Impedančná analýza – keď aj batérie sú komponentmi

Meranie impedančných charakteristík patrí k neodmysliteľným metódam analýzy a diagnostiky elektrických zariadení.

Koncept impedancie alebo zdanlivého odporu vychádza z opisu obvodov pomocou lineárnych diferenciálnych rovníc, pričom vplyv kapacity alebo indukčnosti v striedavých obvodoch dávame do súvisu rezistivitou. Jednoduchšie laboratórne zariadenie schopné vyhodnocovať impedanciu poznáme pod príznačným označením LCR meter, pokročilejšími sú impedančné analyzátory. S problematikou merania impedancie sa stretávame aj pri batériových testeroch, čo si priblížime neskôr v článku.

LCR metre sú zariadenia umožňujúce vyhodnotiť celkovú impedanciu obvodu, jej zložky a podľa náhradnej schémy aj parametre prvkov ako kapacita či indukčnosť pri zvolenej frekvencii. Frekvenčný rozsah zväčša siaha od jednotiek Hz až do oblasti niekoľkých MHz. Tu sa blížime k rezonančným frekvenciám diskrétnych prvkov. Pre pochopenie správania obvodu na vyšších frekvenciách je preto vhodné mať k dispozícii grafické vyjadrenie. Meracie prístroje, ktoré automaticky vykreslia impedančnú charakteristiku najlepšie na vlastnom displeji, označujeme ako impedančné analyzátory. Prednostne pokrývajú oblasť od stoviek kHz až po niekoľko GHz.

Vráťme sa teraz k myšlienke, že aj batérie dnes možno považovať za bežný komponent v elektrotechnike, preto existuje široká paleta batériových testerov. Jednoduchšie verzie, ako príručný Hioki BT3554 alebo laboratórny BT3562A, používajú na testovanie tradične 1 kHz AC stimuláciu, ktorá poskytuje rýchlejšiu odozvu v porovnaní s DC vybíjacími/nabíjacími cyklami. Ak sa pozrieme na ekvivalentnú schému batérie (napr. v obrázku z displeja IM3590 nižšie), rozoznávame tu hneď dve rezistancie: elektrolytickú Rs a polarizačnú R1. Pokiaľ zanedbáme vplyv indukčnosti (L1) a namiesto prvku CPE1 použijeme kapacitu C1, táto pri frekvencii 1 kHz môže predstavovať malú impedanciu zapojenú paralelne k R1. Pri takomto zjednodušení 1 kHz AC metódou meriame Rs. Ak potrebujeme precíznejšie analyzovať batériu a získať frekvenčnú závislosť impedancie, riešením môže byť Hioki IM3590 alebo BT4560.

Pod názvom chemický impedančný analyzátor s modelovým označením IM3590 existuje zariadenie, ktoré dokáže vykresliť frekvenčnú závislosť impedancie batérie od úrovne 10 mΩ vo frekvenčnom rozsahu 1 mHz až 200 kHz. Počas testu prístroj odmeria aj napätie batérie a prekryje ho hodnotou DC biasu do napätia 5 V. IM3590 je však schopný uskutočňovať test aj štandardných LCR či piezoelektrických komponentov. Ak by sme hľadali podobné zariadenie umožňujúce citlivejšie meranie až pod 1 mΩ alebo spoluprácu s externým multiplexorom, výrobca má v ponuke špecializovanejší batériový tester BT4560 konfigurovateľný pre napätia do 20 V. Na rozdiel od bežnej štvorvodičovej metódy využíva zapojenie, v ktorom tok prúdu (červené šípky v obrázku vpravo) uzaviera čo najmenšiu magnetickú slučku. Ide stále o prístroj pre testy na výstupných elektródach batérie na rozdiel od potenciostatov, t. j. zariadení na analýzu batérií na úrovni substrátu.

Pokiaľ by čitateľ mal záujem ďalej sa zaoberať problematikou meraní impedančných charakteristík komponentov a batérií, pozývame ho na naše stránky www.teste.cz.