내부 저항이란 무엇입니까?

내부 저항은 배터리 내 전류 흐름에 대한 반대 현상으로, 재료의 옴 저항과 전기화학 공정의 분극 저항으로 구성됩니다. 이는 작동 중에 전압 강하를 일으키고 배터리가 노후화됨에 따라 전압이 증가하여 성능, 효율성 및 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

이러한 저항은 재료-전극, 전해질, 분리막 및 연결부-가 완벽한 도체가 아니기 때문에 모든 배터리에 존재합니다. 전류가 배터리를 통해 흐를 때 일부 전기 에너지는 장치에 전원을 공급하는 대신 열로 변환되며, 이러한 에너지 손실은 내부 저항으로 인해 발생합니다.

배터리 시스템에서 내부 저항이 작동하는 방식

배터리는 단순한 전압원 이상의 역할을 합니다. Thévenin의 정리에 따르면 모든 실제 배터리는 내부 저항과 직렬로 연결된 이상적인 전압 소스로 모델링될 수 있습니다. 이 모델은 부하 시 배터리 전압이 떨어지는 이유를 설명합니다.{2}}내부 저항은 생성된 전압의 일부를 소비합니다.

배터리의 개방{0}}전압(부하 없음)을 측정하면 기전력(EMF)이 표시됩니다. 해당 배터리를 장치에 연결하면 단자 전압이 즉시 떨어집니다. 이 두 값의 차이는 내부 저항에 의해 소비되는 전압을 나타냅니다. 관계는 옴의 법칙을 따릅니다. 즉, 전압 강하는 전류에 내부 저항(V=IR)을 곱한 것과 같습니다.

12V EMF 및 0.02Ω 내부 저항이 200A를 소비하는 배터리의 경우 내부 전압 강하는 4V에 도달하고 단자에는 8V만 남습니다. 이러한 극적인 감소는 고전류 애플리케이션의 전압 저하를 설명하고 내부 저항이 많은 사람들이 인식하는 것보다 더 중요한 이유를 설명합니다.

내부저항의 구성요소

내부 저항은 단일 현상이 아닙니다.-배터리 상태에 따라 다르게 반응하는 여러 저항 유형이 결합되어 있습니다.

옴 저항

옴 저항은 배터리 재료의 직접적인 전기 저항을 나타냅니다. 이는 다음에서 발생합니다.

전자저항: 전극재료, 집전체, 내부접속부의 저항률. 금속조차도 결정 결함, 불순물 및 도체 격자 내의 전자 충돌로 인해 불완전하게 전도됩니다.

이온 저항: 전해질과 분리막을 통한 이온 이동에 반대됩니다. 전해질 전도성, 이온 이동성 및 분리막 투과성이 모두 기여합니다. 이 구성 요소는 전류 흐름에 즉각적으로 반응하고 옴의 법칙을 정확하게 따릅니다.

새로운 AA 알카라인 배터리는 일반적으로 실온에서 옴 저항이 0.15Ω이고, 이온 이동성이 감소하면 이온 저항이 증가하므로 -40도에서 0.9Ω으로 점프합니다. 40도에서는 전해질 확산계수가 증가함에 따라 약 0.1Ω으로 떨어진다.

분극 저항

분극 저항은 충전 및 방전 중 전기화학 공정에서 나타납니다. 옴 저항과 달리 배터리 작동 방식에 따라 동적으로 변경됩니다.

전기화학적 분극: 전류가 흐를 때 전극 표면의 전기화학적 반응에는 활성화 에너지가 필요합니다. 배터리는 전극과 전해질 사이의 전자 이동을 위한 에너지 장벽을 극복하기 위해 추가 전압을 할당해야 합니다. 이 분극은 마이크로초 규모로 형성되며 전류가 감소하면 감소합니다.

농도 양극화: 배터리가 방전됨에 따라 전해질 내에서 이온 농도 구배가 발생합니다. 전극 근처 영역은 고갈되는 반면 다른 영역은 더 높은 농도를 유지합니다. 이온이 농도 구배에 대해 이동해야 하므로 이러한 불균형으로 인해 확산 임피던스가 생성됩니다. 농도 분극은 몇 초에 걸쳐 발생하며 고전류 방전 중에 상당한 저항 성분을 나타냅니다.-

이러한 분극 효과는 특히 높은 방전율로 인해 상당한 농도 구배가 발생하는 리튬{0}}이온 차량 배터리에서 저항 저항을 초과할 수 있습니다.

