Сопротивление аккумулятора


Внутренее сопротивление аккумуляторов - параметр, позволяющий оценить "здоровье" аккумулятора

19 декабря 2019

По существующим нормам, основными критериями технического состояния аккумуляторов являются ее фактическая емкость и величина напряжения на элементе всей группы батарей при протекании токов нагрузки. Дело в том, что измерение емкости аккумуляторов требует больших затрат времени и приводит к снижению надежности системы постоянного тока во время проведения испытаний, особенно на тех объектах, на которых нет резервной аккумуляторной батареи и отключение группы батарей от оборудования питания чревато обесточиванием непрерывно работающего дорогостоящего оборудования. Измерение величины снижения напряжения на аккумуляторах при протекании тока требует меньших затрат времени, но не обеспечено необходимым, серийно выпускаемым измерительным оборудованием.

По сути, величина снижения напряжения на элементах аккумуляторной батареи при протекании токов, определяется внутренним сопротивлением элементов.

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

На сопротивление электродов оказывает влияние их конструкция, пористость, геометрия, конструкция решётки, состояние активного вещества, наличие легирующих компонентов, качество электрического контакта решёток и обмазки активной массы.

При этом, как известно, у аккумуляторов большей емкости больше рабочая поверхность пластин и больше пространства для диффузии электролита внутри аккумулятора. Поэтому внутреннее сопротивление аккумуляторов большой емкости меньше, чем внутреннее сопротивление аккумуляторов меньшей емкости.

Кроме того, внутреннее сопротивление аккумуляторов зависит и от токов нагрузки. Например, внутреннее сопротивление аккумулятора при больших токах нагрузки в несколько раз меньше, чем внутреннее сопротивление того же аккумулятора при малых токах.

В процессе разряда свинцово-кислотного аккумулятора на поверхности электродов выделяется сульфат свинца (PbSO4). Это плохой проводник, который существенно увеличивает сопротивление электродных пластин. Кроме того, сульфат свинца откладывается в порах активной массы пластин и существенно уменьшает диффузию серной кислоты из электролита в них.

Существенное влияние на сопротивление свинцово-кислотного аккумулятора оказывает и величина сопротивления электролита. Эта величина, в свою очередь, сильно зависит от концентрации и температуры электролита. Так, при уменьшении температуры сопротивление электролита растет и достигает бесконечности при его замерзании. И, наоборот, при высокой температуре скорость диффузии ионов электролита выше и внутреннее сопротивление аккумулятора ниже.

Наиболее оптимальным значением является установленная производителем плотность электролита при температуре 20-25°С, при которой внутреннее сопротивление принимает минимальное значение. При уменьшении или увеличении плотности электролита его сопротивление увеличивается, а, следовательно, растет и внутреннее сопротивление аккумулятора.

Поскольку емкость аккумуляторной батареи связана с ее внутренним сопротивлением и, получив опытным путем значение внутреннего сопротивления, можно оценить и емкость самой аккумуляторной батареи. Так, если внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи увеличилось в 2 раза, то можно предположить, что емкость аккумуляторной батареи уменьшилась примерно в 2 раза.

Другими словами, внутреннее сопротивление батареи определяет ее способность отдавать в нагрузку большой ток. Эта зависимость подчиняется закону Ома. При низком значении внутреннего сопротивления батарея способна отдавать в нагрузку большой пиковый ток (без существенного уменьшения напряжения на ее выводах), а значит, и большую пиковую мощность, в то время как высокое значение внутреннего сопротивления приводит к резкому уменьшению напряжения на выводах батареи при резком увеличении тока нагрузки. Это приводит к тому, что внешне хороший аккумулятор не может полностью отдать запасенную в нем энергию в нагрузку.

