Как зависит сопротивление аккумулятора от температуры?

Сопротивление, оказываемое аккумулятором протекающему внутри него току (зарядному или разрядному), называется внутренним сопротивлением .

Полное внутреннее сопротивление аккумулятора складывается из сопротивления электродов, электролита, сепараторов, вспомогательных токоведущих деталей и сопротивления поляризации, которая появляется вследствие изменения электродных потенциалов при прохождении электрического тока.

Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от ряда факторов и изменяется в довольно широком диапазоне значений. Важную роль играют здесь конструктивные особенности АКБ , а также: ёмкость аккумулятора; степень его заряженности; концентрация электролита; количество и качество электролита; наличие сульфатации пластин; ток, при котором работает аккумулятор; внутренние обрывы… и, конечно же, температура.

При разряде аккумулятора сопротивление электродов и электролита возрастает . Во время разряда аккумулятора, количество активной массы на пластинах аккумулятора уменьшается, что приводит к уменьшению активной поверхности пластин, поэтому внутреннее сопротивление заряженного аккумулятора меньше , чем внутреннее сопротивление разряженного аккумулятора. В разряженном состоянии сопротивление аккумулятора более чем в два раза превышает значение сопротивления у полностью заряженного аккумулятора.

Внутреннее сопротивление аккумуляторов большой ёмкости меньше , чем внутреннее сопротивление аккумуляторов меньшей ёмкости. Как известно, аккумуляторы большой ёмкости крупнее и массивнее аккумуляторов малой ёмкости - у них больше рабочая поверхность пластин и больше пространства для диффузии ионов электролита внутри аккумулятора. Однако… это вовсе не обозначает, что чем тяжелее и крупнее аккумулятор, тем он лучше . Необходимо учитывать технологию изготовления аккумулятора . В мировом производстве аккумуляторов активно используются для изготовления токоотводов (решёток) три основные технологии:традиционное литьё, непрерывное литьё и экспандинг (эта технология заключается в перфорации заготовочной ленты, а затем растяжке полученной решётки - технология, позволяющая увеличить рабочую поверхность пластин ). Соответственно, аккумуляторная батарея, изготовленная по технологии экспандинга, будет гораздо легче аккумулятора, изготовленного по технологии традиционного литья, но будет обладать лучшей токопроводимостью и меньшими внутренними напряжениями, что позволяет получить высокие характеристики АКБ.

По мере старения аккумуляторов их внутреннее сопротивление увеличивается . У нового аккумулятора внутреннее сопротивление самое маленькое. В основном оно определяется конструкцией токонесущих элементов и их сопротивлением. Но в процессе эксплуатации аккумулятора начинают накапливаться необратимые изменения - уменьшается активная поверхность пластин, появляется сульфатация, изменяются свойства электролита… и, как следствие внутреннее сопротивление аккумулятора начинает возрастать.

Существенное влияние на сопротивление аккумулятора оказывает температура .

При высокой температуре скорость диффузии ионов электролита выше, чем при низкой. Эта зависимость имеет линейный характер. С понижением температуры удельное сопротивление электролита возрастает и при температуре -40°C становится, примерно, в 8 раз больше , чем при температуре -30°C . Сопротивление сепараторов так же резко возрастает с понижением температуры и в том же интервале увеличивается, примерно, в 4 раза.

При низких температурах значительно ухудшаются условия пуска двигателя . Помимо того, что ухудшаются характеристики аккумуляторной батареи (увеличивается внутреннее сопротивление аккумулятора), увеличивается и момент сопротивления вращению коленчатого вала двигателя (из-за повышения вязкости масла).

В связи с этим в холодное время года аккумуляторные батареи должны иметь более высокую степень заряженности и иметь достаточное утепление .

Сеть магазинов «Орбита» предлагают вашему вниманию:
защитные термочехлы для аккумуляторных батарей SHUBATM
Термочехол SHUBATM надёжно защищает аккумулятор от негативного воздействия экстремальных температур и продлевает жизнь Вашего аккумулятора!

ПОДАРИТЕ СВОЕМУ АККУМУЛЯТОРУ «ШУБУ»
и получите дополнительную уверенность в надёжности аккумулятора
в момент запуска двигателя автомобиля вне зависимости от сезона:
и в жару и в холод

Более подробную информацию Вы можете получить у продавцов-консультантов
в наших магазинах или по телефону: 8 800 700-6339

Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора и для чего оно используется?

