Внутреннее сопротивление предоставляет ценную информацию об аккумуляторе, способную подсказать об окончании его срока службы. Это особенно актуально для электрохимических систем на основе никеля . Сопротивление не является единственным индикатором производительности, оно вполне может отличаться на 5-10 процентов у различных партий свинцово-кислотных аккумуляторов , особенно для стационарного использования. Из-за такого широкого допуска, метод, основанный на сопротивлении, лучше всего работает при сравнении показаний, взятых у конкретного аккумулятора при его сборке с последующими временными периодами. Сервисные бригады уже рекомендуют при установке снимать показания каждого элемента или аккумулятора в целом, чтобы в дальнейшем контролировать процесс их старения.
Существует мнение, что внутреннее сопротивление связано с емкостью, но это неверно. Сопротивление современных свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов остается на одном уровне на протяжении большей части срока службы. Специальные добавки в электролит уменьшили проблему внутренней коррозии, которая и коррелирует с внутренним сопротивлением. На рисунке 1 показано уменьшение емкости при циклической работе по отношению к внутреннему сопротивлению у литий-ионного аккумулятора.
Рисунок 1: Взаимосвязь между емкостью и сопротивлением относительно количества циклов зарядки/разрядки. Сопротивление не раскрывает состояние работоспособности аккумулятора и часто остается на одном уровне в процессе его использования и старения.
Циклические испытания литий-ионных аккумуляторов проводились при С-рейтинге 1С:
Зарядка: 1.500мА до 4,2В при 25°С
Разрядка: 1.500ма до 2,75В при 25°С
Что такое сопротивление?
Прежде чем изучать различные методы измерения внутреннего сопротивления электрических батарей, давайте рассмотрим, что же такое электрическое сопротивление и в чем разница между просто сопротивлением (R) и импедансом (Z). R является сопротивлением вещества прохождению электрического тока, а Z включает в себя реактивную составляющую, присущую таким устройствам как катушки и конденсаторы. Оба показателя измеряются в омах (Ом), единице измерения, которая названа в честь немецкого физика Георга Симона Ома, который жил с 1798 по 1854 год. (1Ом приводит к падению напряжения на 1В при силе тока 1А). Электропроводность также может быть измерена в сименсах (S). Комбинация сопротивления и импеданса известна как реактивное сопротивление. Позвольте объяснить.
Электрическое сопротивление обычной нагрузки, такой как нагревательный элемент, не имеет реактивной составляющей. Напряжение и ток в нем текут в унисон - не возникает никаких сдвигов в их фазах. Электрическое сопротивление, вызванное противодействием материала, через который течет ток, по сути является одним и тем же что для постоянного (DC), что для переменного (AC) токов. Коэффициент мощности равен единице, что обеспечивает наиболее точное измерение потребляемой мощности.
Большинство электрических нагрузок все же являются реактивными, и могут включать в себя емкостное (конденсатор) и индуктивное (катушка) сопротивление. Емкостное сопротивление уменьшается с повышением частоты переменного тока, в то время как индуктивное возрастает. Аналогией индуктивного сопротивления может служить масляный амортизатор, который становится тугим при быстрых движениях назад и вперед.
У электрической батареи есть и сопротивление, и емкость, и индукция, все эти три параметра объединены в понятии импеданса. Лучше всего импеданс проиллюстрирован на схеме Рэндла (рисунок 2), которая содержит резисторы R1 и R2, а также конденсатор С. Индуктивное сопротивление обычно опускается, так как оно играет незначительную роль в электрических батареях, особенно при низких частотах.
Рисунок 2: Эквивалентная схема Рэндла для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи. Общее сопротивление батареи состоит из активного сопротивления, а также индуктивного и емкостного. Схема и электрические значения различаются для каждой батареи.
R1 - эквивалентное последовательное сопротивление
R2 - сопротивление переноса заряда
С - двухслойный конденсатор
Попытки измерения внутреннего сопротивления электрической батареи почти так же стары, как и она сама, и с течением времени было разработано несколько методов, которые используются до сих пор.
Метод измерения сопротивления нагрузкой постоянного тока (DC Load)
Омические измерения являются одними из старейших и надежнейших методов испытаний. Их смысл состоит в кратковременном (секунда или немного больше) разряде аккумуляторной батареи. Ток нагрузки для небольшого аккумулятора составляет 1А или меньше, а для большого, например, стартерного аккумулятора - 50А и более. Вольтметр измеряет напряжение разомкнутой цепи без нагрузки, а затем проводится второе измерение - уже с подключенной нагрузкой. Далее по закону Ома вычисляется значение сопротивления (разность потенциалов, деленная на силу тока).
Метод измерения нагрузки постоянного тока хорошо работает для больших стационарных аккумуляторных батарей и снимаемые омические показатели являются точными и повторяемыми. Высококачественные контрольно-измерительные приборы позволяют снимать показания сопротивления в диапазоне от 10мкОм. Во многих гаражах для измерения сопротивления стартерных аккумуляторов используются тестеры на плёночно-угольных резисторах, благодаря которым опытные автомеханики получают отличный инструмент для оценки необходимого параметра.
