蓄電池在線(xiàn)內阻監測技術(shù)及運用

0 引言
目前，閥控式鉛酸蓄電池在電力操作電源、通信電源中廣泛使用，由于閥控式鉛酸蓄電池結構的特殊性，在運行中可靠地檢測蓄電池的性能，并有針對性地對蓄電池進(jìn)行維護變得困難但又很迫切。從電源系統運行的高可靠性要求，各類(lèi)薔電池監測系統也在廣泛使用。但不同的測試模式對蓄電池的性能狀況反映也不一樣，多年的研究和運用表明，內阻檢測是目前最為可靠的測試方式之一，而蓄電池的不同失效模式對內阻的反映情況也不一樣，了解蓄電池的內阻和各種失效模式的關(guān)系，合理地分析閥控式鉛酸蓄電池的內阻數據，有利于更好地對蓄電池進(jìn)行檢測和維護。近年來(lái)，由于原材料的漲價(jià)，國內很多閥控式鉛酸蓄電池廠(chǎng)家采用了很多新的生產(chǎn)工藝，由此而來(lái)對新工藝蓄電池內阻數據分析也發(fā)生了新的變化。合理地選擇此類(lèi)蓄電池內阻數據基準，對判斷閥控式鉛酸蓄電池性能有很大的幫助；合理地運用內阻數據維護蓄電池，對延長(cháng)蓄電池的使用壽命有很大的作用，為獲得最大的安全效益和經(jīng)濟效益有著(zhù)很重要的意義。

1 常見(jiàn)的蓄電池失效模式
對于閥控式鉛酸電池，通常的性能變壞原因有：電池失水、極板群的腐蝕、活性物質(zhì)的脫落、深放電引起的鈍化和深度放電后的恢復等，以下是幾種性能變壞的情況。

l.1 電池失水
鉛酸蓄電池失水會(huì )導致電解液比重增高或電池正極柵板的腐蝕，使電池的活性物質(zhì)減少，從而使電池的容量降低而失效。

閥控式鉛酸蓄電池充電后期，正極釋放的氧氣與負極接觸，發(fā)生反應，重新生成水，即

使負極由于氧氣的作用處于欠充電狀態(tài)，因而不產(chǎn)牛氫氣。這種正極的氧氣被負極鉛吸收，再進(jìn)一步化合成水的過(guò)程，即所謂陰極吸收。

在上述陰極吸收過(guò)程中，由于產(chǎn)生的水在密封情況下不能溢出，因此閥控式密封鉛酸蓄電池可免除補加水維護，這也是閥控式密封鉛酸蓄電池稱(chēng)為免維護電池的由來(lái)。但在充電過(guò)程中，當充電電壓超過(guò)2．35V／單體時(shí)就有可能使氣體逸出。因為此時(shí)電池體內短時(shí)間產(chǎn)生了大量氣體來(lái)不及被負極吸收，壓力超過(guò)某個(gè)值時(shí)，便開(kāi)始通過(guò)單向排氣閥排氣，排出的氣體雖然經(jīng)過(guò)濾酸墊濾掉了酸霧，但必竟使電池損失了氣體，也等于失水，所以閥控式密封鉛酸蓄電池對充電電壓的要求是非常嚴格的，絕對不能過(guò)充電。

1．2 負極板硫酸化
電池負極柵板的主要活性物質(zhì)是海棉狀鉛，電池充電時(shí)負極柵板發(fā)生如下化學(xué)反應

放電過(guò)程發(fā)生的化學(xué)反應是這一反應的逆反應，當閥控式密封鉛酸蓄電池的荷電不足時(shí)，在電池的正負極柵板上就有PbSO4存在，PbSO4長(cháng)期存在會(huì )失去活性，不能再參與化學(xué)反應，這一現象稱(chēng)為活性物質(zhì)的硫酸化，為防止硫酸化的形成，電池必須經(jīng)常保持在充足電的狀態(tài)，蓄電池絕對不能過(guò)放。

1．3 正極板腐蝕
由于電池失水，造成電解液比重增高，過(guò)強的電解液酸性加劇正極板腐蝕，防止極板腐蝕必須注意防止電池失水現象發(fā)生。

1．4 熱失控
熱失控是指蓄電池在恒壓充電時(shí)，充電電流和電池溫度發(fā)生一種累積性的增強作用，并逐步損壞蓄電池。造成熱失控的根本原岡是浮充電壓過(guò)高。

