Akku-ESR-Meter

[Hermann (Gast)]

Hallo zusammen,
zur Beurteilung eines großen Vorrats an alten LiIon-Zellen habe ich mir 
ein Messgerät für den Innenwiderstand gebaut. Bekanntermaßen ist der 
Innenwiderstand keine konstante Größe. Bei sehr kurzzeitigen Belastungen 
habe ich einen wesentlich kleineren Widerstand gemessen, als bei langer 
Belastung. Ich habe mich für 5ms Stromdauer entschieden und den Wert als 
ESR (equivalent series resistance) bezeichnet in Anlehnung an die Angabe 
bei Kondensatoren.

Zur Veranschaulichung der Zeitdauerabhängigkeit habe ich im Anhang den 
Spannungsverlauf bei 3 unterschiedlichen Akkus dargestellt:
1. ein Akku-Pack 3s2p aus einem Schrauber mit einem typischen Verlauf 
und stabilem Wert nach ca. 1ms (ESR-Wert=80mR; 90°-Wert=6).
2. ein gleiches Akku-Pack mit einem langsamen Verlauf, der Endwert ist 
nach 5ms noch nicht erreicht (ESR-Wert=78mR; 90°-Wert=29).
3. ein entladener 9V-NiCd-Akku mit einem extrem langsamen Verhalten. Man 
sieht den kleinen ESR zu Beginn als Sprung und dann fast eine Rampe, die 
wohl noch lange ansteigt (ESR-Wert=2R08; 90°-Wert=1840).

Dieses Verhalten ist der Grund für eine spezielle zusätzliche 
Messmethode, die die Differenz der 1. und 2. Hälfte des Anstiegs misst. 
Dieser Wert wird mit einem Synchrongleichrichter und 90° 
Phasenverschiebung gemessen. Dieser 90°-Wert dient zur Beurteilung der 
"Inkonstanz" des ESR.

Nun zur Schaltung: Die Ansprüche waren:
1. ESR-Messung ohne den Akku zu belasten, d.h. Wechselstrommessung. 
Dadurch kann der ESR beim Laden und Entladen parallel gemessen werden, 
ohne den Strom zu beeinflussen. Gewählt wurden ± 50mA bei einem 
Vollausschlag von 2 Ohm.
2. Akku-Pack-Messungen bis 21V.
3. Messung von kleinen 9V-Zellen. Dazu Umschaltung auf ± 5mA und 
Vollausschlag 20 Ohm.
4. Messung von Batterien. Dazu Umschaltung auf Gleichstomimpulse.
5. Kelvin-Klemmen für genaue Milliohm-Messung.

Die Schaltung (von links):
1. Spannungserzeugung +5V und ca. -4V für das DVM und die OP. Zusätzlich 
-1,24V für den 4066, da das Messsignal eine Wechsel-Spg ist.
2. Der Tiny85 macht die Rechteck-Spg für den Strom-Sollwert und das 
Schaltsignal für den Synchrongleichrichter (0° und wahlweise 90°)
3. Offset-Regelung für den Kondensator C1. Zur 
Gleichspannungsunterdrückung der Akku-Spg wird der Strom über C1 
eingespeist. Die Spg am neg. Anschluss von C1 läuft durch Unsymmetrien 
schnell weg und wird durch die Offset-Regelung auf +1,24V gehalten. Bei 
+1,24V wird C1 auch bei kleiner Akku-Spg nicht umgepolt. Damit die 
Offset-Regelung funktioniert, ist der Inverter-OP notwendig.
4. Stromkonstanter für ± 50mA(5mA). Der Ist-Wert wird an 1(10)Ohm 
gemessen.
5. Am Test-Akku wird das Signal mit Kelvin-Klemmen abgenommen und der 
Gleichspannungsanteil durch C3 entfernt.
6. Das Signal wird mit Differenzverstärkern gegenphasig verstärkt.
7. Der Synchrongleichrichter macht daraus das 
Gleichspannungs-Messsignal.
8. Das DVM ist potentialgebunden an +5V gegen Com angeschlossen. Dazu 
wird die interne Referenz durch geänderte Vorwiderstände auf einen 
Vollausschlag von 400mV gebracht. Für die Batteriemessung mit 
Gleichstromimpulsen entsteht nur die halbe Mess-Spg. Dazu wird der 
Messbereich auf 200mV Vollausschlag umgeschaltet. Bei 5mA-Messstrom ist 
der Vollausschlag 20 Ohm, dazu wird nur der Dezimalpunkt umgeschaltet.