Однако этот метод имеет ограничение в том, что он объединяет резисторы R1 и R2 со схемы Рэндла в один резистор и игнорирует конденсатор (смотрите рисунок 3). “С” является компонентом эквивалентной схемы электрической батареи, принимая значение в 1,5 фарада за каждые 100Ач. По сути, метод измерения нагрузкой постоянного тока видит аккумулятор как резистор и может принять в расчет только активную составляющую электрохимического источника тока. Кроме того, этот метод получит аналогичные показания от хорошего аккумулятора, который заряжен частично, и от слабого, который заряжен полностью. Определение степени работоспособности и оценка емкости в этом случае не представляются возможными.
Рисунок 3: Метод измерения нагрузкой постоянного тока. Метод не показывает полного соответствия схеме Рэндла. R1 и R2 работают как одно активное сопротивление.
Существует и альтернативный метод - двухуровневое измерение нагрузкой постоянного тока, когда применяются две последовательные разрядные нагрузки с различной силой тока и продолжительностью. Сначала аккумулятор разряжается малым током в течение 10 секунд, а затем более высоким в течение трёх (смотрите рисунок 4); после, по закону Ома вычисляется значение сопротивления. Анализ напряжения при двух различных условиях нагрузки предоставляет дополнительную информацию об аккумуляторе, но полученные значения строго резистивные, и не раскрывают параметры степени работоспособности или емкости. Методы, использующие подключение нагрузки, являются предпочтительными для аккумуляторов, питающих нагрузку с постоянным током.
Метод измерения электрической проводимости переменным током (AC Cunductance)
Измерение электрической проводимости для оценки стартерных аккумуляторов впервые было предложено в 1975 году Кейтом Чамплином, и заключалось в демонстрации линейной корреляции между нагрузочными испытаниями и проводимостью. При подключении нагрузки переменного тока с частотой около 90Гц, емкостное и индуктивное сопротивление соответствует 70-90Ач свинцово-кислотному аккумулятору, в результате чего возникает незначительная задержка фазы напряжения, которая сводит к минимуму реактивное сопротивление. (Частота возрастает для меньшего аккумулятора и, соответственно, уменьшается для большего). Измерители электрической проводимости переменным током обычно используются в автомобильных гаражах для измерения пускового тока. Одночастотный метод (рисунок 5) видит компоненты схемы Рэндла в качестве одного комплексного импеданса, который называется модуль Z.
Рисунок 5: Метод измерения электрической проводимости переменным током. Отдельные компоненты схемы Рэндла соединяются в один элемент и не могут быть измерены по отдельности.
Еще одним распространенным методом является тестирование с помощью частоты 1000Гц. Такая частота возбуждает аккумулятор и по закону Ома можно вычислить сопротивление. Следует отметить, что методы, использующие переменное напряжение, показывают другие значения в сравнении с методами, основанными на постоянном напряжении при измерении реактивного сопротивления, и оба подхода являются верными.
Например, литий-ионный элемент типоразмера 18650 имеет сопротивление около 36мОм с нагрузкой переменного тока частотой 1000Гц и примерно 110мОм с нагрузкой постоянного тока. Поскольку оба вышеуказанных показания справедливы, но далеки друг от друга, потребитель должен взять во внимание специфику эксплуатации аккумулятора. Метод, использующий постоянный ток, дает ценные данные в разрезе применения с потребителями постоянного тока, например, нагревательными элементами или лампами накаливания, в то время как 1000Гц метод лучше отражает требования производительности, оптимизированные под питание различных цифровых устройств, таких как ноутбуки или мобильные телефоны, которым, в первую очередь, важны емкостные характеристики аккумуляторов. На рисунке 6 показан 1000Гц метод.
Рисунок 6: 100Гц метод. Данный метод обеспечивает получение значений реактивного сопротивления. Это предпочтительный метод для снятия импеданса аккумуляторов, питающих цифровые устройства.
Электрохимическая импеданс спектроскопия (Electrochemical Impedance Spectrocsopy - EIS)
Научно-исследовательские лаборатории уже много лет используют метод EIS для того, чтобы оценивать характеристики электрических батарей. Но высокая стоимость оборудования, большая длительность испытаний и потребность в квалифицированных специалистах для расшифровки большого объема данных ограничили применение этой технологии лабораторными условиями. EIS способна получать значения R1, R2 и C из схемы Рэндла (рисунок 7), однако корреляция этих данных в пусковой ток (ток холодной прокрутки) или оценку емкости требует комплексного моделирования (Смотрите BU-904: Как измерить емкость).
Рисунок 7: Spectro™ метод. R1, R2 и C измеряются отдельно, что позволяет проводить оценку степени работоспособности и емкости наиболее эффективно.
Источник – это устройство, которое преобразует механическую, химическую, термическую и некоторые другие формы энергии в электрическую. Другими словами, источник является активным сетевым элементом, предназначенным для генерации электроэнергии. Различные типы источников, доступных в электросети, представляют собой источники напряжения и источники тока. Эти две концепции в электронике различаются друг от друга.
Источник постоянного напряжения
Источник напряжения – устройство с двумя полюсами, напряжение его в любой момент времени является постоянным, и проходящий через него ток не оказывает влияния. Такой источник будет идеальным, имеющим нулевое внутреннее сопротивление. В практических условиях он не может быть получен.
На отрицательном полюсе источника напряжения скапливается избыток электронов, у положительного полюса – их дефицит. Состояния полюсов поддерживаются процессами внутри источника.
