до Чейз Ву
20 березня 2025 року
Батарейна промисловість, Знання про акумулятори, Матеріали батареї
06 хвилин

Внутрішній опір акумулятора - комплексний аналіз і рішення для оптимізації

Внутрішній опір акумулятора важливий параметр, який впливає на продуктивність акумулятора. Він визначає ефективність перетворення енергії, розрядну ємність і термін служби акумулятора. У таких галузях, як електромобілі та акумуляторні системи зберігання енергії, внутрішній опір батареї безпосередньо впливає на загальну енергоефективність, витривалість і безпеку. Тому розуміння джерела, впливу, методів вимірювання та оптимізації внутрішнього опору акумулятора має вирішальне значення для підвищення його продуктивності.

Що таке внутрішній опір акумулятора?

Визначення внутрішнього опору акумулятора

Внутрішній опір акумулятора - це опір акумулятора проходженню струму. Він включає в себе сукупний опір таких компонентів, як матеріали для акумуляторів, електродів та електролітів (знайдіть 10 найкращих виробників електролітів для літій-іонних акумуляторів). Нижчий внутрішній опір означає кращу ефективність передачі струму, тоді як вищий внутрішній опір призведе до втрат енергії та проблем з нагріванням. Внутрішній опір акумулятора зазвичай вимірюється в міліомах (МОм), а методи вимірювання включають вимірювання імпедансу змінного струму (EIS), метод падіння напруги постійного струму, тест LCR-метра тощо.

Класифікація внутрішнього опору акумулятора

Омічний опірВизначається електродами, електролітом, провідними матеріалами тощо всередині акумулятора, які в основному впливають на миттєве падіння напруги.
Поляризаційна стійкістьОпір, спричинений електрохімічними реакціями під час процесу заряду і розряду акумулятора, впливає на динамічні характеристики батареї.
Внутрішній опір змінному та постійному струму: Внутрішній опір змінного струму зазвичай використовується для оцінки короткочасного імпедансу, тоді як внутрішній опір постійного струму ближчий до характеристик акумулятора в реальних робочих умовах.

Фактори, що впливають на внутрішній опір акумулятора

ТемператураВисока температура зменшує внутрішній опір, але може прискорити старіння акумулятора, тоді як низька температура збільшує внутрішній опір і впливає на продуктивність розряду.
Стан заряду та розрядустан заряду (SOC) впливає на внутрішній опір. Зазвичай, внутрішній опір низький в середньому діапазоні SOC, і високий в стані низького або повного заряду.
Старіння акумуляторазі збільшенням кількості циклів зміни матеріалів і побічні реакції всередині акумулятора збільшують внутрішній опір і впливають на продуктивність.

Який вплив матиме внутрішній опір акумулятора?

Вплив на термін служби батареї

Підвищений внутрішній опір призводить до того, що батарея виробляє більше тепла під час використання, прискорює старіння батареї та скорочує термін її служби.

Вплив на продуктивність акумулятора

Падіння напруги: Збільшення внутрішнього опору призведе до більшого падіння напруги, що вплине на вихідну потужність акумулятора.
Виробництво теплової енергії: Вищий внутрішній опір призведе до більших втрат енергії, підвищить температуру акумулятора і навіть може спричинити тепловий розряд.

Вплив на електромобілі та системи зберігання енергії

У сфері електромобілів високий внутрішній опір може призвести до погіршення характеристик прискорення та зниження витривалості. У системах зберігання енергії високий внутрішній опір впливатиме на ефективність перетворення енергії та довгострокову стабільність.

Як виміряти внутрішній опір акумулятора?

Поширені методи вимірювання опору акумулятора

Метод вимірювання внутрішнього опору розряду постійного струму

Вимірювання падіння напруги під час розряду великим струмом, що підходить для швидкого виявлення в практичному застосуванні. Специфічні
Внутрішній опір розраховується шляхом подачі великого струму (40А-80А) на короткий час (2-3 секунди) і вимірювання напруги на акумуляторі. Цей метод має високу точність (похибку можна контролювати в межах 0,11ТП3Т), але він легко піддається впливу поляризації і може пошкодити батарею, тому підходить для акумуляторів великої ємності.