Регулярность измерений внутреннего сопротивления обеспечивает возможность прогнозирования выработки ресурса аккумуляторной батареи, и планировать ее замену заблаговременно. Считается, что за 1 год сопротивление аккумуляторной батареи, при правильной эксплуатации, должно возрастать, исходя из срока службы, например, в 15 лет, не более, чем на 6-7%. Если скорость увеличения сопротивления элементов превышает ожидаемую, то анализируются условия эксплуатации аккумуляторной батареи, нагрузка, процесс подзаряда и другие. Элементы аккумуляторной батареи, сопротивление которых отличается от среднего, вычисляемого для всех элементов, более чем на 10% подвергаются тренировочному заряду, а, если он не дает нужного эффекта, считаются неисправными и нуждающимися в замене. Тренировочный заряд проводится не всех элементах аккумуляторной батареи от штатного зарядно-подзарядного устройства, а индивидуально, только тех элементов, которые в этом нуждаются, от переносного зарядного устройства.

При обследовании аккумуляторной батареи кроме внутреннего сопротивления ее элементов измеряются сопротивления и межэлементных соединений. Это позволяет своевременно выявлять характерные дефекты, обусловленные коррозией токовыводов аккумуляторов.

Государственный стандарт ГОСТ Р МЭК 60896-2-99 «Свинцово-кислотные стационарные батареи. Общие требования и методы испытаний», соответствующий рекомендациям МЭК, предусматривает определение внутреннего сопротивления аккумуляторов по двум значениям разрядного тока и напряжения. При этом разрядный ток первой ступени выбирается в зависимости от тока десятичасового режима разряда и равен (4–6) I10, напряжение регистрируется на 20 секунде разряда. Ток второй ступени выбирается из расчета (20–40) I10, напряжение регистрируется на 5 секунде разряда. Далее линейной экстраполяцией определяются расчетная ЭДС и ток короткого замыкания аккумулятора. По полученным данным определяют внутреннее сопротивление аккумулятора.

По этой методике проводят испытания многие отечественные аккредитованные специализированные испытательные центры и лаборатории, у которых оборудование позволяет провести это опытным путем.

Обычному пользователю при наличии специального оборудования достаточно измерить внутреннее сопротивление для оценки состояния аккумуляторной батареи в целом. В то же время на сегодняшний день самым объективным способом оценки состояния аккумуляторных батарей является их контрольный 20- или 10-часовой разряд в соответствии с данными тока разряда и конечного напряжения разряда разрядных таблиц завода-изготовителя.

Таким образом, внутреннее сопротивление аккумуляторных батарей является условной величиной. Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой нелинейное устройство, внутреннее сопротивление которого не остается постоянным, а меняется в зависимости от температуры, величины нагрузки, степени заряженности, концентрации электролита и прочих вышеперечисленных параметров. Поэтому для проведения точных расчётов аккумулятора желательно все-таки использовать разрядные кривые, а не величину внутреннего сопротивления.

Внутреннее сопротивление аккумулятора. Значения для разной емкости.

Автор: Максим Дата: 19.04.2022 Просмотров: 770 Комментарии: 0

Сегодня имеются множество современных приборов для измерения внутреннего сопротивления аккумулятора, есть определенные значения как для новых источников питания, только сошедших с конвейера, так и для уже успевших поработать на автомобиле. В данной статье описано сопротивление в стандартных и наиболее распространенных свинцово-кислотных батареях, используемых на легковых и грузовых автомобилях.

Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора?

Простыми словами, это совокупность сопротивлений от каждой части аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора в Омах – составляет сумму сопротивлений деталей источника питания (выводов тока, пластин, сепараторов, соединений между пластинами и банками), а также токопроводящей жидкости – электролита. Корпус выполнен из пластика и поэтому на практике не влияет на величину «омического сопротивления». Данное сопротивление всегда присутствует в свинцово-кислотных батареях, ввиду свойств материалов, из которых они сделаны.

На примере, ЭДС источника питания должен быть условно 13,5 Вольт, внутреннее сопротивление снижает этот показатель условно до 12,7 Вольт. Этот показатель соответствует 100% зарядке аккумулятора у новых современных источников питания.

