干電池電動勢及內(nèi)阻的測量與研究

張鳳云，羅偉，牟海維

(1.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省高校校企共建測試計量技術(shù)及儀器儀表工程研發(fā)中心，黑龍江 大慶 163318)

干電池電動勢及內(nèi)阻的測量與研究

張鳳云1，2，羅偉1，2，牟海維1，2

(1.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省高校校企共建測試計量技術(shù)及儀器儀表工程研發(fā)中心，黑龍江 大慶 163318)

本文主要采用UJ24型高電勢直流電位差計、標準電阻、AC5-7型直流檢流計、用臺式數(shù)字萬能電表(6位半)等儀器設(shè)計電路測量新的一次性干電池的電動勢、內(nèi)阻及其與放電流關(guān)系，然后對電池進行恒流或恒阻放電，測量電池放電不同時間的內(nèi)阻，最后對幾種不同型號、品牌的普通/堿性鋅錳電池的測量結(jié)果對比，分析其特性及性能。本測量方法精度較高，而且測量方便、成本低。

箱式電位差計；干電池；電動勢 ；內(nèi)阻

隨著科技的發(fā)展，各種功能強大而形態(tài)各異的電子設(shè)備隨即出現(xiàn)，電池扮演著越來月重要的角色，已在手機、照相機等人們?nèi)粘Ｉ詈屯ㄐ诺忍厥獾墓╇娤到y(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。電池的電動勢和內(nèi)阻是衡量電池性能的重要技術(shù)指標，通過對內(nèi)阻的測量能評估電池容量的大小，還可以根據(jù)電池內(nèi)阻值的變化趨勢來預(yù)測電池的壽命，因此對電池內(nèi)阻這項性能指標的測量將有著非常重要的實際意義[1-4]。測量電池內(nèi)阻的方法很多,目前人們使用的有電位差計法、直流伏安法、短路電流法、交流電橋等[5-9]。本文設(shè)計電路測量新的一次性電池的電動勢、內(nèi)阻及其與放電流關(guān)系，然后對電池進行恒流或恒阻放電，測量電池放電不同時間的內(nèi)阻。所用的測量方法精度較高，而且測量方便、成本低。

1 實驗內(nèi)容

1.1 實驗器材

UJ24型高電勢直流電位差計、標準電阻、AC5-7型直流檢流計、用臺式數(shù)字萬能電表(6位半，Agilent 34401A)、電池等器材。

1.2 新普通/堿性電池電動勢和內(nèi)阻的測量

采用臺式數(shù)字萬能表測量新電池的電動勢，為了驗證其可行性和準確性，選取了幾節(jié)電池進行測試，測試結(jié)果誤差很小，表明可以直接用臺式數(shù)字萬用表測新電池的電動勢。同時，臺式數(shù)字萬用表的內(nèi)阻為10 MΩ，電池的電動勢估算為1.7V,電池的內(nèi)阻估算為0.75Ω，這樣估算臺式數(shù)字萬用表的內(nèi)阻的壓降為10-7V,與臺式數(shù)字萬用表的儀器誤差10-4V，綜上所述可以直接用臺式數(shù)字萬用表測量新電池的電動勢。

圖1 測量內(nèi)阻原理圖

圖2 電流與內(nèi)阻關(guān)系圖

1.3 普通/堿性電池放電至不同容量后電動勢和內(nèi)阻的測量

電池放電分為恒流、恒阻放電，選取的電池是普通/堿性電池兩種，所以特意選擇了市面常見的南孚和雙鹿、松下作為堿性電池和普通電池的代表，通過查閱國家標準了解到堿性電池(南孚)放電條件是以600 mA的電流，每天放電2個小時，最小平均放電時間11個小時。普通電池(雙鹿、松下)是以恒定電阻3.9Ω，每天放電一個1個小時最小平均放電時間5個小時。

