Ёмкость в мАч привлекает всё внимание в даташите, но внутреннее сопротивление — та характеристика, что незаметно решает, работает ли батарея в реальном устройстве. От него зависит, насколько проседает напряжение под нагрузкой, сколько тепла выделяет пакет, сколько ампер можно отдать в импульсе и насколько равномерно стареют ячейки в последовательной цепочке. Для устройств с высоким потреблением — электроинструмент, медицинские насосы, двигатели, стартовые пакеты — внутреннее сопротивление важнее номинальной ёмкости. Эта статья объясняет, что на самом деле представляет собой внутреннее сопротивление внутри ячейки NiMH, как фабрики его измеряют и как проектировать с учётом создаваемых им просадки напряжения и тепла.

Откуда берётся внутреннее сопротивление

Ячейка NiMH — не идеальный источник напряжения; ток, проходя через неё, встречает несколько резистивных вкладов, обычно группируемых так:

• Омическое сопротивление — электронное сопротивление подложек из никелевой пены, токоотводов, сварки выводов, а также ионное сопротивление электролита KOH и сепаратора. Эта составляющая реагирует мгновенно, как обычный резистор.
• Сопротивление переноса заряда — кинетический барьер электрохимических реакций на поверхностях электродов, зависящий от активности катализатора, площади поверхности и температуры.
• Диффузионное (концентрационное) сопротивление — более медленное ограничение движения ионов и водорода сквозь пористые электроды, проявляющееся при длительных нагрузках.

Высокомощные ячейки NiMH воздействуют на все три: тонкие электроды с большой поверхностью сокращают пути диффузии, высокопроводящие пенные токоотводы снижают омические потери, а добавки в электролит поддерживают высокую ионную проводимость на холоде.

Два фабричных способа измерения

Внутреннее сопротивление зависит от времени, поэтому существуют два стандартных метода, и их числа не взаимозаменяемы:

• Внутреннее сопротивление переменному току (ESR) на 1 кГц — ячейку зондирует слабый переменный сигнал; на 1 кГц медленные диффузионные процессы не успевают следовать, поэтому показание захватывает в основном омическую составляющую. Это быстро, неразрушающе и является стандартным методом сортировки на производственной линии (часто называется ACIR). Качественная ячейка AA NiMH обычно показывает несколько десятков миллиом.
• Внутреннее сопротивление постоянному току (DCIR) — ячейку переключают между двумя токами разряда, а сопротивление вычисляют как ΔV/ΔI за заданный интервал (обычно от нескольких десятков миллисекунд до нескольких секунд). Более длинные интервалы включают эффекты переноса заряда и диффузии, поэтому DCIR обычно выше ACIR, но ближе к тому, что испытывает реальная нагрузка.

Сравнивая поставщиков, сравнивайте один метод: число ACIR на 1 кГц нельзя сопоставлять с числом DCIR за 10 секунд.

Rᵢ вызывает просадку напряжения

Напряжение на клеммах ячейки под нагрузкой подчиняется простой зависимости: V_клемм = V_хол − I × Rᵢ. Внутреннее сопротивление превращает ток в мгновенное падение напряжения. Числовой пример: ячейка с внутренним сопротивлением 20 мОм, несущая импульс 5 А, мгновенно теряет 0,10 В; две ячейки по 40 мОм теряют 0,20 В при том же импульсе — разница между двигателем, который чисто запускается, и тем, у которого контроллер уходит в недопустимую просадку. Вот почему высокомощные ячейки определяются не в меньшей степени показанием в миллиомах, чем в мАч.

Rᵢ превращается в тепло

То же резистивное падение рассеивает энергию в виде тепла со скоростью P = I²R. Поскольку тепло растёт пропорционально квадрату тока, удвоение тока нагрузки учетверяет резистивный нагрев. В пакете это тепло накапливается: температура растёт, меняются проводимость электролита и кинетика электродов, а при заряде реакция рекомбинации добавляет ещё тепла. Поэтому ячейки с низким сопротивлением и низкоомные межсоединения — основа теплового проектирования: они удерживают пакет холодным куда эффективнее, чем добавленное постфактум охлаждение.

Как Rᵢ меняется с SOC, температурой и возрастом

• Степень заряженности — сопротивление следует пологой U-образной кривой: слегка повышено при полном заряде, минимально на плато среднего SOC и заметно растёт близ разряженного состояния по мере истощения активного материала — электрическая подпись колена разряда.
• Температура — холод резко повышает Rᵢ по мере замедления проводимости электролита и кинетики реакций, поэтому высокомощная работа на холоде требует специальных сортов; тепло снижает Rᵢ, но ускоряет старение.
• Возраст и циклы — по мере старения ячеек растут коррозионные слои, перераспределяется электролит и деградирует структура электродов, поэтому Rᵢ неуклонно растёт. Отслеживание сопротивления на протяжении жизни — надёжный индикатор состояния, а входной контроль Rᵢ отсеивает слабые ячейки до попадания в пакет.

Проектирование с учётом внутреннего сопротивления

• Задавайте сорт, а не только ёмкость — выбирайте высокомощные ячейки с предельным значением ACIR, вписанным в спецификацию.
• Подбирайте Rᵢ, а не только мАч — последовательные цепочки следует собирать из ячеек, отсортированных в одну узкую полосу сопротивления, чтобы ток давал одинаковую просадку в каждой ячейке.
• Параллель для снижения сопротивления пакета — параллельные ячейки делят ток и вдвое снижают эффективное сопротивление; последовательное соединение поднимает напряжение, не меняя просадку на ячейку.
• Минимизируйте потери в соединениях — короткие широкие сварки с несколькими выводами и достаточное сечение шины не добавляют миллиомы, над устранением которых работали ячейки.
• Проверяйте на импульсе — тестируйте просадку напряжения при наихудших токе и температуре и проверяйте рост сопротивления за циклический ресурс, а не только на образцах первого дня.

Weijiang Power: низкоомные ячейки, плотный биннинг по сопротивлению

Weijiang Power измеряет сопротивление переменному току у каждой произведённой ячейки и предлагает стандартные и высокомощные сорта NiMH, спроектированные под низкие значения в миллиомах и стабильное сопротивление в диапазоне температур и на протяжении жизни. Сборка пакетов использует оптимизированную сварку с несколькими выводами и согласованный Rᵢ-биннинг, чтобы последовательные цепочки под нагрузкой проседали и грелись равномерно. Сообщите нам пиковые и длительные токи, температурный диапазон и напряжение отсечки, и наши инженеры подберут сорт ячеек и топологию пакета, удерживающие напряжение высоким, а температуру низкой.