Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора?

При обслуживании современных аккумуляторных батарей измеряются и проверяются несколько различных параметров, среди них не последнюю роль играет внутреннее сопротивление аккумулятора, ведь это – значимый параметр источника питания. Его регулярная проверка и контроль позволяют поддерживать аккумуляторную батарею в работоспособном состоянии.

Именно этот параметр способен показать неисправности ещё в их зачатке и предотвращать их, а не исправлять многочисленные последствия. Ведь чрезмерный разброс провоцирует выход из строя как самой аккумуляторной батареи, так и отдельных узлов электрики автомобиля.

Как проверить внутреннее сопротивление?

Срок эксплуатации аккумуляторной батареи зависит от правильности проведения проверки. Данная процедура включает несколько этапов:

1. Осмотр. Во время осмотра проверяют, в каком состоянии корпус, присутствуют ли микротрещины, пыль, загрязнения. Устанавливается состояние выводов, наличие окислений на электродах, штырях. Обнаруженную ржавчину удаляют при помощи специальных составов.
2. Контроль процесса разряда. Для этих целей аккумуляторную батарею разряжают, заряжают и вновь разряжают. Силу тока, нагрузку поддерживают в требуемом пределе. Контролируя разряд, устанавливается истинное состояние электрических соединений, емкости АКБ. Разряд выполняют после демонтажа устройства.
3. Электролит. Во время эксплуатации часть электролита испаряется. Для установления уровня используют трубочки или специальные элементы. Их погружают в отверстия до того момента, пока они не соприкоснутся с пластинами. Для восполнения объема используют дистиллированную воду.
4. Плотность электролитического состава. Из-за сульфатации пластин часть емкости теряется. Выделяющаяся сера негативно сказывается на степени плотности электролита. Плотность постепенно снижается. Этот параметр учитывают, если тестируют кислотные аккумуляторные батареи.
5. Использование нагрузочной вилки. Замер напряжения свинцовых источников питания выполняется при помощи нагрузочных вилок. По специальной шкале отслеживают состояние акб.

Проверка аккумулятора выполняется при помощи тестеров. С их помощью устанавливают соответствие параметров заданным нормам и требованиям.

От чего зависит?

Перед тем как проверить сопротивление автомобильного аккумулятора, необходимо изучить, что представляет собой этот показатель.

Внутреннее сопротивление аккумулятора рассчитывается по стандартной формуле. При определении учитывается электродвижущая сила, сила тока и нагрузка. В результате, получается условная величина, которая постоянно меняется.

Оно зависит и от:

• Габаритов и геометрии.
• Конструкции корпуса, решеток и банок.
• Состояния электролитического состава.
• Наличия легирующих веществ.
• Состояния выводов.

При расчете сопротивления учитывается значение импеданса, в которое входит реактивная составляющая. Реактивная составляющая присуща емкостям, катушкам. Импеданс учитывается при определении реактивного сопротивления.

На внутреннее сопротивление аккумулятора влияет состояние электролита, его концентрации и температурного режима. Понижение температуры влечет рост данного показателя.

Определяя внутреннее сопротивление аккумулятора, учитывается и поляризация, которая зависит от силы тока. Возникает поляризация по таким причинам:

• Изменение потенциала на поверхности выводов.
• Изменение концентрации электролитического состава.

Минимальные показатели прослеживаются у кислотно-свинцовых источников питания. Поэтому они отдают ток в 2–2,5 тысячи ампер. Такие аккумуляторные батареи устанавливают в автотранспортные средства, которые укомплектованы ДВС.

Особенности измерения внутреннего сопротивления источника питания

Измерение внутреннего сопротивления аккумулятора проводят регулярно. Такие действия позволяют выявлять состояние источника питания, планировать замену.

Ежегодно этот показатель увеличивается на 5–7 процентов. При увеличении на 8 и более процентов проводят анализ эксплуатационных условий, нагрузки.

Для того чтобы выявить дефекты и нарушения, необходимо точно знать, как измерить внутреннее сопротивление.

Подача переменного тока

Этот способ отличается простотой реализации. Для этого требуется резистор ограничительный, трансформатор, а также конденсатор и вольтметр. Тесты проводят в течение 1,5–2 часов. За это время устанавливается величина напряжения для каждого элемента, который входит в состав источника питания. Для повышения точности результатов используют регистрирующий вольтметр.

При измерении проводимости на переменном токе получают значение, которое включает реактивную и активную составляющие. Для выделения требуемого показателя требуется подготовка частотной зависимости. При реализации этой методики возникают сложности, связанные с электрохимическими процессами.

Поэтому определить проводимость таким способом можно, если требуется общая оценка состояния аккумуляторной батареи. В остальных случаях подбирается другая методика тестирования.

Метод постоянной нагрузки

Этот способ используется автомобилистами и мастерами. Суть его заключается в стремительном разряде источника питания при постоянном токе. При помощи вольтметра измеряют напряжение, как с нагрузкой, так и без нее. Для расчета используют закон Ома.

Такую методику используют для тестирования крупногабаритных автомобильных аккумуляторных батарей. Для измерений используют высокоточные приборы, которые показывают точное значение. Допускается применение тестеров, в состав которых входит пленочно-угольный резистор.

Перед реализацией этого способа учитывают, что конденсатор измерительный агрегат не принимает во внимание. Поэтому учитывается только активная составляющая источника питания. Для проверки старых АКБ такой вариант не подходит. Ведь установить истинное состояние проблематично.

Применение этого способа невыгодно в том случае, если требуется установление состояния АКБ. Померить нагрузку с его помощью можно.

