电池在放电过程中交流内阻如何变化，又如何影响选型？优化您的电池系统设计

交流内阻在放电前半程通常保持稳定，随着电池接近耗尽，内阻会上升。 在管式极板铅酸电池和袋式极板镍镉电池中，内阻在达到约 50% 放电深度 (DOD) 之前保持相对恒定。超过该点后，内阻开始增加，其中 镍镉电池在放电末期的上升幅度更为剧烈，而铅酸电池的上升则更为平缓。

电池选型不能仅依赖单一的标称电阻值。 整个荷电状态下的电阻曲线决定了电压降、发热量、可用故障电流、熔断器特性、脉冲功率，以及电池无法继续支撑系统负载的临界点。

为什么放电过程中内阻会发生变化

放电初期相对可预测

在低至中等 DOD 下，管式极板铅酸电池和袋式极板镍镉电池通常能保持几乎稳定的交流内阻。这使得在给定负载下产生相对一致的电压响应。

这种稳定区域对于常规运行估算很有用，但不应将其误认为是整个放电周期的行为。

深度放电会增加内阻

在消耗了大约 50% 的容量 后，内阻开始上升。这种增加反映了电池接近放电状态时，电极活性物质和电解液条件发生的变化。

由于电阻较高，相同的负载电流会产生更大的电压偏差：

[ \Delta V = I \times R ]

因此，电池可能在其理论电化学容量完全耗尽之前，就已达到系统的低压切断点。

镍镉电池和铅酸电池的变化方式不同

在放电末期，镍镉电池的电阻可能会突然且剧烈地增加。铅酸电池的电阻通常上升得更平缓，向较差负载性能的过渡不那么突兀。

当系统电压余量较小时，这种区别至关重要。镍镉电池可能在充分支撑负载后迅速丧失电压能力，而铅酸电池可能表现出更渐进的性能衰减。

电阻如何影响电池系统选型

必须在相关的 DOD 下计算电压降

仅基于全新、充满电或放电中期的电阻进行的选型计算，可能会低估所需备用时间结束时的电压降。设计应使用与电池预期的 荷电状态、温度、放电倍率和测量条件 相对应的电阻值。

对于大电流负载，即使是微小的电阻增加也可能导致显著的额外电压降。

保护熔断器的选型取决于可用电流

内阻限制了电池在故障期间能够提供的电流。随着放电过程中电阻的上升，预期的直流短路电流会下降。

这会影响以下方面的选择和协调：

• 直流熔断器的分断能力
• 熔断器的时间-电流特性
• 断路器操作
• 电缆故障耐受要求
• 保护选择性

保护措施必须考虑两种情况：充满电、低内阻电池可提供的高故障电流，以及显著放电后可提供的较低电流。适用于正常工作电流的熔断器可能无法在整个电阻范围内提供预期的保护。

备用时间受负载电压限制，而非仅受容量限制

电池可能仍有剩余化学容量，但无法维持连接设备所需的最小电压。内阻上升会导致负载电压进一步低于开路电压。

因此，可用容量取决于系统切断电压和负载电流。仅凭额定安时值不足以进行电池系统选型。

热效应在大电流下变得更加重要

内部功率损耗约为：

[ P_{\text{loss}} = I^2R ]