Диагностика, какое внутреннее сопротивление аккумулятора.

Свинцово-кислотный источник питания устроен таким образом, что чем он старше, тем больше значение сопротивления внутри устройства, со временем оно растет. Сопротивление влияет на основные показатели эффективности аккумулятора – емкость, силу тока, напряжение.

Для новой батареи ёмкостью в 60 Ампер-час значение сопротивления будет около 4-6 мОм. Внутреннее сопротивления аккумулятора 12 В 60 Ач через несколько лет будет уже равняться 10-15 мОм, зависит от степени износа. Из-за этого пусковой ток сильно уменьшается, до 2 раз, падает плотность электролита, напряжение.

Граничные значения.

Если у вас имеется специальный прибор, который может замерить внутреннее сопротивление аккумулятора, перед покупкой вы сможете проверить это значение, сравнив с эталонным, и определить работоспособность батареи.

Так, для стандартного аккумулятора 60 Ач, внутреннее сопротивление должно быть у нового 4-7 мОм, у изношенного через 5 лет – 6-13 мОм.

Для более мощных батарей с емкостью 75 Ач норма 3-7 мОм, для отработавшего эти значения равняются 5-13 мОм.

Для аккумуляторов 80 Ач почти аналогично, 3-6 мОм для нового, 4,5-12 мОм для бывшего в употреблении.

Аккумулятора для грузовых авто, емкостью от 90 Ач должны иметь внутреннее сопротивление в 3-6 мОм, а через 5 лет эксплуатации – 5-12 мОм.

Перед тем как купить новый аккумулятор, желательно проверить значения внутреннего напряжения, чтобы понимать примерное состояние батареи, насколько она работоспособна.
Наши специалисты производят диагностику аккумуляторов специальными приборами, заказав комплексную диагностику нового аккумулятора, вы будете уверены в том, что купили надежную батарею.

Комментарии

Как внутреннее сопротивление влияет на производительность?

С переходом от аналогового к цифровому аккумулятору предъявляются новые требования. В отличие от аналоговых портативных устройств, потребляющих постоянный ток, цифровое оборудование заряжает батарею короткими сильными скачками тока.


Одним из неотложных требований к аккумулятору для цифровых приложений является низкое внутреннее сопротивление. Внутреннее сопротивление, измеряемое в миллиомах, является привратником, который в значительной степени определяет время работы. Чем ниже сопротивление, тем меньше ограничений испытывает батарея при обеспечении необходимых скачков мощности. Высокое показание мВт может вызвать раннюю индикацию «разряженной батареи» на, казалось бы, хорошей батарее, потому что доступная энергия не может быть доставлена ​​требуемым образом и остается в батарее

На рис. 1 показаны характеристики напряжения и соответствующее время работы батареи с низким, средним и высоким внутренним сопротивлением при подключении к цифровой нагрузке. Подобно мягкому мячику, легко деформирующемуся при сдавливании, напряжение аккумулятора с высоким внутренним сопротивлением модулирует напряжение питания и оставляет провалы, отражая импульсы нагрузки. Эти импульсы подталкивают напряжение к концу линии разряда, что приводит к преждевременному отключению. Как видно из графика, внутреннее сопротивление определяет большую часть времени работы.

Рис. 1: Кривая разряда при импульсной нагрузке с различным внутренним сопротивлением. На этой диаграмме показано время работы 3 аккумуляторов одинаковой емкости, но с разным внутренним сопротивлением.

Время разговора как функция внутреннего сопротивления

В рамках текущих исследований по измерению времени работы аккумуляторов с различными уровнями внутреннего сопротивления Cadex Electronics проверила несколько аккумуляторов сотовых телефонов, которые некоторое время находились в эксплуатации. Все батареи были одинаковыми по размеру и давали хорошие показания емкости при проверке с помощью анализатора батарей при постоянной разрядной нагрузке. Никель-кадмиевая батарея показала емкость 113 %, никель-металлогидридная — 107 %, а литий-ионная — 9 %.4%. Внутреннее сопротивление варьировалось в широких пределах и составляло 155 мОм для никель-кадмиевых, высокое 778 мОм для никель-металлогидридных и умеренные 320 мОм для литий-ионных. Эти показания внутреннего сопротивления типичны для стареющих батарей с таким химическим составом.

