Akku-ESR-Meter

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