Емкость и внутреннее сопротивление li ion аккумулятора: Внутреннее сопротивление

Секреты качественных ячеек аккумулятора

Большинство аккумуляторов современных электровелосипедов собраны на основе литий-ионных ячеек типоразмера 18650. Это самый распространённый формат ячеек, что подтверждается также фактом их использования при сборке аккумуляторов некоторых электромобилей американской компании Tesla, в частности, для спортивного автомобиля Tesla Roadster.

Очевидно, что в составе аккумулятора для автомобиля стоимостью несколько миллионов используются самые качественные ячейки. Но как отличить оригинальные ячейки от подделок? Прежде чем попытаться ответить на этот вопрос, давайте разберёмся, откуда взялось название “18650” и что находится внутри ячейки.

Типоразмер 18650 и устройство ячейки

Формат 18650 получил столь широкое распространение благодаря тому, что из таких ячеек можно собрать аккумулятор практически любой конфигурации, и каждая из ячеек имеет собственный жёсткий корпус.

Название типоразмера “18650” содержит в себе размеры ячейки в миллиметрах – она имеет диаметр 18 мм и длину 65 мм.

Ячейка собрана в цилиндрическом металлическом корпусе, который представляет из себя минусовой контакт, и содержит набор гибких пластин – анод и катод, разделённые сеператорами и свёрнутые в рулон.

Со стороны плюсового контакта предусмотрен предохранительный клапан избыточного давления, который срабатывает в случае неполадки, например, при коротком замыкании. Это обеспечивает необходимый уровень безопасности при использовании таких ячеек.

Чем дорогие ячейки отличаются от дешёвых?

Чтобы собрать качественную надёжную батарею, которая прослужит долго и не потеряет значительную часть ёмкости в первый год эксплуатации, нужно быть уверенным, что она собрана из качественных ячеек.

Основными показателями качества ячеек можно считать следующие:

●      внутреннее сопротивление ячейки

●      максимальный ток заряда и разряда

●      ёмкость

●      отсутствие тока утечки

Внутреннее сопротивление ячейки определяет не только её способность отдавать высокие токи (то есть нагрузочную способность), но и то, насколько сильно она будет нагреваться при работе.

Чем ниже внутреннее сопротивление, тем лучше – тем легче она отдаёт ток и меньше греется. Ячейки с высоким внутренним сопротивлением даже при средних нагрузках достаточно сильно нагреваются, что приводит к их быстрой деградации и, как следствие, потере ёмкости.

Внутреннее сопротивление выражается в миллиомах (мОм). У качественных ячеек 18650 этот параметр находится в пределах 30 мОм. Например, в спецификации на ячейки LG HG2 указано значение “не более 20 мОм”.

Ячейки известных производителей, как правило, стоят дороже, так как обладают низким внутренним сопротивлением, отличаются высокой нагрузочной способностью и отсутствием тока утечки, а их реальная ёмкость равна или чуть больше заявленной.

Отсутствие тока утечки обеспечивает постоянство напряжения на её контактах с течением времени, а значит, ячейка при длительном хранении не разрядится ниже 2,5 В и не выйдет из строя. 

В спецификациях на ячейки также указывается максимальный ток заряда и разряда, который не приведёт к ускоренной деградации ячеек. . К примеру, для ячеек LG HG2 максимальный ток разряда равен 20 А, а максимальный ток заряда – 4 А. При этом стандартным током зарядка считается ток, равный половине ёмкости ячейки (0,5 С), то есть для нашего случая это 0,5 * 3000 = 1500 мА.

Чем выше максимальный ток разряда, тем более высокую мощность может отдавать ячейка. Такие высокотоковые ячейки рассчитаны на применение в аккумуляторах шуруповёртов, электронных сигарет и электровелосипедов. Ячейки, рассчитанные на низкие токи, используются в менее мощных устройствах, например, в велосипедных фонарях.

Ёмкость современных литий-ионных ячеек типоразмера 18650 варьируется в диапазоне от 2000 до 3600 мАч. Если вам встретилось предложение более высокой ёмкости в таком корпусе, скорее всего это не соответствует действительности, и на практике она окажется значительно ниже заявленной.

Для определения ёмкости в процессе заряда производители ячеек используют схему зарядки CC-CV (Constant Current – Constant Voltage), при которой ячейка сначала заряжается постоянным током, пока напряжение не дойдёт до верхнего порога (4,2 В), а затем это напряжение поддерживается, снижая зарядный ток. Зарядка прекращается в момент снижения тока до значения тока отсечки.

Аналогичная схема зарядки применяется в зарядных устройствах для литий-ионных аккумуляторов, в этом состоит их отличие от блока питания, который не рекомендуется использовать для этих целей.

