Как измерить внутреннее сопротивление литиевого аккумулятора
Внутреннее сопротивление – один из наиболее значимых параметров, от которого напрямую зависят другие характеристики литиевого аккумулятора. Пользуясь определенными методиками, можно легко вычислить действительное значение этого показателя.
Одним из наиболее важных параметров, характеризующих любые химические источники питания, в том числе и литиевые аккумуляторы, является внутреннее сопротивление. От этого параметра напрямую зависят такие характеристики источника питания, как напряжение на выходе под нагрузкой, максимальный выходной ток и коэффициент полезного действия (КПД). На рисунке 1 представлена условная схема аккумуляторной батареи с подключенной нагрузкой.
Рис. 1. Условная схема аккумуляторной батареи с подключенной нагрузкой
Внутреннее устройство аккумуляторной батареи можно представить как идеальный источник ЭДС (электродвижущей силы) с нулевым внутренним сопротивлением и последовательно соединенным с ним резистором (на рисунке 1 он обозначен как Rвн). Нагрузка аккумуляторной батареи представлена на схеме сопротивлением Rн. Очевидно, что напряжение на ней (Vн) будет меньше выходного напряжения аккумуляторной батареи на холостом ходу (Vи) за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении. И чем больше ток нагрузки, тем заметнее эта разница. Соответственно, КПД данного источника питания, который можно определить отношением Vн к Vи, будет менее 100%, а теоретический максимум выходного тока можно получить, поделив Vи на Rвн.
Разумеется, приведенная здесь условная схема отражает реальное положение дел лишь в первом приближении. Внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи не является постоянной величиной, ее значение на практике зависит от множества факторов, таких как степень заряженности источника тока, температура окружающей среды, характер нагрузки и так далее. Кроме того, внутреннее сопротивление химического источника напряжения может иметь, кроме активной, еще и реактивную составляющую. То есть в общем случае нужно вести речь уже о комплексном сопротивлении (импедансе), которое будет зависеть еще и от частоты потребляемого тока. Поэтому, чтобы получить действительные значения данного параметра, необходимо проводить измерения в реальных условиях эксплуатации с использованием рабочей нагрузки и в соответствии с методиками, изложенными в нормативных документах.
Методика измерения внутреннего сопротивления литиевых аккумуляторов приведена в ГОСТ Р МЭК 61960-3-2019. В этом документе изложен порядок проведения испытаний для измерения данного параметра двумя методами: на постоянном и переменном токах. При этом в случае проведения испытаний по обеим методикам на одной и той же батарее следует придерживаться определенного порядка: сначала надо провести измерения на переменном токе, а лишь затем – на постоянном. В промежутке между проведением этих измерений не требуется перезаряжать аккумулятор, но перед началом любых тестов необходимо сначала разрядить, а затем полностью зарядить батарею, как рекомендовано в том же документе. В соответствии с этой методикой, батарея должна разряжаться постоянным током определенной величины при температуре 20 ±5°C до установленного конечного напряжения, при котором считается, что аккумулятор полностью разряжен.
Величина тока разряда равняется 0,2 от значения базового тока It, где It в амперах численно равен номинальной емкости аккумулятора в А⋅ч. Последующая зарядка должна производиться по методике, заявленной производителем при той же температуре окружающей среды (20 ±5°C). После этого, в соответствии с общим планом подготовки к проведению испытаний, батарея должна быть выдержана при температуре окружающей среды 20 ±5°C не менее одного часа, но не более четырех.
Для определения внутреннего сопротивление аккумулятора на переменном токе проводят измерения среднеквадратичного значения напряжения Ua непосредственно на выводах батареи при подаче на нее переменного тока Ia частотой 1,0 ±0,1 кГц в течение 1…5 с. Схема проведения измерений на переменном токе представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Схема проведения измерений внутреннего сопротивления аккумулятора на переменном токе
Величину тока Ia подбирают таким образом, чтобы пиковое значение переменного напряжения Ua на выводах аккумулятора не превышало 20 мВ. Внутренне сопротивление батареи вычисляют по закону Ома, поделив среднеквадратичное значение напряжения Ua на среднеквадратичную величину тока Ia. Этот метод фактически измеряет импеданс, который имеет емкостной характер за счет того, что аккумулятор состоит из набора пластин, фактически представляющих собой конденсатор.
