Rezystancja wewnętrzna akumulatora

image_pdf

Pomiar rezystancji wewnętrznej akumulatora pozwala na ocenę sprawności akumulatora, natomiast nie jest jej wyznacznikiem. Jest to jeden ze sposobów – oprócz pomiaru pojemności, gęstości elektrolitu, pomiaru napięcia pod dużym obciążeniem – pozwalający w pewnym stopniu stwierdzić, w jakim stanie jest akumulator.

Większość testerów akumulatorów, opiera swoje obliczenia właśnie na podstawie pomiaru rezystancji wewnętrznej. Na wartość tej rezystancji, ma wpływ przede wszystkim powierzchnia czynna płyt, dlatego też akumulatory o większej pojemności posiadają mniejszą rezystancję wewnętrzną, a akumulatory o mniejszej pojemności – większą rezystancję.

Prócz tego, wpływ na rezystancję ma również stopień naładowania – czyli gęstość elektrolitu – w przypadku akumulatorów z płynnym elektrolitem – im mniejsza gęstość, tym rezystancja większa. Wzrost rezystancji wewnętrznej w stosunku do stopnia naładowania można zaobserwować w artykule “Wpływ stanu naładowania na parametry akumulatora”.

Żeby tego było mało – wpływ na rezystancję ma również temperatura elektrolitu – można to zaobserwować w doświadczeniu w którym porównywałem parametry tego samego akumulatora w temperaturze 0oC i 22oC.

Skoro wiemy że rezystancja wewnętrzna jest odwrotnie proporcjonalna do pojemności – można za pomocą jej pomiaru oszacować stan naładowania oraz powierzchnię czynną płyt – a wiadomo że ta z wiekiem maleje. Z dużą ostrożnością – można przyjąć następujące pojemności przy zmierzonej rezystancji wewnętrznej za pomocą testerów akumulatorów.

Rezystancja wewnętrzna Pojemność akumulatora
10mΩ 20-30Ah
7mΩ 30-40Ah
5mΩ 40-50Ah
4mΩ 50-60Ah
3mΩ 60-70Ah
2,5mΩ 70-80Ah
2mΩ 80-90Ah

Jednak jak pokazuje praktyka – z akumulatorami wyeksploatowanymi jest trochę gorzej – dlatego pomiar rezystancji należałoby traktować jako punkt odniesienia. Przykładowo dokonujemy pomiaru rezystancji – odnotowujemy wynik i możemy spróbować podładować akumulator. Po ustabilizowaniu się napięcia spoczynkowego – dokonać ponownego pomiaru – tak samo można postąpić podczas rozładowania – wtedy poznamy dokładnie wartości rezystancji dla tego konkretnego egzemplarza. Wraz z upływem czasu, rezystancja wewnętrzna będzie wzrastać – więc na tej podstawie ponownie jesteśmy w stanie oszacować postęp starzenia się akumulatora.

Niestety niewiele producentów akumulatorów publikuje tabele czy wykresy z których można odczytać jaką rezystancję powinien posiadać akumulator. Ma to miejsce zazwyczaj w przypadku akumulatorów przemysłowych – poniżej wycinek karty katalogowej akumulatora YUASA NP38-12I gdzie producent podaje jaką rezystancję wewnętrzną posiada nowy, w pełni naładowany akumulator:

Metoda pomiaru rezystancji wewnętrznej znalazła szerokie zastosowanie w miejscach gdzie używane są baterie akumulatorów, złożone z kilku lub kilkudziesięciu takich samych modeli, pracujących na przykład w systemach podtrzymywania napięcia. Mając punkt odniesienia lub informację producenta – można szybko zdiagnozować uszkodzony akumulator – bez konieczności odłączania akumulatora czy wyłączania całego systemu.

Jak w takim razie dokonać pomiaru rezystancji ? Można za pomocą testera akumulatorów – jeżeli posiadamy, ale można za pomocą zwykłego miernika i kilku rezystorów lub żarówek którymi będziemy obciążać akumulator. Przedstawię tutaj dwie metody pomiaru – pierwsza polegająca na pomiarze napięć przy obciążeniu znaną wartością, druga polegająca na pomiarze napięcia i prądu przy dowolnym obciążeniu – np. żarówką.

Metoda 1

W przypadku tej metody potrzebujemy jedynie woltomierza i dwóch znanych obciążeń – ponieważ musimy przeprowadzić dwa pomiary. Schemat pomiarowy powinien wyglądać następująco:

E – siła elektrochemiczna akumulatora
Rw – rezystancja wewnętrzna akumulatora
Uv – napięcie podczas obciążenia R

Ja wykorzystałem do tego badania dwa rezystory o wartości 10Ω – pierwszy pomiar wykonałem przy szeregowym połączeniu tych dwóch rezystorów – czyli 20Ω , drugi pomiar za pomocą jednego rezystora.

