Внутреннее сопротивление аккумулятора на что влияет

Аккумуляторные истории. Химия и физика.

Озвучил тут на днях electronic40 идею заместить большие мощные стартеры на дизеле комбинацией маховика и небольшой электромотора. Дескать, раскручиваем маховик мотором, а дальше от маховика уже заводим двигатель. И стартер можно заменить, и аккумулятор постаить на 20-30а/ч вместо 90 а/ч.

Оставляя пока за кадром расчеты параметров подобного маховика, обратим свое внимание на аккумулятор (что собственно я и сделал). Мой тезис звучал, что в любом случае, для машины с мощными потребителями да в холодном климате емкости аккумулятора в 20-30а/ч будет мало. Ну, как-то так и пришел я к выводу упорядочить свои размышления об аккумуляторах. Сразу скажу, я не специались, так что возможно где-то и налажаю, но настоящие специалисты конечно поправят же меня в комментариях? 🙂

Поехали.
Итак, свинцовый аккумулятор. Источник ЭДС (электродвижущей силы). Каковую получает в результате химической реакции.

Хим.реакция:
«Таинство» преобразования энергии в аккумуляторе обеспечивает совокупность реагентов, среди которых есть окислитель и восстановитель, взаимодействующие через электролит. Восстановитель (губчатый свинец РЬ) имеет отрицательный заряд. Во время химической реакции он окисляется, и его электроны странствуют к окислителю, у которого положительный заряд. Окислитель (диоксид свинца РЬО2) восстанавливается, а результатом этого является электрический ток.

В качестве электролита используют жидкость, которая плохо проводит ток, но является хорошим проводником для ионов. Это водный раствор серной кислоты (H2S04). В химической реакции происходит процесс, всем известный со школьной скамьи — электролитическая диссоциация.

В процессе реакции, — положительно заряженные ионы (Н+) направляются к положительному электроду, а отрицательно заряженные ионы (SO42-) к отрицательному. Когда аккумулятор разряжается, то из восстановителя (губчатый свинец), через электролит к положительному электроду, — направляются ионы с положительным зарядом РЬ2+.

Четырехвалентные ионы свинца (РЬ4+) превращаются в двухвалентные (РЬ4+). Однако, это еще не все химические реакции. Когда ионы кислотных остатков с отрицательным зарядом (SO42-) соединяются с положительно заряженными ионами свинца (РЬ2+), то на обоих электродах образуется сульфат свинца (РЬSО4). А вот это уже плохо для аккумулятора. Сульфатация сокращает срок службы аккумулятора и постепенно накапливаясь, может привести к его разрушению. Побочным эффектом химических реакций в обычных свинцово-кислотных аккумуляторах, являются газы.

Но нас в данном случае больше интересует общая физика процесса.
Аккумулятор, по идее, источник напряжения (а не тока). Но т.к. он не идеальный источник напряжения, и его возможности ограничены скоростью химической реакции, напряжение на выходах аккумулятора падает при существенных токах. Соответственно, чем больший мы берем ток, тем сильнее падает напряжение.

Отсюда проистекает первый довод за то, что аккумулятор нельзя уменьшить до 20-30а/ч (ну или в общем случае, аккумулятор должен коррелировать с возможными токами разрядки автомобильных устройств) — при включении мощных потребителей напряжение будет просаживаться ниже уместного для их оригинальной конструкции — лампы будут мерцать, а электроника может не запуститься вообще (входное напряжение будет ниже допустимого внутренним преобразователем/стабилизатором). Грубо говоря, для аккумулятора 20-30а/ч нагрузка в виде подогрева свечей накала будет приводить к такому падению напряжения, что греться они будут существенно дольше.

