Внутреннее сопротивление аккумулятора

Если взять новенький литий-ионный аккумулятор, допустим типоразмера 18650, обладающий номинальной емкостью в 2500mAh, довести его напряжение ровно до 3,7 вольт, а затем подключить к активной нагрузке в виде 10-ваттного резистора номиналом R=1 Ом, то какой величины постоянный ток мы ожидаем измерить через этот резистор?

Что там будет в самый первый момент времени, пока аккумулятор практически не начал разряжаться? В соответствии с законом Ома, казалось бы, должно быть 3,7А, так как i=U/R=3,7/1 = 3,7[А]. На самом же деле ток окажется чуть-чуть меньше, а именно — в районе I=3,6А. Почему так произойдет?

Причина в том, что не только резистор, но и сам аккумулятор обладает неким внутренним сопротивлением, поскольку химические процессы внутри него не могут протекать мгновенно. Если представить себе аккумулятор в виде реального двухполюсника, то 3,7В — это будет его ЭДС, кроме которой здесь будет присутствовать еще и внутренне сопротивление r, равное, для нашего примера, приблизительно 0,028Ом.

Действительно, если измерить напряжение на присоединенном к аккумулятору резисторе величиной в R=1Ом, то оно окажется равным примерно 3,6В, а 0,1В стало быть упадет на внутреннем сопротивлении r аккумулятора. Значит, если резистор имеет сопротивление в 1 Ом, напряжение, измеренное на нем, составило 3,6 В, следовательно ток через резистор равен I=3,6А. Тогда, если u=0,1В пришлось на аккумулятор, а цепь у нас замкнутая, последовательная, — значит и через аккумулятор ток составляет I=3,6А, следовательно, согласно закону Ома, его внутреннее сопротивление будет равным r=u/I=0,1/3,6 = 0,0277 Ом.

От чего зависит внутреннее сопротивление аккумулятора

В реальности внутренне сопротивление у аккумуляторов разного типа не является все время постоянной величиной. Оно динамично, и зависит от нескольких параметров: от тока нагрузки, от емкости аккумулятора, от степени заряженности данного аккумулятора, а также от температуры электролита внутри аккумулятора.

Чем больше ток нагрузки — тем меньше, как правило, внутреннее сопротивление аккумулятора, поскольку процессы переноса заряда внутри электролита идут в этом случае более интенсивно, ионов в процессе участвует больше, ионы активнее движутся в электролите от электрода — к электроду. Если же нагрузка сравнительно мала, то и интенсивность химических процессов на электродах и в электролите аккумулятора — тоже будет меньше, и значит внутреннее сопротивление покажется большим.

У аккумуляторов большей емкости — площадь электродов больше, а значит и площадь взаимодействия электродов с электролитом — обширнее. Следовательно большее количество ионов участвуют в процессе переноса заряда, больше ионов создают ток. Похожий принцип демонстрируется при параллельном соединении конденсаторов — чем больше емкость — тем больше заряда можно использовать в окрестности данного напряжения. Итак, чем выше емкость аккумулятора — тем меньше его внутреннее сопротивление.

Теперь поговорим о температуре. У каждого аккумулятора есть свой безопасный рабочий диапазон температур, внутри которого справедливо следующее. Чем выше температура аккумулятора — тем с большей скоростью происходит диффузия ионов внутри электролита, следовательно при более высокой рабочей температуре внутренне сопротивление аккумулятора будет ниже.

Первые литиевые аккумуляторы, не имевшие защиты от перегрева, даже взрывались из-за этого, так как образовывавшийся из-за быстрого распада анода (в результате быстрой реакции на нем) кислород выделялся чересчур активно. Так или иначе, для аккумуляторов характерна почти линейная зависимость внутреннего сопротивления от температуры в диапазоне приемлемых рабочих температур.

С разрядом аккумулятора, его активная емкость уменьшается, так как количество активного вещества пластин, еще могущих поучаствовать в создании тока, становится все меньше и меньше. Поэтому и ток становится все меньше и меньше, соответственно внутреннее сопротивление растет. Чем более заряжен аккумулятор — тем меньше его внутреннее сопротивление. Значит, по мере разряда аккумулятора, его внутреннее сопротивление становится больше.

Источник

Аккумуляторы и батареи

Информационный сайт о накопителях энергии

Внутреннее сопротивление аккумулятора

Любой электрический приемник обладает внутренним сопротивлением. Понятие включает омическое сопротивление и сопротивление поляризации, зависит от материалов изготовления внутренних конструкций, свойств электролита, состояния токопроводов. Внутреннее сопротивление аккумулятора – величина переменная, зависит от температуры, степени сульфатации, состояния клемм и контактов внутри корпуса АКБ. Норма определяется экстраполированием разрядной кривой. Абстрактная величина внутреннего сопротивления в расчетах не используется.

