Jak změřit vnitřní odpor lithiové baterie

Jedním z nejdůležitějších parametrů charakterizujících jakýkoli chemický zdroj energie, včetně lithiových baterií, je vnitřní odpor. Na tomto parametru přímo závisí vlastnosti zdroje energie, jako je výstupní napětí při zatížení, maximální výstupní proud a koeficient výkonu (účinnost). Obrázek 1 ukazuje schematický diagram baterie s připojenou zátěží.

Rýže. 1. Schematické schéma baterie s připojenou zátěží

Vnitřní strukturu baterie si lze představit jako ideální zdroj EMF (elektromotorické síly) s nulovým vnitřním odporem a sériově s ním zapojeným rezistorem (na obrázku 1 je označen jako R_ext). Zatížení baterie je v diagramu znázorněno odporem R_н. Je zřejmé, že napětí na něm (V_н) bude nižší než výstupní napětí baterie při nečinnosti (V_и) v důsledku poklesu napětí na vnitřním odporu. A čím vyšší je zatěžovací proud, tím je tento rozdíl znatelnější. Podle toho je účinnost daného zdroje energie, kterou lze určit poměrem V_н k V_и, bude menší než 100 % a teoretický maximální výstupní proud lze získat dělením V_и na R_ext.

Zde uvedený podmíněný diagram samozřejmě odráží skutečný stav věcí pouze jako první přiblížení. Vnitřní odpor baterie není konstantní hodnota, jeho hodnota v praxi závisí na mnoha faktorech, jako je stupeň nabití zdroje proudu, okolní teplota, charakter zátěže a podobně. Navíc vnitřní odpor chemického zdroje napětí může mít kromě aktivní složky i složku jalovou. To znamená, že v obecném případě musíme mluvit o komplexním odporu (impedanci), který bude také záviset na frekvenci spotřebovaného proudu. Proto, aby bylo možné získat skutečné hodnoty tohoto parametru, je nutné provádět měření za reálných provozních podmínek s použitím pracovního zatížení a v souladu s metodami stanovenými v regulačních dokumentech.

Metoda měření vnitřního odporu lithiových baterií je uvedena v GOST R IEC 61960-3-2019. Tento dokument popisuje zkušební postup pro měření tohoto parametru pomocí dvou metod: stejnosměrného proudu a střídavého proudu. Navíc v případě testování pomocí obou metod na stejné baterii by mělo být dodrženo určité pořadí: nejprve je třeba provést měření na střídavém a teprve potom na stejnosměrném proudu. Mezi těmito měřeními není třeba baterii dobíjet, ale před zahájením jakýchkoli testů byste měli baterii nejprve vybít a poté plně nabít, jak je doporučeno ve stejném dokumentu. V souladu s touto technikou musí být baterie vybíjena konstantním proudem určité hodnoty při teplotě 20 ± 5 °C na stanovené konečné napětí, při kterém se baterie považuje za zcela vybitou.

Hodnota vybíjecího proudu je 0,2 hodnoty základního proudu I_t, kde jsem_t v ampérech se číselně rovná jmenovité kapacitě baterie v Ah. Následné nabíjení musí být provedeno podle metody deklarované výrobcem při stejné okolní teplotě (20 ± 5 °C). Poté, v souladu s obecným plánem přípravy zkoušky, musí být baterie udržována při okolní teplotě 20 ± 5 °C po dobu alespoň jedné hodiny, ale ne déle než čtyři.

Chcete-li určit vnitřní odpor střídavého akumulátoru, změřte střední kvadratické napětí U_a přímo na svorky baterie, když je na ni aplikován střídavý proud I_a frekvence 1,0 ±0,1 kHz po dobu 1. 5 s. Schéma provádění měření střídavého proudu je znázorněno na obrázku 2.

Rýže. 2. Schéma měření vnitřního odporu střídavého akumulátoru

Aktuální hodnota I_a zvolena tak, aby špičková hodnota střídavého napětí U_a na svorkách baterie nepřesáhlo 20 mV. Vnitřní odpor baterie se vypočítá pomocí Ohmova zákona vydělením střední kvadratické hodnoty napětí U_a na efektivní hodnotu proudu I_a. Tato metoda ve skutečnosti měří impedanci, která je kapacitní povahy kvůli skutečnosti, že baterie je tvořena řadou desek, které jsou ve skutečnosti kondenzátorem.

K měření vnitřního odporu stejnosměrné baterie použijte testovací obvod znázorněný na obrázku 3.

Rýže. 3. Schéma měření vnitřního odporu baterie při stejnosměrném proudu

V souladu s metodikou měření je nutné baterii vybíjet konstantním proudem 0,2 od základního (I_t). Na konci vybíjecí periody 10 ±0,1 s se musí změřit a zaznamenat vybíjecí napětí U₁ pod zátěží. Vybíjecí proud by měl být poté okamžitě zvýšen na 1,0 I_ta na konci doby vybíjení trvající 1 ±0,1 s je třeba zaznamenat odpovídající vybíjecí napětí U₂, měřeno při zátěži.