Для проведения измерений внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи на постоянном токе применяют схему испытаний, представленную на рисунке 3.
Рис. 3. Схема проведения измерений внутреннего сопротивления аккумулятора на постоянном токе
В соответствии с методикой измерений батарея должна разряжаться постоянным током величиной 0,2 от базового (It). В конце периода разряда длительностью 10 ±0,1 с необходимо измерить и зарегистрировать напряжение разряда U1 под нагрузкой. Затем ток разряда должен быть немедленно увеличен до значения 1,0 от It, и в конце периода разряда длительностью 1 ±0,1 с должно быть зарегистрировано соответствующее разрядное напряжение U2, измеренное под нагрузкой.
Все измерения напряжений следует производить непосредственно на выводах аккумуляторной батареи, независимо от контактов, используемых для передачи тока. Внутреннее сопротивление на постоянном токе вычисляется как разница напряжений, поделенная на разность токов (формула 1):
Инженерами Компэл было произведено измерение сопротивления нескольких АКБ различных брендов. Наилучшее значение внутреннего сопротивления показали аккумуляторы INR18650/25P производства компании EVE, которые доступны со склада КОМПЭЛ.
Внутреннее сопротивление аккумулятора.
Сегодня имеются множество современных приборов для измерения внутреннего сопротивления аккумулятора, есть определенные значения как для новых источников питания, только сошедших с конвейера, так и для уже успевших поработать на автомобиле. В данной статье описано сопротивление в стандартных и наиболее распространенных свинцово-кислотных батареях, используемых на легковых и грузовых автомобилях.
Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора?
Простыми словами, это совокупность сопротивлений от каждой части аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора в Омах – составляет сумму сопротивлений деталей источника питания (выводов тока, пластин, сепараторов, соединений между пластинами и банками), а также токопроводящей жидкости – электролита. Корпус выполнен из пластика и поэтому на практике не влияет на величину «омического сопротивления». Данное сопротивление всегда присутствует в свинцово-кислотных батареях, ввиду свойств материалов, из которых они сделаны.
На примере, ЭДС источника питания должен быть условно 13,5 Вольт, внутреннее сопротивление снижает этот показатель условно до 12,7 Вольт. Этот показатель соответствует 100% зарядке аккумулятора у новых современных источников питания.
Диагностика, какое внутреннее сопротивление аккумулятора.
Свинцово-кислотный источник питания устроен таким образом, что чем он старше, тем больше значение сопротивления внутри устройства, со временем оно растет. Сопротивление влияет на основные показатели эффективности аккумулятора – емкость, силу тока, напряжение.
Для новой батареи ёмкостью в 60 Ампер-час значение сопротивления будет около 4-6 мОм. Внутреннее сопротивления аккумулятора 12 В 60 Ач через несколько лет будет уже равняться 10-15 мОм, зависит от степени износа. Из-за этого пусковой ток сильно уменьшается, до 2 раз, падает плотность электролита, напряжение.
Граничные значения.
Если у вас имеется специальный прибор, который может замерить внутреннее сопротивление аккумулятора, перед покупкой вы сможете проверить это значение, сравнив с эталонным, и определить работоспособность батареи.
Так, для стандартного аккумулятора 60 Ач, внутреннее сопротивление должно быть у нового 4-7 мОм, у изношенного через 5 лет – 6-13 мОм.
Для более мощных батарей с емкостью 75 Ач норма 3-7 мОм, для отработавшего эти значения равняются 5-13 мОм.
Для аккумуляторов 80 Ач почти аналогично, 3-6 мОм для нового, 4,5-12 мОм для бывшего в употреблении.
Аккумулятора для грузовых авто, емкостью от 90 Ач должны иметь внутреннее сопротивление в 3-6 мОм, а через 5 лет эксплуатации – 5-12 мОм.
Перед тем как купить новый аккумулятор, желательно проверить значения внутреннего напряжения, чтобы понимать примерное состояние батареи, насколько она работоспособна.
Наши специалисты производят диагностику аккумуляторов специальными приборами, заказав комплексную диагностику нового аккумулятора, вы будете уверены в том, что купили надежную батарею.
