Как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора мультиметром. Измеряем внутреннее сопротивление аккумулятора
Эксплуатация цифрового фотоаппарата с никель - кадмиевыми и никель - металлогидридными щелочными герметичными цилиндрическими аккумуляторами типоразмера АА подтолкнула меня к осознанию необходимости изготовления устройства для определения внутреннего сопротивления аккумулятора. В цифровом фотоаппарате аккумулятор работает при достаточно больших токах разряда – 300 – 600 мА. Практикой определено, что автоматика цифровых фотоаппаратов некорректно определяет остаточную ёмкость аккумулятора и выключает фотоаппарат. А аккумуляторы, вынутые из фотоаппарата, ещё приходится разряжать в менее привередливых устройствах: в фонариках, игрушках, плеерах.
Определение внутреннего сопротивления аккумулятора, надеюсь, мне даст возможность определять на практике пригодность конкретного аккумулятора к работе в цифровом фотоаппарате. Реклама в этом вопросе оказалась плохим подсказчиком, если еще учесть, что электродвижущая сила никель - кадмиевых аккумуляторов равна 1,2 вольта, а электродвижущая сила никель - металлогидридного аккумуляторов равна 1,25 вольта (по данным Википедии).
Методологию измерения внутреннего сопротивления аккумуляторов я в основном использовал из документа – Гост Р МЭК 60285-2002 «Аккумуляторы никель - кадмиевыми герметичные цилиндрические».
Я использовал сопротивление 12 Ом. Собрал из них и тумблера 2 разрядные цепи. Разрядные токи получились около 100 мА, 300 мА. Для измерения напряжения на сопротивлениях я использовал мультиметр APPA93N на диапазоне 2 Вольта. Собирал схему из того, что было. Резисторов меньшего сопротивления я не нашел. Корпус я использовал от старого микрокалькулятора. Сопротивление я установил на кусок макетной платы. Опытным путем выяснил, что для оценки качества источников питания лучше увеличить токи разряда.
Схема измерителя внутреннего сопротивления никель - кадмиевых, никель - металлогидридных щелочных герметичных цилиндрических аккумуляторов и щелочных батареек типоразмера АА:
Готовый измеритель внутреннего сопротивления никель - кадмиевых, никель - металлогидридных щелочных герметичных цилиндрических аккумуляторов и щелочных батареек типоразмера АА:
Первое испытание никель - металлогидридными щелочными герметичными цилиндрическими аккумуляторами типоразмера АА фирмы Pleomax ёмкостью 2300 мАч. Напряжение (U1) на аккумуляторе, нагруженном на резисторе 12 Ом, составило 1,271 Вольта. Используя закон Ома, определяем силу тока в цепи (I1) . Сила тока равна 0,105917 Ампера или 105,917 мА. Переключаем тумблер. Напряжение (U2) на аккумуляторе, нагруженном на резисторе 4 Ом, составило 1,175 Вольта. Используя закон Ома, определяем силу тока в цепи (I2). Сила тока равна 0,29375 Ампера или 293,75 мА. Используя формулу для определения внутреннего сопротивления аккумулятора из Госта Р МЭК 60285-2002 «Аккумуляторы никель - кадмиевыми герметичные цилиндрические» (Uвн=U1-U2/I2-I1), рассчитываем его – 0,511 Ом. Расчеты я автоматизировал. Для этого создал файл Wicrosoft Exel – расчеты.xlsx.
Расчеты.rar
В этом файле можно подставить измеренные значения напряжения U1, U2 и ваши значения нагрузочных сопротивлений и получить результат вычисления – внутреннее сопротивление аккумулятора или батарейки.
У меня скопилось небольшое количество аккумуляторов. Решил я их протестировать. Результаты тестирования я занес в таблицу.
У них больше рабочая поверхность пластин и больше пространства для диффузии электролита внутри аккумулятора. Поэтому внутреннее сопротивление аккумуляторов большой меньше, чем внутреннее сопротивление аккумуляторов меньшей .
И змерения внутреннего сопротивления аккумуляторов на постоянном и переменном токе показывают, что внутреннее сопротивление аккумулятора сильно зависит от частоты. Ниже приводится график зависимости проводимости аккумуляторов от частоты, который взят из работы австралийских исследователей.
И з графика следует, что внутреннее сопротивление свинцового аккумулятора имеет минимум при частотах порядка сотен герц.
