Как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора мультиметром: Как проверить работоспособность аккумулятора мультиметром

Как проверить работоспособность аккумулятора мультиметром

Мультиметр – удобный многофункциональный прибор, с помощью которого легко проверить работоспособность аккумулятора. Этот компактный прибор объединяет функции вольтметра, амперметра и омметра. Соответственно, он позволяет с высокой точностью измерить напряжение элементов питания. Кроме того, с его помощью можно определить уровень заряда аккумулятора, его емкость, внутреннее сопротивление и работоспособность в целом.

Измерение напряжения

Чтобы проверить работоспособность литий-ионного аккумулятора или накопителя энергии с другим химическим составом, нужно определить его напряжение. Для этого переводим мультиметр в режим DC. В зависимости от номинального напряжения АКБ, выбираем подходящий режим по вольтажу. Например, если номинальное значение в пределах 20 В, устанавливаем переключатель в позицию 20 В.

Затем:

• черный щуп мультиметра подсоединяем к «–» клемме, а красный – к «+»;
• отслеживаем на дисплее напряжение постоянного тока;
• сопоставляем измеренное значение с номинальным.

Каким должно быть напряжение конкретной модели АКБ, можно посмотреть в документации или рассчитать самостоятельно. Например, Li-ion аккумуляторы имеют номинальное напряжение 3,6 или 3,7 В и диапазон рабочих величин (от разряженного состояния до заряженного) – от 2,5 до 4,2 В. При последовательном соединении элементов их вольтаж суммируется.

В таблице представлены значения напряжения для разных вариантов Li-ion батарей, в зависимости от количества последовательно соединенных «банок»:

У аккумуляторов типа LiFePO4 номинальное напряжение составляет 3,2 В на ячейку, а диапазон рабочих величин – от 2,1 до 3,65 В. В таблице приведены значения вольтажа (минимум/номинал/максимум) для литий-железо-фосфатных АКБ в разных версиях сборки:

Определение уровня заряда АКБ

Рассмотрим, как проверить зарядку аккумулятора с помощью мультиметра. Определить уровень заряженности батареи можно по измеренной величине напряжения. Если измеренный вольтаж близок к максимальному значению для данной АКБ, она заряжена и готова к использованию. Если же он близок к минимальной границе, батарею необходимо зарядить. Если напряжение критически низкое, АКБ непригодна для эксплуатации, подлежит утилизации и замене.

В таблице приведены ориентировочные значения вольтажа АКБ разных типов (в вольтах) в зависимости от уровня заряда:

Измерение емкости

Мультиметр может служить тестером для определения емкости АКБ. Для этого производится контрольный разряд предварительно заряженной батареи. Вначале по максимуму заряжаем АКБ и измеряем ее напряжение. Затем подключаем к ней нагрузку известной мощности, к примеру, лампу на 24 Вт. Засекаем время и периодически замеряем вольтаж АКБ.

Для этого подключаем к полюсам батареи мультиметр в режиме DC и устанавливаем переключатель в позицию 20 В. Отслеживаем снижение напряжения под нагрузкой. Когда его значение достигнет допустимого минимума (для литий-ионных АКБ – 2,5 В на ячейку, для LiFePO4 – 2,1 В на ячейку), отключаем батарею от нагрузки.

Для расчета емкости батареи (в ампер-часах) умножаем мощность подключенной нагрузки (в ваттах) на время работы (в часах) и делим на номинальное напряжение (в вольтах). Например, если батарея номинальным вольтажом 18 В под нагрузкой 24 Вт разряжалась 2 часа получаем: (24 Вт х 2 ч)/18 В = 2,67 А·ч. По полученному значению емкости легко рассчитать время работы АКБ при ее подключении к нагрузке другой мощности.

О чем говорит емкость АКБ?

Если значение емкости, рассчитанное при контрольном цикле заряд-разряд, примерно соответствует номинальной величине, батарея исправна и работоспособна. В среднем Li-ion элементы форм-фактора 18650 имеют емкость от 1500 до 3600 мА·ч, а ячейки размера 21700 – от 3000 до 5000 мА·ч.

Если рассчитанная емкость намного ниже номинального значения, это говорит об износе, неисправности аккумуляторов и критическом падении их технических характеристик. В среднем емкость литиевых АКБ снижается на 20% после выработки 700–1000 циклов заряд-разряд, а у моделей технологии LiFePO4 – после 2000 циклов. Затем накапливаемый объем энергии постепенно снижается, и время автономной работы АКБ уменьшается. Но элементы питания могут выйти из строя до исчерпания циклического ресурса, например, если будут долго храниться в разряженном состоянии.

