Die Kapazität in mAh erhält auf einem Datenblatt die ganze Aufmerksamkeit, doch der Innenwiderstand ist die Kenngröße, die im Stillen entscheidet, ob eine Batterie im echten Gerät funktioniert. Er bestimmt, wie weit die Spannung unter Last einbricht, wie viel Wärme ein Pack erzeugt, wie viele Ampere in einem Impuls lieferbar sind und wie gleichmäßig Zellen in einer Reihenschaltung altern. Bei hochstromigen Produkten — Elektrowerkzeuge, medizinische Pumpen, Motoren, Starterpacks — zählt der Innenwiderstand mehr als die Nennkapazität. Dieser Artikel erklärt, was der Innenwiderstand in einer NiMH-Zelle wirklich ist, wie Fabriken ihn messen und wie sich um den Spannungseinbruch und die entstehende Wärme herum konstruieren lässt.

Woher der Innenwiderstand stammt

Eine NiMH-Zelle ist keine ideale Spannungsquelle; der hindurchfließende Strom trifft auf mehrere Widerstandsanteile, üblicherweise gruppiert als:

• Ohmscher Widerstand — der elektronische Widerstand der Nickel-Schaum-Substrate, Stromableiter, Anschlussfahnen-Schweißungen sowie der ionische Widerstand von KOH-Elektrolyt und Separator. Dieser Anteil reagiert sofort wie ein herkömmlicher Widerstand.
• Durchtrittswiderstand (Charge-Transfer) — die kinetische Hemmschwelle der elektrochemischen Reaktionen an den Elektrodenoberflächen, abhängig von Katalysatoraktivität, Oberfläche und Temperatur.
• Diffusionswiderstand (Konzentration) — die langsamere Begrenzung durch Ionen und Wasserstoff auf dem Weg durch poröse Elektroden, die bei anhaltender Last zutage tritt.

Hochstrom-NiMH-Zellen gehen alle drei an: dünne, oberflächenreiche Elektroden verkürzen die Diffusionswege, hochleitfähige Schaum-Ableiter senken die ohmschen Verluste, und Elektrolytadditive halten die ionische Leitfähigkeit bei Kälte hoch.

Zwei Messverfahren in der Fabrik

Der Innenwiderstand ist zeitabhängig, daher gibt es zwei genormte Messverfahren, deren Werte nicht austauschbar sind:

• Wechselstrom-Innenwiderstand (ESR) bei 1 kHz — ein kleines Wechselsignal tastet die Zelle ab; bei 1 kHz können die langsamen Diffusionsprozesse nicht folgen, sodass der Wert hauptsächlich den ohmschen Anteil erfasst. Es ist schnell, zerstörungsfrei und das Standard-Sortierverfahren am Produktionsband (oft ACIR genannt). Eine hochwertige AA-NiMH-Zelle liegt typisch im Bereich weniger zehn Milliohm.
• Gleichstrom-Innenwiderstand (DCIR) — die Zelle wird zwischen zwei Entladeströmen gestuft und der Widerstand als ΔV/ΔI über ein definiertes Intervall berechnet (üblich einige zehn Millisekunden bis mehrere Sekunden). Längere Intervalle schließen Charge-Transfer- und Diffusionseffekte ein, daher ist DCIR meist höher als ACIR, aber näher an dem, was eine echte Last erfährt.

Beim Anbietervergleich vergleichen Sie dasselbe Verfahren: ein 1-kHz-ACIR-Wert lässt sich nicht einem 10-Sekunden-DCIR-Wert gegenüberstellen.

Rᵢ treibt den Spannungseinbruch

Die Klemmspannung einer Zelle unter Load folgt einer einfachen Beziehung: V_Klemme = V_Leerlauf − I × Rᵢ. Der Innenwiderstand wandelt Strom in einen sofortigen Spannungsabfall. Rechenbeispiel: Eine Zelle mit 20 mΩ Innenwiderstand, die einen 5-A-Impuls trägt, verliert sofort 0,10 V; zwei Zellen mit 40 mΩ verlieren unter demselben Impuls 0,20 V — der Unterschied zwischen einem Motor, der sauber anspringt, und einem, dessen Steuergerät in Unterspannung geht. Deshalb definieren sich Hochstromzellen ebenso über ihren Milliohm-Wert wie über ihre mAh.

