电池内阻及简单的测试方法

1电池内阻及简单的测试方法一、什么是电池内阻以前到商店买电池，营业员都要先用小电珠试一下，如发光正常，则说明电池是好的。现在电器的从业人员，判断电池新旧好坏的时候，是先测一下开路电压，再快速测一下短路电流。例如对于普通5号电池，短路电流大于500mA，则就是好的。以上二个例说明了作为一种能源的电池要求能够输出电流也就是能够输出功率，才能称得上性能良好。为了便于分析，我们引入电池内阻的概念，简约的说，电池内阻等于开路电压除以短路电流。当然这仅仅是表明内阻的概念，实际上是不可能用这个方法测试内阻。在直流条件下我们可以给出电池的直流等效电路，见图一，以及公式U=E-IR。此式说明电池内阻R越小，输出的电流时电池电压降就越小，或者说该电池能够在大电流的条件下工作。二、测试电池内阻的意义1、工厂中出厂检验的项目之一2、组装电池组时，需挑选内阻相近的电池单元组成一组。3、因电池的容量Ah越大，内阻就越小，因此可以根据内阻大小粗略判断电池容量.4、电池老化和失效后突出的表现为内阻增大，因此测试电池内阻就可以快速判断出电池的老化程度。5、电池组维护过程中，需要经常测试各电池单元的内阻，以便把内阻增大的单元挑出来，换个好的。三、电池内阻的直流测量方法1、等效电路（见图一）2、测试标准各种电池的测试标准不完全一样，下面以锂电池为例大体介绍一下测试步骤。第一步：以0.2C/h的恒定电流充电至规定电压.，例如设电池容量C=6Ah，则0.2C/h=0.26Ah/h=1.2A。第二步：存放1-4小时。第三步：以0.2C/h的恒定电流I1放电时，测出电池两端电压U1。第四步：以1C/h的恒定电流I2放电时，测出电池两端电压U2。以上各步骤在20°C±5°C的环境下完成。电池的直流内阻Rdc=U1-U2/I2-I1。3、下面介绍一种简单的业余测试方法找一块数字万用表，高位数的较好，可以取得较高的测试灵敏度。一只放电电阻，一只开关，按图二连接。电阻阻值的选择，大体上控制放电电流约为0.1C/h至0.2C/h。过大的放电电流有损电池且内阻测试重复性能差。测试步骤：（1）K1断开，先测出电池开路电压U1。（2）K1接通，电池开始放电，快速读出此时的电池端电压U2。2则Rdc=(U1-U2)/（U2/R1）例如R1=10Ω，U1=1.521V，U2=1.492V，算出I2=U2/R1=0.1492A，则Rdc=U1-U2/I2=(1.521-1.492)/0.1492=0.194Ω=194mΩ注意测试时需采用四端测试，即电压表测试线和放电电路接线必须分开接触电池的两个端口，见图二。四、电池内阻的交流测量法1、简化交流等效电路见图三。电池的实际等效电路较复杂，即有串联电容成份，又有并联电容成份。电池的交流等效电路表明，在交流信号的条件下，一个电池的外部特性可以看成电动势E、内电阻R和电容C三者相串联。但要注意的是，对同一个电池而言，在频率不同，信号强度不同以及温度不同时，E、R、C、的数值是不同的。表一给出了不同电池在100Hz、1KHz测试条件下，作者测试的电池的阻抗、内阻等数据。表中容抗Xc=1/2πfC,阻抗Z=Xc2+R2。表中同时给出了不同电池在温度变化时内阻的变化情况。因测试条件有限，表中数据仅供参考。电池品种铅酸电池12Ah锂离子电池970mAh镍氢AA电池1300mAh碱性电池AA开路电压12.82V3.79V1.357V1.593V电容量C56000μFXc=2.84mΩ95000μFXc=1.7mΩ72000μFXc=2.2mΩ2820μFXc=56.5mΩ阻抗Z12.41mΩ113.8mΩ23.7mΩ140.5mΩ1KHz阻抗特性电阻R12.08mΩ113.8mΩ23.6mΩ128.6mΩ电容量C692000μFXc=2.3mΩ156000μFXc=10.2mΩ200000μF14400μFXc=110.6mΩ阻抗Z14.86mΩ130.2mΩ25.3mΩ304.8mΩ100Hz阻抗特性电阻R14.66mΩ129.8mΩ25.3mΩ284mΩR，20℃113.8mΩ23.6mΩ128.6mΩ1KHz温度影响R，30℃111.2mΩ22.6mΩ115.4mΩ2、测试标准为了便于对不同的电池进行比较，和准确的计量，电池内阻的测试必须有一个标准，以锂电池交流内阻测试为例，简单的介绍一下IEC标准主要内容：（1）以0.2C/h的恒定电流充电至规定的电压值。