Метод вимірювання внутрішнього опору при падінні змінної напруги

Імпедансні характеристики батареї перевіряються за допомогою сигналів змінного струму різної частоти, що підходить для лабораторних досліджень. Зокрема, для вимірювання імпедансу батареї використовується фіксована частота (наприклад, 1 кГц) і невеликий струм (50 мА). Цей метод має дуже короткий час вимірювання (близько 100 мс) і підходить для всіх типів батарей, але на нього легко впливають пульсації струму і гармонійні перешкоди, що перевіряє завадостійкість вимірювального обладнання.

Крім того, LCR-метри та спеціальні тестери внутрішнього опору, які можна використовувати для контролю виробництва та якості.

Метод розрахунку внутрішнього опору акумулятора

Розрахунок за формулою R=U/I:

Виміряйте напругу холостого ходу U1.
Розряджаємо паралельно з фіксованим резистором R.
Зафіксуйте напругу акумулятора U2 після розряду.
Розрахуйте внутрішній опір: r = (U1 - U2) / (U2 / R). Наприклад, якщо U1 = 12 В, U2 = 10 В, а паралельний опір R = 10 Ом, то r = (12-10) / (10/10) = 2 Ом.

Загалом, чим більший внутрішній опір, тим гірша навантажувальна здатність акумулятора. Батареї високої потужності (наприклад, акумулятори) мають менший внутрішній опір, тоді як малопотужні батареї (наприклад, 9В батареї) мають відносно великий внутрішній опір. Розумне вимірювання та оптимізація внутрішнього опору мають важливе значення для покращення продуктивність акумулятора і термін служби.

Методи зменшення внутрішнього опору акумулятора

Внутрішній опір літієвих батарей безпосередньо впливає на їхню продуктивність під час заряджання та розряджання, ефективність перетворення енергії та термін служби. Щоб зменшити внутрішній опір і підвищити продуктивність акумулятора, можна вжити таких заходів:

Оптимізуйте матеріали електродів: Використовуйте високопровідні, пористі або наноструктуровані електродні матеріали для підвищення ефективності передачі електронів та іонів і зменшення внутрішнього омічного опору.
Підвищення іонної провідності електроліту: Виберіть електроліт з високою провідністю або додайте спеціальні добавки для покращення міграції іонів. Водночас, застосування твердих електролітів також може зменшити внутрішній опір.
Покращення роботи діафрагми: Оптимізуйте структуру мембрани, наприклад, збільшуючи пористість або використовуючи багатошарові мембрани для зменшення опору пропускання іонів.
Контроль температури: Підтримуйте батарею в оптимальному діапазоні робочих температур за допомогою ефективної системи терморегулювання, щоб зменшити збільшення внутрішнього опору, спричинене змінами температури.
Оптимізуйте конструкцію конструкції батареї: Використовуйте штабельовану конструкцію, зменшуйте товщину полюсів, оптимізуйте конструкцію вушок полюсів тощо, щоб скоротити шлях струму та зменшити контактний опір.
Оптимізація системи керування батареями (BMS): Завдяки інтелектуальному управлінню, контролюйте робочу температуру та стан заряду і розряду акумулятора, щоб зменшити зростання внутрішнього опору.

Порівняння внутрішнього опору акумуляторів різних типів

Літій-іонний акумулятор проти свинцево-кислотного акумулятора

Порівняння між літій-іонний акумулятор проти свинцево-кислотногоЛітій-іонний акумулятор має менший внутрішній опір і вищу ефективність перетворення енергії, тоді як свинцево-кислотний акумулятор має більший внутрішній опір, що призводить до меншої вихідної потужності.

Різні хімічні системи (NCM, LFP)

Літій-залізо-фосфатні (LFP) акумулятори зазвичай мають вищий внутрішній опір, ніж потрійний літій (NCM)але краща безпека.

