通过阻抗预测电池SOC的可行性研究

余 霞，徐彬斌

(深圳市福光动力通信设备有限公司，广东深圳518000)

电池的荷电状态(SOC)是用来描述电池剩余电量的，是电池使用过程中的重要参数。由于受到诸多因素的影响，SOC的预测一直是困扰厂家和用户的难题，目前常用SOC预测方法有开路电压法、Ah计量法、内阻法、阻抗法、阻抗谱法等，这些方法在精度上都受到质疑[1]。本文主要通过铅酸电池在各种工况下SOC和阻抗之间关系的实验，研究阻抗法预测电池SOC的可行性。

电化学阻抗是一种利用小幅度交流电压或电流对电极扰动，进行电化学测试的方法[2-3]。如果将不同频率交流阻抗数据作图，随频率变化的曲线称为电化学阻抗谱(EIS)，这种测试方法在电化学的单电极测试领域应用已经很成熟[4]，在成品电池的SOC和SOH的预测中也有一些研究[5]。本文先通过对铅酸电池阻抗谱的测试，选择合适的频率，再研究该频率下电池的阻抗和电池SOC的关系。

电池的荷电状态在不同文献中的含义不完全相同，在本文中，SOC指在同样的放电率下，电池的剩余容量与相同温度相同放电率下电池初始容量的比值。

放电过程中：

SOC=放电状态时电池剩余的容量/电池充足电时的容量充电过程中：

SOC=充电状态时电池已经充入的容量/电池充足电时的容量

1 实验准备

1.1 实验设备和原理

实验采用英国牛顿PSM1700频率响应分析仪测量电池阻抗，控制频率响应分析仪的source out端，使之输出DC+AC信号至电子负载V_EXT端，从而使电池的电流成比例变化成DC+AC的电流波形。CH1与CH2采用交流耦合，采样频变的交流小信号；采用Chroma63203可编程直流电子负载。图1为实验设备和原理图。

图1 实验设备和原理图

1.2 选择合适的频率测试阻抗

测量同一电池(型号：LC-XA12100)不同频率下的阻抗变化，结果如图2，从图中可以看出三次测得的结果重合性较好，且在100～1 000 Hz之间测得的数据较为平稳，波动较小。将100～1 000 Hz这段数据放大，结果见图3，放大后的数据显示，在这段范围，阻抗比较平稳，但仍有小幅波动。由于频谱仪测试结果有波动，选择单个频率的值可能会导致结果出现偏差，所以本文后面分析所提到的阻抗数据都是100～1 000 Hz的阻抗平均值。

图2 不同频率下电池阻抗

图3 100～1 000 Hz频率下的阻抗

1.3 实验样品

本次实验电池样品使用Panasonic的LC-XA12100电池和Vision的6FM100HX电池。表1中是两个型号实验电池的基础数据。

表1 实验电池样品基础数据

2 实验

2.1 测试放电过程中电池阻抗和SOC的关系

将充满电的LC-XA12100电池和6FM100HX电池分别接上金帆uC-XCF100A/90V充放电机，环境温度27℃，在开始放电前测试电池内阻，然后开始以10 A放电，分别在放电2、4、6、8 h和EOD点(终止电压1.8 V)测量电池阻抗，记录电池的SOC和阻抗。

2.2 测试充电过程中电池阻抗和SOC的关系

将放电到终止电压的LC-XA12100电池再按照恒压2.35 V限流15 A充电16 h，充电前测量电池阻抗，开始充电后每隔1.0 h测量一次电池阻抗，记录电池的SOC和阻抗。

2.3 测试温度对电池阻抗的影响

将充满电的LC-XA12100电池和6FM100HX电池放置在－20℃的温箱中静置12 h，确保电池内部温度和温箱温度一致，然后测量电池在－20℃环境下的阻抗值，再按照同样的方法测量在－10、0、10、20、30、40、50 ℃下的电池阻抗。

2.4 测试放电倍率对电池SOC和阻抗关系的影响

将充满电的LC-XA12100电池接上金帆uC-XCF100A/90V充放电机，环境温度27℃，按照表2的条件进行放电，并测量放电过程中电池的阻抗，记录电池的SOC和阻抗。

表2 放电参数和阻抗测量频率

3 结果与讨论

3.1 放电过程中电池阻抗和SOC的关系

按照放电过程中电池阻抗和SOC的关系实验，测得电池SOC和阻抗值以及增加比例，见表3～表4，将其中的阻抗和SOC的关系绘成图4。

表3 LC-XA12100电池放电过程中不同SOC下的阻抗

表4 6FM100HX电池放电过程中不同SOC下的阻抗

图4 放电过程中电池阻抗和SOC的关系

由图4可知，不同厂家型号的两款电池，其SOC和阻抗的关系有相同的趋势，即SOC越小，阻抗值越大，虽然同为标称12 V 100 Ah的电池，但两者的阻抗绝对值并不相同，变化的幅度也不完全相同。电池SOC在0～40%时，阻抗随着SOC的减少增幅很明显，随着电池SOC的增加，当SOC在60%～100%时，随着SOC的减少阻抗增幅很小。电池SOC从100%降到60%时，两款电池的阻抗分别增加了5%和10%。