（2）存放1-4小时。（3）测试时采用交流电流电压法，即让一个交流电流Ia通过电池，然后测取电池两端的电压降Ua，见图四。（4）测试信号的频率为1KHz±0.1KHz，正弦波。（5）测试电流为50mA，或者交流信号流过电池时，在电池两端产生的电压降不得大于20mV。（6）以上各步骤在20°C±5°C的环境下完成。（7）电池交流电阻Rac=Ua/Ia。其中Ua是电池两端交流电压降，有效值。Ia是流过电池3的交流电流，有效值。这里补充说明一下，如果是用简单的方法测取电池两端的电压降，则实际上得到的是电池的内阻抗Z，即R和XC的复数和。现代的内阻测试仪器具有相位检测功能，可以测出R两端的交流电压降，从而可以测出电池的内阻R。五、测量电池内阻的产品介绍现国内已有电池内阻测试仪器生产，我们以DME-50型电池测试仪器为例介绍一下电池测试仪的大体情况。该仪器采用交流电流电压法测试原理，测试频率为1KHz，晶体稳频，四端测试，符合IEC标准，测量范围可以达到0.01mΩ—200Ω，分为五个量程，测试精度±0.1%Rd±2个字，由于电压信号的检测采用了相位检测，固能测出R两端的电压降因此实际测出的是电池的内阻。仪器在测试交流电阻时，同时也能显示出电池的直流端电压。仪器由交流电源供电。仪器采用四端测试，为了在大量生产中提高测试速度，对于不同规格的电池，采用了不同的测量夹具。铅酸电池，可采用图五所示的四端夹子，按图六所示的方法夹住电池的两个电极。四端测试要领是，仪器的四个测试端点必须通过导线夹具接触到电池两个电极的四个点上，不能互相碰在一起。圆柱形电池采用图七所示的测试夹具。手机电池可采图八所示双探针测试探头。4六、自制电池内阻测试附件在业余条件下，花不多的钱，自制一个电池内阻测试的附件，再加上一个普通数字万用表，即可以测试电池交流内阻。该附件实际上是一个1KHz信号源，它的作用是，提供流过电池的交流信号，再由数字万用表测试出电池两端的交流电压降，从而测试出电池的交流内阻。附件提供的交流电流值为100mA,数字万用表置于200mV交流电压档，这样200mV换算成电阻即为2000毫欧。本文共介绍四种电池内阻测试附件，EF-1、EF-2型为无电源式，附件由被测电池供电。EF-3、EF-4型须外接12V直流电源。这四种附件均可满足电池质量的鉴别以及对电池尤其是铅酸电池的维护需要。1、EF-1型（1）EF-1型产生的测试电流为1KHz方波，原理图与印刷板图见图九，附件由被测电池供电，当附件1、4两端接到电池的正负两个电极时，附件开始工作。图中Vt1与Vt2产生1KHz方波信号，推动Vt3从电池吸取约200mA的峰值方波脉冲电流。换算成交流信号，约为有效值100mA。此时把数字数字万用表DMM置于交流200mV档时，经一只10n电容器隔离，接到电池两端就可以读取电池两端的交流信号值。设交流方波电流的有效值为100mA,如果DMM显示值为10.0mV，则表示电池内阻（内阻抗）为100mΩ。稳压器7805提供Vt1、Vt2工作所需的稳定的5V工作电压，二极管D1、D2为防止附件接反起保护作用。（2）实际使用方法见图十。附件装在一个塑料小盒中，1、4端分别焊接红黑两根测试线，测试线的另一端焊好鳄鱼夹。数字万用表DMM的测试线一端也由表笔改焊上鳄鱼夹，并定义DMM的+端（红线）为2端，com端（黑线）为3端，并且DMM的+端要串联一只10n的电容器。测试时，最好附件的1、4两根测试线并在一起，DMM的2、3两根线并在一起以防止干扰。