Вимірюємо внутрішній опір акумулятора. Що таке внутрішній опір акумулятора і навіщо він використовується? Чим зумовлений внутрішній опір батареї

Якщо взяти новенький літій-іонний акумулятор, допустимо типорозміру 18650, що володіє номінальною ємністю в 2500mAh, довести його напругу рівно до 3,7 вольт, а потім підключити до активного навантаження у вигляді 10-ватного резистора струм ми очікуємо виміряти через цей резистор?

Що там буде в перший момент часу, поки акумулятор практично не почав розряджатися? Відповідно до закону Ома, начебто, має бути 3,7А, оскільки i=U/R=3,7/1 = 3,7[А]. Насправді ж струм виявиться трохи меншим, а саме — в районі I=3,6А. Чому так станеться?

Причина в тому, що не тільки резистор, але і сам акумулятор має якийсь внутрішнім опоромоскільки хімічні процеси всередині нього не можуть протікати миттєво. Якщо уявити акумулятор у вигляді реального двополюсника, то 3,7В — це буде його ЕРС, крім якої тут буде присутній ще й внутрішній опір r, рівний, для нашого прикладу, приблизно 0,028Ом.

Дійсно, якщо виміряти напругу на приєднаному до акумулятора резисторі величиною R=1Ом, воно виявиться рівним приблизно 3,6В, а 0,1В впаде на внутрішньому опорі r акумулятора. Значить, якщо резистор має опір в 1 Ом, напруга, виміряна на ньому, склала 3,6, отже струм через резистор дорівнює I=3,6А. Тоді, якщо u=0,1В довелося на акумулятор, а ланцюг у нас замкнутий, послідовний, - значить і через акумулятор струм становить I=3,6А, отже, згідно із законом Ома, його внутрішній опір дорівнюватиме r=u/I= 0,1 / 3,6 = 0,0277 Ом.

Від чого залежить внутрішній опір акумулятора

Насправді внутрішній опір в акумуляторів різного типу не є постійною величиною. Воно динамічно, і залежить від кількох параметрів: від струму навантаження, від ємності акумулятора, від ступеня зарядженості акумулятора, а також від температури електроліту всередині акумулятора.

Чим більший струм навантаження - тим менше, як правило, внутрішній опір акумулятора, оскільки процеси перенесення заряду всередині електроліту йдуть в цьому випадку інтенсивніше, іонів у процесі бере участь більше, іони активніше рухаються в електроліті від електрода - до електрода. Якщо ж навантаження порівняно мала, то й інтенсивність хімічних процесів на електродах і в електроліті акумулятора теж буде меншою, і отже внутрішній опір здасться великим.

У акумуляторів більшої ємності - площа електродів більша, а значить і площа взаємодії електродів з електролітом - більша. Отже більше іонів беруть участь у процесі перенесення заряду, більше іонів створюють струм. Схожий принцип демонструється — чим більша ємність — тим більше заряду можна використовувати на околиці даної напруги. Отже, що вища ємність акумулятора — то менше внутрішнє опір.

Тепер поговоримо про температуру. Кожен акумулятор має свій безпечний робочий діапазон температур, всередині якого справедливо наступне. Чим вище температура акумулятора - тим з більшою швидкістю відбувається дифузія іонів усередині електроліту, отже при вищій робочій температурі внутрішній опір акумулятора буде нижчим.

Перші літієві акумулятори, які не мали захисту від перегріву, навіть вибухали через це, оскільки кисень, що утворювався через швидкий розпад анода (в результаті швидкої реакції на ньому), виділявся надто активно. Так чи інакше, для акумуляторів характерна майже лінійна залежність внутрішнього опору від температури діапазону прийнятних робочих температур.

З розрядом акумулятора, його активна ємність зменшується, оскільки кількість активної речовини пластин, що ще можуть взяти участь у створенні струму, стає дедалі менше. Тому й струм стає дедалі менше, відповідно внутрішній опір зростає. Чим більше заряджений акумулятор — тим меншим є його внутрішній опір. Значить, у міру розряду акумулятора, його внутрішній опір стає більшим.

Що таке внутрішній опір акумулятора і навіщо він використовується?