내부 저항리튬이온 자동차 배터리

리튬{0}}이온 자동차 배터리는 전기 자동차 성능에 직접적인 영향을 미치는 고유한 내부 저항 특성을 나타냅니다. 이러한 배터리는 크기와 고전류 애플리케이션에 최적화된 설계로 인해 일반적으로 셀당 1mΩ 미만의 내부 저항을 유지합니다.-

리튬{0}이온 셀의 내부 저항은 0%에서 약 270mΩ부터 70% 충전 상태에서 250mΩ까지 다양한 충전 상태에서 비교적 균일하게 유지됩니다-. 이러한 안정성은 충전 수준에 따라 저항이 급격하게 변동하는 니켈- 기반 배터리와 뚜렷한 대조를 이룹니다.

그러나 노화는 리튬-이온 내부 저항에 큰 영향을 미칩니다. 배터리가 사이클됨에 따라 고체 전해질 간기(SEI)라고 불리는 보호층이 전극 위에 쌓입니다. 이 SEI 레이어는 내부 저항을 증가시키고 배터리 상태를 나타내는 신뢰할 수 있는 지표 역할을 합니다. 내부 저항이 기준치보다 상당히 높아지면 수명이 다했다는 신호입니다.--수명 종료 상태입니다.

전기 자동차의 경우 이 저항은 다음에 직접적인 영향을 미칩니다.

드라이빙 레인지: 내부 저항이 높을수록 추진력이 아닌 열로 더 많은 에너지가 변환됩니다. 내부 저항이 두 배로 늘어난 배터리는 일반적인 주행 조건에서 유효 주행 거리의 15~20%를 잃을 수 있습니다.

피크 전력 공급: 차량 가속은 고전류 펄스를 전달하는 배터리의 능력에 따라 달라집니다.- 저항이 증가하면 전류 흐름이 제한되어 사용 가능한 전력이 줄어듭니다. 저항이 50mΩ인 EV 배터리는 200mΩ인 EV 배터리보다 훨씬 더 높은 가속도를 제공합니다.

열 관리: 저항-으로 인해 발생하는 열은 활성 냉각 시스템이 필요합니다. 생성된 열은 I²R과 동일하므로 저항이 높을수록 냉각 요구 사항과 에너지 소비가 증가합니다.

충전 속도: 내부 저항은 빠른-충전 속도를 제한합니다. 저항이 높으면 충전 중에 과도한 전압 상승이 발생하므로 충전 컨트롤러는 과전압 상태를 방지하기 위해 전류를 줄여야 합니다.

내부 저항에 영향을 미치는 요인

다양한 변수가 내부 저항 값에 영향을 미쳐 다양한 조건에서 배터리 성능을 결정하는 복잡한 상호 작용을 생성합니다.

온도 영향

온도는 이온 이동성과 화학 반응 속도에 미치는 영향을 통해 내부 저항을 크게 변화시킵니다. 낮은 온도는 전해질을 통한 이온 이동을 느리게 하여 이온 저항을 증가시킵니다. -20도에서 리튬{2}}이온 셀은 25도에서 측정된 저항의 2~3배를 나타낼 수 있습니다.

뜨거운 온도는 일반적으로 이온 이동성과 반응 역학을 향상시켜 저항을 감소시킵니다. 그러나 과도한 열은 배터리 소재의 품질을 저하시키고, 결과적으로 노화가 가속화되어-장기 저항이 증가합니다.

충전 상태

다양한 배터리 화학 성분은 충전 상태 전반에 걸쳐 뚜렷한 저항 패턴을 보여줍니다. 리튬-이온 배터리는 20%~80% 충전 상태에서 상대적으로 일정한 저항을 유지하며 극한 전압에서만 저항이 증가합니다.

니켈-금속-수소 배터리는 훨씬 더 높은 저항 변화를 나타냅니다. 완전 방전 직후와 완전 충전 직후에 최대 저항을 나타냅니다. 최적의 성능은 충전 후 몇 시간 동안 휴식을 취한 후 농도 구배가 동일해지면 나타납니다.

연령 및 주기 수

배터리 노화는 여러 성능 저하 메커니즘을 통해 내부 저항을 증가시킵니다.

리튬-이온 양극의 SEI 층 두꺼워짐

전해질 분해 감소 전도성

전극재료 구조변화

전극의 활물질 손실

연결 시 접촉 저항 증가

새로운 리튬{0}}이온 셀은 30mΩ에서 시작하여 1000사이클 후에 80-100mΩ까지 올라갈 수 있습니다. 초기 저항이 150%를 초과하면 일반적으로 용량이 정격 값의 80% 미만으로 떨어졌음을 나타냅니다.

