應用于蓄電池安全檢測技術(shù)的半荷內阻測量方法

　　1 電池組放電的電壓曲線(xiàn)族

　　單體電池的放電曲線(xiàn)作為電池最重要的性能指標早已為人熟知，放電曲線(xiàn)直觀(guān)展現了其電池在一定負載電流下其端電壓的變化規律，在忽略細節后可表述為：

　　1)終止電壓前的平穩緩慢下降;

　　2)終止電壓后的快速下跌;

　　3)終止電壓為上述二線(xiàn)段之間的拐點(diǎn)，可以用二折線(xiàn)法粗略表現一條電壓曲線(xiàn);

　　4)電壓拐點(diǎn)前的放電時(shí)間和負載電流的乘積被定義為電池的實(shí)際容量。

　　電池最終都以串聯(lián)方式成組使用，把串聯(lián)電池組各電池的放電曲線(xiàn)繪制在同一坐標中，就能構成一族曲線(xiàn)，簡(jiǎn)稱(chēng)“電壓曲線(xiàn)族”。圖1是用二折線(xiàn)法繪制的電壓曲線(xiàn)族。

　　蓄電池組在運行中電壓曲線(xiàn)族不斷變化，其變化規律為：投運初期各電池一致性較好，曲線(xiàn)族分布相對集中，長(cháng)期運行中單體差異逐漸加大，曲線(xiàn)族分布也逐漸向左移動(dòng)。圖1中電壓拐點(diǎn)的水平分布表征了電池性能的好壞，電壓拐點(diǎn)靠左的電池應予關(guān)注或維護，按照規范，在維護后電壓拐點(diǎn)仍落后于80%標稱(chēng)拐點(diǎn)的電池應予更換。

　　需要說(shuō)明的是：以上電壓曲線(xiàn)族的概念只適合理論分析，在維護實(shí)踐上價(jià)值不大，因為本來(lái)只需準確監測到達電壓拐點(diǎn)的時(shí)間就足以解決一切問(wèn)題，沒(méi)有逐點(diǎn)測繪整族曲線(xiàn)的必要。

　　2 蓄電池組放電的內阻曲線(xiàn)族

　　等效內阻是電池兩極柱上可直接測量的真實(shí)物理量，為討論方便忽略不同內阻測量?jì)x的差別，那么以繪制電壓曲線(xiàn)族的同樣方法，也可繪制出蓄電池組放電下的內阻曲線(xiàn)族。

　　放電狀態(tài)下的內阻變化規律不象電壓變化規律那樣為人熟悉，但經(jīng)大量研究后公認有以下特點(diǎn)：

　　1)50%荷電率以上變化很小;

　　2)50%荷電率以下快速上升;

　　3)放電終止前，內阻值可能上升為初始內阻值的2～4倍;

　　4)50%荷電率為內阻曲線(xiàn)的拐點(diǎn)，簡(jiǎn)稱(chēng)內阻拐點(diǎn)，可以用二折線(xiàn)法粗略表現一條內阻曲線(xiàn)。

　　這里所述的“荷電率”，定義為單體實(shí)存電量與本電池真實(shí)容量之比，屬單體變量;另外，定義實(shí)放電量與標稱(chēng)容量之比為“標稱(chēng)放電深度”，屬全組變量。需注意因二者的定義不同，其數值變化方向相反。這樣在放電過(guò)程中，全蓄電池組執行了一個(gè)統一的標稱(chēng)放電深度，其數值越放越大，而執行中各單體電池的荷電率卻各不相同，其數值越放越小。

　　為了清晰地表達內阻曲線(xiàn)族的變化規律，特地選擇了一個(gè)有代表意義的蓄電池組模型：模型組由3節標稱(chēng)容量1000A·h的蓄電池組成，以實(shí)際容量1000、800、600A·h分別代表電池組內好、中、壞3種典型類(lèi)型，其浮充內阻分別為0.20mΩ、0.20mΩ、0.27mΩ。請注意1000A·h與800A·h的內阻都等于0.20mΩ，這一數值既肯定獲有實(shí)測數據的支持，也在刻意提示滿(mǎn)電下的內阻分布確實(shí)存在與“內阻大容量小”相關(guān)性規律不符的例外。再假設放電終止內阻為初始內阻的3倍，圖2是按以上參數用二折線(xiàn)法繪制的內阻曲線(xiàn)族。

　　圖2中每條曲線(xiàn)都以100%真實(shí)荷電率和初始內阻值為起點(diǎn)，以0%真實(shí)荷電率和初始內阻的3倍值為終點(diǎn)，而以50%真實(shí)荷電率和初始內阻的略大值為拐點(diǎn)。實(shí)測經(jīng)驗表明，用二折線(xiàn)法繪制的內阻變化曲線(xiàn)與真實(shí)數據之間的誤差，不會(huì )影響本文的分析結果。