П
ри высокой температуре скорость диффузии ионов
электролита выше, чем при низкой. Эта зависимость имеет линейный характер. Она и
определяет зависимость внутреннего сопротивления аккумулятора от температуры.
При более высокой температуре, внутреннее сопротивление аккумулятора ниже,
чем при низкой температуре.
В
о 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.
4. Можно ли использовать внутреннее сопротивление аккумулятора для ?
У же довольно давно известны приборы для проверки аккумуляторов, принцип действия которых базируется на связи между внутренним сопротивлением аккумулятора и . Некоторые приборы (нагрузочные вилки и подобные приборы) предлагают оценить состояние аккумулятора по напряжению аккумулятора под нагрузкой (что похоже на измерение внутреннего сопротивления аккумулятора на постоянном токе). Применение других (измерителей внутреннего сопротивления аккумулятора на переменном токе) основано на связи внутреннего сопротивления с состоянием аккумулятора. Третий тип приборов (измерители спектров) позволяет сравнивать спектры внутреннего сопротивления аккумуляторов на переменном токе различных частот и делать выводы о состоянии аккумулятора на их основе.
С амо по себе внутреннее сопротивление (или проводимость) аккумулятора позволяет только качественно оценить состояние аккумулятора. К тому же, производители подобных приборов не указывают, на какой частоте происходит измерение проводимости и каким током производится испытание. А, как мы уже знаем, внутреннее сопротивление аккумулятора зависит и от частоты и и от тока. Следовательно, измерение проводимости не дает количественной информации, которая позволила бы пользователю прибора определить, сколько времени проработает аккумулятор при следующем разряде на нагрузку. Этот недостаток связан с тем, между и внутренним сопротивлением аккумулятора нет однозначной зависимости.
С амые современные основаны на анализе осциллограммы отклика аккумулятора на сигнал специальной формы. Они быстро оценивают , что позволяет следить за износом и , рассчитать длительность разряда аккумулятора при данном его состоянии и составить прогноз оставшегося ресурса свинцового аккумулятора.
Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям Опубликовано 12.09.2016 15:51Внутреннее сопротивление предоставляет ценную информацию об аккумуляторе, способную подсказать об окончании его срока службы. Это особенно актуально для электрохимических систем на основе никеля . Сопротивление не является единственным индикатором производительности, оно вполне может отличаться на 5-10 процентов у различных партий свинцово-кислотных аккумуляторов , особенно для стационарного использования. Из-за такого широкого допуска, метод, основанный на сопротивлении, лучше всего работает при сравнении показаний, взятых у конкретного аккумулятора при его сборке с последующими временными периодами. Сервисные бригады уже рекомендуют при установке снимать показания каждого элемента или аккумулятора в целом, чтобы в дальнейшем контролировать процесс их старения.
Существует мнение, что внутреннее сопротивление связано с емкостью, но это неверно. Сопротивление современных свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов остается на одном уровне на протяжении большей части срока службы. Специальные добавки в электролит уменьшили проблему внутренней коррозии, которая и коррелирует с внутренним сопротивлением. На рисунке 1 показано уменьшение емкости при циклической работе по отношению к внутреннему сопротивлению у литий-ионного аккумулятора.
Рисунок 1: Взаимосвязь между емкостью и сопротивлением относительно количества циклов зарядки/разрядки. Сопротивление не раскрывает состояние работоспособности аккумулятора и часто остается на одном уровне в процессе его использования и старения.
Циклические испытания литий-ионных аккумуляторов проводились при С-рейтинге 1С:
Зарядка: 1.500мА до 4,2В при 25°С
Разрядка: 1.500ма до 2,75В при 25°С
Что такое сопротивление?
Прежде чем изучать различные методы измерения внутреннего сопротивления электрических батарей, давайте рассмотрим, что же такое электрическое сопротивление и в чем разница между просто сопротивлением (R) и импедансом (Z). R является сопротивлением вещества прохождению электрического тока, а Z включает в себя реактивную составляющую, присущую таким устройствам как катушки и конденсаторы. Оба показателя измеряются в омах (Ом), единице измерения, которая названа в честь немецкого физика Георга Симона Ома, который жил с 1798 по 1854 год. (1Ом приводит к падению напряжения на 1В при силе тока 1А). Электропроводность также может быть измерена в сименсах (S). Комбинация сопротивления и импеданса известна как реактивное сопротивление. Позвольте объяснить.
