Файл: Мпк h01M 638 (2018. 01) Способ сокращения времени депассивации химического источника тока длительного хранения и устройство его реализации.docx

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 30.10.2023

Просмотров: 20

Скачиваний: 2

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

МПК H01M 6/38 (2018.01)

Способ сокращения времени депассивации химического источника тока длительного хранения и устройство его реализации

Ануфриев В.Н.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к химическим источникам тока (ХИТ) длительного хранения цилиндрических и/или таблеточных (низкопрофильных цилиндрических) конструктивных форм.

Изобретение может быть использовано при изготовлении ХИТ длительного хранения на основе литий-тионилхлорид (Li-SOCl2) электрохимической системы (ЛТХБ) с высокой ударной прочностью и ускоренным выходом на режим номинальной нагрузки. Основное применение боеприпасы - артиллеристские снаряды и мины, и ракеты малого калибра.

При функционировании боеприпасов (БП) в автономном режиме с электропитанием от химических источников тока (ХИТ), к системе электропитания БП во многих приложениях предъявляются повышенные требования по обеспечению большой длительности автономной работы и сохранению работоспособности в сложных условиях эксплуатации при ограниченных массе и габаритах БП. Для удовлетворения этим требованиям электропитание БП должно осуществляться с использованием ХИТ с большими энергетическими характеристиками. По оценкам экспертов [Л1, Л2] самую большую плотность энергии обеспечивают литиевые батареи. При этом, среди литиевых батарей лучшими по большинству параметров являются элементы системы литий-тионлхлорид (Li/SOCl2). Эти изделия характеризуются самым высоким выходным напряжением (3,6 В), максимальной электрической емкостью, широким диапазоном рабочих температур (могут работать при температуре -55…+-65°C), способностью выдавать повышенные токи разряда и обеспечивают большой срок хранения, который может превышать 10 лет.

Следует отметить, что низкий ток саморазряда и весьма длительный срок хранения ЛТХБ обусловлен существованием тончайшей изолирующей пленки хлорида лития (ИПХЛ), образующейся на поверхности металлического литиевого электрода. Она возникает еще в момент сборки элемента на конвейерной линии предприятия-изготовителя, как только литий вступает в контакт с тионилхлоридом. А возникнув, она прерывает взаимодействие реагентов и останавливает реакцию. Образование и существование ИПХЛ проявляется главным образом в низком токе саморазряда батареи. Наличие ИПХЛ создает противоречивую ситуацию. С одной стороны, наличие ИПХЛ гарантирует необходимые (полезные) свойства: низкий ток саморазряда и длительный срок хранения ЛТХБ, поэтому ИПХЛ необходимо сохранять. С другой стороны, с течением времени, толщина хлорида лития нарастает и пропорционально ее толщине увеличивается и сопротивление изоляции, что вызывает снижение выходного напряжения ЛТХБ под нагрузкой и приводит к уменьшению ее разрядного тока. На фигуре 1 показана временная зависимость выходного напряжения от тока нагрузки ЛТХБ после длительного хранения (1год).


В момент подключения нагрузки к ЛТХБ наблюдается понижение напряжения на ее выходных контактах. Если номинальное напряжение у ЛТХБ при стандартном токе разряда должно быть примерно 3,6 В, то из-за наличия значительного слоя ИПХЛ оно может понизиться до 2,3-2,7 В или еще ниже. Поэтому, для предотвращения снижения работоспособности ЛТХБ и предотвращения выхода из строя/отказа БП, получающих электропитание от этой ЛТХБ, ИПХЛ необходимо разрушать.

Как правило, для разрушения ИПХЛ используется принудительный разряд ЛТХБ, что неизбежно ведет к снижению общего энергоресурса ЛТХБ. [Л3]. Данный метод носит название «метод активационного разряда», он позволяет разрушить изолирующую пленку и восстановить значение выдаваемого батарейкой напряжения. Очевидно, что для предотвращения преждевременной потери работоспособности ЛТХБ из-за ее периодических процедур разряда, разрушать ИПХЛ таким способом не желательно. Однако, из-за образования ИПХЛ происходит потеря способности ЛТХБ отдавать в нагрузку ток, предусмотренный спецификацией этого изделия, что может вызывать отказ в работе БП, питающейся от данной ЛТХБ. Образуется «замкнутый круг».

