通過阻抗預(yù)測電池SOC的可行性研究

余 霞，徐彬斌

(深圳市福光動力通信設(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)測一直是困擾廠家和用戶的難題，目前常用SOC預(yù)測方法有開路電壓法、Ah計量法、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)系的實驗，研究阻抗法預(yù)測電池SOC的可行性。

電化學阻抗是一種利用小幅度交流電壓或電流對電極擾動，進行電化學測試的方法[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阻抗譜(EIS)，這種測試方法在電化學的單電極測試領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)很成熟[4]，在成品電池的SOC和SOH的預(yù)測中也有一些研究[5]。本文先通過對鉛酸電池阻抗譜的測試，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)時電池剩余的容量/電池充足電時的容量充電過程中：

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

1 實驗準備

1.1 實驗設(shè)備和原理

實驗采用英國牛頓PSM1700頻率響應(yīng)分析儀測量電池阻抗，控制頻率響應(yīng)分析儀的source out端，使之輸出DC+AC信號至電子負載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；采用Chroma63203可編程直流電子負載。圖1為實驗設(shè)備和原理圖。

圖1 實驗設(shè)備和原理圖

1.2 選擇合適的頻率測試阻抗

測量同一電池(型號：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得的結(jié)果重合性較好，且在100～1 000 Hz之間測得的數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，波動較小。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。由于頻譜儀測試結(jié)果有波動，選擇單個頻率的值可能會導致結(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 實驗樣品

本次實驗電池樣品使用Panasonic的LC-XA12100電池和Vision的6FM100HX電池。表1中是兩個型號實驗電池的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1 實驗電池樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2 實驗

2.1 測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，環(huán)境溫度27℃，在開始放電前測試電池內(nèi)阻，然后開始以10 A放電，分別在放電2、4、6、8 h和EOD點(終止電壓1.8 V)測量電池阻抗，記錄電池的SOC和阻抗。

2.2 測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，充電前測量電池阻抗，開始充電后每隔1.0 h測量一次電池阻抗，記錄電池的SOC和阻抗。

2.3 測試溫度對電池阻抗的影響

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，然后測量電池在－20℃環(huán)境下的阻抗值，再按照同樣的方法測量在－10、0、10、20、30、40、50 ℃下的電池阻抗。

2.4 測試放電倍率對電池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，環(huán)境溫度27℃，按照表2的條件進行放電，并測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)系實驗，測得電池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，不同廠家型號的兩款電池，其SOC和阻抗的關(guān)系有相同的趨勢，即SOC越小，阻抗值越大，雖然同為標稱12 V 100 Ah的電池，但兩者的阻抗絕對值并不相同，變化的幅度也不完全相同。電池SOC在0～40%時，阻抗隨著SOC的減少增幅很明顯，隨著電池SOC的增加，當SOC在60%～100%時，隨著SOC的減少阻抗增幅很小。電池SOC從100%降到60%時，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)系實驗，測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不同SOC下的阻抗對比

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對應(yīng)的阻抗值不同。在充電過程中，電池的阻抗也會隨著電池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 溫度對電池阻抗測量值的影響

按照溫度對電池阻抗的影響實驗，測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，不同廠家型號的兩款電池有相同的阻抗變化趨勢，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 放電倍率對電池SOC和阻抗關(guān)系的影響

按照放電倍率對電池SOC和阻抗關(guān)系的影響實驗，測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，在放電過程中，SOC小于40%時，阻抗差異比較大，阻抗雖然仍隨SOC減少而增大，但是絕對值不同增加幅度也不同。當SOC大于40%時，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，電池的阻抗會隨著SOC的減小而增加。電池SOC在0～40%時，阻抗隨著SOC的減少增幅很明顯，在SOC為60%～100%時，隨著SOC的減少阻抗增幅很小。實驗的兩款電池SOC從100%降到60%，阻抗的增加都未超過10%。在充電過程中，電池的阻抗也會隨著電池SOC增加而減少，但其變化幅度更小。實驗電池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。不同廠家型號的電池阻抗受溫度影響的程度不同。對比不同倍率放電時測量的阻抗隨SOC變化關(guān)系，都具有隨著SOC降低阻抗增加的特點，當SOC大于40%時，各倍率放電過程中隨著SOC的降低阻抗增加的幅度都很小，幾組實驗的電池SOC從100%～60%，阻抗的增加都未超過10%。

基于上述實驗結(jié)果，在SOC大于60%時，通過測量阻抗預(yù)測電池的SOC是不可行的，因為一般同組電池的阻抗偏差在15%以內(nèi)[6]，而實驗電池SOC從100%～60%，阻抗的變化都未超過10%；在SOC小于60%時，通過測量阻抗預(yù)測電池的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，通過測量阻抗預(yù)測電池的SOC也是一個復雜的工程，需要從多個維度考慮各參數(shù)對測量值的影響，建立完善的數(shù)據(jù)庫。

表8 不種放電倍率時不同SOC對應(yīng)阻抗

[1]林成濤，王軍平，陳全世.電動汽車SOC估計方法原理與應(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].上海師范大學學報：自然科學版，2001(12)：53-61.

[3]曹楚南，張鑒清.電化學阻抗譜導論[M].北京：科學出版社，2002：7.

[4]田昭武.電化學研究方法[M].北京：科學出版社，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.