При определении ёмкости на разряде, как правило, используется ток 0,2С (20% от ёмкости). Например, при тестировании ячеек LG HG2 ёмкостью 3000 мАч разряд производится током 600 мА до достижения нижнего порога напряжения на ячейке (2,5 В), при этом поддерживается температура 23 градуса по Цельсию.

 

Производители ячеек

Крупнейшими производителями ячеек 18650 на сегодняшний день являются компании LG, Panasonic (Sanyo), Samsung и Sony.

Самые распространённые ячейки от компании LG носят название LG HG2. Они имеют номинальную ёмкость 3000 мАч и внутреннее сопротивление менее 20 мОм (на фото слева). Из наиболее ёмких ячеек этого производителя хорошо известны LG MJ1 ёмкостью 3500 мАч (справа).

Хорошо известная каждому японская компания Panasonic входит в десятку крупнейших в мире производителей литий-ионных аккумуляторов, и изготавливает их, в том числе, для компании Tesla.

Panasonic в 2009 году объявила о слиянии с компанией Sanyo Electric Co, однако в продаже встречаются как ячейки с маркировкой Panasonic (на фото слева), так и с маркировкой Sanyo (справа). Они маркируются как NCR18650GA и имеют ёмкость 3450 мАч.

Компания Sony была первой, выпустившей литий-ионный аккумулятор в 1991 году по патенту японского учёного-химика Акира Ёсино.

В настоящее время в продаже имеются аккумуляторы VTC4, VTC5, VTC6 этого производителя. Оригинальные ячейки VTC4 маркируются как US18650VTC4, имеют ёмкость 2100 мАч и внутреннее сопротивление по даташиту 12 мОм, они изображены на следующем фото.

Среди литий-ионных ячеек от компании Samsung в настоящее время наиболее распространены модели 25R (полное название INR18650-25R, изображена на фото слева) и 30Q (справа).

Первая имеет ёмкость 2500 мАч, вторая – 3000 мАч.

Кроме перечисленных известных производителей существует множество других, преимущественно расположенных в Китае, среди которых встречаются не только те, кто производит ячейки под собственным брендом, но и те, кто подделывает ячейки известных производителей.

Качественные подделки во многих случаях довольно сложно отличить от оригинала по внешним признакам, но об этом мы более подробно поговорим чуть ниже.

Температура эксплуатации и хранения

При использовании батареи, собранной из некачественных ячеек, имеющих высокое внутреннее сопротивление, существует опасность её быстрой потери ёмкости. Этому могут способствовать две причины: деградация, вызванная высокой температурой, и разбалансировка батареи, то есть увеличение разброса напряжений между ячейками.

В спецификациях крупных производителей ячеек указываются диапазоны температур, в которых ячейки должны эксплуатироваться. К примеру ячейки LG HG2 должны заряжаться в диапазоне от 0 до +50 градусов, а разряжаться – в диапазоне от -20 до +75.

При приближении к граничным значениям температур, скорость деградации ячеек будет увеличиваться.

При хранении ячеек, в том числе в процессе транспортировки от производителя к потребителю, также необходимо соблюдение температурного режима, причём чем больше срок хранения, тем уже допустимый температурный диапазон.

Например, в спецификациях на ячейки LG HG2 указано, что хранение в течение одного месяца допускается при температуре от -20 до +60 градусов, в течение 3 месяцев – от -20 до +45, а в течение года – от -20 до +20 градусов.

Что такое BMS

Литий-ионные ячейки работают в диапазоне от 2,5 В (иногда от 3 В) до 4,2 В. Если их разрядить ниже 2,5 В и оставить на длительное время, начнётся процесс ускоренной деградации, и соответственно, потеря ёмкости. Аналогичный результат получается и при заряде ячеек выше верхнего значения (4,2 В).

 

Для исключения таких ситуаций используется BMS (Battery Management System), или система управления батареей. Это плата, которая устанавливается в батарею и следит за тем, чтобы напряжения на ячейках были в нужном диапазоне.

Кроме того, BMS прекращает процесс заряда батареи как только на одной из ячеек напряжение достигло верхнего значения (4,2 В), а также отключает нагрузку при достижении нижнего порога (2,5 В или 3 В) на любой из ячеек. 

Большинство современных BMS имеют функцию балансировки – выравнивания напряжения на ячейках путём шунтирования ячеек с максимальным напряжением в процессе зарядки. Это позволяет избежать значительной потери ёмкости при использовании ячеек среднего и низкого качества.

Для реализации функции включения/выключения батареи, на многих BMS предусмотрен отдельный вывод – два провода, которые подключаются к замку или кнопке на корпусе батареи.