Короткоимпульсный способ

Его используют не так давно. Он обладает такими преимуществами:

• Перед измерениями аккумуляторная автомобильная батарея не демонтируется. Это избавляет от хлопот, так как изъятие устройства занимает немало времени.
• Напряжение снижается и повышается на короткий срок. Поэтому работоспособность компонентов, которые входят в состав, не нарушается. Для отслеживания напряжения используют вольтметр.
• Во время испытания источник питания, внутренние компоненты не разрушаются. При этом тестирования проводят регулярно.
• При помощи этой методики легко определить емкость источника питания. Ведь появляется возможность сравнения сопротивлений новой и эксплуатируемой батарей.

Такая методика применяется для установления величины внутреннего сопротивления, расчета токовых параметров, коротких замыканий, других параметров. Это необходимо для установления состояния автомобильного аккумулятора.

Зависимость состояния аккумулятора от внутреннего сопротивления

Среди представленных измерителей и тестеров, которые применяют для оценки состояния аккумуляторной батареи, ее основных характеристик, легко подобрать устройство с требуемым функционалом. Среди используемых приборов выделяют:

• Устройства для оценки состояния АКБ по напряжению. При этом устанавливается определенная нагрузка. Для этих целей используют нагрузочные вилки.
• Устройства для установления связи между состоянием источника питания и проводимостью.
• Измерители спектров. С помощью таких приборов устанавливается зависимость импеданса на постоянном, переменном токе.

Применение стандартных измерительных устройств позволяет установить величину проводимости. При помощи современных тестеров, которые работают с определенными сигналами, устанавливается степень работоспособности автомобильного аккумулятора, величину емкости, период разряда и заряда.

Период непрерывной эксплуатации аккумуляторной батареи в определенной степени зависит от величины внутреннего сопротивления.

И это особо важно в том случае, если автотранспорт активно эксплуатируется как в черте города, так и в сельской местности.

Поэтому периодическое тестирование источника питания, установление основных характеристик дает возможность понять, когда стоит производить замену.

Измерение внутреннего сопротивления автомобильного аккумулятора (АКБ)

Существенная характеристика для АКБ — внутреннее сопротивление — обозначается буквой «R». Она на многое влияет, а ее измерение — один из основных этапов диагностики аккумулятора. Этот параметр подразделяется на несколько видов. Пожалуй, самый значимый — внутреннее сопротивление аккумулятора. Полезно понимать, что оно означает и как измеряется.

Описание параметра

Для начала, стоит сказать, что есть полное сопротивление АКБ. Это сумма омического R и R поляризации. В то же время, омическое — сумма сопротивлений электролита, соединений между элементами АКБ, отрицательного и положительного выводов, электродов, сепараторов.

Внутреннее сопротивление батареи — такое R, которое оказывается аккумуляторной батареей току, протекающему внутри нее. При этом неважно, зарядный это ток или разрядный. Однако оно будет различаться в разных элементах АКБ. Собственный показатель будет у элементов:

• решеток электродов;
• электролита;
• сепараторов.

Связанные факторы

Между показателями губчатого свинца и решетки минусового электрода разницы практически нет. Однако сопротивление перекиси свинца в 10 000 раз больше, чем таковое у решетки плюсового электрода, на которую он нанесен.

Сами электроды устройства могут быть выполнены по-разному, что обуславливает разницу в показателях.

Различаться могут, в том числе:

• качество электрического контакта обмазки и решеток;
• конструкция электрода;
• конструкция решетки;
• наличие легирующих компонентов в АКБ.

На R сепараторов влияет перемена пористости и толщины. У электролита оно зависит от его температуры и концентрации. Если электролит замерзнет, то показатель достигнет бесконечности.

Измерение сопротивления

Величина эта — условная. Она меняется в зависимости от степени заряженности АКБ, величины нагрузки, температур Вот почему при точных расчетах относительно АКБ принято пользоваться не величиной внутреннего сопротивления, а так называемыми разрядными кривыми.

Этот вариант даст вполне точный результат. Например, это может быть галогеновая лампа с мощностью в 60 Ватт.

Производится параллельное подключение к батарее вольтметра и вышеупомянутой лампы. Далее нужно запомнить значение напряжения.

Затем лампа отключается. Естественно, после этого напряжение возрастёт. Если последнее увеличилось не больше, чем на 0,02 вольт, стало быть, АКБ находится в удовлетворительном состоянии.

То есть, внутреннее R не больше 0,01 Ом.

Самостоятельно узнать этот параметр совсем несложно. Главное при этом — не использовать светодиодные лампы. На всю процедуру уйдет несколько минут.

Опыт автолюбителей

Никогда не занимаюсь этим самостоятельно. Да и вообще редко ухаживаю за батареей так, как мне следует этим заниматься. Поэтому часто возникают трудности с зажиганием. Приходится ездить в автомобильные мастерские, чтобы избавиться от них. Плачу деньги, зато не трачу свои силы и время.

Измерять, конечно, нужно. Но не ориентируйтесь на абсолютные показатели, взятые из интернета.

Куда актуальнее сравнивать новые результаты со старыми, ведь они будут сильно зависеть не только от модели, но и от природных условий.

Конечно, определенные рамки и нормы все-таки существуют, но их нужно брать только из официальной спецификации, представленной на корпусе устройства или в родной упаковке.

Регулярно измеряю этот параметр. Однажды он получился слишком большим. Долго разбирался в причине, а потом понял, что что-то случилось с обмазкой. Из-за чего — так и не понял, но поправил это быстро. Просто заменил элемент. С зажиганием до сих пор все нормально, так что делать так можно.

Постоянно ухаживаю за батареей своего автомобиля, т. к. опасаюсь, что он не заведется в самой неподходящей для этого ситуации. Измеряю все параметры, в том числе и этот. Только так можно понять ситуацию полностью и отследить изменения. Это важно для диагностики возможных проблем и неисправностей.

Раньше не понимал, как узнать, какое внутреннее сопротивление у аккумулятора. Как оказалось, процедура весьма простая — точно не сложнее измерения полной емкости. Процедура занимает всего несколько минут. Только лампы нужны не светодиодные, а самые обыкновенные.