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора

Разберем, как измерить внутреннее сопротивление стартовых кислотных аккумуляторов. Используем галогеновую автомобильную лампу мощностью 60 Вт, силой тока 5 А в качестве сопротивления с известными параметрами. При условии, что потери на внутреннее сопротивление не должны превышать 1 %, проведем замеры.

Параллельно аккумулятору нужно подключить вольтметр и лампу. Записать напряжение. Отключить лампу, записать напряжение. Сопротивление лампы в 5А должно создать потерю напряжения 0,05 В при токе в 100 А. ( 1В*5А/100А)

Если при замерах сопротивление увеличилось до 0,05 В, аккумулятор исправен. Величина больше 0,2 В показывает, в аккумуляторе велико внутреннее сопротивление, нужно искать причину.

Измерение внутреннего измерения свинцового аккумулятора мало изменяется от конструктивных элементов , отрицательных электродов и губчатого свинца. А вот активная замазка и положительный электрод оказывают сопротивление прохождению тока в 10 тысяч раз большее. С повышением степени сульфатирования, усиливается сопротивление, при постоянном напряжении падает сила тока. При получении зарядного тока кристаллы разрушаются, сопротивление уменьшается.

Важно, что прямое воздействие на внутреннее сопротивление оказывает температура электролита. При замерзании электролита он работает, как изолятор. Идеально электролитическая реакция идет при 15 0 С и плотности электролита 1,25 г/см3. Повышение температуры также негативно сказывается на проходимости заряда-разряда в аккумуляторе автомобиля. Каким должно быть внутреннее сопротивление в рассматриваемый момент зависит от температуры и степени заряда аккумулятора.

Отдельно нужно рассмотреть сопротивление сепаратора – прокладки между положительной и отрицательной пластиной. Она не является препятствием для движения диссациированной массы электролита, но создает сопротивление поляризации. На поверхности создается двойной электрический слой, являющийся препятствием к прохождению заряда.

Свойство стартерных аккумуляторов накапливать и отдавать большой ток, обусловлено низким внутренним сопротивлением этого вида аккумуляторов. Показатель также зависит от частоты питающего тока.

Норма внутреннего сопротивления нового аккумулятора составляет 0,005 Ом при температуре 15-20 0 С, но с момента эксплуатации величина неуклонно растет. Какое состояние устройства в текущий момент можно определить с помощью нагрузочной вилки.

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора – таблица

От внутреннего сопротивления каждого свинцового аккумулятора и батареи зависят технические характеристики импульсная сила тока и время отдачи энергии. Определить параметр приблизительно можно, используя инструмент – нагрузочную вилку.

Однако есть и другие способы – косвенные. Кривые зависимости температуры электролита и сопротивления, график повышения сопротивления в зависимости от степени заряда аккумулятора. Этот показатель можно определить по плотности электролита или напряжению. Поэтому нет таблиц, проверить внутреннее сопротивление можно как по графикам, так по косвенным характеристикам. При этом следует учитывать, что частота тока оказывает на сопротивление большое влияние. В бытовом анализе используют таблицы для тока в 50Гц.

Чаще всего, как измеритель внутреннего сопротивления аккумуляторов, используют нагрузочную вилку. Можно применить программу измерения в универсальном заряднике Аймакс Б6.

Внутреннее сопротивление аккумулятора 18650

Аккумулятор форм фактор 18650 представляет цилиндр, в котором спиралью свернуты банки, состоящие из пар лент с разными полюсами, разделенные сепараторами. Внутренняя начинка может быть никель-кадмиевой, металлогидридной или литий-ионной. В зависимости от активной пары аккумуляторы имеют разную емкость и разность потенциалов на клеммах.

Какое должно быть внутреннее сопротивление в аккумуляторах 18650 литий-ионного типа? Меняется ли сопротивление с потерей емкости. Все это можно определить, составив схему для измерения.

Ra – активное сопротивление 18650

Cдв – емкость двойного электрического слоя

R0 – сопротивление переноса заряда на границе электролит-электрон

Zw – диффузионный импеданс Варбурга

При этом измерение производится током в 1000 Гц, согласно международным стандартам. Связано это с устройством аккумулятора, который является одновременно конденсатором и резистором. Стандартное внутреннее сопротивление новых литиевых аккумуляторов 18650 около 100мОм. Это норма. Со временем аккумулятор неизбежно теряет емкость, внутреннее сопротивление возрастает.

Видео

Предлагаем посмотреть видео материал о том, как практически измеряют внутреннее сопротивление специальным прибором.