Сборка батареи из ячеек 18650

Перед сборкой батареи необходимо определиться со схемой сборки, которая зависит от того, на какое рабочее напряжение должна быть батарея, и какую иметь ёмкость.

Схема сборки в общем смысле обозначается формулой aSbP, где a – количество блоков ячеек, соединённых последовательно (S – serial), b – количество параллельно соединённых ячеек внутри одного блока (P – parallel).

Номинальное напряжение батареи определяется как номинальное напряжение одной ячейки, умноженное на значение “а”. Ёмкость батареи определяется как ёмкость одной ячейки, умноженная на значение “b”. Например, батарея, собранная по схеме 10S5P из литий-ионных ячеек типоразмера 18650 ёмкостью 2500 мАч, будет иметь номинальное напряжение 36 В (3,6 В * 10) и ёмкость 12,5 Ач (2,5 Ач * 5).

В зависимости от схемы сборки и необходимой нагрузочной способности (мощности) батареи, подбирается соответствующая BMS. Существуют BMS с общим портом, когда заряд и разряд батареи выполняется через один и тот же разъём, и BMS с раздельным портом, когда используются разные разъёмы. Для наглядности, схемы подключения указанных видов BMS представлены на схеме.

Сборка батареи выполняется в соответствии с разработанной схемой. Сначала ячейки набираются в холдеры (пластиковые разделители), а затем контакты соединяются с использованием точечной сварки, которая обеспечивает необходимое качество соединения и, в отличие от пайки, позволяет не перегреть ячейки.

К полученным блокам припаиваются балансировочные провода и силовые выводы, которые подключаются к BMS. После сборки батарея тестируется на ёмкость и упаковывается

Как отличить качественные ячейки от подделки

Если заглянуть в спецификации к ячейкам 18650 крупных производителей, можно заметить, что большинство из них весит 45-50 грамм. Как ни странно, вес является одним из тех параметров, по которому можно определить подлинность ячеек.

Другим критерием может служить внешний вид – в сети довольно большое количество визуальных сравнений оригинальных ячеек с подделками и перечень выявленных отличий.

Кроме того, оригинальные ячейки в большинстве случаев стоят дороже неоригинальных, поэтому подозрительно низкая цена должна вас насторожить.

При заказе в онлайн-магазине вряд ли у Вас будет возможность проверить подлинность ячеек по внешнему виду на фотографиях, впрочем, как и по весу. В таких случаях может помочь наличие положительных отзывов людей, которые постоянно приобретают ячейки в конкретном магазине, и успели удостовериться в их качестве.

В магазине 5КИЛОВАТТ продаются аккумуляторные батареи построенные исключительно на качественных элементах питания производителей Panasonic и LG.

Используя эти аккумуляторы вы можете быть уверены в их надежности, долговечности и практичности.

 

Автор статьи: Евгений Бегин

замеряем емкость и внутреннее сопротивление

Содержание

1. Как узнать фактическую емкость аккумулятора 18650
2. Визуально по маркировке
3. Зарядкой известным током
4. Интеллектуальным зарядным устройством типа Liitokala Lii-500
5. Тестер емкости
6. На что влияет внутреннее сопротивление аккумуляторов
7. Как проверить внутреннее сопротивление 18650
8. Амперметром
9. Приборами для измерения сопротивления типа YR1035
10. Электронными нагрузками-анализаторами типа ZKE EBC-A20H
11. Ответы на популярные вопросы

Емкость аккумулятора – один из его важнейших параметров, характеризующий способность источника тока запасать энергию. В процессе эксплуатации емкость меняется вследствие снижения ресурса и естественной деградации. В некоторых случаях требуется определить реальные параметры аккумулятора, существующие на конкретный момент времени.

Как узнать фактическую емкость аккумулятора 18650

Перезаряжаемые элементы типоразмера 18650 широко распространены и применяются для питания автономных устройств. Узнать их реальную емкость можно с помощью различных методик, но они должны предусматривать полный цикл заряда или разряда.

Визуально по маркировке

При покупке элемента питания покупатель ориентируется на емкость, указанную продавцом. Этот параметр наносится на корпус источника или на упаковку крупными символами.

Упаковка литий-ионного аккумулятора емкостью 2500 мА*ч

К сожалению, этот способ достоверен только для новых элементов, не бывших в эксплуатации и не хранившихся в течение долгого времени. К тому же доверять можно декларациям только проверенных производителей, дорожащих своей репутацией. Малоизвестные изготовители (особенно, из Юго-Восточной Азии) часто заявляют завышенные характеристики своих изделий. Отсюда в продаже появляются элементы с «емкостью» в 15000 мА*ч и даже в 30000 мА*ч.

