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蓄电池内阻及其测量方法

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来源:华电高盛  时间:2018-07-28 14:55:02  阅读:0
        每个电池都有内阻。不同类型的电池内阻不同。相同类型的电池,由于内部化学特性的不一致,内阻也不一样。电池的内阻很小,我们一般用微欧或者毫欧的单位来定义它。
        内阻是衡量电池性能的一个重要技术指标。正常情况下,内阻小的电池的大电流放电能力强,内阻大的电池放电能力弱。
        取个简单的例子:一台老式的使用5号电池的数码相机(例如耗电量很大的CANON 210),使用5号碱性电池供电,可以连续拍几十张相片;但使用5号干电池供电,只能拍上几张就自动关机了,但干电池并不是完全没电;再换上5号可充电镍氢电池,可以拍的相片更多。在实际测量后我们可以知道,镍氢电池的内阻<碱性电池的内阻<干电池的内阻。此例子说明在大电流放电的应用中,一定要选择内阻较小的电池。
        在放电电路的原理图上来说,我们可以把电池和内阻拆开考虑,分为一个完全没有内阻的电池串接上一个阻值很小的电阻。此时如果外接的负载轻,那么分配在这个小电阻上的电压就小,反之如果外接很重的负载,那么分配在这个小电阻上的电压就比较大,就会有一部分功率被消耗在这个内阻上(可能转化为发热,或者是一些复杂的逆向电化学反应)。一个可充电电池出厂时的内阻是比较小的,但经过长期使用后,由于电池内部电解液的枯竭,以及电池内部化学物质活性的降低,这个内阻会逐渐增加,直到内阻大到电池内部的电量无法正常释放出来,此时电池也就“寿终正寝”了。绝大部分老化的电池都是因为内阻过大的原因而造成无使用价值,只好报废。
 
一、内阻不是一个固定的数值。
        麻烦的一点是,电池处于不同的电量状态时,它的内阻值不一样;电池处于不同的使用寿命状态下,它的内阻值也不同。
       从技术的角度出发,我们一般把电池的电阻分为两种状态考虑:充电态内阻和放电态内阻。
       1、充电态内阻指电池完全充满电时的所测量到的电池内阻。
       2、放电态内阻指电池充分放电后(放电到标准的截止电压时)所测量到的电池内阻。
        一般情况下放电态的内阻是不稳定的,测量的结果也比正常值高出许多,而充电态内阻相对比较稳定,测量这个数值具有实际的比较意义。因此在电池的测量过程中,我们都以充电态内阻做为测量的标准。
 
二、内阻无法用一般的方法进行精确测量。
        或许大家会说,高中物理课上有教用简单公式+电阻箱计算电池内阻的方法。。。。。但物理课本上教的用电阻箱推算的算法精度太低,只能用于理论的教学,在实际应用上根本无法采用。
        电池的内阻很小,我们一般用微欧或者毫欧的单位来定义它。在一般的测量场合,我们要求电池的内阻测量精度误差必须控制在正负5%以内。这么小的阻值和这么精确的要求必须用专用仪器来进行测量。
 
三、目前行业中应用的电池内阻测量方法。
       行业应用中,电池内阻的精确测量是通过专用设备来进行的。下面我来说说行业中应用的电池内阻测量方法。
       目前行业中应用的电池内阻测量方法主要有以下两种:
       1、直流放电内阻测量法。
        根据物理公式R=V/I,测试设备让电池在短时间内(一般为2-3秒)强制通过一个很大的恒定直流电流(目前一般使用40A-80A的大电流),测量此时电池两端的电压,并按公式计算出当前的电池内阻。
       这种测量方法的精确度较高,控制得当的话,测量精度误差可以控制在0.1%以内。
  但此法有明显的不足之处:
        (1)只能测量大容量电池或者蓄电池,小容量电池无法在2-3秒钟内负荷40A-80A的大电流;
        (2)当电池通过大电流时,电池内部的电极会发生极化现象,产生极化内阻。故测量时间必须很短,否则测出的内阻值误差很大;
        (3)大电流通过电池对电池内部的电极有一定损伤。
        2、交流压降内阻测量法(交流注入法)。
        因为电池实际上等效于一个有源电阻,因此我们给电池施加一个固定频率和固定电流(目前一般使用1KHZ频率,50mA小电流),然后对其电压进行采样,经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值。
        交流压降内阻测量法的电池测量时间极短,一般在100毫秒左右,几乎是一按下测量开关就测完了。呵呵。
        这种测量方法的精确度也不错,测量精度误差一般在1%-2%之间。
       此法的优缺点:
      (1)使用交流压降内阻测量法可以测量几乎所有的电池,包括小容量电池。笔记本电池电芯的内阻测量一般都用这种办法。
      (2)交流压降测量法的测量精度很可能会受到纹波电流的影响,同时还有谐波电流干扰的可能。这对测量仪器电路中的抗干扰能力是一个考验。
      (3)用此法测量,对电池本身不会有太大的损害。
      (4)交流压降测量法的测量精度不如直流放电内阻测量法。在某些内阻在线监控的应用中,只能采用直流放电测量法而无法采用交流压降测量法。
3、测试仪器的元件误差及测试用的电池连接线问题。
        无论是上述哪一种方法,都存在一些很容易被我们忽视的问题,那就是测试仪器本身的元件误差和用于连接电池的测试线缆问题。因为要测量的电池的内阻很小,线路的电阻就要考虑进去了。一条短短的从仪器到电池的连接线本身也存在电阻(大约也是微欧级),还有电池与连接线的接触面也存在接触电阻,这些因素必须都在仪器的内部事先做好误差调节。
        所以,正规的电池内阻测试仪一般都配有专用的连接线和电池固定架子。
 