 

Внутреннее сопротивление аккумулятора

1. У аккумулятора есть внутреннее сопротивление, но оно для свинцово — кислотных аккумуляторов очень мало, если аккумулятор в хорошем состоянии. Именно по этой причине аккумуляторы такого типа незаменимы в автомобилях, где требуется очень большой ток для прокрутки стартера.

2. Простые арифметические вычис­ления показывают, что если, например, внутреннее сопротивление аккумулятора составляет 0. 05 Ом, то при холостом напряжении аккумулятора 12 В и токе нагрузки 10 А

напряжение на клеммах = 12 — внутреннее падение аккумулятора напряжения = 12 — (10 х 0.05) = 11.5В

Приведенная ниже таблица показывает зависимость напряжения на клеммах аккумулятора от тока нагрузки.

Холостое	Ток нагрузки	Внутреннее	Напряжение
напряжение	падение	на клеммах	напряжения
12В	10А	0.5 В	11.5В
12В	20 А	1.0 В	11.0В
12В	50 А	2.5 В	9.5 В
12В	100 А	5.0 В	7.0 В

Примечание: В примере рассмотрен аккумулятор не лучшего качества. Новый хороший аккумулятор емкостью 50 Ач имеет внутреннее сопротивление примерно 0.005 Ом при нормальной температуре.

3. Внутреннее сопротивление складывается из нескольких локальных сопротивлений, а именно, между электродами и электролитом, сопротивления самих электродов и внутренних соединений, а также сопротивления электролита ионному потоку (ионы — это частицы, движущиеся в электролите и несущие положительный или отрицательный заряд).

Внутреннее сопротивление аккумулятора

Кроме того, внутреннее сопротивление зависит от степени заряженности и температуры электролита. В разряженном акку­муляторе внутреннее сопротивление больше, чем в заряженном. Разработчик может повлиять на внутреннее сопротивление только изменив активную площадь пластин. Аккумулятор с большей площадью пластин (а следовательно, и с большей емкостью) имеют меньшее внутреннее сопротивление.

4. Со временем внутреннее сопротивление аккумулятора растет. В какой-то момент аккумулятор достигает такого состояния, когда он оказывается уже не в состоянии вращать стартер со скоростью, необходимой для запуска двигателя. Это означает конец жизни аккумулятора.

Как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора

Если замкнуть плюс и минус аккумулятора, то получим ток короткого замыкания Ie = U / Re , как будто внутри есть сопротивление Re . Внутреннее сопротивление зависит от электрохимических процессов внутри элемента, в том числе и от тока.

При слишком большом токе аккумулятор испортится, и даже может взорваться. Поэтому не замыкайте плюс и минус. Достаточно мысленного эксперимента.

Величину Re можно оценить косвенно по изменению тока и напряжения на нагрузке Ra . При небольшом уменьшении сопротивления нагрузки Ra до Ra‑dR ток увеличивается от Ia до Ia+dI. Напряжение на выходе элемента Ua=Ra×Ia при этом уменьшается на величину dU = Re × dI . Внутреннее сопротивление определяется по формуле Re = dU / dI

Для оценки внутреннего сопротивления аккумулятора или батарейки я добавил в схему измерителя ёмкости резистор 12ом и тумблер (ниже на схеме показана кнопка), чтобы изменять ток на величину dI = 1.2 V / 12 Ohm = 0.1 А . Одновременно нужно измерять напряжение на аккумуляторе или на резисторе R .

Можно сделать простую схему только для измерения внутреннего сопротивления по образцу, показанному на рисунке внизу.

Но всё же лучше сначала немного разрядить аккумулятор, и после этого измерить внутреннее сопротивление. В середине разрядная характеристика более пологая, и измерение будет более точным.

Получится «среднее» значение внутреннего сопротивления, которое остаётся стабильным достаточно большое время.

(Описание схемы)

Подключаем аккумулятор и вольтметр. Вольтметр показывает 1.227V . Нажимаем кнопку: вольтметр показывает 1.200V .

dU = 1.227V — 1.200V = 0.027V

Re = dU / dI = 0.027V / 0.1A = 0.27 Ohm

Это внутреннее сопротивление элемента при токе разряда 0.5А

Тестер показывает не dU, а просто U. Чтобы не ошибиться в устном счёте, я делаю так. (1) Нажимаю кнопку. Аккумулятор начинает разряжаться, и напряжение U начинает уменьшаться. (2) В момент, когда напряжение U достигнет круглой величины, например 1.200V, я отжимаю кнопку, и сразу вижу величину U+dU, например 1.227V

(3) Новые цифры 0.027V — и есть нужная разница dU.

По мере старения аккумуляторов их внутреннее сопротивление увеличивается. В какой-то момент вы обнаружите, что ёмкость даже свежезаряженного аккумулятора невозможно измерить, так как при нажатии кнопки Start реле не включается и часы не запускаются.

Это получается потому, что напряжение на аккумуляторе сразу снижается до 1.2V и менее. Например, при внутреннем сопротивлении 0.6 ом и токе 0.5 А падение напряжения составит 0.6×0.5=0.3 вольта. Такой аккумулятор не может работать при токе разряда 0.

5А, который требуется, например, для кольцевой светодиодной лампы. Этот аккумулятор можно использовать при меньшем токе — для питания часов или беспроводной мышки.

Именно по большой величине внутреннего сопротивления современные зарядные устройства, вроде MH-C9000, определяют, что аккумулятор неисправен.

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора

Для оценки внутреннего сопротивления АКБ можно использовать лампу от фары. Это должна быть лампа накаливания, например, галогеновая, но не светодиодная. Лампа 60вт потребляет ток 5А.

При токе 100А на внутреннем сопротивлении АКБ не должно теряться более 1 Вольта. Соответственно, при токе 5А не должно теряться более 0.05 Вольта (1В * 5А / 100А). То есть, внутреннее сопротивление не должно превышать 0.05В / 5А = 0.01 Ома.

