电池内阻、容量及荷电量之间的关系探讨

深圳市供电局有限公司 杨忠亮

深圳市普禄科智能检测设备有限公司 王汝钢、白海江

一、引言

VRLA蓄电池在正常情况下无酸雾和氢、氧气体排出，无需加水，且功率密度大，占用机房面积小，故而在电力、通信、铁路等行业得到了广泛的应用。由于电池可能在数月之内劣化而使无法提供所需的电量，因而不用费时费力核容放电的方法，定期到现场对电池对电池快速检测，或安装电池在线监测设备，及时找出坏的电池并进行处理或更换，对确保后备电源系统的安全可靠工作，具有重要的意义。

二、定义

1、额定容量（rating capacity）：电池生产厂家在电池上标识的电池容量，其单位是Ah。

2、容量（capacity）：表示电池充放电的能力，通常用电池完全充满电后，标准条件下（25℃，采用0.1C10恒流放电到1.8V截止电压）能够放出的电量表示，其单位是Ah。

容量是对蓄电池劣化状态的评估，是电池的放电能力，随着电池使用时间和延长，电池容量会不断减小。

3、荷电量（SOC：state of charge）：电池当前实际可以放出的电量，其单位可以是Ah，也可以是容量的百分比。荷电量SOC在国内也有不同的叫法，如充电状态、剩余电量等

荷电量（SOC）是电池某一时刻电池的充电状态，反映的是电池的此时所载有的电量。

由于电池自放电，即使在浮充状态下，个别实际电池可能并未完全充满电，即荷电量小于100%，此时蓄电池的容量并不等于荷电量（SOC）。

4、健康状态（SOH：state of health）：电池在要求的时间周期内（不仅在现在而且在将来）能可靠地为负载供电。电池的健康状态SOH可以用电池的容量与额定容量的百分比定量地表示。

三、电池模型

蓄电池是一个极为复杂的系统，其放电及充电反应是复杂的化学及电化学过程，真正决定蓄电池容量及荷电量的是电池的化学和电化学状态。图1是电池的Thevenin数学模型，其中各参数的数值可以用多频点蓄电池测量技术测得。

图1：电池的Thevenin数学模型

在电池的数学模型中各参数含义如下：

E：蓄电池电动势，数据上等于二氧化铅电极与铅电极电势之差，与电解液浓度有关；

R1：蓄电池欧姆电阻，包括极板、极柱、溶液、隔膜的电阻及接触电阻，与极板微孔隙的数量和孔径大小（电池的硫酸化造成极板微孔隙的数量和孔径减小而使电阻增加）、隔膜饱和度（电池失水造成隔膜饱和度下降而使电阻增加）、温度（温度降低使电阻增加）等因素有关；

R2：蓄电池极化电阻，包括电化学极化和浓差极化的电阻；

C2：极板双电层电容，包括正极板双电层电容的和负极板的双电层电容。

四、处于浮充状态的电池各参数与电池容量、荷电量的关系

1、电池内阻（R1欧姆电阻）与电池容量的关系

电池容量反映电池的劣化状态。随着电池使用时间和延长，电池容量会不断减小。大量的研究和统计都表明，对于VRLA铅酸蓄电池，造成电池劣化的主要原因是失水、硫酸化、极板腐蚀、热失控，并且电池的劣化程度与电池的内阻不明显的对应关系。

在1992年和1993年国际能源会议的相关论文中，对蓄电池的浮充电压、内阻与电池容量的相关性作了详细的论证，论文作者测试了1200多个电信部门、UPS系统和铁路信号设施的VRLA电池。

图2：浮充压电与电池容量的关系

（1）电池电压与电池容量的关系

实践中发现，通过浮充电压进行VRLA电池检测时，检测结果存在一定误差，甚至有浮充电压正常但放电时出现严重故障的情况。图2对电池的数据用方框法分析148节电池浮充电压和容量的相互关系，结果表明，预测有容量缺陷（＜80%）的电池成功率为0/146=0%。

可见，在放电过程中测量电池的电压，可以预测电池的容量，而电池浮充电压与容量无明显相关性，对浮充的电池进行电压监测来预测电池的容量，虽然必要，但也是不可靠的。

（2）电池内阻与电池容量的关系

图3（a）分析了电池内阻（电导）与容量的相关性，相关系数为0.86。

图3（b）用方框法分析336节电池内阻和容量的相互关系，可知，总的成功率为（259+36）/336=88%（好+坏），识别有容量缺陷的电池（＜80%）的电池成功率为（259）/（259+6）=98%。

可见，电池电池内阻（电导）与电池的容量具有明显的相关性，内阻高的电池容量差，可以作为现场快速检测及判断电池好坏的指标。

为确保变电站直流系统的安全性，应加强对蓄电池的内阻测试工作，蓄电池内阻的在线监测可以监测到蓄电池内阻的变化趋势，是早期发现落后电池的有力措施。

IEEE1186、1188中明确规定，如果电池内阻大幅度（20%或以上）偏离初装值或整组平均值，应对该电池进行进一步测试，如仍达不到要求，则应更换。

2、电池内阻（R1欧姆电阻）与电池荷电量（SOC）的关系

图4：电池内阻与电池荷电量（SOC）的关系

图4是对电池放电过程中不断测试内阻，得到的电池内阻与电池荷电量（SOC）的关系，从图中可以看到，在电池放电有前期阶段，电池的内阻基本不变，只有到放电快结束时，电池的荷电量（SOC）小于20%时，电池的内阻才有明显变化。

五、电池的荷电量（SOC）与电池的电压U、欧姆电阻R1、极化电阻R2、双电层电容C2的关系

图5：蓄电池放电及充电过程中R1、R2、C2、U、I的变化

图5是对不同厂家、有同容量电池进行充放电试验，过程中采用多频点蓄电池测试技术不断测试蓄电池的电压U、欧姆电阻R1、极化电阻R2、双电层电容C2。

可见，电池双电层电容C2对电池荷电量SOC是极为敏感的，可以作为估算电池SOC的指标；蓄电池极化电阻R2对充电过程的化学反应很敏感，可以作为电池充满电的标志，防止电池过充时的水解反应而降低电池的使用寿命。

根据此实验结果，可以制作电池荷电量（SOC）检测及监测仪器，用于今后变电站的电池状态预测及评估。也可以用于站用充电机均充、浮充等条件的转换，对电池的维护有极其重要的意义。

六、结论

1、电池电池内阻与电池的容量具有明显的相关性，内阻大的电池容量差，可以作为现场快速检测及判断电池好坏的指标。

2、电池荷电量SOC与电池的内阻无明显的关系，特别是在SOC大于50%的情况下。但作为判断电池的荷电量（SOC）小于20% 的条件，是切实可行的。

3、在浮充条件下，仅凭电压来判断电池的好坏是不可行的。

4、根据电池的模型及多频点测试方法，对电池的荷电量（SOC）及容量进行预测是切实可行的。