Jak vypočítat vnitřní odpor baterie

Jednou z nejdůležitějších vlastností, které určují stav každého úložného prvku, je vnitřní odpor baterie. Na tomto ukazateli závisí nejen účinnost moderních baterií; do jisté míry ovlivňuje i dobu provozu (životnost výrobku).

Jaký je vnitřní odpor baterie

Akumulační zařízení, které akumuluje elektrickou energii, je ve svém jádru zdrojem stejnosměrného proudu. Jakákoli zařízení této třídy mají v souladu s principem jejich činnosti vnitřní odpor vůči toku nabitých částic. Tato vlastnost se navenek projevuje tím, že při provozu baterie pod zátěží bude mít napětí na jejích svorkách nižší hodnotu než při odpojení od spotřebiče. To se vysvětluje skutečností, že zatěžovací proud procházející uzavřeným obvodem vede k poklesu potenciálu na jeho vnitřních prvcích.

Pokles napětí na svorkách baterie po připojení zátěže k nim (například startéru) je přímým důkazem toho, že vnitřní odpor baterie je jiný než nula. Praktické zkušenosti s provozem baterií tento závěr plně potvrzují. Při měření napětí na svorkách nabitého akumulátoru v klidovém režimu je tedy zaznamenán údaj cca 13 V.

Po připojení jakékoli zátěže k nim tato hodnota klesne na určitou úroveň, určenou silou proudu v pracovním obvodu (například na 12.3 V). To znamená, že chybějících 0,7 V „spadlo“ při nějakém odporu přítomném v uzavřeném okruhu jiném než zátěži. Nic jiného v něm ale kromě vnitřního odporu baterie není.

Stejného výsledku se dosáhne měřením proudu v obvodu s připojeným spotřebičem a následným porovnáním načtené hodnoty s vypočtenou hodnotou. Takže například při napětí na kontaktních svorkách asi 13 V by měl být proud v obvodu se zátěží 1 Ohm roven 13 Ampérům. Ve skutečnosti to bude o něco méně než vypočítaná hodnota, protože vnitřní odpor baterie se přičítá k impedanci zátěže.

Jaký vliv má tento parametr na provoz baterie?

Vodivost jakéhokoli elektricky vodivého systému sestávajícího z elektrolytu a pracovních desek (anoda plus katoda) závisí na mnoha vnitřních a vnějších faktorech. Především je určen odporem, který vzniká v roztoku při pohybu nabitých iontů různé polarity ve směru od katody k anodě a naopak. Na vzniku tohoto indikátoru se podílí i materiál elektrod a také oddělovací desky (separátory) s vnitřním odporem.

Při návrhu moderních baterií se snaží minimalizovat vnitřní odpor baterie, což snižuje úroveň neproduktivních ztrát při provozu na baterie.

Periodické sledování hodnoty vnitřního odporu baterií je zárukou zachování funkčnosti zdroje akumulované elektřiny. Nejnižší vnitřní odpor (několik tisícin ohmu) mají olověné akumulátory, schopné zatížit startovací obvody spalovacích motorů proudem až 2,5 kA.

Mezi miniaturními bateriemi používanými k napájení přenosných zařízení mají Ni-Cd produkty nejnižší impedanci. Tento indikátor jim zůstává po dlouhou dobu (po tisíci cyklů nabití/vybití).

Jak změřit vnitřní odpor baterie

Ze stávajících metod měření sledovaného parametru se nejčastěji používají tyto metody:

1. Stanovení požadovaného indikátoru pro snížení napětí na svorkách baterie pracující při pevné zátěži (při konstantní úrovni proudu).
2. Měření odporu změnou proudu v zátěžovém obvodu.
3. Stanovení stejného parametru při přivedení střídavého napětí nebo krátkých impulsů na baterii.

Třetí metoda („změna“ a pulzní metoda) se používají velmi zřídka, což se vysvětluje jejich složitostí a nízkou přesností měření impedance.

K určení odporu baterie pomocí první a druhé metody budete potřebovat stejnosměrný voltmetr se stupnicí do 24 V a ampérmetr určený pro proudy do 100-200 A. Při provádění měření je jedno z ovládacích zařízení připojeno paralelně ke svorkám baterie a druhé – v otevřeném obvodu.

V prvním případě se výsledný rozdíl napětí před a po připojení zátěže jednoduše vydělí hodnotou proudu zaznamenanou na stupnici ampérmetru. Výsledkem této operace je požadovaná hodnota.

Při druhém přístupu se napětí baterie, které ukazuje voltmetr po připojení zátěže, vydělí rozdílem mezi vypočteným a skutečným proudem, zaznamenaným ampérmetrem. Ve výsledku získáme vnitřní odpor baterie, vypočítaný z odchylky složky proudu v zátěži od očekávané hodnoty.

Pomocné vybavení

K měření požadovaného parametru můžete použít pomocná zařízení určená speciálně pro tyto účely. Mezi průmyslové přístroje, které umožňují měřit a vyhodnocovat vnitřní odpor autobaterie, patří:

• Nakládací vidlice.
• Zařízení pro navázání spojení mezi odporem a stavem baterie.
• Spektrometry.

Pomocí sady zatěžovacích vidlic se nastaví ukazatel proudu použitý při měření. A speciální selektivní přístroje – spektrometry – umožňují vyhodnotit rozdíl ve vodivosti pro různé druhy proudu dodávaného do baterie (stejnosměrný a střídavý).

Jak konstrukce baterie ovlivňuje její vnitřní odpor?

U autobaterií je správné posouzení tohoto parametru obzvláště důležité. Doba provozu stroje na obtížných venkovských cestách (zejména na venkovských cestách) do značné míry závisí na tom, jak dobře je organizováno a prováděno jeho měření.

Testování takové baterie (pravidelné sledování vnitřního odporu) umožní včasné zjištění okamžiku, kdy vyprší její vhodnost pro další použití. Před prováděním kontrolních zkoušek je vhodné se seznámit s konstrukčními prvky baterie, které ovlivňují její vnitřní odpor.

Zkoumaný indikátor je součtem ohmických a reaktivních složek, jejichž přítomnost je vysvětlena kapacitou bateriových desek a přepážek. Je důležité poznamenat, že vliv jalové složky se projevuje pouze v okamžicích prudké změny proudu přes články baterie (zejména při připojování a odpojování zátěže).

Ohmický odpor, označený jako „R“, se skládá z vodivosti následujících součástí baterie:

• Ionizovaný roztok elektrolytu.
• Materiál elektrod (katoda a anoda).
• Kontaktní svorky.
• Oddělovací příčky.

Vzhledem k tomu, že konstrukce různých typů baterií se mohou od sebe zásadně lišit, jejich vnitřní odpory jsou zřídka stejné.

Rozdíly ve vodivosti jsou také pozorovány u různých prvků stejného vzorku baterie. Konstrukční rozdíly jsou nejvýraznější u součástí anodové (kladné) desky baterií. Mřížkový materiál typického produktu má tedy ohmický odpor, který je 10 tisíckrát menší než olověný povlak, který je na něj nanesen. U záporné desky takových baterií (katody) není prakticky žádný rozdíl v odporu materiálu a vrchní vrstvy.

Přítomnost legujících přísad ve složení prvků má významný vliv na tvorbu celkové odolnosti baterie. Při zvažování vodivosti separátorů je zvláštní pozornost věnována tloušťce a poréznosti materiálu, ze kterého jsou vyrobeny. Podobný indikátor pro elektrolyt závisí na koncentraci roztoku a jeho teplotě.

Techniky pro přesnější měření odporu

Přesnější měření vnitřního odporu baterie je možné pomocí speciálně připravených grafů vybíjecích křivek. Tato metoda však vyžaduje příliš mnoho času a úsilí, protože její implementace bude vyžadovat odstranění mnoha závislostí charakteristických pro baterii. V praxi automobiloví nadšenci nejčastěji používají jednodušší metodu, která vyžaduje minimální počet pomocných nástrojů.

Chcete-li v tomto případě přesně změřit požadovaný parametr, musíte připravit:

• Žárovka světlometu auta.
• Multimetr nebo tester.
• Samotná baterie se testuje.

Při přesných měřeních je povoleno používat např. pouze 60W halogenovou žárovku (LED světlomet pro tento případ není vhodný). Pracovní postupy byste měli začít připojením žárovky k baterii a měřením napětí na jejích svorkách.

Poté jsou získaná čísla fixována (zapsána), poté se kontrolka zátěže vypne a znovu se změří napětí na svorkách baterie. V konečné fázi je nutné porovnat dva zaznamenané odečty, jejichž rozdíl by neměl přesáhnout 0,02 V. S tímto výsledkem lze považovat stav baterie za uspokojivý.

Související témata:

• Kapacita baterie. Fyzický význam a vlastnosti
• Aktivní a reaktivní odpor. Trojúhelník odporů
• Elektromotorická síla (EMF). Typy a aplikace. Zvláštnosti
• Bludné proudy. Vznik a ochrana. Zvláštnosti

Kolik proudu může baterie produkovat, závisí nejen na napětí baterie, ale také na její kapacitě. Tento parametr přímo souvisí s vnitřním odporem baterie. Když je baterie vybitá, zvyšuje se a při nabíjení klesá. Totéž se stane, když se baterie opotřebuje a je udržována.

Někdy je proto potřeba tento parametr měřit, aby bylo možné posoudit stupeň účinnosti zdroje energie. Může být také nutné znát vnitřní odpor baterie pro určení maximálního proudu, který může zdroj energie v zátěži vyvinout.

Teoreticky se vnitřní odpor vypočítá pomocí Ohmova zákona pro úplný obvod. Požadovaná hodnota je r – vnitřní odpor baterie:

• E – napětí baterie, ve voltech;
• I je proud v obvodu v ampérech;
• R je hodnota přídavného odporu v ohmech.

Elektrická vodivost součástí baterie také závisí na proudu v obvodu. Pro stanovení její přesnější hodnoty je proto vhodné provádět měření při proudu, který je v rozsahu jmenovité hodnoty pro danou baterii. Zde je však problém: výkonné baterie vyžadují silný odpor. Je známo, že při zahřívání vodivé vrstvy se mění její jmenovitá hodnota. Proto je tato metoda vhodná především pro sledování vnitřního odporu nízkopříkonových baterií.

Znalecký posudek
Alexej Bartoš
Specialista na opravy, údržbu elektrických zařízení a průmyslové elektroniky.

Pozor: nosná vidlice smí být ponechána pod zatížením maximálně 7 – 10 sekund. Údaje se zaznamenávají přibližně v 5. sekundě měření. Následný pokus o testování se provede nejdříve po 3 – 5 minutách nutných k ochlazení cívky.

Pomocí nakládací vidlice můžete posoudit parametry výkonné baterie, například autobaterie. Tímto zařízením nebude možné přesně měřit vodivost, protože skutečný odpor zátěžové spirály měřidla v době testování je obtížné určit. Proto můžete použít přibližnou hodnotu uvedenou v charakteristikách zařízení. Například zátěžové zástrčky s proudem do 100A mají zátěžový odpor 0,2 Ohm a s proudem 200A – 0,1 Ohm. Hodnotu však lze změřit nebo je zapsána na samotném zařízení.

Závislost napětí na baterii při měření se zátěžovou vidlicí je uvedena v tabulce.

Požadovaný parametr lze zhruba určit poměrem změny zkušebních napětí se zátěží a bez zátěže. Pokud se například měřilo se zařízením se zatěžovacím odporem 0,1 Ohm a zaznamenalo 8,5 V a bez zátěže bylo napětí 12 V, pak je koeficient: 8,5/12 = 0.7. To znamená, že vnitřní odpor je 0,7 × 0,1 = 0,07 Ohm. Realističtěji je pomocí této metody určeno, pokud přesně změříte odpor bočníku zátěžové zástrčky bezprostředně po testu baterie, dokud je cívka ještě teplá.

Chcete-li mít představu o vnitřním odporu baterie, můžete jej vypočítat. K tomu stačí použít hodnoty parametrů specifikované v charakteristikách zařízení. Jsou přímo úměrné napětí a nepřímo úměrné proudu: R=U/I.

Vodivost každé baterie je způsobena několika vodiči zapojenými do série s elektrickým odporem. Ekvivalentní obvod baterie se tedy skládá ze zdroje energie a sériově zapojeného odporu, což je parametr nezbytný pro stanovení.

Jak zjistíte jeho celkovou hodnotu, pokud je elektricky připojen ke zdroji energie? K tomu existuje několik metod měření:

• Podle Ohmova zákona pro úplný obvod.
• Prostřednictvím podílu vztahu mezi napětím a proudem v obvodech s různými přídavnými odpory.

Proč nepomůže ohmmetr?

Standardní ohmmetry určují vodivostní charakteristiku pouze pro pasivní obvody, bez EMF. Odpor v nich se měří záznamem proudu způsobeného potenciálem úbytku referenčního napětí na měřeném rezistoru v obvodu s přídavným. Proto dodatečné napětí na baterii při pokusu o stanovení jejího odporu nevyhnutelně způsobí chybu. Při takovém „měření“ může EMF testovaného zdroje energie poškodit přídavný odpor ohmmetru a dokonce i komparátor měřicí kaskády. A v ukazatelových nástrojích je ukazatel ukazatele.

Použití voltmetru a rezistorů

Na základě výše uvedeného je vnitřní odpor baterie měřen jinými zařízeními. Například voltmetr se dvěma přídavnými odpory. K tomu použijte schéma znázorněné na obrázku.

Jak zjistit vnitřní odpor – z poměru. Vzorec pro výpočet je následující:

R=(U1-U2)/(I2-I1). V tomto případě se bere v úvahu výkon rezistorů a procentuální odchylka jejich jmenovité hodnoty při změně teploty vodivé vrstvy.

Specializované přístroje

Některé nabíječky obsahují měřič vnitřního odporu baterie. Existují samostatná zařízení, která jsou určena k určení tohoto parametru:

• V kyselých bateriích.
• Pro alkalické baterie.
• Pro lithiové články.
• Komplex.

Princip měření v těchto zařízeních může být odlišný. Obvykle se používají softwarové komponenty založené na mikrokontroléru, které skenují požadované parametry obvodu a zobrazují požadovaný výsledek na LCD displeji. Taková zařízení mají menší potíže s měřením než s jejich indikací. Výhodou je možnost ukládat výsledky testů a zobrazovat grafy změn parametrů.

U baterie je přijatelné, pokud se vnitřní odpor odchyluje od jmenovitých údajů o 5 – 10 %.

Na autobaterii

Pro automobilový zdroj energie a akumulační zařízení s kapacitou asi 60 A×h je míra vnitřního odporu:

• 7 – 4 mOhm – pro novou baterii;
• 7 – 10 mOhm – pro použitý s již započatými sulfatizačními procesy;
• 10 – 13 mOhm – prakticky se nepoužívá v chladném počasí.

V tabulce jsou uvedeny informace o bateriích s jinými hodnotami kapacity.

Tabulka závislosti vnitřního odporu na kapacitě autobaterie

Pro lithiovou baterii

U Li-ion baterií 18650 je vnitřní odpor 10 mOhm nebo nižší považován za vysoký. Tento parametr je dostupný pro zařízení ze silnoproudé linky. Mnoho článků lithiové baterie 18650 má odpor 15 – 22 mOhm nebo vyšší, což je normální. Větší baterie mají pro tento parametr nižší hodnotu.

Děkuji, pomohlo to! 12

Nyní si přečtěte:

Kompletní návod na kontrolu autobaterie pomocí multimetru

Jak určit stupeň nabití napětím

Jak zjistit kapacitu baterie 18650

Jak vyrobit zátěžovou vidlici pro testování baterií

Jak otestovat baterii pomocí zátěžové vidlice