蓄电池内阻与容量的关系

　２０１１年１月２５日第２８卷第１期 Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　 Ｊａｎ．２５，２０１１，Ｖｏｌ．２８　Ｎｏ．１ 收稿日期：２０１０－０８－２１ 作者简介：桂长清（１９３８－），男，中船７１２研究所原总工程师， １９６４年复旦大学电化学专业研究生毕业。荣获国务院颁发的 政府特殊津贴，主要从事化学电源的研究和。 文章编号：１００９－３６６４（２０１１）０１－００３２－０３ 新能源 蓄电池内阻与容量的关系 桂长清，柳瑞华 （中船重工第７１２研究所，湖北 武汉４３００６４） 　　摘要：蓄电池的内阻跟额定容量有关。荷电态ＳＯＣ高于５０％时，阀控密封铅酸蓄电池、锂离子电池、金属氢化物镍 电池、镉镍蓄电池、锌镍电池的内阻都是保持不变的；只是ＳＯＣ低于４０％以下时，它们的内阻才很快升高。 关键词：蓄电池；电池内阻；荷电态；容量 中图分类号：ＴＭ９１２ 文献标识码：Ａ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　Ｃａｐａｃｉｔｙ　ｆｏｒ　Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ＧＵＩ　Ｃｈａｎｇ－ｑｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｒｕｉ－ｈｕａ （Ｃｈｉｎａ　Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　Ｎｏ．７１２　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ　４３００６４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｗａｓ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｒａｔｅｄ　ｃａｐａｃｉｔｙ．Ｗｈｉｌｅ　ＳＯＣ＞５０％，ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓ　ｆｏｒ ＶＲＬＡ、Ｌｉ－ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｙ、ＭＨ－Ｎｉ、Ｃｄ－Ｎｉ　ａｎｄ　Ｚｎ－Ｎｉ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｗｅｒｅ　ｎｏｔ　ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ　ａｌｍｏｓｔ；ａｓ　ＳＯＣ＜４０％，ｔｈｅｉｒ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｒｅｓｉｓｔ－ ａｎｃｅｓ　ｗｏｕｌｄ　ｒｉｓｅ　ｒａｐｉｄｌｙ． Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂａｔｔｅｒｙ；ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ；ｃａｐａｃｉｔｙ 　　蓄电池内阻与容量之间的关系其中有两种含义： 电池内阻跟额定容量的关系，以及同一型号电池的内 阻跟荷电态ＳＯＣ的关系。十多年前人们曾经试图利 用阀控密封铅酸蓄电池内阻（或电导）的变化去在线检 测电池的容量和预测电池寿命，但却未能如愿；近来随 着电动汽车和电动助力车产业的发展，人们对动力电 池的大电流放电能力提出了越来越高的要求，这就要 求尽可能降低电池内阻。因而本文将进一步探索和阐 明一些常用蓄电池内阻与容量之间的内在关系。 １　阀控密封铅酸蓄电池 当前阀控密封铅酸蓄电池已逐步取代开口式流动 电解液铅酸蓄电池，广泛用于邮电通信电源、ＵＰＳ、储 能电源系统等。动力型阀控密封铅酸蓄电池不仅已广 泛用于电动助力车，而且近来又向轻型电动汽车大力 进军。这些领域都要求在线检测蓄电池的荷电态。 （１）蓄电池的内阻跟荷电态的关系 蓄电池的荷电态ＳＯＣ指的是电池可以放出的容 量跟其额定容量的比。这一数据对邮电通信电源系统 和正在使用的动力电池组十分重要。 １９９２年Ｄａｖｉｄ　Ｏ　Ｆｅｄｅｒ发表了用 Ｍｉｄｔｒｏｎｉｃ　Ｃｅｌｌ－ ｔｒｏｎ　ａｎｄ　Ｍｉｄｔｒｏｎ电导测试仪对阀控密封铅酸蓄电池 （ＶＲＬＡ）的测试和统计结果［１］。图１示出了３３６块１ ０００Ａｈ密封铅酸蓄电池用２６３　Ａ放电至１．８０　Ｖ的放 电时间跟电池电导（内阻的倒数）的分布。可以看出， 它们之间存在线性相关关系，其相关系数Ｒ２＝０．８２５。 由此有人提出对于在线使用的阀控密封铅酸蓄电池， 可以用测得的电导值去推测它们的剩余容量。虽然十 多年前本人从客观实际出发已多次对这一观点提出了 否定的看法［２］，而后被众多的同行专家所认可。但今 天仍有一些人没做过试验不假思索地引用上述已经过 时的观点，因而重提一下上述观点的‘症结’。 图１　密封铅酸蓄电池电导与放电时间的关系 （１　０００　Ａｈ电池，２６３　Ａ放电到１．８０　Ｖ） 　　从图１的统计数据可以看出上述观点是有一定道 理的。但应当看到，上述结果是将放电时间接近于０ 至１００％的全部铅酸蓄电池都统计进去得到的，其中 ８０％电池的容量是低于８０％的。可是我国中规 定ＶＲＬＡ的容量必须保证在８０％以上方可在线使 用，低于８０％就是失效电池，应该更换。也就是说，若 用在线使用的蓄电池测得的电导值去推测它的剩余容 量，必须观察电池容量在８０％以上时电池的电导跟容 量之间是否存在线性相关关系。然而众多实验事实和 统计结果都表明了此条件下不存在上述关系。 笔者在以前的工作［３］中已经阐明了：不同时期不 同作者采用不同的方法对不同型式的铅酸蓄电池内阻 ·２３· 　　　 ２０１１年１月２５日第２８卷第１期 桂长清 等：　 蓄电池内阻与容量的关系 Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊａｎ．２５，２０１１，Ｖｏｌ．２８　Ｎｏ．１ 进行测试的结果都表明，不论是开口式或密封式铅蓄 电池、不论是用阻抗法或电导仪测试法（它是简化 了的阻抗测试仪）、不论测量用的交流信号的频率或幅 度如何，虽然测得的同一型号铅蓄电池内阻值有差异， 但它们都有一个共同点：铅蓄电池的荷电态在４０％以 上时，其内阻或电导几乎没有变化，只是在低于３０％ 时，其内阻值才迅速上升。这就是何以荷电态高于８０ ％的电池其容量和电导（内阻倒数）之间不存在线性相 关关系的根本原因。 最近我们用阶跃电流测试技术测取了动力型阀控密 封铅酸蓄电池的欧姆内阻（见图２），结果又一次表明，电 池的荷电态在３０％以上时，其欧姆内阻几乎是不变的。 图２　６ＤＺＭ１０电池欧姆内阻跟荷电态的关系 　　（２）电池内阻跟额定容量的关系 电池的额定容量指的是电池有关标准或技术说明 中规定的，在一定的条件下电池必须保证放出的最 低容量。通常就是用额定容量来表示电池的大小。 表１是ＹＤ∕Ｔ１３６０－２００５《通信用阀控式密封胶 体蓄电池》中列出的各种型号电池的内阻值的上限值。 由该标准中规定的内阻测试方法可知，该内阻值中包 含了电池的欧姆内阻和极化内阻。 表１　通信用阀控式密封胶体蓄电池内阻 电 池 型 号 内 阻／ｍΩ 电 池 型 号 内 阻／ｍΩ ６－ＧＦＭＪ－５０ ≤１５　 ＧＦＭＪ－４２０ ≤１．３０ ６－ＧＦＭＪ－６５ ≤１４　 ＧＦＭＪ－４９０ ≤１．２５ ６－ＧＦＭＪ－８５ ≤１３　 ＧＦＭＪ－６００ ≤１．２０ ６－ＧＦＭＪ－１００ ≤１２　 ＧＦＭＪ－８００ ≤１．１５ ６－ＧＦＭＪ－１２０ ≤１１　 ＧＦＭＪ－１０００ ≤１．１０ ６－ＧＦＭＪ－１５０ ≤１０　 ＧＦＭＪ－１２００ ≤１．００ ６－ＧＦＭＪ－２００ ≤９　 ＧＦＭＪ－１５００ ≤０．９ ＧＦＭＪ－２００ ≤１．５　 ＧＦＭＪ－２０００ ≤０．８ ＧＦＭＪ－２５０ ≤１．４５　 ＧＦＭＪ－２５００ ≤０．７ ＧＦＭＪ－３００ ≤１．４０　 ＧＦＭＪ－３０００ ≤０．５ ＧＦＭＪ－３５０ ≤１．３５ 　　由表１数据可以看出：额定容量越大的电池，其内阻 值就越小。根据欧姆定律，导体电阻是跟其长度成正比， 跟其横截面积成反比。电池的额定容量越大，电池内全 部连接件以及板栅筋条的截面积就越大，因而电池的内 阻就越小。另一方面，由于极板的放电容量跟极板的面 积成正比，所以电池的额定容量越大，其内阻就越低。 ２　锂离子电池 锂离子电池的正极材料多是一些氧化物或盐类， 例如现在常用的ＬｉＦｅＰＯ４，它们本身的电子导电性比 金属要差；再者锂离子导电性受锂离子在材料晶格中 扩散速度的影响，加之采用了有机物作电解质溶剂，这 些因素决定了锂离子电池的内阻比较大，使其高功率 输出时比能量迅速下降。图３示出国内某厂家在产品 中提供的锂离子电池芯的内阻分布情况。可以 看出，电池容量越大，其内阻越小。８～１０　Ａｈ的单电 池芯的内阻有约１５　ｍΩ，它比同容量的阀控式密封铅 酸蓄电池内阻要大，后者１０　Ａｈ容量电池单格内阻只 有３～４　ｍΩ。温度降低，锂离子电池内阻迅速增大，二 者的差别更大。 图３　单体锂离子电池芯的内阻的分布 　　在文献［４］中给出１５０　Ａｈ／３．２　Ｖ的Ｃ／ＬｉＦｅＰＯ４ 单电池内阻为１．０～１．４　ｍΩ。折算到１０　Ａｈ以后，就 跟图３所提供的数据基本是一致的。该文献作者同时 还观察到，在２０℃～５０℃温度范围内锂离子电池内 阻基本上保持不变，但在０℃时，电池内阻增大１倍； 在－１０℃时内阻增大２倍以上。这显然跟锂离子电 池采用了有机物作电解质溶剂有关。电池用大电流放 电时其内阻稍有下降，这跟大电流放电时电池温度有 所升高有关。此外，作者还观察到电池荷电态ＳＯＣ 在５０％以上时，电池内阻几乎保持不变；但ＳＯＣ在 ４０％以下时，电池内阻就迅速升高。这种规律性跟 ＶＲＬＡ电池是一致的。看来也不能用内阻值来定量 判断锂离子电池的荷电态。 ３　金属氢化物∕镍电池（ＭＨ－Ｎｉ） 由于 ＭＨ－Ｎｉ电池采用的薄极板面积大、电阻小， 并且电解质的导电性也好，因而 ＭＨ－Ｎｉ电池内阻小。 圆柱形 ＭＨ－Ｎｉ电池（４／３Ａ型电池）内阻与放电深度 的关系如图４所示［５］。可以看出，内阻在大部分放电 时间内保持相对稳定，在接近放电终点时，即ＳＯＣ＜ ２０％，内阻很快升高。阻抗测量结果表明［６］：电池放 电中前期，正极欧姆内阻随放电过程而增大，但负极则 减小；当放电量达到８０％以上时，正极阻抗迅速增大， 导致电池内阻迅速增大。因而不能根据电池内阻去判 断金属氢化物∕镍电池的荷电状态。 　　此外，文献［７］也观察到同样的规律性，即当ＳＯＣ ＞４０％时，７　Ａｈ的ＭＨ－Ｎｉ电池内阻保持５　ｍΩ不变， ＳＯＣ＜２０％时，内阻开始上升。 ·３３· 　２０１１年１月２５日第２８卷第１期 Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　 Ｊａｎ．２５，２０１１，Ｖｏｌ．２８　Ｎｏ．１ 图４　ＭＨ／Ｎｉ电池内阻与放电深度的关系 ４　其它蓄电池 （１）锌镍电池（Ｚｎ－Ｎｉ电池） 在文献［８］中报道了５００　ｍＡｈ的密封Ｚｎ－Ｎｉ电池 的内阻跟荷电态ＳＯＣ的关系。当ＳＯＣ＞２０％时，电 池内阻保持４０　ｍΩ不变；ＳＯＣ＜２０％时，内阻开始上 升。这一规律是跟阀控密封铅酸蓄电池、锂离子电池、 金属氢化物镍电池内阻的变化是一致的。 （２）镉镍蓄电池（Ｃｄ－Ｎｉ电池） 镉镍蓄电池的欧姆内阻一般较小，如充电态的袋 式电池１００　Ａｈ的高倍率、中部率和低倍率电池的直 流欧姆电阻分别为０．４　ｍΩ、１　ｍΩ和２　ｍΩ。高倍率 电池的设计不同于一般的动力电池，它的极板很薄，片 数较多，使放电电流密度可以在大电流放电时仍然不 高，每片上的活性物质较少，利用率较高，因而电池容 量可以得到保证。但是要切记，这是以大幅度降低电 池使用寿命为代价的，会使电池使用寿命缩短几倍甚 至于十几倍。动力电池是在保证电池使用寿命的前提 下来减小电池内阻，提高电池大电流放电能力的。 １００　Ａｈ中倍率镉镍蓄电池内阻为０．４　ｍΩ，由于 该电池内阻与额定容量的乘积近似为定值，即电池内 阻与额定容量近似成反比，那么１０　Ａｈ中倍率镉镍蓄 电池内阻应当为４　ｍΩ。这一数值跟动力型阀控密封 铅酸蓄电池６ＤＺＭ１０内阻２０　ｍΩ相当，后者由６个单 电池串联组成，那么每个１０Ａｈ动力型阀控密封铅酸 蓄电池只有３．４　ｍΩ。 各种型号的密封Ｃｄ－Ｎｉ电池的内阻跟ＳＯＣ的关 系与Ｚｎ－Ｎｉ电池相同，即当ＳＯＣ＞２０％时，电池内阻 保持不变，ＳＯＣ＜２０％时，内阻开始上升［５］。 （３）锌银蓄电池 锌银蓄电池的内阻在充放电过程中的变化跟其他 蓄电池不同：放完电的电池在充入电量达到３０％前， 电池的内阻几乎不变，仍然很小；在充入电量达到４０ ％ ～５０％时，电池的内阻很快增大；在充入电量达到 ５０％以上时，电池的内阻又很快下降，直到电池充足 电为止，电池的内阻保持不变，但充完电的电池内阻大 约是放完电的２倍。