Как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора
Если замкнуть плюс и минус аккумулятора, то получим ток короткого замыкания Ie = U / Re , как будто внутри есть сопротивление Re . Внутреннее сопротивление зависит от электрохимических процессов внутри элемента, в том числе и от тока.
При слишком большом токе аккумулятор испортится, и даже может взорваться. Поэтому не замыкайте плюс и минус. Достаточно мысленного эксперимента.
Величину Re можно оценить косвенно по изменению тока и напряжения на нагрузке Ra . При небольшом уменьшении сопротивления нагрузки Ra до Ra‑dR ток увеличивается от Ia до Ia+dI. Напряжение на выходе элемента Ua=Ra×Ia при этом уменьшается на величину dU = Re × dI . Внутреннее сопротивление определяется по формуле Re = dU / dI
Для оценки внутреннего сопротивления аккумулятора или батарейки я добавил в схему измерителя ёмкости резистор 12ом и тумблер (ниже на схеме показана кнопка), чтобы изменять ток на величину dI = 1.2 V / 12 Ohm = 0.1 А . Одновременно нужно измерять напряжение на аккумуляторе или на резисторе R .
Можно сделать простую схему только для измерения внутреннего сопротивления по образцу, показанному на рисунке внизу. Но всё же лучше сначала немного разрядить аккумулятор, и после этого измерить внутреннее сопротивление. В середине разрядная характеристика более пологая, и измерение будет более точным. Получится «среднее» значение внутреннего сопротивления, которое остаётся стабильным достаточно большое время.
Пример определения внутреннего сопротивления
Подключаем аккумулятор и вольтметр. Вольтметр показывает 1.227V . Нажимаем кнопку: вольтметр показывает 1.200V .
dU = 1.227V — 1.200V = 0.027V
Re = dU / dI = 0.027V / 0.1A = 0.27 Ohm
Это внутреннее сопротивление элемента при токе разряда 0.5А
Тестер показывает не dU, а просто U. Чтобы не ошибиться в устном счёте, я делаю так.
(1) Нажимаю кнопку. Аккумулятор начинает разряжаться, и напряжение U начинает уменьшаться.
(2) В момент, когда напряжение U достигнет круглой величины, например 1.200V, я отжимаю кнопку, и сразу вижу величину U+dU, например 1.227V
(3) Новые цифры 0.027V — и есть нужная разница dU.
По мере старения аккумуляторов их внутреннее сопротивление увеличивается. В какой-то момент вы обнаружите, что ёмкость даже свежезаряженного аккумулятора невозможно измерить, так как при нажатии кнопки Start реле не включается и часы не запускаются. Это получается потому, что напряжение на аккумуляторе сразу снижается до 1.2V и менее. Например, при внутреннем сопротивлении 0.6 ом и токе 0.5 А падение напряжения составит 0.6×0.5=0.3 вольта. Такой аккумулятор не может работать при токе разряда 0.5А, который требуется, например, для кольцевой светодиодной лампы. Этот аккумулятор можно использовать при меньшем токе — для питания часов или беспроводной мышки. Именно по большой величине внутреннего сопротивления современные зарядные устройства, вроде MH-C9000, определяют, что аккумулятор неисправен.
Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора
Для оценки внутреннего сопротивления АКБ можно использовать лампу от фары. Это должна быть лампа накаливания, например, галогеновая, но не светодиодная. Лампа 60вт потребляет ток 5А.
При токе 100А на внутреннем сопротивлении АКБ не должно теряться более 1 Вольта. Соответственно, при токе 5А не должно теряться более 0.05 Вольта (1В * 5А / 100А). То есть, внутреннее сопротивление не должно превышать 0.05В / 5А = 0.01 Ома.
Подключите параллельно аккумулятору вольтметр и лампу. Запомните величину напряжения. Отключите лампу. Обратите внимание, насколько увеличилось напряжение. Если, допустим, напряжение возросло на 0.2 Вольта (Re = 0.04 Ома), то аккумулятор испорчен, а если на 0.02 Вольта (Re = 0.004 Ома), то он исправен. При токе 100А потеря напряжения будет всего 0.02В * 100А / 5А = 0.4В
О внутреннем сопротивлении аккумуляторных элементов или на что обратить внимание при выборе элементов для аккумуляторной батареи электровелосипеда?
