Разрядная кривая — самый информативный график в даташите NiMH — и чаще всего неправильно читаемый. Он строит напряжение элемента против отданной ёмкости по мере разряда, и его форма меняется с током, температурой и возрастом. Инженеры, читающие кривые верно, выбирают лучшие элементы, задают более умные отсечки и избегают сюрпризов по времени работы из сравнения мА·ч, заявленных при разных условиях. Эта статья объясняет, из чего состоит кривая NiMH, как ток нагрузки её переформирует и как использовать это в продукте.

Анатомия разрядной кривой NiMH

Свежезаряженный элемент NiMH стартует под нагрузкой около 1,35–1,40 В и проходит три узнаваемых участка:

• Начальный провал и восстановление — напряжение кратко падает при подаче нагрузки, когда устанавливается внутренняя электрохимическая поляризация, затем за секунды стабилизируется.
• Плоская площадка — на большей части диапазона ёмкости напряжение держится около 1,2 В. Эта характерная плоскостность возникает из двухфазных твердотельных реакций на обоих электродах, потенциалы которых остаются почти постоянными, пока активный материал есть с обеих сторон каждой реакции.
• Колено и спад — как только активный материал исчерпан, напряжение изгибается вниз и быстро падает к стандартному конечному напряжению 1,0 В на элемент. Продолжать разряд ниже этой точки даёт мало энергии и нагружает элемент.

Широкая плоская площадка — именно причина, по которой NiMH так предсказуемо питает устройства: стабилизатор видит почти постоянное питание в течение 80–90 % времени работы.

C-rate: язык разрядного тока

Разрядный ток выражается через C-rate, нормированный к номинальной ёмкости элемента. Опорный ток Iₜ равен номинальным ампер-часам, делённым на один час, поэтому элемент 2 000 мА·ч имеет Iₜ = 2 000 мА:

• 0,2C (для этого элемента 400 мА) — мягкий пятичасовой разряд — близко к условию, при котором часто задаётся ёмкость даташита.
• 1C опустошает элемент примерно за час.
• 3C–10C — зона высокого потребления для инструментов, моторов и импульсных нагрузок.

Как ток переформирует кривую

При росте C-rate одновременно происходят две вещи. Вся площадка сдвигается вниз, поскольку ток через внутреннее сопротивление Rᵢ создаёт мгновенное падение I × Rᵢ — видно как больший начальный провал и более низкое рабочее напряжение. И колено наступает раньше: при высоком токе до отсечки можно извлечь меньше теоретической ёмкости, поэтому отданные мА·ч падают.

Элемент, отдающий полные 2 000 мА·ч при 0,2C, может отдать 1 900 при 1C и 1 700 при 3C. Два поставщика, заявляющие элементы «2 000 мА·ч», несравнимы, если опорный ток и напряжение отсечки не идентичны — всегда спрашивайте, при каком C-rate измерялась ёмкость.

Эффект Пейкерта: почему ёмкость зависит от тока

Потеря используемой ёмкости при высоком токе следует соотношению Пейкерта, которое описывает, как эффективная ёмкость батареи сокращается с ростом разрядного тока. Показатель Пейкерта k количественно оценивает эффект: чем ближе k к 1, тем более ёмкость не зависит от тока. NiMH показывает себя хорошо, k обычно около 1,05–1,15 — значительно лучше свинцово-кислотных (примерно 1,3–1,6) и близко к идеалу. На практике это значит, что NiMH необычно хорошо держит ёмкость под тяжёлой нагрузкой, одна из причин, почему он остаётся конкурентоспособным в электроинструменте, несмотря на более высокую плотность лития.

Температура тоже переформирует кривую

Внутреннее сопротивление резко растёт на холоде, поскольку подвижность ионов в электролите замедляется. При −20 °C площадка проседает и колено сдвигается раньше даже при умеренном токе, поэтому широкотемпературные и высокотоковые сорта NiMH используют модифицированные электролиты и тонкие электроды с большой поверхностью. Тепло снижает сопротивление и поднимает кривую, но длительный нагрев ускоряет старение — проектируйте умеренную рабочую температуру, а не полагайтесь на тепло, маскирующее недоразмеренные элементы.

Чтение кривых для проектирования продукта

• Расчёт на худший ток — выбирайте ёмкость по кривой при максимальном длительном C-rate и минимальной температуре, а не по значению 0,2C.
• Запас для стабилизатора — вход мотора или DC-DC, работающий до 1,0 В на элемент, извлечёт гораздо больше ёмкости, чем отсекающий при 1,15 В; задавайте пороги низкого напряжения с учётом просадки при импульсном токе.
• Разделять импульс и длительный режим — NiMH хорошо переносит краткие высокотоковые импульсы; кривая серии импульсов лежит выше кривой того же тока, удерживаемого постоянно.
• Сравнивать поставщиков в одном тесте — требуйте кривые при одинаковом токе, температуре и отсечке 1,0 В; равные условия теста важнее маркетинговых мА·ч.
• Следить за эволюцией кривой с возрастом — по мере циклов растущее сопротивление опускает и укорачивает кривую; стендовые испытания состаренных образцов предсказывают реальное время работы в конце жизни.

Weijiang Power: элементы, чьи кривые держат форму

Weijiang Power классифицирует каждый элемент NiMH на контролируемых заряд/разрядных каналах и поставляет разрядные кривые при токах и температурах, которые реально использует ваше применение — от потребительских сортов 0,2C до высокотоковых элементов 5C–10C с оптимизированными электродами и низким сопротивлением. Строгая классификация означает, что элементы внутри одной батареи следуют подобранным кривым весь срок службы. Сообщите профиль нагрузки, напряжение отсечки и рабочую температуру, и наш инженерный отдел порекомендует сорт, дающий обещанное продукта время работы.