Внутреннее сопротивление химических источников тока (ХИТ) – параметр, на который многие пользователи не обращают внимание. Однако его величина существенно влияет на работоспособность устройств с автономным питанием.

Простой пример: многие радиостанции получали питание от 12 В батарей из 10 никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 700 мАч (типоразмер АА).

При замене деградировавшей батареи пользователь часто выбирает современные никель-металлгидридные аккумуляторы того же типоразмера, емкость которых достигает 2000–2200 мАч. Однако может оказаться, что продолжительность работы новых батарей (особенно при низкой температуре) значительно меньше ожидаемой. И объясняется это более высоким внутренним сопротивлением новых аккумуляторов, из-за чего при большом энергопотреблении в режиме передачи радиостанция отключается, хотя ее емкость еще не исчерпана.

Напряжение химического источника тока при разряде может быть записано в виде уравнения

U = НРЦ — IR = НРЦ — I (Rом + Rпол),

где I – разрядный ток, R — полное сопротивление ХИТ, Rом – чисто омическое сопротивление, определяемое сопротивлением токоподводящих деталей электродов, их активных масс и сопротивлением электролита, Rпол — поляризационное сопротивление, отражающее скорость электрохимических реакций. Сопротивление Rпол представляется сложной эквивалентной схемой, содержащей емкость двойного электрического тока, активное сопротивление переноса заряда и RС цепочки, отражающие диффузионное сопротивление, адсорбционные процессы и другие особенности электрохимического процесса. Оно зависит от тока разряда.

Для оценки сопротивления ХИТ может использоваться регистрация его отклика на подачу импульса постоянного тока и на воздействие переменного тока в некотором диапазоне частот.

В первом случае при анализе отклика ХИТ на импульс постоянного тока можно оценить составляющие его полного сопротивления: на Rом происходит мгновенное изменение напряжение, Rпол обеспечивает экспоненциальное изменение напряжения ХИТ до его нового стационарного состояния. Аппаратура для таких измерений достаточно проста, проблема состоит только в способе и скорости регистрации отклика, а также в задании продолжительности периода регистрации.

Регистрация отклика на переменный синусоидальный сигнал дает более детальное представление о поляризационном сопротивлении и позволяет оценить все его составляющие. Отклик обычно представляется в виде годографа импеданса (на плоскости в координатах действительной и реактивной составляющих полного комплексного сопротивления). Измерения производятся при последовательном тестировании на разных частотах из диапазона от десятков кГц до сотых Гц. Тестовый сигнал должен быть очень малым, что приводит к очень сложной аппаратурной реализации метода и делает его исключительно лабораторным.

Оценка внутреннего сопротивления ХИТ как одной из его электрических характеристик

В настоящее время характеристика внутреннего сопротивления (impedance) ХИТ должна обязательно включаться в список его технических характеристик. Стандарт МЭК и отечественный ГОСТ разрешают исполь-зовать оба описанных выше метода измерения. Но они приводят к разным величинам параметра и необходимо понять, можно ли сравнивать характеристики сопротивления аналогичной продукции отечественных и зарубежных производителей.

Величина импеданса ХИТ, которая дается в каталогах зарубежных производителей, оценивается при измерениях на переменном токе частотой 1000 ±100 Гц (в течение 1–5 с). Сопротивление вычисляется по формуле R1000 Гц = U~/I~, где I~ и U~ — переменный ток и напряжение — отклик на него источника тока. Переменный ток выбирается так, чтобы пиковое значение напряжения не превышало 20 мВ. Для широкого спектра источников тока величина R1000 Гц соответствует их омическому сопротивлению Rом.

В России характеристика внутреннего сопротивления ХИТ обычно измеряется при подаче импульса постоянного тока.