Теперь давайте проверим, как тестовые аккумуляторы ведут себя на сотовом телефоне. Максимальный импульсный ток сотовых телефонов GSM (глобальная система мобильной связи) составляет 2,5 ампера. Это представляет собой большой ток от относительно небольшой батареи емкостью около 800 миллиампер (мАч). Импульс тока в 2,4 ампера от аккумулятора емкостью 800 мАч, например, соответствует C-скорости 3C. Это в три раза больше текущего номинала батареи. Такие импульсы высокого тока могут быть доставлены только в том случае, если внутреннее сопротивление батареи низкое.

На рисунках 2, 3 и 4 показано время разговора трех батарей при смоделированном токе GSM 1C, 2C и 3C. Видна прямая зависимость между внутренним сопротивлением батареи и временем разговора. никель-кадмиевые показали себя лучше всего в данных обстоятельствах и обеспечили время разговора 120 минут при разряде 3C (оранжевая линия). никель-металл-гидрид работал только при 1C (синяя линия) и не работал при 3C. литий-ионный позволял умеренное время разговора 50 минут при 3C.

Рисунок 2: Разряд и результирующее время разговора никель-кадмия на 1С, 2С и 3С по графику нагрузки GSM. Тестируемый аккумулятор имеет емкость 113%, внутреннее сопротивление невелико – 155 мОм. Рис. 3: Разрядка и результирующее время разговора никель-металлгидридного на 1C, 2C и 3C по графику нагрузки GSM. Тестируемый аккумулятор имеет емкость 107%, внутреннее сопротивление высокое 778 мОм. Рисунок 4: Разрядка и итоговое время разговора литий-ионной батареи при 1C, 2C и 3C по графику нагрузки GSM. Протестированная батарея имеет емкость 94%, внутреннее сопротивление 320 мОм.

Внутреннее сопротивление в зависимости от уровня заряда

Внутреннее сопротивление зависит от уровня заряда аккумулятора. Наибольшие изменения заметны на батареях на основе никеля. На рисунке 5 мы наблюдаем внутреннее сопротивление никель-металлогидридного аккумулятора в пустом состоянии, во время зарядки, при полной зарядке и после 4-часового периода покоя.
Уровни сопротивления самые высокие при низком уровне заряда и сразу после зарядки. Вопреки распространенному мнению, наилучшая производительность батареи достигается не сразу после полной зарядки, а после периода отдыха в несколько часов. Во время разряда внутреннее сопротивление батареи уменьшается, достигает наименьшего значения при половинном заряде и снова начинает расти (пунктирная линия).

Рис. 5: Внутреннее сопротивление в никель-металлгидридном исполнении. Обратите внимание на более высокие показания сразу после полной разрядки и полной зарядки. Отдых батареи перед использованием дает наилучшие результаты. Ссылки: Shukla et al. 1998. Родригес и др. 1999.

Внутреннее сопротивление литий-ионного аккумулятора практически одинаково от пустого до полного заряда. Батарея асимптотически уменьшается с 270 мВт при 0% до 250 мВт при 70% заряда. Наибольшие изменения происходят между 0% и 30% SoC.

Сопротивление свинцово-кислотных батарей увеличивается при разряде. Это изменение вызвано уменьшением удельного веса, истощением электролита по мере того, как он становится более водянистым. Увеличение сопротивления почти линейно с уменьшением удельного веса. Остальные несколько часов частично восстановят батарею, так как сульфат-ионы могут восполниться сами. Изменение сопротивления между полным зарядом и разрядом составляет около 40%. Низкая температура увеличивает внутреннее сопротивление всех аккумуляторов и добавляет примерно 50% в диапазоне от +30°C до -18°C для свинцово-кислотных аккумуляторов. На рис. 6 показано увеличение внутреннего сопротивления гелевой свинцово-кислотной батареи, используемой для инвалидных колясок.

