Как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора

20

Как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора

Если замкнуть плюс и минус аккумулятора, то получим ток короткого замыкания Ie = U / Re , как будто внутри есть сопротивление Re . Внутреннее сопротивление зависит от электрохимических процессов внутри элемента, в том числе и от тока.

При слишком большом токе аккумулятор испортится, и даже может взорваться. Поэтому не замыкайте плюс и минус. Достаточно мысленного эксперимента.

Величину Re можно оценить косвенно по изменению тока и напряжения на нагрузке Ra . При небольшом уменьшении сопротивления нагрузки Ra до Ra‑dR ток увеличивается от Ia до Ia+dI. Напряжение на выходе элемента Ua=Ra×Ia при этом уменьшается на величину dU = Re × dI . Внутреннее сопротивление определяется по формуле Re = dU / dI

Для оценки внутреннего сопротивления аккумулятора или батарейки я добавил в схему измерителя ёмкости резистор 12ом и тумблер (ниже на схеме показана кнопка), чтобы изменять ток на величину dI = 1.2 V / 12 Ohm = 0.1 А . Одновременно нужно измерять напряжение на аккумуляторе или на резисторе R .

Можно сделать простую схему только для измерения внутреннего сопротивления по образцу, показанному на рисунке внизу. Но всё же лучше сначала немного разрядить аккумулятор, и после этого измерить внутреннее сопротивление. В середине разрядная характеристика более пологая, и измерение будет более точным. Получится «среднее» значение внутреннего сопротивления, которое остаётся стабильным достаточно большое время.

Пример определения внутреннего сопротивления

Подключаем аккумулятор и вольтметр. Вольтметр показывает 1.227V . Нажимаем кнопку: вольтметр показывает 1.200V .
dU = 1.227V — 1.200V = 0.027V
Re = dU / dI = 0.027V / 0.1A = 0.27 Ohm
Это внутреннее сопротивление элемента при токе разряда 0.5А

Тестер показывает не dU, а просто U. Чтобы не ошибиться в устном счёте, я делаю так.
(1) Нажимаю кнопку. Аккумулятор начинает разряжаться, и напряжение U начинает уменьшаться.
(2) В момент, когда напряжение U достигнет круглой величины, например 1.200V, я отжимаю кнопку, и сразу вижу величину U+dU, например 1.227V
(3) Новые цифры 0.027V — и есть нужная разница dU.

По мере старения аккумуляторов их внутреннее сопротивление увеличивается. В какой-то момент вы обнаружите, что ёмкость даже свежезаряженного аккумулятора невозможно измерить, так как при нажатии кнопки Start реле не включается и часы не запускаются. Это получается потому, что напряжение на аккумуляторе сразу снижается до 1.2V и менее. Например, при внутреннем сопротивлении 0.6 ом и токе 0.5 А падение напряжения составит 0.6×0.5=0.3 вольта. Такой аккумулятор не может работать при токе разряда 0.5А, который требуется, например, для кольцевой светодиодной лампы. Этот аккумулятор можно использовать при меньшем токе — для питания часов или беспроводной мышки. Именно по большой величине внутреннего сопротивления современные зарядные устройства, вроде MH-C9000, определяют, что аккумулятор неисправен.

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора

Для оценки внутреннего сопротивления АКБ можно использовать лампу от фары. Это должна быть лампа накаливания, например, галогеновая, но не светодиодная. Лампа 60вт потребляет ток 5А.

При токе 100А на внутреннем сопротивлении АКБ не должно теряться более 1 Вольта. Соответственно, при токе 5А не должно теряться более 0.05 Вольта (1В * 5А / 100А). То есть, внутреннее сопротивление не должно превышать 0.05В / 5А = 0.01 Ома.

Подключите параллельно аккумулятору вольтметр и лампу. Запомните величину напряжения. Отключите лампу. Обратите внимание, насколько увеличилось напряжение. Если, допустим, напряжение возросло на 0.2 Вольта (Re = 0.04 Ома), то аккумулятор испорчен, а если на 0.02 Вольта (Re = 0.004 Ома), то он исправен. При токе 100А потеря напряжения будет всего 0.02В * 100А / 5А = 0.4В

Как замерить внутреннее сопротивление аккумулятора

Внутреннее сопротивление это одна из важнейших характеристик аккумулятора. Чем меньше этот показатель, тем больший ток аккумулятор способен отдавать в нагрузку.

Если взять два аккумулятора одинаковой ёмкости с разным внутренним сопротивлением и разрядить их на нагрузку одинаковой мощности, энергии на нагрузке выделится не одинаковое количество. Часть энергии выделится на аккумуляторе в виде тепла. Аккумулятор с бОльшим внутренним сопротивлением будет греться больше и отдаст меньше энергии. При сборке аккумуляторной батареи также важно подобрать элементы по внутреннему сопротивлению, как и по ёмкости, чтобы добиться максимально эффективной работы.

