通過阻抗預(yù)測(cè)電池SOC的可行性研究

余 霞，徐彬斌

(深圳市福光動(dòng)力通信設(shè)備有限公司，廣東深圳518000)

電池的荷電狀態(tài)(SOC)是用來描述電池剩余電量的，是電池使用過程中的重要參數(shù)。由于受到諸多因素的影響，SOC的預(yù)測(cè)一直是困擾廠家和用戶的難題，目前常用SOC預(yù)測(cè)方法有開路電壓法、Ah計(jì)量法、內(nèi)阻法、阻抗法、阻抗譜法等，這些方法在精度上都受到質(zhì)疑[1]。本文主要通過鉛酸電池在各種工況下SOC和阻抗之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，研究阻抗法預(yù)測(cè)電池SOC的可行性。

電化學(xué)阻抗是一種利用小幅度交流電壓或電流對(duì)電極擾動(dòng)，進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試的方法[2-3]。如果將不同頻率交流阻抗數(shù)據(jù)作圖，隨頻率變化的曲線稱為電化學(xué)阻抗譜(EIS)，這種測(cè)試方法在電化學(xué)的單電極測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)很成熟[4]，在成品電池的SOC和SOH的預(yù)測(cè)中也有一些研究[5]。本文先通過對(duì)鉛酸電池阻抗譜的測(cè)試，選擇合適的頻率，再研究該頻率下電池的阻抗和電池SOC的關(guān)系。

電池的荷電狀態(tài)在不同文獻(xiàn)中的含義不完全相同，在本文中，SOC指在同樣的放電率下，電池的剩余容量與相同溫度相同放電率下電池初始容量的比值。

放電過程中：

SOC=放電狀態(tài)時(shí)電池剩余的容量/電池充足電時(shí)的容量充電過程中：

SOC=充電狀態(tài)時(shí)電池已經(jīng)充入的容量/電池充足電時(shí)的容量

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和原理

實(shí)驗(yàn)采用英國牛頓PSM1700頻率響應(yīng)分析儀測(cè)量電池阻抗，控制頻率響應(yīng)分析儀的source out端，使之輸出DC+AC信號(hào)至電子負(fù)載V_EXT端，從而使電池的電流成比例變化成DC+AC的電流波形。CH1與CH2采用交流耦合，采樣頻變的交流小信號(hào)；采用Chroma63203可編程直流電子負(fù)載。圖1為實(shí)驗(yàn)設(shè)備和原理圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和原理圖

1.2 選擇合適的頻率測(cè)試阻抗

測(cè)量同一電池(型號(hào)：LC-XA12100)不同頻率下的阻抗變化，結(jié)果如圖2，從圖中可以看出三次測(cè)得的結(jié)果重合性較好，且在100～1 000 Hz之間測(cè)得的數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，波動(dòng)較小。將100～1 000 Hz這段數(shù)據(jù)放大，結(jié)果見圖3，放大后的數(shù)據(jù)顯示，在這段范圍，阻抗比較平穩(wěn)，但仍有小幅波動(dòng)。由于頻譜儀測(cè)試結(jié)果有波動(dòng)，選擇單個(gè)頻率的值可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差，所以本文后面分析所提到的阻抗數(shù)據(jù)都是100～1 000 Hz的阻抗平均值。

圖2 不同頻率下電池阻抗

圖3 100～1 000 Hz頻率下的阻抗

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品

本次實(shí)驗(yàn)電池樣品使用Panasonic的LC-XA12100電池和Vision的6FM100HX電池。表1中是兩個(gè)型號(hào)實(shí)驗(yàn)電池的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)電池樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 測(cè)試放電過程中電池阻抗和SOC的關(guān)系

將充滿電的LC-XA12100電池和6FM100HX電池分別接上金帆uC-XCF100A/90V充放電機(jī)，環(huán)境溫度27℃，在開始放電前測(cè)試電池內(nèi)阻，然后開始以10 A放電，分別在放電2、4、6、8 h和EOD點(diǎn)(終止電壓1.8 V)測(cè)量電池阻抗，記錄電池的SOC和阻抗。