Подключите параллельно аккумулятору вольтметр и лампу. Запомните величину напряжения. Отключите лампу. Обратите внимание, насколько увеличилось напряжение.

Если, допустим, напряжение возросло на 0.2 Вольта (Re = 0.04 Ома), то аккумулятор испорчен, а если на 0.02 Вольта (Re = 0.004 Ома), то он исправен. При токе 100А потеря напряжения будет всего 0.02В * 100А / 5А = 0.4В

С помощью лампочи можно также оценить ёмкость автомобильной батареи.

Чем больше внутреннее сопротивление — тем хуже

Внутренним сопротивлением (r0) аккумулятора принято называть сопротивление, оказываемое аккумуляторной батареей (АКБ) прохождению через нее постоянного разрядного или зарядного тока.

r0 является «вредным» параметром, так как оно снижает эксплуатационные характеристики АКБ и ограничивает максимальные значения ее разрядного тока.

Рост внутреннего сопротивления ведет к более быстрому падению разрядного напряжения и, как следствие, к снижению разрядной емкости аккумулятора.

Сопротивление заряженной АКБ составляет от нескольких тысячных до сотых долей ома и складывается из сопротивлений электродов, электролита, сепараторов, межэлементных перемычек и других токоведущих деталей, а также так называемого сопротивления поляризации.

Каждая из этих составляющих не является постоянной величиной и зависит как от конструкции элементов АКБ и температуры ее электролита, так и от степени заряженности батареи. Сопротивление электродов и токоведущих деталей мало изменяется с изменением температуры.

Сопротивление электролита и пропитанных им сепараторов с понижением температуры увеличивается. Например, в интервале от –40 до –10°С оно в 2-3 раза больше, чем при температуре +25°С (см. рис.).

С увеличением плотности в процессе заряда АКБ сопротивление электролита до определенного уровня снижается, а затем возрастает.

Сопротивление сепараторов зависит от материала изготовления, толщины, сопротивления электролита в его порах и ограничивает максимальные величины стартерных токов при разряде батареи в условиях низких температур.

Распределение составляющих r0, а следовательно, и внутренних потерь напряжения по элементам внутренней цепи АКБ также меняется: в начале разряда сопротивление пластин и токоведущих деталей составляет 20 – 30%, электролита и сепараторов – 34 – 48%, поляризационные потери – 32 – 45% от общего сопротивления батареи. С понижением температуры и увеличением степени разряда АКБ сопротивление электролита и сепараторов растет. В процессе разряда батареи в результате химических реакций на ее пластинах образуется сульфат свинца, плохо проводящий ток. Плотность электролита при этом снижается, а его сопротивление увеличивается. По мере разряда r0 аккумуляторной батареи быстро увеличивается, а ее энергоотдача снижается.

Нормальное внутреннее сопротивление аккумулятора

Чем оно меньше, тем больший ток способен отдать аккумулятор в нагрузку. Это очень важная характеристика. В режиме приема мобильный телефон потребляет небольшой ток. Однако во время разговора ток резко возрастает.

В этом случае аккумуляторы с различным внутренним сопротивлением ведут себя по-разному. Никель-кадмиевые, обладающие наименьшим внутренним сопротивлением, легко отдают требуемый ток.

Никель-металл-гидридные обладают самым высоким сопротивлением, поэтому дают просадку напряжения, которая может привести к сбоям либо ваш телефон выдаст сигнал, что аккумулятор разряжен.

Так как мобильные телефоны в процессе работы потребляют более или менее стабильный ток, то для их питания применяют литий-ионные либо литий-полимерные аккумуляторы. Никель-металл-гидридные применяют при питании устройств, потребляющих стабильный ток.

Плотность энергии (Energy Density) заряженной батареи

Измеряется в ватт-часах, отнесенных к килограмму массы аккумулятора (встречается и к литру объема). Здесь лидируют литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы (110… 160 Вт/кг), заметно уступают им аккумуляторы 100… 130 Вт/кг.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы имеют этот показатель 60… 120, никель-кадмиевые — 45… 80 Вт х ч/кг. Из сказанного следует, что наименьшими размерами и весом при одинаковой емкости обладают литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы, несколько большими — никель-металл-гидридные.

А литий-полимерным аккумуляторам можно придать практически любую форму.

Время заряда аккумулятора

Это довольно важная характеристика, поскольку при интенсивной эксплуатации аккумуляторы мобильных телефонов приходится заряжать почти ежедневно. Варьируется от 1 часа у никель-кадмиевых (при необходимости их можно зарядить за 15 минут) и 2… 4 часов у никель-металл-гидридных, литий-ионных и литий-полимерных.

Номинальное напряжение одного элемента

У никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов номинальное напряжение составляет 1,25 В, у литий-ионных и литий-полимерных — 3,6 В. Причем у первых двух типов напряжение в процессе разряда практически стабильно, в то время как у литий-ионных аккумуляторов в процессе разряда оно линейно снижается от 4,2 до 2,8 В.

Саморазряд аккумулятора

Саморазряд — уменьшение заряда заряженного, но не подключенного к потребителю энергии аккумулятора в процессе его хранения. Для никель-кадмиевых аккумуляторов это одно из слабых мест. У них потеря заряда достигает 10% в первые сутки после зарядки, а затем по 10% в месяц.

Примерно такой же показатель и у никель-металл-гидридных аккумуляторов. Вне конкуренции по этому показателю литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. У них саморазряд не превышает 2 – 5% в месяц, который происходит в основном из-за наличия схем контроля внутри аккумуляторов.

Однако ограниченное время «жизни» этих аккумуляторов не дает полностью использовать это положительное качество.