Všechna měření napětí by měla být prováděna přímo na svorkách baterie, bez ohledu na kontakty používané k přenosu proudu. Vnitřní odpor při stejnosměrném proudu se vypočítá jako rozdíl napětí dělený rozdílem proudu (vzorec 1):

Inženýři společnosti Compel měřili odpor několika baterií různých značek. Nejlepší hodnotu vnitřního odporu vykazovaly baterie INR 18650/25P firemní produkce EVE, které jsou dostupné ze skladu PŘINUTIT.

Multimetr je praktické multifunkční zařízení, které lze použít ke snadné kontrole výkonu baterie. Tento kompaktní přístroj kombinuje funkce voltmetru, ampérmetru a ohmmetru. V souladu s tím vám umožňuje měřit napětí baterií s vysokou přesností. Kromě toho lze pomocí něj zjistit úroveň nabití baterie, její kapacitu, vnitřní odpor a celkový výkon.

Měření napětí

Chcete-li zkontrolovat výkon lithium-iontové baterie nebo zařízení pro ukládání energie s jiným chemickým složením, musíte určit její napětí. Chcete-li to provést, přepněte multimetr do režimu DC. V závislosti na jmenovitém napětí baterie zvolíme vhodný režim napětí. Pokud je například jmenovitá hodnota v rozmezí 20 V, nastavte přepínač do polohy 20 V.

• Černou sondu multimetru připojíme ke svorce „-“ a červenou ke svorce „+“;
• sledovat stejnosměrné napětí na displeji;
• Naměřenou hodnotu porovnáme s nominální hodnotou.

Jaké by mělo být napětí konkrétního modelu baterie, můžete vidět v dokumentaci nebo si to spočítat sami. Například Li-ion baterie mají jmenovité napětí 3,6 nebo 3,7 V a rozsah provozních hodnot (od vybitých po nabité) – od 2,5 do 4,2 V. Při zapojení prvků do série se jejich napětí sčítá .

Tabulka ukazuje hodnoty napětí pro různé verze Li-ion baterií v závislosti na počtu „plechovek“ zapojených do série:

Schéma sestavy Li-ion baterie

Nominální U, V

Minimální U (vybitý stav), V

Maximální U (plné nabití), V

Pro baterie typu LiFePO4 je jmenovité napětí 3,2 V na článek a rozsah provozních hodnot je od 2,1 do 3,65 V. V tabulce jsou uvedeny hodnoty napětí (minimální / jmenovité / maximální) pro fosforečnan lithný baterie v různých verzích sestavení:

Schéma montáže LiFePO4 baterie

Nominální U, V

Minimální U (vybitý stav), V

Maximální U (plné nabití), V

Určení úrovně nabití baterie

Podívejme se, jak zkontrolovat nabíjení baterie pomocí multimetru. Úroveň nabití baterie může být určena naměřeným napětím. Pokud se naměřené napětí blíží maximální hodnotě pro danou baterii, je nabitá a připravená k použití. Pokud se blíží minimální hranici, je nutné baterii nabít. Pokud je napětí kriticky nízké, baterie je nevhodná k použití a musí být zlikvidována a vyměněna.

Tabulka ukazuje přibližné hodnoty napětí baterie různých typů (ve voltech) v závislosti na úrovni nabití:

Úroveň nabití

Li-ion baterie 5S

Li-ion s 10S obvodem

LiFePO4 baterie 7S

LiFePO4 s 15S obvodem

Měření kapacity

Multimetr může sloužit jako tester pro zjištění kapacity baterie. K tomu se provede kontrolní vybití předem nabité baterie. Nejprve nabijeme baterii na maximum a změříme její napětí. Poté k němu připojíme zátěž o známém výkonu, například 24W lampu. Zaznamenáváme čas a pravidelně měříme napětí baterie.

K tomu připojte multimetr na póly baterie v režimu DC a nastavte přepínač do polohy 20 V Sledujte pokles napětí při zátěži. Když jeho hodnota dosáhne přípustného minima (pro lithium-iontové baterie – 2,5 V na článek, pro LiFePO4 – 2,1 V na článek), odpojte baterii od zátěže.

Pro výpočet kapacity baterie (v ampérhodinách) vynásobíme výkon připojené zátěže (ve wattech) provozní dobou (v hodinách) a vydělíme jmenovitým napětím (ve voltech). Pokud se například baterie o jmenovitém napětí 18 V při zátěži 24 W vybíjela 2 hodiny, dostaneme: (24 W x 2 hodiny)/18 V = 2,67 Ah. Na základě získané hodnoty kapacity lze snadno vypočítat provozní dobu baterie při připojení k zátěži jiného výkonu.