Замер внутреннего сопротивления

Для определения внутреннего сопротивления ячеек необходимо:

1. Подключить к батарее лампочку, электродвигатель, электроинструмент или другую нагрузку на 5–10 секунд.
2. Измерить мультиметром напряжение на клеммах. Записать его значение.
3. Отключить нагрузку.
4. Снова измерить напряжение на полюсах АКБ. Записать его значение.
5. От первого измеренного значения вольтажа вычесть второе. При токе нагрузки в 100 А допустимая потеря напряжения составляет 1 В, при токе 5 А – порядка 0,05 В. Больший разброс между измеренными значениями свидетельствует об износе АКБ.
6. Полученное число разделить на номинальный вольтаж батареи. Для перевода в проценты умножить на 100. При величине до 0,4% внутреннее сопротивление считается допустимым, а аккумуляторы – рабочими. При больших значениях использовать источники питания опасно.

На что влияет внутреннее сопротивление?

От этого параметра зависит склонность элементов питания к нагреву при токовых нагрузках. При высоких значениях внутреннего сопротивления прохождение тока затрудняется, происходит нагрев элементов и еще больше снижается токоотдача. При использовании в мощном оборудовании из-за перегрева срабатывает плата защиты и происходит отключение АКБ от нагрузки. Поэтому при выборе элементов питания необходимо сопоставлять их внутреннее сопротивление и мощность подключаемого электрооборудования.

Например, для использования в электронных сигаретах, шуруповертах и электротранспорте нужны АКБ с низким сопротивлением. Из-за хорошей токоотдачи их называют высокотоковыми. Например, у аккумуляторов 18650 Samsung с рабочими токами 15 А внутреннее сопротивление находится в диапазоне 12–15 мОм. Это низкие значения, характерные для высокотоковых элементов. Средними считаются показатели 35–42 мОм. Они рассчитаны на меньшие токовые нагрузки.

От чего зависит R

Внутреннее сопротивление элементов питания зависит от их химического состава, уровня заряженности, нагрузки, температуры и особенно увеличивается при использовании на морозе. В таких условиях химические процессы протекают медленнее, особенно у Li-ion и Li-Pol элементов. Модели типа LiFePO4 и LTO более адаптированы для работы при низких температурах, т.к. у них внутреннее сопротивление увеличивается незначительно.

Выводы

В вопросе, как правильно проверить аккумулятор мультиметром, все начинается с измерения напряжения. Если его значение не упало ниже допустимого минимума, это хорошо. Иначе аккумулятор негоден. По величине измеренного напряжения определяется ориентировочный уровень заряда АКБ.

Дальнейшая проверка «живого» аккумулятора производится после его полной зарядки. Засекается время, и АКБ разряжается под действием нагрузки известной мощности. Зная значения мощности нагрузки, времени разряда и номинального напряжения, можем рассчитать емкость аккумулятора. От нее зависит время автономной работы оборудования и, например, дальность пробега электротранспорта на 1 заряде.

Далее измеряем внутреннее сопротивление ячеек. На несколько секунд подключаем нагрузку и замеряем напряжение на клеммах АКБ. Следующий замер делаем после отключения нагрузки. Сопоставляем полученную разницу с допустимыми значениями. Если сопротивление в пределах 30 мОм, такие элементы питания подходят для использования при высоких токовых нагрузках.

Эти простые способы позволяют проверить работоспособность элементов питания и их технические характеристики.

Читайте в нашем блоге о выборе АКБ для газонокосилок и садовой техники.

Как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора

Если замкнуть плюс и минус аккумулятора, то получим ток короткого замыкания Ie = U / Re , как будто внутри есть сопротивление Re . Внутреннее сопротивление зависит от электрохимических процессов внутри элемента, в том числе и от тока.

При слишком большом токе аккумулятор испортится, и даже может взорваться. Поэтому не замыкайте плюс и минус. Достаточно мысленного эксперимента.

Величину Re можно оценить косвенно по изменению тока и напряжения на нагрузке Ra . При небольшом уменьшении сопротивления нагрузки Ra до Ra‑dR ток увеличивается от Ia до Ia+dI. Напряжение на выходе элемента Ua=Ra×Ia при этом уменьшается на величину dU = Re × dI . Внутреннее сопротивление определяется по формуле Re = dU / dI

Для оценки внутреннего сопротивления аккумулятора или батарейки я добавил в схему измерителя ёмкости резистор 12ом и тумблер (ниже на схеме показана кнопка), чтобы изменять ток на величину dI = 1.2 V / 12 Ohm = 0.1 А . Одновременно нужно измерять напряжение на аккумуляторе или на резисторе R .