방전율

전류 소모는 분극 효과를 통해 측정된 저항에 영향을 미칩니다. 방전율이 높을수록 농도 구배가 커지고 전기화학적 분극이 더욱 심해집니다. 이러한 동적 저항으로 인해 배터리는 1C 방전에서 40mΩ을 표시할 수 있지만 5C 방전에서는 65mΩ을 표시할 수 있습니다.

내부 저항 측정

정확한 내부 저항 측정을 위해서는 다양한 테스트 방법과 해당 응용 분야를 이해해야 합니다.

AC 임피던스 방법(AC-IR)

AC 방법은 작은 교류 신호({0}}일반적으로 1kHz 주파수-)를 적용하고 전압 응답을 측정합니다. 이 고주파-주파수 신호는 주로 오믹 저항을 측정합니다. 왜냐하면 분극 효과가 이러한 시간 척도에서 완전히 발생하지 않기 때문입니다.

AC{0}}IR 테스트의 장점:

배터리에-비파괴적

빠른 측정(밀리초)

일관되고 반복 가능한 결과

생산 테스트를 위한 표준 방법

1kHz 주파수는 느린 전기화학적 프로세스를 피하면서 옴 저항을 포착하기 때문에 선택되었습니다. 그러나 이는 분극 저항이 완전히 포착되지 않기 때문에 AC-IR 값이 DC 측정보다 낮게 나타남을 의미합니다.

전기 자동차 생산에 사용되는 배터리 테스터는 다양한 저항 구성 요소의 특성을 더 잘 특성화하기 위해 다양한 주파수(100Hz ~ 10kHz)에서 측정하는 경우가 많습니다. 전기화학적 임피던스 분광학의 나이퀴스트 플롯은 오믹, 전하 이동 및 확산 저항을 분리할 수 있습니다.

DC 저항 방식(DC-IR)

DC 방법은 정전류 펄스(일반적으로 2~3초)를 적용하고 전압 강하를 측정합니다. 이는 발생하는 모든 분극 효과를 포함하여 총 내부 저항을 포착합니다.

DC-IR 측정 프로세스:

기록적인 개방-회로 전압(V₁)

정전류 부하(I) 적용

안정화 후 부하전압 기록(V₂)

계산: R=(V₁ - V2) / I

이 방법은 실제 배터리 작동 중에 경험하는 저항을 보여주므로 성능 예측에 더 적합합니다. 그러나 높은 테스트 전류는 소형 배터리에 부담을 줄 수 있으며 전극 분극은 측정 오류를 방지하기 위해 정확한 타이밍이 필요합니다.

실제 예: 무부하 3.8V, 20A 부하 하에서 3.5V를 나타내는 배터리의 내부 저항은 (3.8 - 3.5) / 20=0.015Ω 또는 15mΩ입니다.

펄스 테스트

고급 테스트는 전류 수준에 따라 저항이 어떻게 변하는지 특성화하기 위해 다양한 속도로 여러 전류 펄스를 적용합니다. 이 기술은 작동 범위 전반에 걸쳐 배터리의 전체 저항 프로필을 매핑합니다.

일반적인 펄스 테스트 시퀀스에는 다음이 포함될 수 있습니다.

1C 속도에서 5초 펄스

3C 속도에서 5초 펄스

5C 속도에서 10초 펄스

각각에 대한 전압 응답 기록

이 데이터는 저항이 전류에 따라 선형적으로 증가하는지 아니면 심각한 분극 효과를 나타내는 비선형 동작을 나타내는지 보여줍니다.

배터리 성능에 미치는 영향

내부 저항은 사용자가 직접 경험하는 배터리 동작의 기본 측면을 결정합니다.

런타임 및 용량

내부 저항이 높을수록 일정한 전력 부하에서 런타임이 단축됩니다. 배터리가 전류를 공급할 때 내부 저항은 부하에 전력을 공급하는 전압을 소비합니다. 저항이 증가하면 단자 전압이 더 빨리 떨어지고 차단 전압에 더 일찍 도달합니다.

휴대폰 배터리에 대한 연구는 이를 극적으로 보여주었습니다. 용량 정격은 동일하지만 내부 저항이 다른 3개의 배터리를 시뮬레이션된 GSM 부하에서 테스트했습니다.

