Импеданс в аккумуляторе что это
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
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 — как измерить
Внутреннее сопротивление аккумулятора – один из параметров аккумулятора, которые необходимо регулярно контролировать. Это позволит продлить срок службы АКБ, обеспечит бесперебойный запуск двигателя независимо от климатических условий. На показатель влияет множество факторов. Узнать внутренне сопротивление можно самостоятельно, используя один из доступных способов.
Внутреннее сопротивление — это физический термин, объединяющий омическое сопротивление и сопротивление поляризации.
Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора
Внутреннее сопротивление – физический термин, объединяющий омическое сопротивление и сопротивление поляризации. Например, если нормальное напряжение нового аккумулятора 13 В, то если его подключить к устройству с сопротивлением 1 Ом, оно упадёт до 12,2 А. Такое положение дел противоречит закону Ома, согласно которому должно получаться 13 А. Связано это с тем, что не только поданная нагрузка, но и сам аккумулятор имеет сопротивление. Реакция, в результате которой генерируется электроэнергия, осуществляется с некоторым затормаживанием.
Падение силы тока происходит также в результате процессов, происходящих внутри аккумулятора. Также существуют другие факторы, негативно влияющие на силу тока, генерируемую АКБ.
Проводимость никогда не бывает постоянной, значение меняется в зависимости от текущего состояния аккумуляторной батареи, других факторов.
Нормальное внутреннее сопротивление
Как показывает расчет внутреннего сопротивления батареи, не существует эталонного значения. Для исправного аккумулятора легкового автомобиля, который находится в неизношенном состоянии, нормальный показатель должен быть в пределах 4-6 мОм.
От чего зависит параметр
Внутреннее сопротивление динамично, находится под влиянием таких параметров: ёмкость батареи, ток, нагрузка, текущий уровень заряда, температура электролита внутри банок. Чем больше ток нагрузки, тем меньше параметр. Аналогичная ситуация и с ёмкостью. Чем она выше, тем ниже внутреннее сопротивление АКБ.
Кривая внутреннего сопротивления АКБ.
Как определить внутреннее сопротивление
Чтобы проверить параметр, существуют специальные приборы. С их помощь можно определить:
Любой их приборов, способов измерения позволит определить качественное состояние автомобильного аккумулятора, при этом нельзя говорить о количественных параметрах, так как метод не позволяет установить, сколько ещё способен проработать аккумулятор.
Измерять показатели аккумулятора мультиметром рекомендуется регулярно. Таким образом, покупка новой батареи станет плановой, а не экстренной. По статистике, с каждым годом внутреннее сопротивление повышается на 5%. Если динамика составляет более 8%, значит АКБ неправильно эксплуатируется, водителю придётся искать причину, что создаёт повышенную нагрузку.
Показатель проводимости аккумулятора рассчитывают с учетом ЭДС, тока, нагрузки. Величина будет меняться в зависимости от следующих исходных:
Особенное влияние на импеданс оказывают параметры электролита: состав, плотность, температура в банках. Внутреннее сопротивление зависит от типа аккумулятора. У кислотно-свинцовых минимальный показатель сопротивления, сила тока не превышает 2,5 кА, что достаточно для нормально пуска двигателя.
Лучше всех – NiCd АКБ. Они способны сохранять высокое внутреннее сопротивление даже после 1000 циклов зарядки-разрядки.
У NiMH импеданс изначально выше, начинает ещё увеличиваться примерно после 350 зарядно-разрядных циклов.
Характеристики Li-ion аккумулятора находятся посередине между NiMH и NiCd источниками питания. В процессе эксплуатации сопротивление не увеличивается. При этом лет Li-ion-батареи полностью деградируют, если ими не пользоваться в течение 2-3 лет.
Для замера внутреннего сопротивления аккумулятора в домашних условиях используется несколько способов.
Подача переменного тока
Самый простой, но занимающий много времени, метод, требующий следующего оборудования:
Использование цифрового вольтметра вместо аналогового резко увеличивает точность измерений.
Метод является простым, при этом недостаточно точным, так как существуют факторы, не позволяющие гарантировать правильность оценки внутреннего сопротивления.
Значения при измерениях учитывает частоту, включают активные и реактивные параметры. Влияние на точность снимаемых показателей оказывает особенность химической реакции, протекающей в банках аккумуляторной батареи.