随着电阻上升，电池在放电过程中将更多的输入能量转化为热量。这会降低效率并加剧热应力，特别是在大电流或重复脉冲应用中。

温度也会影响电阻。较低的环境温度通常会增加电阻，因为电解液离子电导率降低，因此低温条件下的选型可能比室温选型更严格。

电阻如何影响动态功率输出

高电阻降低端电压

由于欧姆电阻和电化学极化，负载下的端电压低于开路电压。在正常工作电流下，欧姆分量可能是造成这种差异的主要原因。

在极高的放电倍率下，浓度和质量传输限制可能占据主导地位。因此，完整的性能模型需要将电阻相关的电压降与其他极化损耗区分开来。

脉冲性能随放电状态而变化

在短脉冲期间，电池必须提供电流，同时不能让其端电压降至设备限制以下。随着 DOD 增加和内阻上升，可用脉冲功率会下降。

较长的脉冲通常会产生更大的电压损失，因为电化学和传输限制有更多的时间显现。通过短脉冲测试的电池可能无法满足更长时间的负载要求。

工作电压限制可能会缩短实际电池寿命

电压允许范围较窄的设备对电阻增长特别敏感。系统可能会在仍有大量标称容量剩余时关机，特别是在深度放电或大电流运行期间。

当负载无法容忍这种行为时，可能需要电压调节、更大的电池配置、低电流架构或具有更平坦放电响应的化学体系。

如何表征电阻曲线

在整个放电范围内进行测试

应在多个 DOD 点测量电阻，而不是将其报告为单一标称值。测试至少应涵盖：

• 充满电状态
• 相对平坦的放电初期至中期区域
• 约 50% DOD 附近的过渡区
• 深度放电状态
• 放电末期区域

对于镍镉电池，在放电末期进行更精细的采样尤为重要，因为电阻的增加可能是突发的。

控制测试条件

电阻测量只有在记录其条件时才有意义。表征应明确：

• 电池温度
• 测量前的静置时间
• 充放电历史
• 测试电流或信号幅度
• 交流信号频率
• 测量持续时间
• 电池寿命和状况
• 电池数量和连接配置

交流电阻与频率有关，并不一定等于长时直流放电期间观察到的有效电阻。因此，测量方法必须与工程问题相匹配。

区分交流电阻与动态电阻

小信号交流测量描述了特定工作点和频率附近的阻抗行为。动态电阻测量通常表示为：

[ R_{\text{dynamic}} = \frac{\Delta V}{\Delta I} ]

它描述了电压对电流变化的响应，并可能包含欧姆、极化和时间相关效应。

在选型计算中，不应自动将一种测量方法替换为另一种。交流电阻适用于可重复的健康状态和荷电状态比较，而动态负载测试更能代表保护和功率输出行为。

同时测量负载电压和温度

当电阻数据与端电压、电流、DOD 和温度结合使用时，其价值最大。这使工程师能够确定电压下降主要是由电阻增长、极化、热效应还是质量传输限制引起的。

结果应该是一张性能图谱，而不仅仅是一个电阻数值。

理解权衡

单一电阻值很方便，但不完整

使用一个标称电阻简化了计算，但它可能掩盖了深度放电期间发生的剧烈上升。对于大电流负载、窄电压窗口以及需要全额定备用时间的系统，这尤其危险。

电阻曲线增加了测试工作量，但为系统设计提供了更可靠的依据。

交流测量可重复，但取决于应用

交流电阻对于电池比较和状态监测很有价值，但其结果取决于信号频率、幅度、温度和仪器。它可能无法重现秒级脉冲或持续直流负载期间的电压响应。

正确的测量方法是能够代表所分析系统事件的方法。

增加容量并不总能解决电压问题

增加并联容量可以减少每个电芯所需的电流，并能降低系统级的电压降。然而，它并不能消除深度放电电芯固有的电阻增加，且可能引入电流分配、保护和均衡方面的考量。

电池配置必须与负载曲线和切断要求一起评估。

必须考虑特定化学体系的行为

将通用的放电末期电阻曲线应用于每种电池类型可能会得出错误的结论。铅酸电池的平缓上升和镍镉电池的剧烈上升需要不同的采样密度、电压余量假设和放电末期模型。

为您的目标做出正确的选择

根据系统必须避免的故障模式选择电阻数据和测试方法。

• 如果您的主要重点是备用时间选型： 使用整个 DOD 范围内的负载电压和电阻数据，包括深度放电区域和所需的温度范围。
• 如果您的主要重点是熔断器和保护协调： 评估最低电阻、充满电条件下的最大故障电流，以及较高电阻、放电条件下的最小预期电流。
• 如果您的主要重点是脉冲功率能力： 在多个 DOD 和温度点执行动态电流阶跃或脉冲测试，而不是仅依赖小信号交流电阻。
• 如果您的主要重点是电池表征或健康监测： 在受控的频率、温度、静置时间和荷电状态条件下跟踪交流电阻，并使用特定化学体系的曲线解释趋势。
• 如果您的主要重点是大电流效率和热设计： 包含与电阻增长相关的 (I^2R) 损耗，并验证电芯温度保持在允许的工作范围内。

精确的电池系统设计需要反映化学体系、运行条件和应用实际电气需求的电阻-放电曲线。

总结表：

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