니켈{0}}카드뮴(155mΩ): 3C 방전에서 통화 시간 120분

리튬{0}}이온(320mΩ): 3C 방전에서 통화 시간 50분

니켈-금속-수소화물(778mΩ): 3C 방전에서 작동 실패

니켈-메탈-수소 배터리는 장시간 통화에 적합한 용량을 갖추고 있음에도 불구하고 과도한 내부 저항으로 인해 충분한 전류를 공급하지 못했습니다. 높은 저항으로 인해 전화기의 작동 임계값 아래로 전압 강하가 발생했습니다.

효율성과 발열

저항은 줄 효과(P=I²R)를 통해 전기 에너지를 열로 변환합니다. 이는 애플리케이션에 전력을 공급할 수 있었던 순수한 폐기물-에너지가 열로 소멸되는 것을 나타냅니다.

총 저항이 50mΩ이고 200A를 소모하는 리튬{0}}이온 차량 배터리의 경우:

발열량=(200A)² × 0.05Ω=2000W

이 지속적인 2kW 열 부하에는 상당한 냉각이 필요합니다.

저항이 100mΩ으로 두 배 증가하면 열 발생은 4kW로 증가하여 냉각 요구 사항이 두 배로 늘어나고 차량 효율이 감소합니다. 열은 에너지를 낭비할 뿐만 아니라 작동 온도 상승으로 인해 배터리 성능 저하를 가속화합니다.

전력 성능

최대 전력 공급은 내부 저항에 따라 크게 달라집니다. 배터리의 최대 전력 출력은 부하 저항이 내부 저항과 같을 때 발생합니다(임피던스 매칭). 그러나 이 동작점은 배터리 전력의 50%를 내부적으로 열로 낭비한다.

실제 애플리케이션은 효율성을 위해 더 높은 부하 저항에서 작동하지만 내부 저항은 여전히 ​​전달 가능한 전력의 상한을 설정합니다. 전기 자동차 가속의 경우 배터리 내부 저항은 모터가 최대 토크에 충분한 전류를 받는지 여부를 결정합니다.

400V 및 20mΩ 내부 저항을 갖춘 배터리 팩은 이론적으로 8MW의 피크 전력을 잠시 제공할 수 있습니다. 80mΩ 저항을 가진 동일한 팩은 2MW로 떨어지며-성능이 75% 감소합니다.

내부 저항을 최소화하는 방법

내부 저항을 이해하면 설계 및 운영 수준 모두에서 최적화 전략이 가능해집니다.

배터리 디자인 개선

재료 선택: 극성이 낮고 전도성이 높은-전극 재료를 사용합니다. 단결정-양극 소재, 고-니켈 배합 및 최적화된 탄소 첨가제는 모두 저항을 감소시킵니다.

전해질 최적화: 저-점도 전해액을 사용하여 이온 전도도가 높아 이온 저항을 최소화합니다. 고급 첨가제는 습윤성과 이온 전달을 향상시킵니다.

전극 구조: 전극이 얇아져 확산거리가 줄어듭니다. 최적화된 집전체 설계로 전자 저항을 최소화합니다. 적절한 압축은 밀도와 이온 이동성의 균형을 유지합니다.

분리막 기술: 더 얇은 분리막과 높은 다공성으로 저항을 줄이면서 안전성을 유지합니다. 세라믹- 코팅 분리막은 과도한 저항 증가 없이 열 안정성을 향상시킵니다.

운영 전략

온도 조절: 배터리를 최적의 온도 범위(대부분의 리튬-이온의 경우 15-35도) 내로 유지하세요. 능동적인 열 관리는 저온-온도 저항 증가와 열로 인한 노화를 방지합니다.

요금 관리: 극심한 전압 상태를 피하십시오. 스트레스로 인한 저항 증가를 최소화하려면 가능하면 배터리 충전 상태를 20-80% 사이로 유지하세요.

현재 한도: 등급-요율 사양을 준수합니다. 과도한 방전율은 분극을 발생시키고 성능 저하를 가속화합니다. 수명을 연장하려면 지속 방전을 1~2C 속도로 제한하세요.

휴식시간: 무거운 부하 후에는 농도 구배가 균등해지도록 합니다. 농도 분극이 사라지면서 30~60초 동안 휴식을 취한 후 전압이 크게 회복됩니다.

유지보수 및 모니터링

스마트 배터리 관리 시스템은 상태 지표로서 내부 저항을 지속적으로 모니터링합니다. 저항 값이 상승하면 성능이 눈에 띄게 저하되기 전에 경고가 발생합니다.