Батареи
Батареи хранят химическую энергию внутри и способны преобразовывать ее в электрическую. Батареи не могут быть перезаряжены, что является их недостатком.
Аккумуляторы
Аккумуляторы являются перезаряжаемыми батареями. При зарядке электрическая энергия сохраняется внутри в виде химической. Во время разгрузки химический процесс протекает в противоположном направлении, а электрическая энергия высвобождается.
Примеры:
- Свинцово-кислотный аккумуляторный элемент. Изготавливается из свинцовых электродов и электролитической жидкости в виде разведенной дистиллированной водой серной кислоты. Напряжение на ячейку – около 2 В. В автомобильных аккумуляторах шесть ячеек обычно соединены в последовательную цепь, на клеммах выхода результирующее напряжение – 12 В;
- Никель-кадмиевые аккумуляторы, напряжение ячейки – 1,2 В.
Важно! При небольших токах батареи и аккумуляторы можно рассматривать как хорошее приближение к идеальным источникам напряжения.
Источник переменного напряжения
Электроэнергия производится на электрических станциях с помощью генераторов и после регулирования напряжения передается к потребителю. Переменное напряжение домашней сети 220 В в блоках питания различных электронных устройств легко преобразуется в более низкий показатель при применении трансформаторов.
Источник тока
По аналогии, как идеальный источник напряжения создает постоянное напряжение на выходе, задача источника тока – выдать постоянное значение тока, автоматом контролируя требуемое напряжение. Примерами являются трансформаторы тока (вторичная обмотка), фотоэлементы, коллекторные токи транзисторов.
Расчет внутреннего сопротивления источника напряжения
Реальные источники напряжения обладают собственным электрическим сопротивлением, которое называется «внутреннее сопротивление». Присоединенная на выводы источника нагрузка обозначается под названием «внешнее сопротивление» – R.
Батарея аккумуляторов генерирует ЭДС:
ε = E/Q, где:
- Е – энергия (Дж);
- Q – заряд (Кл).
Суммарная ЭДС аккумуляторного элемента является напряжением его разомкнутой цепи при отсутствии нагрузки. Его можно проконтролировать с хорошей точностью цифровым мультиметром. Разность потенциалов, измеренная на выходных контактах батареи, когда она включена на нагрузочный резистор, составит меньшую величину, чем ее напряжение при незамкнутой цепи, по причине протекания тока через нагрузочное внешнее и через внутреннее сопротивление источника, это приводит к рассеиванию энергии в нем как теплового излучения.
Внутреннее сопротивление аккумулятора с химическим принципом действия находится между долей ома и несколькими омами и в основном связано с сопротивлением электролитических материалов, используемых при изготовлении батареи.
Если резистор сопротивлением R подсоединить к батарее, ток в цепи I = ε/(R + r).
Внутреннее сопротивление – не постоянная величина. На него влияет род батареи (щелочная, свинцово-кислотная и т. д.), оно изменяется в зависимости от нагрузочного значения, температуры и срока использования аккумулятора. К примеру, у разовых батареек внутреннее сопротивление возрастает во время использования, а напряжение в связи с этим падает до прихода в состояние, непригодное для дальнейшей эксплуатации.
Если ЭДС источника – заранее данная величина, внутреннее сопротивление источника определяется, измеряя ток, протекающий через нагрузочное сопротивление.
- Так как внутреннее и внешнее сопротивление в приближённой схеме включены последовательно, можно использовать законы Ома и Кирхгофа для применения формулы:
- Из этого выражения r = ε/I – R.
Пример. Аккумулятор с известной ЭДС ε = 1.5 В и соединен последовательно с лампочкой. Падение напряжения на лампочке составляет 1,2 В. Следовательно, внутреннее сопротивление элемента создает падение напряжения: 1,5 – 1,2 = 0,3 В. Сопротивление проводов в цепи считается пренебрежимо малым, сопротивление лампы не известно. Измеренный ток, проходящий через цепь: I = 0,3 А. Нужно определить внутреннее сопротивление аккумулятора.
- По закону Ома сопротивление лампочки R = U/I = 1,2/0,3 = 4 Ом;
- Теперь по формуле для расчета внутреннего сопротивления r = ε/I – R = 1,5/0,3 – 4 = 1 Ом.
В случае короткого замыкания внешнее сопротивление падает почти до нуля. Ток может ограничивать свое значение только маленьким сопротивлением источника. Сила тока, возникающая в такой ситуации, настолько велика, что источник напряжения может быть поврежден тепловым воздействием тока, существует опасность возгорания. Риск пожара предотвращается установкой предохранителей, например, в цепях автомобильных аккумуляторов.
Внутреннее сопротивление источника напряжения – важный фактор, когда решается вопрос, как передать наиболее эффективную мощность подсоединенному электроприбору.
Важно! Максимальная передача мощности происходит, когда внутреннее сопротивление источника равно сопротивлению нагрузки.
Однако при этом условии, помня формулу Р = I² x R, идентичное количество энергии отдается нагрузке и рассеивается в самом источнике, а его КПД составляет всего 50%.
Требования нагрузки должны быть тщательно рассмотрены для принятия решения о наилучшем использовании источника. Например, свинцово-кислотная автомобильная батарея должна обеспечивать высокие токи при сравнительно низком напряжении 12 В. Ее низкое внутреннее сопротивление позволяет ей это делать.
