milliohmmeter / interne weerstandsmeter / overgangsweerstandmeter / batterijtester

In dit artikel bespreken we het gebruik en nut van een milliohmmeter en waar deze verschilt ten opzichte van een normale weerstandsmeter, zoals je die aantreft bij een multimeter.

Met een milliohmmeter kan je de interne weerstand van een accu of batterij meten, maar ook overgangsweerstand van een elektrische verbinding of kabel, waar je verwacht dat grote stromen door heen zullen stromen. Een milliohmmeter wordt veel gebruikt om de interne weerstand van LFP accucellen en LFP accu's te meten. Daarnaast kan je deze meter ook gebruiken als batterijtester.

Waarvoor een speciale milliohm meter, is een multimeter niet geschikt?

Een multimeter of normale weerstandsmeter is bruikbaar voor het meter van een weerstand van bijvoorbeeld 10 Ohm of hoger. Bij lagere weerstandswaarden zal de meting niet nauwkeurig zijn. Dit komt mede doordat de meetsnoeren ook een bepaalde weerstand hebben en die weerstand een relatief grote invloed hebben op de meting.

Bij het meten van weerstanden van 10 Ohm en lager kan je alleen maar nauwkeurig meten als je minimaal de weerstandswaarde van de meetsnoeren elimineert in de meting. Dat kan je realiseren met Kelvin meetpinnen ook wel een vierdraadsmeting genoemd.

Bij een normale weerstandsmeting zal de weerstandsmeter een bepaalde stroom laten vloeien door de te meten weerstand. Door deze stroom zal over de te meten weerstand een bepaalde spanning vallen (ontstaan). Die spanning wordt gemeten en op basis van de formule U = I x R (spanning = stroom x weerstand). Door de spanning te meten over de te meten weerstand kan de weerstandswaarde berekend worden.

Het klinkt vreemd, maar wanneer je een weerstandsmeter gebruikt, ben je feitelijk de spanning over die weerstand aan het meten terwijl er een bepaalde stroom doorheen loopt.

Het probleem bij deze meetmethode ontstaat bij het meten van zeer kleine weerstandswaarden. Dat komt omdat tijdens de meting de spanning "in" de meter wordt gemeten, niet de spanning die tussen de meetklemmen ontstaat, dus niet de spanningsval over de te meten weerstand. Feitelijk wordt de spanning op de verkeerde plaats gemeten. Door "in" de meter de spanning te meten, meet je niet alleen de spanningsval over het meetobject maar ook over de meetdraden en die meetdraden hebben ook een bepaalde weerstand, dus beïnvloeden daarmee de meting.

Wil je een zeer kleine weerstand met enige precisie kunnen meten, dan zal je een flinke stroom door de weerstand moeten laten vloeien, want bij een grote stroom zal over de weerstand een redelijk acceptabele spanning vallen.

Stel je hebt een weerstand van 10 milliohm (0,01 Ohm), dan zal bij een stroom van 1 Ampère een spanning over die weerstand vallen van U = I x R, dus 1 x 0,01 = 0,01 Volt. Die 10 millivolt is een nog goed en nauwkeurig te meten spanning. Maar we kunnen in de praktijk geen stroom van 1 Ampère door een te meten weerstand jagen. Dat is veel te hoog.

Een stroom van 1 mA is een veel bruikbaardere waarde. Maar bij een stroom van 1 mA, zal over de weerstand van 10 milliohm een spanning vallen van 0,00001 Volt (10 microvolt) en dat is wel heel erg weinig voor een nauwkeurige meting.

Stel dat de weerstand van de meetsnoeren, contactpunten en overgangsweerstand van contactpunten naar de weerstand die je wilt meten totaal 1 milliohm is, dan meet je niet de spanning die valt over een weerstand van 10 milliohm maar een weerstand van 11 milliohm. De meetsnoeren inclusief overgangsweerstand naar het te meten object beïnvloeden de meting met 10%!

Je zal hieruit begrijpen dat meten met twee draden, zoals gebruikelijk bij weerstandsmetingen, veel te onnauwkeurig is bij het meten van zeer kleine weerstanden.

Kelvin weerstands­meettechniek / vierdraads­weerstandsmeting

De oplossing van dit probleem is een vierdraadsmeting. Iedere meetpen bevat dan twee draden / twee meetpinnen. Hoewel je twee meetpennen in je handen houdt voor het uitvoeren van de meting, meet je technisch gezien met vier meetpinnen (pinnen, geen pennen).

Van deze vier pinnen zullen twee pinnen (één per pen) zorgen dat een bepaalde stroom door de te meten weerstand zal vloeien (de stroom vloeit dus vanuit de meetpin, door de te meten weerstand naar de andere meetpin).

Met de andere twee pinnen (ook weer één per pen) wordt de spanning gemeten. Die spanning meet je "op het meetobject" en niet "in" de weerstandsmeter waardoor de weerstand van de meetsnoeren wordt geëlimineerd^[1]. Deze vierdraadsmeting wordt een Kelvin meting genoemd. De meetsnoeren worden vaak Kelvin clips genoemd. Met een Kelvinmeting elimineer je dus de invloed van de meetdraden op de meting.

