Как уменьшают внутреннее сопротивление аккумулятора

Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора и для чего оно используется?

Полное сопротивление свинцово-кислотного аккумулятора – это сумма таких величин, как сопротивление поляризации и омическое сопротивление. Омическое сопротивление является суммой сопротивлений сепараторов АКБ, электродов, положительного и отрицательного выводов, соединений между элементами и электролита.

Что представляет собой внутреннее сопротивление и от чего оно зависит?

На сопротивление электродов оказывает влияние их конструкция, пористость, геометрия, конструкция решётки, состояние активного вещества, наличие легирующих компонентов, качество электрического контакта решёток и обмазки. Величины сопротивления решёток отрицательных электродов и губчатого свинца (Pb) на них примерно одинаковы. В то же время сопротивление перекиси свинца (PbO2), который нанесён на решётку положительного электрода, больше в 10 тысяч раз.

Существенное влияние на сопротивление свинцово-кислотного аккумулятора оказывает величина сопротивления электролита. Эта величина, в свою очередь, сильно зависит от концентрации и температуры электролита. При уменьшении температуры сопротивление электролита растёт, и достигает бесконечности при его замерзании.

Сопротивление сепараторов меняется в зависимости от изменения их толщины и пористости. Величина тока, которая протекает через аккумулятор, оказывает влияние на сопротивление поляризации. Пару слов о поляризации, и причинах, по которым она возникает. Первая причина заключается в том, что в электролите и на поверхности электродов (двойной электрический слой) изменяются электродные потенциалы. Вторая причина в том, что при прохождении тока, концентрация электролита меняется в непосредственной близости от электродов. Это приводит к изменению электродных потенциалов. Когда цепь размыкается и ток исчезает, электродные потенциалы возвращаются к своим первоначальным значениям.

К особенностям свинцово-кислотных аккумуляторов стоит отнести небольшое внутреннее сопротивление по сравнению с другими типами аккумуляторных батарей. Благодаря этому они могут за небольшое время отдавать большой ток (до 2 тысяч ампер). Поэтому их основная область применения – стартерные аккумуляторные батареи на автомобилях с двигателями внутреннего сгорания.

Как можно оценить внутреннее сопротивление АКБ?

В качестве примера можно рассмотреть автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор ёмкостью 55 Ач, имеющий номинальное напряжение 12 вольт. Полностью заряженный аккумулятор имеет напряжение 12,6─12,9 вольта. Допустим, что к АКБ подключить резистор с сопротивлением 1 Ом. Пусть напряжение разомкнутого аккумулятора 12,9 вольта. Тогда ток теоретически должен быть 12,9 В / 1 Ом = 12,9 ампера. Но в реальности он будет ниже 12,5 вольта. Почему это происходит? Это объясняется тем, что в электролите скорость диффузии ионов не является бесконечно большой.

Схема АКБ с подключённым резистором

На изображениях ниже можно посмотреть значения ЭДС автомобильного аккумулятора в разомкнутой цепи и напряжения при подключении нагрузки в виде двух автомобильных лампочек, соединённых параллельно.

Напряжение под нагрузкой

Как уже говорилось, внутреннее сопротивление АКБ является условной величиной. Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой нелинейное устройство, внутреннее сопротивление которого меняется в зависимости от температуры, величины нагрузки, степени заряженности, концентрации электролита и прочих вышеперечисленных параметров. Так, что для проведения точных расчётов аккумулятора используются разрядные кривые, а не величина внутреннего сопротивления.

Итак, исходя из формулы выше, можно вычислить внутреннее сопротивление АКБ с ЭДС 12,6 вольта при разряде постоянным током 2 ампера.

r = (E ─ U) / I = (12,9 В – 12,5 В) / 2 А = 0,2 Ом.