四、总结。
        很多老化的电池其实内部电量还是很多,只是内阻过大放不出电来,实在可惜。但电池的内阻一旦增加后,要想人为降低这个内阻值是难上加难。因此对于已经老化的电池,我们即使想出很多办法来“激活”它,比如大电流冲击,小电流浮充,放冰箱。。。。等等,但大多无济于事,回天乏术。 
        在了解了上述知识之后,我们基本可以知道,挑选电池要尽可能地挑选内阻较小的电池。在进行电池组的组合过程中(例如笔记本的电池组组合),我们要尽可能选用内阻一致的电池。另外很重要的一点,电池久置不用,其内阻也会不断增加。所以本帅哥建议大家还是要经常使用电池来保持电池内部化学物质的活性。还有就是不要选购旧的电池,比如拆机的电芯
         关于电池内阻测量的交、直流法之争,有充足的理论和技术上的理由否定直流法,试与网友们商榷如下:
        (1)从理论上讲,直流法应该遵从直流放电曲线,特点为电流跳变后其端电压有几分钟至十几分钟的不稳定期,跳变为正时具体为:先下跌、后回弹、再进入正常缓慢下降.这一不稳定期有很强的个体离散性,从未见精确的数学描述.小的电流跳变下无精度可言,大的电流跳变则难以持久(美国ALBER专利规定为70安3.25秒),当跳变维持时间刚好落在最不稳定区时,没有人能够讲请各变量之间的物理规律,也就是说:直流法物理含义不清.所谓“内阻等于电压变化量与电流变化量之比”的定义,属于把高中物理教科书中理想电池模型当真的一种想当然,完全没有考虑真实电池的超长稳定时间的客观存在.反之,交流法测量的是欧姆定律下的等效阻抗,特别是用纯阻校正相位后,相敏输出的是等效阻抗中的纯阻分量,其物理含义十分明确.
        (2)从技术上讲,直流法本质上测量的是电流跳变下的电压跳变,这一电压跳变比大基数的电池端电压小一到两个数量级,已难保证测量精度,更何况直流法无法把不同金属的接触热电势,潮湿下微电池的电动势等有害直流电压排除在测量结果外,可以肯定直流法精度有限,福光电导仪的测量上限为20000S(合0.05毫欧姆)即为明证.至于推崇直流法的人以交流法与频率有关无法统一、交流法无法抗干扰等理由判交流法死刑,恐怕更多的是出于商业利益而非科学真理.
        (3)从仪表校核上讲,直流放电法依赖的是被测电池的储存能量,无法测量无存储能量的纯电阻,也就是说:无法用已知的标准电阻进行校核,由于世上没有内阻恒定不变的标准电池,选用者极易陷入“蒙谁谁没招”的困境.
        事实上,内阻的原始含义是指阻碍电流流动的差数.任何极化电压,瞬间的跳变等都反映了电池内阻的变化是和物理结构,化学分布,表面状态,温度等密切相关.一句话:直流内阻,因为不稳,所以真实.回到工程上来,一个不稳定的参数当然不便使用.这也是交流内阻指标得以广泛使用的原因,但不能因此倒置因果,废弃直流内阻的应用.在电池中放电或或充电都是单向的,因此直流内阻在充电控制、容量预测、均衡充电等有重要意义.
        无论电化学极化和浓差极化的建立需要时间,如果产生高速大电流脉冲,在电化学极化和浓差极化建立以前完成测量,直流测量也是可以的.也只有现代技术才可以实现这样的快速测量.并且,IEC也认可这样的测量.而平稳直流,其中一定包含有电化学极化和浓差极化,所以会引入测量误差,所以简单的直流测试还是有问题的.

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