Электрическое сопротивление обычной нагрузки, такой как нагревательный элемент, не имеет реактивной составляющей. Напряжение и ток в нем текут в унисон - не возникает никаких сдвигов в их фазах. Электрическое сопротивление, вызванное противодействием материала, через который течет ток, по сути является одним и тем же что для постоянного (DC), что для переменного (AC) токов. Коэффициент мощности равен единице, что обеспечивает наиболее точное измерение потребляемой мощности.
Большинство электрических нагрузок все же являются реактивными, и могут включать в себя емкостное (конденсатор) и индуктивное (катушка) сопротивление. Емкостное сопротивление уменьшается с повышением частоты переменного тока, в то время как индуктивное возрастает. Аналогией индуктивного сопротивления может служить масляный амортизатор, который становится тугим при быстрых движениях назад и вперед.
У электрической батареи есть и сопротивление, и емкость, и индукция, все эти три параметра объединены в понятии импеданса. Лучше всего импеданс проиллюстрирован на схеме Рэндла (рисунок 2), которая содержит резисторы R1 и R2, а также конденсатор С. Индуктивное сопротивление обычно опускается, так как оно играет незначительную роль в электрических батареях, особенно при низких частотах.
Рисунок 2: Эквивалентная схема Рэндла для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи. Общее сопротивление батареи состоит из активного сопротивления, а также индуктивного и емкостного. Схема и электрические значения различаются для каждой батареи.
R1 - эквивалентное последовательное сопротивление
R2 - сопротивление переноса заряда
С - двухслойный конденсатор
Попытки измерения внутреннего сопротивления электрической батареи почти так же стары, как и она сама, и с течением времени было разработано несколько методов, которые используются до сих пор.
Метод измерения сопротивления нагрузкой постоянного тока (DC Load)
Омические измерения являются одними из старейших и надежнейших методов испытаний. Их смысл состоит в кратковременном (секунда или немного больше) разряде аккумуляторной батареи. Ток нагрузки для небольшого аккумулятора составляет 1А или меньше, а для большого, например, стартерного аккумулятора - 50А и более. Вольтметр измеряет напряжение разомкнутой цепи без нагрузки, а затем проводится второе измерение - уже с подключенной нагрузкой. Далее по закону Ома вычисляется значение сопротивления (разность потенциалов, деленная на силу тока).
Метод измерения нагрузки постоянного тока хорошо работает для больших стационарных аккумуляторных батарей и снимаемые омические показатели являются точными и повторяемыми. Высококачественные контрольно-измерительные приборы позволяют снимать показания сопротивления в диапазоне от 10мкОм. Во многих гаражах для измерения сопротивления стартерных аккумуляторов используются тестеры на плёночно-угольных резисторах, благодаря которым опытные автомеханики получают отличный инструмент для оценки необходимого параметра.
Однако этот метод имеет ограничение в том, что он объединяет резисторы R1 и R2 со схемы Рэндла в один резистор и игнорирует конденсатор (смотрите рисунок 3). “С” является компонентом эквивалентной схемы электрической батареи, принимая значение в 1,5 фарада за каждые 100Ач. По сути, метод измерения нагрузкой постоянного тока видит аккумулятор как резистор и может принять в расчет только активную составляющую электрохимического источника тока. Кроме того, этот метод получит аналогичные показания от хорошего аккумулятора, который заряжен частично, и от слабого, который заряжен полностью. Определение степени работоспособности и оценка емкости в этом случае не представляются возможными.
Рисунок 3: Метод измерения нагрузкой постоянного тока. Метод не показывает полного соответствия схеме Рэндла. R1 и R2 работают как одно активное сопротивление.
Существует и альтернативный метод - двухуровневое измерение нагрузкой постоянного тока, когда применяются две последовательные разрядные нагрузки с различной силой тока и продолжительностью. Сначала аккумулятор разряжается малым током в течение 10 секунд, а затем более высоким в течение трёх (смотрите рисунок 4); после, по закону Ома вычисляется значение сопротивления. Анализ напряжения при двух различных условиях нагрузки предоставляет дополнительную информацию об аккумуляторе, но полученные значения строго резистивные, и не раскрывают параметры степени работоспособности или емкости. Методы, использующие подключение нагрузки, являются предпочтительными для аккумуляторов, питающих нагрузку с постоянным током.