Как внутреннее сопротивление влияет на производительность аккумулятора.

Схема из аккумулятора и резистора, как на рисунке выше поможет объяснить то, для чего мы здесь собрались.

Напряжение аккумулятора U=3,7 В, ёмкость 3 А/ч (для упрощения расчетов аккумулятор будет выдавать на всём протяжении разряда одинаковое напряжение), сопротивление резистора Rнагр=1 Ом. Условно представим что они соединены идеальными проводами с нулевым сопротивлением. Сопротивление амперметра также нулевое. Сопротивление вольтметра бесконечно велико. То есть амперметр, вольтметр и провода никаких влияний на нашу цепь не оказывают. Ток течет только через аккумулятор и нагрузку.

По закону Ома сила тока в цепи должна быть I=U/Rнагр, то есть 3,7/1=3,7А, но амперметр покажет меньший ток, к примеру 3 ампера. Это произошло из-за того, что в цепи есть ещё одно сопротивление – сопротивление аккумулятора. Идеальных источников тока, как и идеальных проводов, амперметров и других вещей в реальности не бывает.

Мы можем найти это сопротивление используя тот же закон Ома:

Rвн=U/I-Rнагр=3,7/3-1=0,23 Ом

А теперь посчитаем сколько мощности выделится на аккумуляторе в виде тепла за 1 час (за такое время он отдаст весь заряд):

P=I 2 *Rвн=3*3*0,23=2,07 Вт

На резисторе в то же время выделится:

3*3*1=9 Вт, (а могло бы быть, в случае с идеальным аккумулятором – 3,7*3,7*1=13,69 Вт)

Общий выход мощности на аккумуляторе и нагрузке составит Pобщ=2,07+9=11,07 Вт

Учитывая то, что в ячейке 18650 может быть запасено около 9 – 12,5 Вт энергии, из которых 2 Вт уйдут в нагрев, перспектива использования оказывается непривлекательной. Аккумулятор будет перегреваться. В реальных условиях аккумулятор с таким большим внутренним сопротивлением уже пора отправить на покой, либо разряжать низким током. Например при разряде током 1А картина будет немного лучше:

P=I 2 *Rвн=1*1*0,23=0,23 Вт, за время полного разряда (3А/ч израсходуется за 3 часа) 0,23*3=0,69 Вт

Такой ток будет в цепи с нагрузкой сопротивлением Rнагр=3,47 Ом и на нагрузке мощности выделится уже больше:

P=I 2 *Rнагр=1*1*3,47=3,47 Вт, за 3 часа – 3,47*3=10,41 Вт (вместо 9 как прошлый раз)

В сумме получим такую же общую мощность Pобщ=0,69+10,41=11,1 Вт (погрешность в 0,03 Вт получилась из-за округления при расчетах)

Именно поэтому необходимо учитывать внутреннее сопротивление аккумулятора и чем мощней нагрузка, тем оно должно быть ниже для эффективной и безопасной работы.

Более реалистичные сопротивления у современных среднетоковых литий ионных аккумуляторов, например формата 18650 составляет порядка 40 мОм (милли Ом), у высокотоковых – менее 30 мОм.

Измерение внутреннего сопротивления.

Существует несколько методик измерения внутреннего сопротивления. Две из них прописаны в ГОСТ Р МЭК 61960-2007. Перед замером любым из приведенных ниже методов аккумулятор должен быть полностью заряжен. Испытания проводятся при температуре 20±5ºC.

Измерение внутреннего сопротивления методом переменного тока (а.с.)

С помощью этого метода измеряется импеданс, который на частоте 1000 Гц приблизительно равен сопротивлению.

Электрический импеданс (комплексное электрическое сопротивление) (англ. impedance от лат. impedio «препятствовать») — комплексное сопротивление между двумя узлами цепи или двухполюсника для гармонического сигнала.

Описание методики из ГОСТ

В течение одной – пяти секунд измеряем среднеквадратичное значение переменного напряжения Urms, возникающего при прохождении через аккумулятор переменного тока со среднеквадратичным значением Irms , следующего с частотой 1000 Гц. Внутреннее сопротивление Ra.c., Ом рассчитываем по формуле Ra.c.= Urms / Irms .

Irms (rms – Root Mean Square – среднеквадратичное значение).

Переменный ток должен иметь такое значение, чтобы пиковое напряжение не превышало 20 мВ.

Этот метод сложно воплотить в домашних условиях без специального оборудования. Популярный прибор YR1035 отлично справляется с измерениями с точностью 0,01 мОм. Зарядные устройства SKYRC MC3000 ,Opus BT-C3100V2.2, Liitokala Lii-500 также измеряют методом АС, но весьма с посредственной точностью.