Bin mal gespannt, was ihr zu der Schaltung sagt. Man kann vieles 
sicherlich auch anders machen. Der Vorschlag ist nur als Anregung 
gedacht.

Gruß von Hermann

[Raymund H. (raymund_h)]

Ich hätte auch das Zeitverhalten des Akkus ausgewertet, bei NiMh u.ä. 
soll das einiges an Informationen liefern, da kann man bestimmt mit 
spielen auch wenn dieser Akku eigentlich von Gestern ist.

Also nicht Synchrongleichrichten, sondern eine Impulsantwort der 
Spannung auf einen Prüfstrom aufnehmen und diese im Zeit+Frequenzbereich 
darstellen.

Auch bei Li.. Akkus lassen sich so vielleicht noch genauere 
Alters/Zustands-Bestimmungen machen.

[Hermann (Gast)]

Raymund H. schrieb:
> Impulsantwort der
> Spannung auf einen Prüfstrom aufnehmen

Ich kann mir gut vorstellen, dass daraus gute Erkenntnisse zu gewinnen 
sind. Aber das kostet einige Forschungsarbeit für die Analyse. Und dann 
müssen daraus gute Kenngrößen abgeleitet werden, die vom µP berechnet 
werden.

Die bisherigen Erfahrungen mit dem Akku-ESR-Meter haben auch nicht die 
Erkenntnisse gebracht, die ich erwartet habe:
Der ESR-Wert ist sehr konstant. Er ist unabhängig von:
-Messstrom -DC/AC-Messung -Laden/Entladen -voller/leerer Akku
Ich habe während eines vollen Zyklus (Laden/Entladen) gemessen und fast 
keine Änderung festgestellt. D.h. ich hätte jetzt die Schaltung 
vereinfacht: ein Strombereich (z.B. ±20mA) und Versorgung mit 
9V-Batterie, da eine Dauermessung wenig Sinn macht.
Der 90°-Wert bleibt aber interessant, er zeigt die Differenz des 
ESR-Wertes für die 1. und 2. Hälfte des Stromimpulses, und das deutet 
bei großen Werten auf einen Problem-Akku hin.

[Konstantin Qualle (Gast)]

Hermann schrieb:
> Dieses Verhalten ist der Grund für eine spezielle zusätzliche
> Messmethode, die die Differenz der 1. und 2. Hälfte des Anstiegs misst.
> Dieser Wert wird mit einem Synchrongleichrichter und 90°
> Phasenverschiebung gemessen.

Ich würde eher sagen daß Du die Asymmetrie des Signals im Moment der 
Phasenverschiebung messen tust. Vermutlich entspricht sie dem momentanen 
ESR im Moment der Phasenverschiebung.

[MaWin (Gast)]

Hermann schrieb:
> Bekanntermaßen ist der Innenwiderstand keine konstante Größe. Bei sehr
> kurzzeitigen Belastungen habe ich einen wesentlich kleineren Widerstand
> gemessen, als bei langer Belastung. Ich habe mich für 5ms Stromdauer
> entschieden und den Wert als ESR (equivalent series resistance)
> bezeichnet

Der thread ist historisch, aber ESR eines Akkus messen nützt nichts, 
wenn man es nicht genau so macht wie der Hersteller im Datenblatt, und 
der misst meist nach  IEC 61951-1:2005

10 Sekunden für Akkkapazitât moderater Entladestrom, 3 Sekunden deutlich 
höherer (8-10x so hoch, so C/100 zu C/10) aus Spannungsdifferenz 
Akkuinnenwiderstand berechnen.

Das liefert ziemlich genau dasselbe wie kondensatorgekoppelt 50Hz 
anzulegen und die resultierend Batteriewechselspannung zu messen und ins 
Verhältnis zum Verschiebestrom zu setzen.

Während Messungen mit 1kHz deutlich geringere ESR liefern, untauglich 
für Gleichstromentladung aber kennzeichnend für Abblockeigenschaften.

[Konstantin Qualle (Gast)]

Ja schon, aber sein Akku- Pack liefert einen stabilen Wert nach ca. 1ms. 
Mir ist auch nicht ganz klar was er mit dem 90-Wert eigentlich messen 
tut, der aber anscheinend den Zustand des Akkus ganz gut Anzeigt.

[Konstantin Qualle (Gast)]

MaWin schrieb:
> ESR eines Akkus messen nützt nichts, wenn man es nicht genau so macht
> wie der Hersteller im Datenblatt,

Du willst mich verarschen.