В некоторых случаях источники питания высокого напряжения должны иметь чрезвычайно большое внутреннее сопротивление, чтобы ограничить ток к. з.
Особенности внутреннего сопротивления источника тока
У идеального источника тока бесконечное сопротивление, а для подлинных источников можно представить приближенный вариант. Эквивалентная электросхема – это сопротивление, подключенное к источнику параллельно, и внешнее сопротивление.
Токовый выход от источника тока распределяется так: частично ток течет через наиболее высокое внутреннее сопротивление и через низкое сопротивление нагрузки.
Выходной ток будет находиться из суммы токов на внутреннем сопротивлении и нагрузочного Iо = Iн + Iвн.
Получается:
Iн = Iо – Iвн = Iо – Uн/r.
Эта зависимость показывает, что когда внутреннее сопротивление источника тока растет, тем больше снижается ток на нем, а резистор нагрузки получает большую часть тока. Интересно, что напряжение влиять не будет на токовую величину.
Выходное напряжение реального источника:
Uвых = I x (R x r)/(R +r) = I x R/(1 + R/r).
Сила тока:
Iвых = I/(1 + R/r).
Выходная мощность:
Рвых = I² x R/(1 + R/r)².
Важно! Анализируя схемы, исходят из следующих условий: при значительном превышении внутреннего сопротивления источника над внешним он является источником тока. Когда наоборот, внутреннее сопротивление значительно меньше внешнего, это источник напряжения.
Источники тока применяются при подаче электроэнергии на измерительные мосты, операционные усилители, это могут быть различные датчики.
Видео
Мультиметр является многофункциональным устройством для измерения различных параметров электрического тока, поэтому с его помощью может быть произведена и проверка заряда аккумулятора. Для выполнения данной работы можно использовать различные виды мультиметров. Стоимость изделия не имеет значения, главное чтобы цифровой или аналоговый измерительный прибор был в исправном состоянии. О том как проверить аккумулятор мультиметром будет рассказано далее.
Какие параметры можно проверить?
С помощью мультиметра можно измерить напряжение с высокой точностью. По величине электрического напряжения можно определить заряжена ли аккумуляторная батарея или элемент необходимо зарядить постоянным током.
С помощью мультиметра, можно проверить напряжение не только кислотных аккумуляторов, но и элементы питания сотовых телефонов. Чтобы проверить мобильник на величину заряда батареи, прибор переводится в режим измерения постоянного тока до 20 В. В этом режиме цифровой прибор, позволяет измерить напряжение, с точностью до сотых долей вольта.
Аккумулятор шуруповёрта, также можно легко проверить мультиметром. Номинальное напряжение прибора, в данном случае, можно узнать из документации электроинструмента, и если напряжение меньше этого значения, то батарею необходимо зарядить.
Ёмкость аккумулятора также можно проверить мультиметром. Для этой цели можно воспользоваться несколькими способами.
Проверить с помощью мультиметра можно утечку тока. Если необходимо измерить данный параметр на автомобиле, то кроме утечки тока на корпус, проверяется и утечка в бортовой сети автомобиля.
Таким образом можно предотвратить быстрый разряд АКБ и повысить её эксплуатационный ресурс.
Как измерить напряжение
Если необходимо проверить только аккумуляторного напряжения, то мультиметр переводится в режим DC. Если нужно проверить источник электроэнергии, напряжение которого не превышает 20 вольт, то в данном секторе переключатель режимов устанавливается в положение 20 В.
Затем чёрный щуп мультиметра следует присоединить к минусовой клемме, а красный — к плюсу АКБ, на дисплее устройства, в этот момент, будет показано напряжение постоянного тока.
Обычно, исправный и полностью заряженный автомобильный аккумулятор имеет напряжение 12,7 В. Если при таком напряжении плотность электролита находится в норме, то источник электроэнергии может быть использован по назначению.
Аналогичным образом измеряется напряжение литий-ионных батарей сотовых телефонов, а также щелочных или гелевых батарей, которые применяются для запуска двигателей различной мототехники, дизельных генераторов и иных устройств, для начала работы которых, необходим определённый заряд электричества.
Как измерить ёмкость
Мультиметр можно использовать и как тестер для измерения ёмкости аккумулятора. Замер ёмкости аккумулятора можно произвести с помощью контрольного разряда батареи. Чтобы проверить ёмкость потребуется вначале полностью зарядить аккумулятор. Затем необходимо убедиться что батарея максимально заряжена, сделав замер напряжения и плотности электролита.
Далее необходимо подключить нагрузку известной мощности, например лампу накаливания мощностью 24 Вт, и отметить точное время начала данного эксперимента. Когда напряжение батареи упадёт до 50% процентов от ранее установленного показания полностью заряженного аккумулятора, лампочку следует отключить.
Измерение ёмкости, которое выражается в а/ч, осуществляется путём перемножения силы тока в цепи при подключённой нагрузке, на количество часов, в течение которых осуществлялся контрольный разряд батареи. Если получится значение, максимально приближенное к номинальному показателю а/ч, то батарея находится в отличном состоянии.