Метод измерения электрической проводимости переменным током (AC Cunductance)
Измерение электрической проводимости для оценки стартерных аккумуляторов впервые было предложено в 1975 году Кейтом Чамплином, и заключалось в демонстрации линейной корреляции между нагрузочными испытаниями и проводимостью. При подключении нагрузки переменного тока с частотой около 90Гц, емкостное и индуктивное сопротивление соответствует 70-90Ач свинцово-кислотному аккумулятору, в результате чего возникает незначительная задержка фазы напряжения, которая сводит к минимуму реактивное сопротивление. (Частота возрастает для меньшего аккумулятора и, соответственно, уменьшается для большего). Измерители электрической проводимости переменным током обычно используются в автомобильных гаражах для измерения пускового тока. Одночастотный метод (рисунок 5) видит компоненты схемы Рэндла в качестве одного комплексного импеданса, который называется модуль Z.
Рисунок 5: Метод измерения электрической проводимости переменным током. Отдельные компоненты схемы Рэндла соединяются в один элемент и не могут быть измерены по отдельности.
Еще одним распространенным методом является тестирование с помощью частоты 1000Гц. Такая частота возбуждает аккумулятор и по закону Ома можно вычислить сопротивление. Следует отметить, что методы, использующие переменное напряжение, показывают другие значения в сравнении с методами, основанными на постоянном напряжении при измерении реактивного сопротивления, и оба подхода являются верными.
Например, литий-ионный элемент типоразмера 18650 имеет сопротивление около 36мОм с нагрузкой переменного тока частотой 1000Гц и примерно 110мОм с нагрузкой постоянного тока. Поскольку оба вышеуказанных показания справедливы, но далеки друг от друга, потребитель должен взять во внимание специфику эксплуатации аккумулятора. Метод, использующий постоянный ток, дает ценные данные в разрезе применения с потребителями постоянного тока, например, нагревательными элементами или лампами накаливания, в то время как 1000Гц метод лучше отражает требования производительности, оптимизированные под питание различных цифровых устройств, таких как ноутбуки или мобильные телефоны, которым, в первую очередь, важны емкостные характеристики аккумуляторов. На рисунке 6 показан 1000Гц метод.
Рисунок 6: 100Гц метод. Данный метод обеспечивает получение значений реактивного сопротивления. Это предпочтительный метод для снятия импеданса аккумуляторов, питающих цифровые устройства.
Электрохимическая импеданс спектроскопия (Electrochemical Impedance Spectrocsopy - EIS)
Научно-исследовательские лаборатории уже много лет используют метод EIS для того, чтобы оценивать характеристики электрических батарей. Но высокая стоимость оборудования, большая длительность испытаний и потребность в квалифицированных специалистах для расшифровки большого объема данных ограничили применение этой технологии лабораторными условиями. EIS способна получать значения R1, R2 и C из схемы Рэндла (рисунок 7), однако корреляция этих данных в пусковой ток (ток холодной прокрутки) или оценку емкости требует комплексного моделирования (Смотрите BU-904: Как измерить емкость).
Рисунок 7: Spectro™ метод. R1, R2 и C измеряются отдельно, что позволяет проводить оценку степени работоспособности и емкости наиболее эффективно.
Действительно, есть мнение, что внутреннее сопротивление аккумулятора является показателем его «здоровья». Сразу скажем, что мнение это правильное, но не стоит полагаться исключительно на него. В этой статье рассмотрим, что же такое внутреннее сопротивление аккумулятора и как его измерить.
Как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора
Есть множество зарядных устройств для аккумуляторов, которые могут измерять внутреннее сопротивление. Мы рекомендуем вам обратить внимание на LiitoKala Lii 500, у нас есть его к нему.
Вот как выглядят показание внутреннего сопротивление на LiitoKala Lii 500:
Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора
У хорошего аккумулятора внутреннее сопротивление должно быть очень низким, в диапазоне от 20 до 80. Со временем сопротивление будет расти, и рано или поздно аккумулятор будет непригоден для зарядки.
Однако, стоит иметь в виду, что так как внутреннее сопротивление нормального аккумулятора скорее всего будет незначительным, то на испытание может ощутимо повлиять сопротивление контактов. Таким образом, один и тот же аккумулятор, проверенный в разных ячейках зарядного устройства, или вообще в разных зарядных устройствах, может иметь разные значения внутреннего сопротивления, погрешность составляет примерно 10-20%.
В любом случае, не стоит однозначно судить о состоянии аккумулятора по его внутреннему сопротивлению, ведь есть еще множество других параметров. И к тому же, если аккумулятор устраивает вас в работе, какая разница, какое у него внутреннее сопротивление?
Если вам что-то осталось непонятным – пишите в комментариях на этой странице или , мы всегда с радостью готовы вам помочь!