2.2 測(cè)試充電過程中電池阻抗和SOC的關(guān)系

將放電到終止電壓的LC-XA12100電池再按照恒壓2.35 V限流15 A充電16 h，充電前測(cè)量電池阻抗，開始充電后每隔1.0 h測(cè)量一次電池阻抗，記錄電池的SOC和阻抗。

2.3 測(cè)試溫度對(duì)電池阻抗的影響

將充滿電的LC-XA12100電池和6FM100HX電池放置在－20℃的溫箱中靜置12 h，確保電池內(nèi)部溫度和溫箱溫度一致，然后測(cè)量電池在－20℃環(huán)境下的阻抗值，再按照同樣的方法測(cè)量在－10、0、10、20、30、40、50 ℃下的電池阻抗。

2.4 測(cè)試放電倍率對(duì)電池SOC和阻抗關(guān)系的影響

將充滿電的LC-XA12100電池接上金帆uC-XCF100A/90V充放電機(jī)，環(huán)境溫度27℃，按照表2的條件進(jìn)行放電，并測(cè)量放電過程中電池的阻抗，記錄電池的SOC和阻抗。

表2 放電參數(shù)和阻抗測(cè)量頻率

3 結(jié)果與討論

3.1 放電過程中電池阻抗和SOC的關(guān)系

按照放電過程中電池阻抗和SOC的關(guān)系實(shí)驗(yàn)，測(cè)得電池SOC和阻抗值以及增加比例，見表3～表4，將其中的阻抗和SOC的關(guān)系繪成圖4。

表3 LC-XA12100電池放電過程中不同SOC下的阻抗

表4 6FM100HX電池放電過程中不同SOC下的阻抗

圖4 放電過程中電池阻抗和SOC的關(guān)系

由圖4可知，不同廠家型號(hào)的兩款電池，其SOC和阻抗的關(guān)系有相同的趨勢(shì)，即SOC越小，阻抗值越大，雖然同為標(biāo)稱12 V 100 Ah的電池，但兩者的阻抗絕對(duì)值并不相同，變化的幅度也不完全相同。電池SOC在0～40%時(shí)，阻抗隨著SOC的減少增幅很明顯，隨著電池SOC的增加，當(dāng)SOC在60%～100%時(shí)，隨著SOC的減少阻抗增幅很小。電池SOC從100%降到60%時(shí)，兩款電池的阻抗分別增加了5%和10%。

3.2 充電過程中電池SOC和阻抗的關(guān)系

按照充電過程中電池SOC和阻抗的關(guān)系實(shí)驗(yàn)，測(cè)得電池在充電過程中SOC和阻抗數(shù)值，見表5，將其中的阻抗和SOC的關(guān)系添加到圖1中作對(duì)比，繪成圖5。

表5 LC-XA12100電池充電過程中不同SOC的阻抗

圖5 電池在充電和放電時(shí)不同SOC下的阻抗對(duì)比

由圖5可知，同一款電池在充電過程中和放電過程中同樣的SOC對(duì)應(yīng)的阻抗值不同。在充電過程中，電池的阻抗也會(huì)隨著電池SOC增加而減少，但其變化幅度更小，SOC從40%增加到100%，電池阻抗只減少了4%。

3.3 溫度對(duì)電池阻抗測(cè)量值的影響

按照溫度對(duì)電池阻抗的影響實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的電池溫度和阻抗值以及阻抗增加比例見表6～表7，將其繪成圖6。

表6 LC-XA12100電池不同溫度下的阻抗

表7 6FM100HX電池不同溫度下的阻抗

圖6 電池不同溫度下的阻抗

由圖6可知，不同廠家型號(hào)的兩款電池有相同的阻抗變化趨勢(shì)，隨著溫度的降低電池阻抗增加，但在不同溫度下，其阻抗絕對(duì)值不同，隨著溫度的降低增加幅度也不同。環(huán)境溫度從－20℃升高到40℃，兩款電池的阻抗都有明顯降低。Vision的6FM100HX電池，溫度每降低10℃，阻抗平均升高約6.3%；Panasonic的LC-XA12100電池，溫度每降低10℃，阻抗平均升高約8.6%。

