電池內阻、容量及荷電量之間的關系探討

深圳市供電局有限公司 楊忠亮

深圳市普祿科智能測試設備有限公司 王汝鋼、白海江

一、引言

VRLA蓄電池在正常情況下無酸霧和氫、氧氣體排出，無需加水，且功率密度大，占用機房面積小，故而在電力、通信、鐵路等行業得到了廣泛的使用。由于電池可能在數月之內劣化而使無法提供所需的電量，因而不用費時費力核容放電的辦法，定期到現場對電池對電池快速測試，或安裝電池在線監測設備，及時找出壞的電池并進行解決或更換，對確保后備電源系統的安全可靠工作，具有緊要的意義。

二、定義

1、額定容量（rating capacity）：電池加工廠家在電池上標識的電池容量，其單位是Ah。

2、容量（capacity）：表示電池充放電的能力，通常用電池完全洋溢電后，標準條件下（25℃，采用0.1C10恒流放電到1.8V截止電壓）能夠放出的電量表示，其單位是Ah。

容量是對蓄電池劣化狀態的評估，是電池的放電能力，隨著電池使用時間和延長，電池容量會不斷減小。

3、荷電量（SOC：state of charge）：電池當前實際可以放出的電量，其單位可以是Ah，也可以是容量的百分比。荷電量SOC在國內也有不同的叫法，如充電狀態、剩余電量等

荷電量（SOC）是電池某一時刻電池的充電狀態，反映的是電池的此時所載有的電量。

由于電池自放電，即使在浮充狀態下，個別實際電池可能并未完全洋溢電，即荷電量小于100%，此時蓄電池的容量并不等于荷電量（SOC）。

4、健康狀態（SOH：state of health）：電池在要求的時間周期內（不僅在今朝而且在未來）能可靠地為負載供電。電池的健康狀態SOH可以用電池的容量與額定容量的百分比定量地表示。

三、電池模型

蓄電池是一個極為復雜的系統，其放電及充電反應是復雜的化學及電化學過程，真正決定蓄電池容量及荷電量的是電池的化學和電化學狀態。圖1是電池的Thevenin數學模型，其中各參數的數值可以用多頻點蓄電池測量技術測得。

圖1：電池的Thevenin數學模型

在電池的數學模型中各參數含義如下：

E：蓄電池電動勢，數據上等于二氧化鉛電極與鉛電極電勢之差，與電解液濃度有關；

R1：蓄電池歐姆電阻，包括極板、極柱、溶液、隔膜的電阻及接觸電阻，與極板微孔隙的數量和孔徑大小（電池的硫酸化造成極板微孔隙的數量和孔徑減小而使電阻增加）、隔膜飽和度（電池失水造成隔膜飽和度下降而使電阻增加）、溫度（溫度降低使電阻增加）等因素有關；

R2：蓄電池極化電阻，包括電化學極化和濃差極化的電阻；

C2：極板雙電層電容，包括正極板雙電層電容的和負極板的雙電層電容。

四、處于浮充狀態的電池各參數與電池容量、荷電量的關系

1、電池內阻（R1歐姆電阻）與電池容量的關系

電池容量反映電池的劣化狀態。隨著電池使用時間和延長，電池容量會不斷減小。大量的研究和統計都聲明，對于VRLA鉛酸電池，造成電池劣化的主要原由是失水、硫酸化、極板腐蝕、熱失控，并且電池的劣化程度與電池的內阻不分明的對應關系。

在1992年和1993年國際能源會議的相關論文中，對蓄電池的浮充電壓、內阻與電池容量的相關性作了具體的論證，論文作者探測了1200多個電信部門、UPS系統和鐵路信號設施的VRLA電池。

圖2：浮充壓電與電池容量的關系

（1）電池電壓與電池容量的關系

踐行中發現，通過浮充電壓進行VRLA電池測試時，測試結果存在一定誤差，甚至有浮充電壓正常但放電時出現嚴重故障的情況。圖2對電池的數據用方框法分解148節電池浮充電壓和容量的相互關系，結果聲明，預測有容量缺陷（＜80%）的電池成功率為0/146=0%。

可見，在放電過程中測量電池的電壓，可以預測電池的容量，而電池浮充電壓與容量無分明相關性，對浮充的電池進行電壓監測來預測電池的容量，雖然必要，但也是不可靠的。

（2）電池內阻與電池容量的關系

圖3（a）分解了電池內阻（電導）與容量的相關性，相關系數為0.86。

圖3（b）用方框法分解336節電池內阻和容量的相互關系，可知，總的成功率為（259+36）/336=88%（好+壞），識別有容量缺陷的電池（＜80%）的電池成功率為（259）/（259+6）=98%。

可見，電池電池內阻（電導）與電池的容量具有分明的相關性，內阻高的電池容量差，可以作為現場快速測試及判斷電池好壞的指標。

為確保變電站直流系統的安全性，應增強對蓄電池的內阻探測工作，蓄電池內阻的在線監測可以監測到蓄電池內阻的變化趨勢，是早期發現落后電池的有力措施。

IEEE1186、1188中明確規定，如果電池內阻大幅度（20%或以上）偏離初裝值或整組均勻值，應對該電池進行進一步探測，如仍達不到要求，則應更換。

2、電池內阻（R1歐姆電阻）與電池荷電量（SOC）的關系

圖4：電池內阻與電池荷電量（SOC）的關系

圖4是對電池放電過程中不斷探測內阻，得到的電池內阻與電池荷電量（SOC）的關系，從圖中可以看到，在電池放電有前期階段，電池的內阻基本不變，惟有到放電快結束時，電池的荷電量（SOC）小于20%時，電池的內阻才有分明變化。

五、電池的荷電量（SOC）與電池的電壓U、歐姆電阻R1、極化電阻R2、雙電層電容C2的關系

圖5：蓄電池放電及充電過程中R1、R2、C2、U、I的變化

圖5是對不同廠家、有同容量電池進行充放電實驗，過程中采用多頻點蓄電池探測技術不斷探測蓄電池的電壓U、歐姆電阻R1、極化電阻R2、雙電層電容C2。

可見，電池雙電層電容C2對電池荷電量SOC是極為敏感的，可以作為估算電池SOC的指標；蓄電池極化電阻R2對充電過程的化學反應很敏感，可以作為電池洋溢電的標志，戒備電池過充時的水解反應而降低電池的使用壽命。

依據此試驗結果，可以制作電池荷電量（SOC）測試及監測儀器，用于今后變電站的電池狀態預測及評估。也可以用于站用充電機均充、浮充等條件的轉換，對電池的維護有極其緊要的意義。

六、結論

1、電池電池內阻與電池的容量具有分明的相關性，內阻大的電池容量差，可以作為現場快速測試及判斷電池好壞的指標。

2、電池荷電量SOC與電池的內阻無分明的關系，特別是在SOC大于50%的情況下。但作為判斷電池的荷電量（SOC）小于20% 的條件，是切實可行的。

3、在浮充條件下，僅憑電壓來判斷電池的好壞是不可行的。

4、依據電池的模型及多頻點探測辦法，對電池的荷電量（SOC）及容量進行預測是切實可行的。

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