Проверить внутреннее сопротивление
Чтобы проверить АКБ на исправность с помощью мультиметра, требуется измерить внутреннее сопротивление аккумулятора. Проверить работоспособность источника питания можно с применением мультиметра и мощной лампочки на 12 В. Проверить батарею необходимо в такой последовательности:
Если разница измерения не превышает значения 0,05 В, то аккумулятор находится в исправном состоянии.
В том случае, когда значение падение напряжения больше, внутреннее сопротивления источника питания будет выше, что косвенно будет обозначать значительное ухудшение технического состояния аккумулятора.
Таким образом удаётся довольно точно проверить источник электроэнергии на исправность.
Как проверить ток утечки
Аккумулятор может самостоятельно разряжаться, даже в том случае, когда его клеммы не подключены к потребителям электроэнергии. Величина саморазряда указывается в документации к аккумулятору и является естественным процессом. Особенно заметно потеря электроэнергии может наблюдаться в кислотных АКБ.
Дополнительно к естественным утечкам электрического тока, в цепи могут быть участки, которые находятся во влажном состоянии или с истончённой изоляцией. В этом случае, даже в момент, когда все потребители электроэнергии находятся в выключенном состоянии, происходит дополнительная утечка тока, которая может привести к полному разряду батареи, а в некоторых случаях, и к возгоранию повреждённого места.
Особенно, такое явление может быть опасно в бортовой сети автомобиля, у которого отрицательным проводником является весь кузов и агрегаты, на которых может находиться достаточное количество огнеопасных веществ для образования открытого пламени даже от небольшой искры или электрической дуги.
Чтобы выявить, такое «несанкционированное» расходование электричества, необходимо выключить зажигание автомобиля, а также отключить устройства работающие в «дежурном режиме», например магнитолу и сигнализацию.
Измерить силу тока на аккумуляторе с помощью мультиметра, можно только в том случае, если измерительный прибор переведён в режим измерения силы тока, обозначенный значком «10 А». Для этого круговой переключатель переводится в соответствующий режим, а красный штекер в гнездо обозначенное знаком «10 ADС».
Красный щуп мультиметра соединяется с «+» аккумулятора, а чёрный, с отсоединённой клеммой. В этот момент должны полностью отсутствовать какие-либо показания прибора. Если мультиметр покажет любое значение, то ток утечки является значительным, и необходимо произвести детальную диагностику бортовой сети автомобиля.
Подобным образом производится замер утечки в других электронных системах. При проведении диагностики следует проявлять осторожность, и при подозрении на значительную утечку электрического тока, которая проявляется искрением при отсоединении или подключении клеммы, от замера тока утечки мультиметром следует отказаться.
Если пренебречь этим правилом, то можно «спалить» прибор, который не рассчитан на проверку больших значений силы тока.
Как проверить заряд аккумулятора мультиметром и не повредить хрупкую электронную «начинку» устройства?
Чтобы для тестера проверка аккумулятора не оказалась последней, необходимо правильно выбрать диагностический режим. Если требуется проверить ампераж, то категорически запрещается это делать без дополнительной нагрузки, которая не должна превышать мощности 120 Вт.
Выбирая режим измерения постоянного тока, следует проявлять осторожность, чтобы по ошибке, не включить мультиметр в режим измерения сопротивления, который находится, в большинстве моделей мультиметров, рядом с положением переключателя для измерения постоянного тока.
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.
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.
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 обмазки пластин и существенно уменьшает диффузию серной кислоты из электролита в них. В результате к концу цикла разряда свинцово-кислотного аккумулятора его сопротивление возрастает в 2-3 раза. В процессе зарядки идёт растворение сульфата свинца, и сопротивление АКБ возвращается к первоначальной величине.
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.
При плотности электролита 1,225 гр/см3 и температуре +15 С он имеет минимальное значение сопротивления. При уменьшении или увеличении плотности сопротивление увеличивается, а значит, растёт и внутреннее сопротивление аккумулятора.
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.
Стоит также отметить, что внутреннее сопротивление АКБ при переменном или постоянном токе сильно зависит от его частоты. Есть ряд исследований, авторы которых наблюдали внутреннее сопротивление свинцово-кислотного аккумулятора при частоте тока в несколько сотен герц.
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.
На изображении аккумуляторная батарея представлена в виде 2-полюсного источника питания. Он имеет электродвижущую силу (ЭДС), которая соответствует напряжению разомкнутой цепи, и внутренне сопротивление. На схеме они обозначены E и Rвн. Когда цепь замыкается, то ЭДС батареи частично падает на резисторе, а также на собственно внутреннем сопротивлении. То есть, происходящее в цепи можно описать следующей формулой.
E = (R + Rвн) * I.
На изображениях ниже можно посмотреть значения ЭДС автомобильного аккумулятора в разомкнутой цепи и напряжения при подключении нагрузки в виде двух автомобильных лампочек, соединённых параллельно.
Выражаю искреннюю благодарность Кувалде (Kuvalda.spb.ru Ушкалов Евгений Юрьевич)
за поддержку и побудительство меня: тряхнуть стариной, вспомнить,
что я все-таки физик и химик, и взяться за старое:
Прежде всего, считаю долгом отметить, что (не смотря на мои старания) нижеприведенные соображения основаны на фундаментальных науках, а потому требуют все же некоторых усилий для осмысления. Не желающим прилагать эти усилия, а также тем, кто путает напряжение и емкость, читать не рекомендуется - берегите себя!