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.

Как уже говорилось, внутреннее сопротивление АКБ является условной величиной. Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой нелинейное устройство, внутреннее сопротивление которого меняется в зависимости от температуры, величины нагрузки, степени заряженности, концентрации электролита и прочих вышеперечисленных параметров. Так, что для проведения точных расчётов аккумулятора используются разрядные кривые, а не величина внутреннего сопротивления.

При этом в расчётах электрических цепей с аккумуляторами величина внутреннего сопротивления может использоваться. Естественно, что всегда величина внутреннего сопротивления берётся с учётом факторов, от которых она зависит (заряд или разряд, постоянный или переменный ток, частота тока и т. п.).

Итак, исходя из формулы выше, можно вычислить внутреннее сопротивление АКБ с ЭДС 12,6 вольта при разряде постоянным током 2 ампера.

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

Кстати, некоторые зарядные устройства позволяют измерять внутреннее сопротивление батареи. Например, ниже можно видеть величину внутреннего сопротивления заряженного автомобильного аккумулятора, измеренную зарядкой SkyRC iMax B6 mini. Правда, неизвестно, по какому принципу прибор вычисляет эту величину.

Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье оставляйте в комментариях.

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:

1. 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;

1. 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.

1. Так как внутреннее и внешнее сопротивление в приближённой схеме включены последовательно, можно использовать законы Ома и Кирхгофа для применения формулы:

1. 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.

1. По закону Ома сопротивление лампочки R = U/I = 1,2/0,3 = 4 Ом;
2. 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

Секреты длительной работы аккумулятора

Типичная проблема: аккумулятор определенной емкости не обеспечивает заявленное для него изготовителем время непрерывной работы, особенно после того, как он некоторое время побывал в эксплуатации. В чем причина? И можно ли этого избежать?

Ниже приведены некоторые выдержки из статьи г-на Isidor Buchmann "The Secret of Battery Runtime", в которой исследуются проблемы уменьшения емкости аккумулятора и восстановления его состояния; высокое внутреннее сопротивление аккумулятора и его влияние на продолжительность работы; повышенный саморазряд и способствующие ему факторы; высокое значение порога напряжения выключения в телефоне, которое препятствует полному использованию доступной энергии аккумулятора, а также мои комментарии (выделены курсивом ), основанные на личном опыте.

Недостаточная емкость аккумулятора

Количество энергии, которое аккумулятор способен удерживать, постепенно уменьшается в процессе эксплуатации и старения, а также из-за недостаточного обслуживания для аккумуляторов некоторых электрохимических систем. Аккумулятор, в конечном счете, должен быть заменен, когда его емкость падает до 60%-70% от номинальной величины. Значение емкости в 80% обычно принимается за нижнее допустимое значение для нового аккумулятора. (Индивидуальные российские пользователи - как правило, эксплуатируют аккумуляторы до тех пор, пока их емкость не упадет до 20 - 30 % от номинального значения).

На рисунке 1 весь объем аккумулятора, предназначенный для хранения энергии, условно представлен состоящим из трех областей: пустой области, которая при очередном заряде будет снова заполнена энергией, области энергии, имеющейся в аккумуляторе на данный момент, и области, которая уже непригодна для хранения энергии по тем или иным причинам. (В новом аккумуляторе последней области - не должно быть, она появляется постепенно и увеличивается в размерах по описываемым ниже причинам в процессе эксплуатации).

Рисунок 1. Три условных области аккумулятора. В процессе эксплуатации и старения, область, непригодная для хранения энергии, увеличивается в объеме. При отсутствии регулярной проверки, пользователи, если образно выразиться, начинают носить кирпичи вместо аккумуляторов.

В аккумуляторах на основе никеля непригодная для хранения энергии область может быть вызвана кристаллическими образованиями, известными как "эффект памяти". В Li-ion аккумуляторе потеря способности принятия заряда вызывается окислением элемента и естественной коррозией, которая происходит в процессе эксплуатации и старения. У свинцово- кислотного аккумулятора деградация состояния обычно является следствием сульфатации пластин элемента. А в свинцово-кислотных аккумуляторах с регулируемым клапаном (VRLA) причиной может быть попадание воды или потеря электролита.

Емкость никелевых аккумуляторов часто может быть восстановлена путем применения глубоких циклов разряда / заряда. Типичный цикл, известный как "тренировка" аккумулятора, состоит из одного или нескольких циклов разряда до одного вольта на элемент с последующими зарядами.

