電池內(nèi)阻及其測(cè)量的方法
在放電電路的原理圖上來(lái)說(shuō),我們可以把電池和內(nèi)阻拆開(kāi)考慮,分為一個(gè)完全沒(méi)有內(nèi)阻的電源串接上一個(gè)阻值很小的電阻。此時(shí)如果外接的負(fù)載輕,那么分配在這個(gè)小電阻上的電壓就小,反之如果外接很重的負(fù)載,那么分配在這個(gè)小電阻上的電壓就比較大,就會(huì)有一部分功率被消耗在這個(gè)內(nèi)阻上(可能轉(zhuǎn)化為發(fā)熱,或者是一些復(fù)雜的逆向電化學(xué)反應(yīng))。一個(gè)可充電電池出廠時(shí)的內(nèi)阻是比較小的,但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后,由于電池內(nèi)部電解液的枯竭,以及電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)活性的降低,這個(gè)內(nèi)阻會(huì)逐漸增加,直到內(nèi)阻大到電池內(nèi)部的電量無(wú)法正常釋放出來(lái),此時(shí)電池也就“壽終正寢”了。絕大部分老化的電池都是因?yàn)閮?nèi)阻過(guò)大的原因而造成無(wú)使用價(jià)值,只好報(bào)廢。因此我們更應(yīng)該注重的是電池放出的容量而不是充入的容量。
一、內(nèi)阻不是一個(gè)固定的數(shù)值
麻煩的一點(diǎn)是,電池處于不同的電量狀態(tài)時(shí),它的內(nèi)阻值不一樣;電池處于不同的使用壽命狀態(tài)下,它的內(nèi)阻值也不同。從技術(shù)的角度出發(fā),我們一般把電池的電阻分為兩種狀態(tài)考慮:充電態(tài)內(nèi)阻和放電態(tài)內(nèi)阻。
1.充電態(tài)內(nèi)阻指電池完全充滿電時(shí)的所測(cè)量到的電池內(nèi)阻。
2.放電態(tài)內(nèi)阻指電池充分放電后(放電到標(biāo)準(zhǔn)的截止電壓時(shí))所測(cè)量到的電池內(nèi)阻。
一般情況下放電態(tài)的內(nèi)阻是不穩(wěn)定的,測(cè)量的結(jié)果也比正常值高出許多,而充電態(tài)內(nèi)阻相對(duì)比較穩(wěn)定,測(cè)量這個(gè)數(shù)值具有實(shí)際的比較意義。因此在電池的測(cè)量過(guò)程中,我們都以充電態(tài)內(nèi)阻做為測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。
二、內(nèi)阻無(wú)法用一般的方法進(jìn)行精確測(cè)量
或許大家會(huì)說(shuō),高中物理課上有教用簡(jiǎn)單公式+電阻箱計(jì)算電池內(nèi)阻的方法……但物理課本上教的用電阻箱推算的算法精度太低,只能用于理論的教學(xué),在實(shí)際應(yīng)用上根本無(wú)法采用。電池的內(nèi)阻很小,我們一般用微歐或者毫歐的單位來(lái)定義它。在一般的測(cè)量場(chǎng)合,我們要求電池的內(nèi)阻測(cè)量精度誤差必須控制在正負(fù)5%以內(nèi)。這么小的阻值和這么精確的要求必須用專用儀器來(lái)進(jìn)行測(cè)量
三、目前行業(yè)中應(yīng)用的電池內(nèi)阻測(cè)量方法
行業(yè)應(yīng)用中,電池內(nèi)阻的精確測(cè)量是通過(guò)專用設(shè)備來(lái)進(jìn)行的。下面我來(lái)說(shuō)說(shuō)行業(yè)中應(yīng)用的電池內(nèi)阻測(cè)量方法。目前行業(yè)中應(yīng)用的電池內(nèi)阻測(cè)量方法主要有以下兩種:
1.直流放電內(nèi)阻測(cè)量法