Элементы с заявленной емкостью 15000 мА*Ч

Используемые на текущий момент технологии не позволяют в габаритах 18650 выпускать аккумуляторы емкостью выше 4500..5000 мА*ч. На эту цифру и надо ориентироваться при выборе в качестве максимальной.

Зарядкой известным током

Самый достоверный (а точнее – единственный достоверный) способ проверить реальную емкость аккумулятора 18650, как и любого другого возобновляемого элемента – провести контрольный разряд заданным током. Например, если разряд производится током 500 мА и продолжается 6 часов, то фактическую емкость можно рассчитать, как 500*6=3000 мА*ч.

Чтобы провести такой замер, потребуются:

• амперметр;
• вольтметр;
• нагрузка с известным сопротивлением.

В качестве нагрузки удобно использовать лампочку накаливания на соответствующее напряжение (или несколько, чтобы создать достаточный ток), которая служит определенным стабилизатором тока. В качестве амперметра и вольтметра можно использовать один мультиметр, переключая его то в один режим, то в другой.

Схема контрольной разрядки элемента питания

Если есть источник питания со стабилизированным током, можно использовать обратный метод – зарядка стабильным током. В этом случае нагрузка не нужна. Аккумулятор надо разрядить до нуля, а потом зарядить известным током, который будет иметь одну и ту же величину в течение всего процесса. Надо засечь время зарядки от 0% до 100%, а по окончании посчитать емкость по формуле С=t*I, где:

• С – фактическая емкость, мА*ч;
• t – время заряда в часах;
• I – ток в миллиамперах.

Этот способ точнее предыдущего, потому что при разряде очень трудно обеспечить неизменность тока в нагрузку. Следует помнить, что емкость зависит от тока разряда (заряда), поэтому будет разница при замерах, выполненных при разном токе (чем меньше ток, тем больше емкость и наоборот).

Интеллектуальным зарядным устройством типа Liitokala Lii-500

Чтобы не подбирать элементы для сборки схемы, можно воспользоваться «умным» зарядным устройством. Многие пользователи хорошо отзываются о заряднике Liitokala Lii-500. Он заряжает батареи стабилизированным током (можно выбрать от 300 до 1000 мА).

Тестирование батарей с помощью прибора Liitokala Lii-500

Для определения фактической емкости аккумуляторов можно выбрать быстрый тест или длительный тест. Быстрый тест подразумевает разряд до нулевого уровня с последующим полным зарядом, во время которого замеряется фактическая емкость. При длительном тестировании производится еще и контрольный разряд.

Тестер емкости

Существуют и другие тестеры емкости, с помощью которых можно определить параметры и проверить на работоспособность аккумуляторы различного типа. Надо лишь обратить внимание на методику измерения. Некоторые из них не проводят полный цикл зарядки и разрядки, а в ускоренном порядке вычисляют емкость по алгоритму известному лишь производителям. Достоверность таких измерений невелика.

В видео: Проверенный способ проверки невысокотоковых 18650

На что влияет внутреннее сопротивление аккумуляторов

Любой аккумулятор, как источник тока, обладает таким параметром, как внутреннее сопротивление. Условно его можно представить, как резистор внутри элемента, включенный последовательно с внешней нагрузкой. На этом условном резисторе падает часть напряжения электрохимического источника и теряется часть мощности (согласно закону Ома для полной цепи).

Схема полной цепи с учетом внутреннего сопротивления

Чем больше внутреннее сопротивление, тем больше нагрузка влияет на выходное напряжение аккумулятора. Чем больше ток, тем меньше выходное напряжение на клеммах элемента – его остаток падает на внутреннем сопротивлении. Значит, снижается токоотдача аккумулятора (и его мощность, что в первом приближении одно и то же).

Внутреннее сопротивление и емкость довольно связаны между собой, так как они, в целом, определяются одними и теми же процессами в аккумуляторе. Когда снижается емкость, увеличивается внутреннее сопротивление и падает отдача тока. Но однозначно оценить емкость по внутреннему сопротивлению нельзя, так как этот параметр завсит и от других условий (температуры, уровня заряда и т.п), причем более старые аккумуляторы более чувствительны к температуре. По внутреннему сопротивлению можно провести первичную диагностику (это быстрее, чем делать КТЦ) элемента или отобрать одинаковые аккумуляторы по остаточному ресурсу.

