Jak vypočítat vnitřní odpor baterie

Většina moderních mobilních zařízení využívá zdroje energie ve formě dobíjecích baterií. Z čeho se skládá autobaterie, kterou všichni známe, je vidět na obrázku níže v tomto článku. Na rozdíl od přenosných, ale nízkoenergetických baterií jsou schopny napájet zařízení po dlouhou dobu a s opakovaným dobíjením. Efektivní využití zdroje energie je však nemožné, pokud není znám vnitřní odpor baterie.

Role hlavních složek

Vnitřní odpor baterie IR (kde I je proud v obvodu, R je její odpor) má bránit toku proudu uvnitř zdroje energie. Vnitřní odpor autobaterie zahrnuje odpor elektronických/elektrických a iontových součástek, který je společně charakterizován celkovým efektivním odporem.

První určující složkou je měrný odpor skutečných materiálů, které tvoří baterii, jako jsou kovové kryty a vnitřní přepážky; a také to, jak dobře se tyto materiály vzájemně dotýkají.

Účinek této složky se může projevit velmi rychle. To lze zaznamenat během prvních několika milisekund po zatížení baterie. Druhou složkou je odpor vůči toku proudu uvnitř baterie – jedná se o elektrochemické faktory ovlivňující proces, včetně:

• Vodivost elektrolytu.
• Iontová mobilita.
• Povrch elektrody.

Proč se zvyšuje vliv elektronického a iontového odporu, lze objasnit pomocí dvojitého pulzního testu. Baterie je umístěna při nízkém vybití pozadí, což umožňuje nejprve stabilizaci a poté pulzování při vyšší zátěži po dobu asi 100 milisekund.

Pomocí Ohmova zákona se vypočítá celková hodnota požadovaného parametru vydělením rychlosti změny napětí změnou proudu. Měřič využívá metodu dvojité pulzace. V experimentu byl posuzován vnitřní odpor baterií (lithium-iontových) 18650 pomocí multimetru při stabilizačním proudu 5 mA se 100 milisekundovým pulzem 505 mA.

Změna proudu baterie v závislosti na čase

Z výše uvedeného obrázku, pokud je použita regulační zátěž 5 mA v kombinaci s impulsem 505 mA, je změna proudu 500 mA. Pokud se napětí změní z 1.485 na 1.378 V, pak změna napětí v tomto případě bude 0.107 V, což dává celkový efektivní odpor 0.107 V/500 mA nebo 0.214 ohmů.

Metody stanovení vnitřního odporu dobíjecích baterií (AB)

Ne všichni uživatelé vědí, jak měřit vnitřní odpor baterie pomocí multimetru. Proto je někdy jednodušší vypočítat impedanci na některých základních frekvencích, například 1000 Hz. Vzhledem k vysoké rychlosti testování se však některé koeficienty iontového odporu mohou změnit. Proto bude hodnota impedance menší než celková hodnota pro stejnou baterii.

Vnitřní odpor baterie lze zjistit pomocí spínacích zesilovačů. Nastavují maximální proud, který může baterie poskytnout po velmi krátkou dobu. Tento test se obvykle provádí elektrickým zkratováním baterie pomocí odporu 0.01 ohmu po dobu přibližně 0.2 sekundy a následným záznamem skutečného napětí v uzavřeném obvodu.

Proud protékající rezistorem lze vypočítat pomocí Ohmova zákona a vydělením napětí v uzavřeném obvodu 0.01 ohmu. Pokud potřebujete zjistit, jaký je vnitřní odpor stávající baterie, například s vnitřním odporem 2 Ohmy a emf 6 V, pokud je znám zkratový proud. Poté je třeba vydělit napětí naprázdno pulzním proudem a zjistit stanovený parametr. To však vyvolává další problém – jak takový proud bezchybně změřit. To je prakticky nemožné, proto tato metoda poskytla pouze předběžný odhad hodnoty odporu. Neumožňuje ale vypočítat přesnou hodnotu.

příklad. Spotřebič pracuje při proudu 1 A a je připojen k baterii s IR 0.1 Ohm.

Určete emf a vnitřní odpor funkční autobaterie.

Pomocí původních dat to uživatel zjistil

E = 1.0 x 0.1 = 0.1 (V).