Waarvoor wordt een milliohm meter gebruikt?

Een milliohm weerstandsmeter, feitelijk impedantiemeter, wordt vooral gebruikt:

• voor het meten van de overgangsweerstand bij elektrische verbindingen waar grote stromen verwacht worden;
• de interne weerstand (impedantie) van een LFP accucel of LFP accu te meten;
• nauwkeurig zeer kleine weerstanden en zeer kleine DC spanningen te meten;
• als batterijtester.

Interne weerstand van een accucel, accu of batterij?

Wellicht heb je er nog nooit van gehoord, maar een accucel, accu of batterij heeft een interne weerstand. Een accucel, accu of batterij is feitelijk te zien als een spanningsbron met daaraan in serie een weerstand.

Die weerstand is afhankelijk van de gebruikte accuchemie (de gebruikte chemische stoffen), de opbouw van de kathode (pluspool) en anode (minpool), de capaciteit (in Ah), de temperatuur, de ladingsgraad (SOC), de laad/ontlaadstroom en de ouderdom / SOH.

Een bekend voorbeeld is een auto die in hartje winter niet meer wil starten. Die startaccu heeft een spanning van zo'n 12 Volt en bij kamertemperatuur zal de interne weerstand bijvoorbeeld 10 milliohm zijn. Als tijdens het starten de startmotor 100 Ampère trekt, dan daalt de accuspanning met: U=IxR, 100 x 0,01 = 1 Volt en hou je 11 Volt over.

Een verouderde accu zal vooral tijdens temperaturen onder het vriespunt een enorm hoge interne weerstand hebben (we weten niet exact hoeveel). Stel dat die weerstand bij -5°C 0,1 Ohm is, dan zal de startmotor die 100 Ampère wil trekken, maar een spanning zien van U=IxR, dus 100 x 0,1 = 10 V dus een daling van 10 Volt, dus de 12 Volt accu zal dan maar 2 Volt leveren. En bij die 2 Volt kan er geen stroom vloeien van 100 Ampère, dus zal die startmotor nauwelijks draaien.

Dit gebeurd vooral met een autoaccu die al eens (vrijwel) totaal ontladen is doordat men "de lichten heeft aangelaten". Een loodaccu zal door deze enorme diepontlading een sterk verhoogde interne weerstand hebben, maar die weerstand zal bij temperaturen boven nul nog niet zo groot zijn, maar stijgt ineens bij zeer lage temperaturen.

Bij alle accu's zal de interne weerstand toenemen bij een dalende temperatuur. Vandaar dat een ebike, escooter of EV een sterk verminderde actieradius heeft bij temperaturen onder het vriespunt.

Overgangs­weerstandsmeting

Wanneer je een elektrische installatie gaat bouwen waarbij je grote stromen verwacht, bijvoorbeeld 10 tot 500 Ampère (of meer), dan doe je er goed aan om de weerstand van iedere elektrische verbinding te meten.

Dit doe je omdat een slechte verbinding een spanningsverlies zal geven die zo groot is als I x R (stroom x weerstand). Stel dat je een accuverbinding hebt waarbij bij een accupool de verbinding een overgangsweerstand heeft van bijvoorbeeld 10 milliohm, dan zal bij een stroom van 50 Ampère over die verbinding een spanning vallen van: 50 x 0,01 = 0,5 Volt. Je moet dat spanningsverlies verdubbelen omdat de accu twee aansluitingen heeft (plus en min). Dus je raakt in dit voorbeeld al 1 Volt kwijt alleen al bij de accupoolaansluitingen.

Op zich is dit al héél vervelend, maar nog veel erger is dat deze verbinding enorm veel warmte zal produceren. Dat kan je uitrekenen met de formule P=I²xR. In dit voorbeeld is dat: 100 x 100 x 0,01 = 100 Watt. Deze enorme hoeveelheid warme kán leiden tot het smelten van de isolatie van de accukabel en mogelijk zelfs brand.

Dit is wel een extreem voorbeeld, maar helaas komt dit in de praktijk relatief veel voor. Het controleren van iedere elektrische verbinding, zoals de verbindingen bij een adereindhuls, krimpverbinding, accu, busbar, zekering en inverter / lader is zeer noodzakelijk als je: A. niet onnodig vermogen / energie kwijt wil raken en potentieel brandgevaar wil voorkomen.

Interne weerstand meten van een LFP accucel of LFP accu meten

Als je een LFP accu zelf bouwt of een LFP accu koopt, dan komt een milliohmmeter erg van pas. Het geeft je een indruk van de SOH van een accucel, of bij een accu van de SOH van de accu als geheel, maar ook of er mogelijk een probleem is met één of meerdere verbindingen tussen de accucellen.