Читайте также

Как тестером замерять сопротивление

 

Как проверить внутреннее сопротивление 18650

Проверка внутреннего сопротивления позволяет оценить общее состояние элемента питания. Эта характеристика не столь достоверна, как замер емкости. Ее замер служит, скорее, поводом для принятия решения о дальнейшем полном тестировании аккумулятора. Зато она проводится в течение нескольких секунд, а не часов, в отличие от контрольного разряда.

Амперметром

Схема проверки внутреннего сопротивления

Чтобы измерить внутреннее сопротивление батареи, надо:

• измерить напряжение E на выводах батареи при отсутствии нагрузки – это напряжение примерно равно ЭДС элемента;
• собрать схему измерения, показанную на рисунке (на ней внутреннее сопротивление r условно показано в виде резистора, подключенного внутри элемента к его выводам).

Схема похожа на схему для контрольного разряда, но нагрузку надо подобрать так, чтобы ток составлял не менее половины от предполагаемой емкости элемента (а лучше еще больше). Ток можно не замерять, а определить расчетным способом, зная мощность нагрузки: I=P/U, где P – мощность лампочек в ваттах, а U – напряжение под нагрузкой. Но лучше всего померить, так точнее.

Заявленные и фактические параметры лампочки не всегда совпадают (хотя бы из-за существования разброса характеристик), да и мощность указывается для номинального напряжения, при котором нить разогревается до рабочего состояния.

Для измерения достаточно 2-3 секунд. Искомая величина рассчитывается по формуле r=E/I-R, где:

• I – измеренный ток;
• E – ЭДС аккумулятора;
• R – сопротивление нагрузки.

Последнюю характеристику можно посчитать, как R=U/I, где U – напряжение под нагрузкой. Или сразу считать r=(E-U)/I.

Тестером измерять сопротивление лампочек не стоит – сопротивление нагретой нити всегда больше сопротивления холодной.

Приборами для измерения сопротивления типа YR1035

Для тех, кто постоянно занимается диагностикой аккумуляторов, есть смысл приобрести специальный тестер. Популярностью пользуется прибор YR1035. Он позволяет быстро измерять внутреннее сопротивление аккумуляторов различных типов. Для подключения устройство комплектуется разными видами щупов и универсальным холдером для цилиндрических элементов.

Перед началом проверки надо замкнуть щупы тестера между собой. Если на дисплее показания отличаются от нуля, надо провести калибровку – при замкнутых щупах нажать кнопку Range R. Индицируемое значение должно сброситься в ноль.

Дальше надо поместить аккумулятор в холдер или просто подключить к нему щупы. Тестер измерит значение внутреннего сопротивления элемента и выведет его на дисплей.

Кроме этого, у прибора есть сервисные функции – хранение результатов, сортировка протестированных аккумуляторов по значению и т.п.

Рекомендуем ознакомиться: Как выбирать 18650 для шуруповерта

Электронными нагрузками-анализаторами типа ZKE EBC-A20H

Вместо лампочки и амперметра с вольтметром можно использовать специализированные приборы, представляющие собой электронные нагрузки. Они умеют выполнять диагностику аккумуляторов, включая тесты емкости и измерение внутреннего сопротивления элемента. Для этого всего лишь надо подключить батарею к щупам прибора и нажать кнопку начала измерения. Все остальное тестер сделает сам, а результаты выведет на дисплей. Таков, например, прибор EBC-A20H от известного производителя ZKE.

Измерение параметров аккумулятора 18650 с помощью прибора EBC-A20

Это устройство может работать как автономно, так и в связке с компьютером. В этом случае добавляются возможности построения графиков и т.п.

Разрядные кривые, построенные программным обеспечением устройства EBC-A20

Ответы на популярные вопросы

Минимальная и максимальная емкость новых АКБ типа 18650

Батареи лучших производителей имеют наибольшую емкость не более 5000 мА*ч. На сегодняшний день для литий-ионных технологий это максимум. Емкость аккумуляторов среднего ценового сегмента обычно не превышает 3500 мА*ч. Эти цифры являются ориентирами – все, что выше этого уровня – на совести маркетологов.

С другой стороны, в продаже редко встречаются батареи с заявленной емкостью ниже 1000 мА*ч. Здесь технологических ограничений нет, просто выпускать батареи с меньшими параметрами нет технического смысла.

Можно ли измерить емкость 18650 мультиметром?

Можно измерить емкость элемента мультиметром, но для этого потребуется еще либо нагрузка с известным сопротивлением (потребляемой мощностью на номинальном напряжении), либо зарядное устройство, выдающее стабилизированный ток. Также потребуется таймер. Время полного заряда/разряда в часах, умноженное на ток в миллиамперах, даст фактическую емкость элемента.

Какое внутреннего сопротивления аккумулятора 18650 можно считать нормой?