Повний опір свинцево-кислотного акумулятора – це сума таких величин, як опір поляризації та омічний опір. Омічне опір є сумою опорів сепараторів АКБ, електродів, позитивного та негативного висновків, з'єднань між елементами та електроліту.

На опір електродів впливає їх конструкція, пористість, геометрія, конструкція ґрат, стан активної речовини, наявність легуючих компонентів, якість електричного контакту ґрат та обмазки. Величини опору ґрат негативних електродів і губчастого свинцю (Pb) на них приблизно однакові. У той же час опір перекису свинцю (PbO2), який нанесений на ґрати позитивного електрода, більший у 10 тисяч разів.

У процесі розряду свинцево-кислотного акумулятора на поверхні електродів виділяється сульфат свинцю (PbSO4). Це поганий провідник, який суттєво збільшує опір електродних пластин. Крім того, сульфат свинцю відкладається в порах обмазування пластин і суттєво зменшує дифузію сірчаної кислоти з електроліту в них. В результаті до кінця циклу розряду свинцево-кислотного акумулятора опір зростає в 2-3 рази. У процесі зарядки йде розчинення сульфату свинцю і опір АКБ повертається до початкової величини.

Істотний вплив на опір свинцево-кислотного акумулятора має величина опору електроліту. Ця величина, у свою чергу, сильно залежить від концентрації та температури електроліту. При зменшенні температури опір електроліту зростає і досягає нескінченності при його замерзанні.

При щільності електроліту 1,225 гр/см3 та температурі +15 С він має мінімальне значення опору. При зменшенні або збільшенні щільності опір збільшується, а значить, зростає внутрішній опір акумулятора.

Опір сепараторів змінюється в залежності від зміни їх товщини та пористості.Величина струму, що протікає через акумулятор, впливає на опір поляризації. Пару слів про поляризацію, і причини, з яких вона виникає. Перша причина полягає в тому, що в електроліті та на поверхні електродів (подвійний електричний шар) змінюються електродні потенціали. Друга причина в тому, що при проходженні струму концентрація електроліту змінюється в безпосередній близькості від електродів. Це призводить до зміни електродних потенціалів. Коли ланцюг розмикається і струм зникає, електродні потенціали повертаються до початкових значень.

До особливостей свинцево-кислотних акумуляторів варто віднести невеликий внутрішній опір, порівняно з іншими типами акумуляторних батарей. Завдяки цьому вони можуть за короткий час віддавати великий струм (до 2 тисяч ампер). Тому їх основна сфера застосування – стартерні акумуляторні батареї на автомобілях з двигунами внутрішнього згоряння.

Варто також відзначити, що внутрішній опір АКБ при змінному або постійному струмі залежить від його частоти. Є низка досліджень, автори яких спостерігали внутрішній опір свинцево-кислотного акумулятора при частоті струму кілька сотень герц.

Як можна оцінити внутрішній опір АКБ?

Як приклад можна розглянути автомобільний свинцево-кислотний акумулятор ємністю 55 Ач, що має номінальну напругу 12 вольт. Повністю заряджений акумулятор має напругу 12,6-12,9 вольта. Припустимо, що до АКБ підключити резистор із опором 1 Ом. Нехай напруга розімкнутого акумулятора 12,9 вольта. Тоді струм теоретично має бути 12,9 В/1 Ом = 12,9 ампера. Але насправді він буде нижчим за 12,5 вольта. Чому це відбувається? Це тим, що у електроліті швидкість дифузії іонів перестав бути нескінченно великий.

На зображенні акумуляторна батарея представлена ​​у вигляді 2-полюсного джерела живлення. Він має електрорушійну силу (ЕРС), яка відповідає напрузі розімкнутого ланцюга, і внутрішній опір. На схемі вони позначені E та Rвн. Коли ланцюг замикається, то ЕРС батареї частково падає на резисторі, а також на власне внутрішній опір. Тобто те, що відбувається в ланцюгу, можна описати наступною формулою.

E = (R + Rвн) * I.

На зображеннях нижче можна переглянути значення ЕРС автомобільного акумулятора в розімкнутому ланцюгу та напруги при підключенні навантаження у вигляді двох автомобільних лампочок, з'єднаних паралельно.