Кстати, некоторые зарядные устройства позволяют измерять внутреннее сопротивление батареи. Например, ниже можно видеть величину внутреннего сопротивления заряженного автомобильного аккумулятора, измеренную зарядкой SkyRC iMax B6 mini. Правда, неизвестно, по какому принципу прибор вычисляет эту величину.

Внутреннее сопротивление автомобильной АКБ по показаниям SkyRC iMax B6 mini

Источник

Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора?

Контроль внутреннего сопротивления аккумулятора позволяет поддерживать источник электроэнергии в работоспособном состоянии длительное время. Показатель зависит от многих параметров, способов измерения также существует большое количество.

Внутреннее сопротивление аккумулятора – что это?

Легче всего объяснить эту характеристику любой электрической батареи на примере. Когда берется новая АКБ для автомобиля, в полностью заряженном состоянии ее напряжение составляет 13 В. Если ее подключить к потребителю с минимальным сопротивлением 1 Ом, то при измерении окажется, что сила тока не 13 А, а примерно 12,2 А.

Это противоречит закону Ома: I=U/R. Если 13 В разделить на 1 Ом, должно получиться 13 А. Это объясняется тем фактом, что не только нагрузка, но и сам источник питания обладает сопротивлением. Реакция в нем, в результате которой появляется электроэнергия, проходит с некоторым замедлением.

Падение силы тока при подсоединении любой нагрузки к источнику питания происходит в т. ч. и в результате внутренних процессов в аккумуляторе. Существуют другие факторы, влияющие на его внутреннее сопротивление, что сказывается на действительной силе тока.

Эта величина, которую еще называют проводимостью, импедансом, условная, никогда не бывает постоянной. Она меняется в зависимости от состояния аккумулятора и многих других обстоятельств.

Как проверить внутреннее сопротивление АКБ

Давно существуют приборы, показывающие взаимосвязь емкости и внутренней проводимости. Они оценивают:

• состояние под нагрузкой по напряжению при постоянной величине тока;
• сопротивление при переменном токе;
• приборы для сравнения спектров.

Все способы позволяют получить только информацию о качественном состоянии батареи. Количественные показатели недоступны, т. е. невозможно по внутреннему сопротивлению судить о том, сколько проработает АКБ под нагрузкой. Однозначная зависимость между проводимостью и емкостью отсутствует.

Измерения рекомендуется проводить регулярно. Они позволяют оценить состояние АКБ, планировать покупку новой. Практикой доказано, что показатель с каждым годом возрастает минимум на 5%. Если увеличение превышает 8%, оценивают условия эксплуатации, нагрузку. Возможно, причина кроется в них.

От чего зависит

Показатель проводимости аккумулятора рассчитывают с учетом ЭДС, тока, нагрузки. Получают условную постоянно меняющуюся величину, зависящую от таких условий:

• физических параметров батареи: размера, формы;
• конструктивного исполнения основных элементов;
• состояния электролита;
• присутствия легирующих добавок;
• состояния контактов.

Особенное влияние на импеданс оказывает электролитическая масса: химический состав, концентрация, температурные условия эксплуатации. Зависимость внутреннего сопротивления источников питания от состава электролита:

1. Кислотно-свинцовые АКБ отличаются минимальными показателями. Они способны отдать ток силой до 2,5 кА, который необходим для запуска ДВС.
2. Среди всех аккумуляторов самый низкий импеданс у NiCd. Он сохраняется даже после 1 тыс. разрядно-зарядных циклов.
3. У NiMH импеданс вначале выше. Через 350 циклов он еще увеличивается.
4. Характеристики Li-ion батареи лучше, чем NiMH, но уступают NiCd. В процессе эксплуатации импеданс у них не увеличивается, но зато в течение 2 лет Li-ion выходят из строя, даже если не эксплуатировались.

Поддерживать низкий импеданс особенно важно для устройств с высоким импульсным током потребления, например мобильных телефонов. Если никелевые аккумуляторы не обслуживать, их проводимость резко возрастает.

