CC BY
80
УДК 621.3117.799
МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИОСТАТ-ГАЛЬВАНОСТАТ ДЛЯ ЦИКЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ АККУМУЛЯТОРОВ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ЯЧЕЕК
С. Э. Мочалов, А. В. Антипин, А. Р. Нургалиев, В. С. Колосницын и
Уфимский институт химии РАН 450054, Россия, г. Уфа, пр. Октября, 71
и E-mail: [email protected], [email protected] Поступила в редакцию 25.02.15 г.
Описано многоканальное устройство для исследования аккумуляторов и электрохимических ячеек при зарядно-разрядном циклировании и в условиях разомкнутой цепи. Каждый канал представляет собой программируемый потенциостат-гальваностат, работающий по независимой программе. Точность стабилизации тока и потенциала составляет 0.01%. Для каждого канала предусмотрена возможность подключения дополнительных датчиков с аналоговым выходом, например температуры. Предложенное программно-аппаратное решение позволяет управлять экспериментом, получать результаты измерений и администрировать систему по сети Ethernet.
Ключевые слова: программно-аппаратное устройство, удалённое управление экспериментом, тестирование аккумуляторов.
MULTICHANNEL POTENTIOSTAT-GALVANOSTAT FOR BATTERY AND ELECTROCHEMICAL
CELLS CYCLING
S. E. Mochalov, A. V. Antipin, A. R. Nurgaliev, V. S. Kolosnitsyn и
Ufa Institute of Chemistry of the Russian Academy of Science 71, ave. Oktyabrya, Ufa, 450054, Russia
и E-mail: [email protected], [email protected] Received 25.02.15
Multichannel instrument to study batteries and electrochemical cells during charge-discharge cycling, and open-circuit conditions is described. Each channel is a programmable potentiostat-galvanostat operating by an independent program. The accuracy of the stabilization current and potential is 0.01%. The additional sensors with analog output, such as temperature, can be plugged to each channel. The proposed hardware and software solution allows to control experiments, receive measurement data and remote administer the instrument via Ethernet.
Key words: software and hardware device, remote control experiment, testing the batteries.
ВВЕДЕНИЕ
Главным инструментом электрохимика, занимающегося разработкой вторичных химических источников тока (ХИТ) является потенциостат -устройство, позволяющее проводить эксперименты при управляемой гальвано- или потенциостатиче-ской поляризации электрохимической ячейки. Измерение зарядно-разрядных характеристик макетов аккумуляторов и аналогичных циклических характеристик положительного и отрицательного электродов в различных режимах поляризации является одним из основных экспериментальных методов их исследования. Особенностью таких экспериментов является их большая длительность. При испытаниях в часовых режимах заряда и разряда аккумуляторов, способных отработать сотни и тысячи циклов заряда-разряда, для измерений требуются времена порядка недель и месяцев. В более мягких режимах время
эксперимента ещё увеличивается. Учитывая, что для получения надёжных данных обычно исследуются несколько идентичных образцов, единственным способом ускорения эксперимента является проведение параллельных измерений с использованием многоканальных устройств, получивших название «Battery Testing Systems». Такие системы выпускаются про-мышленно [1-3]. Однако эти устройства в основном предназначены для тестирования готовой продукции и не во всём устраивают разработчиков новых электрохимических систем.
Например, зачастую выходные каскады потен-циостатов каналов не являются биполярными, что не позволяет исследовать отдельные электроды электрохимической ячейки по 3-электродной схеме. Программное обеспечение эксперимента часто выполнено для работы под управлением операционной системы, вызывающей сомнения в долговременной
© МОЧАЛОВ С. Э., АНТИПИН А. В., НУРГАЛИЕВ А. Р., КОЛОСНИЦЫН В. С., 2015
стабильной работе устройств. Во многих случаях невозможно изменить программу эксперимента или даже параметры исполняемой программы без обязательной остановки эксперимента. Это особенно негативно сказывается при исследовании макетов новых разрабатываемых перспективных систем (например, литий-серных), для которых алгоритмы поляризационных воздействий, обеспечивающие максимальную эффективность работы и сохранность, могут быть достаточно сложными. Для оптимизации режимов работы необходимо обеспечить максимальную гибкость эксперимента, адаптивность к параметрам состояния ячейки и внешним условиям. Отработанные в ходе таких экспериментов алгоритмы в дальнейшем могут быть использованы в составе систем контроля и управления (BMS), без которых практически невозможно построение современных аккумуляторных батарей.