Як мовилося раніше, внутрішній опір АКБ є умовної величиною. Свинцево-кислотний акумулятор є нелінійним пристроєм, внутрішній опір якого змінюється в залежності від температури, величини навантаження, ступеня зарядженості, концентрації електроліту та інших перерахованих параметрів. Тож проведення точних розрахунків акумулятора використовуються розрядні криві, а чи не величина внутрішнього опору.

При цьому в розрахунках електричних кіл з акумуляторами величина внутрішнього опору може використовуватись. Природно, завжди величина внутрішнього опору береться з урахуванням чинників, яких вона залежить (заряд чи розряд, постійний чи змінний струм, частота струму тощо. п.).

Отже, виходячи з вище формули, можна обчислити внутрішній опір АКБ з ЕРС 12,6 вольта при розряді постійним струмом 2 ампера.

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

До речі, деякі зарядні пристрої дозволяють вимірювати внутрішній опір батареї. Наприклад, нижче можна бачити величину внутрішнього опору зарядженого акумулятора, виміряну зарядкою SkyRC iMax B6 mini. Щоправда, невідомо, за яким принципом пристрій обчислює цю величину.

Якщо стаття виявилася корисною для вас, поширіть посилання на неї в соціальних мережах. Це допоможе розвитку сайту. Голосуйте в опитуванні нижче та оцінюйте матеріал! Виправлення та доповнення до статті залишайте у коментарях.

Внутрішнє опір акумулятора – значний параметр джерела живлення.Його постійний контроль дозволяє підтримувати акумуляторну батарею у працездатному стані. Адже надмірний розкид провокує вихід із ладу АКБ, окремих вузлів автотранспорту.

Термін експлуатації акумулятора залежить від правильності проведення перевірки. Ця процедура включає кілька етапів:

1. Огляд. Під час огляду перевіряють, у якому стані корпус, чи мікротріщини, пил, забруднення. Встановлюється стан висновків, наявність окислень на електродах, штирях. Виявлену іржу видаляють за допомогою спеціальних складів.
2. Контролює процес розряду. Для цього акумуляторну батарею розряджають, заряджають і знову розряджають. Силу струму, навантаження підтримують у потрібній межі. Контролюючи розряд, встановлюється дійсний стан електричних з'єднань, ємності АКБ. Розряд виконують після демонтажу пристрою.
3. електроліт. Під час експлуатації частина електроліту випаровується. Для встановлення рівня використовують трубочки чи спеціальні елементи. Їх занурюють в отвори до того моменту, поки вони не стикаються з пластинами. Для заповнення обсягу використовують дистильовану воду.
4. Щільність електролітичного складу. Через сульфатацію пластин частина ємності втрачається. Сірка, що виділяється, негативно позначається на ступені щільності електроліту. Щільність поступово знижується. Цей параметр враховують, якщо тестують акумуляторні кислотні батареї.
5. Використання вилки навантаження. Вимірювання напруги свинцевих джерел живлення виконується за допомогою навантажувальних вилок. За спеціальною шкалою відстежують стан акб.

Перевірка акумулятора здійснюється за допомогою тестерів. З їх допомогою встановлюють відповідність параметрів заданим нормам та вимогам.

Перед тим як перевірити опір автомобільного акумулятора, необхідно вивчити, що є цим показником.

Внутрішнє опір акумулятора розраховується за стандартною формулою. При визначенні враховується електрорушійна сила, сила струму та навантаження. В результаті виходить умовна величина, яка постійно змінюється.

Воно залежить і від:

• Габаритів та геометрії.
• Конструкції корпусу, решіток та банок.
• Стан електролітичного складу.
• Наявність легуючих речовин.
• Стан висновків.

При розрахунку опору враховується значення імпедансу, куди входить реактивна складова. Реактивна складова притаманна ємностям, котушкам. Імпеданс враховується щодо реактивного опору.

На внутрішній опір акумулятора впливає стан електроліту, його концентрації та температурного режиму. Зниження температури спричиняє зростання цього показника.

Визначаючи внутрішній опір акумулятора, враховується поляризація, яка залежить від сили струму. Виникає поляризація з таких причин:

• Зміна потенціалу поверхні висновків.
• Зміна концентрації електролітичного складу.