Источник

Внутреннее сопротивление аккумуляторов

Некоторые зарядные устройства позволяют увидеть внутреннее сопротивление аккумулятора, что же это за параметр, читаем ниже:
Это одна из основных характеристик аккумулятора. Чем она меньше, тем лучше. В норме для Li-Ion аккумулятора внутреннее сопротивление соответствует 150-250мОм при напряжении 3.6В.
Внутреннее сопротивление (далее ВС), по большому счету, определяет производительность батареи. Если при работе с аккумулятором с высоким ВС потребуется обеспечить большой ток нагрузки в кратковременном режиме, что характерно для сотовых телефонов, то выходное напряжение аккумулятора будет проседать за счёт большого падения на ВС батареи. Поскольку потребление тока сотовыми телефонами носит импульсный характер, то в пиковые моменты потребления тока напряжение аккумулятора может упасть до нижнего предела напряжения питания и телефон сообщит, что аккумулятор разряжен, несмотря на то, что до полного разряда еще далеко. Таким образом телефон может подвести владельца в самый ответственный момент.
Кроме того, высокое ВС вызывает серьёзные потери при зарядке, что выражается в чрезмерном нагреве батареи. Также, при заряде батареи с высоким ВС, напряжение на её ячейке быстрее достигает порогового, и телефон сообщит о завершении зарядки, но при этом батарея будет недозаряжена.
Существуют соответствующие методы, позволяющие измерить ВС батареи, однако они зачастую недоступны рядовому пользователю. Наиболее распространённый метод заключается в измерении падения напряжения в аккумуляторе при постоянной нагрузке на нём.

Источник

Кое-что о Li-ion, или почему батарея быстро садится

Полезные советы

Введение.
Li-ion аккумулятор — тип химического источника тока, получивший широкое распространение в современной мобильной технике. В настоящий момент производители практически полностью отказались от использования прочих типов аккумуляторных батарей в мобильных телефонах, поэтому чрезвычайно важно знать, как правильно пользоваться литиевыми источниками питания. В данной статье будут озвучены основные особенности устройства и использования Li-ion батарей, а также некоторые практические советы.

Литий-ионный аккумулятор.
Литиевые аккумуляторы относят к элементам, имеющим наивысшую плотность энергии, но в то же время они являются самыми чувствительными к технологии использования и зарядки. Это особенно актуально, учитывая фактическую невозможность провести операцию восстановления ёмкости – литиевые аккумуляторы не подвержены воздействию эффекта памяти.
Так называемые циклы тренировки-восстановления слабо влияют на срок службы Li-ion аккумулятора, поскольку процессы окисления, повышающие внутреннее сопротивление батареи, необратимы. Нужно заметить, что литиевая батарея гораздо сильнее подвержена старению и из-за коррозии необратимо теряет часть ёмкости в процессе хранения, даже в идеальных условиях на складе. Поэтому, приобретая новую Li-Ion батарею, покупатель должен чётко знать дату её выпуска. К сожалению, зачастую производители кодируют дату выпуска батареи в серийном номере, делая её труднодоступной для нас.
Для Li-Ion аккумулятора не рекомендуется режим, при котором сотовый телефон используется от случая к случаю, из-за относительно низкого КПД батареи в этом случае, а также сравнительно малого срока эксплуатации.

Внутреннее сопротивление.
Это одна из основных характеристик аккумулятора. Чем она меньше, тем лучше. В норме для Li-Ion аккумулятора внутреннее сопротивление соответствует 150-250мОм при напряжении 3.6В.
Внутреннее сопротивление (далее ВС), по большому счету, определяет производительность батареи. Если при работе с аккумулятором с высоким ВС потребуется обеспечить большой ток нагрузки в кратковременном режиме, что характерно для сотовых телефонов, то выходное напряжение аккумулятора будет проседать за счёт большого падения на ВС батареи. Поскольку потребление тока сотовыми телефонами носит импульсный характер, то в пиковые моменты потребления тока напряжение аккумулятора может упасть до нижнего предела напряжения питания и телефон сообщит, что аккумулятор разряжен, несмотря на то, что до полного разряда еще далеко. Таким образом телефон может подвести владельца в самый ответственный момент.
Кроме того, высокое ВС вызывает серьёзные потери при зарядке, что выражается в чрезмерном нагреве батареи. Также, при заряде батареи с высоким ВС, напряжение на её ячейке быстрее достигает порогового, и телефон сообщит о завершении зарядки, но при этом батарея будет недозаряжена.
Существуют соответствующие методы, позволяющие измерить ВС батареи, однако они зачастую недоступны рядовому пользователю. Наиболее распространённый метод заключается в измерении падения напряжения в аккумуляторе при постоянной нагрузке на нём.