一般情況下，浮充電壓定為2.23～2.25V/單體(25℃)比較合適。如果不按此浮充范圍工作，而是采用2．35V／單體(25℃)，則連續充電4個(gè)月就可能出現熱失控；或者采用230V/單體(25℃)，連續充電6～8個(gè)月就可能出現熱失控；如果是采用2．28V／單體(25℃)，則連續12～18個(gè)月就會(huì )出現嚴重的容量下降，進(jìn)而導致熱失控。熱失控的直接后果是蓄電池的外殼鼓包、漏氣，電池容量下降，最后失效。

2 閥控鉛酸蓄電池內阻模型研究
阻抗分析是電化學(xué)研究中的常用方法，是電池件能研究和產(chǎn)品設汁的必要手段。
圖l所示為常用的鉛酸電池阻抗的等效電路。

文獻研究中將Warburg阻抗表示為一個(gè)電阻和電容串聯(lián)組成的阻抗ZW。

式中：λ為Warburg系數，表示反應物和生成物的擴散性質(zhì)特性；
ω為角頻率。
電池的阻抗包括歐姆電阻和正負極阻抗，即

電池阻抗是一個(gè)復阻抗，在其它條件不變的情況下，與測試頻率有關(guān)。
通常情況的內阻星指某一固定頻率下的內阻值，對于一般的VRLA蓄電池，多數采用低于100 Hz的頻率．在實(shí)際使用中常把復阻抗的模稱(chēng)為內阻。

2．1 內阻在線(xiàn)測量方法
備用場(chǎng)合使用的VRLA電池一般容量很大，在幾十到數千安時(shí)，電池的內阻值很小。由于阻值低，電池正負極輸出感應的電壓幅值很小，尤其是在線(xiàn)測量時(shí)電池端存在充電紋波和負載變動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)變化，要準確測量?jì)茸枋怯幸欢y度的。常見(jiàn)的內阻測試方法有以下幾種。

2.1.1 直流方法
直流方法是在電池組兩端接入放電負載，根據在不同電流(I1、I2)下的電壓變化(U1一U2)來(lái)計算內阻值，見(jiàn)圖2所示。常采用式(3)計算。

由于內阻值很小，在一定電流下的電壓變化幅值相對較小，給準確測量帶來(lái)困難，由于放電過(guò)程電壓的變化，需要選擇穩定區域計算電壓變化幅值。實(shí)際測最中，苴流方法所得數據的重復性較差，準確度很難達到10％以上。

2．1．2 交流方法
交流方法相對直流法要簡(jiǎn)單。
當使用受控電流時(shí)，△I=Imaxsinωt，產(chǎn)生的電壓響應為

即阻抗是與頻率有關(guān)的復阻抗，其相角為φ，而其模|Z|=Vmax/Imax。
從理論上講，向電池饋人一個(gè)交流電流信號，測量由此信號產(chǎn)生的電壓變化即可測得電池的內阻。即

式中：Vav為檢測到交流信號的平均值；
Iav為饋入交流信號的平均值
在實(shí)際使用中，由于饋入信號的幅值有限，電池的內阻在微歐或毫歐級，因此，產(chǎn)生的電壓變化幅值也在微伏級，信號容易受到干擾。尤其是在線(xiàn)測量時(shí)，受到的影響更大，采用基于數字濾波器的內阻測量技術(shù)和同步檢波方法可以克服外界干擾，獲得比較穩定的內阻數據。

2．2 不同測量方法對內阻值的影響
由于測量方法的不同，蓄電池內阻數值有較大的差異。因此，在研究?jì)茸枳兓瘯r(shí)需要在同一方法下進(jìn)行測量。

2.3 不同充電狀態(tài)對內阻值的影響
蓄電池處于不同的狀態(tài)．其內阻值也有很大的差異。放電容量達到80％后，內阻急劇上升。轉入充電后，內阻很快恢復到正常數值。

2．4 不同的失效模式對內阻值的影響
蓄電池的不同失效模式反映在內阻變化的幅值并不一樣。
圖3是不同劣化模式下的電池放電曲線(xiàn)。與一般的腐蝕模式對比可以發(fā)現：同樣的歐姆內阻變化幅度，失水模式能提供的輸出容量比腐蝕模式的要低。