Мінімальні показники простежуються у кислотно-свинцевих джерелах харчування. Тому вони віддають струм у 2–2,5 тисячі амперів. Такі акумуляторні батареї встановлюють автотранспортні засоби, які укомплектовані ДВС.

Особливості вимірювання внутрішнього опору джерела живлення

Вимірювання внутрішнього опору акумулятора проводять регулярно. Такі дії дають змогу виявляти стан джерела живлення, планувати заміну. Щорічно цей показник зростає на 5–7 відсотків. У разі збільшення на 8 і більше відсотків проводять аналіз експлуатаційних умов, навантаження. Для того щоб виявити дефекти та порушення, необхідно точно знати, як виміряти внутрішній опір.

Подача змінного струму

Цей спосіб відрізняється простотою реалізації. Для цього потрібно обмежувальний резистор, трансформатор, а також конденсатор і вольтметр. Тести проводять протягом 1,5-2 годин. За цей час встановлюється величина напруги для кожного елемента, що входить до джерела живлення. Для підвищення точності результатів використовують вольтметр, що реєструє.

При вимірюванні провідності на змінному струмі набувають значення, яке включає реактивну та активну складові. Для виділення необхідного показника потрібна підготовка частотної залежності. При реалізації цієї методики виникають складнощі, пов'язані з електрохімічними процесами.

Тому визначити провідність у такий спосіб можна, якщо потрібна загальна оцінка стану акумуляторної батареї. У решті випадків підбирається інша методика тестування.

Метод постійного навантаження

Цей спосіб використовується автомобілістами та майстрами. Суть його полягає у стрімкому розряді джерела живлення при постійному струмі. За допомогою вольтметра вимірюють напругу як з навантаженням, так і без неї. Для розрахунку використовують закон Ома.

Таку методику використовують для тестування великогабаритних автомобільних акумуляторних батарей. Для вимірювання використовують високоточні прилади, які показують точне значення. Допускається застосування тестерів, до складу яких входить плівково-вугільний резистор.

Перед реалізацією цього способу враховують, що конденсатор вимірювальний агрегат не бере до уваги. Тому враховується лише активна складова джерела живлення. Для перевірки старих АКБ такий варіант не підходить. Адже встановити справжній стан є проблематичним.

Застосування цього невигідно у разі, якщо потрібно встановлення стану АКБ. Поміряти навантаження за його допомогою можна.

Короткоімпульсний спосіб

Його використовують недавно. Він має такі переваги:

• Перед вимірюванням акумуляторна автомобільна батарея не демонтується. Це позбавляє клопоту, оскільки вилучення пристрою займає чимало часу.
• Напруга знижується та підвищується на короткий термін. Тому працездатність компонентів, що входять до складу, не порушується. Для відстеження напруги використовують вольтметр.
• Під час випробування джерело живлення внутрішні компоненти не руйнуються. У цьому тестування проводять регулярно.
• За допомогою цієї методики легко визначити ємність джерела живлення. Адже з'являється можливість порівняння опорів нової та експлуатованої батарей.

Така методика застосовується встановлення величини внутрішнього опору, розрахунку струмових параметрів, коротких замикань, інших параметрів. Це необхідно для встановлення стану автомобільного акумулятора.

Залежність стану акумулятора від внутрішнього опору

Серед представлених вимірювачів та тестерів, які застосовують для оцінки стану акумуляторної батареї, її основних характеристик, легко підібрати пристрій із необхідним функціоналом. Серед використовуваних приладів виділяють:

• Пристрої оцінки стану АКБ по напрузі. При цьому встановлюється певне навантаження. Для цих цілей використовують вилки навантаження.
• Пристрої для встановлення зв'язку між станом джерела живлення та провідністю.
• Вимірники спектрів. За допомогою таких приладів встановлюється залежність імпедансу на постійному змінному струмі.

Застосування стандартних вимірювальних пристроїв дозволяє встановити величину провідності. За допомогою сучасних тестерів, які працюють із певними сигналами, встановлюється ступінь працездатності автомобільного акумулятора, величину ємності, період розряду та заряду.

Період безперервної експлуатації акумуляторної батареї певною мірою залежить від величини внутрішнього опору. І це особливо важливо в тому випадку, якщо автотранспорт активно експлуатується як у межах міста, так і в сільській місцевості. Тому періодичне тестування джерела живлення, встановлення основних характеристик дає можливість зрозуміти, коли варто проводити заміну.