Для ясности изложения, и не желая перегружать текст слишком сложными понятиями термодинамики и химической кинетики, далеко выходящими за рамки общих курсов физики и химии технических вузов, я позволю себе некоторые упрощения (во всех случаях корректные), которые (ни в коем случае) не будут противоречить истине - заранее приношу свои извинения перфекционистам. Точные выкладки все желающие могут исполнить самостоятельно - вся необходимая литература имеется в любой научно-технической библиотеке
Путаница
Мои дискуссии на страницах уазовской конфы, ясно продемонстрировали, что не все участники автомобилизации страны ясно представляют себе что же такое аккумуляторная батарея. Чтобы быть понятым верно, постараюсь определить понятия с которыми буду иметь дело.
Батарея (АКБ)
Набор ячеек (банок), соединеных последовательно в количестве шести. В тексте на правах синонимов используются слова "аккумулятор" и АКБ.
Ячейка, она же "банка" -- элементарный элемент аккумулятора, состоящий как минимум (реально более 10) из одной пары активных пластин Pb - PbO2, залитых электролитом.
Напряжение
То, что измеряется на клеммах АКБ путем подключения тестера или напряжеметром, который находится на приборной панели. Исключительно внешняя характеристика. Зависит от множества факторов, как внешних по отношению к АКБ, так и внутренних.
В общем то, напряжение это единственная нормально измеряемая величина, ассоциированная с АКБ. Ничего другого нормально померить не удается. Ни емкость. Ни реальный ток. Ни внутреннее сопротивление, ни ЭДС
ЭДС
Сугубо внутренняя характеристика ячейки АКБ, к сожалению самым драматическим образом влияющая на внешние проявления АКБ.
Величина ЭДС определяется равновесным состоянием реакции основных реагентов. В нашем случае это Pb+PbO2+2H2SO4(-)+2H(+) = 2PbSO4+2H2O.
Определить ее формально достаточно сложно - для этого требуется применение сложных термодинамических расчетов термодинамического состояния системы, но в инженерной практике применяется инженерная формула, обеспечивающая инженерную точность для свинцовых аккумуляторов в диапазоне плотностей электолита 1.1-1.3 кг/л E=0.85+P где Р - плотность электолита.
Применяя ее для определения ЭДС при стандартном значении плотности электролита автомобильного аккумулятора 1.27 получаем значение 2.12В на банку или 12.7В на АКБ.
Для перфекционистов.
Искать здесь размерность бессмысленно - как в большинстве формул для упрощенных инженерных рассчетов.
В практическом смысле эта формула нам еще пригодится.
С точностью, нас тут интересующей, никакие другие факторы на величину ЭДС не влияют. Зависимость ЭДС от температуры оценивается тысячными вольта на градус, чем очевидно можно пренебречь.
Все легирующие добавки и прочее серебро действительно улучшают эксплуатационные характеристики (повышают стабильность, увеличивают срок службы, снижают внутреннее сопротивление) но не влияют на ЭДС.
К сожалению, в современном аккумуляторе померить ее можно только косвенно и с известными допущениями. Например, допуская, что токи утечки равны нулю (то есть АКБ чистый и сухой снаружи, не имеет трещин и протечек внутри между банками, что в электролите нет солей металлов, а сопротивление измерительного прибора бесконечно).
Для измерений с интересующей нас точностью, достаточно просто отсоединить АКБ от всех потребителей (снять клемму) и воспользоваться цифровым мультиметром (тут надо иметь в виду, что класс точности большинства этих приборов не позволяет определить истинное значение, делая их пригодными лишь для относительных измерений).
Внутреннее сопротивление
Величина играющая ключевую роль в нашем восприятии действительности АКБ.
Именно благодаря ему, точнее его увеличению, происходят все неприятности, связанные с АКБ.
Упрощенно это можно представить как подключенный последовательно с аккумулятором резистор, некоторого сопротивления:
Величина, которую невозможно не пощупать, ни померить. Зависит она от конструктивных особенностей АКБ, емкости, степени его разряженности, наличию сульфатации пластин, внутренних обрывов, концентрации электролита и его количества и, конечно же, температуры. К сожалению, внутреннее сопротивление зависит не только от "механических" параметров, но и от тока, при котором работает АКБ.
Чем АКБ больше, тем внутреннее сопротивление меньше. У новой АКБ 70-100 Ач величина внутреннего сопротивления около 3-7 мОм (при нормальных условиях).
При понижении температуры скорость обмена химических реакций падает, а внутреннее сопротивление, соответственно, возрастает.
У нового аккумулятора внутреннее сопротивление самое маленькое. В основном оно определяется конструкцией токонесущих элементов и их сопротивлением. Но в процессе эксплуатации начинают накапливаться необратимые изменения - уменьшается активная поверхность пластин, появляется сульфатация, изменяются свойства электролита. И сопротивление начинает возрастать.
Ток утечки
Присутствует в аккумуляторе любого типа. Бывает внутренним и внешним .
Внутренний ток утечки невелик и для современной батареи 100Ач составляет около 1 мА (примерно эквивалентно потери 1% емкости в месяц) Его величина определяется чистотой электролита, особенно степенью загрязненности его солями металлов.
Надо заметить, что внешние токи утечки через бортовую сеть автомобиля, существенно выше внутренних исправного АКБ.