先把DMM2、3端鳄鱼夹夹在电池+、-极上，待万用表显示数字回零后，再把附件的1、4端夹上去，即可读取电表显示的电池内阻读数。5（3）仪器读数的校准由于测试的交流信号是方波，不是正弦波，各种数字万用表响应的灵敏度可能会有差别，因此附件需要校准，具体的校准的步骤是：A、找一个内阻较小的12V铅酸蓄电池，用附件先估测出的它的内阻值，例如为20mΩ。B、找一只1Ω左右的，已知准确阻值的电阻，设为1.011Ω也即1011mΩ，把此电阻焊在电池的正极，或者使它们尽可能接触良好。然后测试串有标准电阻的总的电阻值，此时DMM读数应为1011+20=1031mΩ，也即103.1mV，如不是可调节EF-1的R5阻值，使显示准确。调节R5阻值的方法，可采取改变并联电阻阻值的方法。如找不到内阻较小的电池，也即电池内阻和标准电阻相差不大时，则上述步骤要重复二三次。另外要说明的是，被测阻值会影响测试电流的大小，因此在以测试小阻值为主的情况下，上述校准时,可把读数减少百分之五左右，EF-1型适用于12-24V铅酸蓄电池内阻的测试。2、EF-2型EF-2型附件原理图和印刷板图见图十一。6EF-2型与EF-1型的差别是把7805稳压器改成电压可调的稳压器，以方便于DMM电表读数的校准，而不需要调节R5了。此稳压器为集电极输出型稳压器，优点是当输入输出之间压差低到0.2V时也能工作。另外当输入输出之间压差变化较大时，耗电小，变化也小。缺点是需要触发才能工作。C4，R10、Vt6组成触发电路。当附件1、4端接触被测电池一瞬间，C4充电，从而触使Vt6导电、Vt7导电，Vt7集电极输出电压，使R9有电流流过，Vt5导电，加强Vt7导电……。C4充电结束后，由Vt5控Vt7，稳压过程是如输出电压增高，Vt4导电增强，Vt5导电减弱，Vt7导电减弱，输出电压下降。测试校准时，调节W1即可调节输出脉冲信号的幅度，进行DMM读数的校准。EF-2型附件适合测试6-24V铅酸蓄电池的内阻。如测试高于30V电压的电池，则图中Vt5、Vt6、Vt7需要换成高耐压的晶体管3、EF-3型内阻测试附件EF-1、2型附件存在以下几个缺点（1）低于6V不能工作（2）要消耗被测电池的电流（3）测试信号不是正弦波EF-3、4型附件可以解决这几个问题，但使用时需要自备12V电源，消耗电流约为约为50mA。EF-3的原理图见图十二。EF-3主要部分是一个1KHz正弦波振荡器，集成运放LF351，6脚输出1KHz信号推动Vt2、Vt3输出100mA正弦波电流。7F351组成文氏电桥振荡器，振荡频率由R1、R2、C1、C2决定，电路的其它部分构成振荡幅度稳定和调节电路。Vt1结型场效应管起可调电阻作用，其阻值由G极电位控制。对应于集成电路2、3脚，R1、R2、C1、C2实际上构成正反馈电路，R3、R4和Vt1的DS电阻构成负反馈电路。稳幅过程是：当集成电路6脚的交流正弦波信号经倍压整流后的峰值超过电位器B点电位时，便有直流电流经D1、D2方向流动，使Vt1场效应管G极电位变负，场效应管DS电阻变大，负反馈加强，使振荡幅度变弱……。EF-3型由外接12V电源供电，Z1和R12组成稳压分压器。对于集成电路而言，分压器的中点A是公共端，也就是地端，外接电源的正端相对A端来说是+6V，外接电源的负端相对A端来说是-6V。当把A端看成地端后，分析电路的工作原理就容易多了。EF-3的供电可以由交流适配器供电，也可以由专用电池供电。EF-3型的使用方法（1）零点检查：找一根数厘米长的铜丝，粗细不限。EF-3型附件的1、4二个鳄鱼夹以及DMM数字万用表2、3的二个鳄鱼夹接图十三的方法夹住铜丝。当EF-3接通外接电源后，DMM经过稳定后的显示值应为零。在EF-3采用交流电源供电的情况下，如DMM显示不为零，把电源适配器的交流电源插头调一个方向插入，看看能否好转，或换一种交流适配器再试试看，如实在不行，EF-3的外接电源只好改用电池。（2）电池内阻的测试。（同EF-1型）（3）测试读数的