　　內阻曲線(xiàn)族的實(shí)用意義比電壓曲線(xiàn)族大很多，實(shí)用意義大的關(guān)鍵在于具有實(shí)時(shí)可比性：因為在電壓曲線(xiàn)族中，有比較意義的是各電池到達終止電壓的時(shí)間，在圖1中表現為拐點(diǎn)之間的水平間距。而在內阻曲線(xiàn)族中，有比較意義的是不同放電深度下的不同內阻值，在圖2中表現為某水平值下曲線(xiàn)之間的垂直間距。在測量方法上，前者必須連續不間斷地采樣計時(shí)，而后者只需在指定時(shí)間一次采樣，特別是后者在不同時(shí)間下的各組采樣值具有非常有用的比對價(jià)值，即實(shí)時(shí)可比性。

　　如果說(shuō)內阻曲線(xiàn)族還不夠直觀(guān)，可以借鑒圖象處理的思路，引入內阻分布“反差”的概念，反差是一種可計算的單一實(shí)時(shí)變量。反差概念的引入，將賦予內阻曲線(xiàn)族比電壓曲線(xiàn)族更為積極的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。

　　3 電池組放電下內阻分布的反差曲線(xiàn)

　　在圖象處理中，反差大意味著(zhù)圖象“鮮明”，反差小意味著(zhù)圖象“混沌”。同樣，就電池檢測的目的而言，反差大意味著(zhù)內阻分布“鮮明”，這必然意味著(zhù)判別準確率的提高。

　　可以把內阻反差Fcr定義為：

　　Fcr=(Rmax-Rmin)/Rmin(1)

　　式中：Rmax為內阻分布中的最大值;

　　Rmin為內阻分布中的最小值。

　　那么根據圖2粗略計算從0%標稱(chēng)放電深度到60%標稱(chēng)放電深度的各點(diǎn)反差數值列于表1，圖3為依據表1數據繪出的Fcr單一曲線(xiàn)，其中表1數據和圖3曲線(xiàn)都停止于60%標稱(chēng)放電深度，原因是模型組中的600A·h單體已達過(guò)放點(diǎn)，其真實(shí)荷電率已經(jīng)等于0%。

　　表1 Fcr逐點(diǎn)計算表

　　圖3所示的單一Fcr曲線(xiàn)比內阻曲線(xiàn)族更加直觀(guān)的反映了放電深度與內阻反差之間的對應規律：當放電深度超過(guò)最小真實(shí)容量單體的50%(本例已放300A·h)以后，Fcr開(kāi)始迅速增大，并通常在標稱(chēng)放電深度的50%(已放500A·h)處達到最大值。

　　另外從圖3可以看出，若以足夠判別使用的Fcr值(例如Fcr=1.0)為邊界條件，放電深度的滿(mǎn)足范圍大大放松，這意味著(zhù)完全不需要精確控制放電深度;換句話(huà)說(shuō)，在達到一定反差之后，放電深度的大小只影響反差，而不降低準確率。

　　最后從圖3還可以看出，增強反差后的Fcr所包括的所有放電深度仍離過(guò)放區很遠，這是半荷法比容量放電法安全的科學(xué)依據。

　　4 半荷內阻法及判別準確率

　　單從放電內阻曲線(xiàn)族出發(fā)，至少可以設計出2種新的測試方法。

　　4.1 第一種可稱(chēng)為“內阻計時(shí)法”

　　該方法的思路和容量放電法類(lèi)似，只不過(guò)由對電壓拐點(diǎn)(即終止電壓)的監測計時(shí)，改為對內阻拐點(diǎn)的監測計時(shí)，由于電壓拐點(diǎn)對內阻拐點(diǎn)存在2倍的依存關(guān)系，把內阻拐點(diǎn)的計時(shí)值簡(jiǎn)單乘以2，就可方便地推算出真實(shí)容量。

　　該方法的優(yōu)點(diǎn)是：比容量放電法安全，比浮充內阻法準確。

　　該方法的缺點(diǎn)是：

　　1)內阻監測點(diǎn)不易把握，而監測點(diǎn)不準依然會(huì )造成誤差過(guò)大甚至誤判;

　　2)仍然需要對內阻拐點(diǎn)進(jìn)行連續監測和計時(shí)，也就是說(shuō)，需要研制專(zhuān)門(mén)的內阻監測計時(shí)儀器。

　　以上2個(gè)缺點(diǎn)都需要在獲取大量實(shí)測數據后方可完善，本文不再深入討論。

　　4.2 第二種是“半荷內阻法”