3.4 放電倍率對(duì)電池SOC和阻抗關(guān)系的影響

按照放電倍率對(duì)電池SOC和阻抗關(guān)系的影響實(shí)驗(yàn)，測(cè)得電池在不同放電倍率下的SOC和阻抗關(guān)系數(shù)值(表8)，將其中SOC和阻抗的關(guān)系繪成圖7。

圖7 不同放電率下電池SOC和阻抗的關(guān)系

不同倍率下放電時(shí)，在放電過程中，SOC小于40%時(shí)，阻抗差異比較大，阻抗雖然仍隨SOC減少而增大，但是絕對(duì)值不同增加幅度也不同。當(dāng)SOC大于40%時(shí)，不同倍率放電在相同SOC下電池的阻抗都比較接近，但隨著SOC的增加，阻抗增加幅度很小。

4 結(jié)論

在放電過程中，電池的阻抗會(huì)隨著SOC的減小而增加。電池SOC在0～40%時(shí)，阻抗隨著SOC的減少增幅很明顯，在SOC為60%～100%時(shí)，隨著SOC的減少阻抗增幅很小。實(shí)驗(yàn)的兩款電池SOC從100%降到60%，阻抗的增加都未超過10%。在充電過程中，電池的阻抗也會(huì)隨著電池SOC增加而減少，但其變化幅度更小。實(shí)驗(yàn)電池SOC從40%增加到100%，電池阻抗只減少了4%。

通過充電和放電過程中阻抗和SOC的關(guān)系對(duì)比，同一款電池在充電和放電過程中阻抗隨SOC的變化幅度不同。阻抗測(cè)量值受環(huán)境溫度影響較大，環(huán)境溫度越低阻抗越大。不同廠家型號(hào)的電池阻抗受溫度影響的程度不同。對(duì)比不同倍率放電時(shí)測(cè)量的阻抗隨SOC變化關(guān)系，都具有隨著SOC降低阻抗增加的特點(diǎn)，當(dāng)SOC大于40%時(shí)，各倍率放電過程中隨著SOC的降低阻抗增加的幅度都很小，幾組實(shí)驗(yàn)的電池SOC從100%～60%，阻抗的增加都未超過10%。

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在SOC大于60%時(shí)，通過測(cè)量阻抗預(yù)測(cè)電池的SOC是不可行的，因?yàn)橐话阃M電池的阻抗偏差在15%以內(nèi)[6]，而實(shí)驗(yàn)電池SOC從100%～60%，阻抗的變化都未超過10%；在SOC小于60%時(shí)，通過測(cè)量阻抗預(yù)測(cè)電池的SOC是可行的，但是由于受到溫度、放電倍率、充放電狀態(tài)的影響，即使在SOC小于60%時(shí)，通過測(cè)量阻抗預(yù)測(cè)電池的SOC也是一個(gè)復(fù)雜的工程，需要從多個(gè)維度考慮各參數(shù)對(duì)測(cè)量值的影響，建立完善的數(shù)據(jù)庫。

表8 不種放電倍率時(shí)不同SOC對(duì)應(yīng)阻抗

[1]林成濤，王軍平，陳全世.電動(dòng)汽車SOC估計(jì)方法原理與應(yīng)用[J].電池，2004(10)：376-378.

[2]崔曉莉，江志裕.交流阻抗譜的表示及應(yīng)用[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001(12)：53-61.

[3]曹楚南，張鑒清.電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2002：7.

[4]田昭武.電化學(xué)研究方法[M].北京：科學(xué)出版社，1984.

[5]HUET F.A review of impedance measurements for determination of the state of charge or state of health of secondary batteries[J].J Power Sources,1998,70(1):59-69.

[6]熊蘭英.YD/T 799-2010通信用閥控式密封鉛酸蓄電池[S].北京：人民郵電出版社，2010.