Нормой считается, если элемент 18650 имеет внутреннее сопротивление 13. .15 мОм. Но надо понимать, что этот параметр зависит от многих сторонних факторов (например, от температуры, уровня заряда и т.п.). По этой причине производители редко приводят нормальное значение в сопроводительной литературе. По итогам домашних замеров нельзя однозначно определить пригодность аккумулятора для дальнейшей эксплуатации, поэтому на эту цифру можно лишь ориентироваться.

Как внутреннее сопротивление влияет на производительность?

С переходом от аналогового к цифровому аккумулятору предъявляются новые требования. В отличие от аналоговых портативных устройств, потребляющих постоянный ток, цифровое оборудование заряжает батарею короткими сильными скачками тока.

Одним из неотложных требований к аккумулятору для цифровых приложений является низкое внутреннее сопротивление. Внутреннее сопротивление, измеряемое в миллиомах, является привратником, который в значительной степени определяет время работы. Чем ниже сопротивление, тем меньше ограничений испытывает батарея при обеспечении необходимых скачков мощности. Высокое показание мВт может вызвать раннюю индикацию «разряженной батареи» на, казалось бы, хорошей батарее, потому что доступная энергия не может быть доставлена ​​требуемым образом и остается в батарее

На рис. 1 показаны характеристики напряжения и соответствующее время работы батареи с низким, средним и высоким внутренним сопротивлением при подключении к цифровой нагрузке. Подобно мягкому мячику, легко деформирующемуся при сдавливании, напряжение аккумулятора с высоким внутренним сопротивлением модулирует напряжение питания и оставляет провалы, отражая импульсы нагрузки. Эти импульсы подталкивают напряжение к концу линии разряда, что приводит к преждевременному отключению. Как видно из графика, внутреннее сопротивление определяет большую часть времени работы.

Рис. 1: Кривая разряда при импульсной нагрузке с различным внутренним сопротивлением. На этой диаграмме показано время работы 3 аккумуляторов одинаковой емкости, но с разным внутренним сопротивлением.

Время разговора как функция внутреннего сопротивления

В рамках текущих исследований по измерению времени работы аккумуляторов с различными уровнями внутреннего сопротивления Cadex Electronics проверила несколько аккумуляторов сотовых телефонов, которые некоторое время находились в эксплуатации. Все батареи были одинаковыми по размеру и давали хорошие показания емкости при проверке с помощью анализатора батарей при постоянной разрядной нагрузке. Никель-кадмиевая батарея показала емкость 113 %, никель-металлогидридная — 107 %, а литий-ионная — 9 %.4%. Внутреннее сопротивление варьировалось в широких пределах и составляло 155 мОм для никель-кадмиевых, высокое 778 мОм для никель-металлогидридных и умеренные 320 мОм для литий-ионных. Эти показания внутреннего сопротивления типичны для стареющих батарей с таким химическим составом.

Теперь давайте проверим, как тестовые аккумуляторы ведут себя на сотовом телефоне. Максимальный импульсный ток сотовых телефонов GSM (глобальная система мобильной связи) составляет 2,5 ампера. Это представляет собой большой ток от относительно небольшой батареи емкостью около 800 миллиампер (мАч). Импульс тока в 2,4 ампера от аккумулятора емкостью 800 мАч, например, соответствует C-скорости 3C. Это в три раза больше текущего номинала батареи. Такие импульсы высокого тока могут быть доставлены только в том случае, если внутреннее сопротивление батареи низкое.

На рисунках 2, 3 и 4 показано время разговора трех батарей при смоделированном токе GSM 1C, 2C и 3C. Видна прямая зависимость между внутренним сопротивлением батареи и временем разговора. никель-кадмиевые показали себя лучше всего в данных обстоятельствах и обеспечили время разговора 120 минут при разряде 3C (оранжевая линия). никель-металл-гидрид работал только при 1C (синяя линия) и не работал при 3C. литий-ионный позволял умеренное время разговора 50 минут при 3C.

Рисунок 2: Разряд и результирующее время разговора никель-кадмия на 1С, 2С и 3С по графику нагрузки GSM. Тестируемый аккумулятор имеет емкость 113%, внутреннее сопротивление невелико – 155 мОм. Рис. 3: Разрядка и результирующее время разговора никель-металлгидридного на 1C, 2C и 3C по графику нагрузки GSM. Тестируемый аккумулятор имеет емкость 107%, внутреннее сопротивление высокое 778 мОм. Рисунок 4: Разрядка и итоговое время разговора литий-ионной батареи при 1C, 2C и 3C по графику нагрузки GSM. Протестированная батарея имеет емкость 94%, внутреннее сопротивление 320 мОм.