Существуют более эффективные методы оживления аккумуляторов, чем циклы тренировки. После того, как аккумулятор обычным током будет разряжен до одного вольта на элемент (это напряжение обычно рассматривается, как напряжение окончания разряда), его продолжают медленно разряжать значительно меньшим током до напряжения близкого к нулю (обычно до 0.4 вольта на элемент) . Этот метод, получивший название "восстановление" аккумуляторов, разрушает кристаллические образования, восстанавливая химическую структуру элемента аккумулятора на основе никеля. В результате забракованные аккумуляторы часто могут быть восстановлены до первоначального состояния. Однако следует отметить, что некоторые из восстановленных аккумуляторов могут иметь высокий саморазряд вследствие повреждения кристаллическими образованиями материала сепаратора. Эта обычно свойственно старым аккумуляторам.

Li-ion аккумуляторы не могут быть восстановлены циклической тренировкой или какими-либо другими способами. Снижение емкости у них необратимо, так как используемые в их элементах металлы, предназначены для работы только в течение определенного времени. Это сделано, в частности, по причинам экологической безопасности, т.к. некоторые компоненты, используемые для увеличения емкости Li-ion аккумуляторов, высоко токсичны. В процессе работы уровень токсичности уменьшается до приемлемо низкого уровня.

На данный момент пока недостаточно информации по сроку эксплуатации и старения новых литиево-полимерных аккумуляторов. Известные также как "пластиковые аккумуляторы", они конструктивно подобны Li-ion, но имеют гелевый электролит. В результате становится возможной упрощение конструкции элемента, поскольку любая утечка гелеобразного электролита - невозможна.

Производители работают над улучшением процессов изготовления литиево-полимерных аккумуляторов. И после того, как их производство примет массовый характер, ожидается, что Li-pol аккумулятор будет менее дорогим, чем Li-ion. Среди других достоинств этой новой технологии - меньшие размеры и вес.

Свинцово-кислотный аккумулятор подвергается сульфатации, если хранится в разряженном состоянии или при низком напряжении. Восстановление затруднено, если не невозможно, особенно, если аккумулятор был в таком состоянии в течение длительного времени. При хранении, аккумулятор должен подзаряжаться каждые шесть месяцев или всякий раз, когда напряжение его элементов понижается до 2.10 вольта.

Высокое внутреннее сопротивление аккумулятора

Внутреннее сопротивление (импеданс) аккумулятора, является его хранителем и в большой степени определяет состояние аккумулятора и время его непрерывной работы. Высокий импеданс уменьшает поток энергии от аккумулятора к оборудованию. На рисунках 3 и 4 приведены образные иллюстрации аккумуляторов с низким и высоким импедансом. Когда большой ток требуется от аккумулятора с высоким импедансом, напряжение на оборудовании резко падает и включается индикация низкого напряжения на аккумуляторе. Хотя аккумулятор и может иметь достаточную емкость, но оборудование отключается, и остаточная энергия аккумулятора остается не поставленной.

Рисунок 3. Нормальный аккумулятор с низким внутренним сопротивлением (импедансом) обеспечивает неограниченный ток в нагрузку и способен отдать всю запасенную в нем энергию в течение короткого промежутка времени.

Рисунок 4. Аккумулятор с высоким внутренним сопротивлением (импедансом) не способен отдавать запасенную в нем энергию в течение короткого промежутка времени и оборудование в этом случае отключается.

NiCd аккумулятор имеет самый низкий импеданс из всех типов аккумуляторов, даже по истечении 1000 циклов разряда / заряда. Для сравнения, NiMH изначально имеет более высокий импеданс, который увеличивается после 300- 400 циклов. Li-ion имеет чуть лучшие характеристики импеданса, чем NiMH, но все же не столь хорош, как NiCd. Эксплуатация Li-ion аккумулятора не приводит к увеличению его импеданса, чего нельзя сказать о процессе старения. Типичная продолжительность жизни Li-ion аккумуляторов - два года, независимо работают они или нет.

Поддержание аккумулятора в состоянии с низким импедансом очень важно, особенно для цифровых сотовых телефонов и устройств, имеющих высокий импульсный ток потребления. Импеданс аккумуляторов на основе никеля может резко увеличиваться, если они не подвергаются соответствующему обслуживанию.

