چگونه مقاومت داخلی باتری را اندازه‌گیری کنیم؟

در چند مقاله پیش راجع به نحوه اندازه‌گیری میزان شارژ باتری صحبت کردیم. بعد از آن مقاله که متوجه شدیم چقدر اهل اندازه‌گیری و حساب کتاب‌های مختلف هستید، تصمیم گرفتیم در این مقاله 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 فراهم کرده و در اختیار ما قرار می‌دهد. این امر خصوصاً در مورد سیستم‌های مبتنی بر نیکل بیشتر صدق می‌کند.

باید توجه داشته باشید که اندازه‌گیری مقاومت داخلی باتری، صرفا شاخصی جهت میزان عملکرد باتری نیست زیرا مقدار عملکرد باتری‌های سربی اسیدی می‌تواند بین 5 تا 10 درصد تغییر کند، به ویژه اگر واحدهای ثابتی داشته باشند.

به دلیل گستردگی حجم تغییرات، بهترین نتیجه از تحقیقات مربوط به مقاومت داخلی باتری هنگامی حاصل می‌شود که روش مقاومت هنگام مقایسه تغییرات بین باتری‌های مورد مطالعه از زمان ایجاد تا زمان از کار افتادگی مورد ارزیابی قرار بگیرد.

نکته‌ی دیگری که باید به آن توجه داشته باشید این است که خورندگی، مقاومت داخلی باتری را تحت تأثیر قرار می‌دهند. با مواد افزودنی الکترولیت با کیفیت بهتر، می‌توانید باعث کاهش خوردگی داخلی شوید؛ زیرا این خوردگی به عنوان واکنش‌های مضر بر روی الکترولیت و الکترودها نیز شناخته می‌شود.

نمونه آزمایش شده

طی تحقیقات مربوط به مقاومت داخلی باتری، از کارکنان بخش خدمات خواسته می‌شود تا در زمان نصب هر سلول یا مونوبلاک، از آن‌ها عکس فوری بگیرند و سپس تغییرات ظریف ایجاد شده حین افزایش عمر سلول ها را اندازه‌گیری کنند.

.این تصور وجود داشت که مقاومت داخلی باتری، به ظرفیت باتری مربوط می‌شود

اما این دیدگاه نادرست است؛ زیرا به طور کلی مقاومت داخلی باتری‌های مدرن سربی اسیدی و لیتیوم یون در بیشتر عمر مفیدشان، میزان ثابتی دارد.

همچنبن شکل زیر نشان می‌دهد که ظرفیت باتری با گذر از سیکل مرتبط، نسبت به مقاومت داخلی سلول‌های یون لیتیوم کاهش پیدا کرده و به مرور از بین می‌روند.

نحوه خواندن نتیجه آزمایش چرخه باتری‌های لیتیوم یونی در دمای 1Cبه شرح زیر است:
شارژ: 1500 میلی‌آمپر تا 4.2 ولت، 25 درجه سانتیگراد
تخلیه: 1500 تا 2.75 ولت، 25 درجه سانتیگراد

امپدانس (Z)

خب تا اینجا متوجه شدیم که اندازه‌گیری مقاومت داخلی کلا چیز خوبی است!

اما قبل از بررسی روش‌های مختلف اندازه‌گیری مقاومت داخلی باتری، بیایید معنی مقاومت الکتریکی را بررسی کنیم و تفاوت بین مقاومت خالص (R) و امپدانس (Z) را بیابیم.

R مقاومت خالص است و Z شامل عناصر واكنش‌دهنده مانند سیم پیچ‌ها و خازن‌ها است. هر دو عنصر در روش اهم (Ω) به دست می‌آیند. (اندازه‌گیری‌ای که به فیزیکدان آلمانی جورج سیمون اهم برمی‌گردد که از سال 1798 تا 1854 زندگی می‌کرد. یک اهم افت ولتاژ، 1 ولت با جریان 1 آمپر تولید می‌کند.) همچنین سیمن (ها) اندازه‌گیری می‌شود و مقابل مقادیر اهمی قرار می‌گیرد.

بیشتر بارهای الکتریکی واکنشی هستند و از راکتانس خازنی (خازن) و راکتانس القایی (سیم پیچ) تشکیل شده‌اند. راکتانس خازنی با فرکانس بالاتر کاهش می‌یابد در حالی که راکتانس القایی افزایش می‌یابد. راکتانس القایی شبیه میراگر روغن است که طی یک عمل سریع رفت و برگشتی، سفت می‌شود. راکتانس القایی معمولاً حذف می‌شود زیرا در باتری، به ویژه در فرکانس پایین، نقش ناچیزی دارد.

مقاومت الکتریکی یک بار خالص، مانند یک عنصر گرمایشی، هیچ راکتانسی ندارد. ولتاژ و جریان الکترونیکی موجود به طور هماهنگ با یکدیگر، افزایش یا کاهش پیدا می‌کنند. نمودار و مقادیر الکتریکی برای هر باتری متفاوت است.