Co udává kapacita baterie?

Pokud hodnota kapacity vypočítaná během cyklu řízení nabíjení-vybíjení přibližně odpovídá jmenovité hodnotě, je baterie provozuschopná a provozuschopná. Li-ion články typu 18650 mají v průměru kapacitu od 1500 do 3600 mAh a články velikosti 21700 se pohybují od 3000 do 5000 mAh.

Pokud je vypočtená kapacita mnohem nižší než jmenovitá hodnota, znamená to opotřebení, nesprávnou funkci baterií a kritický pokles jejich technických vlastností. V průměru se kapacita lithiových baterií sníží o 20 % po 700–1000 cyklech nabití a vybití a u modelů s technologií LiFePO4 po 2000 cyklech. Poté se akumulované množství energie postupně snižuje a životnost baterie se snižuje. Baterie však mohou selhat před vyčerpáním cyklického zdroje, například pokud jsou skladovány po dlouhou dobu ve vybitém stavu.

Měření vnitřního odporu

K určení vnitřního odporu článků je nutné:

1. Připojte žárovku, elektromotor, elektrické nářadí nebo jinou zátěž k baterii na 5–10 sekund.
2. Změřte napětí na svorkách multimetrem. Zapište jeho význam.
3. Odpojte zátěž.
4. Znovu změřte napětí na pólech baterie. Zapište jeho význam.
5. Odečtěte druhou od první naměřené hodnoty napětí. Při zatěžovacím proudu 100 A je přípustná ztráta napětí 1 V, při proudu 5 A – cca 0,05 V. Větší rozptyl mezi naměřenými hodnotami svědčí o opotřebení baterie.
6. Výsledné číslo vydělte jmenovitým napětím baterie. Pro převod na procenta vynásobte 100. Při hodnotě do 0,4 % je vnitřní odpor považován za přijatelný a baterie jsou považovány za funkční. Při vyšších hodnotách je nebezpečné používat napájecí zdroje.

Co ovlivňuje vnitřní odpor?

Na tomto parametru závisí tendence baterií zahřívat se při proudovém zatížení. Při vysokých hodnotách vnitřního odporu je průchod proudu obtížný, prvky se zahřívají a proudový výkon ještě klesá. Při použití ve výkonných zařízeních se kvůli přehřátí spustí ochranná deska a baterie se odpojí od zátěže. Při výběru baterií je proto nutné porovnat jejich vnitřní odpor a výkon připojeného elektrického zařízení.

Například pro použití v elektronických cigaretách, šroubovácích a elektrických vozidlech jsou zapotřebí baterie s nízkým odporem. Kvůli jejich dobrému proudovému výstupu se nazývají vysokoproudé. Například baterie Samsung 18650 s provozním proudem 15 A mají vnitřní odpor v rozsahu 12–15 mOhm. Toto jsou nízké hodnoty typické pro silnoproudé prvky. Za průměrné jsou považovány indikátory 35–42 mOhm. Jsou určeny pro nižší proudové zatížení.

Na čem R závisí?_ext?

Vnitřní odpor baterií závisí na jejich chemickém složení, úrovni nabití, zátěži, teplotě a zejména se zvyšuje při použití v chladném počasí. Za takových podmínek probíhají chemické procesy pomaleji, zejména u prvků Li-ion a Li-Pol. Modely jako LiFePO4 a LTO jsou více přizpůsobeny pro provoz při nízkých teplotách, protože. jejich vnitřní odpor mírně vzroste.

Závěry

Pokud jde o to, jak správně otestovat baterii pomocí multimetru, vše začíná měřením napětí. Pokud jeho hodnota neklesne pod přijatelné minimum, je to dobré. Jinak je baterie k ničemu. Na základě naměřeného napětí se určí přibližná úroveň nabití baterie.

Další testování „živé“ baterie se provádí po jejím úplném nabití. Pod vlivem zátěže známého výkonu se zaznamená čas a baterie se vybije. Díky znalosti hodnot výkonu zátěže, doby vybíjení a jmenovitého napětí můžeme vypočítat kapacitu baterie. Od toho se odvíjí výdrž baterie výbavy a například dojezd elektromobilů na jedno nabití.

Dále změříme vnitřní odpor článků. Připojte zátěž na několik sekund a změřte napětí na svorkách baterie. Další měření provádíme po odpojení zátěže. Výsledný rozdíl porovnáme s přijatelnými hodnotami. Pokud je odpor do 30 mOhm, jsou takové baterie vhodné pro použití s ​​vysokým proudovým zatížením.

Tyto jednoduché metody umožňují zkontrolovat výkon baterií a jejich technické vlastnosti.