　　該方法的思路是：在電池組粗略地執行半荷放電后，對各單體電池作普通巡采，再依內阻大小作出判斷。

　　從測試流程來(lái)看，半荷內阻法僅僅增加了半荷放電，其他操作方法和要求與浮充內阻法完全相同。以下分析是哪些因素提高了半荷內阻法的判別準確率：

　　1)加大了內阻反差增強后的反差使檢測更加容易，也使判讀更加可信?？尚蜗蟮匕寻牒煞烹娎斫鉃槟z片照相技術(shù)中的“顯影”過(guò)程，顯然，充分顯影的照片圖象最清晰。

　　2)對內阻有效排序反差小還不算致命弱點(diǎn)，適當提高儀表分辨能力就可以克服;但浮充內阻客觀(guān)存在的部分無(wú)序性，是造成混亂和誤判的根源，這種缺陷無(wú)法靠簡(jiǎn)單提高儀表的分辨能力來(lái)彌補。半荷放電使內阻值正確排序，有效糾正浮充內阻的初期無(wú)序性，是提高判別準確率的關(guān)鍵因素。

　　3)與真實(shí)容量緊密掛鉤蓄電池維護專(zhuān)業(yè)最最關(guān)心的是蓄電池的真實(shí)容量，越能反映真實(shí)容量的方法越可靠。浮充內阻與真實(shí)容量的關(guān)系可概括為：“高度相關(guān)但確有例外”，其判別準確率欠佳很容易理解。而內阻拐點(diǎn)客觀(guān)存在于真實(shí)容量的50%點(diǎn)，已經(jīng)最大限度地與真實(shí)容量掛鉤。應該說(shuō)，正確排序及與真實(shí)容量的直接掛鉤這二點(diǎn)成為半荷內阻法最誘人之處。

　　4)減小非化學(xué)內阻的影響電池等效內阻是所有電化學(xué)內阻和非化學(xué)內阻的等效總和，非化學(xué)內阻也攜帶有重要信息(如內匯流條融焊缺陷、或腐蝕裂縫等)，卻和真實(shí)容量無(wú)關(guān)，由此對正確提取容量信息造成很大困難，這也是浮充內阻形成初期無(wú)序性的主要根源。在現有儀表尚不能分離不同內阻的客觀(guān)前提下，半荷放電可顯著(zhù)改善電化學(xué)內阻對非化學(xué)內阻的比例關(guān)系，這點(diǎn)對提高判別準確率有重要貢獻。

　　半荷內阻法在本質(zhì)上僅僅是把測試工作點(diǎn)由浮充滿(mǎn)荷點(diǎn)改變到半荷點(diǎn)，這個(gè)在選擇工作點(diǎn)上的一小步改進(jìn)，帶來(lái)以上4點(diǎn)很實(shí)惠的指標改善，最終獲得判別準確率上的一大飛躍。

　　從國內外大量實(shí)測數據看，無(wú)論采用哪種原理或哪家儀表，浮充內阻法的單體準確率普遍停留在90%左右難以突破，加上單節誤判須算全組誤判的行業(yè)判則(木桶判則)，整組準確率一般也就在80%左右，考慮到后備蓄電池組的重要性，這樣的準確率難以信賴(lài)應屬正常合理。

　　半荷內阻法恰倒好處地糾正了這約20%的誤判，實(shí)現了長(cháng)期苦苦追尋的、達到或超過(guò)容量放電法準確率的目標。以上結論已有初步實(shí)驗驗證。

　　5 半荷內阻法實(shí)用關(guān)鍵問(wèn)題探討

　　半荷內阻法進(jìn)入實(shí)用以前，明顯還有許多實(shí)際問(wèn)題需要探討解決。

　　5.1 適用約束條件

　　半荷內阻法很自然的要求以下約束條件：

　　1)正常而規范運行的蓄電池組，包括符合安裝規范和維護規范;

　　2)保證放電起始點(diǎn)為充分浮充以確保滿(mǎn)電;

　　3)內阻儀表具有夠用的測量精度和良好的在線(xiàn)抗

　　干擾能力;

　　4)有另外的輔助監測手段(如電壓)以預防單體過(guò)放。

　　這些約束條件完全與正常的維護規范相一致，并無(wú)特別之處。強調約束條件無(wú)非是想提請注意：任何超越以上條件的測試，都可能超越半荷法的適用范圍，產(chǎn)生與本文不符的未知結果。

