Тайната на дългия живот: Как да разберем дали акумулаторът е отличен, добър или повреден чрез измерване на вътрешното съпротивление

Вътрешното съпротивление е един от най-добрите показатели за състоянието на даден акумулатор. То е като кръвното налягане за човек – дава много информация за „здравето“ му. Нека разгледаме по-подробно как може да използваме вътрешното съпротивление, за да оценим състоянието на различни типове акумулатори.

Какво е вътрешно съпротивление?

Вътрешното съпротивление (R_int​) на акумулатора е мярка за съпротивлението на всички компоненти вътре в него, които пречат на потока на електрически ток. Това включва съпротивлението на електролита, на електродите, на сепаратора и на връзките между тях. Колкото по-ниско е вътрешното съпротивление, толкова по-ефективно може да отдава и приема енергия акумулаторът.

Защо е важен показател?

С течение на времето и употребата, вътрешното съпротивление на акумулатора се увеличава. Това се дължи на различни процеси като:

• Износване на електродите: Образуване на слоеве с по-високо съпротивление, промяна в кристалната структура.
• Разграждане на електролита: Увеличаване на вискозитета, намаляване на йонната проводимост.
• Загуба на активен материал: Свиване и разширяване, които водят до загуба на контакт.

Повишеното вътрешно съпротивление води до:

• Намален капацитет: Акумулаторът не може да съхранява толкова енергия.
• Намалена мощност: Не може да отдава висок ток, особено при продължително натоварване.
• Повишено нагряване: Повече енергия се губи като топлина при зареждане и разреждане.
• По-бързо саморазреждане: Не е пряко свързано, но често върви ръка за ръка с другите деградационни процеси.

Как се измерва вътрешното съпротивление?

Съществуват два основни метода за измерване:

1. AC (променливотоков) метод: Това е най-разпространеният и точен метод. Уредът подава малък променлив ток с определена честота (например 1 kHz) през акумулатора и измерва спада на напрежението. Вътрешното съпротивление се изчислява по закона на Ом (R=V/I). Повечето специализирани тестери за акумулатори използват този метод.
2. DC (постояннотоков) метод: Измерва се спадът на напрежението при прилагане на известен товар. Този метод е по-прост, но по-малко точен, тъй като зависи от състоянието на заряд и температурата. Но пък е по-достъпен в практиката, защото не са необходими специализирани уреди – достатъчни (примерно) са два мултицета и достатъчно мощен резистор с точно съпротивление. Има много добри описания на този метод в Youtube.

Класификация на акумулатори по вътрешно съпротивление

Трябва да се има предвид, че няма универсални, строго дефинирани стойности на вътрешното съпротивление, които да са приложими за абсолютно всички акумулатори, тъй като те зависят от:

• Химичен състав: Li-ion, LiFePO4, NiMH, оловно-киселинни имат различни типични стойности.
• Капацитет: Акумулатор с по-голям капацитет обикновено има по-ниско вътрешно съпротивление.
• Размер/Форм-фактор: 18650, 21700, 26650 имат различни конструкции и размери.
• Производител: Различни производители и серии имат разлики.
• Предназначение: Акумулатори за високи токове (power cells) имат много по-ниско вътрешно съпротивление от такива за висок капацитет (capacity cells).
• Температура: При по-ниски температури вътрешното съпротивление се повишава.
• Състояние на заряд (SoC): При много нисък или много висок заряд вътрешното съпротивление може леко да се повиши. За най-точни измервания се препоръчва акумулаторът да е около 50-80% зареден.

Ориентировъчни диапазони

Следват насочващи данни за определяне на качеството на различни типове батерии.

Литиево-йонни акумулатори (18650, 21700, 26650 и др.)

Тези акумулатори са много чувствителни към вътрешното съпротивление. Стойностите често се измерват в милиоми (mΩ).

Таблица с актуализирани ориентировъчни стойности за 18650/21700 според предназначението

Вътрешно съпротивление на литиеви „монетни“ батерии (CR2032, CR2016, CR2025 и др.)

Тези батерии са от тип първични литиеви батерии (непрезареждаеми). Техният химичен състав е различен (литиево-манганов диоксид обикновено) и са предназначени за много нисък разряден ток за изключително дълъг период (години).

