Как измерить внутреннее сопротивление литиевого аккумулятора

21 декабря 2023

Игорь Елисеев (г. Химки)

Внутреннее сопротивление – один из наиболее значимых параметров, от которого напрямую зависят другие характеристики литиевого аккумулятора. Пользуясь определенными методиками, можно легко вычислить действительное значение этого показателя.

Одним из наиболее важных параметров, характеризующих любые химические источники питания, в том числе и литиевые аккумуляторы, является внутреннее сопротивление. От этого параметра напрямую зависят такие характеристики источника питания, как напряжение на выходе под нагрузкой, максимальный выходной ток и коэффициент полезного действия (КПД). На рисунке 1 представлена условная схема аккумуляторной батареи с подключенной нагрузкой.

Рис. 1. Условная схема аккумуляторной батареи с подключенной нагрузкой

Внутреннее устройство аккумуляторной батареи можно представить как идеальный источник ЭДС (электродвижущей силы) с нулевым внутренним сопротивлением и последовательно соединенным с ним резистором (на рисунке 1 он обозначен как R_вн). Нагрузка аккумуляторной батареи представлена на схеме сопротивлением R_н. Очевидно, что напряжение на ней (V_н) будет меньше выходного напряжения аккумуляторной батареи на холостом ходу (V_и) за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении. И чем больше ток нагрузки, тем заметнее эта разница. Соответственно, КПД данного источника питания, который можно определить отношением V_н к V_и, будет менее 100%, а теоретический максимум выходного тока можно получить, поделив V_и на R_вн.

Разумеется, приведенная здесь условная схема отражает реальное положение дел лишь в первом приближении. Внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи не является постоянной величиной, ее значение на практике зависит от множества факторов, таких как степень заряженности источника тока, температура окружающей среды, характер нагрузки и так далее. Кроме того, внутреннее сопротивление химического источника напряжения может иметь, кроме активной, еще и реактивную составляющую. То есть в общем случае нужно вести речь уже о комплексном сопротивлении (импедансе), которое будет зависеть еще и от частоты потребляемого тока. Поэтому, чтобы получить действительные значения данного параметра, необходимо проводить измерения в реальных условиях эксплуатации с использованием рабочей нагрузки и в соответствии с методиками, изложенными в нормативных документах.

Методика измерения внутреннего сопротивления литиевых аккумуляторов приведена в ГОСТ Р МЭК 61960-3-2019. В этом документе изложен порядок проведения испытаний для измерения данного параметра двумя методами: на постоянном и переменном токах. При этом в случае проведения испытаний по обеим методикам на одной и той же батарее следует придерживаться определенного порядка: сначала надо провести измерения на переменном токе, а лишь затем – на постоянном. В промежутке между проведением этих измерений не требуется перезаряжать аккумулятор, но перед началом любых тестов необходимо сначала разрядить, а затем полностью зарядить батарею, как рекомендовано в том же документе. В соответствии с этой методикой, батарея должна разряжаться постоянным током определенной величины при температуре 20 ±5°C до установленного конечного напряжения, при котором считается, что аккумулятор полностью разряжен.

Величина тока разряда равняется 0,2 от значения базового тока I_t, где I_t в амперах численно равен номинальной емкости аккумулятора в А⋅ч. Последующая зарядка должна производиться по методике, заявленной производителем при той же температуре окружающей среды (20 ±5°C). После этого, в соответствии с общим планом подготовки к проведению испытаний, батарея должна быть выдержана при температуре окружающей среды 20 ±5°C не менее одного часа, но не более четырех.

Для определения внутреннего сопротивление аккумулятора на переменном токе проводят измерения среднеквадратичного значения напряжения U_a непосредственно на выводах батареи при подаче на нее переменного тока I_a частотой 1,0 ±0,1 кГц в течение 1…5 с. Схема проведения измерений на переменном токе представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема проведения измерений внутреннего сопротивления аккумулятора на переменном токе

Величину тока I_a подбирают таким образом, чтобы пиковое значение переменного напряжения U_a на выводах аккумулятора не превышало 20 мВ. Внутренне сопротивление батареи вычисляют по закону Ома, поделив среднеквадратичное значение напряжения U_a на среднеквадратичную величину тока I_a. Этот метод фактически измеряет импеданс, который имеет емкостной характер за счет того, что аккумулятор состоит из набора пластин, фактически представляющих собой конденсатор.

Для проведения измерений внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи на постоянном токе применяют схему испытаний, представленную на рисунке 3.

Рис. 3. Схема проведения измерений внутреннего сопротивления аккумулятора на постоянном токе

В соответствии с методикой измерений батарея должна разряжаться постоянным током величиной 0,2 от базового (I_t). В конце периода разряда длительностью 10 ±0,1 с необходимо измерить и зарегистрировать напряжение разряда U₁ под нагрузкой. Затем ток разряда должен быть немедленно увеличен до значения 1,0 от I_t, и в конце периода разряда длительностью 1 ±0,1 с должно быть зарегистрировано соответствующее разрядное напряжение U₂, измеренное под нагрузкой.

Все измерения напряжений следует производить непосредственно на выводах аккумуляторной батареи, независимо от контактов, используемых для передачи тока. Внутреннее сопротивление на постоянном токе вычисляется как разница напряжений, поделенная на разность токов (формула 1):

$$R_{вн}=\frac{(U_{1}-U_{2})}{(I_{2}-I_{1})}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Инженерами Компэл было произведено измерение сопротивления нескольких АКБ различных брендов. Наилучшее значение внутреннего сопротивления показали аккумуляторы INR18650/25P производства компании EVE, которые доступны со склада КОМПЭЛ.