Срок службы

Это одна из важнейших характеристик аккумуляторов, о которой пользователь задумывается почему-то в последнюю очередь. Для аккумуляторов с различной химией он определяется по-разному. Для одних аккумуляторов критичным является общее число рабочих циклов «заряд — разряд», в то время как для других — общее время их эксплуатации.

Никель-кадмиевые аккумуляторы выдерживают более 1500 циклов «заряд — разряд», и как показывает опыт, после восстановления могут проработать еще столько же. При правильном периодическом обслуживании никель-кадмиевые аккумуляторы служат от 5 до 10 и более лет, вплоть до механического износа их корпуса и внутренних контактов.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы выдерживают около 500 циклов «заряд — разряд» и срок их службы редко превышает два года даже при весьма аккуратном их обслуживании. Литий-ионные аккумуляторы можно заряжать-разряжать от 500 до 1000 раз.

Но это число циклов полностью выбрать затруднительно из-за короткого срока службы — не более двух лет (по заявлениям производителей). Практически же литий-ионные аккумуляторы теряют свои эксплуатационные качества уже через год.

У литий-полимерных аккумуляторов число циклов «заряд — разряд» колеблется от 300 до 500, и они также редко служат более года. Кроме того, срок службы зависит и от степени разряда — при частичных разрядах он больше, чем при полных.

Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют наименьшее время заряда, допускают наибольший ток нагрузки и обладают наименьшим соотношением цена — срок службы, но в то же время они наиболее критичны к точному соблюдению требований по правильной эксплуатации.

Характеристика/тип	NiCd	NiMH	Li-Ion	Li-Polymer
Внутреннее сопротивление	низкое	высокое	среднее	среднее
Число циклов «заряд — разряд» до снижения емкости на 80%/срок службы	>1500	500-1000/1,5 года	300-500/1,5 года
Время быстрого заряда, ч	2 — 4	2 — 4	2 – 4
Токи нагрузки относительно емкости (С) — пиковый	20С	5С	>2С	>2С
Токи нагрузки относительно емкости (С) — наиболее приемлемый	1С	до 0,5С	до 1С	до 1С
Плотность энергии, Вт/кг	45-80	60-120	110-160	100-130
Саморазряд за месяц при комнатной температуре, /%
Обслуживание через	30-60 дней	60-90 дней	Не регл.	Не регл.
Напряжение на элементе, В	1.25	1.25	3.6	3.6
Диапазон рабочих температур, ° С	–40…+60	–20…+60	–20…+60	0…+60
Год выхода на рынок

От чего зависит внутреннее сопротивление?

Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от количества сульфата свинца на электродах и увеличивается по мере разряда аккумулятора. У заряженного аккумулятора активное сопротивление мало — составляет тысячные-десятитысячные доли ома.

Внутреннее сопротивление аккумулятора представляет собой сумму сопротивлений выводных зажимов, межэлементных соединений, пластин, электролита, сепараторов и сопротивления, возникающего в местах соприкосновения электродов с электролитом.

• Внутреннее сопротивление аккумуляторов очень мало и во многих случаях им можно полностью пренебречь.
• Когда, однако, приходится иметь дело с большими токами, например, если тягач начинает тянуть тяжелый груз, при запуске двигателя автомобиля, сопротивление батареи и межэлементньих соединений приобретает большое значение.

Внутреннее сопротивление аккумулятора уменьшается с увеличением количества пластин и их размера, с уменьшением расстояния между пластинами, при увеличении пористости сепараторов, с увеличением удельного веса электролита, с уменьшением количества кристаллов PbSO4 в активной массе пластин и при увеличении температуры электролита.

Внутреннее сопротивление аккумулятора в процессе заряда снижается вследствие уменьшения количества PbSO4 в активной массе пластин и увеличения удельного веса электролита.

Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от количества пластин и их площади, пористости и толщины сепараторов, изменения температуры и плотности электролита и состояния активной массы пластин.

Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от количества пластин и их площади, пористости и толщины сепараторов, изменения температуры и плотности электролитов и состояния активной массы пластин. Для уменьшения сопротивления и увеличения разрядной емкости батареи в зимнее время нужно утеплять ее.

Внутреннее сопротивление аккумуляторов определяется конструкцией электродов, плотностью электролита и зависит от величины зарядного и разрядного токов.

Внутреннее сопротивление аккумуляторов прохождению зарядного или разрядного токов складывается из омического сопротивления электродов, сепараторов, электролита, других токопро-водящих частей и сопротивления поляризации, вызывающей изменение потенциалов электродов при прохождении тока.

1. В заряженном состоянии при положительной температуре оно невелико и составляет тысячные доли ома, а сопротивление разряженного аккумулятора возрастает более чем в 2 раза.
2. Внутреннее сопротивление аккумулятора слагается из сопротивления каркаса пластин, активной массы, сепараторов и электролита. Последнее составляет большую часть внутреннего сопротивления.
3. Сопротивление аккумулятора увеличивается при разряде и уменьшается при заряде, что является следствием изменения концентрации раствора и содержания сульфата в активной массе.
4. Сопротивление аккумулятора невелико и заметно лишь при большом разрядном токе, когда внутреннее падение напряжения достигает одной или двух десятых долей вольта.

Внутреннее сопротивление аккумулятора слагается из сопротивления каркаса пластин, активной массы, сепараторов и электролита. Последнее составляет большую часть внутреннего сопротивления.

Сопротивление аккумулятора увеличивается при разряде и уменьшается при заряде, что является следствием изменения концентрации раствора и содержания сульфата в активной массе.

Сопротивление аккумулятора невелико и заметно лишь при большом разрядном токе, когда внутреннее падение напряжения достигает одной или двух десятых долей вольта.

Внутреннее сопротивление аккумуляторов в 2 — 4 раза меньше, чем у щелочных и, в зависимости от размеров, составляет 0 001 — 0 01 ом.

Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от размера и количества пластин, расстояния между ними, пористости сепараторов, плотности и температуры электролита.

Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от количества сульфата свинца на электродах и увеличивается по мере разряда аккумулятора.

Составляющие внутреннего сопротивления аккумулятора

Изменение температуры раствора электролита сказывается на его сопротивлении. С понижением температуры оно увеличивается, при этом сохраняется U-образный характер зависимости его от плотности раствора электролита. Следует отметить, что для каждой температуры минимальным сопротивлением обладают растворы различной плотности.

Увеличение температуры от нуля до 30°С приводит к понижению минимального сопротивления более чем в 1,5 раза.

1.  Сопротивления токоотводов, сепараторов и активной массы электродов являются составляющими внутреннего сопротивления аккумуляторов, при этом на долю токоотводов и сепараторов приходится около 25% общего значения.
2. Сопротивления различных компонентов активной массы электродов свинцовых аккумуляторов значительно отличаются друг от друга. В процессе разряда аккумулятора образуется сульфат свинца, который почти не проводит электричество.
3. Его присутствие значительно увеличивает сопротивление аккумулятора по мере его разряда. Как только начинается разряд, сопротивление свинцово-кислотного аккумулятора начинает медленно возрастать.
4. К моменту окончания разряда этот рост ускоряется и сопротивление аккумулятора увеличивается в 2–3 раза.

Сопротивление щелочных аккумуляторов также возрастает во время разряда и падает при заряде, хотя по иным причинам, чем в свинцовых аккумуляторах. Эта зависимость позволяет использовать активное сопротивление в качестве критерия контроля состояния аккумулятора. Активное сопротивление аккумуляторов зависит от степени заряженности и изменяется по экспоненциальному закону.

По аналогичному закону изменяется активное сопротивление кислотных аккумуляторов.

Совершенно иной характер изменения сопротивления у серебряно-цинковых аккумуляторов. В начале заряда оно увеличивается, проходит через максимум, затем резко падает и до конца заряда мало изменяется. В процессе разряда изменение внутреннего сопротивления происходит в обратном порядке.

 Температура электролита оказывает заметное влияние на значение внутреннего сопротивления аккумуляторов. С понижением температуры внутреннее сопротивление растет главным образом за счет изменения сопротивления электролита.

Контроль состояния аккумуляторов по активному сопротивлению будет несовершенным, если не учитывать их старение. Известно, что с увеличением срока службы сопротивление аккумуляторов увеличивается.

ЭДС поляризациизависит от времени, прошедшего с момента появлениятока в цепи аакумулятора.

ЭДС поляризации существенно зависит от тока в цепи и степени заряженности батареи аккумуляторов. С ростом тока сопротивление поляризации будет уменьшаться. Поэтому при больших зарядах или больших разрядных токах внутреннее сопротивление аккумулятора будет стремиться к постоянной величине, численно равной активному сопротивлению аккумулятора.

Внутреннее сопротивление аккумулятора, измеренное на переменном токе, отличается от сопротивления постоянному току.

• Аккумуляторы обычно работают в режиме, характерном для источника ЭДС, где сопротивление внешней цепи на несколько порядков выше внутреннего сопротивления аккумулятора.
•  Активное сопротивление аккумулятора существенно зависит от его степени заряженности, температуры электролита, но практически не зависит от значения и направления тока в аккумуляторе.
• При контроле работы аккумуляторной батареи с полупроводниковым преобразователем необходимо иметь зависимость внутреннего сопротивления не только от заряженности, но и от ЭДС батареи в процессе заряда или разряда.

Существует аналогия между некоторыми свойствами аккумуляторов и обычных конденсаторов. На этом основывается метод контроля состояния аккумуляторов по значению их электрической ёмкости, cоответствующей определенной степени заряженности или разряженности аккумулятора.

 

Измеритель внутреннего сопротивления аккумулятора

Эксплуатация цифрового фотоаппарата с никель — кадмиевыми и никель — металлогидридными щелочными герметичными цилиндрическими аккумуляторами типоразмера АА подтолкнула меня к осознанию необходимости изготовления устройства для определения внутреннего сопротивления аккумулятора.

В цифровом фотоаппарате аккумулятор работает при достаточно больших токах разряда – 300 – 600 мА. Практикой определено, что автоматика цифровых фотоаппаратов некорректно определяет остаточную ёмкость аккумулятора и выключает фотоаппарат. А аккумуляторы, вынутые из фотоаппарата, ещё приходится разряжать в менее привередливых устройствах: в фонариках, игрушках, плеерах.

Определение внутреннего сопротивления аккумулятора, надеюсь, мне даст возможность определять на практике пригодность конкретного аккумулятора к работе в цифровом фотоаппарате.

Реклама в этом вопросе оказалась плохим подсказчиком, если еще учесть, что электродвижущая сила никель — кадмиевых аккумуляторов равна 1,2 вольта, а электродвижущая сила никель — металлогидридного аккумуляторов равна 1,25 вольта ( по данным Википедии ).

Методологию измерения внутреннего сопротивления аккумуляторов я в основном использовал из документа – Гост Р МЭК 60285-2002 «Аккумуляторы никель — кадмиевыми герметичные цилиндрические».Я использовал сопротивление 12 Ом. Собрал из них и тумблера 2 разрядные цепи. Разрядные токи получились около 100 мА, 300 мА.

Для измерения напряжения на сопротивлениях я использовал мультиметр APPA93N на диапазоне 2 Вольта. Собирал схему из того, что было. Резисторов меньшего сопротивления я не нашел. Корпус я использовал от старого микрокалькулятора. Сопротивление я установил на кусок макетной платы. Опытным путем выяснил, что для оценки качества источников питания лучше увеличить токи разряда.