• Предназначение: Часовници, компютърни дънни платки (CMOS батерии), малки дистанционни, играчки, медицински устройства с ниска консумация.
• Типично вътрешно съпротивление: Вътрешното съпротивление на тези батерии е значително по-високо от това на презареждаемите литиево-йонни акумулатори, но това е нормално за тяхното предназначение.

Важни уточнения за „монетните“ батерии:

• Висока чувствителност към измервателния уред: Някои тестери за вътрешно съпротивление, особено тези, предназначени за Li-ion акумулатори, може да не дават точни или надеждни показания за монетни батерии поради техния много висок импеданс и различни честотни характеристики.
• Фокус върху напрежението: При тези батерии често е по-практично да се разчита на измерване на напрежението под минимално натоварване, тъй като то спада значително, когато батерията е към края на живота си. Нова CR2032 е около 3V, докато под 2.8V вече се счита за изхабена за повечето приложения. Въпреки това, вътрешното съпротивление е по-добър индикатор за оставащия живот, отколкото само напрежението на празен ход.
• Те не са за висок ток: Опитът да се изтегли висок ток от такава батерия би довел до огромен спад на напрежението поради високото вътрешно съпротивление.

Разлики във вътрешното съпротивление според предназначението на литиево-йонните акумулатори

Литиево-йонните акумулатори от един и същи форм-фактор (например 18650) се произвеждат с различни цели, което пряко влияе на тяхното вътрешно съпротивление:

1. Акумулатори за висок ток (Power Cells):
   • Предназначение: Електрически инструменти, вейп устройства, дронове, електрически велосипеди/скутери – приложения, където е необходимо да се отдават големи токове за кратък или продължителен период.
   • Конструкция: Оптимизирани са за минимално вътрешно съпротивление чрез по-тънки сепаратори, по-голяма площ на електродите и материали с по-висока проводимост. Това обикновено е за сметка на капацитета.
   • Типично вътрешно съпротивление (ново): Много ниско, обикновено под 15 mΩ, често в диапазона 8−12 mΩ.
2. Акумулатори за висок капацитет (Capacity Cells):
   • Предназначение: Лаптопи, фенерчета, power banks, медицински устройства – приложения, където е важен максималният капацитет, а не толкова способността за отдаване на много висок ток.
   • Конструкция: Оптимизирани са за максимален капацитет чрез по-голямо количество активен материал. Това може да доведе до леко по-високо вътрешно съпротивление в сравнение с „power“ клетките.
   • Типично вътрешно съпротивление (ново): Умерено ниско, обикновено в диапазона 20−30 mΩ, макар че някои по-нови и ефективни модели могат да са и под 20 mΩ.
3. Акумулатори за нисък ток и дълъг живот (Low Drain / Long Life Cells):
   • Предназначение: Приложения, където е необходим много нисък, постоянен ток за дълъг период от време, като например часовници, дистанционни управления, сензори, бекъп батерии.
   • Конструкция: При тях фокусът е върху стабилността на напрежението, ниското саморазреждане и дългия живот при ниски натоварвания. Вътрешното съпротивление не е толкова критичен фактор, колкото при „power“ клетките, но все пак трябва да е в приемливи граници.
   • Типично вътрешно съпротивление (ново): По-високо от „power“ и „capacity“ клетките, но все пак в рамките на разумното за литиево-йонна технология. За 18650 или подобни клетки, стойности от 40−60 mΩ за нови клетки, предназначени само за много нисък ток, могат да се считат за нормални. Важно: Стойности над 100 mΩ за 18650 дори и за този тип, ще означават деградация.

Допълнителни бележки за Li-ion батерии:

• Нови акумулатори: Винаги ще имат най-ниското вътрешно съпротивление.
• Паралелно свързани: При паралелно свързани клетки е критично всички да имат сходно вътрешно съпротивление, за да се балансира натоварването и да се предотврати претоварване на по-слабите клетки. При такова свързване общото съпротивление е по-малко (пресмята се като при паралелни резистори) и съответно може да отдават по-голям ток при същото напрежение.
• LiFePO4 (Литиево-желязо-фосфатни): Тези акумулатори обикновено имат по-ниско вътрешно съпротивление от стандартните Li-ion, особено когато са предназначени за високи токове. Например, нов LiFePO4 акумулатор 32650 може да има вътрешно съпротивление под 5 mΩ.