К нам часто обращаются за услугами контактной сварки, чтобы мы сварили из аккумуляторных элементов сборку той или иной конфигурации.
Частыми гостями нашей мастерской становятся аккумуляторные элементы форм-фактора 18650: LG, Samsung, Sony с наклейками «Liitokala» и «VariCore» — их нам приносят клиенты, которые в свою очередь покупают их на Алиэкспресс или в своем городе. И просят сварить из них батарею для шуруповертов, мощных фонарей и т. п.
Аккумуляторы 18650 с наклейкой LiitoKala
Почему элементы LG, Samsung и Sony с наклейками «Liitokala» и «VariCore» стоят в два раза дешевле, чем такие же элементы, но без наклеек?
Все просто: это перепаковки, подделки под оригинальные элементы известных производителей.
— Как же так? Ведь люди везде скидывают замеры емкости — она совпадает с оригиналами!
Да, емкость у этих подделок такая же, как и у оригинальных элементов. Но внутреннее сопротивление значительно выше. Это очень хитрый способ продать подделку, так как чтобы измерить внутреннее сопротивление аккумуляторов — требуется специальный прибор, которого у обычного покупателя нет, естественно. Но иногда Liitokala продает и очень грубые подделки, которые без труда можно отличить от оригинала просто визуально.
Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора? Простыми словами — это способность аккумулятора отдавать токи. То есть, внутреннее сопротивление = токоотдача аккумулятора. Чем выше внутреннее сопротивление, тем хуже токоотдача аккумулятора. Таким образом, мы не можем использовать низкотоковые элементы (как в батареях ноутбуков, например) для изготовления батарей шуруповертов.
Если мы решим поставить аккумуляторы с высоким внутренним сопротивлением в батарею шуруповерта — они будут греться, на них будет проседать напряжение из-за чего элементы не смогут отдавать большую часть своей емкости, быстро деградируют и выходят из строя. Там, где требуется большая мощность — используют высокотоковые элементы. Или делают сборку, соединяя много низкотоковых элементов параллельно — для снижения и распределения нагрузки между ними.
Токоотдача элементов в их характеристикам указывается, как «А», что значит «Ампер». Например: Samsung 30Q 3000mAh 15A
Это значит, что такой элемент продолжительно может отдавать ток силой 15 ампер. Внутреннее сопротивление Samsung 30Q по заявлениям производителя должно составлять 12-13мОм.
Замеряем наши оригинальные Samsung 30Q прибором для измерения внутреннего сопротивления = 12.32мОм. Теперь замеряем на элементе с наклейкой «Liitokala» = 38.2мОм. Внутреннее сопротивление выше более, чем в 3 раза! Для сравнения, у оригинальных элементов LG MH1 с токоотдачей 10А внутреннее сопротивление составляет 31.4мОм.
Правильные замеры внутреннего сопротивления аккумуляторных элементов профессиональным прибором YR1035+
Таким образом, мы можем сделать вывод, что у подделки токоотдача ниже 10 Ампер. Чем это грозит — уже было написано выше. Нагрев, просадка напряжения, быстрая деградация и выход из строя.
Такие подделки можно использовать только в устройствах с небольшой мощностью, но опять же они нестабильны и склонны к спонтанному выходу из строя (естественно, остерегайтесь подделок! На то они и «подделки»). Они КАТЕГОРИЧЕСКИ не подходят для использования в вейпах и электронных сигаретах — перегрев аккумулятора может привести даже к возгоранию или взрыву.
Внутреннее сопротивление аккумулятора — очень важный параметр, на который следует обращать внимание в первую очередь. Особенно это актуально при построении батарей электротранспорта.
Бонус. Фоторяд для тех, кто думает над покупкой или уже купил очень дешевые аккумуляторные элементы 18650 с названиями типа UltraFire с баснословной емкостью 9000mAh и т.п. Напомню, что для аккумуляторов 18650 на момент написания этой статьи максимальная емкость составляет 3500mAh.
Покупайте аккумуляторные элементы и батареи только в проверенных местах! По ссылкам ниже вы можете ознакомиться с нашим ассортиментом, среди которого есть и оригинальные литий-ионные элементы 18650.
Электровелосипед из обычного велосипеда
Наша группа в ВКонтакте: vk.com/upgradebike