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电池内阻上升如何影响性能?

时间:2023-02-02 14:50:05 点击:

电池内阻上升如何影响性能?

如果电池组不能有效地输送储存的能量,那么单靠容量的用途是有限的;电池也需要低内阻。电阻以毫欧 (mΩ) 为单位,是电池的看门人;阻力越低,背包遇到的限制就越少。这在电动工具和电动动力总成等重负载中尤为重要。高电阻会导致电池升温,电压在负载下下降,从而触发提前关机。图 1以自由流动的分接头形式说明了低内阻电池与限制分接头的电阻升高的电池。

低电阻,按需提供大电流;电池保持凉爽。
电阻高,电流受限,负载电压下降;电池变热。

图 1:电池内阻的影响。

具有低内阻的电池可按需提供高电流。高电阻会导致电池发热,电压下降。设备关闭,留下能量。

铅酸具有非常低的内阻,电池对持续几秒钟的高电流脉冲响应良好。然而,由于固有的迟缓性,铅酸在持续高电流放电时表现不佳;电池很快就会疲劳,需要休息才能恢复。所有电池都在不同程度上出现了一些迟钝现象,但铅酸电池尤为明显。这暗示功率传输不仅仅基于内阻,还取决于化学反应以及温度。在这方面,镍基和锂基技术比铅酸反应更灵敏。

硫酸盐化和板栅腐蚀是导致铅酸内阻升高的主要原因。温度也会影响电阻;热降低它,冷提高它。加热电池会暂时降低内阻以提供额外的运行时间。然而,这并不能恢复电池电量并且会增加瞬时压力。

结晶形成,也称为“记忆”,有助于镍基电池的内阻。这通常可以通过深度循环来逆转。锂离子电池的内阻也会随着使用和老化而增加,但已通过电解质添加剂进行了改进,以控制电极上薄膜的形成。(请参阅 BU-808b:是什么导致锂离子电池耗尽?)对于所有电池,SoC 都会影响内阻。锂离子在完全充电和放电结束时具有较高的电阻,中间有一个大而平坦的低电阻区域。

碱性电池、碳锌电池和大多数原电池具有相对较高的内阻,这限制了它们在手电筒、遥控器、便携式娱乐设备和厨房时钟等低电流应用中的使用。随着这些电池耗尽,电阻进一步增加。这解释了在数码相机中使用普通碱性电池时运行时间相对较短的原因。

有两种方法可用于读取电池的内阻:通过测量给定电流下的电压降的直流电 (DC) 和考虑电抗的交流电 (AC)。在测量电池等无功器件时,直流和交流测试方法的电阻值差异很大,但读数都不是正确的或错误的。直流读数着眼于纯电阻 (R),并为加热元件等直流负载提供真实结果。交流读数包括无功分量并提供阻抗 (Z)。阻抗在移动电话或感应电机等数字负载上提供逼真的结果。(参见 BU-902:如何测量内阻)

图 2显示了 18650 锂离子电池在 40ºC (104ºF) 下暴露于 1,000 个完整循环时的内阻。绿框中的交流读数不反映电池的真实电阻状态;DC 方法提供更可靠的负载性能数据。

18650 锂离子电池在循环时使用交流和直流方法测量的内阻上升
图 2:循环时使用交流和直流方法测量的 18650 锂离子电池内阻的上升[1]
绿色框中的交流电阻读数保持较低;DC 方法给出真实状态。

包电阻

电池的内阻不仅仅由电芯组成,还包括互连、保险丝、保护电路和布线。在大多数情况下,这些外围设备会使内阻增加一倍以上,并且可以伪造快速测试方法。手机的单节电池组和电动工具的多节电池的典型读数如下所示。

手机电池内阻[2]

单电池,高容量棱柱形 50mΩ 随着年龄的增长而增加
连接,焊接 1mΩ  
PTC,焊接到电缆,电池 25mΩ 18–30 mΩ 根据规范
保护电路,PCB 50mΩ  
总内阻 约 130mΩ  

电动工具电源组的内阻[2]

电池 2P4S,2Ah/电池, 18mΩ 随着年龄的增长而增加
连接,焊接,每个 0.1mΩ  
保护电路,PCB 10mΩ  
总内阻 约 80mΩ  

图 3、4 和 5分别反映了三种具有相似 Ah 和容量但内阻不同的电池在 1C、2C 和 3C 放电时的运行时间。这些图表证明了保持低内阻的重要性,尤其是在较高的放电电流下。NiCd 测试电池的电阻为 155mΩ,NiMH 为 778mΩ,锂离子电池为 320mΩ。这些是老化但仍可正常工作的电池的典型电阻读数。(参见BU-208:循环性能),它展示了容量、内阻和自放电的关系。)

1、2 和 3C 的 GSM 放电脉冲及其产生的通话时间
图 3:1、2 和 3C 下的 GSM 放电脉冲及其产生的通话时间[3]
镍镉电池容量为113%;内阻为155mΩ。7.2V 电池组。
1、2 和 3C 的 GSM 放电脉冲及其产生的通话时间
图 4:GSM 放电脉冲在 1、2 和 3C 时产生的通话时间[3]
NiMH 电池的容量为 94%,内阻为 778mΩ。7.2V 电池组。
1、2 和 3C 的 GSM 放电脉冲及其产生的通话时间
图 5:GSM 放电脉冲在 1、2 和 3C 时产生的通话时间[3]
锂离子电池的容量为 107%;内阻为320mΩ。3.6V 包。

注:测试是在早期手机使用镍镉、镍氢和锂离子电池供电时进行的。此后,锂离子和镍氢电池得到了改进。

GSM 的最大电流为 2.5A,相当于 800mAh 电池组的 3C,或额定电流的三倍。