همچنین مقدار مقاومت اهمی با جریان مستقیم (DC) و جریان متناوب (AC) یکسان است و ضریب توان (pf) 1 است که دقیق‌ترین اندازه‌گیری توان مصرفی را به دست می‌آورد.

اما مقاومت کلی باتری شامل مقاومت اهمی و همچنین راکتانس القایی و خازنی است.

خب از این شاخ و برگ‌ها که بگذریم باید بگوییم یک باتری، دارای مقاومت، خازن و سلف است و اصطلاح امپدانس خلاصه‌ای است از این سه مفهوم در یک مدل. امپدانس را می‌توان به بهترین شکل با مدل Randles (شکل 2) که مقاومت‌های R1 و R2 و همچنین خازن C را تشکیل می‌دهد، نشان داد.

و به طور خلاصه :
R1 = مقاوم در برابر داخلی
R2 = انتقال شارژ
C1 = خازن دو لایه

روش های اندازه گیری مقاومت داخلی باتری

در ادامه چهار روش متداول اندازه‌گیری مقاومت داخلی باتری را شرح می‌دهیم.

روش اول : روش بارگیری جریان مستقیم (DC)

مراحل روش اندازه‌گیری مقاومت داخلی باتری با این روش، سه مرحله اصلی دارد :

1- ابتدا باتری برای یک ثانیه یا بیشتر، دچار تخلیه مختصری می‌شود.
جریان بار برای یک باتری کوچک 1 آمپر یا کمتر است اما برای یک استارتر باتری ممکن است 50 آمپر یا بیشتر باشد.

2- یک ولت متر ولتاژ مدار باز (OCV) را بدون بار اندازه‌گیری می‌کند.

3- به دنبال مرحله دوم، آزمایش دوم با وجود بار انجام می‌شود. اینجاست که قانون اهم مقادیر مقاومت را محاسبه می‌کند.
اندازه‌گیری اهم یکی از قدیمی‌ترین و مطمئن‌ترین روش‌های آزمون است و قانون اهم مقدار مقاومت را محاسبه می‌کند (اختلاف ولتاژ تقسیم بر جریان برابر با مقاومت).

روش بارگیری DC (دو مرحله ای)

روش بارگیری DC دو لایه با استفاده از دو بار تخلیه متوالیِ جریان و مدت زمان مختلف، یک روش جایگزین را ارائه می‌دهد.

بدین صورت که باتری ابتدا با جریان الکترونیکی کم به مدت 10 ثانیه و پس از آن، با جریان الکترونیکی بالاتر برای 3 ثانیه تخلیه می‌شود (طبق شکل روبرو).

بار DC دو لایه از استانداردهای IEC 61951-1: 2005 پیروی می‌کند و شرایط آزمایش واقعی را برای بسیاری از کاربردهای باتری DC فراهم می‌کند.

کاربرد روش بارگیری DC و نکات مربوط به آن

1- از اندازه‌گیری بار DC برای بررسی باتری‌های ثابت بزرگ استفاده می‌شود و از روش اُهمی، نتیجه‌ای بسیار دقیق و قابل تکرار به دست می‌آید. با ابزارهای آزمایشی پیشرفته می‌توان ادعا کرد که مقاومت در محدوده 10 میکرو اهم هم خوانده می‌شود.

2- طبق این روش، در بسیاری از گاراژها از شمع کربن برای اندازه‌گیری عملکرد استارتر باتری استفاده می‌کنند و یک مکانیک باتجربه می‌تواند ارزیابی خوبی از باتری به دست بیاورد.

3- روش بار DC دارای محدودیت‌هایی است. این روش R1 و R2 مدل Randles را در یک مقاومت ترکیبی مخلوط می‌کند و خازن را نادیده می‌گیرد (شکل زیر را ببینید).

4-در حقیقت، روش DC باتری را به عنوان یک مقاومت می‌بیند و فقط می‌تواند منابع اهمی را ارائه دهد.

5- روش بارگیری DC نتیجه های مشابهی را از یک باتری خوب که تا حدی شارژ شده و یک باتری حاشیه‌ای که کاملاً شارژ شده دریافت می‌کند.

6- تخمین وضعیت شارژ و ظرفیت در این روش امکان‌پذیر نیست.

7- یکپارچگی واقعی در مدل رندلز دیده نمی‌شود. R1 و R2 به عنوان یک مقدار اهمی ظاهر خواهد شد.

8-ارزیابی صحت میزان ولتاژ تحت دو شرایط خاص، منجر به اطلاعات اضافی در مورد باتری می‌شود اما مقادیر آن ها کاملاً ثابت بوده و برآوردی بر حسب SoC یا ظرفیت را نشان نمی‌دهند.