Измерение внутреннего сопротивления методом постоянного тока (d.c.)

Этот метод возможно выполнить в домашних условиях с помощью обычных вольтметра и амперметра и пары подходящих нагрузочных сопротивлений. В качестве сопротивлений вполне можно использовать несколько автомобильных ламп накаливания или импровизированный резистор из нихромовой проволоки.

Описание метода из ГОСТ

• Разряжаем аккумулятор постоянным током I1= 0,2 Iн. На десятой секунде измеряем значение напряжения U1 на клеммах аккумулятора.
• Увеличиваем разрядный ток до значения I2=Iн. На следующей секунде измеряем значение напряжения U2 на клеммах аккумулятора.

Внутреннее сопротивление Rd.c., Ом рассчитываем по формуле Rd.c. = (U1-U2)/(I2-I1)

• Iн – номинальный ток разряда аккумулятора.

Сопротивление R1 и R2 подбирается таким образом, чтобы протекали токи I1 и I2 нужной величины. Ориентироваться нужно на номинальный разрядный ток аккумулятора.

Вольтметр необходимо подключать непосредственно на полюса источника, чтобы исключить влияние от падения напряжения на проводах .

От чего зависит внутреннее сопротивление аккумуляторов.

Производство.

Изначально, на этапе производства аккумуляторов этот параметр конечно заложен в “рецепт”. Ячейка может быть либо мощной и отдавать большой ток (низкое внутреннее сопротивление), либо более энергоёмкой. При условии одинаковых прочих составляющих (компонентов электродов, химии электролита итд.) в более ёмких ячейках необходима бОльшая площадь обкладок. И для того, чтобы эта конструкция уместилась в предоставленный объём, необходимо эти обкладки сделать тоньше. И наоборот. Тонкие обкладки естественно имеют большее сопротивление.

Также влияют и расстояние между электродами, толщина и вещество их обмазки, толщина сепаратора, химия электролита и множество других факторов. Из-за производственного брака ячейки, сделанные по одному “рецепту” могут отличаться как по внутреннему сопротивлению, так и по ёмкости, сроку жизни итд. Из-за длительного и неправильного хранения по пути к потребителю качество также страдает.

Эксплуатация.

Rвн изменяется в зависимости от степени заряженности аккумулятора. При низком и высоком уровне заряда растёт, в среднем – минимально.

Температура электролита (чем холоднее тем выше сопротивление). При отрицательных температурах большинство литий-ионных и литий-полимерных ячеек на столько увеличивают внутреннее сопротивление, что использовать их становится невозможно. Литий-железо-фосфатные и литий-титанатные при таких условиях ведут себя гораздо лучше.

Также в процессе эксплуатации, по мере износа элемента Rвн будет увеличиваться.

Об Измерении Внутреннего Сопротивления Аккумулятора

Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.

Последние посетители 0 пользователей онлайн

• Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу

• Ответов 67
• Создана 12 г
• Последний ответ 8 г

Топ авторов темы

Юрий В 24 постов

Стальной 8 постов

Григорий Т. 8 постов

cordially 9 постов

Популярные посты

cordially

С этой формулы тема и началась Rвн = (Uхх-Uн)/Iн Это нормальная оценка для проверки исправности аккумулятора. А более точная формула Rвн = dU/dI Чтобы товарищ cuzikov не огорчался, дальнейшие расс

Стальной

На математике помешался. Хоть бы думал, что писал. Выходит, что при постоянном токе сопротивление равно нулю) Дифференциальное сопротивление приплел зачем-то

Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора и как его измерить

Какой ток может выдать аккумулятор, зависит не только от напряжения батареи, но и от её ёмкости. Этот параметр напрямую связан с внутренним сопротивлением аккумулятора. При разряде батареи оно увеличивается, а при заряде – снижается. То же самое происходит при износе и обслуживании аккумулятора.

Поэтому иногда возникает необходимость в измерении этого параметра, чтобы судить о степени работоспособности источника энергии. Также бывает нужно знать внутреннее сопротивление АКБ для определения максимального тока, который может развить источник энергии в нагрузке.

Формула для расчёта

Теоретически внутреннее сопротивление рассчитывается с помощью закона Ома для полной цепи. Искомым является r – внутреннее сопротивление АКБ:

• E — напряжение аккумулятора, в вольтах;
• I — ток в цепи, в амперах;
• R — номинал добавочного резистора, в омах.

Электрическая проводимость компонентов аккумулятора зависит ещё и от тока в цепи. Поэтому для определения более точного его значения измерения желательно делать на токе, находящемся в диапазоне номинального значения для данной АКБ. Однако здесь возникает проблема: для мощных аккумуляторов требуется мощный резистор. А известно, что при нагревании токопроводящего слоя меняется его номинал. Поэтому данный метод подходит в основном для контроля внутреннего сопротивления маломощных аккумуляторов.