Второй довод, напрямую связанный с первым — это то что разрядная кривая аккумулятора не линейна и напрямую зависит приложенного тока. Грубо говоря, все емкости аккумуляторов считают по разряду специально установленным током (например 0,1С, т.е. 1/10 от заявленной/расчетной емкости). И аккумулятор с заявленной емкостью 90а/ч при разряде током в 90А может показать емкость всего 40-50А.
Соответственно, там где аккумулятор емкостью 90А/ч при работе допустим фар на заглушенном двигателе (или магнитоле) с током 120Вт (=10А) проработает почти 9 часов до полного разряда, аккумулятор емкостью 20-30 а/ч при таком же разряде не проработает и двух часов.

На самом деле, для нас куда интереснее физика разрядно-зарядного процесса применительно к нашим климатическим условиям.

Существенно в понимании важности адекватной емкости аккумулятора то, что

1) Эффективная емкость аккумулятора при понижении температуры падает. Происходит это из-за изменения плотности электролита, и скорости химической реакции. В пределах от 0 до 35гр. плотность электролита изменяется не существенно, но вот ниже она падает, и так же печально падает и эффективная емкость аккумулятора. Приблизительно 0,1С на градус. Таким образом, емкость (при разряде, как мы указали выше током 0,1С) при -20 градусах будет меньше 60% от номинала. Но еще важнее, что разрядная кривая при больших токах еще кривее, пардон за каламбур. При таких вводных, например температура -20 и разрядный ток 1С+ (те же свечи накала) эффективная емкость аккумулятора 20-30а/ч составит всего 3-5А/ч, а это значит что даже одна процедура прогрева свечей накала почти опустошит наш аккумулятор.

2) Эффективность заряда при понижении температуры существенно падает.

Рассмотрим подробно физику этого процесса.

Так как мы выше написали, что аккумулятор сам по себе источник напряжения, то совмещение его с другим источником напряжения (генератора) вызвало бы бесконтрольный рост тока. По факту, ток, протекающий через аккумулятор в такой ситуации ограничен его внутренним сопротивлением и ЭДС.

Это важно, так как я встречал тут в дискуссиях с некоторыми тезис, что дескать на автомобилях искусственно ограничивают ток заряда аккумулятора до предписанного 0,1С, причем чуть ли не в генераторе, и поэтому установка более мощного генератора = смерть аккумулятора

Рассмотрим эту формулу.
Uзар (напряжение заряда, например от генератора) = Iзар*R(ак) + Е (эдс аккумулятора).
Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора — это сопротивление всех его составных частей, сумма сопротивления поляризации и омического сопротивления. Омическое сопротивление присутствует всегда, сопротивление поляризации изменяется при заряде эквивалентной емкости поляризации.

Что происходит с нашим Е. При подключении источника напряжения с большим напряжением чем наше напряжение ЭДС, начинается заряд. Изначально ток подкакивает на величину определенную только омическим сопротивлением.
Именно поэтому, кстати, когда мы заводим машину, напряжение на клеммах аккумулятора может не достигать величины напряжения на генераторе.
Итак, на первой стадии, напряжение на выводах каждой ячейки подскакивает, но незначительно (до 2.1-2.2в)

Если мы отключим генератор спустя несколько минут после подключения, мы увидим на клеммах напряжение 13.2, даже если аккумулятор был разряжен. Но это напряжение будет стремительно падать (исключаем влияние омических потерь)

Как только у нас электролит около электродов стабилизировался по концентрации собственно начинается процесс восстановления активной массы (вторая стадия), с сокращением сульфатации и ростом плотности электролита. Как только вся доступная масса будет восстановлена, напряжение на ячейке достигнет 2.3в. Если мы отключим генератор в этот момент, то увидим напряжение 13,8, которое будет падать (но менее стремительно) вплоть до 12.6

Третья стадия заключается в начале газообразования в электролите, и может достигать вплоть до 2,7в на элементе, если такое напряжение дает входной источник.

На четвертой стадии напряжение больше не растет, идет "кипение электролита"
На этом этапе происходит окончательное восстановление глубинных слоев активной массы и электрическое разложение сульфата свинца.