9- به روش تست بار برای باتری‌هایی که بارهای DC را تأمین می‌کنند، روش ترجیحی می‌گویند.

روش دوم : رسانایی جریان متناوب (AC)

اندازه‌گیری رسانایی برای ارزیابی مقاومت داخلی باتری، اولین بار توسط کیت چمپلین در سال 1975 با نشان دادن همبستگی خطی بین آزمایش بار و رسانایی گزارش شد.

مراحل این روش ادامه شرح داده شده است.

هنگام تزریق فرکانس حدود 90 هرتز، راکتانس خازنی و القایی با باتری 70-90 آمپر اسید سرب هم‌گرایی دارند و در نتیجه تاخیر ولتاژ ناچیزی به وجود می‌آورند که واکنش متقابل را به حداقل می‌رساند. (این فرکانس با یک باتری کوچکتر افزایش می‌یابد و با حجم بزرگ‌تر باتری کاهش می‌یابد.)

نکات مربوط به رسانایی AC

1- متر سیم رسانایی AC معمولاً در گاراژهای اتومبیل برای اندازه‌گیری CCA (مقدار جریان دهی باتری) استفاده می‌شود.

2- در شکل روبرو روش تک فرکانسی اجزای مدل Randles را به عنوان یک امپدانس پیچیده به نام مدول Z می‌بینید.

3- اجزای منفرد مدل رندلز با هم ذوب شده‌اند و قابل تفکیک نیستند.

روش سوم : آزمون 1000 هرتز

آزمون 1000 هرتز (هرتز) اهم یکی دیگر از روش‌های رایج است.

این آزمون بدین صورت رخ می‌دهد که یک سیگنال 1000Hz، باتری را تحریک می‌کند و قانون اهم مقاومت را محاسبه می‌کند. توجه داشته باشید که روش AC هنگام اندازه‌گیری مقاومت راکتیو، مقادیر مختلفی را به روش DC نشان می‌دهد و هر دو نتیجه به دست آمده صحیح است.

به عنوان مثال، یون لیتیوم در یک سلول 18650 حدود 36mOhm با سیگنال AC 1000Hz و تقریبا 110mOhm بار DC تولید می‌کند. در عین حال که فاصله زیادی از هم دارند، هر دو نتیجه به دست آمده معتبر هستند و کاربر باید فرایند نتیجه گیری را در نظر بگیرد.

کاربرد روش آزمون هرتز و نکات مربوط به آن

1- روش بارگیری پالس DC نتایج ارزشمندی را برای یک کاربرد DC مانند عنصری گرمایشی یا یک نور رشته‌ای فراهم می‌کند. در حالی که روش 1000 هرتز عملکردهای یک بار دیجیتالی را بهتر ارائه می‌دهد. مانند رایانه‌های قابل حمل و تلفن های همراه که تا حد زیادی به ویژگی‌های خازنی یک باتری متکی هستند.

2- 1000 هرتز نتیجه مقاومت واکنشی را فراهم می‌کند. این روشِ ترجیحی برای گرفتن عکس‌های فوری و متداول از نتایج مقاومت داخلی باتری‌های دستگاه‌های دیجیتال است.

روش چهارم : طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS)

آزمایشگاه‌های تحقیقاتی سال‌هاست که از EIS برای ارزیابی مشخصات باتری استفاده می‌کنند. هزینه بالای تجهیزات، زمان آهسته آزمون و نیاز به متخصصان آموزش دیده برای رمزگشایی از حجم زیاد داده‎‌‌ها، این فناوری را به محیط آزمایشگاه محدود کرده است.

EIS مقادیر R1 ،R2 و C را در مدل Randles مطابق شکل روبرو می‌خواند.

با این حال در نظر داشته باشید که همبستگی داده‌ها با CCA و برآورد ظرفیت نیاز به مدل‌سازی پیچیده‌ای دارد.

همچنین R1 ،R2 و C به طور جداگانه اندازه‌گیری می‌شوند، که اندازه گیری حالت شارژ و ظرفیت را امکان‌پذیر می‌کند.

نتیجه گیری

در این مقاله با استفاده از 4 روش متداول، نحوه اندازه‌گیری مقاومت داخلی باتری را شرح دادیم اما توجه به دو نکته اهمیت داد :

1- مقاومت داخلی باتری وضعیت سلامتی آن باتری را نشان نمی‌دهد و اغلب با استفاده و طول عمر ثابت می‌ماند.

2- اندازه‌گیری باتری توسط مقاومت تقریباً به قدمت خود باتری وابسته است و چندین روش در طول زمان ایجاد شده است که همه آن‌ها هنوز هم استفاده می‌شوند.

لطفا اگر نظر و یا انتقادی نسبت به این مقاله دارید، آن را در قسمت دیدگاه‌ها با ما در میان بگذارید.

منابع

باتری یونیورسیتی