Pokud je známo, že při zkratu na vnější odpor poklesne napětí naprázdno, lze jej vypočítat ze vzorce

U = 1.6 – 0.1 = 1.5 (V).

Takto jsme zjistili normální napětí uzavřeného obvodu.

Níže uvedený graf ukazuje, jak se mění celkový efektivní odpor čerstvé Li-ion baterie (Li znamená lithium, ion – iontové) baterie v závislosti na změnách teploty.

Vliv změny teploty na pokles napětí

Je tedy možné určit vnitřní odpor baterie při známé zátěži, pokud je známa rychlost poklesu napětí na zdroji. Nicméně, i když je známý pokles napětí, vnitřní odpor baterie bude v každém případě přibližná hodnota. Zejména vnitřní odpor baterie 18650 se při vybíjení zvyšuje díky aktivním materiálům použitým při její konstrukci. Je pravda, že rychlost změny uvažovaného parametru během vybíjení není konstantní. Může to být ovlivněno následujícím:

• Chemické složení elektrolytu;
• Změna doby trvání výboje;
• Rychlost vybíjení;
• Stáří baterie.

Při nízkých teplotách se mění rychlost elektrochemických reakcí uvnitř baterie, což brzdí pohyb iontů v elektrolytu. Čím nižší je okolní teplota, tím vyšší je vnitřní odpor baterie.

Testovací úlohy

Existují dva účely měření:

• Kontrola kvality, když se mohou změnit výrobní podmínky;
• Fáze připojení a provozu.

Změna výstupu nikl-kadmiového zdroje

Výše uvedený graf umožňuje vidět změnu výkonu nikl-kadmiového (Ni-Cd) zdroje s energetickou kapacitou 550 mAh.

Hodnota do značné míry určuje hodnotu energetické kapacity v ampérhodinách. Když je minimální, baterie je schopna dodávat nejvyšší proud a naopak. Níže uvedený obrázek ukazuje schéma konfigurace baterie skládající se z několika součástí.

Schéma bateriového obvodu sestávajícího z několika součástí

Předpokládejme například, že existuje elektromotorická síla (EMF) baterie E = 10 V. V tomto případě R_DC je 1 ohm a zátěž R je 9 ohmů. Pak baterie dává napětí 9 V. Ideálně R_DC baterie by měla být nulová. Ve skutečnosti je však vždy přítomen a vyšší R_DC, tím větší je ztráta energie. Při ztrátě energie navíc vzniká teplo, které ničí samotné zařízení.

Důležitým důvodem měření je zajištění kontroly kvality po celou dobu výroby napájecích zdrojů. Kvalitu baterie lze určit podle její hodnoty R_DC.

Dá se říci, že vnitřní odpor může určovat vysokou kvalitu baterií (zejména lithium-iontových Li-ion nebo nikl-metal hydridových Ni-MH) od různých výrobců. V závislosti na materiálu, designu, velikosti, napětí a dalších faktorech mají různé typy baterií různé úrovně R_DC – od několika mOhm do více než 1 kOhm.

Různé typy baterií

V níže uvedeném grafu je hodnota odporu pro:

1 – kompaktní baterie Li-ion 18650 pro mobilní telefony nebo digitální videokamery;

2 — baterie pro elektrická vozidla;

3 – zdroj energie pro domácí elektrické nářadí;

4 – baterie pro notebooky a tablety.

Liší se svým EMF, výstupním napětím a kapacitou.

Napětí a odpor různých baterií

Během výroby zajišťuje kategorizace baterií konzistentní kvalitu baterií, která odpovídá specifikacím. Články vyrobené v továrně na výrobu článků jsou po průchodu přepravní kontrolou odeslány do závodu na výrobu modulů. Protože faktory, jako jsou vibrace během přepravy a dokonce i datum vydání bateriového článku, mohou způsobit závady, procházejí zařízení před sestavením článků do modulů a bloků přejímací kontrolou. Je důležité, aby všechny články v daném bateriovém bloku měly stejnou hodnotu R_DC.

Jak používáte R_DC baterie se postupně zvyšuje. Energie baterie se získává chemickou reakcí mezi elektrolyty a elektrodami. V průběhu času se však chemická reakce zpomaluje kvůli rzi a korozi.