Вот, кстати откуда взялся полумиф, что на автомобиле никогда невозможно зарядить аккумулятор полностью. Напряжение генератора ограничено 14,2-14,6, а для этой стадии нужно 2,7*6=16,2вольта

Почему это полумиф — потому что исправный, несульфатированный аккумулятор по сути заряжен уже к завершению второй стадии. Третья стадия и четвертая стадия нужна, если аккумулятор уже засульфатировался, т.е. либо сильно разряжался и долго стоял в таком виде, либо просто уже "много отходил".

Возвращаемся к нашей формуле. Преобразуя ее, мы получим, что ток заряда, который через себя будет пропускать наш аккумулятор = (Uген — Еакк)/Rвн.
Вот наш естественный ограничитель тока при зарядке от автомобильного генератора. Соответственно, как только ЭДС приближается к напряжению генератора, ток заряда стремится к нулю, ибо 0/Х = 0.

Теперь давайте посмотрим процессы, которые происходят при зарядке на морозе.
Как известно, мороз существенно меняет внутреннее сопротивление аккумулятора. Оно растет. Соответственно, холодный аккумулятор, как говорится, "не принимает ток". Повысить ток можно только повышением напряжения источника (поэтому некоторые генераторы могут менять напряжение в зависимости от температуры).

Кроме того, как известно, чем больше аккумулятор, чем больше у него площадь пластин, тем меньше у него внутреннее сопротивление.
Соответственно, большой аккумулятор на морозе будет принимать больший ток, чем маленький.

Правда, тут есть нюанс, который мы раскроем чуть ниже, связанный с массой.

Итак, у нас есть разряженный аккумулятор с маленькой внутренней ЭДС (например 1.9в на ячейку).
По нашей формуле, 14,2-11,4 делим на Х — сопротивление. Возьмем допустим для нашего аккумулятора значение сопротивления 0,1Ом. В таком случае, ток заряда при подключении генератора составит 28А
Очень быстро, мы перейдем к первой стадии, и как вы помните, напряжение нашего аккумулятора вырастет до 2,2*6=13,2
(14,2-13,2)/0,1 = 10А. Так наш аккумулятор сам ограничивает ток, который он принимает.
Соответственно, аккумулятор меньшего размера за счет большего R ограничит ток сильнее, большего размера — слабее.
Ну и после окончания второй стадии, наше напряжение достигнет 2,3*6= 13,8, 13,9, и ток упадет до 3А, с дальнейшим постепенным сокращением. Все.

Но возвращаясь к предмету дискуссии, аккумулятор на 20-30а/ч будет принимать меньший ток, и значит в абсолютных величинах наберет заряда меньше, чем аккумулятор большей емкости, там где большой аккумулятор наберет (при избытке тока от генератора) 10-20-30А, маленький наберет 5-8А. А потребители как жрали свои 40А+, так и будут жрать дальше.

Возвращаясь же к зиме, и к отказу аккумулятора от питания (в карцер его!), мы получаем интересный эффект, что чтобы процесс заряда худо бедно пошел, надо чтобы наш аккумулятор разогрелся. Разогреться он может только по двум причинам — теплый двигатель рядом и внутренний разогрев от химических реакция и протекания тока. Вот кстати еще одна причина, почему бензинкам лучше живется зимой — они быстрее прогревают аккумулятор. И вот, пожалуй, единственное достоинство маленького аккумулятора — ему проще прогреться.
Пока аккумулятор не прогрет, тока он принимает с гулькин нос, и идет через него тока мало, и на реакцию уходит не весь, а часть на тепловыделение (т.к. химическая реакция не идеальная).