Рис. 6: Типичные значения внутреннего сопротивления свинцово-кислотного аккумулятора для инвалидных колясок. Аккумулятор разрядился от полного заряда до 10,50В. Показания снимались при напряжении холостого хода (OCV).
Источник:
Аккумуляторные лаборатории Cadex.

Аккумуляторы в портативном мире

Материал по Battery University основан на незаменимом новом 4-м издании « Аккумуляторы в портативном мире — справочник по перезаряжаемым батареям для не инженеров» ", который можно заказать на Amazon.com.

BU-802a: Как повышение внутреннего сопротивления влияет на производительность? Сопротивление. Измеряемое в миллиомах (мОм), сопротивление является привратником аккумулятора; чем ниже сопротивление, тем меньше ограничений испытывает аккумулятор. Это особенно важно при тяжелых нагрузках, таких как электроинструменты и электрические силовые агрегаты. Высокое сопротивление приводит к тому, что аккумулятор нагревается и напряжение падает под нагрузкой, вызывая преждевременное отключение

На рис. 1 показана батарея с низким внутренним сопротивлением в виде безнапорного отвода против батареи с повышенным сопротивлением, в которой отвод ограничен.

Низкое сопротивление, обеспечивает высокий ток по запросу; батарея остается прохладной. Высокое сопротивление, ток ограничен, напряжение падает под нагрузкой; батарея греется.

Рисунок 1: Влияние внутреннего сопротивления батареи.

Аккумулятор с низким внутренним сопротивлением обеспечивает высокий ток по запросу. Высокое сопротивление вызывает нагрев батареи и падение напряжения. Оборудование отключается, оставляя энергию позади.

Свинцово-кислотная батарея имеет очень низкое внутреннее сопротивление, поэтому батарея хорошо реагирует на скачки тока, которые длятся несколько секунд. Однако из-за присущей ей медлительности свинцово-кислотные плохо работают при длительном сильноточном разряде; батарея быстро устает и нуждается в отдыхе для восстановления. Некоторая медлительность проявляется у всех аккумуляторов в разной степени, но особенно выражена она у свинцово-кислотных. Это намекает на то, что подача энергии основана не только на внутреннем сопротивлении, но и на реакции химии, а также на температуре. В этом отношении технологии на основе никеля и лития более чувствительны, чем свинцово-кислотные.

Сульфатация и коррозия решетки являются основными причинами повышения внутреннего сопротивления при использовании свинцово-кислотного. Температура также влияет на сопротивление; тепло понижает его, а холод повышает. Нагрев батареи на мгновение снизит внутреннее сопротивление, чтобы обеспечить дополнительное время работы. Это, однако, не восстанавливает батарею и добавит кратковременную нагрузку.

Кристаллическое образование, также известное как «память», способствует внутреннему сопротивлению в батареях на основе никеля. Это часто можно исправить с помощью глубокого цикла. Внутреннее сопротивление литий-ионных аккумуляторов также увеличивается с использованием и старением, но улучшения были сделаны с помощью добавок к электролиту, чтобы держать под контролем образование пленки на электродах. (См. BU-808b: Что заставляет литий-ионные аккумуляторы умирать?) Со всеми батареями SoC влияет на внутреннее сопротивление. Литий-ион имеет более высокое сопротивление при полном заряде и в конце разряда с большой плоской областью низкого сопротивления в середине.

Щелочные, угольно-цинковые и большинство первичных батарей имеют относительно высокое внутреннее сопротивление, что ограничивает их использование слаботочными устройствами, такими как фонарики, пульты дистанционного управления, портативные развлекательные устройства и кухонные часы. По мере того, как эти батареи разряжаются, сопротивление увеличивается еще больше. Это объясняет относительно короткое время работы при использовании обычных щелочных элементов в цифровых камерах.

