سایناکو | تولید کننده و وارد کننده باتری و یوپیاس
S-2205 : چگونه مقاومت داخلی باتری را اندازهگیری کنیم؟
How to measure internal resistance
در چند مقاله پیش راجع به نحوه اندازهگیری میزان شارژ باتری صحبت کردیم. بعد از آن مقاله، تصمیم گرفتیم در این مقاله نیز نحوه اندازهگیری مقاومت داخلی باتری را برایتان آماده کنیم.
پس تا پایان مقاله با ما همراه باشید!
کاربرد مقاومت داخلی باتری
مقاومت داخلی باتری اطلاعات ارزشمندی را در مورد باتری در اختیار ما قرار می‌دهد. این امر خصوصاً در مورد باتری‌های مبتنی بر نیکل بیشتر صدق می‌کند.
باید توجه داشته باشید که اندازهگیری مقاومت داخلی باتری، صرفاً شاخصی جهت میزان عملکرد باتری نیست؛ مقاومت داخلی باتری‌های سرب اسیدی، در مقایسه با باتری های نیکل، در شرایط یکسان می‌تواند بین 5 تا 10 درصد تغییر کند.
به دلیل وجود این تغییرات، بهترین نتیجه از اندازه گیری مقاومت داخلی باتری هنگامی حاصل می‌شود که تغییرات مقاومت باتری‌ها، از زمان تولید تا زمان از کار افتادگی کامل آنها مورد مطالعه و ارزیابی قرار گیرد.
نکته‌ی دیگری که باید به آن توجه داشته باشید این است که خوردگی، مقاومت داخلی باتری را تحت تأثیر قرار می‌دهند. خوردگی موجب واکنش‌های مضر بر روی الکترولیت و الکترودهای داخلی باتری‌ها خواهد شد. بنابراین، با استفاده از الکترولیت با کیفیت بهتر در حین تولید، می‌توان باعث کاهش خوردگی داخلی شد.
نمونه آزمایش شده
در تحقیقات مربوط به مقاومت داخلی باتری، از تکنسین‌ها خواسته می‌شود تا در زمان نصب هر سلول یا مونوبلاک، از آنها عکسبرداری کرده و سپس تغییرات ظریف ایجاد شده بر روی سلول‌ها را در بازه‌های زمانی خاص رصد کنند.
ابتدا این تصور وجود داشت که مقاومت داخلی باتری، به ظرفیت باتری مربوط می‌شود، اما این دیدگاه کاملاً نادرست است؛ زیرا به طور کلی مقاومت داخلی باتری‌های مدرن سرب اسیدی و لیتیوم یون در بیشتر عمر مفیدشان، مقدار ثابتی دارد.
شکل شماره ۱ نشان می‌دهد که ظرفیت باتری متناسب با تعداد سیکل‌های دشارژ باتری، کاهش پیدا کرده و به مرور کمتر و کمتر خواهد شد. در واقع، هر چه تعداد سیکل‌های شارژ و دشارژ باتری بیشتر شود، تغییر چندانی در مقدار مقاومت داخلی باتری دیده نمی شود و در عوض، کاهش ظرفیت باتری را برایمان به ارمغان خواهد آورد.
شکل ۱- رابطه بین ظرفیت و مقاومت داخلی باتری بر اساس سیکل‌های شارژ و دشارژ
امپدانس (Z)
قبل از بررسی روش‌های مختلف اندازهگیری مقاومت داخلی باتری، بیایید معنای مقاومت الکتریکی را بررسی کنیم و تفاوت بین مقاومت خالص (R) و امپدانس (Z) را بازگو کنیم.
