Внутреннее сопротивление аккумуляторов

Одним из важнейших параметров любого аккумулятора является внутреннее сопротивление (импеданс). Оно указывает на способность АКБ обеспечивать необходимую мощность потребителям, в том числе стартовый ток для стартерных аккумуляторных батарей. Понимание природы и характеристик импеданса позволит лучше разобраться в процессах, происходящих внутри аккумулятора, и грамотно подходить к выбору подходящего изделия для конкретных условий эксплуатации.

Внутреннее сопротивление аккумулятора (импеданс) — это физическое свойство, характеризующее противодействие потоку электрического тока внутри самого аккумулятора. Проще говоря, это мера того, насколько легко электрический ток проходит через внутреннюю среду аккумулятора (электроды, электролит и контактные соединения).
Чем больше величина импеданса, тем больше электрической энергии теряется в виде тепла при прохождении тока через материал. Такие потери снижают реальную полезную мощность, отдаваемую батареей, что уменьшает общий коэффициент полезного действия (КПД).
Таким образом, чем ниже внутреннее сопротивление, тем больший ток и мощность способен аккумулятор отдавать в нагрузку.

Причины появления
Причинами являются физические свойства материалов электродов и электролитов, особенности конструкции аккумулятора, качество соединений и условия окружающей среды. Среди факторов, влияющих на величину внутреннего сопротивления, выделяют:

Материал электродов и проводников, их толщина (сечение).
Плотность контактов и толщина пластин.
Концентрация и вязкость электролита.
Температурные условия эксплуатации.
Уровень износа и старения батареи.

Каждая батарея обладает собственным уникальным набором характеристик, определяющим значение внутреннего сопротивления. Этот показатель измеряется в омах (Ом) и имеет тенденцию меняться в зависимости от возраста аккумулятора и условий эксплуатации.

Методы измерения
Измерение производится различными способами. Наиболее распространённым является метод замера падения напряжения под нагрузкой, который предполагает подачу небольшой тестовой нагрузки на батарею и последующее измерение возникающего падения напряжения.

Формула для расчёта внутреннего сопротивления аккумулятора по постоянному току:
Rвн = (U₁ − U₂) ÷ I
В этой формуле:
Rвн — внутреннее сопротивление (Ом);
U₁ — напряжение аккумулятора без нагрузки (Вольт);
U₂ — напряжение аккумулятора под нагрузкой (Вольт);
I — сила тока (Ампер).

То есть, разница между напряжением без нагрузки и напряжением под нагрузкой делится на силу тока — это и есть внутреннее сопротивление аккумулятора.
Пример: без нагрузки было 12,7 вольта, под нагрузкой стало 11,7, ток — 20 ампер. Подставляем в формулу: (12,7 − 11,7) / 20 = 0,05 Ом (50 миллиОм)

Современные приборы для измерения внутреннего сопротивления работают на частоте 1000 Гц. При таком измерении импеданс отличается от измерения по постоянному току примерно в 2 раза (в меньшую сторону).

Формула расчета по переменному току 1000 Гц:
R1000 Гц = U~/I~,
В этой формуле:
R1000 Гц – внутреннее сопротивление на частоте тока и напряжения 1000 Герц;
I~ — переменный ток;
U~ — напряжение — отклик на этот ток измеряемой батареи

Пример: берем тестер для измерения (как правило, 99% всех тестеров работают на переменном токе 1000 Гц), измеряем стартерную батарею 60 А.ч. и пусковым током 500 А., внутреннее сопротивление составит – 5 миллиОм (0,005 Ом) по переменному току 1000 Гц или примерно 10 миллиОм по постоянному току.

На что влияет внутреннее сопротивление аккумулятора?
Оно непосредственно влияет на его рабочие характеристики и общие возможности. Вот основные моменты, на которые оно воздействует:

Выходная мощность: чем ниже импеданс, тем бóльшую выходную мощность способен отдать аккумулятор. Аккумулятор с высоким внутренним сопротивлением теряет значительную долю вырабатываемой энергии в виде тепла, уменьшая количество энергии, передаваемой потребителю.
Нагрев: большой импеданс вызывает повышенное выделение тепла в процессе работы аккумулятора. Это явление называется джоулевым теплом. Перегрев отрицательно влияет на химические процессы внутри аккумулятора, ускоряя деградацию и ухудшая характеристики.
Эффективность работы при больших нагрузках: при высоких токовых нагрузках импеданс становится существенным фактором, ограничивающим производительность аккумулятора (мощность и ток). Высокое сопротивление препятствует быстрой передаче большого количества энергии, что проявляется в снижении выходной мощности и быстром падении напряжения при значительных нагрузках.
Рабочая температура: повышенный импеданс усиливает зависимость аккумулятора от температуры окружающей среды. При низкой температуре сопротивление увеличивается ещё сильнее, что дополнительно усложняет запуск двигателей и питание потребителей.
Срок службы: постоянные высокие потери энергии приводят к быстрому износу и деградации внутренних структур аккумулятора. Постоянное тепло, выделяемое из-за внутреннего сопротивления, нарушает химический состав и структуру активных веществ, сокращая общий срок службы аккумулятора.

Последствия высокого внутреннего сопротивления
Высокий импеданс негативно отражается на функционировании аккумулятора, вызывая ряд проблем:

Уменьшение доступной емкости при одинаковой мощности нагрузки.
Увеличенные тепловые потери и повышенный риск перегрева.
Быстрый износ батареи и сокращение общего ресурса.
Ухудшение рабочих характеристик при низких температурах.
Повышенный риск отказов и сбоев в системах питания.
Увеличение времени заряда.

Именно поэтому выбор качественного аккумулятора с низким уровнем импеданса играет ключевую роль в проектировании надежных энергетических систем.

Способы снижения внутреннего сопротивления аккумуляторов
Среди способов снижения наиболее эффективны:

Использование высококачественных материалов для изготовления аккумуляторных батарей.
Минимизация числа циклов глубоких разрядов.

Примеры влияния на конкретные типы аккумуляторов:

Автомобильные свинцово-кислотные аккумуляторы: внутреннее сопротивление таких аккумуляторов относительно высокое, особенно при низких температурах. Большое внутреннее сопротивление затрудняет быстрый старт двигателя зимой.
Литий-ионные аккумуляторы: эти аккумуляторы характеризуются гораздо меньшим внутренним сопротивлением, что позволяет быстро передавать большие объёмы энергии, однако уменьшение температуры может приводить к значительному росту сопротивления, нарушающему нормальную работу батареи и затрудняющему быстрый запуск двигателя зимой.

Таким образом, низкий уровень внутреннего сопротивления — важный критерий выбора хорошего аккумулятора, гарантирующий высокую производительность, длительный срок службы и надежность работы в любых условиях эксплуатации.