Оценивается величина сопротивления

R= (U1-U2)/(I2-I1) (1)

где U1 и U2 – напряжение, которое регистрируется после пропускания тока I1 и I2 соответственно в течение регламентированных интервалов времени T1 и T2. В таблице указаны эти параметры для источников тока разных электрохимических систем.

При такой методике измеренная величина включает кроме Rом еще и поляризационное сопротивление. Она заметно больше величины R1000 Гц. А так как стационарное состояние источника тока к моменту T2 может и не достигаться, эта величина не всегда характеризует и полное сопротивление источника тока.

Использование параметра внутреннего сопротивления при отработке технологии изготовления источников тока и диагностике их состояния

Измерения внутреннего сопротивления ХИТ могут быть использованы разработчиками при отработке технологии их изготовления. В этом случае наиболее полезной является информация о сопротивлении Rом, так как она дает возможность лучше проявить все зависимости между конструктивными и технологическими параметрами и конечными характеристиками изделия. Такая информация помогает быстрее выбрать лучший сепарационный материал, определить допуски при дозировке электролита, оценить плотность сборки.

Для диагностики технического состояния ХИТ (степени разряжен- ности, степени деградации, состояния после длительного хранения) в зависимости от природы источников тока разных электрохимических систем полезной может быть информация и об омическом сопротивлении, и о поляризационном. У герметичных источников тока с водным электролитом (щелочных и свинцово-кислотных) осушение сепаратора в результате разбухания электродов и некоторых потерь воды, изменение плотности сборки электродов и деформация аккумуляторов в результате повышенного давления приводят к увеличению омического сопротивления. У литиевых источников тока этот эффект выражен меньше, а изменение поверхностной анодной пленки сказывается на поляризационном сопротивлении. К сожалению, изменения параметров внутреннего сопротивления ХИТ в литературе обычно описывают только качественно. В [1] показано, что из-за большого спектра используемых в разных приложениях источников тока, разнообразия их конструкций и технологий изготовления диагностика состояния ХИТ по величине их внутреннего сопротивления может стать возможной лишь при накоплении данных относительно конкретных источников тока, так как

• разброс Rом свежеизготовленных ХИТ конкретного типа может быть соизмерим с изменением Rом этого источника тока в процессе разряда; это в наибольшей степени касается отечественных аккумуляторов; разброс внутреннего сопротивления аккумуляторов ведущих зарубежных компаний, таких как SAFT, SANYO, PANASONIC обычно не превышает 20%;
• изменения Rом при изменении степени разряженности зависят от типа источника тока и его емкости;
• изменения Rом при изменении степени разряженности и степени деградации различны у разных производителей;
• диагностика литиевых источников тока по их внутреннему сопротив-лению затруднена из-за быстрой пассивации анода, а разброс сопротивления пассивной пленки значительно увеличивается со временем хранения.
• для оценки величины начального провала напряжения после длитель- ного хранения литиевых элементов информативной является величина сопротивления переменному току в области частот не ниже 1Гц.

Возможности диагностирования состояния литий-ионных аккумулято-ров изучены плохо, но известно, что их омическое сопротивление в процессе разряда увеличивается мало, а пассивация их анодов разного состава соизме-рима с пассивацией металлического литиевого анода в литиевых элементах.

Из сказанного выше следует, что определение состояния источника тока с неизвестной предисторией эксплуатации весьма проблематично. Однако при периодическом измерении Rом ХИТ в процессе эксплуатации (при одинаковой высокой степени заряженности и температуре) можно прогнозировать его работоспособность. Обычно источники тока считаются работоспособными до тех пор, пока их фактическая разрядная емкость Сраз не станет менее 60-50% от номинальной емкости (Сн). Зависимость Сраз и омического сопротивления в пределах этого периода эксплуатации достаточно точно описывается эмпирическим уравнением

Сраз x Rом = const.

