Jak změřit vnitřní odpor lithiové baterie

Vnitřní odpor poskytuje cenné informace o baterii, která může signalizovat, kdy se blíží konec její životnosti. To platí zejména pro elektrochemické systémy založené na nikl. Odolnost není jediným ukazatelem výkonu; může se mezi šaržemi lišit o 5-10 procent olověné baterie, zejména pro stacionární použití. Kvůli této široké toleranci funguje metoda založená na odporu nejlépe při porovnávání naměřených hodnot z konkrétní baterie v době její montáže s následujícími časovými obdobími. Servisní týmy již doporučují během instalace provést měření každého prvku nebo baterie jako celku, aby bylo možné dále sledovat proces stárnutí.

Monitor baterie	Ochrana proti hlubokému vybití	Balancér baterie
ovládání více než 25 parametrů, historie a synchronizace	Ochrana nízkého a vysokého napětí, nastavitelná	pro systémy 12, 24, 36 a 48V možné paralelní připojení

Existuje názor, že vnitřní odpor souvisí s kapacitou, ale není to pravda. Odolnost moderních olověných a lithium-iontové baterie zůstává na stejné úrovni po většinu své životnosti. Speciální přísady do elektrolytu snížily problém vnitřní koroze, která koreluje s vnitřním odporem. Obrázek 1 ukazuje snížení kapacity během cyklování ve vztahu k vnitřnímu odporu lithium-iontové baterie.

Obrázek 1: Vztah mezi kapacitou a odporem vzhledem k počtu cyklů nabíjení/vybíjení. Odolnost neprozrazuje zdravotní stav baterie a často zůstává stejná během používání a stárnutí.

Cyklické testy lithium-iontových baterií byly provedeny s hodnocením C 1C:
Nabíjení: 1.500 4,2 mA až 25 V při XNUMX °C
Vybíjení: 1.500 mA až 2,75 V při 25 °C

Co je to odpor?

Než prozkoumáme různé metody měření vnitřního odporu elektrických baterií, podívejme se, co je elektrický odpor a jaký je rozdíl mezi prostým odporem (R) a impedancí (Z). R je odpor látky vůči průchodu elektrického proudu a Z zahrnuje reaktivní složku vlastní zařízení, jako jsou cívky a kondenzátory. Oba se měří v ohmech (Ohm), což je jednotka měření pojmenovaná po německém fyzikovi Georgu Simonu Ohmovi, který žil v letech 1798 až 1854. (1 ohm má za následek pokles napětí o 1V při proudu 1A). Elektrickou vodivost lze také měřit v siemens (S). Kombinace odporu a impedance je známá jako reaktance. Nech mě to vysvětlit.

Elektrický odpor běžné zátěže, jako je topný článek, nemá žádnou reaktivní složku. Napětí a proud v něm tečou unisono – nedochází k posunům jejich fází. Elektrický odpor, způsobený opozicí materiálu, kterým proud protéká, je v podstatě stejný pro stejnosměrný (DC) a střídavý (AC) proud. Účiník je jednotný, což poskytuje nejpřesnější měření spotřeby energie.

Většina elektrických zátěží je stále reaktivní a může zahrnovat kapacitní (kondenzátor) a indukční (cívka) reaktanci. Kapacitní reaktance klesá s rostoucí frekvencí střídavého proudu, zatímco indukční reaktance se zvyšuje. Analogií pro indukční reaktanci je olejový tlumič, který při rychlém pohybu tam a zpět ztuhne.

Elektrická baterie má odpor, kapacitu a indukci, všechny tyto tři parametry jsou kombinovány v konceptu impedance. Impedanci nejlépe ilustruje Randleův obvod (obrázek 2), který obsahuje odpory R1 a R2 a kondenzátor C. Indukční reaktance se obvykle vynechává, protože u elektrických baterií hraje vedlejší roli, zejména při nízkých frekvencích.

Obrázek 2: Ekvivalentní obvod Randle pro olověnou baterii. Celkový odpor baterie se skládá z aktivního odporu, indukčního a kapacitního odporu. Obvod a elektrické hodnoty se u každé baterie liší.

• R1 – ekvivalentní sériový odpor
• R2 – odpor přenosu náboje
• C – dvouvrstvý kondenzátor

Pokusy o měření vnitřního odporu elektrické baterie jsou téměř tak staré jako baterie samotná a v průběhu let bylo vyvinuto několik metod, které se používají dodnes.

Metoda měření odporu stejnosměrného zatížení

Ohmická měření jsou jednou z nejstarších a nejspolehlivějších zkušebních metod. Jejich významem je krátkodobé (sekundové nebo o něco více) vybití baterie. Zatěžovací proud pro malou baterii je 1A nebo méně a pro velkou baterii, jako je startovací baterie, je 50A nebo více. Voltmetr měří napětí naprázdno bez zátěže a poté provede druhé měření s připojenou zátěží. Dále se pomocí Ohmova zákona vypočítá hodnota odporu (potenciální rozdíl dělený proudem).