Wyznaczenie rezystancji wewnętrznej polega na rozwiązaniu układu równań:

Jeżeli założymy, że siła elektrochemiczna – która jest równa napięciu spoczynkowemu akumulatora – jest taka sama przy obu pomiarach – rozwiązaniem powyższych działań jest równanie:

Badaniu został poddany akumulator żelowy który już u mnie występował – to model WP7.2-12 firmy KUNG LONG – całkiem obszerną kartę charakterystyki można znaleźć na stronie https://www.mgelectronic.rs/ProductFilesDownload?Id=1343

Wartość siły elektrochemicznej, czyli napięcie spoczynkowe wyniosło 12,610V

Postanowiłem również dokładnie zmierzyć rezystancję zastosowanych oporników – ponieważ mogą nieznacznie różnić się od wartości podanych przez producenta – oto ich wartości:

Wartości napięć podczas pomiarów wynosiły kolejno – 12,429V przy obciążeniu 20,14Ω, oraz 12,333V przy obciążeniu 10,13Ω.

Obliczona wartość rezystancji wyniosła 161mΩ .

Jak widać metoda ta ma kilka mankamentów – po pierwsze wartość siły elektrochemicznej E – powinna być taka sama przy pierwszym jak i drugim pomiarze, dodatkowo musimy znać rezystancję pierwszego jak i drugiego obciążenia – więc nie można użyć do tego pomiaru przykładowo żarówki, dlatego przedstawię drugą metodę.

Metoda 2

W tej metodzie dodatkowo należy podłączyć amperomierz – schemat pomiarowy powinien wyglądać następująco:

E – wartość siły elektrochemicznej akumulatora
Rw – rezystancja wewnętrzna
Uv – napięcie podczas obciążenia
I – prąd podczas obciążenia

Wartość rezystancji wewnętrznej wyznacza się z wzoru:

Zmierzona wartość siły elektrochemicznej w tym przypadku wyniosła 12,599V

Podczas obciążenia, napięcie spadło do wartości 12,299V a zmierzony prąd wyniósł 1,215A.

Obliczona wartość rezystancji tą metodą wyniosła 247mΩ – dlaczego te rezystancje zmierzone pierwszą i drugą metodą się różnią ? Chociażby dlatego że do układu pomiarowego dołożyliśmy amperomierz który posiada własną rezystancję, do tego wszelkie zaciski, wtyki, połączenia również posiadają pewną wartość rezystancji którą należałoby uwzględnić w tej metodzie.

Interpretacja wyników

Nawet poprawnie przeprowadzone pomiary – a uwierzcie mi nie jest to łatwe, ponieważ czas pomiaru powinien być dokładnie taki sam i trwać jak najkrócej – niewiele dadzą, jeśli nie będziemy potrafili odpowiednio zinterpretować wyników. Należałoby uwzględnić rezystancję amperomierza, woltomierza, rezystancję wszelkich połączeń itd. Porwałem się na przeprowadzenie takich pomiarów po raz pierwszy i chciałem od razu nagrać materiał z tych pomiarów – film trwał po obróbce 37 minut a wyglądało to trochę jak walka z wiatrakami, bo za wszelką cenę starałem się uzyskać wyniki zbliżone do rezystancji wewnętrznej zmierzonej za pomocą testera akumulatorów.

Postanowiłem się jednak zreflektować, uzupełnić wiedzę i podzielić tym co udało mi się dowiedzieć.

Wartość rezystancji akumulatora zależy w dużej mierze od sposobu pomiaru, a właściwie od częstotliwości pomiaru. Większość testerów akumulatorów dokonuje pomiaru impedancji lub konduktancji i wyznaczenia rezystancji wewnętrznej. Niestety nie doszukałem się na stronach znanych producentów, z jaką częstotliwością ten pomiar jest dokonywany ani jaką metodą. Jedynym producentem który coś więcej mówi o sposobie pomiaru rezystancji akumulatora jest firma HIOKI – mniej znana japońska firma specjalizująca się w profesjonalnych urządzeniach pomiarowych. Model HIOKI 3555 “wykorzystuje do tego celu prąd przemienny o częstotliwości 1 kHz“.

W zależności od częstotliwości, wynik może wskazywać na:

  • rezystancję zależną od oporności połączeń, separatorów oraz elektrolitu – jej zmiana może wskazywać na uszkodzenia tych elementów (pomiar w zakresie 100Hz-10kHz)
  • rezystancję zależną od porowatości elektrod, którą można odnieść do pojemności akumulatora (pomiar w zakresie 0,1Hz-100Hz)
  • rezystancję związaną z zasiarczeniem elektrod, a więc związaną z dostępną pojemnością (pomiar w zakresie < 0,1Hz)

Wyniki pomiarów przedstawionymi powyżej metodami mogą Was nieco zaskoczyć – podobnie jak to miało miejsce w moim przypadku, jednak wartości rezystancji wewnętrznej 80-300mΩ przy obciążeniu stałoprądowym nie są niczym nadzwyczajnym czy absurdalnym. Jednak podkreślę jeszcze raz – otrzymane wartości należy traktować jako punkt odniesienia dla konkretnego egzemplarza i trudno je porównywać z gotowymi tabelami czy wynikami z testerów.

Poniżej prezentuję film – z wykonania pomiarów rezystancji wyżej wymienionymi metodami.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *