单片机对电池性能的检测
内阻是衡量电池性能的重要技术指标。一般情况下,内阻小的电池大电流放电能力强,内阻大的电池放电能力弱。
举个简单的例子:一个使用5号电池的老式数码相机(比如佳能210,耗电很大),用5号碱性电池供电,可以连续拍几十张照片;但使用5号干电池供电,只拍几下就会自动关机,但干电池并没有完全没电;装上5号充电镍氢电池,可以拍更多照片。经过实际测量,我们可以知道镍氢电池的内阻
在放电电路原理图上,我们可以把电池和内阻分开考虑,分为一个完全没有内阻的电池串和一个电阻非常小的电阻。此时,如果外部负载较轻,分布在这个小电阻上的电压就会较小。相反,如果外部负载较重,分布在这个小电阻上的电压会比较大,会有一部分功率消耗在这个内阻上(可能会转化为热量或者一些复杂的逆电化学反应)。可充电电池出厂时内阻相对较小。但长期使用后,由于电池内部电解液耗尽,电池内部化学活性降低,这种内阻会逐渐增大,直至内阻大到电池内部的电无法正常释放,此时电池就会“死亡”。大部分老化的电池因为内阻过大已经没用了,所以不得不报废。
第一,内阻不是一个固定值。
麻烦的是,当电池处于不同的荷电状态时,其内阻是不同的;在不同的使用寿命条件下,电池的内阻是不同的。
从技术角度来说,我们一般考虑电池在两种状态下的电阻:充电状态下的内阻和放电状态下的内阻。
1,充电内阻是指电池充满电时测得的内阻。
2.放电内阻是指电池完全放电后(放电至标准截止电压时)测得的电池内阻。
一般来说,放电状态的内阻是不稳定的,测得的结果远高于正常值,而充电状态的内阻是相对稳定的,所以测这个值有实际的比较意义。所以在电池测量过程中,我们都是以充电状态的内阻作为测量标准。
第二,内阻不能用一般方法精确测量。
也许你会说,高中物理课上有一种简单公式+电阻箱计算电池内阻的方法。。。。。而物理教材中讲授的带电阻箱的计算算法精度太低,只能用于理论教学,根本无法用于实际应用。
电池的内阻很小,我们一般以微欧姆或毫欧姆为单位来定义。在一般测量场合,我们要求电池内阻的测量精度误差必须控制在正负5%以内。如此小的电阻和如此精确的要求必须用特殊的仪器来测量。
三、当前行业应用的电池内阻测量方法。
在工业应用中,电池内阻的精确测量是通过专用设备进行的。我来说说业内常用的电池内阻测量方法。
目前,业界测量电池内阻的方法主要有两种:
1,DC放电内阻测量方法。
根据物理公式R=V/I,测试设备在短时间内(一般为2-3秒)强制电池通过一个大的恒定DC电流(目前一般采用40A-80A的大电流),测量此时电池两端的电压,根据公式计算出当前电池内阻。
这种测量方法具有很高的精度。如果控制得当,测量精度误差可以控制在0.65438±0%以内。
但是这种方法有明显的缺点:
(1)只能测大容量电池或蓄电池,小容量电池无法在2-3秒内加载40A-80A大电流;
(2)当电池通过大电流时,电池内部的电极会极化,产生极化内阻。所以测量时间一定要很短,否则测得的内阻误差很大;
(3)通过电池的大电流会损坏电池内部的电极。
2.交流压降内阻测量方法。
因为电池实际上相当于一个有源电阻,我们对电池施加固定的频率和固定的电流(目前一般采用1KHZ的频率和50mA的小电流),然后对其电压进行采样,经过整流、滤波等一系列处理后,通过运算放大器电路计算出电池的内阻。
交流压降内阻测量法的电池测量时间很短,一般在100毫秒左右,几乎一按测量开关就结束了。哈哈。
这种测量方法的精度也不错,测量精度误差一般在1%-2%之间。
这种方法的优点和缺点:
(1)几乎所有的电池,包括小容量电池,都可以用交流压降内阻测量法来测量。这种方法一般用于测量笔记本电池单体的内阻。
(2)交流压降测量法的测量精度很可能受到纹波电流的影响,也存在谐波电流干扰的可能。这是对测量仪器电路抗干扰能力的测试。
(3)这种方法不会对电池本身造成太大的损伤。
(4)交流压降测量法的测量精度不如DC放电内阻测量法。在内阻在线监测的某些应用中,只能采用DC放电测量法,而不能采用交流压降测量法。
3.测试仪器的元件误差和测试用电池连接线的问题。
无论是上面提到的哪种方法,都有一些容易被我们忽略的问题,那就是测试仪器本身的元件误差和用来连接电池的测试电缆。因为被测电池的内阻很小,所以要考虑线路的电阻。从仪器到电池本身的短连接线也有电阻(微欧姆级左右),电池与连接线的接触电阻也存在。这些因素必须在仪器中预先调整。
所以正规的电池内阻测试仪一般都配有专门的连接线和电池固定架。
第四,总结。
其实很多老化的电池内部还是有很多电的,只是内阻太大放不了电,很可惜。但是,一旦电池内阻增大,就更难人为降低这个内阻了。所以,对于老化的电池,即使我们想了很多办法去“激活”它,比如大电流电击,小电流浮充,放冰箱里。。。。诸如此类,但大多无济于事,无计可施。
了解以上知识后,基本可以知道,尽量选择内阻较小的电池。在电池组合的过程中(比如笔记本的电池组合),尽量选择内阻一致的电池。另外,很重要的一点是,如果长时间不使用,电池的内阻会不断增大。所以这位帅哥建议你要经常使用电池,保持电池内部的化学活性。还有,不要买旧电池,比如拆解的电池。
电池内阻测量中交流法和DC法的争议有充分的理论和技术原因。试与网友讨论如下:
(1)理论上讲,DC法应该遵循DC放电曲线,其特征是电流跃变后有几分钟到十几分钟的不稳定期。当前跳变为正值时,具体指:先下跌,后反弹,再慢慢跌入正常。这种不稳定期具有很强的个体离散性,从未被准确描述过。小电流跳变下无精度。大电流跳很难持久(美国ALBER专利规定是70 A,3.25秒)。当跳跃维持时间恰好落在最不稳定的区域时,没有人能解释变量间的物理规律,也就是说,DC方法的物理意义不明确。所谓“内阻等于电压变化与电流变化之比”的定义,是一种把高中物理课本中的理想电池模型当回事的假设,完全忽略了真实电池超长稳定时间的客观存在。
相反,交流法测量的是欧姆定律下的等效阻抗,尤其是纯电阻校正相位后,相敏输出就是等效阻抗中的纯电阻分量,其物理意义非常明确。
(2)从技术上讲,DC法本质上测量的是电流跳变下的电压跳变,比基数大的电池端电压小一两个数量级,很难保证测量精度。而且DC法无法从测量结果中排除不同金属的接触热电势、微电池在湿度下的电动势等有害的DC电压,所以可以肯定DC法的精度有限,富光电导仪的测量上限为20000s(0.05毫欧)。
至于鼓吹DC法的人,以交流法因频率无法统一、交流法无法抗干扰为由,判处交流法死刑,恐怕更多是出于商业利益而非科学真理。
(3)在仪器校准方面,DC放电法依赖于被测电池的储能,不能测量没有储能的纯电阻。也就是说,无法用已知的标准电阻进行校验。因为世界上没有内阻恒定的标准电池,所以用户很容易陷入“谁拿谁拿”的窘境。
其实内阻的本义是指阻碍电流流动的差。任何极化电压、瞬时跳变等。都反映出电池内阻的变化与物理结构、化学分布、表面状态、温度等密切相关。一句话:DC的内部阻力是真实的,因为它是不稳定的。
回到工程上,一个不稳定的参数当然不方便使用。这也是为什么交流内阻指标被广泛应用,却不能颠倒因果,放弃DC内阻的应用。
电池的放电或充电是单向的,因此DC内阻在充电控制、容量预测和均衡充电中具有重要意义。
不管建立电化学极化和浓差极化需要时间,如果产生高速大电流脉冲,可以在电化学极化和浓差极化建立之前完成测量,DC测量也是可以的。只有现代技术才能实现如此快速的测量。此外,IEC也认可这种测量。然而,必须包括电化学极化和浓差极化的平滑DC会引入测量误差,因此简单的DC测量仍然是有问题的。