Відео про внутрішній опір акумулятора

Якщо замкнути плюс та мінус акумулятора, то отримаємо струм короткого замикання Ie = U / Re , ніби всередині є опір Re. Внутрішнє опір залежить від електрохімічних процесів всередині елемента, зокрема і від струму.

При надто великому струмі акумулятор зіпсується і навіть може вибухнути. Тому не замикайте плюс та мінус. Досить уявного експерименту.

Величину Reможна оцінити опосередковано щодо зміни струму та напруги на навантаженні Ra. При невеликому зменшенні опору навантаження Ra до RadR струм збільшується від Ia до Ia + dI. Напруга на виході елемента Ua=Ra×Ia при цьому зменшується на величину dU = Re × dI. Внутрішній опір визначається за формулою Re = dU/dI

Для оцінки внутрішнього опору акумулятора або батарейки я додав у схему вимірювача ємності резистор 12ом та тумблер (нижче на схемі показана кнопка), щоб змінювати струм на величину dI = 1.2 V / 12 Ohm = 0.1 А. Одночасно слід вимірювати напругу на акумуляторі або на резисторі. R .

Можна зробити просту схему лише вимірювання внутрішнього опору за зразком, показаному малюнку внизу. Але все ж таки краще спочатку трохи розрядити акумулятор, і після цього виміряти внутрішній опір. У середині розрядна характеристика пологіша, і вимір буде більш точним. Вийде "середнє" значення внутрішнього опору, що залишається стабільним досить великий час.

Приклад визначення внутрішнього опору

Підключаємо акумулятор та вольтметр. Вольтметр показує 1.227V. Натискаємо кнопку: вольтметр показує 1.200V .
dU = 1.227V - 1.200V = 0.027V
Re = dU / dI = 0.027V / 0.1A = 0.27 Ohm
Це внутрішній опір елемента при струмі розряду 0.5А

Тестер показує не dU, а просто U. Щоб не помилитись в усному рахунку, я роблю так.
(1) Натискаю кнопку. Акумулятор починає розряджатися і напруга U починає зменшуватися.
(2) У момент, коли напруга U досягне круглої величини, наприклад 1.200V, я віджимаю кнопку і відразу бачу величину U+dU, наприклад 1.227V
(3) Нові цифри 0.027V – і є потрібна різниця dU.

У міру старіння акумуляторів їхній внутрішній опір збільшується. У якийсь момент ви виявите, що ємність навіть свіжозрядженого акумулятора неможливо виміряти, оскільки при натисканні кнопки Startреле не вмикається і годинник не запускається. Це виходить тому, що напруга на акумуляторі знижується до 1.2V і менше. Наприклад, при внутрішньому опорі 0.6 і струмі 0.5 А падіння напруги складе 0.6×0.5=0.3 вольта. Такий акумулятор не може працювати при струмі розряду 0.5А, який потрібно, наприклад, для світлодіодної кільцевої лампи. Цей акумулятор можна використовувати при меншому струмі - для живлення годинника або бездротової мишки. Саме за великою величиною внутрішнього опору сучасні зарядні пристрої, подібні до MH-C9000, визначають, що акумулятор несправний.

Внутрішній опір автомобільного акумулятора

Для оцінки внутрішнього опору АКБ можна використовувати лампу фари. Це має бути лампа розжарювання, наприклад, галогенова, але не світлодіодна. Лампа 60Вт споживає струм 5А.

При струмі 100А на внутрішньому опорі АКБ не повинно губитися більше 1 Вольта. Відповідно, при струмі 5А не повинно губитися більше 0.05 Вольта (1В*5А/100А). Тобто, внутрішній опір має перевищувати 0.05В / 5А = 0.01 Ома.

Підключіть паралельно акумулятору вольтметр та лампу. Запам'ятайте величину напруги. Вимкніть лампу. Зверніть увагу, наскільки збільшилася напруга. Якщо, скажімо, напруга зросла на 0.2 Вольта (Re = 0.04 Ома), то акумулятор зіпсований, а якщо на 0.02 Вольта (Re = 0.004 Ома), то він справний. При струмі 100А втрата напруги буде всього 0.02В*100А/5А = 0.4В