Поэтому, измерив омическое сопротивление Rом используемого источника тока в начале эксплуатации, при периодических последующих его измерениях можно с достаточной точностью предсказывать реальную емкость ХИТ. И эта процедура занимает всего несколько секунд. Измерения сопротивления возможны и на работающих в буферном режиме батареях. Выявление момента ускорения деградации источников тока позволяет своевременно принять меры по восстановлению их работоспособности или замене.

По скорости изменения сопротивления в течение срока службы можно судить и о правильности условий эксплуатации.

Сравнение величин Rом аккумуляторов в составе батарее можно использовать для быстрого выявления «слабых». Деформация аккумуляторов или высыхание сепаратора приводят к значительному увеличению сопротивления относительно среднего его значения для всех аккумуляторов батареи.

Аппаратура для измерений внутреннего сопротивления источников тока

В России до настоящего времени стандартизованной аппаратуры для измерений внутреннего сопротивления ХИТ на постоянном токе нет. А аппаратура для импедансных исследований очень дорога и используется только в исследовательских центрах. Измерения сопротивления источников тока, которые реализованы в зарубежной диагностической аппаратуре для ХИТ небольшой емкости, привязаны к методике измерений на постоянном токе, но обычно не к Стандарту и потому разрешают вопрос только сравнительных испытаний однотипных источников тока.

В настоящее время, когда стала обязательной оценка характеристики внутреннего сопротивления выпускаемых источников тока и вопросы диагностирования технического состояния массовой продукции требуют своего разрешения, необходима аппаратура, достаточно простая и универсальная, доступная как компаниям, производящим источники тока, так и сервисным службам.

В ООО «МЕГАРОН» разработан тестер-анализатор внутреннего сопротивления химических источников тока, который осуществляет измерения сопротивления, как постоянному току, так и переменному частотой 1 кГц.

Временная диаграмма соответствует ГОСТу на щелочные аккумуляторы.

Омическое сопротивление, а также импеданс на частоте 1000Гц измеряются в гальваностатическом режиме при токе разряда I1 в течение первых десяти секунд. За это время производится несколько измерений с усреднением результатов. Полное сопротивление вычисляется в соответствии с формулой (1). Поляризационное сопротивление вычисляется как разница полного и омического сопротивлений.

Тестер обеспечивает точные измерения омического сопротивления, а полное и поляризационное сопротивления вычисляются при токах меньше регламентированных, однако и эти параметры могут использоваться для сравнительных оценок однотипных источников тока.

Результаты измерений (НРЦ, величины омического сопротивления, поляризационного и полного, импеданса при 1000 Гц) считываются поочередно с 4-х разрядного дисплея.

Разрабатываются модификации тестера:

• с подключением к компьютеру через СОМ-порт для мониторинга всех параметров сопротивления в процессе заряда-разряда;
• пригодные для измерения сопротивления герметизированных свинцово-кислотных батарей, которые дают возможность также и измерения тока короткого замыкания.

Расширение диапазона обследуемых в соответствии со стандартом МЭК источников тока возможно при создании универсального стационарного прибора, в котором тестовый ток для измерений внутреннего сопротивления на постоянном токе будет задаваться в широком диапазоне, а временная его диаграмма будет соответствовать Стандарту на любые источники тока. Изготовление такого прибора планируется в самое ближайшее время.

Авторы выражают благодарность Тагановой А. А. за помощь в подготовке материала. Литература.

• Таганова А. А., Бубнов Ю. И., Орлов С. Б. Герметичные химические источники тока: элементы и аккумуляторы, оборудование для испытаний и эксплуатации. Санкт-Петербург. Химиздат. 2005 г. 264 с.
• Таганова А.А, Пак И. А. Герметичные химические источники тока для портативной аппаратуры. Справочник. Санкт-Петербург. Химиздат. 2003 г. 208 с.
• Таганова А. А., Бубнов Ю. И., Герметичные химические источники тока: элементы и аккумуляторы способы и устройства заряда. Санкт-Петербург. Химиздат. 2002 г. 176 с.