Процессы
Нежелающие "вдаваться" могут пропустить этот раздел и перебраться прямо к разделу
Разряд аккумулятора
При разряде аккумулятора генерируется ток за счет осаждения SO4 на пластинах, в связи с чем снижается концентрация электролита и постепенно повышается внутреннее сопротивление.
Характеристики разряда АКБ.
Верхняя кривая соответствует току десятичасового разряда
Нижняя - трехчасового
При полном разряде практически вся активная масса превращается в сернокислый свинец. Именно поэтому долгое пребывание в состоянии разрядки губительно для аккумулятора. Чтобы избежать сульфатации необходимо как можно быстрее провести зарядку батареи.
При этом, чем больше в АКБ электролита (относительно массы свинца) тем меньше снижается ЭДС ячейки. Для разряженного на 50% аккумулятора падение ЭДС составляет около 1%. Кроме того, "запас" электролита у разных производителей разный, поэтому и снижение ЭДС, равно как и плотности электролита будет отличаться.
Из-за незначительного снижения ЭДС практически невозможно определить степень разряженности батареи, просто измеряя напряжение на ней (для этого существуют нагрузочные вилки, задающие значительный ток). Особенно применяя штатный напряжеметр (прибор это не является вольтметром в точном понимании этого слова - скорее индикатором напряжения) автомобиля.
Максимальный ток, который способна обеспечить батарея в основном зависит от активной поверхности пластин, а ее емкость от активной массы свинца. При этом более толстые пластины могут быть даже менее эффективны, поскольку "внутренние слои свинца при этом трудно сделать "активными". Кроме того, требуется дополнительный электролит.
Чем более пористой ухитрился сделать производитель пластину, тем больший ток она способна обеспечить.
Поэтому все батареи, построенные по сходной технологии обеспечивают примерно одинаковые стартовые токи, но более тяжелые могут обеспечить большую емкость при сопоставимых размерах.
Зарядка Батареи
Процесс зарядки батареи состоит в электрохимическом разложении PbSO4 на электродах под воздействием постоянного тока внешнего источника.
Процесс заряда полностью разряженной батареи похож на процесс разряда как бы "перевернутый" вверх ногами.
Первоначально ток заряда ограничен лишь способностью источника генерировать необходимый ток и сопротивлением токонесущих элементов. Теоретически он ограничен только кинематикой процесса растворения (скоростью с которой продукты реакции выводятся из активной зоны). Затем, по мере "растворения" молекул серной кислоты, ток снижается.
Если бы можно было пренебречь побочными процессами, при полной зарядке батареи ток стал бы равен нулю. Аккумулятор перестает "принимать" заряд. К сожалению в реальной батарее всегда есть ток утечки и вода. Для компенсации тока утечки применяется постоянный подзаряд батареи.
Стандартно свинцовую АКБ рекомендуют заряжать используя источник напряжения.
Рекомендуемое напряжении заряда на одну ячейку (по данным VARTA) составляет приблизительно 2.23В или 13.4В на всю батарею. Более высокое напряжение заряда приводит к более быстрому накоплению заряда, но одновременно увеличивает количество разлагаемой воды.
Легенда:
"Перезаряженный" аккумулятор портится и теряет емкость.
Действительно Ni-Cd аккумуляторы портятся (теряют емкость) при длительном перезаряде, чего не происходит со свинцовыми. Свинцовые при заряде большими напряжениями только теряют воду (выкипает именно вода) - в широких пределах процесс полностью обратим простым добавлением воды. При длительным подзаряде "правильным" напряжением (2.23В) потерь воды не происходит.
К счастью для нас, свинцовый аккумулятор не портится в режиме непрерывного подзаряда. Напротив, этот режим всячески поощряется и рекомендуется. Поэтому на автомобиле (и во всех прочих случаях промышленного использования) свинцовые АКБ находятся в режиме постоянной подзарядки при напряжениях в пределе 2.23 - 2.4В на ячейку.
Из рисунка видно, что при увеличении избыточного напряжения на аккумуляторе в два раза, ток подзаряда возрастает в десять раз, что приводит к неоправданному расходу воды и преждевременному выходу АКБ из строя.
Для современного аккумулятора ток оптимальный ток подзаряда около 15 мА (что как раз и соответствует напряжению подзаряда в 2.23В на ячейку). При таком токе вода, разлагающаяся при электролизе, "успевает" рекомбинировать в растворе и не теряется - то есть процесс может продолжаться бесконечно долго (в инженерном смысле).
Практика
Напряжение на АКБ
Многие путают напряжение на батарее с ЭДС аккумулятора. Как уже отмечалось, эти величины взаимосвязаны, но не тождественны. Тут колоссальную роль играет внутреннее сопротивление.
Например при разряде стартерными токами, обозначенными порядка 400 А, внутреннее сопротивление в 4 мОм в соответствии с законом Ома превращается в падение напряжения в 1.6 В, сопротивление поляризации добавляет еще около 0.5В - и это в самом начале разряда. Приведенные данные соответствуют новым АКБ емкостью порядка 100 Ач. Для старых, устаревших батарей или батарей меньшей емкости потери будут больше. Для батареи в 50 Ач того же типа потер приблизительно вдвое больше.