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 新普通/堿性電池電動勢和內(nèi)阻的測量

直接用臺式數(shù)字萬用表測試幾種品牌的新電池的電動勢如下表：

表1 測量數(shù)據(jù)及計算結(jié)果

從以上的測量結(jié)果中可以看出不同品牌的新電池的電動勢不同，而且都大于國家標準中的標稱電壓1.5 V，可見這些電池出廠的性能指標達到國家標準的規(guī)定。

按照上述方法測得不同電流時的電池內(nèi)阻的實驗數(shù)據(jù)，作圖得到圖2，由圖可以看出：電池的內(nèi)阻隨電流的增大而減小，南孚電池的內(nèi)阻變化緩慢，松下和雙鹿電池的內(nèi)阻下降較為明顯。可以得出南孚這類堿性電池適合大電流放電，放電曲線平穩(wěn)。

2.2 普通/堿性電池放電至不同容量后電動勢和內(nèi)阻的測量

對南孚電池進行恒流放電，每天放電2個小時，連續(xù)放電六天，得到實驗數(shù)據(jù)如表2所示，松下和雙鹿電池同理測量。然后，比較分析測量數(shù)據(jù)得到電池的電動式和內(nèi)阻隨放電時間變化的特性曲線，如圖3、4所示。

表2 南孚電池測量數(shù)據(jù)及計算結(jié)果

圖3 時間與電池內(nèi)阻

圖4 時間與電池電動勢

通過圖3和4可以看出：

(1)電池的內(nèi)阻隨電池放電時間越長，內(nèi)阻越大，南孚電池的內(nèi)阻變化緩慢，松下和雙鹿電池的內(nèi)阻下降較為明顯?？梢缘贸瞿湘谶@類堿性電池適合大電流放電，放電曲線平穩(wěn)。

(2)電池的電動勢隨著電池使用時間越長，電動勢越低。雙鹿、松下電池等碳性電池使用過程中電壓不斷下降不能提供穩(wěn)定電壓。而南孚堿性電池的各項性能都得到顯著提高，由于堿性電池容量大，能大電流放電，各方面特性均優(yōu)于碳性電池，自然價格也較貴一些。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計電路測量新電池的電動勢和內(nèi)阻，并討論普通/堿性電池放電至不同容量后電動勢和內(nèi)阻的特性。測量過程中能保持電池的性能完好，更符合電池內(nèi)阻測量要求。該測量系統(tǒng)簡單、方便、準確。實驗結(jié)果表明電池的內(nèi)阻隨電流的增大而減小，電池的電動勢隨著放電電流的增加，電動勢越低。電池的內(nèi)阻隨電池放電時間越長，內(nèi)阻越大。電池的電動勢隨著電池使用時間越長，電動勢越低。干電池的使用對象、使用方法有所不同，其使用時間都有所差異。對于大功率的機器，電池能量利用率不高，常?？梢孕断潞笤俟┬」β视秒娖魇褂靡欢螘r間，以提高使用率。同時，干電池間歇工作電壓可以恢復(fù)，要比連續(xù)放電好，這是普通干電池的一大特性。

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Design of the Battery Electromotive Force and Resistance Measurement System

ZHAGN Feng-yun,LUO Wei,MU Hai-wei

(1.Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163318；2.Research and Development Center of University Enterprise Co-construction Testing and Measurement Technology and Instrumentation Engineering in Heilongjiang Province,Heilongjiang Daqing 163318)

The main contents include the use the DC potentiometer of high potential UJ24,the standard of resistors,the DC galvanometer of AC5-7 and the benchtop digital universal meter (6 half) and others to measure new disposable battery’s emf and internal resistance and its relationship with the discharge current.Then,Using the circuit to measure the resistance that a battery at condition that electric current or discharge of constant resistance at different times.Meanwhile,Analysis of the results that several different models and brands Normal/alkaline batteries of its characteristics and performance by comparative of the above measurements.The measurement of this paper’s method is higher accuracy and convenience,low cost.

box-type potential difference；batteries；electromotive force；resistance

2016-06-30

黑龍江省教育科學規(guī)劃課題(GJB1316013)

1007-2934(2016)06-0033-03

O 435.1

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.008