Подача переменного тока

Самый простой способ, но требует до 2 часов времени. Понадобятся:

• постоянный резистор определенного номинала;
• ограничительный трансформатор;
• конденсатор;
• цифровой вольтметр.

Последний прибор может быть самым простым. Цифровая индикация необходима для большей точности измерений.

Несмотря на простоту метода, существуют факторы, которые не позволяют с уверенностью оценить внутреннее сопротивление. Значения при измерениях включают активные и реактивные параметры, учитывают частоту. Влияние оказывают химические реакции, протекающие в электролите.

Метод постоянной нагрузки

Способ, более часто используемый по сравнению с предыдущим. Применяется к батареям для автотранспорта. В течение нескольких секунд их разряжают под нагрузкой. Вольтметром фиксируют напряжение до разряда и после него. По закону Ома проводят вычисления.

Для старых АКБ метод неподходящий – он не позволяет определить их состояние. Нагрузка измеряется.

Короткоимпульсный способ

Сравнительно новаторский метод, обладающий следующими преимуществами:

1. Батарея остается на своем месте, не отключается, что избавляет от лишней работы.
2. При измерении изменение напряжения краткосрочное, что не влияет на работоспособность оборудования.
3. Из приборов нужен вольтметр.
4. Тестируют регулярно, но на состоянии АКБ это не сказывается.

Параллельно определяется емкость при сравнении новой и эксплуатируемой батарей. Учитываются сила тока, короткие замыкания. Метод позволяет сделать выводы о состоянии АКБ.

Зависимость состояния аккумулятора от внутреннего сопротивления

Провести измерения можно самостоятельно собранными устройствами, но большинство отдают предпочтение промышленным. Они позволяют оценить состояние аккумулятора, его основные характеристики. Рынок предлагает изделия с необходимыми функционалами.

Среди таких приборов:

1. Нагрузочные вилки – проверяют напряжение АКБ. Позволяют установить необходимую нагрузку.
2. Устройства, помогающие установить связь состояния батареи с импедансом.
3. Измерители спектров, позволяющие определить проводимость при переменном и постоянном токе.

Разные измерительные устройства служат для определения внутреннего сопротивления. Тестеры подают сигналы, по которым устанавливают работоспособность АКБ, емкость, время заряда и разряда. Показатели взаимосвязаны, но зависимость в одних случаях больше, в других – меньше.

Измерение внутреннего сопротивления автомобильного АКБ

Особенное влияние оказывает величина импеданса на автомобильные аккумуляторы. Если эксплуатация транспортного средства активная как в городе, так и на трассе, сельских дорогах, импеданс оказывает большое влияние на продолжительность службы батареи. Регулярное тестирование позволяет определить, когда пригодность АКБ для работы приближается к финишу.

Описание параметра

Сопротивление принято обозначать R. В автомобильном аккумуляторе это сумма сопротивлений омического и поляризации. В свою очередь, омическое R слагается из сопротивлений, которые возникают в электролите, на соединениях банок, на контактах, электродах, сепараторах.

Импеданс проявляется в отношении тока внутри батареи независимо от того, разрядный он или зарядный. Все элементы АКБ имеют свою проводимость, которая различается.

Связанные факторы

Конструкции аккумуляторов, применяемые материалы разные, поэтому показатели неодинаковые. Например, плюсовая решетка имеет R в 10 тыс. раз меньше, чем у нанесенного на нее свинца. На минусовой решетке разница неощутимая.

Технология изготовления электродов также различается, что сказывается на показателях. Сюда относятся: качество материала, контактов, конструкция, присутствие легирующих компонентов.

На R сепараторов влияют толщина и пористость материала. Сопротивление электролита зависит от его температуры, концентрации.

Измерение сопротивления

Точное измерение внутреннего сопротивления невозможно без использования графиков разрядных кривых. На него влияют заряженность АКБ, нагрузка, температура. Автолюбители пользуются более простым способом, позволяющим судить о состоянии источника питания.