Внутреннее сопротивление в зависимости от уровня заряда

Внутреннее сопротивление зависит от уровня заряда батареи. Наибольшие изменения заметны на батареях на основе никеля. На рисунке 5 мы наблюдаем внутреннее сопротивление никель-металлогидридного аккумулятора в пустом состоянии, во время зарядки, при полной зарядке и после 4-часового периода покоя.
Уровни сопротивления самые высокие при низком уровне заряда и сразу после зарядки. Вопреки распространенному мнению, наилучшая производительность батареи достигается не сразу после полной зарядки, а после периода отдыха в несколько часов. Во время разряда внутреннее сопротивление батареи уменьшается, достигает наименьшего значения при половинном заряде и снова начинает расти (пунктирная линия).

Рис. 5: Внутреннее сопротивление в никель-металлгидридном исполнении. Обратите внимание на более высокие показания сразу после полной разрядки и полной зарядки. Отдых батареи перед использованием дает наилучшие результаты. Ссылки: Shukla et al. 1998. Родригес и др. 1999.

Внутреннее сопротивление литий-ионного аккумулятора практически одинаково от пустого до полного заряда. Батарея асимптотически уменьшается с 270 мВт при 0% до 250 мВт при 70% заряда. Наибольшие изменения происходят между 0% и 30% SoC.

Сопротивление свинцово-кислотных батарей увеличивается при разряде. Это изменение вызвано уменьшением удельного веса, истощением электролита по мере того, как он становится более водянистым. Увеличение сопротивления почти линейно с уменьшением удельного веса. Остальные несколько часов частично восстановят батарею, так как сульфат-ионы могут восполниться сами. Изменение сопротивления между полным зарядом и разрядом составляет около 40%. Низкая температура увеличивает внутреннее сопротивление всех аккумуляторов и добавляет примерно 50% в диапазоне от +30°C до -18°C для свинцово-кислотных аккумуляторов. На рис. 6 показано увеличение внутреннего сопротивления гелевой свинцово-кислотной батареи, используемой для инвалидных колясок.

Рис. 6: Типичные значения внутреннего сопротивления свинцово-кислотного аккумулятора для инвалидных колясок. Аккумулятор разрядился от полного заряда до 10,50В. Показания снимались при напряжении холостого хода (OCV).
Источник: Аккумуляторные лаборатории Cadex.

Аккумуляторы в портативном мире

Материал по Battery University основан на незаменимом новом 4-м издании « Аккумуляторы в портативном мире — справочник по перезаряжаемым батареям для не инженеров» “, который можно заказать на Amazon. com.

BU-802a: Как повышение внутреннего сопротивления влияет на производительность? Сопротивление. Измеряемое в миллиомах (мОм), сопротивление является привратником аккумулятора; чем ниже сопротивление, тем меньше ограничений испытывает аккумулятор. Это особенно важно при тяжелых нагрузках, таких как электроинструменты и электрические силовые агрегаты. Высокое сопротивление приводит к тому, что аккумулятор нагревается и напряжение падает под нагрузкой, вызывая преждевременное отключение

На рис. 1 показана батарея с низким внутренним сопротивлением в виде безнапорного отвода против батареи с повышенным сопротивлением, в которой отвод ограничен.

Низкое сопротивление, обеспечивает высокий ток по запросу; батарея остается прохладной.

Высокое сопротивление, ток ограничен, напряжение падает под нагрузкой; батарея греется.

Рисунок 1: Влияние внутреннего сопротивления батареи. Аккумулятор с низким внутренним сопротивлением обеспечивает высокий ток по запросу. Высокое сопротивление вызывает нагрев батареи и падение напряжения. Оборудование отключается, оставляя энергию позади.

Свинцово-кислотная батарея имеет очень низкое внутреннее сопротивление, поэтому батарея хорошо реагирует на скачки тока, которые длятся несколько секунд. Однако из-за присущей ей медлительности свинцово-кислотные плохо работают при длительном сильноточном разряде; батарея быстро устает и нуждается в отдыхе для восстановления. Некоторая медлительность проявляется у всех аккумуляторов в разной степени, но особенно выражена она у свинцово-кислотных. Это намекает на то, что подача энергии основана не только на внутреннем сопротивлении, но и на реакции химии, а также на температуре. В этом отношении технологии на основе никеля и лития более чувствительны, чем свинцово-кислотные.

Сульфатация и коррозия решетки являются основными причинами повышения внутреннего сопротивления при использовании свинцово-кислотного. Температура также влияет на сопротивление; тепло понижает его, а холод повышает. Нагрев батареи на мгновение снизит внутреннее сопротивление, чтобы обеспечить дополнительное время работы. Это, однако, не восстанавливает батарею и добавит кратковременную нагрузку.

