蓄電池在線內(nèi)阻監(jiān)測(cè)技術(shù)及運(yùn)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(jié)構(gòu)的特殊性，在運(yùn)行中可靠地檢測(cè)蓄電池的性能，并有針對(duì)性地對(duì)蓄電池進(jìn)行維護(hù)變得困難但又很迫切。從電源系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性要求，各類薔電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也在廣泛使用。但不同的測(cè)試模式對(duì)蓄電池的性能狀況反映也不一樣，多年的研究和運(yùn)用表明，內(nèi)阻檢測(cè)是目前最為可靠的測(cè)試方式之一，而蓄電池的不同失效模式對(duì)內(nèi)阻的反映情況也不一樣，了解蓄電池的內(nèi)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(nèi)阻數(shù)據(jù)，有利于更好地對(duì)蓄電池進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)。近年來，由于原材料的漲價(jià)，國內(nèi)很多閥控式鉛酸蓄電池廠家采用了很多新的生產(chǎn)工藝，由此而來對(duì)新工藝蓄電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)分析也發(fā)生了新的變化。合理地選擇此類蓄電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)基準(zhǔn)，對(duì)判斷閥控式鉛酸蓄電池性能有很大的幫助；合理地運(yùn)用內(nèi)阻數(shù)據(jù)維護(hù)蓄電池，對(duì)延長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(jì)效益有著很重要的意義。

1 常見的蓄電池失效模式
對(duì)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(fù)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(dǎo)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(fù)極接觸，發(fā)生反應(yīng)，重新生成水，即

使負(fù)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(fù)極鉛吸收，再進(jìn)一步化合成水的過程，即所謂陰極吸收。

在上述陰極吸收過程中，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(bǔ)加水維護(hù)，這也是閥控式密封鉛酸蓄電池稱為免維護(hù)電池的由來。但在充電過程中，當(dāng)充電電壓超過2．35V／單體時(shí)就有可能使氣體逸出。因?yàn)榇藭r(shí)電池體內(nèi)短時(shí)間產(chǎn)生了大量氣體來不及被負(fù)極吸收，壓力超過某個(gè)值時(shí)，便開始通過單向排氣閥排氣，排出的氣體雖然經(jīng)過濾酸墊濾掉了酸霧，但必竟使電池?fù)p失了氣體，也等于失水，所以閥控式密封鉛酸蓄電池對(duì)充電電壓的要求是非常嚴(yán)格的，絕對(duì)不能過充電。

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

放電過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是這一反應(yīng)的逆反應(yīng)，當(dāng)閥控式密封鉛酸蓄電池的荷電不足時(shí)，在電池的正負(fù)極柵板上就有PbSO4存在，PbSO4長期存在會(huì)失去活性，不能再參與化學(xué)反應(yīng)，這一現(xiàn)象稱為活性物質(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(duì)不能過放。

1．3 正極板腐蝕
由于電池失水，造成電解液比重增高，過強(qiáng)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(xiàn)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(qiáng)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(xù)充電4個(gè)月就可能出現(xiàn)熱失控；或者采用230V/單體(25℃)，連續(xù)充電6～8個(gè)月就可能出現(xiàn)熱失控；如果是采用2．28V／單體(25℃)，則連續(xù)12～18個(gè)月就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的容量下降，進(jìn)而導(dǎo)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(nèi)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(shè)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(xiàn)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(shù)，表示反應(yīng)物和生成物的擴(kuò)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(fù)極阻抗，即

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

2．1 內(nèi)阻在線測(cè)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(shù)千安時(shí)，電池的內(nèi)阻值很小。由于阻值低，電池正負(fù)極輸出感應(yīng)的電壓幅值很小，尤其是在線測(cè)量時(shí)電池端存在充電紋波和負(fù)載變動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)變化，要準(zhǔn)確測(cè)量內(nèi)阻是有一定難度的。常見的內(nèi)阻測(cè)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(fù)載，根據(jù)在不同電流(I1、I2)下的電壓變化(U1一U2)來計(jì)算內(nèi)阻值，見圖2所示。常采用式(3)計(jì)算。

由于內(nèi)阻值很小，在一定電流下的電壓變化幅值相對(duì)較小，給準(zhǔn)確測(cè)量帶來困難，由于放電過程電壓的變化，需要選擇穩(wěn)定區(qū)域計(jì)算電壓變化幅值。實(shí)際測(cè)最中，苴流方法所得數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差，準(zhǔn)確度很難達(dá)到10％以上。

2．1．2 交流方法
交流方法相對(duì)直流法要簡單。
當(dāng)使用受控電流時(shí)，△I=Imaxsinωt，產(chǎn)生的電壓響應(yīng)為

即阻抗是與頻率有關(guān)的復(fù)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(hào)，測(cè)量由此信號(hào)產(chǎn)生的電壓變化即可測(cè)得電池的內(nèi)阻。即