Можно сделать простую схему только для измерения внутреннего сопротивления по образцу, показанному на рисунке внизу. Но всё же лучше сначала немного разрядить аккумулятор, и после этого измерить внутреннее сопротивление. В середине разрядная характеристика более пологая, и измерение будет более точным. Получится “среднее” значение внутреннего сопротивления, которое остаётся стабильным достаточно большое время.

(Описание схемы)

Пример определения внутреннего сопротивления

Подключаем аккумулятор и вольтметр. Вольтметр показывает 1.227V . Нажимаем кнопку: вольтметр показывает 1.200V .
dU = 1.227V – 1.200V = 0.027V
Re = dU / dI = 0.027V / 0.1A = 0.27 Ohm
Это внутреннее сопротивление элемента при токе разряда 0.5А

Тестер показывает не dU, а просто U. Чтобы не ошибиться в устном счёте, я делаю так.
(1) Нажимаю кнопку. Аккумулятор начинает разряжаться, и напряжение U начинает уменьшаться.
(2) В момент, когда напряжение U достигнет круглой величины, например 1.200V, я отжимаю кнопку, и сразу вижу величину U+dU, например 1.227V
(3) Новые цифры 0. 027V – и есть нужная разница dU.

По мере старения аккумуляторов их внутреннее сопротивление увеличивается. В какой-то момент вы обнаружите, что ёмкость даже свежезаряженного аккумулятора невозможно измерить, так как при нажатии кнопки Start реле не включается и часы не запускаются. Это получается потому, что напряжение на аккумуляторе сразу снижается до 1.2V и менее. Например, при внутреннем сопротивлении 0.6 ом и токе 0.5 А падение напряжения составит 0.6×0.5=0.3 вольта. Такой аккумулятор не может работать при токе разряда 0.5А, который требуется, например, для кольцевой светодиодной лампы. Этот аккумулятор можно использовать при меньшем токе – для питания часов или беспроводной мышки. Именно по большой величине внутреннего сопротивления современные зарядные устройства, вроде MH-C9000, определяют, что аккумулятор неисправен.

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора

Для оценки внутреннего сопротивления АКБ можно использовать лампу от фары. Это должна быть лампа накаливания, например, галогеновая, но не светодиодная. Лампа 60вт потребляет ток 5А.

При токе 100А на внутреннем сопротивлении АКБ не должно теряться более 1 Вольта. Соответственно, при токе 5А не должно теряться более 0.05 Вольта (1В * 5А / 100А). То есть, внутреннее сопротивление не должно превышать 0.05В / 5А = 0.01 Ома.

Подключите параллельно аккумулятору вольтметр и лампу. Запомните величину напряжения. Отключите лампу. Обратите внимание, насколько увеличилось напряжение. Если, допустим, напряжение возросло на 0.2 Вольта (Re = 0.04 Ома), то аккумулятор испорчен, а если на 0.02 Вольта (Re = 0.004 Ома), то он исправен. При токе 100А потеря напряжения будет всего 0.02В * 100А / 5А = 0. 4В

С помощью лампочки можно также оценить ёмкость автомобильной батареи .

Измерение внутреннего сопротивления батарей

Авторы: Шон Хаймел

Избранное Любимый 7

При проектировании схемы с батареей мы часто предполагаем, что батарея является идеальным источником напряжения. Это означает, что независимо от того, насколько большую или маленькую нагрузку мы подключаем к аккумулятору, напряжение на клеммах источника всегда будет оставаться одним и тем же.

Если мы смоделируем эту батарею как идеальный источник напряжения, изменив значение R _L не влияет на напряжение между клеммами батареи

В действительности несколько факторов могут ограничивать способность батареи выступать в качестве идеального источника напряжения. Размер батареи, химические свойства, возраст и температура — все это влияет на величину тока, которую батарея может вырабатывать. В результате мы можем создать более совершенную модель батареи с идеальным источником напряжения и последовательно соединенным резистором .

Батареи можно смоделировать как идеальный источник напряжения с последовательным резистором (обозначен R _I )

Мы можем измерить напряжение батареи на ее клеммах без подключенной нагрузки. Это известно как напряжение холостого хода (V _OC ).

Измерение напряжения щелочного элемента AA без нагрузки

Обратите внимание, что, поскольку через внутренний резистор не протекает ток, падение напряжения на нем равно 0 В. Следовательно, можно предположить, что V _OC равно равно напряжению идеального источника напряжения в батарее.

Если мы подключим нагрузку к аккумулятору, напряжение на клеммах упадет.

Здесь мы измеряем падение напряжения на резисторе 4 Ом

Это падение напряжения вызвано внутренним сопротивлением батареи. Мы можем рассчитать внутреннее сопротивление, если снимем показания напряжения холостого хода и напряжения на клеммах батареи с подключенной нагрузкой.

Для начала создадим схему, показывающую нашу схему.