Известно устройство компенсации эффекта пассивации выходного напряжения литий-тионилхлоридной батареи [Л4], в котором дополнительно введен альтернативный источник электрической энергии, выполненный в виде малогабаритной атомной батареи (МАБ), а также накопитель электрической энергии, выполненный в виде батареи суперконденсаторов и микроконтроллер (МК) с коммутаторами.

МК осуществляет управление режимами активации ЛТХБ путем нормирования значения мощности, расходуемой на ее депассивацию, контроля уровня работоспособности батареи с использованием энергоресурса МАБ.

Также известно устройство восстановления работоспособности пассивированной литий-тионилхлоридной батареи [Л5], , состоящее из микроконтроллера (МК), индикатора, разрядной цепи (РЦ), блока контроля параметров батареи (БКПБ), блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ), памяти и шины электропитания (ШЭП). В котором, при достижении порогового значении тока пассивации на основе измерения длительности ее работы при уровне разрядного тока меньшем порогового значения разрядного тока и при достижении или превышении текущего времени ее пассивации подключается разрядная нагрузка приводящая к разрушение пассивирующий пленки.


Но все приведенные примеры основанные на депассивации батареи путем разрушения пассивирующей пленки протекающим током нагрузки являются достаточно длительными процессами и не могут быть использованы в малокалиберной артиллерии, где полетное время снарядов составляет единицы секунд.

Наиболее близким техническим решением по скорости активации является Активируемая батарея для электронного артиллерийского взрывателя [Л6],

содержащая: верхнюю часть батареи и нижнюю часть батареи; ампулу для заполнения электролитом, указанная ампула неподвижно расположена в указанной нижней части батареи; устройство активации, расположенное в указанной верхней части батареи для разрыва указанной ампулы; элемент синхронизации для освобождения упомянутого активирующего устройства для оценки длительности механического импульса, действующего на аккумулятор, указанный элемент синхронизации, имеющий инерционный корпус, перемещаемый в осевом направлении и с возможностью вращения; и пружину сжатия, действующую против смещения упомянутого инерционного тела, упомянутое приводное устройство, включающее ударник ампулы и ударную пружину; и в котором, когда указанный элемент синхронизации отпускает указанный ударник ампулы, указанный ударник ампулы перемещается и разрывает указанную ампулу: при этом упомянутый ударник ампулы и упомянутая пружина ударника расположены в упомянутой верхней части батареи.

К недостаткам указанного изобретения можно отнести ограниченный снизу рабочий диапазон температур, связанный с отсутствием электролитов с высокой текучестью при пониженной температуре окружающей среды, необходимой для ускоренного выхода ХИТ на режим номинальной нагрузки.

Технический результат предполагаемого изобретения заключается в сокращении времени депассивации ХИТ длительного хранения на основе литий-тионилхлорид (Li-SOCl2) электрохимической системы (ЛТХБ) не электрическим способом.

На фиг.1 изображены графики нагрузки ЛТХБ емкостью 250мА-час в нормальных условиях после хранения 1 год: кривая А соответствует току нагрузки 25мА, кривая В соответствует току нагрузки 100мА, кривая С соответствует току нагрузки 400мА.

На фиг.2 изображена ЛТХБ, содержащая корпус 1, крышку 2, герметизирующую крышку 3, катодный стержень 4, герметизирующие прокладки 5 и 6, сепаратор 7, катодную массу и нанесенную на стенки корпуса литиевую фольгу 9, выполняющую роль анода.