Например, импеданс более чем вдвое превышающий нормальный уровень у NiCd аккумуляторов, после применения цикла восстановления на анализаторе аккумуляторов Cadex C7000, стал нормальным. Считается, что восстановление очищает пластины элемента от нежелательных кристаллических образований, и восстанавливает требуемый поток тока. Импеданс Li-ion аккумуляторов не может быть уменьшен циклическим разрядом / зарядом, потому что окисление элемента, являющееся причиной высокого импеданса, является необратимым. Свинцово-кислотные аккумуляторы иногда могут быть улучшены циклическим разрядом / зарядом или верхним зарядом и/или уравнивающим зарядом, что уменьшает препятствующий току слой сульфатации.

Рисунок 5. Время непрерывной работы аккумуляторов с низким, средним и высоким импедансом одинаковой емкости при импульсной нагрузке. Пунктирной линией на рисунке показано значение напряжения, при котором оборудование (например, сотовый телефон) отключается из-за недостаточного напряжения аккумулятора, а впадины на кривой - уровень напряжения аккумулятора в момент резкого увеличения тока нагрузки (например, телефон в режиме передачи)

На рисунке 5 приведены графики зависимости напряжения и соответствующего времени непрерывной работы аккумуляторов с низким, средним и высоким импедансом одинаковой емкости при импульсной нагрузке. Подобно мягкому шару, легко деформирующемуся при сжатии, напряжение аккумулятора с высоким импедансом синхронно изменяется с колебаниями тока, подобно флагу развевающемуся на ветру. Импульсы тока подталкивают напряжение к линии окончания работы, что вызывает преждевременное отключение оборудования. При измерении напряжения аккумулятора вольтметром после того, как оборудование отключилось, и нагрузка снята, напряжение на аккумуляторе обычно восстанавливается до нормального значения. Это особенно справедливо для аккумуляторов на основе никеля и надо отметить, что степень заряженности для аккумуляторов этой электрохимической системы не может быть оценена только измерением его напряжения.

Аккумулятор с высоким импедансом может прекрасно работать с оборудованием, потребляющим небольшим постоянный ток, например с лампой вспышкой или портативным CD проигрывателем. При такой нагрузке, большинство запасенной аккумулятором энергии может быть отдано, и его высокий импеданс практически не сказывается на работе (вспомните закон Ома для источника тока с внутренним сопротивлением). Известно несколько методов измерения импеданса аккумулятора: метод переменного тока, постоянного тока, импульсный метод. Каждый из них обеспечивает слегка различные результаты.

Высокий саморазряд

Все аккумуляторы самопроизвольно разряжаются и стремятся вернуться к своему низшему энергетическому состоянию. Самый высокий саморазряд наблюдается у аккумуляторов на основе никеля. Наибольшая потеря энергии происходит в первые 24 часа после заряда. Практически, аккумулятор на основе никеля теряет 10-15% своей емкости в первые 24 часа после заряда и далее 10-15% каждый месяц. Саморазряд Li-ion аккумулятора значительно меньше. Одни из лучших аккумуляторов с точки зрения саморазряда - свинцово-кислотные; они теряют только около 5 % в месяц. Однако надо заметить, что свинцово-кислотные аккумуляторы имеют также самую низкую плотность энергии среди аккумуляторов различных электрохимических систем и потому непригодны для носимых мобильных устройств. Вместо этого, свинцово-кислотные аккумуляторы используются для оборудования типа пожарного освещения и источников бесперебойного питания, а также движущихся кресел (инвалидных, например) и тележек для игры в гольф.

Рисунок 6. Аккумулятор с высоким саморазрядом.

При более высоких температурах, саморазряд аккумуляторов любой электрохимической системы увеличивается. Как правило, он удваивается на каждые 10 градусов повышения температуры. Большие потери энергии происходят, например, вследствие саморазряда, если аккумулятор оставлен в нагретом под лучами солнца автомобиле. Проблема возникает в том случае, если энергия аккумулятора теряется через саморазряд быстрее, чем при использовании по назначению. Это обычно наблюдается у старых аккумуляторов.

Саморазряд аккумулятора увеличивается при старении и с количеством циклов заряда / разряда, прошедших с момента начала эксплуатации. Например, NiMH аккумулятор хорош при работе в течение 300-400 циклов, в то время как его NiCd собрат - при 1000 циклах и более прежде, чем высокий саморазряд сделает их непригодными к эксплуатации. Саморазряд Li-ion и свинцово-кислотных аккумуляторов не увеличивается в той пропорции как у аккумуляторов на основе никеля после того, как они отработали свойственное им максимальное количество циклов заряда / разряда.