R مقاومت خالص (مقدار اُهمی) است و Z شامل عناصر واكنش‌دهنده مانند سیم پیچ‌ها و خازن‌ها است. واحد اندازهگیری هر دو این پارمترها اُهم (Ω) است. (این واحد اندازهگیری به فیزیکدان آلمانی جورج سیمون اهم برمی‌گردد که از سال 1798 تا 1854 زندگی می‌کرد. طبق تعریف، هرگاه در دو سر یک المان، هنگامی که جریان ۱ آمپر عبور داده شود، ۱ ولت افت ولتاژ داشته باشیم، آن المان معادل یک اهم خواهد بود).
معمولاً رفتار اکثر بارهای الکتریکی ، دارای اثرات ترکیبی خازنی و القایی بوده و دارای راکتانس خازنی (برای خازن‌ها) و راکتانس القایی (برای سلف ها و سیم پیچ‌ها) می‌باشند. راکتانس خازنی در فرکانس‌های بالا کاهش می‌یابد؛ در حالی که افزایش فرکانس موجب افزایش راکتانس القایی خواهد شد.
از آنجاییکه در باتری‌ها، راکتانس القایی (به ویژه در فرکانس پایین)، نقش ناچیزی دارد، معمولاً اثر آن نادیده گرفته می‌شود.
مقاومت الکتریکی بارهای خطی، مانند یک المنت، کاملاً اهمی بوده و هیچ راکتانسی ندارد. در بارهای اهمی، ولتاژ و جریان الکترونیکی متناسب با یکدیگر، افزایش یا کاهش پیدا می‌کنند.
باتری‌ها عملکرد غیر خطی دارند و نمودار و مقادیر الکتریکی برای هر باتری متفاوت است.
مقاومت کلی باتری شامل مقاومت اهمی و همچنین راکتانس القایی و خازنی است. شکل ۲ مدار معادل مقاومت کلی باتری را نشان می‌دهد.
شکل ۲- مدل رندلز یک باتری لید اسید (سرب اسیدی)
همانگونه که اشاره شد، یک باتری دارای مقاومت، و اثرات سلف و خازنی است و اصطلاح امپدانس خلاصه‌ای است از این سه مفهوم در یک مدل. امپدانس را می‌توان به بهترین شکل با مدل Randles (شکل ۲) که مقاومت‌های R1 و R2 و همچنین خازن C را تشکیل می‌دهد، نشان داد.
و به طور خلاصه :
R1 = مقاومت داخلی
R2 = مقاومت در برابر انتقال شارژ
C1 = خازن (فعال در زمان انتقال شارژ)
روش‌های اندازهگیری مقاومت داخلی باتری
در ادامه چهار روش متداول اندازهگیری مقاومت داخلی باتری را شرح می‌دهیم.
روش اول – روش تخلیه مستقیم باتری با جریان DC
اندازهگیری مقاومت داخلی باتری با این روش، سه مرحله اصلی دارد :
۱- ابتدا باتری برای یک یا چند ثانیه، دچار تخلیه مختصری می‌شود.
جریان بار برای یک باتری کوچک 1 آمپر یا کمتر است؛ اما برای یک باتری استارتر ممکن است 50 آمپر یا بیشتر باشد.
۲- توسط یک ولت متر، ولتاژ مدار باز (VOC) در حالت بی باری اندازهگیری شود.
۳- در این مرحله، ولتاژ دو سر باتری با وجود بار اندازهگیری می‌شود.
اندازهگیری اهمی یکی از قدیمی‌ترین و مطمئن‌ترین روش‌های آزمون است و قانون اهم مقدار مقاومت را محاسبه می‌کند (مقاومت باتری برابر است با اختلاف ولتاژ تقسیم بر جریان).
روش تخلیه مستقیم باتری با جریان( DC) دو مرحله‌ای
در این روش، تخلیه باتری بصورت متوالی و طی دو مرحله انجام می‌شود.
شکل ۳- تخلیه مستقیم دو مرحله‌ای
بدین صورت که باتری ابتدا با جریان الکتریکی کم به مدت 10 ثانیه و پس از آن، با جریان الکتریکی بالاتر برای ۳ ثانیه تخلیه می‌شود (شکل ۳).
