电池内阻及简单的测试方法

电池阻及简单的测试方法
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。

当然这仅仅是表明阻的概念, 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,以及公式 U=E-IR。

此式说明电池阻 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20°C ±5°C 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=10Ω, 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=0.194Ω=194mΩ
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表明,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
以及温度不同时, 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=1/2
πfC, 阻抗 Z= Xc2+R2 。

表中同时给出了不同电池在温度变化时阻的变化
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于 20mV 。

(6以上各步骤在20°C ±5°C 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 mΩ—200Ω,分为五个量程,测试精度±0.1%Rd±2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及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 , 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 mΩ。

稳压器 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 mΩ。

B 、找一只1Ω左右的, 已知准确阻值的电阻,设为 1.011Ω也即 1011 mΩ,把此电阻焊在电池的正极 ,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 mΩ, 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 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 导电……。

C4 充电结束后，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。

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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 二个鳄鱼夹以及 DMM 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。

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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。