Как только аккумулятор начинает показывать высокий саморазряд, никакими средствами нельзя полностью устранить этот эффект. Среди причин, которые ускоряют саморазряд - повреждение сепараторов, вызванные избыточными кристаллическими образованьями, повреждение аккумулятора при зарядке, большое число отработанных циклов, которое способствует разбуханию элемента. Нет простого быстрого метода для измерения саморазряда аккумулятора. Чтобы оценить саморазряд аккумулятора необходимо измерить его начальную емкость после полного заряда, а затем сделать ее измерение повторно по истечении 12 часов.

Высокое значение порога напряжения отключения.

Любое хорошо разработанное портативное устройство должно работать в широком диапазоне значений напряжения. В то время как электронные схемы могут работать при все более низких напряжениях питания, некоторые портативные устройства не способны к полному использованию диапазона напряжения своего аккумулятора. В этом случае, такие устройства отключаются прежде, чем достигнуто напряжение окончания разряда. В результате некоторая часть энергии аккумулятора остается неиспользованной. На рисунке 7 проиллюстрирован такой аккумулятор.

Рисунок 7. Некоторые портативные устройства не используют всю доступную энергию своего аккумулятора и оставляют часть ее неиспользованной после автоматического отключения при уменьшении напряжения на аккумуляторе до значения порога выключения.

Проблема высокого значения порога напряжения отключения более широко распространена, чем это обычно считается. Например, некоторые типы сотовых телефонов отключаются при напряжении 3.3 вольта на Li- ion аккумуляторе, в то время как он предназначен для работы при разряде до 3 вольт и ниже. При разряде до 3.3 вольта только около 70 % из 100 % ожидаемой емкости используется. Другой пример: сотовый телефон известного изготовителя, использующего NiMH и NiCd аккумуляторы, отключается при 5.7 вольта, в то время как он предназначен для работы при разряде до 5 вольт. При последующем разряде этих аккумуляторов до напряжения, соответствующего их порогу окончания разряда, на анализаторе аккумуляторов уже после того, как оборудование отключилось, измеренные значения невостребованной емкости могут достигать 60 %. Это явление особенно распространено на аккумуляторах с высоким импедансом или работающих при повышенной температуре.

Хотя и высокое значение напряжение отключения главным образом вызвано оборудованием, однако, в некоторых случаях, причиной может быть аккумулятор с пониженным напряжением, который имеет электрически короткозамкнутые элементы. Эффект памяти также вызывает уменьшение напряжения, однако, это явление свойственно только аккумуляторам на основе никеля, которые должным образом не обслуживались. Повышение температуры также понижают уровень напряжения аккумуляторов всех электрохимических систем. Уменьшение напряжения, вызванное высокой температурой временно, и нормализуется, как только аккумулятор остывает.

Заключение.

Время непрерывной работы от аккумулятора, указанное изготовителями оборудования, нелинейно зависит от его емкости. Это особенно справедливо, если принять во внимание процессы старения и влияние окружающей среды. Изготовители обычно проверяют свои изделия при идеальных условиях, используя совершенное оборудование, новый аккумулятор и умеренные температуры окружающей среды. Пользователь естественно задается вопросом, почему его аккумулятор - исключение из правил, и такие оптимистические спецификации времени непрерывной работы никогда не могут быть достигнуты.

Хотя и технология производства аккумуляторов улучшилась в течение последнего десятилетия, продвижения в этой области не были столь драматичными как в микроэлектронике. Достижение максимальной емкости, уменьшения массы и размеров аккумуляторов привело к побочным эффектам, таким как более высокий импеданс и увеличенный саморазряд, не говоря уже о более коротком сроке службы и более высоких эксплуатационных расходах.

В целом же, современное оборудование предлагает более длительное время непрерывной работы, чем его предшественники. И это связано не только с совершенствованием аккумуляторов, но и с улучшением электронных схемы, которые стали менее энергоемкими. Заглядывая в будущее, следует отметить, что нет немедленных решений, которые бы разрешили недостатки сегодняшних аккумуляторов. Пока наши аккумуляторы основаны на электрохимических процессах, мы будем ограничены устройствами хранения энергии, которые являются дорогими, темпераментными, непредсказуемыми, медленно заряжаемыми, большими по размерам, тяжелыми, и с коротким сроком жизни.