Пользуются лампой из фары, например галогеновой на 60 Вт, и тестером. Светодиодную не следует применять ни в коем случае. Лампочку и мультиметр подключают к батарее последовательно. Записывают показания вольтметра. Отключают нагрузку и смотрят напряжение, которое окажется больше.

Сравнивают показания измерительного прибора. Проводят расчет: если разница не превышает 0,02 В, состояние АКБ хорошее – импеданс не больше 0,01 Ом.

Пользуются вольтметром с цифровой индикацией: на стрелочном трудно зафиксировать точные показатели.

Опыт автолюбителей

Отзывы водителей разные. Небольшая часть предпочитает проверять АКБ в мастерских. Другие, которые поняли процесс и значение этого параметра для жизнедеятельности аккумулятора, уделяют несколько минут для регулярной проверки.

При этом автолюбители советуют обратить внимание на такие моменты:

1. Не следует слепо руководствоваться абсолютными показателями, взятыми из специальной литературы, интернета. Более полезно сравнивать старые показатели с новыми.
2. Существуют нормы для каждой АКБ. Их берут из инструкции или оригинальной упаковки.
3. Регулярное измерение импеданса позволяет отслеживать изменения в батарее. В одних случаях достаточно найти и устранить причину, в других – это сигнал о необходимости замены АКБ в ближайшем будущем.

Параметр важный. Если измерять его регулярно, это позволит избежать многих проблем. Так считают большинство автолюбителей независимо от того, проводят они измерения сами или обращаются к мастерам.

Источник

Внутреннее сопротивление аккумулятора

Вне зависимости от типа электрического приемника, каждый из них всегда имеет внутреннее сопротивление. Постоянно проверяя сопротивление аккумулятора, владелец может оставаться уверенным в его работоспособности. Когда возникает значительный разброс показателей, в лучшем случае это станет причиной поломки батареи. В худшем – сломаются потребители на самом автомобиле.

Что это такое?

Внутреннее сопротивление аккумулятора варьируется в разных пределах, исходя из пористости, конструкции и геометрии решетки, типа используемых электродов, наличия легирующих веществ, качества обмазки и качества электрического контакта. Сопротивление между губчатым свинцом и решеткой отрицательных электродов находится на примерно одинаковом уровне. Но при этом перекись свинца, нанесенная на поверхности решетки положительных электродов, имеет примерно в десять тысяч раз большее сопротивление.

В общей сложности, внутренним сопротивлением батареи является величина поляризации, которая оказывается напряжению, протекающему внутри. Нет никакого значения в том, о каком именно токе идет речь – разрядном или зарядном. Показатель варьируется в разных пределах, в зависимости от наименования элемента внутри батареи. Собственное значение всегда имеет электролит, сепараторы и электродные решетки.

Важно! На приведенных выше элементах влияет целый ряд факторов, вследствие чего внутреннее сопротивление батареи бывает разным, в зависимости от типа аккумуляторов. Поэтому никогда не будет лишним внимательно ознакомиться с текущими показателями.

Связь с проводимостью аккумулятора?

Сопротивление имеет обратную величину – проводимость. Тут необходимо помнить о взаимосвязи между проводимостью и сопротивлением – первый параметр всегда является обратным второму.

При измерении проводимости используется специальная единица – Сименс.

От чего зависит внутреннее сопротивление аккумулятора?

Когда свинцово-кислотный аккумулятор разряжается, на электродах начинает выделяться сульфат свинца. Его появление негативно сказывается на проводимости пластин, вследствие чего они сильнее сопротивляются передаче тока. Также стоит отметить, что сульфату свинца свойственно откладываться в порах, где обмазываются пластины. Из электролита хуже происходит диффузия серной кислоты. Когда разрядка аккумулятора на свинцово-кислотной основе доходит до своего завершения, уровень сопротивления сразу же увеличивается до показателя, в два-три раза превышающего номинальный. При повторном пополнении источника питания энергией сульфат свинца растворяется. Результат – параметры восстанавливаются до первоначального уровня.