Кристаллическое образование, также известное как «память», способствует внутреннему сопротивлению в батареях на основе никеля. Это часто можно исправить с помощью глубокого цикла. Внутреннее сопротивление литий-ионных аккумуляторов также увеличивается с использованием и старением, но улучшения были сделаны с помощью добавок к электролиту, чтобы держать под контролем образование пленки на электродах. (См. BU-808b: Что заставляет литий-ионные аккумуляторы умирать?) Со всеми батареями SoC влияет на внутреннее сопротивление. Литий-ион имеет более высокое сопротивление при полном заряде и в конце разряда с большой плоской областью низкого сопротивления в середине.

Щелочные, угольно-цинковые и большинство первичных батарей имеют относительно высокое внутреннее сопротивление, что ограничивает их использование слаботочными устройствами, такими как фонарики, пульты дистанционного управления, портативные развлекательные устройства и кухонные часы. По мере того, как эти батареи разряжаются, сопротивление увеличивается еще больше. Это объясняет относительно короткое время работы при использовании обычных щелочных элементов в цифровых камерах.

Для определения внутреннего сопротивления батареи используются два метода: постоянный ток (DC) путем измерения падения напряжения при заданном токе и переменный ток (AC), при котором учитывается реактивное сопротивление. При измерении реактивного устройства, такого как батарея, значения сопротивления сильно различаются между методами испытаний постоянным и переменным током, но ни одно из показаний не является правильным или неправильным. Показания постоянного тока учитывают чистое сопротивление (R) и дают верные результаты для нагрузки постоянного тока, такой как нагревательный элемент. Показания переменного тока включают реактивные компоненты и обеспечивают импеданс (Z). Импеданс обеспечивает реалистичные результаты для цифровой нагрузки, такой как мобильный телефон или индуктивный двигатель. ( См. БУ-902: Как измерить внутреннее сопротивление )

На рис. 2 показано внутреннее сопротивление литий-ионного элемента 18650 после 1000 полных циклов при 40ºC (104ºF). Показания переменного тока в зеленой рамке не отражают истинное сопротивление батареи; Метод постоянного тока обеспечивает более надежные данные о производительности при нагрузке.

Рис. 2. Рост внутреннего сопротивления литий-ионного элемента 18650, измеренный методами переменного и постоянного тока при циклировании ^[1]
Показания сопротивления переменному току в зеленой рамке остаются низкими; Метод DC дает истинное состояние.

Сопротивление пакета

Внутреннее сопротивление батареи состоит не только из элементов, но также включает соединения, предохранители, защитные цепи и проводку. В большинстве случаев эти периферийные устройства более чем в два раза превышают внутреннее сопротивление и могут фальсифицировать методы экспресс-тестирования. Типичные показания одного аккумулятора для мобильного телефона и многоэлементного аккумулятора для электроинструмента показаны ниже.

Internal Resistance of a Mobile Phone Battery ^[2] 71

Cell, single, high capacity prismatic	50mΩ	subject to increase with age
Connection, welded	1mΩ
Позистор, приваренный к кабелю, ячейка	25 мОм	18–30 мОм в соответствии со спецификацией
Схема защиты, печатная плата	50 мОм
Общее внутреннее сопротивление	ок. 130mΩ

Internal Resistance of a Power Pack for Power Tools ^[2]

Cells 2P4S at 2Ah/cell,	18mΩ	subject to increase with age
Соединение, сварное, каждое	0,1 мОм
Цепь защиты, печатная плата	10 мОм
Общее внутреннее сопротивление	ок. 80 мОм

На рисунках 3, 4 и 5 показано время работы трех аккумуляторов с одинаковыми Ач и емкостью, но с разным внутренним сопротивлением при разряде при 1C, 2C и 3C. Графики демонстрируют важность поддержания низкого внутреннего сопротивления, особенно при более высоких разрядных токах. Тестовая батарея NiCd имеет сопротивление 155 мОм, NiMH — 778 мОм, а литий-ионная — 320 мОм. Это типичные резистивные показания старых, но все еще функциональных аккумуляторов. (См. BU-208: Циклические характеристики), демонстрирующий взаимосвязь емкости, внутреннего сопротивления и саморазряда.)

Рис. 3: Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3C с результирующим временем разговора ^[3]
Емкость NiCd батареи составляет 113%; внутреннее сопротивление 155мОм. Пакет 7,2В. Рис. 4. Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3°C и результирующее время разговора ^[3]
Емкость NiMH-батареи составляет 94%, внутреннее сопротивление составляет 778 мОм.