3.2 充电过程中电池SOC和阻抗的关系

按照充电过程中电池SOC和阻抗的关系实验，测得电池在充电过程中SOC和阻抗数值，见表5，将其中的阻抗和SOC的关系添加到图1中作对比，绘成图5。

表5 LC-XA12100电池充电过程中不同SOC的阻抗

图5 电池在充电和放电时不同SOC下的阻抗对比

由图5可知，同一款电池在充电过程中和放电过程中同样的SOC对应的阻抗值不同。在充电过程中，电池的阻抗也会随着电池SOC增加而减少，但其变化幅度更小，SOC从40%增加到100%，电池阻抗只减少了4%。

3.3 温度对电池阻抗测量值的影响

按照温度对电池阻抗的影响实验，测得的电池温度和阻抗值以及阻抗增加比例见表6～表7，将其绘成图6。

表6 LC-XA12100电池不同温度下的阻抗

表7 6FM100HX电池不同温度下的阻抗

图6 电池不同温度下的阻抗

由图6可知，不同厂家型号的两款电池有相同的阻抗变化趋势，随着温度的降低电池阻抗增加，但在不同温度下，其阻抗绝对值不同，随着温度的降低增加幅度也不同。环境温度从－20℃升高到40℃，两款电池的阻抗都有明显降低。Vision的6FM100HX电池，温度每降低10℃，阻抗平均升高约6.3%；Panasonic的LC-XA12100电池，温度每降低10℃，阻抗平均升高约8.6%。

3.4 放电倍率对电池SOC和阻抗关系的影响

按照放电倍率对电池SOC和阻抗关系的影响实验，测得电池在不同放电倍率下的SOC和阻抗关系数值(表8)，将其中SOC和阻抗的关系绘成图7。

图7 不同放电率下电池SOC和阻抗的关系

不同倍率下放电时，在放电过程中，SOC小于40%时，阻抗差异比较大，阻抗虽然仍随SOC减少而增大，但是绝对值不同增加幅度也不同。当SOC大于40%时，不同倍率放电在相同SOC下电池的阻抗都比较接近，但随着SOC的增加，阻抗增加幅度很小。

4 结论

在放电过程中，电池的阻抗会随着SOC的减小而增加。电池SOC在0～40%时，阻抗随着SOC的减少增幅很明显，在SOC为60%～100%时，随着SOC的减少阻抗增幅很小。实验的两款电池SOC从100%降到60%，阻抗的增加都未超过10%。在充电过程中，电池的阻抗也会随着电池SOC增加而减少，但其变化幅度更小。实验电池SOC从40%增加到100%，电池阻抗只减少了4%。

通过充电和放电过程中阻抗和SOC的关系对比，同一款电池在充电和放电过程中阻抗随SOC的变化幅度不同。阻抗测量值受环境温度影响较大，环境温度越低阻抗越大。不同厂家型号的电池阻抗受温度影响的程度不同。对比不同倍率放电时测量的阻抗随SOC变化关系，都具有随着SOC降低阻抗增加的特点，当SOC大于40%时，各倍率放电过程中随着SOC的降低阻抗增加的幅度都很小，几组实验的电池SOC从100%～60%，阻抗的增加都未超过10%。

基于上述实验结果，在SOC大于60%时，通过测量阻抗预测电池的SOC是不可行的，因为一般同组电池的阻抗偏差在15%以内[6]，而实验电池SOC从100%～60%，阻抗的变化都未超过10%；在SOC小于60%时，通过测量阻抗预测电池的SOC是可行的，但是由于受到温度、放电倍率、充放电状态的影响，即使在SOC小于60%时，通过测量阻抗预测电池的SOC也是一个复杂的工程，需要从多个维度考虑各参数对测量值的影响，建立完善的数据库。

表8 不种放电倍率时不同SOC对应阻抗

[1]林成涛，王军平，陈全世.电动汽车SOC估计方法原理与应用[J].电池，2004(10)：376-378.

[2]崔晓莉，江志裕.交流阻抗谱的表示及应用[J].上海师范大学学报：自然科学版，2001(12)：53-61.

[3]曹楚南，张鉴清.电化学阻抗谱导论[M].北京：科学出版社，2002：7.

[4]田昭武.电化学研究方法[M].北京：科学出版社，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]熊兰英.YD/T 799-2010通信用阀控式密封铅酸蓄电池[S].北京：人民邮电出版社，2010.