На фиг.3 показана пленка LiCl, выращенная на дне корпуса 1 (фиг. 1), после воздействия изгибающей механической нагрузки. Четко видно разрушение пленки на отдельные фрагменты.
Способ основан на физических свойствах пленок LiCl [Л7], и механических свойствах корпуса батареи и ее конструкции, а также особенностью работы снарядов малокалиберной артиллерии [Л8]. Физические свойства пленок LiCl характеризуются в первую очередь низкой прочностью кристаллов и их низкой твердостью, поэтому они легко разрушаются при внешнем механическом воздействии. Конструкция батареи изменена таким образом, чтобы иметь минимальную жесткость крышки и дна батареи при воздействии линейных ускорений возникающих в момент разгона снаряда по каналу ствола. Учитывая тот факт, что линейное ускорение действует всего в течении 1.5-2 мс и достигает величины до 80-100 тыс. g, пленка находящаяся на поверхности катода разрушается без ее осыпания, при этом открывается не менее 5% эффективной площади катода, что приводит к снижению выходного сопротивления ЛТХБ до уровня не более 3-4 номинальных сопротивлений батареи. Вид разрушенной пленки LiCl показан на фигуре 3.

Время разрушения пленки LiCl и соответственно выход батареи на номинальный режим нагрузка составляет не более 2мс, что недостижимо в ампульных конструкциях ХИТ [Л6], в которых типовое время включения составляет не менее 30-50мс.

ХИТ длительного хранения с ускоренным выходом на режим работает следующим образом. Если срок хранения ХИТ, в том числе и в составе БП менее 3 -4 месяцев то пассивирующая пленка LiCl не успевает образоваться и ХИТ после выстрела может сразу принять номинальную нагрузку, указанную в технической документации на конкретный ХИТ. Иначе, при длительном хранении до 10-12 лет и/или повышенной температуре хранения на катоде нарастает пассивирующая пленка LiCl, что, приводит к увеличению внутреннего сопротивления ЛТХБ, что при подключении номинальной нагрузки в свою очередь приводит к первоначальному провалу выходного напряжения ЛТХБ до уровня менее 2,0В. Линейные и центробежные ускорения возникающие в момент выстрела за счет механических напряжений и повышенной упругости корпуса батареи частично разрушают пассивирующую пленку LiCl и ЛТХБ позволяет нагружать ее токами до 40-50% от номинальных значений, что должно учитываться при выборе емкости ЛТХБ.

Конструкция ЛТХБ для БП малокалиберной артиллерии выполнена следующим образом (см. фиг 2). Крыша 2 совместно с прижимной герметизирующий крышкой 3 образуют плоскую пружины в которую добавлена масса катода 4. И в момент выстрела при появлении линейных ускорений вдоль вертикальной оси ЛТХБ превышающих 50-60 тыс. g крышка 2 прогибается и катод 4 начинает давить на дно корпуса 1 что приводит к напряжениям в пассивирующей пленке LiCl образованной на поверхности литиевого анода 9 и ее частичному разрушению. В этот же момент происходит инициализация электронной части БП, например, по сигналу датчика линейных ускорений. Процесс инициализации происходит, как правило, при потребляемом токе на уровне 0,5-2,0% от номинального тока ЛТХБ, что приводит к дополнительному рассасыванию пассивирующей пленки LiCl, и через 1,5-2мс ЛТХБ готова отдавать до 50% от номинального тока при падении выходного напряжение не более чем на 300-400мВ.

Литература

  1. «И вновь о правильном питании, или некоторые особенности эксплуатации литиевых батарей», Вихарев Леонид, Компоненты и технологии, № 4’2006

  2. Литиевые химические источники тока: некоторые особенности применения 27 апреля 2016 https://www.compel.ru/lib/75575

  3. Батарейки Fanso: промышленное применение при высоких температурах автор: Святослав Зубарев (г. Смоленск) https://www.terraelectronica.ru/news/6020

  4. Патент RU 146 506 Устройство компенсации эффекта пассивации выходного напряжения литий-тионилхлоридной батареи

  5. Патент RU 158210 U1 Устройство восстановления работоспособности пассивированной литий-тионилхлоридной батареи.

  6. Патент US 8007934 Активируемая батарея для электронного артиллерийского взрывателя

  7. Хлорид лития Физические свойства, https://chemicalstudy.ru/

  8. РАЗДЕЛ 8. Теория оружия и боеприпасов внутренняя баллистика, http://www.tinlib.ru/uchebniki/iskusstvo_snaipera/p10.php

Смотрите также файлы