Нагрузочной вилкой

С помощью нагрузочной вилки можно судить о параметрах мощного аккумулятора, например, автомобильного. Точно измерить проводимость этим прибором не удастся, так как реальное сопротивление нагрузочной спирали измерителя в момент тестирования определить сложно. Поэтому можно пользоваться примерным значением, указанным в характеристиках прибора. Например, нагрузочные вилки с током до 100А имеют сопротивление нагрузки 0,2 Ом, а с током 200А – 0,1 Ом. Впрочем, значение можно измерить или оно написано на самом приборе.

Зависимость напряжений на аккумуляторе при измерении нагрузочной вилкой указана в таблице.

Грубо определить искомый параметр можно соотношением изменения напряжений теста с нагрузкой и без неё. Например, если измерения делались прибором с нагрузочным сопротивлением 0,1Ом и он зафиксировал 8,5В, а без нагрузки напряжение было 12В, то коэффициент составляет: 8,5/12=0.7. Значит, внутреннее сопротивление равно 0,7×0,1=0,07 Ом. Более реалистично оно определяется по этой методике, если точно замерить сопротивление шунта нагрузочной вилки сразу после теста аккумулятора, пока спираль не остыла.

Определение

Чтобы иметь представление о внутреннем сопротивлении аккумулятора, можно его рассчитать. Для этого достаточно использовать значения параметров, указанных в характеристиках устройства. Они прямо пропорциональны напряжению и обратно пропорциональны току: R=U/I.

Способы измерения

Проводимость любой батареи обусловлена несколькими последовательно включенными проводниками, обладающими электрическими сопротивлениями. Поэтому эквивалентная схема аккумулятора состоит из источника энергии и последовательно включенного резистора, которым является необходимый для определения параметр.

Как узнать его общий номинал, если электрически он связан с источником энергии? Для этого есть несколько способов измерения:

• По закону Ома для полной цепи.
• Через пропорцию соотношения напряжения и тока в цепях с разными добавочными сопротивлениями.

Почему омметр не поможет

Стандартные омметры определяют характеристику проводимости только для пассивных цепей, без ЭДС. Измерение сопротивления в них происходит путём регистрации тока, вызванного потенциалом падения опорного напряжения на измеряемом резисторе в цепи с добавочным. Поэтому дополнительное напряжение аккумулятора при попытке установления его сопротивления неминуемо вызовет ошибку. При таком «измерении» ЭДС тестируемого источника энергии может вывести из строя добавочный резистор омметра и даже компаратор измерительного каскада. А в стрелочных приборах – стрелочный индикатор.

С помощью вольтметра и резисторов

Исходя из вышесказанного внутреннее сопротивление АКБ измерятся другими приборами. Например, вольтметром с двумя добавочными резисторами. Для этого используется схема, изображённая на картинке.

Как найти внутреннее сопротивление – из пропорции. Формула для расчёта следующая:

R=(U1-U2)/(I2-I1). При этом учитывают мощность резисторов и процентное отклонение их номинала при изменении температуры токопроводящего слоя.

Специализированными приборами

Некоторые зарядные устройства содержат измеритель внутреннего сопротивления аккумулятора. Есть отдельные приборы, которые рассчитаны на определение этого параметра:

• В кислотных АКБ.
• Для щелочных аккумуляторов.
• Для литиевых элементов.
• Комплексные.

Принцип измерения в этих устройствах может быть разным. Обычно используются программные компоненты на базе микроконтроллеров, которые сканируют требуемые параметры цепи и выдают нужный результат на ЖК-дисплей. Сложностей в измерении у таких устройств меньше, чем их индикация. Достоинство – возможность хранения результатов тестирования и отображение графиков изменения параметра.

Каким должно быть — примеры из практики

Для АКБ допустимо, если внутреннее сопротивление отклоняется от паспортных данных на 5 – 10%.

У автомобильного АКБ

Для автомобильного источника и хранителя энергии ёмкостью около 60 А×ч норма внутреннего сопротивления составляет:

• 7 – 4 мОм — для нового аккумулятора;
• 7 – 10 мОм — для подержанного с начавшимися процессами сульфатизации;
• 10 – 13 мОм — практически не применяемого в морозы.

Об аккумуляторах с другими значениями ёмкости информирует таблица.

Таблица зависимости внутреннего сопротивления от ёмкости автомобильного аккумулятора

У литиевого аккумулятора

Для li-ion-батарей 18650 внутреннее сопротивление 10 мОм и ниже считается высоким показателем. Такой параметр у приборов из линейки высокотоковых. Многие литиевые аккумуляторные элементы 18650 имеют сопротивление 15 – 22 мОм и выше, что является нормой. У батарей больших габаритов меньшее значение этого параметра.