另外的電池劣化模式也從不同的角度影響電池的內阻，除腐蝕和失水外，活性物質(zhì)的不同結晶狀態(tài)也影響輸出容量和內阻。
對處于正常浮充電壓一定時(shí)間后的電池，可以認為是在完全充電狀態(tài)。
溫度對電池內阻影響甚微，低溫有些影響。在運行條件較好的場(chǎng)合，可以不考慮溫度的影響。
目前國內還沒(méi)有相關(guān)的標準對蓄電池內阻數據進(jìn)行解釋說(shuō)明，只有IEEE Std 1188―1996中對內阻測最和數據分析作了簡(jiǎn)單的說(shuō)明，IEEE Std1188一1996指出：內阻受包括物理連接、電解液離子導電性和電極表而的活性物質(zhì)的活性三方面因素的影響，內阻值與所采用的儀器和測量方法有關(guān)，內阻的變化可以當作電池性能或者說(shuō)容量變化的指示。明顯的內阻變化表明蓄電池有大的性能改變，超過(guò)30％的變化即可認為明顯，但這個(gè)變化幅度可能跟不同廠(chǎng)家的電池有關(guān)。

3 現場(chǎng)測量與數據分析
為了獲得可靠數據，我們對裝備有動(dòng)力環(huán)境集中監控系統的50組通訊電源的蓄電池進(jìn)行了測試，其中采用改進(jìn)工藝的蓄電池有32組，投入運行的時(shí)間從2001年8月到2005年lO月，其余的蓄電池為1997年到2000年的老電池，測試的蓄電池均為國產(chǎn)品牌的且廣泛使用的型號，所測試的蓄電池生產(chǎn)廠(chǎng)家有3家，本次測試的蓄電池均按重量區分蓄電池的工藝，按廠(chǎng)家的說(shuō)明書(shū)，近些年生產(chǎn)的蓄電池重量均明顯小于2001年前相同容量的蓄電池的重量，我們以重量作為區分蓄電池工藝的方法。

內阻測試設備使用增強型的BM6500蓄電池監測系統，BM6500采用了交流法的內阻測試系統，增強型的內阻測試精度為2％。
現場(chǎng)測試的一組數據如表1所列。

蓄電池型號：采用新工藝的GFMGl000AH。
投入運行日期：2002年1月。
內阻變化率的基準值為2003年5月的測試值。
浮充電壓最大動(dòng)態(tài)誤差為2．340(No．1)-2．219(No．15)=0．121V，大于YD/T799―1996規定最高及最低電壓值偏差為50mV，從浮充電壓可以知道本組蓄電池的性能并不理想，內阻最大變化率為25.9％(No．12)。
圖4所示為動(dòng)力環(huán)境集中監控軟件中記錄的前20分鐘放電曲線(xiàn)，放電電流286A。

本次測試的所有蓄電池性能分析結果如表2和表3所列。
通過(guò)分析發(fā)現，在蓄電池劣化時(shí)，采用新工藝的蓄電池內阻值明顯小于采用老工藝的蓄電池，對于新工藝的蓄電池內阻預警值應更為嚴謹。

4 結語(yǔ)
內阻與SOH(State of Health)的關(guān)系分析的結論如下。
(1)不能直接用內阻數據來(lái)計算SOH(State of Health)，而且建立標準亦很困難。內阻不能同容量進(jìn)行量化表達，只是性能的反映；
(2)SOC(State of Charge)和SOH(State of Health)無(wú)疑影響電池內阻，劣化的蓄電池內阻都有很大的變化；
(3)大容量電池的歐姆內阻很小。其變化幅度就更小，需要相當精度的測試手段；
(4)部分電池的內阻變化明顯，但此時(shí)的電池容量仍可能保持在良好水平；
(5)劣化嚴重的電池其內阻變化數伉將超過(guò)某范圍；
(6)蓄電池的監測應是對蓄電池的運行參數、內阻變化、電壓監測等的綜合參數監測，對內阻的變化率的監測是很有意義的；
(7)新工藝蓄電池的性能、壽命明顯低于老的蓄電池，更需要嚴格監測其運行參數，定期的核對性放電不可缺少。