Внимание! В автомобильных аккумуляторах показатель зависит от величины сопротивления используемого электролита. Это повышает зависимость от температуры жидкости внутри батареи и ее концентрации. Когда температура окружающей среды снижается до минимально допустимого уровня, автоматически электролитное сопротивление увеличивается. А когда электролит полностью замерзает, сопротивление достигает бесконечного значения.

Минимальная величина сопротивления достигается в том случае, если аккумулятор:

• содержит внутри электролит, плотность которого составляет 1.225 грамм на кубический сантиметр;
• эксплуатируется при температуре 15 градусов Цельсия.

Увеличив или уменьшив плотность, уровень сопротивления автоматически увеличивается. Следовательно, внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора неуклонно увеличивается.

Важно! Уровень сопротивления сепараторов может меняться исходя из пористости и толщины.

Не стоит забывать о том, что ток, протекающий через различные элементы аккумулятора, влияет на уровень сопротивления поляризации. Последняя, в свою очередь, появляется по ряду причин.

1. Поверхность электрода и сам электролит – это элементы батареи, которым свойственно менять электродный потенциал.
2. Когда ток проходит по системе, электролит меняет свою концентрацию. Чем ближе он находится к электродам, тем интенсивнее протекает данный процесс. Результат – изменение потенциалов электродов. При размыкании цепи и исчезновении тока уровень электродных потенциалов восстанавливается до первичного значения.

Свинцово-кислотные аккумуляторы характеризуются минимальным внутренним сопротивлением, если сравнивать их с иными популярными разновидностями АКБ. За счет этого они с легкостью отдают огромный ток в течение краткого промежутка времени (вплоть до 2000 А). Поэтому неудивительно, что они используются для питания стартеров автомобильных двигателей, учитывая, какая нагрузка приходится на систему на момент запуска.

Не будет лишним напомнить, что внутреннее сопротивление АКБ бывает разным, исходя из частоты. Какой именно ток – постоянный или переменный, не имеет значения. В рамках проведения ряда исследований, инициированных энтузиастами и учеными, было заметно, что свинцово-кислотный аккумулятор имел ярко выраженное сопротивление, когда на него подавался ток частотой 200-300 Гц.

Принцип и правила проверки

За основу возьмем обычную батарею свинцово-кислотного типа для легкового автомобиля, емкость которой составляет 55 ампер/час, а напряжение – 12 В. Когда ее заряжают до полного значения, батарея способна выдавать напряжение до 13 вольт. Теперь представим, что владелец решил подключить к источнику питания одноомный резистор. Будучи разомкнутым, аккумулятор способен выдавать 13 вольт. С теоретической точки зрения, ток должен быть на уровне 13 А. Но на практике показатель ниже – как правило, меньше 12.5 В. Что является причиной такого поведения? Все дело в том, что скорость протекания ионной диффузии внутри электролита не бесконечна.

Многие автомобилисты зачастую не знают, как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора. На рынке давно можно приобрести специальные устройства, позволяющие проверить текущую величину внутреннего сопротивления. За основу берется принцип взаимодействия внутреннего сопротивления и емкости батареи. При использовании нагрузочной вилки и прочей похожей аппаратуры проверка происходит только тогда, когда источник питания находится под нагрузкой. Это напоминает проверку сопротивления АКБ при постоянной величине тока. Другие измерители, которые задействуются на практике, показывают данные, опираясь на текущее состояние батареи. Также существует третья разновидность оборудования – измеритель спектров. Здесь появляется возможность сравнения спектров сопротивления АКБ, выдающей переменный ток различных частот. В зависимости от полученного показателя, после измерения хозяин может сделать выводы касательно состояния источника питания на момент диагностики.

