Импеданс аккумуляторов Li-ion и Ni-MH = f (уровень заряда ячейки)

Возможно, будет интересно тем, кто балуется измерением «внутреннего сопротивления» химических источников электрической энергии китайскими устройствами YR1030/1035/1035+. На самом деле, YR1030/1035/1035+ это измерители импеданса. К сожалению, электрический импеданс и внутреннее сопротивление — совсем не одно и тоже. Кроме того, внутреннее сопротивление ХИЭЭ есть сферический конь в вакууме, т.к. корректного способа определения данной величины не существует. Получаемые циферки зависят как от способа изменения, так и от условий проведения эксперимента. Как это выглядит на практике можете глянуть тут — Comparison of Several Methods for Determining the Internal Resistance of Lithium Ion Cells

Предварительные замечания (можно пропустить)

Цели

1. Экспериментальное исследование зависимости импеданса Li-ion и Ni-MH аккумуляторов от уровня заряда.

2. Определение времени, необходимого для стабилизации импеданса после снятия нагрузки.

План действий

Li-ion

1. Замер текущей емкости ячейки с целью определения истинного значения тока 0.2С в амперах.

2. Заряд током 0.2С полностью разряженного аккумулятора до полного заряда.

3. Замер импеданса IR(1кГц) полностью заряженного аккумулятора и наблюдение за изменением IR(1кГц) с течением времени (до суток).

4.После полного разряда — заряд ступеньками [1 час, 0.2С] и наблюдение за изменением IR(1кГц) с течением времени (до суток).

6. Промежуточное обсуждение результатов.

Ni-MH

Все то же самое, но зарядный ток не 0.2С, а 0.5С. Что бы не пропустить «дельту».

Все аккумуляторы, поучаствовавшие в данном исследовании находятся в очень хорошем состоянии. Использовались крайне редко и в щадящих режимах.

1. Li-ion. Sony 18650 VTC6

Подготовка образца к разряду и фиксация показаний YR1035

► В качестве первой подопытной была выбрана ячейка Sony-Murata US18650VTC6

Даташит-1

Даташит-2

ОТСЕЧКИ (по даташиту)

заряд — 50 мА

разряд — 2.0 В

На ЗРУ SkyRC MC3000 можно выставить 50 мА и даже 10 мА, но ниже 2.5 В — нельзя (для обычного Li-ion). В принципе, можно обмануть и эту защиту от дурака, если заявить ячейку как LiFePO₄, но разница будет минимальна. Да и смысла в этом нет никакого (в контексте данной статьи). Поэтому аккумулятор в конце разряжался до 2.5 В.

► Емкость (2828 mAh) и энергозапас (10.38 Wh) данной ячейки

► Полностью разряженная ячейка сначала заряжалась током 0.2С до 4.20В. Затем элемент быстро перемещался в YR1035 и в течении 1-1,5 часов снималось видео, фиксирующее изменение НРЦ (напряжение разорванной цепи) и импеданса.

Затем, в течении ~суток делались одиночные фото изменяющихся параметров.

Ток 0.2С был определен как 0.56А (точнее задать нельзя).

► Далее следовали разряды током 0.2С. После каждого — фиксация на видео и наблюдение в течении суток с эпизодическим фотографированием.

Нетрудно посчитать, что 560*5= 2800 mAh. Остается «хвостик» 28 mAh. Для полного разряда ячейки был необходим шестой, дополнительный короткий (пара минут) разряд до отсечки 2.5В. Результаты после оного будут далее обозначаться как "-1С+"

После заряда током 0.2С

Кривые деполяризации и изменения импеданса

После первого разряда током 0.2С

Что было получено после 5+ часовых разрядов током 0.2С

Забавно, но предсказание о минимуме импеданса при половинном заряде в данном случае сбылось Посмотрите на две зелёные кривые (40 и 60% от полного заряда).:)

И еще один момент. В течении ближайших суток импеданс ячейки слегка «погуливает» непредсказуемым образом. Это не показания «плывут» — я проверял: перезагружался, выставлял «0» по новой. Но изменения эти малы и близки к погрешности YR1035, поэтому этим можно пренебречь.