Pokud jde o dobíjecí baterie, jako jsou spínané zdroje napájení, je velmi důležité, aby baterie poskytovaly dostatečný výkon. Hodnotu musíte zjistit pomocí multimetru R_DC na každém z prvků bloku a poté identifikujte a odstraňte vadný modul.

Posloupnost měření

Pokusme se dále pochopit, co tento nebo ten parametr ovlivňuje při výběru obvodu pro baterii.

Ideální obvod baterie zobrazený na obrázku výše nelze použít přímo, protože změna hodnoty R_DC neovlivní napětí mezi svorkami. Adekvátnější možností by bylo s přídavným rezistorem R_t, který je zapojen sériově ke zdrojovým svorkám.

Protože přes vnitřní odpor R_t neteče žádný proud, pak je úbytek napětí na něm 0 V. Můžeme tedy předpokládat, že zpětné napětí V_OC bude odpovídat podmínkám ideálního zdroje.

Když je k baterii připojena zátěž, napětí na svorkách klesá. Požadovaný parametr můžeme vypočítat, pokud odečteme napětí naprázdno a při připojené zátěži.

Montáž bateriových článků do bloků a modulů

Vnitřní odpor můžete s různou úspěšností měřit vlastníma rukama, protože tato hodnota je ovlivněna stářím baterie a teplotou, při které pracuje. Proto je možné změřit vnitřní odpor baterie, ale výsledek bude vždy jiný v závislosti na těchto faktorech.

Například bez zátěže ukázalo měření napětí baterie hodnotu 13.5 V. Pak při proudu 10 A je napětí při plné zátěži 13.25 V. Rozdíl napětí je 0.25 V při proudu 10 A. Ukazuje se že 0.025 Ohm bude hodnota vnitřního odporu r této baterie.

Několik dalších příkladů:

1. Rozdíl potenciálů na svorkách při nepřítomnosti proudu v obvodu by se měl rovnat 3 V. Když protéká proud I = 0.37 A, rozdíl potenciálů klesne na 2.8 V. Určete r prvku.

Jinak E – V = Ir nebo (E – V)/I = r.

r = (3.0 – 2.8)/0.37 = 0.54 (Ohm).

Testování baterie v továrně

1. Potenciální rozdíl ve stávající síti nabíjecích stanic je U = 20 V. Jaký je vnitřní odpor baterie, když při proudu I = 7 A je výkon baterie W 135 W?

W_т = uživatelské rozhraní = 20 × 7 = 140 (W)

Rozdíl je určen ztrátami spojenými s přítomností vlastního odporu systému:

ΔW = 140 – 135 = 5 (W)

Ekvivalentní měřicí obvod

Konstrukce Ni-MH kyselinových baterií neumožňuje pokles napětí. Požadovaná hodnota r se zaručenou kapacitou baterie Ni-MH 40, 60 nebo jakýkoli jiný počet ampérhodin tedy bude:

1. Měřič je připojen k Li-ion baterii s emf 50 V. Pokud při proudu 15 A dává 48 V, tak jaké by mělo být v tomto případě r?

Rozdíl r = (50 – 48)/15 = 0.133 (Ohm).

1. Lampa s odporem R=12 Ohm je připojena k baterii s emf 0.5 V a vnitřním odporem r=100 Ohm. Jaká je síla takového elektrického obvodu?

Proto I = EMF/(R + r)

I = 12/(100 + 0.5) = 0.119 (A).

Často kladené otázky

1. Co jsou lithium-polymerové baterie pro Arduino?

Typ Li-ion baterie, kde elektrolytem je polymer. Jsou považovány za ohnivé a výbušné, i když se rychle nabíjejí.

1. Jak zkontrolovat a určit datum expirace baterie pomocí multimetru?

Připojte plus a mínus na svorky ohmmetru a změřte skutečné napětí, které by mělo být alespoň 90% jmenovité hodnoty.

Kontrola baterie testerem

1. Je možné změřit vnitřní odpor baterie 18650 multimetrem?

Ano, je to možné. Tento parametr lze měřit pomocí libovolného univerzálního testeru.

1. Při sériovém zapojení baterií různých typů se získá obvod s emf 12 V Jak to ovlivní hodnotu r?

V takovém obvodu, který se skládá z různých prvků, bude naměřené r celkovou hodnotou. Navíc by nemělo být vyšší než r každého z prvků takového sekvenčního řetězce.