Als het goed is specificeert de fabrikant de interne weerstand en die kan je met deze milliohmmeter controleren. Ter illustratie, een LFP accucel van zo'n 300 Ah heeft een interne weerstand van zo'n 0,2 milliohm. Als je zestien LFP cellen in serie plaatst (om een 51,2 Volt accu te maken) dan zal de interne weerstand van de cellen zo'n 16x0,2=3,2 milliohm zijn. Daar komen dan nog wel de overgangsweerstanden van alle verbindingen bij in de accu (busbars) én de weerstandswaarde van de busbars plus draden naar de accupolen. En als het goed is heb je een BMS en die heeft een weerstand in de orde grootte van 1 milliohm.

Als je accucellen gekocht hebt doe je er goed aan om bij ontvangst de interne weerstand van alle cellen te meten. Die moeten allemaal ongeveer gelijk zijn. Een flinke afwijking duid op een defect of gebruikte cel (dus met een lage SOH).

Een milliohm meter, zoals bijvoorbeeld de YR1035+, meet ook nauwkeurig kleine spanningen, dus je kan gelijk van iedere accucel de spanning meten. Die spanning zou bij ontvangst ook vrijwel overal gelijk zijn. Een paar millivolt afwijking is normaal.

Overigens, zoals reeds beschreven, meet een milliohm meter feitelijk geen weerstand maar de impedantie, de weerstandswaarde (in Ohm) bij een bepaalde frequentie. Internationaal wordt een frequentie gebruikt van 1 kHz voor het meten van bijvoorbeeld de interne weerstand van accu's.

Millivoltmeter

Doordat een milliohm meter feitelijk geen weerstand meet (dat doet hij indirect) maar de kleine spanning over een weerstand waar een kleine stroom doorheen vloeit, kan je deze meter ook gebruiken als spanningsmeter voor kleine spanningen. We doelen dan op spanningen in het millivolt bereik.

Zo kan je bijvoorbeeld de spanningsval meten over een zekering als daar een grote stroom doorheen vloeit of bijvoorbeeld de spanningsval over een busbarverbinding tussen twee accucellen als er een flinke stroom doorheen vloeit.

In plaats van de overgangsweerstand te meten, kan je ook de spanningsval meten bij een bepaalde stroom. Die spanningsval zegt iets over de kwaliteit van de verbinding (feitelijk meet je indirect de overgangsweerstand). Je hebt bij zo'n meting ook een stroommeter nodig, in de praktijk wordt een stroomtang gebruikt (of een shunt).

Batterijtester

Hoewel je deze milliohm meter daar waarschijnlijk niet voor gekocht hebt, kan je hem ook gebruiken om batterijen "door te meten", zoals een batterijtester dat doet.

Nou, eigenlijk doet deze het beter. Een normale batterijtester zal een bepaalde stroom laten vloeien tijdens de meting en dan meet men de spanning en daaruit geeft men dan de conditie van de batterij weer.

Een milliohm meter trekt uit de batterij geen stroom, maar meet de interne weerstand door een kleine stroom door de accu te sturen met een frequentie van 1 kHz. Door een nieuwe en een gebruikte batterij te meten, kan je een indruk krijgen van de "staat" van de batterij, hoever hij ontladen is.

Bij een batterij daalt tijdens het ontladen nauwelijks de spanning, maar stijgt de interne weerstand, en die zorgt tijdens belasting voor een verlaagde klemspanning.

Als voorbeeld, als je de interne weerstand van een 9 Volt batterij meet, dan zal dat ongeveer 1,5 Ohm zijn. We pakten twee oudere 9 Volt batterijen en daarbij was de interne weerstand 7,5 en 38,5 Ohm.

Je weet gelijk al wat de "oudste" (meest gebruikte/ontlaadde) batterij is, die van 38,5 Ohm. Want die kan maar een stroom produceren van I=U/R, I=9/38,5 dus 0,23 Ampère. Die andere oudere kan 9/7,5=1,2 Ampère leveren en een nieuwe 9 Volt batterij zelfs 9/1,5=6 Ampère (dit is een iets vereenvoudigde voorstelling van zaken maar voor de begripsvorming meer dan voldoende juist).

Je kan het ook ander stellen, bij een nieuwe 9 Volt batterij zal bij een stoomafname van 50 milliampère (0,05 Ampère) de spanning dalen met U=IxR, dus U = 0,05 x 1,5 dus U = 0,075 Volt, Dus daalt de spanning (bij een stroomafname van 10 mA) van 9 naar 8,925 Volt.

Bij die oude 9 Volt batterij met een interne weerstand van 38,5 Ohm, zal bij dezelfde stroom van 50 milliampère de spanning dalen met 0,05 x 38,5 = 1,925 Volt, dus dan geeft die 9 Volt batterij geen 9 Volt maar nog 7,075 Volt. Dat is mogelijk voor het apparaat waar die batterij in gebruikt wordt nét te laag en zal hij niet meer functioneren.

Bedenk wel dat hoe groter de stroom is, hoe lager de spanning zal zijn die de batterij af zal geven (door een grote spanningsval over de interne weerstand). Andersom ook natuurlijk, als je bij de oude batterij maar een stroom trekt van 10 milliAmpere (0,01 Ampère), dan daalt de spanning met maar 0,01 x 38,5 en dat is dus 0,385 Volt. Dus zakt de batterijspanning van 9 naar 8,615 Volt.