Метод постоянной нагрузки
Наиболее распространённый способ. Бытовые потребители применяют его чаще, чем метод подачи переменного тока. Подключив оборудование, в течение нескольких секунд происходит разрядка под нагрузкой. Показатели внутреннего напряжения вначале и в конце процедуры фиксируются с помощью вольтметра. Полученные данные оцениваются, согласно закону Ома.
Данный метод не подходит для старых батарей, не позволит реально оценить текущее техническое состояние.
Короткоимпульсный способ
Относительно новый метод, предлагающий водителю преимущества:
Как сделать замеры
Для точного измерения необходимо использовать графики разрядных кривых. Но данный способ не подходит обычному водителю, у которого нет специального оборудования. Как правило, в быту используется фара из лампы, например, галогенка на 60 Вт и тестер. Рекомендуется использовать цифровой вольтметр, только он позволит точно зафиксировать показатели. Ни в коем случае не стоит использовать светодиодную лампу. Низкое энергопотребление не позволит оценить скачок в бортовой сети. Лампа и мультиметр последовательно подключаются к батарее, показания записываются.
Разрядная кривая свинцового аккумулятора.
После отключения нагрузки проводятся повторные замеры, полученные данные сопоставляются. Если разница не превышает 0,02 В, источник питания находится в хорошем состоянии — импеданс не больше 0,01 Ом.
Особенности измерения для автомобильной АКБ
У водителей нет однозначного мнения, как лучше измерять внутреннее сопротивление аккумулятора. Некоторые предпочитают делать это на станции технического обслуживания. Другие не хотят тратить время на сервис, зная, что дома, в гараже процедура займёт несколько минут.
Эксперты советуют учитывать несколько нюансов:
Внутреннее сопротивление – важный параметр. Если замерять его регулярно, можно избежать проблем с запуском автомобиля, электроприборами, проводкой.
Внутреннее сопротивление АКБ — что это и как измеряется
При помощи внутреннего сопротивления и ряда других технических характеристик удаётся долго время поддерживать автомобильную АКБ в работоспособном состоянии. Это один из важнейших критериев, которые оценивают при контроле её состояния. Посмотрим детальнее, что он представляет собой, как его рассчитывать и проводить замеры.
Внутреннее сопротивление аккумулятора — что это
Данный технический показатель не настолько прост для объяснения, поэтому начать лучше на доступных примерах и ситуациях. Скажем, когда приобретается новая батарея, то у неё напряжение будет равно 13 В. Каждый подключенный потребитель тока обладает собственным сопротивлением, а, стало быть, потенциал батареи будет постоянно меньше максимального значения.
Измерение напряжения на аккумуляторе с помощью мультиметра
Это идёт в разрез с общеизвестной формулой, которая говорит нам, что:
Сила тока = напряжение / сопротивление.
Оказывается, что уменьшение силы тока происходит не только после подключения к АКБ внешних потребителей. Благодаря процессам, происходящим внутри аккумулятора, он и сам теряет свои максимальные характеристики.
Нормальные показатели
Норма внутреннего сопротивления автомобильной батареи должна быть на уровне 5 миллиОм. На этот показатель следует ориентироваться, хотя стандартных значений не существует, которые бы считались образцовыми. В любом случае, если батарея уже использовалась, но ещё не изношена, то показатель должен быть в пределах от 4 до 6 миллиОм.
Значительное влияние на общую потерю физических качеств АКБ влияет показатель, возникающий в рабочей жидкости, которой выступает электролит. Он зависит, в свою очередь, от окружающей температуры и его концентрации. С уменьшением температуры жидкости либо при увеличении плотности растёт показатель потери тока.
Ёмкость АКБ в той же степени связана с внутренним её сопротивлением, и зная этот параметр, можно сделать вывод относительно ёмкости аккумулятора. Например, если он снизился в 2 раза, то эксперты делают вывод: батарея потеряла в ёмкости до 50%. При этих замерах определяется способность её давать для нагрузки высокий пусковой ток. Это обратная зависимость: чем оно будет меньше, тем большим будет пиковый ток и мощность. Повышенное сопротивление вызывает резкое падение напряжения на выводах аккумулятора. Даже если он будет сравнительно новым, то не сможет выдать для нагрузки хороший пиковый ток.
