Внутреннее сопротивление и его влияние на производительность аккумуляторов
Емкость сама по себе имеет ограниченное применение, если аккумулятор не может эффективно отдавать накопленную энергию; аккумулятор также нуждается в низком внутреннем сопротивлении. Сопротивление, измеряемое в миллиомах (мОм), является ключевым для аккумулятора; чем ниже сопротивление, тем меньше ограничений испытывает аккумулятор. Это особенно важно для тяжелых нагрузок, таких как электроинструменты и электрические силовые агрегаты. Высокое сопротивление приводит к нагреву аккумулятора и падению напряжения под нагрузкой, что вызывает преждевременное отключение.
Низкое сопротивление обеспечивает высокий ток по мере необходимости, аккумулятор остается холодным.
Высокое сопротивление, ток ограничен, напряжение падает под нагрузкой; аккумулятор нагревается.
Рисунок 1: Влияние внутреннего сопротивления батареи.
Аккумулятор с низким внутренним сопротивлением обеспечивает высокий ток по мере необходимости. Высокое сопротивление приводит к нагреву аккумулятора и падению напряжения. Оборудование отключается, оставляя энергию.
Особенности свинцово-кислотных аккумуляторов
Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление, и аккумулятор хорошо реагирует на высокие токовые всплески, которые длятся несколько секунд. Однако из-за присущей им медлительности, свинцово-кислотные аккумуляторы плохо справляются с длительным разрядом высоким током; аккумулятор быстро устает и нуждается в отдыхе для восстановления. Некоторая медлительность наблюдается во всех аккумуляторах в разной степени, но она особенно выражена у свинцово-кислотных. Это намекает на то, что подача энергии базируется не только на внутреннем сопротивлении, но и на чувствительности химического состава, а также температуры. В этом отношении технологии на основе никеля и лития более чувствительны, чем свинцово-кислотные.
Свинцово-кислотные аккумуляторы AGM/GEL
Надежные свинцово-кислотные аккумуляторы для максимальной эффективности работы
Аккумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle
Является идеальным выбором для применений, требующих надежного, долговечного и глубоко разрядного источника питания
Купить
Аккумулятор Victron AGM Super Cycle 12V 125Ah (M8)
Благодаря технологиям электрохимии, этот аккумулятор выдерживает до 300 циклов разряда до 100%, что делает его отличным решением для автономных электрических систем
Купить
AGM аккумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Ач)
AGM VRLA батарея с высоким током разряда, специально разработанная для критических нагрузок в системах ИБП, телекоммуникациях и энергетике
КупитьФакторы влияния на внутреннее сопротивление
Сульфатация и коррозия решетки являются основными факторами, способствующими повышению внутреннего сопротивления свинцово-кислотных аккумуляторов. Температура также влияет на сопротивление; тепло снижает его, а холод повышает. Нагрев аккумулятора временно снизит внутреннее сопротивление, обеспечивая дополнительное время работы. Однако это не восстанавливает аккумулятор и добавит временную нагрузку.
Кристаллическое образование, также известное как «память», способствует внутреннему сопротивлению в никелевых аккумуляторах. Это часто можно устранить с помощью глубокого цикла разрядки/зарядки. Внутреннее сопротивление литий-ионных аккумуляторов также увеличивается с использованием и старением, но были внесены улучшения с помощью добавок в электролит, чтобы контролировать накопление пленок на электродах. Во всех аккумуляторах состояние заряда (SoC) влияет на внутреннее сопротивление. Литий-ионные аккумуляторы имеют более высокое сопротивление при полном заряде и в конце разряда с большой плоской областью низкого сопротивления посередине.
Внутреннее сопротивление первичных батареек
Щелочные, углеродно-цинковые и большинство первичных батареек имеют относительно высокое внутреннее сопротивление, что ограничивает их использование только низкотоковыми устройствами, такими как фонарики, пульты дистанционного управления, портативные развлекательные устройства и кухонные часы. По мере разряда этих батареек сопротивление еще больше возрастает. Это объясняет относительно короткое время работы обычных щелочных элементов в цифровых камерах.
