电池内阻及简单的测试方法

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1、 . . 电池阻与简单的测试方法一、什么是电池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,我们引入电池阻的概念,简约的说,电池阻等于开路电压除以短路电流。当然这仅仅是说明阻的概念, 实际上是不可能用这个方法测试阻。在直流条件下我们可以给出电池的直流等效电路,见图一,以与公式 U=E-IR。此式说明电池

2、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,需挑选阻相近的电池单元组成一组。3、因电池的容量 Ah 越大,阻就越小,因此可以根据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阻增大,因此测试电池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阻,以便把阻增大的单元挑出来, 换个好的。三、电池阻的直流测量方法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

3、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 20C 5C 的环境下完成。电池的直流阻 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

4、 有损电池 且 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、电池阻的 交 流测量法1、简化 交 流等效电路见

5、 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 流等效电路说明,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 、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 同以与 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 、阻等数据。表中容 抗 Xc=1/2fC, 阻 抗 Z= Xc2+R2 。 表中 同 时给出了不 同 电池在 温 度

6、变 化时阻的 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,电池阻的测试 必须有 一个标准,以锂 电池 交 流阻测试为例,简单的介绍一下 IEC 标准 主 要容:(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

7、于 20mV 。(6以上各步骤在 20C 5C 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 的阻 抗 Z , 即 R 和 XC 的 复 数和。现 代 的阻测试 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 可以测出电池的阻 R 。五 、测量电池阻的 产品 介绍现 国 已有 电池阻测试 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

8、 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 围 可以 达 到 0.01 m 200,分为 五 个量程,测试 精 度0.1%Rd2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

9、 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 电池阻测试 附 件在业余条件下, 花 不 多 的 钱 , 自制 一个电池阻测试的 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

10、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 以与对电池 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

11、, 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 电池阻(阻 抗 为 100 m。 稳 压

12、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, 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

13、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 、找一个阻较小的 12V 铅酸蓄 电池,用 附 件先 估 测出的 它 的阻值,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

14、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。如找不到阻较小的电池,也 即 电池 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

15、铅酸蓄 电池阻的测试。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

16、电。C4 充电完毕后，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

17、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

18、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 二个鳄鱼夹以与 DMM

19、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

20、面，如图 十 四 所示 ，就可 以测试导线 2、 3 之间的电阻值。 因此 校 准 仪 表也来得简单，按 图十五夹住标准电阻，调节 W， 通过 改变 输出 交 流电流的大小 就可以改变 DMM 的读数， 进行校 准调节。 7 4、EF-4 型附件 EF-4 型附件的原理图、印刷板图见图十六。 EF-3 型的缺点是输出交流信号的波形不太好。 解决这一问题可以通过增加一只集成运放来 解决，原理是通过较深的负反馈来减小波形失真。另外，输出电流的大小也改由调节反馈电阻 W1 来改变。 EF-4 型的零点检查、校准方法、使用方法等与 EF-3 型完全相同。 EF-3、EF-4 型附件适合测试 0-50V 的各种电池。 8 13 / 13