Схема измерителя внутреннего сопротивления никель — кадмиевых, никель — металлогидридных щелочных герметичных цилиндрических аккумуляторов и щелочных батареек типоразмера АА:

Готовый измеритель внутреннего сопротивления никель — кадмиевых, никель — металлогидридных щелочных герметичных цилиндрических аккумуляторов и щелочных батареек типоразмера АА:

Первое испытание никель — металлогидридными щелочными герметичными цилиндрическими аккумуляторами типоразмера АА фирмы Pleomax ёмкостью 2300 мАч.

Напряжение (U1) на аккумуляторе, нагруженном на резисторе 12 Ом, составило 1,271 Вольта. Используя закон Ома, определяем силу тока в цепи (I1) . Сила тока равна 0,105917 Ампера или 105,917 мА.

Переключаем тумблер. Напряжение (U2) на аккумуляторе, нагруженном на резисторе 4 Ом, составило 1,175 Вольта. Используя закон Ома, определяем силу тока в цепи (I2). Сила тока равна 0,29375 Ампера или 293,75 мА.

Используя формулу для определения внутреннего сопротивления аккумулятора из Госта Р МЭК 60285-2002 «Аккумуляторы никель — кадмиевыми герметичные цилиндрические» ( Uвн=U1-U2/I2-I1), рассчитываем его – 0,511 Ом. Расчеты я автоматизировал.

В процессе работы над измерителем внутреннего сопротивления аккумулятора я узнал, что с 2005 года на рынке появились никель – металл – гидридные аккумуляторы с низким саморазрядом. Эти аккумуляторы продаются как «готовые к использованию» или «предварительно заряженные».

Очень интересной особенностью никель – металл — гидридные аккумуляторов с низким саморазрядом является значительно более низкое внутреннее сопротивление, чем у обычных NiMH аккумуляторов. Еще одной особенностью этих новых аккумуляторов является их более высокая стоимость.

А оценить качество и принадлежность конкретного аккумулятора к заявленному, как «готового к использованию» или «предварительно заряженного », вам поможет мой измеритель внутреннего сопротивления аккумулятора.

Как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора

Внутреннее сопротивление предоставляет ценную информацию об аккумуляторе, способную подсказать об окончании его срока службы.

Это особенно актуально для электрохимических систем на основе никеля.

Сопротивление не является единственным индикатором производительности, оно вполне может отличаться на 5-10 процентов у различных партий свинцово-кислотных аккумуляторов, особенно для стационарного использования.

Из-за такого широкого допуска, метод, основанный на сопротивлении, лучше всего работает при сравнении показаний, взятых у конкретного аккумулятора при его сборке с последующими временными периодами. Сервисные бригады уже рекомендуют при установке снимать показания каждого элемента или аккумулятора в целом, чтобы в дальнейшем контролировать процесс их старения.

Существует мнение, что внутреннее сопротивление связано с емкостью, но это неверно. Сопротивление современных свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов остается на одном уровне на протяжении большей части срока службы.

Специальные добавки в электролит уменьшили проблему внутренней коррозии, которая и коррелирует с внутренним сопротивлением.

На рисунке 1 показано уменьшение емкости при циклической работе по отношению к внутреннему сопротивлению у литий-ионного аккумулятора.

• Взаимосвязь между емкостью и сопротивлением относительно количества циклов зарядки/разрядки.
• Сопротивление не раскрывает состояние работоспособности аккумулятора и часто остается на одном уровне в процессе его использования и старения.
• Циклические испытания литий-ионных аккумуляторов проводились при С-рейтинге 1С:Зарядка: 1.500мА до 4,2В при 25°С
• Разрядка: 1.500ма до 2,75В при 25°С

Что такое сопротивление?

Прежде чем изучать различные методы измерения внутреннего сопротивления электрических батарей, давайте рассмотрим, что же такое электрическое сопротивление и в чем разница между просто сопротивлением (R) и импедансом (Z).

R является сопротивлением вещества прохождению электрического тока, а Z включает в себя реактивную составляющую, присущую таким устройствам как катушки и конденсаторы. Оба показателя измеряются в омах (Ом), единице измерения, которая названа в честь немецкого физика Георга Симона Ома, который жил с 1798 по 1854 год. (1Ом приводит к падению напряжения на 1В при силе тока 1А).

1. Электропроводность также может быть измерена в сименсах (S). Комбинация сопротивления и импеданса известна как реактивное сопротивление. Позвольте объяснить.
2. Электрическое сопротивление обычной нагрузки, такой как нагревательный элемент, не имеет реактивной составляющей. Напряжение и ток в нем текут в унисон — не возникает никаких сдвигов в их фазах.
3. Электрическое сопротивление, вызванное противодействием материала, через который течет ток, по сути является одним и тем же что для постоянного (DC), что для переменного (AC) токов.
4. Коэффициент мощности равен единице, что обеспечивает наиболее точное измерение потребляемой мощности.

Большинство электрических нагрузок все же являются реактивными, и могут включать в себя емкостное (конденсатор) и индуктивное (катушка) сопротивление.

Емкостное сопротивление уменьшается с повышением частоты переменного тока, в то время как индуктивное возрастает.

Аналогией индуктивного сопротивления может служить масляный амортизатор, который становится тугим при быстрых движениях назад и вперед.

У электрической батареи есть и сопротивление, и емкость, и индукция, все эти три параметра объединены в понятии импеданса. Лучше всего импеданс проиллюстрирован на схеме Рэндла (рисунок 2), которая содержит резисторы R1 и R2, а также конденсатор С. Индуктивное сопротивление обычно опускается, так как оно играет незначительную роль в электрических батареях, особенно при низких частотах.

Эквивалентная схема Рэндла для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Общее сопротивление батареи состоит из активного сопротивления, а также индуктивного и емкостного. Схема и электрические значения различаются для каждой батареи.

• R1 — эквивалентное последовательное сопротивление
• R2 — сопротивление переноса заряда
• С — двухслойный конденсатор

Попытки измерения внутреннего сопротивления электрической батареи почти так же стары, как и она сама, и с течением времени было разработано несколько методов, которые используются до сих пор.