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

2．2 不同測(cè)量方法對(duì)內(nèi)阻值的影響
由于測(cè)量方法的不同，蓄電池內(nèi)阻數(shù)值有較大的差異。因此，在研究內(nèi)阻變化時(shí)需要在同一方法下進(jìn)行測(cè)量。

2.3 不同充電狀態(tài)對(duì)內(nèi)阻值的影響
蓄電池處于不同的狀態(tài)．其內(nèi)阻值也有很大的差異。放電容量達(dá)到80％后，內(nèi)阻急劇上升。轉(zhuǎn)入充電后，內(nèi)阻很快恢復(fù)到正常數(shù)值。

2．4 不同的失效模式對(duì)內(nèi)阻值的影響
蓄電池的不同失效模式反映在內(nèi)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。與一般的腐蝕模式對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：同樣的歐姆內(nèi)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(nèi)阻，除腐蝕和失水外，活性物質(zhì)的不同結(jié)晶狀態(tài)也影響輸出容量和內(nèi)阻。
對(duì)處于正常浮充電壓一定時(shí)間后的電池，可以認(rèn)為是在完全充電狀態(tài)。
溫度對(duì)電池內(nèi)阻影響甚微，低溫有些影響。在運(yùn)行條件較好的場(chǎng)合，可以不考慮溫度的影響。
目前國內(nèi)還沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)蓄電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋說明，只有IEEE Std 1188―1996中對(duì)內(nèi)阻測(cè)最和數(shù)據(jù)分析作了簡單的說明，IEEE Std1188一1996指出：內(nèi)阻受包括物理連接、電解液離子導(dǎo)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(nèi)阻值與所采用的儀器和測(cè)量方法有關(guān)，內(nèi)阻的變化可以當(dāng)作電池性能或者說容量變化的指示。明顯的內(nèi)阻變化表明蓄電池有大的性能改變，超過30％的變化即可認(rèn)為明顯，但這個(gè)變化幅度可能跟不同廠家的電池有關(guān)。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與數(shù)據(jù)分析
為了獲得可靠數(shù)據(jù)，我們對(duì)裝備有動(dòng)力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)的50組通訊電源的蓄電池進(jìn)行了測(cè)試，其中采用改進(jìn)工藝的蓄電池有32組，投入運(yùn)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(cè)試的蓄電池均為國產(chǎn)品牌的且廣泛使用的型號(hào)，所測(cè)試的蓄電池生產(chǎn)廠家有3家，本次測(cè)試的蓄電池均按重量區(qū)分蓄電池的工藝，按廠家的說明書，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(qū)分蓄電池工藝的方法。

內(nèi)阻測(cè)試設(shè)備使用增強(qiáng)型的BM6500蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，BM6500采用了交流法的內(nèi)阻測(cè)試系統(tǒng)，增強(qiáng)型的內(nèi)阻測(cè)試精度為2％。
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的一組數(shù)據(jù)如表1所列。

蓄電池型號(hào)：采用新工藝的GFMGl000AH。
投入運(yùn)行日期：2002年1月。
內(nèi)阻變化率的基準(zhǔn)值為2003年5月的測(cè)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(guī)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(nèi)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(jiān)控軟件中記錄的前20分鐘放電曲線，放電電流286A。

本次測(cè)試的所有蓄電池性能分析結(jié)果如表2和表3所列。
通過分析發(fā)現(xiàn)，在蓄電池劣化時(shí)，采用新工藝的蓄電池內(nèi)阻值明顯小于采用老工藝的蓄電池，對(duì)于新工藝的蓄電池內(nèi)阻預(yù)警值應(yīng)更為嚴(yán)謹(jǐn)。

4 結(jié)語
內(nèi)阻與SOH(State of Health)的關(guān)系分析的結(jié)論如下。
(1)不能直接用內(nèi)阻數(shù)據(jù)來計(jì)算SOH(State of Health)，而且建立標(biāo)準(zhǔn)亦很困難。內(nèi)阻不能同容量進(jìn)行量化表達(dá)，只是性能的反映；
(2)SOC(State of Charge)和SOH(State of Health)無疑影響電池內(nèi)阻，劣化的蓄電池內(nèi)阻都有很大的變化；
(3)大容量電池的歐姆內(nèi)阻很小。其變化幅度就更小，需要相當(dāng)精度的測(cè)試手段；
(4)部分電池的內(nèi)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(yán)重的電池其內(nèi)阻變化數(shù)伉將超過某范圍；
(6)蓄電池的監(jiān)測(cè)應(yīng)是對(duì)蓄電池的運(yùn)行參數(shù)、內(nèi)阻變化、電壓監(jiān)測(cè)等的綜合參數(shù)監(jiān)測(cè)，對(duì)內(nèi)阻的變化率的監(jiān)測(cè)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(yán)格監(jiān)測(cè)其運(yùn)行參數(shù)，定期的核對(duì)性放電不可缺少。