根據(jù)物理公式R=U/I,測(cè)試設(shè)備讓電池在短時(shí)間內(nèi)(一般為2~3秒)強(qiáng)制通過(guò)一個(gè)很大的恒定直流電流(目前一般使用40A~80A的大電流),測(cè)量此時(shí)電池兩端的電壓,并按公式計(jì)算出當(dāng)前的電池內(nèi)阻。
這種測(cè)量方法的精確度較高,控制得當(dāng)?shù)脑挘瑴y(cè)量精度誤差可以控制在0.1%以內(nèi)。
但此法有明顯的不足之處:
(1)只能測(cè)量大容量電池或者蓄電池,小容量電池?zé)o法在2~3秒鐘內(nèi)負(fù)荷40A~80A的大電流;
(2)當(dāng)電池通過(guò)大電流時(shí),電池內(nèi)部的電極會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象,產(chǎn)生極化內(nèi)阻。故測(cè)量時(shí)間必須很短,否則測(cè)出的內(nèi)阻值誤差很大;
(3)大電流通過(guò)電池對(duì)電池內(nèi)部的電極有一定損傷。
2.交流壓降內(nèi)阻測(cè)量法
因?yàn)殡姵貙?shí)際上等效于一個(gè)有源電阻,因此我們給電池施加一個(gè)固定頻率和固定電流(目前一般使用1kHz頻率、50mA小電流),然后對(duì)其電壓進(jìn)行采樣,經(jīng)過(guò)整流、濾波等一系列處理后通過(guò)運(yùn)放電路計(jì)算出該電池的內(nèi)阻值。交流壓降內(nèi)阻測(cè)量法的電池測(cè)量時(shí)間極短,一般在100毫秒左右。
這種測(cè)量方法的精確度也不錯(cuò),測(cè)量精度誤差一般在1%~2%之間。
此法的優(yōu)缺點(diǎn):
(1)使用交流壓降內(nèi)阻測(cè)量法可以測(cè)量幾乎所有的電池,包括小容量電池。筆記本電池電芯的內(nèi)阻測(cè)量一般都用這種辦法。
(2)交流壓降測(cè)量法的測(cè)量精度很可能會(huì)受到紋波電流的影響,同時(shí)還有諧波電流干擾的可能。這對(duì)測(cè)量?jī)x器電路中的抗干擾能力是一個(gè)考驗(yàn)。
(3)用此法測(cè)量,對(duì)電池本身不會(huì)有太大的損害。
(4)交流壓降測(cè)量法的測(cè)量精度不如直流放電內(nèi)阻測(cè)量法。
3.測(cè)試儀器的元件誤差及測(cè)試用的電池連接線問(wèn)題
無(wú)論是上述哪一種方法,都存在一些很容易被我們忽視的問(wèn)題,那就是測(cè)試儀器本身的元件誤差和用于連接電池的測(cè)試線纜問(wèn)題。因?yàn)橐獪y(cè)量的電池的內(nèi)阻很小,線路的電阻就要考慮進(jìn)去了。一條短短的從儀器到電池的連接線本身也存在電阻(大約也是微歐級(jí)),還有電池與連接線的接觸面也存在接觸電阻,這些因素必須都在儀器的內(nèi)部事先做好誤差調(diào)節(jié)。
所以,正規(guī)的電池內(nèi)阻測(cè)試儀一般都配有專用的連接線和電池固定架子。
四、總結(jié)
很多老化的電池其實(shí)內(nèi)部電量還是很多,只是內(nèi)阻過(guò)大放不出電來(lái),實(shí)在可惜。但電池的內(nèi)阻一旦增加后,要想人為降低這個(gè)內(nèi)阻值是難上加難。因此對(duì)于已經(jīng)老化的電池,我們即使想出很多辦法來(lái)“激活”它,比如大電流沖擊,小電流浮充,放冰箱等,但大多無(wú)濟(jì)于事,回天乏術(shù)。在了解了上述知識(shí)之后,我們基本可以知道,挑選電池要盡可能地挑選內(nèi)阻較小的電池。另外很重要的一點(diǎn),電池久置不用,其內(nèi)阻也會(huì)不斷增加。建議大家還是要經(jīng)常使用電池來(lái)保持電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的活性。