Krzywa rozładowania to najbardziej pouczający wykres w karcie katalogowej NiMH — i najczęściej błędnie odczytywany. Przedstawia napięcie ogniwa względem dostarczonej pojemności w miarę opróżniania baterii, a jej kształt zmienia się z prądem, temperaturą i wiekiem. Inżynierowie, którzy czytają ją poprawnie, wybierają lepsze ogniwa, ustawiają mądrzejsze odcięcia i unikają niespodzianek z czasem pracy wynikających z porównywania mAh podawanych w różnych warunkach testowych. Ten artykuł wyjaśnia, z czego zbudowana jest krzywa NiMH, jak prąd obciążenia ją przekształca i jak wykorzystać tę wiedzę w projektowaniu produktu.

Anatomia krzywej rozładowania NiMH

Świeżo naładowane ogniwo NiMH startuje pod obciążeniem blisko 1,35–1,40 V i przechodzi przez trzy rozpoznawalne obszary:

• Początkowy spadek i powrót — napięcie krótko spada po podłączeniu obciążenia, gdy ustala się wewnętrzna polaryzacja elektrochemiczna, a następnie w ciągu kilku sekund się stabilizuje.
• Płaskie plateau — przez większą część zakresu pojemności napięcie utrzymuje się blisko 1,2 V. Ta charakterystyczna płaskość pochodzi z dwufazowych reakcji w stanie stałym na obu elektrodach, których potencjały pozostają niemal stałe, dopóki materiał aktywny pozostaje po obu stronach każdej reakcji.
• Kolano i załamanie — gdy materiał aktywny się wyczerpie, napięcie wygina się w dół i szybko spada w stronę standardowego napięcia końcowego 1,0 V na ogniwo. Dalsze rozładowywanie poniżej tego punktu daje niewiele energii i obciąża ogniwo.

Szerokie, płaskie plateau jest dokładnie powodem, dla którego NiMH zasila urządzenia tak przewidywalnie: regulator widzi niemal stałe zasilanie przez 80–90 % czasu pracy.

C-rate: język prądu rozładowania

Prąd rozładowania wyrażany jest jako C-rate, znormalizowany do pojemności znamionowej ogniwa. Prąd referencyjny Iₜ równa się znamionowym amperogodzinom podzielonym przez jedną godzinę, więc ogniwo 2 000 mAh ma Iₜ = 2 000 mA:

• 0,2C (dla tego ogniwa 400 mA) to łagodne, pięciogodzinne rozładowanie — bliskie warunkowi, przy którym często podawana jest pojemność katalogowa.
• 1C opróżnia ogniwo w mniej więcej godzinę.
• 3C–10C to obszar wysokiego poboru dla narzędzi, silników i obciążeń impulsowych.

Jak prąd przekształca krzywą

Podnieś C-rate i jednocześnie dzieją się dwie rzeczy. Całe plateau przesuwa się w dół, ponieważ prąd płynący przez rezystancję wewnętrzną Rᵢ tworzy natychmiastowy spadek napięcia I × Rᵢ — widoczny jako większy początkowy spadek i niższe napięcie robocze. A kolano nadchodzi wcześniej: przy wysokim prądzie mniej teoretycznej pojemności da się wydobyć, zanim napięcie osiągnie odcięcie, więc dostarczone mAh spadają.

Ogniwo dostarczające pełne 2 000 mAh przy 0,2C może dostarczyć 1 900 przy 1C i 1 700 przy 3C. Dwóch dostawców podających ogniwa «2 000 mAh» nie da się porównać, o ile prąd znamionowy i napięcie odcięcia nie są identyczne — zawsze pytaj, przy jakim C-rate mierzono pojemność.

Efekt Peukerta: dlaczego pojemność zależy od prądu

Utrata dostępnej pojemności przy wysokim prądzie podlega zależności Peukerta, która opisuje, jak efektywna pojemność baterii kurczy się wraz ze wzrostem prądu rozładowania. Wykładnik Peukerta k kwantyfikuje efekt: im bliżej k jest wartości 1, tym bardziej pojemność jest niezależna od prądu. NiMH wypada tu dobrze, z k typowo około 1,05–1,15 — znacznie lepiej niż ołowiowo-kwasowe (ok. 1,3–1,6) i blisko ideału. W praktyce oznacza to, że NiMH niezwykle dobrze trzyma pojemność pod dużym obciążeniem, jeden z powodów, dla których pozostaje konkurencyjny w elektronarzędziach mimo większej gęstości litu.

Temperatura również przekształca krzywą

Rezystancja wewnętrzna gwałtownie rośnie na mrozie, ponieważ ruchliwość jonów w elektrolicie spada. Przy −20 °C plateau opada i kolano przesuwa się wcześniej nawet przy umiarkowanym prądzie, dlatego odmiany NiMH szerokotemperaturowe i wysokoprądowe wykorzystują zmodyfikowane elektrolity oraz cienkie elektrody o dużej powierzchni. Ciepło obniża rezystancję i podnosi krzywą, ale utrzymujące się ciepło przyspiesza starzenie — projektuj pod umiarkowaną temperaturę pracy, zamiast polegać na cieple maskującym niedowymiarowane ogniwa.

Odczytywanie krzywych na potrzeby projektowania produktu

• Wymiaruj pod najgorszy prąd — dobieraj pojemność na podstawie krzywej przy najwyższym trwałym C-rate i najniższej temperaturze pracy, a nie wartości 0,2C.
• Zaplanuj zapas regulatora — wejście silnika lub DC-DC pracujące do 1,0 V na ogniwo wydobędzie znacznie więcej pojemności niż odcinające przy 1,15 V; ustaw progi niskiego napięcia z uwzględnieniem spadku przy prądzie impulsowym.
• Oddziel impuls od pracy ciągłej — NiMH dobrze znosi krótkie impulsy wysokoprądowe; krzywa dla ciągu impulsów leży powyżej krzywej dla tego samego prądu utrzymanego w sposób ciągły.
• Porównuj dostawców w jednym teście — wymagaj krzywych przy tym samym prądzie, temperaturze i odcięciu 1,0 V; dopasowane warunki testowe biją marketingowe wartości mAh.
• Obserwuj ewolucję krzywej z wiekiem — w miarę cykli rosnąca rezystancja obniża i skraca krzywą; testy stanowiskowe postarzonych próbek przewidują rzeczywisty czas pracy na koniec życia.

Weijiang Power: ogniwa, których krzywe zachowują kształt

Weijiang Power klasyfikuje każde ogniwo NiMH na kontrolowanych kanałach ładowania/rozładowania i dostarcza krzywe rozładowania przy prądach i temperaturach faktycznie wykorzystywanych przez Twoją aplikację — od konsumenckich odmian 0,2C po wysokoprądowe ogniwa 5C–10C ze zoptymalizowanymi elektrodami i niską rezystancją. Ścisła klasyfikacja oznacza, że ogniwa w jednym pakiecie przez cały okres eksploatacji podążają za dopasowanymi krzywymi. Prześlij nam profil obciążenia, napięcie odcięcia i temperaturę pracy, a nasz zespół inżynierski poleci odmianę zapewniającą czas pracy obiecany przez produkt.