Кстати, если убрать двигатель с его теплом, то цифры для разогрева аккумулятора получаются просто космические.
Допустим у нас аккумулятор массой 19кг (90-100а/ч)
Электроемкость свинца, насколько я помню, 125дж на кг/градус.
Упрощенно считаем что свинца там 15кг, игнорируем электролит.И весь ток идет на разогрев.
Даже при таких допущениях получаем, что чтобы прогреть наш аккумулятор от -20 до 0гр нужно 20*125*15=37кВт(Карл!). Это, при напряжении 14.6в — 2534А, это 20 часов работы 120А генератора, и это мы не учли то что холод вокруг будет забирать большую часть этого тепла.

Я нигде не ошибся?

Кстати, если мы посмотрим вот эту работу www.denisov-vinskiy.ru/en…at-of-internal-combustio/ мы увидим что даже двигатель выделяет тепла не так уж много, и с учетом взаиморасположения аккумулятора и двигателя, время прогрева аккумулятора от -20 до 0 градусов может достигать часа или двух.

Собственно вот почему, рваные короткие поездки приводят к умершим, разряженным, замороженным аккумуляторам.

Но праздник продолжается. Все мы знаем, как приятно уместить свое толстое или худое седалище в теплое кресло, положить руки на теплый руль, согреть ноги теплым потоком воздуха с ТЭН, включить теплую, ламповую музыку и теплый яркий свет фар.
Для энергосистемы машины это оборачивается достижением предела тока, отдаваемого генератором. Дальше реле-регулятор ограничивает ток, и питание берется, в том числе с аккумулятора (вместо того, чтобы заряжать его, ага)
Да, господа это жопа, особенно учитывая, что при холостых оборотах двигателя генератор вырабатывает 40-50% от своего номинала. Косвенно, если мы видим что у нас напряжение ушло ниже 14В, это значит что у нас либо не исправно реле-регулятор напряжения (и опять же аккумулятор недополучает заряда, ведь мы помним на что влияет напряжение генератора), либо аккумулятор уже не заряжается. Если же напряжение ушло ниже 13В, то аккумулятор уже активно отдает свое добро на общее дело.

Тут, кстати, вспомним и вопрос окисления выводов батареи.
Посмотрим, как в нашем примере повлияет на ток заряда аккумулятора окисленные контакты, добавляющие 0,2Ом сопротивления.
14,6-13,2 (вторая стадия)/0,1+0,2 = Всего 5А, вместо 10А.
Зимой это сопротивление влияет меньше, на фоне роста внутреннего сопротивления самого аккумулятора, но тем не менее, гадит.

Итак, подитожим.
Маленький аккумулятор 20-30а/ч не в состоянии эффективно работать в условиях климатического пояса россии и крупных потребителях дизельной большой машины, даже если снять с него задачу прокрутки мощного стартера.
1)Он будет быстро разряжаться на типовых задачах прогрева свечей, работы отопителя, световых приборах.
2)Он будет быстрее деградировать из-за больших токов разряда длительное время и частого разряда ниже 50% емкости
3)Он будет хуже заряжаться зимой, и не в состоянии поддерживать энергосистему в моменты пиковых нагрузок.
4)Вероятность того что в сильный мороз он замерзнет и лопнет/поломает пластины из-за переразряда и низкой плотности электролита в разы выше чем у аккумулятора большей емкости.

Считаю свои тезисы, electronic40 , обоснованными и подтвержденными теорией и расчетами.

Попутно мы объяснили несколько мифов. Соберем их еще раз:

1) Нельзя ставить на машину аккумулятор большей емкости чем по ТТХ, генератор умрет!
Нет, генератор не умрет, просто увеличится время заряда в случае длительного разряда. То что вырастут стартовые зарядные токи может повлиять только в переходные моменты заводки автомобиля на сильно разряженном аккумуляторе и то, реле-регулятор ограничит отдаваемый генератором ток.
2) Нельзя ставить на машину аккумулятор меньшей емкости чем по ТТХ, аккумулятор умрет от перезаряда (большого тока заряда).
Нет, аккумулятор не умрет, его большее внутреннее сопротивление естественным образом ограничит ток заряда (от источника напряжения, такого как генератор). Но если аккумулятор сильно меньше, то он быстрее износится в силы вышеописанных причин, особенно в холода.
3) Аккумулятор на машине всегда заряжен не больше чем 70%
Нет, новый, не лежалый аккумулятор, который не подвергается существенному разряду будет заряжен даже автомобильным генератором полностью, т.к. на нем практически нет "застарелой" сульфатированной массы, которую "разбивают" третьей и четвертой стадией.