Немаловажна также и цена такого оборудования. Приведённая стоимость серийного оборудования может достигать 2-2.5 тысяч $ на канал.
В силу этих причин многие исследователи используют приборы собственной разработки [4-7], более адаптированные к своим задачам.
На основании опыта многолетней работы в области электрохимической энергетики и опыта разработки и эксплуатации подобного оборудования [7] авторы статьи считают, что исследовательская установка должна обладать следующими свойствами:
- работать в гальвано- и потенциостатическом режимах по 2- и 3-электродной схеме;
- поляризующая цепь должна быть биполярной для обеспечения возможности исследования отдельных электродов при малой катодной и анодной поляризации;
- обеспечивать непрерывную устойчивую работу в течение нескольких месяцев или даже лет;
- иметь ПО, допускающее модификацию программы эксперимента во время его исполнения;
- иметь возможность измерять дополнительные параметры от внешних датчиков,
- обеспечивать удалённый доступ по Ethernet для получения измеренных данных, управления экспериментом и обновления ПО;
- обеспечивать гальваническое отключение образца при аварийной остановке;
- обеспечивать возможность замены потенци-остата канала без выключения всего устройства (hot swap).
- обладать приемлемой стоимостью.
В настоящей работе описываются конструкция и опыт эксплуатации разработанного нами прибора, удовлетворяющего перечисленным требованиям.
УСТРОЙСТВО ПРИБОРА
Блок-схема прибора приведена на рис. 1. Основу устройства составляют 8 (по количеству рабочих каналов) плат потенциостатов-гальваностатов. Регулирующее звено потенциостата реализовано на усилителе У1 по классической схеме с заземлённым токоизмерительным резистором R1. Резистор четы-рёхвыводной, термостабильный, 0.1% точности, номиналом 0.5 Ом определяет максимальный диапазон тока потенцио стата ±2А. В качестве задатчи-ка уровня поляризации использован 16-разрядный ЦАП. Потенциал, ток и сигнал от внешних датчиков измеряются 24-разрядным АЦП. Измерения зарядно-разрядных характеристик можно проводить в потенцио статическом и гальваностатическом режимах по двух- и трёхэлектродной схемам подключения. Переключение режимов осуществляется ключом К1. На инструментальных усилителях У2 и У3 реализованы формирователи сигналов потенциала и тока соответственно. При аварии питающей сети объекты измерений гальванически отключаются нормально-разомкнутыми контактами ключей К2 и К3. Управление ЦАП, АЦП, коммутирующими ключами, а также дешифрацию адреса платы потенцио стата (номера канала) осуществляет однокристальный контроллер канала.
Рис. 1. Блок-схема прибора
Схема после необходимых настроек обеспечивает точность регулирования тока/напряжения на
уровне около 0.1%. Основной источник погрешности - температурная нестабильность элементов схемы. Более чем на порядок увеличить точность удалось программным способом, используя величину рассогласования заданной и измеренной величины для коррекции воздействия. Такой способ позволил отказаться от необходимости разбиения диапазона регулирования/измерения тока на несколько пределов.
Платы потенциостатов измерительных каналов через узел оптической изоляции ОИ подключены к управляющей шине приборного интерфейса SPI. Для согласования SPI с последовательным портом управляющего компьютера используется преобразователь интерфейсов RS-232/SPI, размещённый в отдельном модуле.
Управляет устройством одноплатный компьютер EPIA-PX10000G формата Pico-ATX [8].
Устройство выполнено в 19'' конструктиве стандарта МЭК297. При изготовлении использовались корпусные детали и модули производства Schroff [9]. Использование отдельных блоков питания для компьютера и модулей канала вкупе с оптической изоляцией интерфейса позволило осуществить реализацию горячей замены модуля канала без остановки экспериментов и выключения прибора.