Rᵢ wird zu Wärme

Derselbe Widerstandsabfall dissipiert Energie als Wärme mit der Rate P = I²R. Da die Wärme mit dem Quadrat des Stroms skaliert, vervierfacht eine Verdopplung des Laststroms die Widerstandserwärmung. Im Pack verstärkt sich diese Wärme: Die Temperatur steigt, Elektrolytleitfähigkeit und Elektrodenkinetik ändern sich, und beim Laden steuert die Rekombinationsreaktion weitere Wärme bei. Widerstandsarme Zellen und widerstandsarme Verbindungen sind daher das Fundament des Thermodesigns — sie halten ein Pack weit wirksamer kühl als eine nachträglich hinzugefügte Kühlung.

Wie Rᵢ mit SOC, Temperatur und Alter wandert

• Ladezustand — der Widerstand folgt einer flachen U-Form: bei Vollladung leicht erhöht, im mittleren SOC-Plateau am niedrigsten und nahe Leer deutlich steigend, wenn das Aktivmaterial erschöpft ist — die elektrische Signatur der Entladeknie.
• Temperatur — Kälte hebt Rᵢ drastisch an, wenn Elektrolytleitfähigkeit und Reaktionskinetik langsamer werden; weshalb hochstromige Kälteleistung spezielle Sorten verlangt; Wärme senkt Rᵢ, beschleunigt aber die Alterung.
• Alter und Zyklen — mit dem Altern der Zellen wachsen Korrosionsschichten, verteilt sich der Elektrolyt neu und degradiert die Elektrodenstruktur, sodass Rᵢ stetig klettert. Die Verfolgung des Widerstands über die Lebensdauer ist daher ein verlässlicher Gesundheitsindikator, und eine Wareneingangs-Rᵢ-Prüfung fängt schwache Zellen ab, bevor sie in ein Pack gelangen.

Konstruktion um den Innenwiderstand herum

• Spezifizieren Sie die Sorte, nicht nur die Kapazität — wählen Sie Hochstromzellen mit einem in die Spezifikation geschriebenen ACIR-Höchstwert.
• Matchen Sie Rᵢ, nicht nur mAh — Reihenschaltungen sollten aus Zellen aufgebaut werden, die in dasselbe enge Widerstandsband einsortiert sind, damit der Strom in jeder Zelle gleichen Einbruch erzeugt.
• Parallel zur Senkung des Packwiderstands — parallele Zellen teilen den Strom und halbieren den effektiven Widerstand; Reihenschaltung hebt die Spannung, ohne den Einbruch pro Zelle zu ändern.
• Minimieren Sie Verbindungsverluste — kurze, breite Mehrfachfahnen-Schweißungen und ausreichender Stromschienenquerschnitt vermeiden Milliohm, deren Beseitigung sich die Zellen erarbeitet haben.
• Validieren Sie am Impuls — prüfen Sie den Spannungseinbruch bei Ihrem ungünstigsten Strom und Temperatur und verifizieren Sie das Widerstandswachstum über die Zyklenlebensdauer, nicht nur an Tag-eins-Mustern.

Weijiang Power: widerstandsarme Zellen, enges Widerstands-Binning

Weijiang Power misst den Wechselstrom-Innenwiderstand an jeder Produktionszelle und bietet Standard- und Hochstrom-NiMH-Sorten mit niedrigen Milliohm-Werten und stabilem Widerstand über Temperatur und Lebensdauer. Unsere Packmontage nutzt optimierte Mehrfachfahnen-Schweißung und gematchtes Rᵢ-Binning, damit Reihenschaltungen unter Last gleichmäßig einbrechen und erwärmen. Teilen Sie uns Spitzen- und Dauerströme, Temperaturbereich und Abschaltspannung mit, und unsere Ingenieure wählen die Zellensorte und Packtopologie, die Spannung hoch und Temperatur niedrig halten.