Еще один полумиф касается параллельного объединения аккумуляторов в одной энергосистеме.

С чем это связано — как мы писали выше, у них разное внутреннее сопротивление. В случае заведенной машины и заряда это роли не играет, каждый сам ограничит ток через себя до разумной величины своим собственным сопротивлением.
В случае заводки — тоже, каждый отдаст столько ампер, сколько выдержит проводка и позволит внутреннее сопротивление.
Вопрос возникает в момент хранения во дворе/гараже. Т.к. у них разное внутреннее сопротивление, то тот аккумулятор у которого внутреннее сопротивление больше, а напряжение ЭДС ниже, будет, если я ничего не путаю, выступать потребителем от второго аккумулятора, потребляя от него ток, пока напряжение ЭДС не уравняется. По идее, при равестве ЭДС двух источников напряжения, тока между ними не будет. Но если какой-то аккумулятор имеет повышенный ток саморазряда, он будет постоянно сосать ток со второго аккумулятора. Т.е., вообще, при коротких сроках простоя и приблизительно исправных аккумуляторах, я не вижу причины, по которой нужно избегать схемы объединения аккумуляторов параллельно. Однако, возможно разное внутреннее сопротивление будет порождать постоянный процесс "заряда/разряда" друг друга, и это вызовет дополнительные потери?

Надеюсь было интересно и понятно, подтверждаем это лайками.
Так же вы можете посмотреть другие записи:

И подписаться или даже репостить. Все материалы собственного изготовления, не копи-пасты

Или написать комментарии, которые дополняют или поправляют меня.

За рулем не бухаем, дома не сидим.
Присылаем мне лаек, овчарок, бульдогов и прочих )

Внутреннее сопротивление аккумулятора. Особенности

Одна из важнейших характеристик, определяющих состояние любого накопительного элемента – внутреннее сопротивление аккумулятора. От этого показателя зависит не только эффективность работы современных АКБ; в определенной мере он влияет и на продолжительность эксплуатации (на срок службы изделия).

Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора

Накопительный прибор, аккумулирующий электрическую энергию, по своей сути – это источник постоянного тока. Любые устройства этого класса в соответствие с принципом их действия обладают внутренним сопротивлением, оказываемым потоку заряженных частиц. Эта характеристика внешне проявляется в том, что при работе аккумулятора на нагрузку напряжение на его клеммах будет иметь меньшее значение, чем в отключенном от потребителя состоянии. Это объясняется тем, что проходящий по замкнутой цепи нагрузочный ток приводит к падению потенциала на его внутренних элементах.

Снижение напряжения на клеммах АКБ после подсоединения к ним нагрузки (например, стартера) – прямое свидетельство того, что внутреннее сопротивление аккумулятора отлично от нуля. Практический опыт эксплуатации батарей полностью подтверждает этот вывод. Так, при измерении напряжения на клеммах заряженного АКБ в режиме холостого хода фиксируется показание порядка 13 В.

После подключения к ним любой нагрузки это значение понизится до определенного уровня, определяемого силой тока в рабочей цепи (например, до 12.3 В). Это значит, что недостающие 0,7 В «упали» на каком-то сопротивлении, имеющемся в замкнутой цепи кроме нагрузки. А ничего другого в ней, помимо внутреннего сопротивления АКБ нет.