УДАЛЕННЫЙ ДОСТУП
Прибором можно управлять удалённо с любого внешнего (клиентского) компьютера. Клиентские компьютеры осуществляют доступ к устройству для управления экспериментом и обмена данными через сетевой интерфейс управляющего компьютера (Ethernet). Каждому прибору назначается статический IP-адрес, в целях сетевой безопасности присваивается логин и пароль.
Статический адрес может быть публичным, и тогда любой компьютер, имеющий выход в Интернет, может быть клиентским по отношению к приборам. При использовании приватных статических адресов прямой доступ к приборам возможен только из соответствующего локального сегмента сети. С целью организации различных уровней доступа пользователей возможно использование публичной и приватной адресации на одном приборе одновременно.
Передача управляющих команд от клиентского компьютера и приём текущих данных из устройства осуществляется по TCP/IP протоколу. Результаты измерений и программы эксперимента хранятся в виде отдельных файлов на жёстком диске устройства, обмен файлами между устройством и клиентом реали-
зован по FTP-протоколу. Для обеспечения безопасности доступ к устройству по FTP также защищён паролем.
Дополнительным преимуществом удалённого доступа по Ethernet является возможность осуществлять сервисное обслуживание прибора, обновление его программного обеспечения, организовывать его взаимодействие с дополнительным внешним оборудованием, также имеющим опцию управления по Ethernet.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СЕРВЕРА
Программное обеспечение управления экспериментом реализовано на основе архитектуры клиент-сервер.
Серверная часть работает на одноплатном управляющем компьютере прибора под управлением Unix-подобной операционной системы NetBSD [10], которая предоставляет достаточно надёжные сетевые службы и эффективное управление памятью, имеет низкие затраты на системное взаимодействие. Unix-подобные системы устойчивы и широко представлены в списке самых производительных сайтов хостинг провайдеров (согласно исследованию компании Netcraft [11]).
Целевое программное обеспечение сервера образуют процессы фонового режима (daemon) -spihostd, smux, schan. Два первых процесса обеспечивают мультиплексный доступ к ресурсам сети и оборудования для группы основных процессов schan. Базовые процедуры schan организуют работу потенциостата канала с учётом его возможного отключения, включения и имеют функции коррекции возможных сбоев в работе. Каждому каналу оборудования соответствует один процесс schan, в котором выполняется собственно программа эксперимента под управлением встроенного интерпретатора Lua [12]. Эта программа полностью определяется пользователем.
Описанная структура ПО придаёт системе гибкость и позволяет независимо вмешиваться в работу каждого канала и даже мультиплексирующих процессов. В том числе возможно производить обновление программного обеспечения сервера без остановки работы системы.
КЛИЕНТСКОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Пакет программ, устанавливаемый на клиентском компьютере, включает следующие приложения:
- основная управляющая программа, предназначенная для управления устройством, програм-
мирования эксперимента, отображения текущего состояния эксперимента и статуса состояния измерительных каналов;
- утилита для быстрого просмотра циклов измеренных данных в графической форме;
- программа численной и графической обработки файлов экспериментов и экспорта результатов во внешние приложения: MS Exel, MS Word и т. д.
Последние два приложения могут вызываться из основной программы для обработки текущего эксперимента или работать самостоятельно с файлами завершённых экспериментов.
Основное окно работающего клиентского приложения изображено на заднем плане рис. 2. Для каждого канала в соответствующей строке отображаются текущие экспериментальные данные. В этой же строке расположены элементы управления, позволяющие запустить измерения, принудительно их остановить или перейти на следующий шаг цикла. Кроме того, можно открыть окно программирования/редактирования цикла измерений (Setup), запустить утилиту быстрого просмотра (View) или про-
грамму численной и графической обработки результатов (Calc).
Окно программирования/редактирования цикла измерений показано на переднем плане рис. 2. Цикл измерений состоит из последовательности шагов. Для каждого шага цикла измерений задаются режим (Step) и амплитуда поляризации (Value), условия завершения текущего шага (End Step if) и условия записи результатов измерений (Sample if).