В общей сложности, проверка внутреннего сопротивления способствует качественной оценке текущего состояния батареи. Чтобы владельцы не наделали грубых ошибок при диагностике, производители указывают величину допустимой частоты, при которой разрешено проверять проводимость. На этикетке параллельно указана величина тока, позволяющего проводить проверку. Когда вы определите ЭДС и внутреннее сопротивление аккумулятора, то будете точно знать, что на итоговые показатели влияет сила и частота напряжения. Соответственно, после измерения проводимости невозможно будет получить количественные данные, посредством которых пользователь бы понял, как долго продержится батарея после очередных циклов разряда на нагрузку. Главой тому причиной является отсутствие логической зависимости между внутренним сопротивлением и емкостью источника питания.

Инновационный измеритель внутреннего сопротивления аккумуляторов работает по принципу оценки осциллограммы, полученной при проверке отклика батареи посредством сигнала специальной формы. Результат – возможность оперативной оценки остаточной емкости источника питания. В свою очередь, на базе оценки определяется старение и износ АКБ, продолжительность разрядки с учетом актуального состояния, а также оставшийся ресурс.

Кроме того, владелец может измерить мультиметром текущее сопротивление аккумулятора. Но прибор не сможет дать развернутую оценку остаточного ресурса.

Дополнительная информация

Проводить измерение внутреннего сопротивления аккумулятора автомобиля рекомендуется постоянно и своевременно. Качественная диагностика упрощает планирование замены. Ежегодно показатель повышается примерно на шесть процентов. Если он увеличивается более чем на восемь процентов, специалисты мастерской приступают к анализу нагрузки и эксплуатационных условий, в которых работает источник питания. Точность определения нарушений и дефектов зависит от метода диагностики.

Самым простым методом в плане реализации является подача переменного напряжения. Для этого используется трансформатор, ограничительный резистор, вольтметр и конденсатор. Длительность проверки варьируется в пределах от одного до двух часов. На протяжении этого отрезка времени оборудование устанавливает текущую величину напряжения. Задача вольтметра заключается в повышении точности полученного результата.

В рамках проверки проводимости с использованием переменного тока получается значение, состоящее из активного и реактивного показателя. Чтобы вывести требуемый результат, надо подготовить частотную зависимость. Реализация представленного метода сопровождается рядом сложностей из-за электрохимических процессов. Поэтому подача переменного напряжения через провода подойдет в том случае, если нужно составить общую оценку текущего состояния батареи.

В автомобильных мастерских и гаражных кооперативах пользуются методикой постоянной нагрузки. Особенность заключается в том, что в процессе тестирования батарею, находящуюся под постоянным напряжением, стремительно разряжают. Используя вольтметр, специалисты проверяют напряжение без нагрузки и с ее наличием. За основу при расчете берется закон Ома. Метод подходит в том случае, если объектом тестирования является крупногабаритная аккумуляторная батарея. При анализе используется высокоточная аппаратура, способная проверить проводимость аккумулятора и ряд других показателей. Возможно применение тестеров с наличием пленочно-угольного резистора.

Важно понимать, что в рамках реализации данной методики конденсатор не обращает никакого внимания на измерительный прибор. Поэтому при получении результатов оценке подлежит активная составляющая АКБ. Чтобы проверить старую батарею на проводимость и прочие параметры, этот метод не подойдет. Причина заключается в проблематичности установления истинного состояния. С другой стороны, никто не запрещает проверить сопротивление аккумулятора автомобиля и ЭДС при правильно подобранном напряжении.

Опираясь на информацию, изложенную выше, можно сделать следующие выводы. Проверка внутреннего сопротивления относится к категории обязательных диагностических процедур, при своевременном выполнении которой автомобилист сможет оценить текущее состояние источника питания. В рамках ее выполнения могут использоваться различные методы, исходя из назначения и характеристик АКБ.

Источник