Вплив старіння батареї

Різні типи акумуляторів мають різні тенденції зростання внутрішнього опору після циклічного використання. Швидкість зростання внутрішнього опору NCM-батарей зазвичай вища, тоді як LFP-батареї більш стабільні.

Висновок

Внутрішній опір акумулятора має важливий вплив на його продуктивність, термін служби і сценарії застосування. Оптимізуючи матеріали, вдосконалюючи виробничі процеси та покращуючи управління батареєю, можна ефективно зменшити внутрішній опір і підвищити загальну енергоефективність батареї.

З розвитком акумуляторних технологій майбутні батареї зроблять ще більший прорив у контролі внутрішнього опору, тим самим підвищуючи продуктивність і надійність електромобілів і систем зберігання енергії.

ПОШИРЕНІ ЗАПИТАННЯ

Який середній внутрішній опір батареї?

Внутрішній опір акумулятора значно варіюється залежно від його типу, розміру, матеріалів і конструкції. Нижче наведено типові діапазони для поширених типів акумуляторів:
Свинцево-кислотні акумулятори: Зазвичай нижче 10 міліом (мОм), а високоякісні - до 6 мОм
Літій-іонні акумулятори: Стандартні типи (наприклад, 18650): 12-30 мОм для високопродуктивних моделей і до 50 мОм для елементів загального призначення.
Літієві батареї силового типу (використовуються в електромобілях): Часто нижче 15 мОм для підтримки високих струмів розряду.
Нікель-кадмієві (NiCd) акумулятори: Надзвичайно низький внутрішній опір (подібний до свинцево-кислотного), що забезпечує швидку зарядку та розрядку великим струмом.
Нікель-метал-гідридні (NiMH) акумулятори: Трохи вище, ніж NiCd, зазвичай 20-50 мОм.
Воднево-кисневі паливні елементи (зараз застарілі): Виключно низький початковий опір (~10 мОм), який ще більше зменшується під час розряду.

Як зменшити внутрішній опір акумулятора?

1. Покращення на матеріальному рівні

Використовуйте високопровідні електродні матеріали (наприклад, кремній-вуглецеві композити, високонікелеві потрійні матеріали).
Використовуйте малов'язкі електроліти для кращої рухливості іонів.
Оптимізуйте товщину і пористість сепаратора, щоб мінімізувати опір транспорту іонів.

2. Удосконалення дизайну та виробництва

Збільште кількість електродів і скоротіть шлях проходження струму.
Покращуйте однорідність електродів за допомогою передових технологій нанесення покриттів і каландрування.
Використовуйте лазерне зварювання для більш міцних з'єднань і меншого опору контакту.

3. Управління тепловим режимом

Підтримуйте оптимальну робочу температуру (20-40°C) для покращення провідності електроліту та зменшення поляризаційного опору.

Який акумулятор має найнижчий внутрішній опір?

Літій-іонні акумулятори

Сучасні літій-залізо-фосфатні (LFP) та високоефективні літій-полімерні батареї мають найнижчий опір (всього 6-12 мОм), що робить їх ідеальними для застосування у високопотужних системах, таких як електромобілі.
Нікель-кадмієві (NiCd) акумулятори

Історично відомий своїм наднизьким опором (~10 мОм), придатний для використання в інструментах та авіації, незважаючи на екологічні проблеми.
Воднево-кисневі паливні елементи

Досягнуто <10 мОм, але виникли проблеми з безпекою та вартістю.

Чейз Ву

Привіт, я Чейз. Я спеціалізуюся на наданні глибокого розуміння та останніх оновлень щодо електричних дво- та триколісних систем заміни акумуляторів, від технології літієвих батарей до інтелектуальних рішень для заміни. Моя мета - розбити складні технічні концепції на чіткий, доступний зміст, допомагаючи компаніям і приватним особам орієнтуватися в мінливому ландшафті електричної мобільності та сталої енергетики.

Всі публікації

Пов'язана публікація