Методы измерения внутреннего сопротивления
Для измерения внутреннего сопротивления батареи используются два метода: постоянный ток (DC) путем измерения падения напряжения при заданном токе, и переменный ток (AC), который учитывает реактивное сопротивление. При измерении реактивного устройства, такого как батарея, значения сопротивления значительно отличаются между методами испытаний постоянным и переменным током, но ни один из них не является правильным или неправильным. Показатель постоянного тока учитывает чистое сопротивление (R) и предоставляет достоверные результаты для нагрузки постоянного тока, такой как нагревательный элемент. Показатель переменного тока включает реактивные составляющие и предоставляет импеданс (Z). Импеданс предоставляет реалистичные результаты для цифровой нагрузки, такой как мобильный телефон или индуктивный двигатель.
Внутреннее сопротивление литий-ионных элементов
На рисунке 2 показано внутреннее сопротивление литий-ионного элемента 18650 после 1000 полных циклов разрядки-зарядки при температуре 40°C (104°F). Показатели переменного тока в зеленой рамке не отражают истинного резистивного состояния аккумулятора; метод постоянного тока обеспечивает более надежные данные о производительности с нагрузкой.
Рисунок 2: Рост внутреннего сопротивления литий-ионного элемента 18650, измеренное методами переменного и постоянного тока при циклической разрядке
Показатели сопротивления переменного тока в зеленой рамке остаются низкими; метод постоянного тока показывает истинное состояние.
Аккумуляторы LiFePO4
Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)
Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.
Купить
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки
Купить
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy
КупитьСопротивление упаковки и соединений
Внутреннее сопротивление аккумулятора состоит не только из элементов, но и из соединений, предохранителей, защитных цепей и проводки. В большинстве случаев эти периферийные устройства более чем вдвое превышают внутреннее сопротивление и могут исказить результаты быстрых методов тестирования. Типичные показатели блока элементов с одним элементом для мобильного телефона и многоэлементного аккумулятора для электроинструмента приведены ниже.
Примеры внутреннего сопротивления и влияние на время работы
Внутреннее сопротивление аккумулятора мобильного телефона
| Компонент | Сопротивление | Примечание |
|---|---|---|
| Ячейка, одиночная, призматическая высокой емкости | 50 мОм | Склонен к увеличению с возрастом |
| Соединение, сварное | 1 мОм | — |
| PTC, приваренный к кабелю, ячейка | 25 мОм | 18–30 мОм согласно спецификации |
| Схема защиты, печатная плата | 50 мОм | — |
| Общее внутреннее сопротивление | ≈130 мОм | — |
Внутреннее сопротивление блока питания для электроинструментов
| Компонент | Сопротивление | Примечание |
|---|---|---|
| Аккумуляторы 2P4S по 2 Ач/элемент | 18 мОм | Склонен к увеличению с возрастом |
| Соединение, сварное, каждое | 0,1 мОм | — |
| Схема защиты, печатная плата | 10 мОм | — |
| Общее внутреннее сопротивление | ≈80 мОм | — |
На рисунках 3, 4 и 5 показано время работы трех аккумуляторов с подобной емкостью в Ач и различным внутренним сопротивлением при разряде 1 C, 2 C и 3 C. Графики демонстрируют важность поддержания низкого внутреннего сопротивления, особенно при более высоких токах разряда. Тестовый NiCd аккумулятор имеет сопротивление 155 мОм, NiMH – 778 мОм, а Li-ion – 320 мОм. Это типичные показатели сопротивления для старых, но все еще функциональных аккумуляторов, что демонстрирует взаимосвязь между емкостью, внутренним сопротивлением и саморазрядом.)
Рисунок 3: Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3C с результирующим временем разговора
Емкость NiCd аккумулятора составляет 113%; внутреннее сопротивление — 155 мОм. Напряжение аккумулятора 7,2 В.
Рисунок 4: Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3C с результирующим временем разговора
Емкость NiMH аккумулятора составляет 94%, внутреннее сопротивление — 778 мОм. Аккумулятор на 7,2 В.
Рисунок 5: Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3C с результирующим временем разговора
Емкость литий-ионного аккумулятора составляет 107%; внутреннее сопротивление — 320 мОм. Аккумулятор на 3,6 В.
Примечания: Испытания проводились, когда ранние мобильные телефоны питались от NiCd, NiMH и Li-ion аккумуляторов. С тех пор Li-ion и NiMH аккумуляторы усовершенствовались.
Максимальное потребление GSM составляет 2,5 А, что соответствует 3 C от аккумулятора емкостью 800 мАч, или втрое больше номинального тока.