При заряде от генератора (который прикидывается источником напряжения, на самом деле являясь источником тока, придушенным регулятором), напряжение должно соответствовать условиям быстрого подзаряда и определяется реле регулятором.
Поскольку средний пробег автомобиля недостаточен для полной зарядки аккумулятора, применяется компромиссное значение напряжения, несколько превышающее оптимальное значение подзаряда в 2.23В на банку или 13.38 на батарею, но несколько меньшее, чем напряжение быстрой подзарядки в 2.4В (14.4В на батарею). Оптимальным считается значение 13.8-14.2В. При этом потери воды остаются приемлемыми, а аккумулятор получает достаточно полный заряд при среднестатистическом пробеге.
Старение (разряд) АКБ приводит к тому, что напряжение, которое он способен обеспечить под нагрузкой падает за счет больших потерь на внутреннем сопротивлении, при том, что без нагрузки его значение остается практически тождественным новому (полностью заряженному). Поэтому определить состояние АКБ просто вольтметром практически не представляется возможным.
Разные типы батарей могут иметь разные плотности электролита. При этом ЭДС (и соответственно напряжение разомкнутого аккумулятора) может несколько отличаться для разных батарей. При этом разряженная батарея с большей плотностью электролита может выдавать большее значение напряжения, чем полностью заряженная батарея с меньшей плотностью электролита.
Легенда:
Напряжение на АКБ зависит от температуры.
Напряжение отсоединенного аккумулятора практически не зависит от температуры. Зависит внутреннее сопротивление и количество запасенной энергии. Стартер плохо крутит по причине большого падения напряжения на внутреннем сопротивлении, а ограничение времени работы стартера связано с пониженной емкостью аккумулятора из за сниженной активности химических реакций.
Соединение АКБ
Именно эта тема и вынудила меня взяться за этот масштабный труд. Выводы, представленные тут, основаны на аргументации, приведенной выше. Практические выводы аргументации не требуют.
Легенда 1
Автомобильные аккумуляторы соединять параллельно нельзя, поскольку при этом аккумулятор, обладающий большим напряжением будет постоянно дозаряжать аккумулятор с меньшим напряжением. Соответственно один будет постоянно перезаряжен, а другой разряжен.
В этой легенде присутствует несколько фактических и понятийных ошибок.
Ячейка АКБ образуется несколькими парами (или несколькими десятками пар) пластин, срединными параллельно для повышения эффективной поверхности элемента. Так что параллелизм заложен в основе технологии аккумулятора.
Напряжение на аккумуляторе при отсутствии нагрузке условно равно его ЭДС.
Как известно, величина ЭДС практически не зависит ни от каких внешних и внутренних параметров, кроме плотности электролита.
Эта величина не зависит ни от емкости АКБ, ни от пористости электрода, ни от легирующих добавок, ни от материала токоведущих частей.
Также слабо она зависит от степени разряженности батареи. Поэтому напряжение двух свинцовых автомобильных аккумуляторов, соответствующих нормам будет всегда близким
.
Технологическая разница, возникающая за счет неточности плотности электролита (1.27-1.29 по ГОСТ, допуски VARTA на порядок меньше) может быть легко определена (см. выше) и составляет 0.02В, то есть 20 мВ.
Если считать, что в момент прекращения заряда (выключения двигателя) оба аккумулятора полностью заряжены, максимально возможная разность потенциалов на их клеммах составит 20 мВ, независимо от их состояния, производителя и проч.
Даже если предположить, что используются АКБ разных классов (например автомобильная и промышленна с плотностью электролита 1.25), то и в этом случае разность потенциалов составить лишь около 40 мВ. Для полностью заряженной батареи это приведет к возникновению тока электролиза порядка 3-5 мА, что примерно соответствует току утечки не очень хорошего аккумулятора.
Разряд такими токами для батареи несущественен, а перезаряд не наступает.
Теперь рассмотрим ситуацию, когда параллельно объединены два аккумулятора существенно разной емкости.
В начале зарядки, когда ток ограничен возможностями генератора, естественно предположить, что он поделится между батареями пропорционально активной площади пластин. То есть степень заряженности аккумуляторов при неполном заряде будет примерно одинаковой (коротком пробеге).. Система будет себя вести как большой аккумулятор, который не успел дозарядиться.
Легенда 2
В импортных автомобилях используют специальные реле для подключения батарей дополнительного оборудования (Auxiliary), чтобы не соединять их параллельно (Легенда 1)
Полная чушь, имея ввиду вышесказанное. Это реле служит для куда более прозаичной цели. При большой нагруженности электросистемы автомобиля дополнительным оборудованием (типа телевизор, музыка большой мощности, холодильник и проч), существует большая вероятность "посадить" аккумулятор. Для того, чтобы после того, как весело провел день на природе под музыку, все таки уехать, стартерную батарею отключают, избегая тем самым ее глубокого разряда.
Есть старый анекдот про наших ментов, которые всласть "настрелявшись" радаром суетились "прикурить":
Так вот этот эффект куда значительнее, чем "перезарядки".
Практические выводы
Параллельно соединять аккумуляторы возможно, но учитывая следующие рекомендации.
- Не стоит использовать АКБ разных классов (например автомобильные и промышленные), а так же различных исполнений (например тропического и арктического) поскольку они используют электролит разной плотности.
- При длительной стоянке стоит отключать АКБ не только от потребителей, но и друг от друга.