По существующим нормам, основными критериями технического состояния аккумуляторов являются ее фактическая емкость и величина напряжения на элементе всей группы батарей при протекании токов нагрузки. Дело в том, что измерение емкости аккумуляторов требует больших затрат времени и приводит к снижению надежности системы постоянного тока во время проведения испытаний, особенно на тех объектах, на которых нет резервной аккумуляторной батареи и отключение группы батарей от оборудования питания чревато обесточиванием непрерывно работающего дорогостоящего оборудования. Измерение величины снижения напряжения на аккумуляторах при протекании тока требует меньших затрат времени, но не обеспечено необходимым, серийно выпускаемым измерительным оборудованием.
По сути, величина снижения напряжения на элементах аккумуляторной батареи при протекании токов, определяется внутренним сопротивлением элементов.
Полное сопротивление свинцово-кислотного аккумулятора – это сумма таких величин, как сопротивление поляризации и омическое сопротивление. Омическое сопротивление является суммой сопротивлений сепараторов аккумулятора, электродов, положительного и отрицательного выводов, мостовых сварных 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 активной массы.
При этом, как известно, у аккумуляторов большей емкости больше рабочая поверхность пластин и больше пространства для диффузии электролита внутри аккумулятора. Поэтому внутреннее сопротивление аккумуляторов большой емкости меньше, чем внутреннее сопротивление аккумуляторов меньшей емкости.
Кроме того, внутреннее сопротивление аккумуляторов зависит и от токов нагрузки. Например, внутреннее сопротивление аккумулятора при больших токах нагрузки в несколько раз меньше, чем внутреннее сопротивление того же аккумулятора при малых токах.
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 активной массы пластин и существенно уменьшает диффузию серной кислоты из электролита в них.
Существенное влияние на сопротивление свинцово-кислотного аккумулятора оказывает и величина сопротивления электролита. Эта величина, в свою очередь, сильно зависит от концентрации и температуры электролита. Так, при уменьшении температуры сопротивление электролита растет и достигает бесконечности при его замерзании. И, наоборот, при высокой температуре скорость диффузии ионов электролита выше и внутреннее сопротивление аккумулятора ниже.
Наиболее оптимальным значением является установленная производителем плотность электролита при температуре 20-25°С, при которой внутреннее сопротивление принимает минимальное значение. При уменьшении или увеличении плотности электролита его сопротивление увеличивается, а, следовательно, растет и внутреннее сопротивление аккумулятора.
Поскольку емкость аккумуляторной батареи связана с ее внутренним сопротивлением и, получив опытным путем значение внутреннего сопротивления, можно оценить и емкость самой аккумуляторной батареи. Так, если внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи увеличилось в 2 раза, то можно предположить, что емкость аккумуляторной батареи уменьшилась примерно в 2 раза.
Другими словами, внутреннее сопротивление батареи определяет ее способность отдавать в нагрузку большой ток. Эта зависимость подчиняется закону Ома. При низком значении внутреннего сопротивления батарея способна отдавать в нагрузку большой пиковый ток (без существенного уменьшения напряжения на ее выводах), а значит, и большую пиковую мощность, в то время как высокое значение внутреннего сопротивления приводит к резкому уменьшению напряжения на выводах батареи при резком увеличении тока нагрузки. Это приводит к тому, что внешне хороший аккумулятор не может полностью отдать запасенную в нем энергию в нагрузку.
Регулярность измерений внутреннего сопротивления обеспечивает возможность прогнозирования выработки ресурса аккумуляторной батареи, и планировать ее замену заблаговременно. Считается, что за 1 год сопротивление аккумуляторной батареи, при правильной эксплуатации, должно возрастать, исходя из срока службы, например, в 15 лет, не более, чем на 6-7%. Если скорость увеличения сопротивления элементов превышает ожидаемую, то анализируются условия эксплуатации аккумуляторной батареи, нагрузка, процесс подзаряда и другие. Элементы аккумуляторной батареи, сопротивление которых отличается от среднего, вычисляемого для всех элементов, более чем на 10% подвергаются тренировочному заряду, а, если он не дает нужного эффекта, считаются неисправными и нуждающимися в замене. Тренировочный заряд проводится не всех элементах аккумуляторной батареи от штатного зарядно-подзарядного устройства, а индивидуально, только тех элементов, которые в этом нуждаются, от переносного зарядного устройства.
При обследовании аккумуляторной батареи кроме внутреннего сопротивления ее элементов измеряются сопротивления и межэлементных соединений. Это позволяет своевременно выявлять характерные дефекты, обусловленные коррозией токовыводов аккумуляторов.
Государственный стандарт ГОСТ Р МЭК 60896-2-99 «Свинцово-кислотные стационарные батареи. Общие требования и методы испытаний», соответствующий рекомендациям МЭК, предусматривает определение внутреннего сопротивления аккумуляторов по двум значениям разрядного тока и напряжения. При этом разрядный ток первой ступени выбирается в зависимости от тока десятичасового режима разряда и равен (4–6) I10, напряжение регистрируется на 20 секунде разряда. Ток второй ступени выбирается из расчета (20–40) I10, напряжение регистрируется на 5 секунде разряда. Далее линейной экстраполяцией определяются расчетная ЭДС и ток короткого замыкания аккумулятора. По полученным данным определяют внутреннее сопротивление аккумулятора.
По этой методике проводят испытания многие отечественные аккредитованные специализированные испытательные центры и лаборатории, у которых оборудование позволяет провести это опытным путем.
Обычному пользователю при наличии специального оборудования достаточно измерить внутреннее сопротивление для оценки состояния аккумуляторной батареи в целом. В то же время на сегодняшний день самым объективным способом оценки состояния аккумуляторных батарей является их контрольный 20- или 10-часовой разряд в соответствии с данными тока разряда и конечного напряжения разряда разрядных таблиц завода-изготовителя.
Таким образом, внутреннее сопротивление аккумуляторных батарей является условной величиной. Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой нелинейное устройство, внутреннее сопротивление которого не остается постоянным, а меняется в зависимости от температуры, величины нагрузки, степени заряженности, концентрации электролита и прочих вышеперечисленных параметров. Поэтому для проведения точных расчётов аккумулятора желательно все-таки использовать разрядные кривые, а не величину внутреннего сопротивления.