Метод измерения сопротивления нагрузкой постоянного тока (DC Load)

Омические измерения являются одними из старейших и надежнейших методов испытаний. Их смысл состоит в кратковременном (секунда или немного больше) разряде аккумуляторной батареи.

Ток нагрузки для небольшого аккумулятора составляет 1А или меньше, а для большого, например, стартерного аккумулятора — 50А и более. Вольтметр измеряет напряжение разомкнутой цепи без нагрузки, а затем проводится второе измерение — уже с подключенной нагрузкой.

Далее по закону Ома вычисляется значение сопротивления (разность потенциалов, деленная на силу тока).

Метод измерения нагрузки постоянного тока хорошо работает для больших стационарных аккумуляторных батарей и снимаемые омические показатели являются точными и повторяемыми.

Высококачественные контрольно-измерительные приборы позволяют снимать показания сопротивления в диапазоне от 10мкОм.

Во многих гаражах для измерения сопротивления стартерных аккумуляторов используются тестеры на плёночно-угольных резисторах, благодаря которым опытные автомеханики получают отличный инструмент для оценки необходимого параметра.

Однако этот метод имеет ограничение в том, что он объединяет резисторы R1 и R2 со схемы Рэндла в один резистор и игнорирует конденсатор (смотрите рисунок 3). “С” является компонентом эквивалентной схемы электрической батареи, принимая значение в 1,5 фарада за каждые 100Ач.

По сути, метод измерения нагрузкой постоянного тока видит аккумулятор как резистор и может принять в расчет только активную составляющую электрохимического источника тока. Кроме того, этот метод получит аналогичные показания от хорошего аккумулятора, который заряжен частично, и от слабого, который заряжен полностью.

Определение степени работоспособности и оценка емкости в этом случае не представляются возможными.

Метод измерения нагрузкой постоянного тока. Метод не показывает полного соответствия схеме Рэндла. R1 и R2 работают как одно активное сопротивление.

Существует и альтернативный метод — двухуровневое измерение нагрузкой постоянного тока, когда применяются две последовательные разрядные нагрузки с различной силой тока и продолжительностью.

Сначала аккумулятор разряжается малым током в течение 10 секунд, а затем более высоким в течение трёх (смотрите рисунок 4); после, по закону Ома вычисляется значение сопротивления.

Анализ напряжения при двух различных условиях нагрузки предоставляет дополнительную информацию об аккумуляторе, но полученные значения строго резистивные, и не раскрывают параметры степени работоспособности или емкости. Методы, использующие подключение нагрузки, являются предпочтительными для аккумуляторов, питающих нагрузку с постоянным током.

Двухуровневая нагрузка постоянным током. Данный метод тестирования отвечает стандарту IEC 61951-1:2005 и обеспечивает реалистичные условия испытаний для многих DC (англ. direct current — постоянный ток) применений аккумуляторов.

Метод измерения электрической проводимости переменным током (AC Cunductance)

Измерение электрической проводимости для оценки стартерных аккумуляторов впервые было предложено в 1975 году Кейтом Чамплином, и заключалось в демонстрации линейной корреляции между нагрузочными испытаниями и проводимостью.

При подключении нагрузки переменного тока с частотой около 90Гц, емкостное и индуктивное сопротивление соответствует 70-90Ач свинцово-кислотному аккумулятору, в результате чего возникает незначительная задержка фазы напряжения, которая сводит к минимуму реактивное сопротивление.

(Частота возрастает для меньшего аккумулятора и, соответственно, уменьшается для большего). Измерители электрической проводимости переменным током обычно используются в автомобильных гаражах для измерения пускового тока.

Одночастотный метод (рисунок 5) видит компоненты схемы Рэндла в качестве одного комплексного импеданса, который называется модуль Z.

Метод измерения электрической проводимости переменным током. Отдельные компоненты схемы Рэндла соединяются в один элемент и не могут быть измерены по отдельности.

Еще одним распространенным методом является тестирование с помощью частоты 1000Гц. Такая частота возбуждает аккумулятор и по закону Ома можно вычислить сопротивление. Следует отметить, что методы, использующие переменное напряжение, показывают другие значения в сравнении с методами, основанными на постоянном напряжении при измерении реактивного сопротивления, и оба подхода являются верными.

Например, литий-ионный элемент типоразмера 18650 имеет сопротивление около 36мОм с нагрузкой переменного тока частотой 1000Гц и примерно 110мОм с нагрузкой постоянного тока. Поскольку оба вышеуказанных показания справедливы, но далеки друг от друга, потребитель должен взять во внимание специфику эксплуатации аккумулятора.

Метод, использующий постоянный ток, дает ценные данные в разрезе применения с потребителями постоянного тока, например, нагревательными элементами или лампами накаливания, в то время как 1000Гц метод лучше отражает требования производительности, оптимизированные под питание различных цифровых устройств, таких как ноутбуки или мобильные телефоны, которым, в первую очередь, важны емкостные характеристики аккумуляторов. На рисунке 6 показан 1000Гц метод.

100Гц метод. Данный метод обеспечивает получение значений реактивного сопротивления. Это предпочтительный метод для снятия импеданса аккумуляторов, питающих цифровые устройства.

Электрохимическая импеданс спектроскопия (Electrochemical Impedance Spectrocsopy — EIS)

Научно-исследовательские лаборатории уже много лет используют метод EIS для того, чтобы оценивать характеристики электрических батарей.

Но высокая стоимость оборудования, большая длительность испытаний и потребность в квалифицированных специалистах для расшифровки большого объема данных ограничили применение этой технологии лабораторными условиями.

EIS способна получать значения R1, R2 и C из схемы Рэндла (рисунок 7), однако корреляция этих данных в пусковой ток (ток холодной прокрутки) или оценку емкости требует комплексного моделирования