Související videa

Navzdory skutečnosti, že mnoho moderních baterií je považováno za bezúdržbové, je stále třeba jim věnovat pravidelnou pozornost. Během provozu jakákoliv automobilová kyselinová baterie částečně ztrácí své nominální vlastnosti, i když je nabíjecí systém vozidla plně funkční. Zvažme metody pro kontrolu stavu baterie pomocí běžného domácího multimetru.

Co je multimetr

Multimetr je elektronický přístroj pro měření parametrů různých elektronických a elektrických součástek a systémů. Hlavní funkce multimetru (nazývaného také „tester“) jsou měření napětí, odporu a proudu. Profesionální multimetr má mnohem více funkcí, ale tři výše uvedené stačí ke kontrole parametrů baterie. Má je jakýkoli, i ten nejlevnější domácí multimetr.

Co můžete zkontrolovat pomocí multimetru, abyste pochopili stav autobaterie:

• kapacity;
• únik proudu;
• Napětí;
• hustota;
• vnitřní odpor.

Jak zkontrolovat kapacitu baterie pomocí multimetru

Kapacita baterie je hodnota, která určuje, jak dlouho může baterie dodávat určité množství proudu. Protože se proud měří v ampérech a čas se měří v hodinách, výsledkem jsou ampérhodiny (Ah). U autobaterií se tato hodnota obvykle měří přes 20 hodin. Pokud byla síla proudu např. 3 ampéry, pak je kapacita 60 ampérhodin. Jednoduše řečeno, čím více ampérhodin je uvedeno v seznamu charakteristik baterie, tím déle může pracovat se stejnou spotřebou energie. Kromě jmenovitého napětí je hlavní definující charakteristikou každé baterie kapacita. Když tento parametr klesne v důsledku přirozeného opotřebení nebo poruchy, baterie se začne vybíjet rychleji, i když zatížení od spotřebitelů zůstává stejné. Například: pokud s novou baterií s vypnutým motorem můžete poslouchat hudbu několik hodin a poté bez problémů nastartovat, pak s vybitou baterií po několika hodinách chodu rádia nebudete moci odjet. To se děje proto, že stará baterie má mnohem menší kapacitu a „odfoukne“ bez nabíjení mnohem rychleji.

Chcete-li zkontrolovat kapacitu baterie pomocí multimetru, musíte provést následující:

• Vyjměte baterii z auta a plně ji nabijte. Za tímto účelem se prodává mnoho nabíječek jakékoli funkčnosti a rozpočtu. Možnost prosté dlouhé jízdy autem nebude fungovat, protože nabíjecí systém nefunguje vždy perfektně a často nedoplní kapacitu baterie na možné maximum. Po nabití je třeba nechat baterii několik hodin stát při pokojové teplotě. To je nezbytné pro úplné vyloučení varu elektrolytu, ke kterému dochází během procesu;
• najděte 12voltovou lampu a vypočítejte její aktuální spotřebu. Máme například 60wattovou lampu. Vydělením wattů volty získáme proudovou spotřebu lampy v ampérech – 5 A;
• připojte svítilnu k baterii a zaznamenejte dobu připojení. Ujistěte se, že je lampa bezpečně umístěna (velmi se zahřívá) a že vodiče mají správnou velikost.
• pravidelně měřte napětí na svorkách baterie s připojenou žárovkou. Jakmile je hodnota v rozmezí 10,5 V, lampu lze vypnout. Zaznamenejte dobu vypnutí a počítejte, kolik hodin byla lampa zapnutá;
• vypočítat skutečnou kapacitu baterie. K tomu vynásobte výsledný počet hodin spotřebou žárovky v ampérech. Řekněme, že napětí baterie klesne na 10,5 V za 10 hodin. Skutečná kapacita baterie je tedy 50 Ah.

Dále je vypočtená kapacita baterie porovnána s jmenovitou kapacitou uvedenou na štítku. Poté se vyvodí závěr o stavu baterie. Za úvahu stojí, že jmenovité vlastnosti baterie jsou v reálné praxi po roce až dvou provozu prakticky nedosažitelné. Nepřijatelné je však také výrazné snížení kapacity. Například pro tři roky starou baterii s kapacitou 60 A⋅h je skutečný údaj 50 a dokonce 40 A⋅h normální. Pokud však během testu baterie dávala pouze 25–30 Ah, je rozhodně čas přemýšlet o její výměně.