Вот наша схема. Мы хотим вычислить R _I .

Мы можем подставить измеренное нами напряжение на нагрузке (V _L ) и номинал резистора (R _L ) в закон Ома, чтобы получить ток, протекающий через цепь (I).

Нам также нужно получить напряжение на внутреннем резисторе. Мы можем сделать это, используя закон Кирхгофа о напряжении. Упрощенно для этой схемы можно сказать, что падение напряжения на обоих резисторах должно составлять в сумме напряжение идеального источника напряжения.

Теперь, когда мы знаем падение напряжения на внутреннем резисторе и ток через него, мы можем снова использовать закон Ома, чтобы найти его сопротивление.

Отсюда видно, что внутреннее сопротивление (на данный момент) элемента АА составляет 0,273 Ом .

ПРИМЕЧАНИЕ : С помощью этого метода мы можем сделать снимок только внутреннего сопротивления. Внутреннее сопротивление может варьироваться в зависимости от таких факторов, как возраст батареи и температура. Через 10 минут значение сопротивления может измениться! Обычная щелочная батарея типа АА может иметь сопротивление от 0,1 Ом до 0,9 Ом.Внутреннее сопротивление Ом.

батареи – Какой самый точный способ измерения внутреннего сопротивления бытовой батареи?

\$\начало группы\$

Типичный способ измерения внутреннего сопротивления батареи, который я нашел в ходе исследований, заключается в подключении батареи к цепи с резистором, измерении напряжения на батарее, расчете тока, измерении напряжения на резисторе, нахождении падение напряжения и использовать законы Кирхгофа для расчета остаточного сопротивления, которое будет внутренним сопротивлением.

Профессор упомянул, что это слишком неточно для батарей с очень низким внутренним сопротивлением, так что есть ли другой, более точный способ проверить внутреннее сопротивление стандартной батареи?

• батареи
• схема

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Проще всего использовать переменный ток, как в анализаторе цепей.

Можно использовать переключаемый сток известного значения или резистор и полевой транзистор. Измерьте напряжение при включенном токе, затем при выключенном токе, вычтите, разделите на ток, вы получите внутреннее сопротивление. Если вы продолжаете повторять этот цикл включения/выключения, это эквивалентно использованию переменного тока.

Преимущество измерения переменного тока заключается в том, что вы можете использовать конденсатор, чтобы избавиться от постоянного тока и работать только с небольшим переменным напряжением. Он также игнорирует любое смещение постоянного тока в сигнальной цепи, от операционных усилителей и т. д. Измерение переменного тока является наиболее точным методом.

Вы можете использовать что-то вроде этого в качестве эксперимента:

^{смоделируйте эту схему — схема, созданная с помощью CircuitLab}

Здесь источник напряжения слева подает сигнал переменного тока через R1 и C1 в батарею. Это переменный ток, соединенный через C1.

C2 извлекает напряжение переменного тока на аккумуляторе.

Зная переменное напряжение V1, измерив переменное напряжение на выводе «OUT», можно легко рассчитать внутреннее сопротивление батареи, так как оно образует резистивный делитель с R1.

Это можно сделать с помощью звуковой карты или функционального генератора и мультиметра. Убедитесь, что вы откалибровали и проверили свою испытательную установку, заменив батарею резистором известного номинала, который должен быть того же порядка величины, что и ожидаемое измеряемое сопротивление.

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Возражение вашего профессора против описанного вами метода неверно. Если у батареи низкий импеданс, вы просто увеличиваете нагрузку, чтобы разницу можно было лучше измерить.

Проблема, однако, гораздо глубже. Аккумуляторы обычно не имеют постоянной нагрузки постоянного тока, и часто людям необходимо знать реакцию аккумулятора на импульсную нагрузку. Проблема в том, что у батареи нет единого «импеданса», который можно использовать для оценки ее реакции на нагрузку. Каждая батарея имеет спектр импедансов, разный импеданс для разной частоты нагрузки. Эта тема инженерии называется «Электрохимическая спектроскопия импеданса». Пример презентации. См. также эту статью от BatteryUniversity с примером «электрохимического спектра».

Итак, самый точный способ охарактеризовать внутреннее сопротивление батареи — это измерить ее спектр, используя, например, схему, предложенную peufeu.

Однако это еще не все. Спектр ЭУ обычно собирается с применением «слабого сигнала». Как прокомментировал ниже Лоренцо Донати, значение импеданса не только зависит от частоты, но также нелинейно с амплитудой приложенного сигнала/нагрузки, что добавляет еще одно измерение сложности проблемы.

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Внутреннее сопротивление является аппроксимацией комплексной функции V(I) батареи, поэтому не существует «истинного» значения внутреннего сопротивления, которое можно было бы точно измерить с самого начала.