بار DC که در دو مرحله اعمال می‌گردد، از استانداردهای IEC 61951-1: 2005 پیروی می‌کند و شرایط آزمایش واقعی را برای رفتار باتری فراهم می‌کند.
کاربرد روش تخلیه مستقیم باتری و نکات مربوط به آن
۱- از روش تخلیه مستقیم برای بررسی باتری‌های بزرگ (ظرفیت بالا) استفاده می‌شود. از این روش، نتیجه‌ای بسیار دقیق و قابل تکرار به دست می‌آید. با ابزارهای آزمایشی پیشرفته حتی می‌توان مقاومت در محدوده چند میکرو اهم را نیز قرائت نمود.
۲- در بسیاری از گاراژها از شمع کربن برای اندازهگیری عملکرد استارتر باتری، از همین روش استفاده می‌کنند و غالباً با این روش، یک باتری‌ساز خودرو باتجربه، می‌تواند ارزیابی خوبی از عملکرد باتری داشته باشد.
۳- روش تخلیه مستقیم دارای محدودیت‌هایی است. در این روش، مقاومت‌های R1 و R2 مدل Randles را بصورت یک مقاومت ترکیبی لحاظ می‌کنند و اثر خازنی را نادیده می‌گیرد (شکل ۴).
شکل ۴- روش تخلیه مستقیم
۴- در حقیقت، روش تخلیه مستقیم، باتری را به عنوان یک مقاومت خالص می‌بیند و فقط می‌تواند مدل شبیه‌سازی شده اهمی را ارائه دهد.
۵- معمولاً نتایجی که از روش تخلیه مستقیم حاصل می شود، پاسخ مشابهی دارند. به عنوان مثال در این روش، مقدار مقاومت اندازهگیری شده برای یک باتری خوب که تا حدی شارژ شده و یک باتری دیگر که شارژ کامل شده است یکسان است.
۶- تخمین وضعیت شارژ و مقدار ظرفیت باتری در این روش امکان‌پذیر نیست.
۷- یکپارچگی واقعی در مدل رندلز دیده نمی‌شود و ترکیب مقادیر R1و R2 در عمل به عنوان یک مقدار اهمی دیده می‌شوند.
۸- اندازهگیری ولتاژ باتری در روش‌های فوق، اطلاعات مفیدی در مورد باتری ارائه می‌دهد، اما مقادیر آن کاملاً ثابت بوده و بر اساس این مقادیر، هیچگونه برآوردی از ظرفیت باتری نخواهیم داشت.
روش دوم – هدایت جریان متناوب (AC)
اندازهگیری امپدانس بمنظور سنجش مقاومت داخلی باتری، اولین بار توسط کیت چمپلین در سال 1975 با نشان دادن همبستگی خطی بین تخلیه مستقیم و میزان رسانایی گزارش شد.
مراحل این روش در ادامه شرح داده شده است.
با اعمال سیگنال با فرکانس حدود 90 هرتز، راکتانس خازنی و القایی باتری سرب اسیدی باهم تغییر خواهند کرد و در نتیجه آن، اختلاف پتانسیل ناچیزی در دو سر ترمینال باتری به وجود خواهد آمد.
ناگفته نماند، برای باتری‌های با سایز کوچکتر فرکانس بیشتر و برای باتری‌های بزرگ‌تر فرکانس کمتری اعمال می‌شود.
شکل ۵- روش هدایت جریان AC
نکات مربوط به هدایت جریان AC
۱- در شکل ۵ روش تک فرکانسی اجزای مدل Randles به عنوان یک امپدانس پیچیده به نام ماژول Z دیده می شود.
۲- اجزای منفرد مدل رندلز با هم ترکیب شده و قابل تفکیک نیستند.
روش سوم – آزمون 1000 هرتز
یکی دیگر از روش‌های رایج اندازهگیری مقاومت داخلی باتری‌ها، آزمون 1000 هرتز است.