배터리 팩의 경우 셀 매칭이 중요합니다. 개별 셀에 높은 저항이 발생하면 병목 현상이 발생하여 팩 성능이 제한됩니다. 정기적인 테스트를 통해 약한 셀이 전체 팩에 영향을 미치기 전에 식별합니다.

적절한 연결 유지 관리를 통해 접촉 저항이 추가되는 것을 방지할 수 있습니다. 대형 차량 배터리 팩의 경우 느슨한 연결로 인해 성능에 큰 영향을 미칠 만큼-수 밀리옴이 추가될 수 있습니다. 정기적인 검사와 토크 검증을 통해 낮은-저항 연결을 유지합니다.

건강 지표로서의 내부 저항

배터리 상태(SoH)는 내부 저항과 밀접한 상관관계가 있습니다. 배터리가 오래됨에 따라 용량은 감소하고 저항은 증가합니다.-두 가지 모두 성능 저하를 나타냅니다. 내부 저항은 건강 평가에 이점을 제공합니다.

비-침습적: 저항 측정에는 완전 방전 주기가 아닌 짧은 전류 펄스만 필요합니다.빠른: 용량 테스트의 경우 몇 시간이 아닌 몇 초 만에 결과 확인 가능예민한: 상당한 용량 손실이 발생하기 전에 저항 변화가 나타나는 경우가 많습니다.예측: 저항 추세는 잔여 수명을 예측합니다.

연구에 따르면 내부 저항은 처음 100주기의 데이터를 사용하여 95% 이상의 정확도로 배터리 수명 종료를 -예측할 수 있는 것으로 나타났습니다. 저항 역학에 대해 훈련된 기계 학습 모델은 용량-기반 예측보다 성능이 뛰어납니다.

리튬-이온 배터리의 경우 수명이 다할 때까지(가속되면)--주기 횟수에 따라 저항이 대략 선형적으로 증가합니다. 30mΩ에서 시작하는 새로운 셀은 500사이클에서 50mΩ, 1000사이클에서 100mΩ에 도달한 후 1200사이클에서 150mΩ으로 가속될 수 있습니다.

업계 표준은 일반적으로 배터리 수명-을-남은 용량의 80% 또는 초기 내부 저항의 200% 중 먼저 발생하는 것으로 정의합니다. 많은 배터리는 용량 임계값 이전에 저항 임계값에 도달하므로 저항은 보다 보수적인 상태 지표로 사용됩니다.

자주 묻는 질문

AC와 DC 내부 저항의 차이점은 무엇입니까?

AC 내부 저항은 분극 효과가 발생하지 않는 고주파수 신호(일반적으로 1kHz)를 사용하여 주로 저항 저항을 측정합니다.- DC 내부 저항은 지속적인 전류 부하를 적용하여 분극을 포함한 전체 저항을 포착합니다. DC 값은 동적 분극 저항을 포함하기 때문에 일반적으로 AC 값을 20~50% 초과합니다.

내부 저항이 증가한 후 감소할 수 있습니까?

구조적 저하가 발생하면-SEI 층 성장, 활물질 손실 또는 전해질 분해-저항 증가는 영구적입니다. 그러나 농도 분극, 저온 또는 오염으로 인한 일시적인 저항 증가는 때때로 적절한 컨디셔닝 주기 또는 열처리를 통해 되돌릴 수 있습니다. 보수 작업 중 전해질을 새로 교체하면 일부 성능이 복원될 수 있습니다.

일부 배터리는 사용 중에 따뜻해지는 이유는 무엇입니까?

내부 저항으로 인해 열이 발생하면 방전 중에 배터리가 따뜻해집니다. 열로 소산되는 전력은 전류 곱하기 저항(I²R)의 제곱과 같습니다. 방전 전류가 높을수록 기하급수적으로 더 많은 열이 발생합니다. 0.1Ω 저항으로 10A를 소모하는 배터리는 10W의 열을 발생시키며-몇 분 내에 배터리를 눈에 띄게 따뜻하게 할 수 있습니다.

내부 저항은 현실적으로 얼마나 낮아질 수 있나요?

물리학은 재료 전도성과 전기화학적 동역학을 기반으로 근본적인 한계를 부과합니다. 최신 리튬{1}}이온 차량 셀은 최적화된 설계를 통해 20-30mΩ을 달성합니다. 추가 감소에는 획기적인 재료나 근본적으로 다른 셀 아키텍처가 필요합니다. 현재 기술 한계를 기준으로 이론적 최소값은 약 10-15mΩ입니다.

참고자료

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히오키 주식회사. 리튬-이온 배터리 내부 저항 테스트