Jak zkontrolovat únik proudu v baterii pomocí multimetru

Svodový proud je proud, který je spotřebováván z baterie, i když jsou všechny spotřebiče vypnuté. To je nevyhnutelné, protože i když auto tráví noc na ulici, je zachována energie pro některé elektronické součástky a zařízení. Jako jsou hodiny, dočasná paměť řídicí jednotky motoru (ECU), poplašný systém, záložní napájení multimediálního systému atd. Celkový svodový proud v moderním, funkčním autě se pohybuje v rozmezí 15–40 miliampérů (mA ). Pokud je hodnota vyšší, měli byste hledat důvod v podobě příliš „obžerského“ spotřebitele – pravděpodobně je vadný.

Jak zkontrolovat svodový proud v autobaterii

• Odpojte záporný pól od baterie.
• Přepněte multimetr do aktuální polohy měření s limitem 10 A.
• Připojte kladnou sondu multimetru k zápornému pólu a zápornou sondu k zápornému pólu baterie.

Pokud je elektrický systém vozu v pořádku, na obrazovce se zobrazí hodnota mezi 15 a 40 mA. Je-li svodový proud větší, je třeba hledat příčinu, začněte například odstraňováním pojistek po jedné. U které pojistky hodnota multimetru prudce klesne, v tomto obvodu je třeba hledat chybu.

Jak zkontrolovat napětí baterie pomocí multimetru

Kontrola napětí baterie pomocí multimetru je nejjednodušší a nejrychlejší způsob, jak porozumět stavu baterie „tady a teď“. Právě měřením napětí obvykle začínají všechna diagnostická opatření s baterií. Obecně platí, že k tomu je třeba provést následující:

• přepněte multimetr do režimu měření stejnosměrného napětí s limitem 20 V;
• vypněte všechny spotřebiče vozidla, vypněte motor a počkejte jednu hodinu. Pokud motor nebyl nastartován alespoň hodinu předtím, počkejte 10 minut (dokud se nevypnou všechny elektronické jednotky);
• Připojte sondy multimetru ke svorkám baterie.

Měření s vypnutým motorem

Když je motor vypnutý, plně funkční baterie by měla vydávat 12,5 V. To je průměrná hodnota, která se může lišit v závislosti na různých faktorech, od okolní teploty po opotřebení baterie.

Měření při běžícím motoru

Při běžícím motoru bude normální napětí na svorkách baterie v rozmezí 13,5–14 V. Při krátkodobém překročení uvedených hodnot jsou možné malé poklesy i vzestupy, ale průměrné hodnoty by měly být stejné . To nepřímo ukazuje jak na provozuschopnost baterie (i když ne vždy – jsou vyžadována další měření uvedená výše), tak na normální provoz generátoru.

Jak zkontrolovat hustotu elektrolytu v baterii pomocí multimetru

Na internetu často najdete návod na měření hustoty elektrolytu baterie pomocí běžného multimetru. Tato metoda měření je však nesprávná a neposkytuje spolehlivý výsledek. Faktem je, že hustota je na rozdíl od napětí, odporu nebo proudu fyzikálně hmatatelná veličina. Proto není možné měřit hustotu kapaliny domácím multimetrem určeným pro práci s elektřinou. Pro měření hustoty elektrolytu se používá speciální plovákové zařízení – hustoměr. Je to velmi levné a prodává se téměř v každém obchodě s autodíly.

Jak změřit vnitřní odpor baterie pomocí multimetru

Stejně jako v případě hustoty elektrolytu nebude možné správně změřit vnitřní odpor baterie pouhým připojením domácího multimetru na svorky. Pro taková měření je nutné nejprve vypočítat a připojit další odpory podle určitého obvodu, poté provést sérii několika měření a následně vypočítat výsledek pomocí vzorce. Vzhledem k tomu, že vnitřní odpor závisí na mnoha dalších faktorech (teplota, úroveň nabití), nebudeme tento postup v rámci tohoto článku uvádět z důvodu složitosti procesu.