資料 | 蓄電池內(nèi)阻與容量、荷電態(tài)的關(guān)系分析

rongs8wp6qc9jq 2018-08-03

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主要參考：桂長清，柳瑞華《蓄電池內(nèi)阻與容量的關(guān)系》通信電源技術(shù) 2011年1月，詳情請查看原文

　蓄電池內(nèi)阻與容量之間的關(guān)系其中有兩種含義：電池內(nèi)阻跟額定容量的關(guān)系，以及同一型號電池的內(nèi)阻跟荷電態(tài)SOC的關(guān)系。

備注：SOC，全稱是State of Charge，荷電狀態(tài)，也叫剩余電量，代表的是電池使用一段時間或長期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示。其取值范圍為0~1，當(dāng)SOC=0時表示電池放電完全，當(dāng)SOC=1時表示電池完全充滿。

１　閥控密封鉛酸蓄電池

（１）蓄電池的內(nèi)阻跟荷電態(tài)的關(guān)系

１９９２年ＤａｖｉｄＯＦｅｄｅｒ發(fā)表了用ＭｉｄｔｒｏｎｉｃＣｅｌｌｔｒｏｎａｎｄＭｉｄｔｒｏｎ電導(dǎo)測試儀對閥控密封鉛酸蓄電池（ＶＲＬＡ）的測試和統(tǒng)計結(jié)果。

圖1可以看出，它們之間存在線性相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)Ｒ２＝０．８２５。由此有人提出對于在線使用的閥控密封鉛酸蓄電池，可以用測得的電導(dǎo)值去推測它們的剩余容量。

但是：我國標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定ＶＲＬＡ的容量必須保證在８０％以上方可在線使用，低于８０％就是失效電池，應(yīng)該更換。也就是說，若用在線使用的蓄電池測得的電導(dǎo)值去推測它的剩余容量，必須觀察電池容量在８０％以上時電池的電導(dǎo)跟容量之間是否存在線性相關(guān)關(guān)系。然而眾多實驗事實和統(tǒng)計結(jié)果都表明了此條件下不存在上述關(guān)系。

筆者觀點：不同時期不同作者采用不同的方法對不同型式的鉛酸蓄電池內(nèi)阻進行測試的結(jié)果都表明，不論是開口式或密封式鉛蓄電池、不論是用交流阻抗法或電導(dǎo)儀測試法（它是簡化了的阻抗測試儀）、不論測量用的交流信號的頻率或幅度如何，雖然測得的同一型號鉛蓄電池內(nèi)阻值有差異，但它們都有一個共同點：鉛蓄電池的荷電態(tài)在４０％以上時，其內(nèi)阻或電導(dǎo)幾乎沒有變化，只是在低于３０％時，其內(nèi)阻值才迅速上升。這就是何以荷電態(tài)高于８０％的電池其容量和電導(dǎo)（內(nèi)阻倒數(shù)）之間不存在線性相關(guān)關(guān)系的根本原因。

?。ǎ玻╇姵貎?nèi)阻跟額定容量的關(guān)系

表１是ＹＤ∕Ｔ１３６０－２００５《通信用閥控式密封膠體蓄電池》中列出的各種型號電池的內(nèi)阻值的上限值。由該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的內(nèi)阻測試方法可知，該內(nèi)阻值中包含了電池的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。

　由表１數(shù)據(jù)可以看出：額定容量越大的電池，其內(nèi)阻值就越小。根據(jù)歐姆定律，導(dǎo)體電阻是跟其長度成正比，跟其橫截面積成反比。電池的額定容量越大，電池內(nèi)全部連接件以及板柵筋條的截面積就越大，因而電池的內(nèi)阻就越小。另一方面，由于極板的放電容量跟極板的面積成正比，所以電池的額定容量越大，其內(nèi)阻就越低。

２　鋰離子電池

鋰離子電池的正極材料多是一些氧化物或鹽類，例如現(xiàn)在常用的ＬｉＦｅＰＯ４，它們本身的電子導(dǎo)電性比金屬要差；再者鋰離子導(dǎo)電性受鋰離子在材料晶格中擴散速度的影響，加之采用了有機物作電解質(zhì)溶劑，這些因素決定了鋰離子電池的內(nèi)阻比較大，使其高功率輸出時比能量迅速下降。圖３示出國內(nèi)某廠家在產(chǎn)品說明書中提供的鋰離子電池芯的內(nèi)阻分布情況?？梢钥闯觯姵厝萘吭酱?，其內(nèi)阻越小。８～１０Ａｈ的單電池芯的內(nèi)阻有約１５ｍΩ，它比同容量的閥控式密封鉛酸蓄電池內(nèi)阻要大，后者１０?。粒枞萘侩姵貑胃駜?nèi)阻只有３～４ｍΩ。溫度降低，鋰離子電池內(nèi)阻迅速增大，二者的差別更大。

圖３　單體鋰離子電池芯的內(nèi)阻的分布

在文獻［４］中給出１５０Ａｈ／３．２Ｖ的Ｃ／ＬｉＦｅＰＯ４單電池內(nèi)阻為１．０～１．４ｍΩ。折算到１０Ａｈ以后，就跟圖３所提供的數(shù)據(jù)基本是一致的。該文獻作者同時還觀察到，在２０℃～５０℃溫度范圍內(nèi)鋰離子電池內(nèi)阻基本上保持不變，但在０℃時，電池內(nèi)阻增大１倍；在－１０℃時內(nèi)阻增大２倍以上。這顯然跟鋰離子電池采用了有機物作電解質(zhì)溶劑有關(guān)。電池用大電流放電時其內(nèi)阻稍有下降，這跟大電流放電時電池溫度有所升高有關(guān)。

此外，作者還觀察到電池荷電態(tài)ＳＯＣ在５０％以上時，電池內(nèi)阻幾乎保持不變；但ＳＯＣ在４０％以下時，電池內(nèi)阻就迅速升高。這種規(guī)律性跟ＶＲＬＡ電池是一致的?？磥硪膊荒苡脙?nèi)阻值來定量判斷鋰離子電池的荷電態(tài)。