Измерение ёмкости аккумулятора автомобиля
В процессе общего контроля за потерей тока батареей анализируется этот показатель для разных её составляющих: выводов, электролита, контактов и пр. Если их значение отличается более чем на 10% от усреднённого показателя, то их необходимо зарядить отдельно, а если это не принесёт успеха, то заменить новыми. В то же время обычный пользователь не владеет специальным оборудованием, требуемым для оценки данного критерия. Наиболее объективным методов проведения такого замера является контрольный заряд на 10 или 20 часов, а дальше сравнение с контрольными данными напряжения и разрядного тока.
Одним словом, понятие внутреннего сопротивления является величиной условной и его значение постоянно изменяется под воздействием эксплуатационных факторов. Поэтому, когда хотят получить максимально точные расчёты, за основу берут не величину внутреннего сопротивления, а разрядные кривые.
Показатели трудно привести к универсальным, потому что материалы, используемые в конструкциях, тоже отличаются, а, соответственно, будут отличаться и их характеристики. От этого зависит сопротивление автомобильных АКБ, как и другие параметры их эксплуатации. Наибольшую разницу можно обнаружить на плюсовой свинцовой решётке, тогда как на «минусе» она будет практически неощутима.
То же самое касается технологии, по которой были произведены электроды. Это может быть присутствие легирующих элементов, материалы контактов, конструкции и т. д. С другой стороны, толщина и пористость материала будут воздействовать на величину R сепараторов. А вот у электролита показатель потерь зависит от его концентрации и температурных условий.
Дотошные автолюбители всё время гадают, а какое должно быть сопротивление у свинцово-кислотных батарей, чтобы считать его нормальным? Оказывается, по этому поводу существуют отдельные рекомендации:
Как проверить внутреннее сопротивление аккумулятора
Одним из важнейших эксплуатационных критериев является контроль внутреннего сопротивления батареи. Ранее наукой уже были разработаны приборы-измерители, помогающие контролировать связь между ёмкостью изделия и внутренними потерями пикового тока.
Оценка производится по следующим факторам:
Однако такими путями можно определить качественное состояние аккумулятора, но отнюдь не его количественные показатели. Одно лишь внутреннее сопротивление не даёт полного ответа на то, сколько часов способна прослужить батарея в нынешнем состоянии, да ещё и под нагрузкой. Для того чтобы иметь сведения о состоянии устройства, лучше приобрести тестер внутреннего сопротивления и производить регулярно замеры. Ежегодно сопротивление внутри самого АКБ возрастает на 5%. Если этот показатель превышает 5%, то необходимо обратить внимание на нагрузку и условия эксплуатации.
Посмотрим, какими способами можно измерить внутреннее сопротивление аккумулятора:
Зависимость состояния аккумулятора от внутреннего сопротивления
Необходимо не только уметь делать контрольные замеры, но и понимать, как могут быть взаимосвязаны эти процессы внутри батареи с её общим эксплуатационным состоянием. Лучше всего пользоваться для выполнения разнообразных замеров промышленным оборудованием, а не тем, что собрано кустарным способом. Только так можно собрать полноценные данные о характеристиках аккумулятора и перспективах его работоспособности.
Итак, какие же устройства помогут нам распознать внутреннее сопротивление:
Несмотря на различный принцип работы, все эти приспособления служат одному и тому же: они устанавливают потери тока, который вырабатывает тот или иной аккумулятор для транспортного средства. Для этого берутся во внимание разные показатели: длительность заряда и разряда, ёмкость и прочее. Регулярное измерение этого значения позволит нам продлить срок службы АКБ без необходимости её замены.
Само понятие сопротивления в физике принято обозначать латинской литерой R. В автомобильной батарее это сумма двух таких сопротивлений, как омическое и эффект поляризации. Первое включает в себя целый комплект сопротивлений, которые можно на обнаружить на банках батареи, на соединениях и контактах, в электролите и на электродах.
На точность замеров внутреннего сопротивления в батарее автомобиля влияют условия эксплуатации, температура воздуха, нагрузка, величина текущего заряда. Если нет под рукой профессиональных приборов, то можно последовательно подключить галогеновую лампочку и тестер. Это делают под нагрузкой и без, а потом записывают то значение, которое окажется выше. Разница не должна превышать 0,01 Ом, чтоб можно было судить о хорошем состоянии аккумулятора.
Для тех, кто не желает проводить подобные расчёты самостоятельно, можно обратиться на ближайшее СТО и произвести замеры, а также запросить заключение опытного автоэлектрика. Если у вас был подобный или другой опыт оценки автомобильной аккумуляторной батареи, смело можете им поделиться в комментариях ниже. До новых встреч!