電池的內阻

科學知識 9547 1715 2014-11-24

電池的內阻是指電池在工作時,電流流過電池內部所受到的阻力,包括歐姆內阻和電化學極化內阻和離子遷移內阻等等的總稱。

歐姆內阻主要是指由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成,與電池的尺寸、結構、裝配等有關。

電化學極化電阻和離子遷移極化電阻是指電池的正極與負極在進行電化學反應時極化所引起的內阻。

不同類型的電池內阻不同。相同類型的電池,由於內部化學特性的不一致,內阻也不一樣。電池的內阻很小,我們一般用毫歐的單位來定義它。內阻是衡量電池性能的一個重要技術指標。正常情況下,內阻小的電池的大電流放電能力強,內阻大的電池放電能力弱。

在放電電路的原理圖上來說,我們可以把電池和內阻拆開考慮,分為一個完全沒有內阻的電源串接上一個阻值很小的電阻。此時如果外接的負載輕,那麼分配在這個小電阻上的電壓就小,反之如果外接很重的負載,那麼分配在這個小電阻上的電壓就比較大,就會有一部分功率被消耗在這個內阻上(可能轉化為發熱,或者是一些複雜的逆向電化學反應)。一個可充電電池出廠時的內阻是比較小的,但經過長期使用後,由於電池內部電解液的枯竭,以及電池內部化學物質活性的降低,這個內阻會逐漸增加,直到內阻大到電池內部的電量無法正常釋放出來,此時電池也就「壽終正寢」了。絕大部分老化的電池都是因為內阻過大的原因而造成無使用價值,只好報廢。因此我們更應該注重的是電池放出的容量而不是充入的容量。

內阻不是一個固定的數值

麻煩的一點是,電池處於不同的電量狀態時,它的內阻值不一樣;電池處於不同的使用壽命狀態下,它的內阻值也不同。從技術的角度出發,我們一般把電池的電阻分為兩種狀態考慮:充電態內阻和放電態內阻。

1.充電態內阻指電池完全充滿電時的所測量到的電池內阻。

2.放電態內阻指電池充分放電後(放電到標準的截止電壓時)所測量到的電池內阻。

一般情況下放電態的內阻是不穩定的,測量的結果也比正常值高出許多,而充電態內阻相對比較穩定,測量這個數值具有實際的比較意義。因此在電池的測量過程中,我們都以充電態內阻做為測量的標準。

內阻無法用一般的方法進行精確測量

或許大家會說,高中物理課上有教用簡單公式+電阻箱計算電池內阻的方法……但物理課本上教的用電阻箱推算的算法精度太低,只能用於理論的教學,在實際應用上根本無法採用。電池的內阻很小,我們一般用微歐或者毫歐的單位來定義它。在一般的測量場合,我們要求電池的內阻測量精度誤差必須控制在正負5%以內。這麼小的阻值和這麼精確的要求必須用專用儀器來進行測量。

目前行業中應用的電池內阻測量方法

行業應用中,電池內阻的精確測量是通過專用設備來進行的。下面我來說說行業中應用的電池內阻測量方法。目前行業中應用的電池內阻測量方法主要有以下兩種:

1.直流放電內阻測量法

根據物理公式R=U/I,測試設備讓電池在短時間內(一般為2~3秒)強制通過一個很大的恆定直流電流(目前一般使用40A~80A的大電流),測量此時電池兩端的電壓,並按公式計算出當前的電池內阻。

這種測量方法的精確度較高,控制得當的話,測量精度誤差可以控制在0.1%以內。

但此法有明顯的不足之處:

(1)只能測量大容量電池或者蓄電池,小容量電池無法在2~3秒鐘內負荷40A~80A的大電流;

(2)當電池通過大電流時,電池內部的電極會發生極化現象,產生極化內阻。故測量時間必須很短,否則測出的內阻值誤差很大;

(3)大電流通過電池對電池內部的電極有一定損傷。

2.交流壓降內阻測量法

因為電池實際上等效於一個有源電阻,因此我們給電池施加一個固定頻率和固定電流(目前一般使用1kHz頻率、50mA小電流),然後對其電壓進行採樣,經過整流、濾波等一系列處理後通過運放電路計算出該電池的內阻值。交流壓降內阻測量法的電池測量時間極短,一般在100毫秒左右。

這種測量方法的精確度也不錯,測量精度誤差一般在1%~2%之間。

此法的優缺點:

(1)使用交流壓降內阻測量法可以測量幾乎所有的電池,包括小容量電池。筆記本電池電芯的內阻測量一般都用這種辦法。

(2)交流壓降測量法的測量精度很可能會受到紋波電流的影響,同時還有諧波電流乾擾的可能。這對測量儀器電路中的抗干擾能力是一個考驗

(3)用此法測量,對電池本身不會有太大的損害。

(4)交流壓降測量法的測量精度不如直流放電內阻測量法。

3.測試儀器的元件誤差及測試用的電池連接線問題

無論是上述哪一種方法,都存在一些很容易被我們忽視的問題,那就是測試儀器本身的元件誤差和用於連接電池的測試線纜問題。因為要測量的電池的內阻很小,線路的電阻就要考慮進去了。一條短短的從儀器到電池的連接線本身也存在電阻(大約也是微歐級),還有電池與連接線的接觸面也存在接觸電阻,這些因素必須都在儀器的內部事先做好誤差調節。

所以,正規的電池內阻測試儀一般都配有專用的連接線和電池固定架子。

很多老化的電池其實內部電量還是很多,只是內阻過大放不出電來,實在可惜。但電池的內阻一旦增加後,要想人為降低這個內阻值是難上加難。因此對於已經老化的電池,我們即使想出很多辦法來「激活」它,比如大電流衝擊,小電流浮充,放冰箱等,但大多無濟於事,回天乏術。在瞭解了上述知識之後,我們基本可以知道,挑選電池要盡可能地挑選內阻較小的電池。另外很重要的一點,電池久置不用,其內阻也會不斷增加。建議大家還是要經常使用電池來保持電池內部化學物質的活性。



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