Тот же результат получается при измерении тока в цепи с подключенным потребителем и последующем сравнении показания с расчетным значением. Так, например, при напряжении на контактных клеммах порядка 13 В ток в цепи с нагрузкой 1 Ом должен быть равен 13-ти Амперам. В действительности же он окажется несколько меньше расчетного значения, поскольку к нагрузочному импедансу добавляется внутреннее сопротивление аккумулятора.

Какое влияние оказывает этот параметр на работу АКБ

Проводимость любой электропроводящей системы, состоящей из электролита и рабочих пластин (анодных плюс катодных) зависит от множества внутренних и внешних факторов. В первую очередь она определяется тем сопротивлением, которое создается в растворе при перемещении заряженных ионов разной полярности в направлении от катода к аноду и наоборот. Свою долю в формирование этого показателя вносит и материал электродов, а также обладающие внутренним сопротивлением разделительные пластины (сепараторы).

При конструировании современных аккумуляторов внутреннее сопротивление аккумулятора стараются свести к минимуму, что позволяет снизить уровень непроизводительных потерь при эксплуатации АКБ.

Периодический контроль величины внутреннего сопротивления батарей – гарантия сохранения работоспособности источника накопленной электроэнергии. Самое низкое внутреннее сопротивление (несколько тысячных долей Ома) имеют кислотно-свинцовые АКБ, способные нагружать стартерные цепи ДВС током величиной до 2,5 кА.

Среди миниатюрных аккумуляторов, используемых для питания переносимых девайсов, самый низкий импеданс имеют Ni-Cd изделия. Этот показатель сохраняется у них в течение длительного времени (по истечении одной тысячи циклов заряда/ разряда).

Как замерить внутреннее сопротивление аккумулятора

Среди существующих способов измерения исследуемого параметра чаще всего применяются следующие методики:

1. Определение искомого показателя по снижению напряжения на клеммах АКБ, работающего на фиксированную нагрузку (при неизменном уровне тока).
2. Измерение сопротивления по изменению тока в нагрузочной цепочке.
3. Определение того же параметра при подаче на АКБ переменного напряжения или коротких импульсов.

Третий способ («переменка» и импульсный метод) применяются очень редко, что объясняется их сложностью и низкой точностью измерения импеданса.

Для определения сопротивления АКБ по первому и второму методу потребуется вольтметр постоянного тока со шкалой до 24 В и амперметр, рассчитанный на токи до 100-200 Ампер. При проведении измерений один из контрольных приборов подсоединяется параллельно клеммам АКБ, а второй – в разрыв цепи.

В первом случае полученная разница напряжений до и после подключения нагрузки просто делится на величину тока, фиксируемую по шкале амперметра. Результат этой операции – это и есть искомая величина.

При втором подходе напряжение аккумулятора, которое показывает вольтметр после подключения нагрузки, делится на разницу расчетного и реального тока, фиксируемого по амперметру. В итоге получаем внутреннее сопротивление аккумулятора, рассчитанное по отклонению токовой составляющей в нагрузке от предполагаемой величины.

Вспомогательное оборудование

Для проведения измерений искомого параметра можно воспользоваться вспомогательным оборудованием, разработанным специально для этих целей. К числу промышленных приборов, позволяющих измерить и оценить внутреннее сопротивление аккумулятора автомобиля, относят:

• Нагрузочные вилки.
• Приборы для установления связи между сопротивлением и состоянием АКБ.
• Спектрометры.

С помощью комплекта нагрузочных вилок выставляется используемый при измерении токовый показатель. А специальные избирательные приборы – спектрометры – позволяют оценить разницу проводимостей при различных видах подаваемого на АКБ тока (постоянного и переменного).

Как конструкция АКБ влияет на его внутреннее сопротивление

Для автомобильных аккумуляторов правильность оценки этого параметра имеет особое значение. От того, насколько грамотно организовано и проведено его измерение во многом зависит продолжительность эксплуатации машины в условиях сложных загородных трасс (на проселочных дорогах, в частности).

