电池内阻及简单的测试方法.

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 2 6Ah h 1 2A 第二步 存放 1 4小时 第三步 以 0 2C h的恒定电流 I 1放电时 测出电池两端电压 U 1 第四步 以 1C h的恒定电流 I 2放电时 测出电池两端电压 U 2 以上各步骤在 20 C 5 C 的环境下完成 电池的直流内阻 R dc U1 U 2 I2 I 1 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 K 1断开 先测出电池开路电压 U 1 2 K 1接通 电池开 始 放电 快速 读 出此 时的电池端电压 U 2 则 Rdc U1 U 2 U 2 R1 例 如 R 1 10 U 1 1 521V U 2 1 492V 算 出 I 2 U2 R1 0 1492A 则 Rdc U1 U 2 I2 1 521 1 492 0 1492 0 194 194m 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 2 fC 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 2 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 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 01 m 200 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 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 100 m 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 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 20 m B 找一只 1 左右 的 已知 准 确 阻值的电阻 设为 1 011 也 即 1011 m 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 1031 m 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 EF 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 6 F351 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 测试读数的校准 由于 EF 3 4 型工作时不由被测电池供电 因此它们不但可以测试电 池的内阻 而且可以测试无源电 阻 例如导线电阻 开关的接触 电阻等 例如 在图 十 三中 只要把 EF 3 的 1 端忙改接到 2 端上面 如图 十