда в процессе нормального разряда. Параметры модели могут быть использованы для получения информации о внутренних процессах ЛИТ. Экспериментально подтверждена возможность идентификации параметров эквивалентных электрических цепей первого и второго порядков на основе анализа релаксационных процессов. Зависимость полученных параметров эквивалентной схемы второго порядка имеет простое объяснение с позиции физических и химических процессов, протекающих в литиевых
источниках тока. Экспериментально подтверждено, что погрешность оценки параметров эквивалентной схемы составляет величину, не превосходящую 10 % для резистивных элементов и 20 % для емкостных элементов. Достигнутая точность достаточна для реализации систем контроля электрохимических источников тока. Следует отметить, что эта оценка проводилась для минимальных величин измеряемых параметров, кроме того, она дополнительно может быть уменьшена путем обработки результатов измерений с многократными измерениями.
6. Предложен и разработан метод неразрушающего контроля технического состояния литиевых источников тока по релаксационным динамическим характеристикам, вызванным естественными или вынужденными изменениями электрической нагрузки. Преимущество этого подхода состоит в потенциально высокой информативности, сопоставимой с импедансной спектроскопией, а также в простой аппаратной реализации без необходимости использования мощных сигналов возбуждения. Метод включает в себя следующие основные этапы: 1)формирование переходного процесса как отклика системы на ступенчатое изменение сопротивления нагрузки; 2) двухэтапная идентификация параметров модели переходного процесса, позволяющая сократить вычислительные затраты на фиттинг модели более чем в два раза; 3) нахождение параметров эквивалентной электрической схемы посредством решения системы линейных алгебраических уравнений; 4) принятие решения о техническом состоянии объекта исследования.
7. Разработана типовая структурная схема, алгоритмическое и программное обеспечение прибора контроля литиевых источников тока, позволяющего оценивать техническое состояние объекта по его динамическим характеристикам в режиме функционирования без вмешательства в его штатные режимы работы, с хорошей локализацией во времени измерительных процедур.
Совокупность полученных результатов подтверждает достижение цели исследования.