2. Li-ion. PKCELL 14500

PKCELL 14500 был выбран как альтернатива Sony 18650 VTC6. В отличии от VTC6 ячейки PKCELL изначально имеют большое значение импеданса.

Текущая емкость образца была определена как 788 mAh. Аккумулятор был разряжен током 0.16А (0.2С), а потом заряжался отрезками по 1 часу током 0.16А (0.2С).

После заряда

Кривые деполяризации далее приводить не буду — они всегда идеально правильные и гладкие.

После первого разряда током 0.2С в течении 60 мин

Общий результат после 5 часовых разрядов током 0.2С

Никаких закономерностей не прослеживается. Полный хаос.

3. Ni-MH. Eneloop AA 1900 mAh (белый)

Текущая емкость (по ГОСТу) была определена как 1919 mAh. Аккумулятор был разряжен током 0.38А (0.2С), а потом заряжен током 0.96А (0.5С).

Далее — разряды током 0.2С по 60 мин.

Общий результат после 5 часовых разрядов током 0.2С

1. Ни о каких 25 мОм, многократно заявляемых в даташитах Энелупов АА, даже и речи нет. Откуда это было взято и почему дублируется уже 20 лет — не известно.

2. Почему импеданс АА после заряда ведет себя столь странным образом мне неведомо. Но это не случайно. На другом образце АА (ниже под спойлером) — аналогичная загогулина. И в случае ААА — тоже.

4. Ni-MH. Eneloop AA 1900 mAh (еще один)

Этот, судя по всему, более БУ, по сравнению с предыдущим. Хотя емкость, измеренная по ГОСТу, фактически совпадает с номинальной.

5. Ni-MH. Eneloop AAA 750 mAh (белый)

Текущая емкость образца была определена как 762 mAh. Аккумулятор был разряжен током 0.15А (0.2С), а потом заряжен током 0.38А (0.5С).

Далее — разряды током 0.2С по 60 мин.

Общий результат после 5 часовых разрядов током 0.2С

Заключение

1. Для ячеек, находящихся в хорошем техническом состоянии явная зависимость импеданса от уровня их заряда не была обнаружена. Исключение составляют практически полностью разряженные ячейки, импеданс которых выше на несколько процентов. Поэтому измерения импеданса на аккумуляторах, разряженных более, чем на 80% не рекомендуется.

2. После снятия нагрузки ~ 0.2С измерения импеданса рекомендуется производить не ранее, чем через 30 минут. А лучше — через час. При бОльших нагрузках время «отдыха» следует увеличить.

3. Не рекомендуется замерять импеданс Ni-MH после полного заряда токами 0.5-1С, характерными для алгоритма "- ∆V" как минимум в течении ближайших 2-3 часов. Активное протекание водородного цикла на последних стадиях заряда (>75-80%) выводит систему из квазиравновесного состояния на достаточное длительное время.

4. Заявленные в даташитах Энелупов АА 25 мОм скорее всего взяты с потолка. Наверное, здесь я погорячился. Скорее всего, с моими подопытными что-то не так.

5. Полезность измерения импеданса ХИТ во многих случаях вызывает большие сомнения. К примеру, импеданс GP ReCyko+ 850(800) mAh в ходе жесткого циклирования аккумуляторов ААА оказывается весьма консервативным параметром и увеличивается заметно меньше, чем у других испытуемых, включая белые Eneloop BK-4MCCE 800(750) mAh. При этом GP ReCyko+ подобно PKCell 850 mAh довольно плохо держат такие нагрузки и относительно быстро сдыхают:

6. Тем не менее, приборчики YR1030/1035/1035+ могут оказаться полезными

— в качестве миллиомметров с абсолютной погрешностью (по моим оценкам) ~0.1 мОм в интервале 0-20 мОм;

— в качестве высокоточных вольтметров (табличка отсюда)

При этом на борту Флюка 60 тыс. отсчетов, а у YR1035 — 100 тыс. 😉

Всего доброго.