Для определения внутреннего сопротивления батареи используются два метода: постоянный ток (DC) путем измерения падения напряжения при заданном токе и переменный ток (AC), при котором учитывается реактивное сопротивление. При измерении реактивного устройства, такого как батарея, значения сопротивления сильно различаются между методами испытаний постоянным и переменным током, но ни одно из показаний не является правильным или неправильным. Показания постоянного тока учитывают чистое сопротивление (R) и дают верные результаты для нагрузки постоянного тока, такой как нагревательный элемент. Показания переменного тока включают реактивные компоненты и обеспечивают импеданс (Z). Импеданс обеспечивает реалистичные результаты для цифровой нагрузки, такой как мобильный телефон или индуктивный двигатель. ( См. БУ-902: Как измерить внутреннее сопротивление )

На рис. 2 показано внутреннее сопротивление литий-ионного элемента 18650 после 1000 полных циклов при 40ºC (104ºF). Показания переменного тока в зеленой рамке не отражают истинное сопротивление батареи; Метод постоянного тока обеспечивает более надежные данные о производительности при нагрузке.

Рис. 2. Рост внутреннего сопротивления литий-ионного элемента 18650, измеренный методами переменного и постоянного тока при циклировании [1]
Показания сопротивления переменному току в зеленой рамке остаются низкими; Метод DC дает истинное состояние.

Сопротивление пакета

Внутреннее сопротивление батареи состоит не только из элементов, но также включает соединения, предохранители, защитные цепи и проводку. В большинстве случаев эти периферийные устройства более чем в два раза превышают внутреннее сопротивление и могут фальсифицировать методы экспресс-тестирования. Типичные показания одного аккумулятора для мобильного телефона и многоэлементного аккумулятора для электроинструмента показаны ниже.

Internal Resistance of a Mobile Phone Battery [2] 7 1
Cell, single, high capacity prismatic 50mΩ subject to increase with age
Connection, welded 1mΩ
Позистор, приваренный к кабелю, ячейка 25 мОм 18–30 мОм в соответствии со спецификацией
Схема защиты, печатная плата 50 мОм
Общее внутреннее сопротивление ок. 130mΩ

Internal Resistance of a Power Pack for Power Tools [2]
Cells 2P4S at 2Ah/cell, 18mΩ subject to increase with age
Соединение, сварное, каждое 0,1 мОм
Цепь защиты, печатная плата 10 мОм
Общее внутреннее сопротивление ок. 80 мОм

На рисунках 3, 4 и 5 показано время работы трех аккумуляторов с одинаковыми Ач и емкостью, но с разным внутренним сопротивлением при разряде при 1C, 2C и 3C. Графики демонстрируют важность поддержания низкого внутреннего сопротивления, особенно при более высоких разрядных токах. Тестовая батарея NiCd имеет сопротивление 155 мОм, NiMH — 778 мОм, а литий-ионная — 320 мОм. Это типичные резистивные показания старых, но все еще функциональных аккумуляторов. (См. BU-208: Циклические характеристики), демонстрирующий взаимосвязь емкости, внутреннего сопротивления и саморазряда.)

Рис. 3: Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3C с результирующим временем разговора [3]
Емкость NiCd батареи составляет 113%; внутреннее сопротивление 155мОм. Пакет 7,2В. Рис. 4. Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3°C и результирующее время разговора [3]
Емкость NiMH-батареи составляет 94%, внутреннее сопротивление составляет 778 мОм. Пакет 7,2В. Рис. 5. Импульсы разряда GSM в точках 1, 2 и 3C с результирующим временем разговора [3]
Емкость литий-ионного аккумулятора 107%; внутреннее сопротивление 320мОм. Пакет 3,6В.

Примечания: Тесты проводились, когда первые мобильные телефоны питались от NiCd, NiMH и Li-ion.


Learn more