Доступны для выбора режимы гальваностатического и потенциостатического заряда и разряда и режим «отдыха» idle. В этом режиме гальванически размыкается цепь поляризации образца и через ячейку протекает только ток цепи измерения потенциала, около 10-9А.
Последовательность исполнения шагов определяется выполнением условий перехода (End Step if, go to). Условиями перехода могут быть предельное время или значение ёмкости на исполняемом шаге, предельный ток или потенциал. Параметры условий перехода (Value) могут задаваться численно, либо определяться результатами исполнения предыдущих шагов.
Рис. 2. Рабочее окно клиентской программы и окно программирования цикла измерений
После завершения редактирования табличное представление эксперимента транслируется в исполняемый код интерпретатора Lua. Файл с транслированным фрагментом программы сохраняется на клиентском компьютере и отправляется по FTP серверу. Далее отправляются команды интерпретатору для загрузки этого файла в контекст программы и вызова описанных там процедур инициализации.
Предложенное решение с внедрённым интерпретатором Lua позволяет не только изменять параметры эксперимента в ходе его выполнения, но и изменять тело самой исполняемой программы. Появляется возможность реализации более сложных экспериментов, для которых невозможно табличное представление.
Для удобства программирования однотипных экспериментов предусмотрено сохранение программ эксперимента в файлах на диске клиентского компьютера и копирование программ из одного канала в другой.
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Программа обработки данных позволяет графически обрабатывать как произвольные наборы отдельных циклов (задний план см. на рис. 3), так и эксперимент в целом, т. е. осуществлять групповую обработку. Например, на переднем плане на рис. 3 представлены графики зависимости зарядной и разрядной ёмкостей литий-серной ячейки от количества зарядно-разрядных циклов. Обработанные данные могут быть экспортированы во внешние приложения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Описанный в работе прибор тиражирован в трёх экземплярах. Устройства показали надёжную работу за трёхлетний период эксплуатации, обеспечивая удобное управление и доступ к экспериментальным данным.
Рис. 3. Окна программы обработки данных
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bitrode corp. [Электронный ресурс]. URL: http:// www.bitrode.com/products/access/battaccess.htm (дата обращения: 16.03.2015).
2. Maccor inc. [Электронный ресурс]. URL: http:// www.maccor.com/^aTa обращения: 16.03.2015).
3. Neware Co.,Ltd. [Электронный ресурс]. URL: http:// www.neware.com.cn/(дата обращения: 16.03.2015).
4. Бубнов Ю. И., Матвеев К. А. Модульное устройство для испытаний трехэлектродных электрохимических ячеек // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: Сб. материалов IX междун. конф. Уфа: Реактив, 2006. С. 314.
5. Стрилецкий Ю. И., Гасюк И. М., Угорчук В. В. Вариант разработки автоматизированной многоканальной установки цик-лирования электрохимических ячеек // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: Сб. материалов IX междун. конф. Уфа: Реактив, 2006. С. 315.
6. Чернухин С. И., Мартынюк В. В., Третьяков Д. О., Войтюк О. П., Страшко Г. В. Многофункциональный автоматический стенд для исследования электродных материалов и
образцов ХИТ // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: сб. материалов IX междун. конф. Уфа: Реактив, 2006. С. 316.
7. Мочалов С. Э., Антипин А. В., Колосницын В. С. Многоканальное устройство тестирования вторичных химических источников тока и электрохимических ячеек // Научное приборостроение. 2009. Т. 19, № 3. С. 88-92.
8. VIA Technologies, Inc. [Электронный ресурс]. URL: http:// www.viaembedded.com (дата обращения: 16.03.2015).
9. PENTAIR equipment and electronic protection. [Электронный ресурс]. URL: http:// www.schroff.ru/internet/html_ru/(дата обращения: 16.03.2015).
10. The NetBSD Foundation, Inc. [Электронный ресурс]. URL : http://www.netbsd.org/(дата обращения: 16.03.2015).
11. Netcraft Ltd. [Электронный ресурс]. URL: http://uptime.netcraft.com/perf/reports/Hosters (дата обращения: 16.03.2015).