Контроллер.
Li-Ion аккумуляторы снабжают специальной схемой-контроллером, которая следит за напряжением ячейки и отключает выходные контакты батареи при уходе её напряжения за допустимые пределы.
К сожалению, иногда попадаются неоригинальные батареи, производитель которых сэкономил на контроллере. Это может привести к печальным последствиям, вплоть до разгерметизации батареи и взрыва вследствие перегрева и повышенного напряжения на ней.
Мне самому пришлось столкнуться с некачественным изделием, в котором был установлен псевдо-контроллер:

Как видно из фото, вся эта электрическая ахинея, в которую забыли впаять половину деталей, вообще не получает питания — плюсовой вывод батареи электрически никак с ней не связан. Более того, некоторые выводы транзисторов либо никуда не подключены, либо закорочены. Это полностью исключает какое-либо вмешательство схемы в жизнь батареи. Неудивительно, что после некоторого времени эксплуатации металлический стакан батареи ощутимо раздулся.
Контроллеры не дают заряжать батарею, которая разрядилась до 2.5В и менее. Дело в том, что в такой глубоко разряженной батарее происходят необратимые процессы разрушения электрохимической структуры, и попытка зарядить эту батарею приведёт к тому, что внутри неё произойдёт выделение металлического лития. Выделение лития часто является причиной взрыва.

Процесс зарядки.
За процесс заряда батареи отвечает специализированная микросхема, которая сочетает в себе стабилизаторы тока и напряжения, а также элемент памяти, в котором записана информация о последовательности и длительности стадий заряда. Поскольку чаще всего определённая микросхема рассчитана на определённую ёмкость аккумулятора, то не рекомендуется использование в телефоне батареи с ёмкостью, отличающейся от стандартной для его собственного аккумулятора.
Упрощённый график процесса полной зарядки для 750мАч Li-Ion аккумулятора:

Процесс зарядки по этому графику можно разделить на две стадии:
1. Заряд при постоянной мощности, постоянном токе.
2. Заряд при постоянном напряжении.
Иногда можно встретить «быстрые» зарядные устройства, которые, минуя вторую стадию, за один час заряжают аккумулятор. Однако при таком способе батарея набирает всего около 70% ёмкости.
Существуют так называемые «лягушки» — зарядные устройства, которые заряжают батарею напрямую через её выходные контакты. Зачастую в них не предусмотрена программа стадий зарядки, что оказывает негативное действие на ячейку. Частое использование такого способа зарядки сильно сокращает срок службы батареи.
Вопреки расхожему мнению, заряжать литиевый аккумулятор можно и разряженный наполовину, не обязательно дожидаться полной разрядки, как это делалось для NiCd.

Как продлить жизнь батарее?
В процессе использования литиевых аккумуляторов полезно соблюдать следующие несложные советы.

1. Во время зарядки отключиться от интернета (особенно в случае 3G или Wifi) и кабеля usb.
Любое подключение влияет на длительность заряда, активное подключение тем более, поскольку вызывает разогрев батареи. При повышении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции увеличивается в 2-4 раза ((с) Вант-Гофф), в данном случае в 2-4 раза возрастает процесс саморазряда и утечки тока в аккумуляторе, он быстрее изнашивается.
При активном подключении время зарядки может увеличиться в несколько раз, и то при этом сигнал полной зарядки не совсем будет соответствовать истине (температура и ограничение по времени заряда со стороны микросхемы). Исходя из этого, заряд при вообще выключенном телефоне в 4-8 раз сокращает разрушительные для аккумулятора процессы во время зарядки.

2. Аккумулятор, не используемый долгое время, должен храниться заряженным.
Понижение напряжения ниже 2.5В делает аккумулятор бесполезным. Ток саморазряда для Li-Ion аккумулятора составляет 10% в месяц, без учёта траты энергии на контроллер.
Однако в случае долгого хранения всё это не имеет никакого значения, поскольку, как было указано выше, процесс старения происходит и самопроизвольно. Типовой срок службы аккумулятора составляет не более 2-х лет.

3. Не подвергать зарядке аккумулятор, только что попавший под воздействие отрицательных температур.
При охлаждении процессы внутри аккумулятора замедляются. Поэтому при активном использовании телефона возможно преждевременное сообщение о полной разрядке, хотя запас ещё есть. Эффект аналогичен высокому внутреннему сопротивлению, но носит обратимый характер. Из-за замедленной химической реакции аккумулятор просто не успевает поставлять необходимый объём энергии, в результате чего происходит просадка напряжения.
Именно по причине замедлившихся процессов зарядка охлаждённого аккумулятора будет слабоэффективной. Более того, это наносит ему определённый вред. Следует дождаться, когда температура батареи достигнет комнатной. Энергетические свойства аккумулятора вернутся к первоначальным значениям.

Источник