　　5.2 放電深度的選擇

　　可以追求最大反差(準確率最可信)的目標，也可以追求最小放電深度(測試時(shí)間最短)的目標，關(guān)鍵是滿(mǎn)足維護需求和不斷總結完善?？桃庾非蠓烹娚疃葹榱?甚至固執到認為只要放電就沒(méi)有新價(jià)值的思維方式都極不科學(xué)。

　　在此，需要理性地思考“與真實(shí)容量掛鉤”的真正含義：在真實(shí)容量為未知數的條件下，不放電等于不掛鉤，也就是說(shuō)必須靠多少放出一些電量才能構建二者的函數關(guān)系，在計算公式中才能出現真實(shí)容量的數學(xué)因子。

　　更不應該以半荷法離不開(kāi)放電的理由而忽視與容量放電法的本質(zhì)區別：容量放電法在理論上要求把至少一節蓄電池放電到過(guò)放臨界點(diǎn)，已經(jīng)有損蓄電池組安全;而半荷放電法在理論上總是遠離過(guò)放危險區，還可保留部分電量以備不時(shí)之需。

　　5.3 放電深度的執行

　　放電電流可大可小，可使用專(zhuān)用負載，也可切斷交流供電使用真實(shí)負載;電量計算可以人工計時(shí)，也可采用電壓自動(dòng)監測;總之，對放電計量沒(méi)有精度要求，條件極為寬松。在驗證實(shí)驗中，曾以監測單體蓄電池電壓小于2.00V來(lái)把握放電深度，準確率已很理想。特別需要指出一點(diǎn)：最佳方案應該是結合原有規程中的“定期維護性放電制度”，不增加工作量，也無(wú)須修訂規程，只需附帶補充一項測試，就可以收到事半功倍的效果。

　　5.4 儀表的精度要求

　　反差的加大降低了對儀表精度的要求，這就是說(shuō)現有儀表完全夠用;一臺能在浮充內阻測試中表現較好的內阻測試儀(注意：僅僅判別準確率欠佳絕非儀表本身之過(guò))，應該足以勝任半荷內阻法的測試任務(wù)，無(wú)論它原來(lái)是哪種原理或哪家品牌。

　　6 從蓄電池組的壓阻曲線(xiàn)族看蓄電池檢測技術(shù)的演變

　　蓄電池組放電的內阻曲線(xiàn)族為我們補充了以前所不熟悉的一部分知識，新知識可以帶來(lái)新技術(shù)的突破，以后的電池說(shuō)明書(shū)應該增加內阻曲線(xiàn)的數據和圖表。如果把圖1的電壓曲線(xiàn)族和圖2的內阻曲線(xiàn)族合二而一，組成新的“壓阻曲線(xiàn)族”如圖4所示，則會(huì )帶來(lái)關(guān)于電池的更完整的知識。

　　有趣的是還能夠從壓阻曲線(xiàn)族上看到電池測試技術(shù)的演變軌跡，由此也可加深對半荷內阻法本質(zhì)的理解：

　　1)最古老的開(kāi)路電壓法，位于電壓曲線(xiàn)的左起點(diǎn)，必須加附測酸配合;

　　2)因密封電池無(wú)法測酸而不得不器重的容量放電法，位于電壓曲線(xiàn)的右半部，必須連續監測;

　　3)試圖縮短測試時(shí)間的快速容量測試法，位于電壓曲線(xiàn)的左半部，意在通過(guò)大電流大斜率，外延推算電壓拐點(diǎn)，終因電壓反差小、缺少準確度而流產(chǎn);

　　4)另辟蹊徑的浮充內阻法，位于內阻曲線(xiàn)的左起點(diǎn)，方便實(shí)用，卻因初始內阻反差小、且無(wú)法克服10%的誤判而始

　　終難以完全信賴(lài);

　　5)本文的半荷內阻法，恰當占據了內阻曲線(xiàn)族中部的寬廣區域，直觀(guān)展現其數據反差大，準確率高，適應范圍寬，操作安全等優(yōu)點(diǎn)。

　　7 結語(yǔ)

　　內阻數據是蓄電池非常寶貴的一項信息資源。密封蓄電池可看作物理學(xué)上的黑匣子，黑匣子上的兩極柱僅僅能提供電壓和內阻兩個(gè)獨立的電學(xué)物理參數，其中內阻比電壓更加反映蓄電池內部的真實(shí)狀況，這樣寶貴的資源卻至今遲遲未能得到合理的開(kāi)發(fā)和利用。半荷內阻法對此作了大膽嘗試，其核心是以主動(dòng)放出部分電量為代價(jià)，換取內阻反差的“拉開(kāi)和排序”，以獲得滿(mǎn)意的判別準確率，希望本文的論題能為蓄電池安全檢測開(kāi)辟一條新的學(xué)術(shù)思路有所助益。