Тестирование такой батареи (регулярный контроль внутреннего сопротивления) позволит своевременно обнаружить момент, когда истекает срок ее пригодности к дальнейшей эксплуатации. Перед проведением контрольных испытаний желательно ознакомиться с конструктивными элементами АКБ, влияющими на его внутреннее сопротивление.

Исследуемый показатель представляет собой сумму омической и реактивной составляющей, наличие которой объясняется емкостью аккумуляторных пластин и перегородок. Важно отметить, что влияние реактивной компоненты проявляется лишь в моменты резкого изменения тока через элементы АКБ (при подключении и отключении нагрузки, в частности).

Омическое сопротивление, обозначаемое как «R» слагается из проводимостей следующих составляющих АКБ:

• Раствор ионизированного электролита.
• Материал электродов (катода и анода).
• Контактные клеммы.
• Сепараторные перегородки.

Поскольку конструкции различных видов аккумуляторов могут в корне отличаться одни от других – их внутренние сопротивления редко бывают одинаковыми.

Различие проводимостей наблюдается и у разных элементов одного и того же образца АКБ. Сильнее всего конструктивные отличия проявляются в компонентах анодной (плюсовой) пластины аккумуляторов. Так, материал решетки типового изделия имеет омическое сопротивление, по величине в 10 тысяч раз меньшее, чем нанесенное на нее свинцовое покрытие. У минусовой пластины таких батарей (катода) разница в сопротивлениях материала и верхнего слоя практически отсутствует.

Весомое влияние на формирование общего сопротивления АКБ оказывает наличие в составе элементов легирующих добавок. При рассмотрении проводимости сепараторов особое внимание уделяется толщине и пористости материала, из которого он изготавливается. Аналогичный показатель для электролита зависит от концентрации раствора и его температуры.

Методики более точного измерения сопротивления

Измерить более точно внутреннее сопротивление аккумулятора удается с помощью специально подготовленных графиков разрядных кривых. Но этот способ отнимает слишком много времени и сил, поскольку при его реализации придется снимать множество характерных для АКБ зависимостей. На практике автолюбители чаще всего пользуются более простым методом, нуждающимся в минимальном количестве вспомогательных инструментов.

Для точного измерения искомого параметра в этом случае необходимо приготовить:

• Лампочку от фары автомобиля. или тестер.
• Сам обследуемый аккумулятор.

При проведении точных измерений допускается применять только галогенную лампу мощностью на 60 Вт, например, (светодиодная фара для этого случая не годится). Начать рабочие процедуры следует с подключения лампочки к аккумулятору и измерения напряжения на его клеммах.

Затем полученные цифры фиксируются (записываются), после чего нагрузочная лампа отключается, а напряжение на клеммах АКБ замеряется повторно. На завершающем этапе необходимо сравнить два зафиксированных показания, разница между которыми не должна превышать 0,02 В. При таком результате состояние АКБ может считаться удовлетворительным.

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.

Внутреннее сопротивление аккумулятора – от терминологии до измерения

Тема внутреннего сопротивления достаточно новая для автомобильных аккумуляторов. Раньше его можно было измерить с помощью кустарных методов, сейчас же на помощь приходят современные приборы, которые позволяют узнать данные за несколько минут. Какой бы метод вы не выбрали, эта характеристика крайне важна при покупке и эксплуатации АКБ. Поэтому сегодня мы разберем эту тему подробнее.

Что такое внутреннее сопротивление?

Это показатель, который характеризует сопротивление электрического приемника проходящему по нему зарядному или разрядному току. При этом полное внутреннее сопротивление АКБ состоит из:

• омического сопротивления — это сопротивление всех элементов АКБ: свинцовых пластин, сепаратора, электродов, сварных соединений, токовыводов и жидкого электролита.
• сопротивления поляризации, сформированного из-за изменения электрических потенциалов при движении тока.