在放电过程中，电池的内阻是不 断增加的；但在放电量达到３０％以上时，电池的内阻 又很快下降，直到电池放完电为止，电池的内阻只有很 小的下降，最终内阻约为放电初期的一半。 锌银蓄电池内阻的这种变化规律是由于电池的正极 活性物质ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ、Ａｇ之间的转化造成的。放电初 期，导电率较好的ＡｇＯ逐步转化为导电率很低的Ａｇ２Ｏ， 因而电池内阻增加；继续放电，Ａｇ２Ｏ转化为导电率很高 的Ａｇ，那么电池内阻就会很快下降。充电时电池内阻的 变化过程同样反映了活性物质成分的变迁。 ５　小　结 （１）蓄电池的内阻跟电池的额定容量有关。大容 量电池的内阻低；小容量电池的内阻高。 （２）常用蓄电池的内阻，在荷电态ＳＯＣ高于４０％时 是保持不变的；只是ＳＯＣ低于３０％时，就很快升高。 （３）不能根据内阻的变化去在线检测蓄电池的荷电态。 参考文献： ［１］　Ｄａｖｉｄ　Ｏ　Ｆｅｄｅｒ．Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ　ｏｆ　ｆｌｏｏｄｅｄ ａｎｄ　ＶＲＬＡ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ，１９９３ （４６）：３９１－４１５． ［２］　桂长清，柳瑞华．密封铅蓄电池电导与容量的关系［Ｊ］．电 池，２０００，（２）：７４－７６． ［３］　桂长清．动力电池［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９． ［４］　张　宾，林成涛，陈全世．电动汽车用ＬｉＦｅＰＯ４／Ｃ锂离子 电池性能［Ｊ］．电源技术，２００８（２）：９５－９８． ［５］　Ｄａｖｉｄ　Ｌｉｎｄｅｎ，Ｔｈｏｍａｓ　Ｂ　Ｒｅｄｄｙ著，汪继强 译．电池手册 ［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００７． ［６］　英治波．Ｎｉ／ＭＨ 蓄电池在不同放电深度下的阻抗行为 ［Ｊ］．电源技术，２００６，（５）：３８８－３９０． ［７］　吴伯荣．金属氢化物／镍电池ＳＯＣ估计的ＥＩＳ研究［Ｊ］． 电源技术，２００７，（１）：４１－４４． ［８］　曾利辉．电解液添加剂对密封锌镍电池的影响［Ｊ］．电源 技术，２００７，（１）：４５－４８ 檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨 ． （上接第３１页） ［５］　Ｋｅｙｕａｎ　Ｈｕａｎｇ，Ｓｈｏｕｄａｏ　Ｈｕａｎｇ，Ｆｅｎｇ　Ｓｈｅ．Ａ　Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　Ｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｅ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ－ｍａｇｎｅｔ　Ｗｉｎｄ－ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｕｓｉｎｇ　Ｂａｃｋ－ｔｏ－Ｂａｃｋ　ＰＷＭ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｃ］．Ｐｒｏ－ ｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　２００８　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｍａ－ ｃｈｉｎｅｓ，２００８：２２８３－２２８８． ［６］　王兆安，黄　俊．电力电子技术［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，２０００． ［７］　梁锦泽．三相电压型ＰＷＭ 整流器及其控制策略研究 ［Ｄ］．广东工业大学学位论文，２００８． ［８］　陈　瑶．直驱型风力发电系统全功率并网技术的研究 ［Ｄ］．北京交通大学学位论文，２００８． ·４３·