• Снабдявайте се с акумулатори от производители, които гарантират определено вътрешно съпротивление в спецификациите си. Избягвайте „преопаковчици“ на акумулатори, колкото и да ги хвалят във форумите и ревютата. Твърдение, че 200 mΩ може да е добро вътрешно съпротивление за 18650, е невярно – това е твърде висока стойност дори и за акумулатори за слаб ток. При 200 mΩ акумулатор 18650, независимо от предназначението си, би бил силно деградирал и с много ограничен капацитет и мощност, на практика неизползваем.

Никел-метал-хидридни (NiMH) и Никел-кадмиеви (NiCd) акумулатори

Тези акумулатори обикновено имат по-високо вътрешно съпротивление от литиево-йонните, особено при по-малките размери (AA, AAA).

Допълнителни бележки за NiMH/NiCd:

• „Ефект на паметта“ и кристализация: Тези ефекти могат да повишат вътрешното съпротивление.
• При тях са важни границите на разряд-заряд  при първоначалната експлоатация заради ефекта на паметта.

Оловно-киселинни акумулатори (автомобилни, някои стационарни и др.)

При автомобилните акумулатори вътрешното съпротивление е изключително ниско и се измерва в микрооми (μΩ) или десети от милиома (mΩ). То е ключов показател за способността на акумулатора да отдаде висок стартов ток (CCA – Cold Cranking Amps).

Допълнителни бележки за оловно-киселинни батерии:

• Състояние на заряд: При тези акумулатори състоянието на заряд оказва значително влияние върху вътрешното съпротивление. Измерванията трябва да се правят при напълно зареден акумулатор.
• Температура: При ниски температури вътрешното съпротивление значително се повишава, което е причина за трудности при стартиране на автомобил през зимата.
• Сулфатизация: Това е основна причина за повишаване на вътрешното съпротивление при оловно-киселинните акумулатори.

Общи съвети и заключения

• Измервайте с един и същ уред: За да получите най-надеждни резултати, винаги използвайте един и същ тестер за вътрешно съпротивление. Различни уреди могат да дават леко различаващи се показания.
• Консистентност: Измервайте при сходни условия – температура и състояние на заряд (за Li-ion около 50-80%, за оловно-киселинни напълно зареден).
• Комбинирайте с други показатели: Вътрешното съпротивление е отличен показател, но не е единственият. Комбинирайте го с измерване на капацитета (особено за Li-ion), напрежението под товар и визуална инспекция (за подуване, течове и др.).
• Проследявайте развитието: Най-добрата оценка за състоянието на акумулатора се получава, когато проследявате вътрешното му съпротивление през времето. Ако започне бързо да се повишава, това е сигурен знак за деградация.
• Мерна единица: Внимавайте с мерните единици – милиоми (mΩ) и микрооми (μΩ). 1 mΩ=1000μΩ.

Използване на FNIRSI HRM-10: Практически аспекти

FNIRSI HRM-10 е популярен и сравнително достъпен тестер за вътрешно съпротивление на батерии и с него може лесно на практика да разберем дали акумулаторът е отличен, добър или повреден.

Той използва AC (променливотоков) метод при 1 kHz, което е стандартен и надежден подход за измерване на вътрешно съпротивление на акумулатори. Важно е, че той е четирипроводен (Kelvin) тестер, което е от ключово значение за точността. Четирипроводното измерване елиминира влиянието на съпротивлението на измервателните кабели и контакта с клемите на батерията, което е основен източник на грешки при по-простите двупроводни методи.

Като цяло, можеш да се очаква, че FNIRSI HRM-10 ще дава доста точни и надеждни резултати за цената си, особено за литиево-йонни акумулатори от типовете 18650, 21700, 26650, както и за автомобилни акумулатори.

Препоръчително е да се имат предвид следните особености,  за да сме убедени дали акумулаторът е отличен, добър или повреден:

1. Точност при екстремни стойности:
   • Много ниски съпротивления (под 1 mΩ): Въпреки че HRM-10 е доста добър, при измерване на вътрешно съпротивление на нови, висококачествени автомобилни акумулатори (които може да паднат под 2-3 mΩ), може да има леки отклонения от идеалните лабораторни уреди. За ежедневна употреба и определяне на състоянието обаче, разлика от 0.1−0.2 mΩ няма да е фатална.
   • Много високи съпротивления (над 1-2 ома): Макар и да може да измерва до 200 ома, при монетни батерии (CR2032 и подобни), чието съпротивление може да е стотици милиоми до няколко ома, резултатите може да са по-малко стабилни или да варират повече. Това не е проблем на уреда конкретно, а на спецификата на тези батерии и факта, че тестерите са оптимизирани за по-ниски стойности.
2. Калибриране: Въпреки че FNIRSI HRM-10 идва фабрично калибриран, с течение на времето или при екстремни условия на употреба, точността може леко да се измести. Уредът има възможност за калибриране, което е плюс. За максимална прецизност, периодична проверка с известен прецизен резистор (или друг калибриран уред) би била много полезна.
3. Температура: Както споменахме, температурата оказва силно влияние върху вътрешното съпротивление. Уверете се, че акумулаторите, които тествате, са на стайна температура (около 20−25∘C) за най-консистентни и сравними резултати. Ако тествате батерия, която току-що е била използвана интензивно (и е загрята) или е била на студено, резултатите ще бъдат изкривени.
4. Състояние на заряд (SoC): Макар и AC методът да е по-малко чувствителен към SoC от DC метода, все пак е препоръчително Li-ion акумулатори да се тестват при сходно състояние на заряд (например 50−80%). При оловно-киселинните батерии пък е задължително да са напълно заредени за адекватна оценка.
5. Контакт с клемите: Въпреки че е четирипроводен, лошият контакт между сондите/щипките и клемите на батерията може да доведе до неточни и/или променливи показания. Уверете се, че клемите са чисти и имате стабилен, плътен контакт.
6. „Шум“ в измерването: В някои случаи, особено при по-малки стойности на вътрешното съпротивление или при наличие на смущения, може да се забележат леки колебания в показанията. Това е нормално за повечето ръчни уреди. Подходът в този случай е да се направят няколко измервания и да се усредни резултата, ако е необходимо.

Общи впечатления от FNIRSI HRM-10:

• Предимства:
  • Четирипроводен метод (Kelvin connection): Отлична основа за прецизни измервания.
  • 1 kHz AC измерване: Стандарт за индустрията.
  • Широк обхват: Позволява тестване на различни типове батерии – от малки литиево-йонни до автомобилни.
  • Функция за сортиране: Позволява задаване на прагове за „добри“ и „лоши“ батерии, което е много полезно за сортиране на голям брой клетки.
  • Цена/производителност: Предлага много добра функционалност за ценовия си клас.
• Недостатъци (обикновено леки):
  • Може да изисква малко време за свикване с менютата.
  • Както при всеки уред, може да има малки вариации между отделни бройки.

Заключение

FNIRSI HRM-10 е много добър избор за практическо използване. Теорията, която обсъдихме, е напълно приложима към неговите измервания. Не очаквайте значителни разлики, които да обезсмислят теорията, но трябва и да сте наясно с факторите, които могат да повлияят на точността на измерването (температура, SoC, контакт) и да ги минимизирате според възможностите си и обстоятелствата, за да получите най-надеждни резултати.

Ако спазвате тези основни правила, FNIRSI HRM-10 ще бъде изключително полезен инструмент за оценка на състоянието на акумулаторите и ще помага да взимате информирани решения кои от тях са все още годни за употреба и кои трябва да бъдат отстранени.

Последни думи

Всички данни от тази статия са само отправна точка. Препоръчително е да се събират данни от собствената практика и реален опит на доверени хора от радиолюбителската общност за вътрешното съпротивление и капацитета на акумулаторните батерии, от които да се правят изводи за тяхното качество. Потребителските ревюта, освен ако не са подкрепени с реални измервания, не са най-добрия източник за информирано решение.

Според досегашния ми опит трябва да се купуват акумулатори единствено от производители, които не се страхуват да публикуват реалните данни за своите батерии. Т.нар. „преопаковчици“, ако изобщо публикуват някакви спецификации, то те са нереални и често очевидно фалшиви, но с примамлива цена. Но няма и никаква гаранция, че ако техни батерии са по-скъпи, то са по-качествени.

Дали акумулаторът е отличен, добър или повреден?

Надяваме се това мое проучване да ви е било полезно и ще се радвам да споделите мнението си в коментарите, без значение какво е то.

Материалът Дали акумулаторът е отличен, добър или повреден? Как да разберем чрез измерване на вътрешното съпротивление е публикуван за пръв път на Галя и Тони - Галанто.