Metoda DC load sensing funguje dobře pro velké stacionární baterie a naměřené ohmické hodnoty jsou přesné a opakovatelné. Vysoce kvalitní testovací přístroje umožňují měřit odpor v rozsahu 10 μΩ. Mnoho autoservisů používá k měření odporu startovacích baterií testery film-karbonový odpor, což zkušeným automechanikům poskytuje vynikající nástroj pro posouzení požadovaného parametru.

Tato metoda má však omezení v tom, že kombinuje odpory R1 a R2 z Randleova obvodu do jednoho odporu a ignoruje kondenzátor (viz obrázek 3). „C“ je ekvivalentní součást obvodu elektrické baterie, která má hodnotu 1,5 faradu na každých 100 Ah. Metoda DC load sensing v podstatě vidí baterii jako rezistor a může brát v úvahu pouze aktivní složku elektrochemického zdroje proudu. Tato metoda navíc získá podobné hodnoty z dobré baterie, která je částečně nabitá, a ze slabé baterie, která je plně nabitá. Stanovení stupně výkonu a posouzení kapacity v tomto případě není možné.

Obrázek 3: Metoda měření DC zátěže. Metoda nevykazuje plnou shodu s Randleovým schématem. R1 a R2 fungují jako jeden aktivní odpor.

Standardní rozsah AGM	Deep Cycle Range AGM	GEL řady Gellyte
10 – 12 let / 600 cyklů	10 – 12 let / 700 cyklů	10 – 12 let / 750 cyklů
univerzální řada AGM	pro hluboké výboje AGM	univerzální řada GEL

Existuje alternativní metoda – dvouúrovňové měření stejnosměrného zatížení, kdy jsou aplikovány dvě po sobě jdoucí výbojové zátěže s různou proudovou silou a dobou trvání. Nejprve se baterie vybíjí nízkým proudem po dobu 10 sekund a poté vyšším proudem po dobu tří (viz obrázek 4); Poté se hodnota odporu vypočítá podle Ohmova zákona. Analýza napětí při dvou různých stavech zatížení poskytuje další informace o baterii, ale výsledné hodnoty jsou striktně odporové a neodhalují výkonové ani kapacitní parametry. Způsoby připojení zátěže jsou preferovány pro baterie napájející zátěže stejnosměrným proudem.

Obrázek 4: Dvouúrovňová DC zátěž. Tato zkušební metoda splňuje IEC 61951-1:2005 a poskytuje realistické zkušební podmínky pro mnoho aplikací stejnosměrných (stejnosměrných) baterií.

Metoda vodivosti střídavého proudu

Měření elektrické vodivosti pro hodnocení startovacích baterií bylo poprvé zavedeno v roce 1975 Keithem Champlinem, což prokázalo lineární korelaci mezi zátěžovým testováním a vodivostí. Při připojení AC zátěže s frekvencí přibližně 90 Hz odpovídá kapacitní a indukční reaktance 70-90Ah olověné baterii, což má za následek mírné fázové zpoždění napětí, které minimalizuje reaktanci. (Frekvence se zvyšuje u menší baterie a odpovídajícím způsobem klesá u větší). Měřiče elektrické vodivosti střídavého proudu se běžně používají v autoservisech k měření zapínacího proudu. Jednofrekvenční metoda (obrázek 5) vidí komponenty Randleova obvodu jako jednu komplexní impedanci nazývanou Z modul.

Obrázek 5: Metoda měření elektrické vodivosti střídavého proudu. Jednotlivé komponenty Randleova obvodu jsou spojeny do jednoho prvku a nelze je jednotlivě měřit.

Další běžnou metodou je testování pomocí frekvence 1000 Hz. Tato frekvence vybudí baterii a odpor lze vypočítat pomocí Ohmova zákona. Je třeba poznamenat, že metody využívající střídavé napětí vykazují při měření reaktance odlišné hodnoty ve srovnání s metodami založenými na stejnosměrném napětí a oba přístupy jsou platné.

Například lithium-iontový článek o velikosti 18650 má odpor asi 36 mOhm při střídavém zatížení 1000 Hz a přibližně 110 mOhm při stejnosměrném zatížení. Protože obě výše uvedené indikace jsou spravedlivé, ale daleko od sebe, musí spotřebitel vzít v úvahu specifika provozu baterie. Metoda DC poskytuje cenná data pro aplikace se stejnosměrným zatížením, jako jsou topná tělesa nebo žárovky, zatímco metoda 1000 Hz lépe odráží požadavky na výkon optimalizovaný pro napájení různých digitálních zařízení, jako jsou notebooky nebo mobilní telefony, u kterých jsou především kapacitní vlastnosti baterie jsou důležité. Obrázek 6 ukazuje metodu 1000Hz.

Obrázek 6: 100Hz metoda. Tato metoda poskytuje hodnoty reaktance. Toto je preferovaná metoda pro čtení impedance baterií napájejících digitální zařízení.

