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Text File  |  1991-07-21  |  7KB  |  138 lines
  1.  
  2. Internal Resistance in Lead Acid Batteries
  3. by
  4. Robert G. Hester
  5.  
  6. This article, by a Home Power reader, is the type of feedback that 
  7. we are hoping to share in this magazine.  While the approach is quite 
  8. technical, it does demonstrate a simple technique for actually measuring 
  9. the internal resistance of the batteries you are using.  By keeping 
  10. track of our batteries' internal resistance we can be informed on 
  11. their condition and reliability. Rich
  12.  
  13. The internal resistance (Ri) gets its name from the fact that it 
  14. is located inside the case of the battery and is a characteristic 
  15. of the battery itself.  This resistance is a function of the chemical 
  16. reaction taking place in the lead-acid battery.  Ri is a necessity, 
  17. an unavoidable evil; any power dissipated here does no useful work.  
  18. In solar applications, the power dissipated in (Ri) represents wasted 
  19. solar panel time.
  20.  
  21. If the useful load Ri is a very large wattage inverter, then the 
  22. voltage drop caused by the battery's internal resistance Ri may be 
  23. large enough to reduce the voltage at the battery terminals (Eb) 
  24. below the operating point of the inverter.  When several hundreds 
  25. of amps are demanded from the battery, its internal resistance may 
  26. reduce its operating voltage to an unacceptable level.
  27.  
  28. The internal resistance of a battery pack may be controlled by the 
  29. system user by paralleling more batteries into the pack.  Doubling 
  30. the number of batteries reduces the pack's resistance by half, each 
  31. time the number of batteries is doubled.  The internal resistance 
  32. of the batteries forces us to increase the size of the battery pack 
  33. to handle large surge loads.
  34.  
  35. Operation of lead-acid batteries at low states of charge should be 
  36. avoided, as Ri increases as the batteries are discharged.  Car battery 
  37. manufacturers get high cold cranking amps (reducing Ri) by close 
  38. plate spacing and reasonably high specific gravity.  Also, the depth 
  39. of discharge in car systems is limited in normal operation.
  40.  
  41. The internal resistance (Ri) is equal to the change in battery voltage 
  42. when a load is applied, divided by the change in battery current 
  43. due to the application of this load:
  44.  
  45. INSERT ILLUSTRATION
  46.  
  47. SIMPLIFIED SCHEMATIC FOR TESTING Ri
  48. A test was made to determine what kind of value Ri might have with 
  49. the author's limited resources of batteries and test instruments.
  50.  
  51. Two Trojan T105 lead-acid batteries (205 Amp-hrs.) were connected 
  52. in series (for 12 volts) and charged by 40 watt and 7 watt solar 
  53. panels connected in parallel to operate an emergency Amateur Radio 
  54. Station.
  55.  
  56. A digital Voltmeter having a one tenth volt resolution was used to 
  57. measure the voltage change.  A 300 watt Heart inverter was used to 
  58. power a 100 watt light bulb as the test load.  A 1 CP tail light 
  59. bulb was used as a fixed load.  The test load was calculated to be 
  60. 9.16 Amps, the fixed load is 1 amp. (estimated).
  61.  
  62. The test load was turned on to take the "surface charge" off of the 
  63. battery.  After this the load was applied and the voltage dropped 
  64. almost instantaneously from 12.4 volts to 12.2 volts, then leveled 
  65. off at 12.1 volts after several seconds.
  66.  
  67. The behavior of the batteries under load is our concern.  The total 
  68. voltage change was 12.4 - 12.1 = 0.3 volts.  The total current change 
  69. was 9.16 amps.
  70. INSERT EQUATION
  71. If a 1,500 watt inverter had been the load the change of current 
  72. would be 1,500 watts divided by 0.9 inverter efficiency equals 1,660 
  73. watts divided by 12 volts equals 138 amps.  The voltage drop across 
  74. Ri (0.0327 ohms) equals 4.5 volts.  Therefore the inverter would 
  75. receive 12.1 - 4.5 = 7.6 volts and would not operate at all.  The 
  76. internal resistance of the battery pack is important. This battery 
  77. pack is obviously too small to effectively source a 1,500 watt inverter.
  78.  
  79. The fact that a fast decrease in voltage was followed by a slow decrease 
  80. indicates that the equivalent circuit shown was perhaps too simple.  
  81. We are probably seeing the effects of the mobility of the ions that 
  82. make up the electrolyte.  These ions of hydrogen, oxygen, and sulphate 
  83. (H2, O2, SO4) must migrate to the battery's plates in order to participate 
  84. in the chemical reaction.  The O2 (oxygen) ion has 16 times the weight 
  85. of H2 (Hydrogen) and has an equal but opposite charge.
  86.  
  87. INSERT ILLUSTRATION
  88. THE REVISED EQUIVALENT CIRCUIT
  89. The addition of Capacitor (C) in Parallel with R1 creates a time 
  90. constant that was estimated at 3 seconds.  Ri = R1 + R2
  91. INSERT FORMULAS
  92. In electrical terms this 275 Farad capacity (in terms of electrical 
  93. capacitance) of the battery pack is a remarkable value as few Farad 
  94. capacitors exist.  This is the electrical analogy, however.
  95.  
  96. These simple circuits allow determination of the actual internal 
  97. resistance of our own batteries.  Record the data generated from 
  98. your tests and compare it to later tests at varying temperatures 
  99. and states of charge.  By keeping a careful eye on our battery's 
  100. performance we can detect weakening and possible battery failure 
  101. long before it actually happens.  If a battery pack shows a dramatic 
  102. increase in internal resistance it is time to run an equalizing charge.  
  103. If the internal resistance continues to rise in spite of repeated 
  104. equalizing charges, then it's time to look for a good deal in new 
  105. batteries.
  106.  
  107. I would like the following information from various battery manufacturers 
  108. regarding their batteries.
  109. 1.    A detailed description of the time constants encountered after 
  110. the application of a load.  How many are there?  What are their magnitudes?
  111. 2.    Is the variation of the internal resistance an inverse linear 
  112. relation to the state of charge?  Probably yes.
  113. 3.    A chart of internal resistance as a function of temperature at 
  114. several states of charge.  Probably goes up as the temperature goes 
  115. down; but is it a linear relation?  ((The lead-acid battery's internal 
  116. resistance certainly does rise under the following conditions: 1) 
  117. low temperatures (below 45íF.), 2) at low states of charge (below 
  118. 15% SOC, & 3) high states of charge (above 90% SOC. --Rich)).
  119. 4.    A plot of the dynamic (AC) internal resistance seen by a load 
  120. which has high frequency components. (ie. an inverter load that pulses 
  121. at a high frequency rate as when powering inductive loads).  A plot 
  122. of Ri (Internal Resistance vs. Load AC Frequency) would be helpful.  
  123. This is of interest to Ham Radio Operators who power single sideband 
  124. transmitters where the load varies at the frequency and amplitude 
  125. of the human voice.
  126.  
  127. In my personal station a Kenwood TS-130SE 100 watt output high frequency 
  128. transceiver is powered by stored solar energy.  The voice load components 
  129. on this transmitter interfere with the operation of a Heart HF-300X 
  130. inverter used to power lights.  This should have been predictable, 
  131. but it wasn't.  More battery data is needed by battery users than 
  132. just Ampere-hours. (( It is possible that this interference is due 
  133. to RF getting into the inverter's logic, rather than changes in the 
  134. battery due to loading.--Rich))
  135.  
  136. Robert G. Hester may be written concerning this information at Box 
  137. 226, Pearblossom, CA 93553.
  138.