Внутреннее сопротивление – это не статичный показатель, он отражает и время службы АКБ, и температуру, и уровень сульфатизации в аккумуляторе, а также износ отдельных элементов – клемм и контактов внутри устройства.

Так, электродвижущая сила нового аккумулятора составляет 13,5 вольт, однако из-за внутреннего сопротивления этот показатель падает до 12,7 вольт. И чем «старше» АКБ, тем большее сопротивление он будет показывать по мере эксплуатации. Также высокое сопротивление имеют новые аккумуляторы, если при их хранении или транспортировке были существенные нарушения.

Что влияет на внутреннее сопротивление АКБ?

Первый фактор – это износ составных элементов АКБ. Причем происходит это из-за регулярной эксплуатации и сульфатизации, которая уменьшает «рабочую» площадь свинцовых пластин и увеличивает сопротивление.

Второй фактор – это разряд аккумулятора, при котором сопротивление электролита и электродов возрастает. В процессе химической реакции активная масса на свинцовых решетках сокращается, что уменьшает площадь их активной поверхности. Поэтому разряженный аккумулятор имеет сопротивление в два раза больше, чем заряженный.

К третьему фактору относится прямо пропорциональная зависимость сопротивления от температуры. То есть, чем выше температура, тем выше скорость диффузии ионов в электролите. И наоборот — при низких температурах внутреннее сопротивление возрастает. Идеальная реакция в электролите происходит при 15 градусах и плотности жидкости 1,25 г/см3.

При -40 градусах электролит показывает сопротивление в 8 раз больше, чем при температуре в -30 градусов. Пластиковые сепараторы тоже не отстают – при падении температуры в 10 градусов их сопротивление увеличивается примерно в четыре раза.

И, наконец, четвертый фактор – это емкость аккумулятора. Большая емкость АКБ подразумевает бОльшую площадь свинцовых пластин и объем электролита, а значит сопротивление в них будет меньше.

Но стоит забывать про небольшие АКБ, в которых токоотводы изготовлены по технологии экспандинга. Такие модели обладают меньшей емкостью и весом, но рабочая поверхность пластин у них больше. А значит и параметры токопроводимости лучше.

Как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора?

Показатели аккумулятора снимаются только в плюсовые температуры, оптимальный вариант 20-25 градусов тепла. Для измерения внутреннего сопротивления вам понадобятся мультиметр и элемент для нагрузки (гальваническая лампочка, электроинструмент, и.т.д)

1. Подключаем к АКБ элемент для нагрузки на 10 секунд;
2. Записываем полученный показатель напряжения на клеммах;
3. Отключаем элемент нагрузки;
4. Через пять минут снова записываем стабилизированный показатель напряжения;
5. Производим вычисления по формуле: R=U/I, где U – разница между показателями напряжения, I – сила тока в цепи.

Например, если вы подключите к аккумулятору лампочку 60 Вт, то сила тока в цепи составит 5А. Значит, внутреннее сопротивление – это разница напряжения между двумя замерами, деленная на пять и умноженная на 100 (для перевода в мОм).

Граничные показатели внутреннего сопротивления для новых аккумуляторов:

• Модели 60Ач – 4-7мОм;
• Модели 75Ач – 3-7мОм;
• Модели 80Ач – 3-6мОм;
• Модели 90Ач – 3-6мОм.

Граничные показатели внутреннего сопротивления для эксплуатируемых аккумуляторов (не менее пяти лет):

• Модели 60Ач – 6-13мОм;
• Модели 75Ач – 5-13мОм;
• Модели 80Ач – 5-12мОм;
• Модели 90Ач – 5-12мОм.

Отдельно отметим аккумуляторы AGM и EFB. Для новых AGM моделей 60Ач нормальное сопротивление находится в границах от 3 до 4 мОм, причем этот показатель может держаться очень долго за счет специфического состояния электролита. Для EFB аккумуляторов версии 60Ач нормальное сопротивление – 4-5мОм.