12. Lua.org, PUC-Rio. [Электронный ресурс]. URL: http:// www.lua.org/(дата обращения: 16.03.2015).
REFERENCES
1. Bitrode corp. Available at: http:// www.bitrode.com/ products/access/battaccess.htm (accessed 16 march 2015).
2. Maccor inc. Available at: http:// www.maccor.com/ (accessed 16 march 2015).
3. Neware Co.,Ltd. Available at: http:// www.neware.com.cn/ (accessed 16 march 2015).
4. Bubnov Ju. I., Matveev K.A. Modul'noe ustrojstvo dlja ispytanij trehjelektrodnyh jelektrohimicheskih jacheek [Modular device for testing three-electrode electrochemical cells] Fundamental'nye problemy preobrazovanija jenergii v litievyh jelektrohimicheskih sistemah: materialy IX mezhdunarodnoj konferencii [Fundamental Problems of energy conversion in lithium electrochemical systems: Proceedings of the IX International Conference]. Ufa Reaktiv Publ., 2006, p. 314 (in Russian).
5. Strileckij Ju. I., Gasjuk I. M., Ugorchuk V. V Variant razrabotk avtomatizirovannoj mnogokanal'noj ustanovki ciklirovanija jelektrohimicheskih jacheek [Embodiment of automated multichannel installation for cycling electrochemical cells] Fundamental'nye problemy preobrazovanija jenergii v litievyh jelektrohimicheskih sistemah: materialy IX mezhdunarodnoj konferencii [Fundamental Problems of energy conversion in lithium electrochemical systems: Proceedings of the IX International Conference]. UfaReaktiv Publ., 2006, p. 315 (in Russian).
6. Chernuhin S. I., Martynjuk V. V., Tret'jakov D. O., Vojtjuk O. P., Strashko G. V. Mnogo funkcional'nyj avtomaticheskij
stend dlja issledovanija jelektrodnyh materialov i obrazcov HIT [Multi-automatic bench for the study of electrode materials and chemical current source samples] Fundamental'nye problemy preobrazovanija jenergii v litievyh jelektrohimicheskih sistemah: materialy IX mezhdunarodnoj konferencii [Fundamental Problems of energy conversion in lithium electrochemical systems: Proceedings of the IX International Conference]. UfaReaktiv Publ., 2006, p. 316 (in Russian).
7. Mochalov S. E., Antipin A. V.,. Kolosnitsyn V. S. Mnogokanal'noe ustrojstvo testirovanija vtorichnyh himicheskih istochnikov toka i jelektrohimicheskih jacheek [Multichannel test system for secondary chemical current sources and electrochemical cells]. Nauchnoe priborostroenie [Scientific Instrumentation], 2009, vol. 19, no. 3, pp. 88-92 (in Russian).
8. VIA Technologies, Inc. Available at: http:// www.viaembedded.com (accessed 16 march 2015).
9. PENTAIR equipment and electronic protection. Available at: http:// www.schroff.ru/internet/html_ru/ (accessed 16 march 2015).
10. The NetBSD Foundation, Inc. Available at: http:// www.netbsd.org (accessed 16 march 2015).
11. Netcraft Ltd. Available at: http:// uptime.netcrafft.com/perf/ reports/Hosters (accessed 16 march 2015).
12. Lua.org, PUC-Rio. Available at: http:// www.lua.org/ (accessed 16 march 2015).
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Колосницын Владимир Сергеевич - д-р хим. наук, проф., зав. лабораторией, Уфимский институт химии Российской академии наук. Служебный телефон: (347) 235-58-00, e-mail: [email protected], [email protected].
Мочалов Сергей Эрнстович - канд. хим. наук, старший науч. сотрудник, Уфимский институт химии Российской академии наук. Служебный телефон: (347) 235-58-00, e-mail: [email protected].
Антипин Аркадий Вячеславович - мл. науч. сотрудник, Уфимский институт химии Российской академии наук. Служебный телефон: (347) 235-58-00, e-mail: [email protected].
Нургалиев Азат Раисович - мл. науч. сотрудник лаборатории электрохимии, Уфимский Институт химии Российской академии наук. Служебный телефон: (347) 235-58-00, e-mail: [email protected].