در این آزمون، ابتدا باتری توسط یک سیگنال 1000هرتز، تحریک شده و سپس مطابق با قانون اهم، مقاومت داخلی باتری محاسبه می‌شود. توجه داشته باشید که در این روش، سیگنال AC به باتری داده می‌شود و نباید انتظار داشته باشیم که مقدار به دست آمده، با مقادیر اندازهگیری شده به روش DC یکسان باشد. البته باید در نظر داشت که هر دو نتیجه به دست آمده در جای خود صحیح است.
به عنوان مثال، ممکن است در یک باتری یون لیتیوم ، مقاومت داخلی در روش اعمال سیگنال 1000 هرتز حدود 36میلی‌اهم و در روش تخلیه مستقیم با جریان DC تقریبا 110میلی‌اهم اندازهگیری شود. در عین حال که این دو مقدار فاصله زیادی از هم دارند، هر دو نتیجه به دست آمده معتبر هستند و کاربر باید نتیجه کلی آزمون را در نظر بگیرد.
شکل ۶- آزمون 1000 هرتز
کاربرد روش آزمون 1000هرتز و نکات مربوط به آن
۱- اندازه گیری مقاومت داخلی باتری به روش تخلیه مستقیم باتری توسط پالسDC ، نتایج ارزشمندی را برای بارهای DC مانند عناصر گرمایشی نظیر المنت یا لامپ رشته‌ای به ما خواهد داد؛ در حالی که روش 1000 هرتز، بیانگر رفتار و عملکرد یک بار دیجیتالی می‌باشد. مانند رایانه‌های قابل حمل و تلفن های همراه که تا حد زیادی به ویژگی‌های خازنی باتری متکی هستند.
۲- در اندازهگیری مقاومت داخلی باتری به روش آزمون 1000هرتز، واکنش بار نیز مشاهده خواهد شد. به عنوان مثال از این روش ترجیحاً برای اندازهگیری مقاومت داخلی باتری‌های دوربین‌های دیجیتال استفاده می‌شود.
روش چهارم – طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS)
شکل ۷- روش EIS
آزمایشگاه‌های تحقیقاتی سال‌هاست که برای ارزیابی مشخصات باتری از روش EIS استفاده می‌کنند. هزینه بالای تجهیزات، زمانبر بودن فرآیند آزمون و نیاز به متخصصان آموزش دیده برای رمزگشایی از حجم زیاد دادهها، این فناوری را به محیط آزمایشگاه محدود کرده است.
روش EIS مقادیر دقیق المان‌های R1،R2 و C را در مدل Randles مطابق شکل ۷ می‌خواند.
با این حال در نظر داشته باشید که وابستگی مقادیر به CCA و برآورد دقیق ظرفیت باتری نیازمند مدل‌سازی پیچیده‌ای می‌باشد.
با اندازهگیری دقیق مقادیر R1، R2 و C، پارامترهایی نظیر وضعیت شارژ و همچنین ظرفیت باتری نیز امکان‌پذیر خواهد بود.
نتیجه گیری
در این مقاله با استفاده از ۴ روش متداول، نحوه اندازهگیری مقاومت داخلی باتری را شرح دادیم اما توجه به دو نکته اهمیت داد:
۱- مقاومت داخلی باتری وضعیت سلامتی آن باتری را نشان نمی‌دهد و این پارامتر اغلب در حین استفاده و در طول عمر باتری ثابت می‌ماند.
۲- مقاومت داخلی باتری تقریباً به تکنولوژی ساخت باتری وابسته است و از روش‌هایی که برای اندازهگیری مقاومت داخلی باتری ارائه شده است، همه آنها هنوز هم استفاده می‌شوند.
لطفاً اگر نظر و یا انتقادی نسبت به این مقاله دارید، آن را در قسمت دیدگاه‌ها با ما در میان بگذارید.
عالی بوددد. ممنون