Elektrochemická impedanční spektroskopie (EIS)

Výzkumné laboratoře již řadu let využívají metodu EIS k hodnocení výkonu elektrických baterií. Ale vysoké náklady na vybavení, dlouhé trvání testování a potřeba kvalifikovaných specialistů k dešifrování velkého množství dat omezily použití této technologie na laboratorní podmínky. EIS je schopen získat hodnoty R1, R2 a C z Randleova obvodu (obrázek 7), ale korelace těchto dat se zapínacím proudem (proud za studena) nebo odhadem kapacity vyžaduje složité modelování (viz BU-904: Jak měřit kapacita).

Obrázek 7: Metoda Spectro™. R1, R2 a C se měří odděleně, což umožňuje nejúčinnější posouzení zdraví a kapacity.

Poslední aktualizace 2016. 05. 27

Hodnocení a recenze: Jak změřit vnitřní odpor baterie 1 1 1 1 1 3 / 5 na základě 21 hlasů

Toto je název odporu, který se vyskytuje ve vnitřní struktuře baterií, když protéká elektrický proud. Baterie všech typů narušují tok proudu v různé míře. Některé to vedou lépe a nazývají se silnoproudé, protože schopné dodávat velké proudy do zátěže bez přehřátí. Jiné odolávají intenzivnímu výstupnímu proudu a jsou navrženy pro napájení zařízení s nízkou spotřebou.

Vnitřní odpor chemických zdrojů proudu je určen různými faktory, jako jsou:

• výrobní technologie, druh chemie, vzorec použitého katodového materiálu;
• vlastnosti elektrolytu – jak moc brání pohybu iontů během elektrochemických reakcí;
• vliv teploty – když překročí optimální rozsah (při vysokých a nízkých teplotách blízkých maximálním přípustným hodnotám), schopnost KVET akumulovat a uvolňovat energii klesá;
• zabránění přenosu elektronů ve vodivých materiálech;
• úroveň zbytkového nabití – vybité baterie ve většině případů uvolňují energii hůře, protože odolávat toku proudu dvakrát tolik než nabité analogy;
• stáří baterií – časem v nich probíhají nevratné procesy stárnutí, které se v praxi projevují snížením kapacity, zvýšením vnitřního odporu, rychlým vybíjením a zhoršením dalších charakteristik.

Přirozené opotřebení součástí baterie vede ke snížení provozních parametrů. Například při použití olověných zásobníků energie se desky sulfatují a jejich pracovní plocha se zmenší. K negativním změnám dochází i ve struktuře lithium-iontových článků – pomalu, ale nevyhnutelně vedou ke snížení výkonu.

Co tento parametr ovlivňuje?

Schopnost baterie plně přenášet energii do jím napájeného zařízení přímo závisí na vnitřním odporu. Vysoké hodnoty tohoto parametru vedou k poklesu napětí při zatížení, zvýšené tvorbě tepla během provozu, zvýšeným energetickým ztrátám, snížení účinnosti baterie a předčasnému selhání.

Které ukazatele jsou považovány za vysoké a které za optimální? Vše závisí na typu HIT, jeho účelu a parametrech k němu připojené zátěže. Například:

• Li-ion válcový článek Panasonic 18650BD (3,7 V, 3200 mAh) – 35 mOhm – umožňuje dlouhodobý vybíjecí proud až 5 A;
• Li-ion baterie Samsung 35E 18650 (3,7 V, 3500 mAh) – až 35 mOhm – vydrží nepřetržitě až 8 A, krátkodobě až 13 A;
• Li-ion „plechovka“ BAK 18650 (3,7 V, 3350 mAh) – 24–25 mOhm – poskytuje proudový výstup až 9 A;
• Li-ion článek Tesla 18650 (3,7 V, 3400 mAh) – ˂20 mOhm – až 10 A;
• Li-ion prvek Samsung 25R 18650 (3,7 V, 2500 mAh) – 18 mOhm – maximální proudový výstup 25 A;
• Li-ion „plechovka“ SONY VTC6 18650 (3,7 V, 3000 mAh) – 18 mOhm – dodává proudy až 15 A nepřetržitě, krátkodobě až 30 A;
• prizmatická baterie CATL Li-ion 3,7V, 60A*h – do 1 mOhm – do 120 A kontinuálně, do 180 A pulzní;
• LiFePO4 3,2V, 100A*h – 0,8 mOhm – do 100 A kontinuálně, do 300 A pulzně;
• prizmatická baterie LiFePO4 3,2V, 160A*h – ˂0,6 mOhm – až 160 A nepřetržitě.

Jak vidíte, kromě technologie výroby závisí tento parametr také na kapacitě baterií: čím je větší (u článků větší standardní velikosti se stejným typem chemie), tím méně zařízení pro ukládání energie brání tok proudu. Obecně platí, že pro vysokoproudé lithium-iontové články ve formátu 18650 je referenční rozsah 18–25 mOhm.

• Článek aktualizován: 16. března 2024

• 16 2024 března
• Zobrazení 6568
• 0 komentáře