С переходом от аналогового к цифровому, к батарее предъявляются новые требования. В отличие от аналоговых портативных устройств, которые потребляют постоянный ток, цифровое оборудование нагружает аккумулятор короткими сильными всплесками тока. 

Одно из актуальных требований к батареям для цифровых приложений - низкое внутреннее сопротивление. Измеряемое в миллиомах внутреннее сопротивление является привратником, который в значительной степени определяет время работы. Чем ниже сопротивление, тем меньше ограничений, с которыми сталкивается аккумулятор при доставке необходимых скачков мощности. Высокое показание в МОм может вызвать раннюю индикацию `` низкого заряда батареи '' на внешне исправной батарее, потому что доступная энергия не может быть доставлена ​​требуемым образом и остается в батарее.

На рисунке 1 показаны характеристики напряжения и соответствующее время работы аккумулятора с низким, средним и высоким внутренним сопротивлением при подключении к цифровой нагрузке. Подобно мягкому мячу, который легко деформируется при сжатии, напряжение батареи с высоким внутренним сопротивлением модулирует напряжение питания и оставляет провалы, отражая импульсы нагрузки. Эти импульсы подталкивают напряжение к линии конца разряда, что приводит к преждевременному отключению. Как видно на графике, внутреннее сопротивление определяет большую часть времени работы.

 


 
Рисунок 1:  Кривая разряда при импульсной нагрузке с различным внутренним сопротивлением. На этой диаграмме показано время работы 3 батарей с одинаковой емкостью, но с разными уровнями внутреннего сопротивления.

Время разговора как функция внутреннего сопротивления 

В рамках продолжающегося исследования по измерению времени работы батарей с различными уровнями внутреннего сопротивления компания Cadex Electronics проверила несколько батарей для сотовых телефонов, которые некоторое время находились в эксплуатации. Все батареи были одинакового размера и показали хорошие показания емкости при проверке анализатором аккумуляторов при постоянной разряде нагрузки. Никель-кадмиевый пакет обеспечил емкость 113%, никель-металлогидридный блок - 107%, а литий-ионный - 94%. Внутреннее сопротивление варьировалось в широких пределах и составляло 155 мОм для никель-кадмиевого сплава, высокое 778 мОм для никель-металлогидрида и умеренное 320 мОм для литий-ионного. Эти показания внутреннего сопротивления типичны для стареющих батарей с таким химическим составом.

Давайте теперь проверим, как тестовые батареи работают 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 около 800 миллиампер (мАч) часов. Например, импульс тока 2,4 ампера от батареи емкостью 800 мАч соответствует показателю C 3C. Это в три раза больше, чем у аккумулятора. Такие сильноточные импульсы могут быть доставлены только при низком внутреннем сопротивлении батареи.

На рисунках 2, 3 и 4 показано время разговора трех аккумуляторов при моделированном токе GSM 1С, 2С и 3С. Видно прямую зависимость между внутренним сопротивлением батареи и временем разговора. Никель-кадмиевый аккумулятор показал наилучшие результаты в данных обстоятельствах и обеспечил время разговора 120 минут при разряде 3C (оранжевая линия). никель-металлогидридные характеристики работают только при 1 ° C (синяя линия) и не работают при 3 ° C. литий-ионный обеспечивает умеренное время разговора 50 минут при температуре 3 ° C. 


 

Рисунок 2:  Разрядка и результирующее время разговора никель-кадмиевых в 1C, 2C и 3C в соответствии с графиком нагрузки GSM. Тестируемая батарея имеет емкость 113%, внутреннее сопротивление - 155 мОм.

 
Рисунок 3:  Разрядка и результирующее время разговора никель-металлогидрида при 1С, 2С и 3С в соответствии с графиком нагрузки GSM. Тестируемая батарея имеет емкость 107%, внутреннее сопротивление - 778 мОм. 
Рисунок 4:  Разрядка и результирующее время разговора литий-ионной батареи при 1С, 2С и 3С в соответствии с графиком нагрузки GSM. Тестируемый аккумулятор имеет емкость 94%, внутреннее сопротивление - 320 мОм. 

Внутреннее сопротивление в зависимости от состояния заряда

Внутреннее сопротивление зависит от уровня заряда аккумулятора. Самые большие изменения заметны на никелевых батареях. На рисунке 5 мы наблюдаем внутреннее сопротивление никель-металлогидрида в пустом состоянии, во время зарядки, при полной зарядке и после 4-часового периода отдыха.
Уровни сопротивления самые высокие при низком уровне заряда и сразу после зарядки. Вопреки распространенному мнению, наилучшая производительность аккумулятора достигается не сразу после полной зарядки, а после нескольких часов отдыха. Во время разрядки внутреннее сопротивление аккумулятора уменьшается, достигает минимального значения при половинном заряде и снова начинает расти (пунктирная линия). 
 
Рисунок 5:  Внутреннее сопротивление в металлогидриде никеля. Обратите внимание на более высокие показания сразу после полной разрядки и полной зарядки. Отдыхать аккумулятор перед использованием дает наилучшие результаты. 
Ссылки: Shukla et al. 1998. Rodrigues et al. 1999 г.


Внутреннее сопротивление литий-ионных аккумуляторов довольно стабильно от разряженного до полного заряда. Батарея асимптотически уменьшается с 270 мВт при 0% до 250 мВт при 70% -ном состоянии заряда. Наибольшие изменения происходят между 0% и 30% SoC. 

Сопротивление свинцово-кислотной кислоты увеличивается с разрядом. Это изменение вызвано уменьшением удельного веса, истощением электролита, поскольку он становится более водянистым. Увеличение сопротивления почти линейно с уменьшением удельного веса. Остальные несколько часов частично восстановят батарею, поскольку сульфат-ионы могут восполнить себя. Изменение сопротивления между полной зарядкой и разрядкой составляет около 40%. Низкая температура увеличивает внутреннее сопротивление всех аккумуляторов и добавляет примерно 50% в интервале от + 30 ° C до -18 ° C к свинцово-кислотным аккумуляторам. На рис. 6 показано увеличение внутреннего сопротивления гелевой свинцово-кислотной батареи, используемой для инвалидных колясок. 

 


 
Рис. 6:  Типичные показания внутреннего сопротивления свинцово-кислотной батареи для инвалидных колясок. Аккумулятор разряжен от полного заряда до 10,50В. Показания были сняты при напряжении холостого хода (OCV).
Аккумуляторные лаборатории Cadex.