閥控鉛酸蓄電池內(nèi)阻監(jiān)測技術(shù)研究

摘    要：本文對(duì)內(nèi)阻測試的直流方法和交流方法進(jìn)行了研究，針對(duì)兩種方法在線準(zhǔn)確測量的困難，提出了采用數(shù)字濾波器方法來克服測量干擾，獲得了準(zhǔn)確、穩(wěn)定的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：內(nèi)阻測試；數(shù)字濾波器

引言
對(duì)于閥控密封鉛酸(VRLA)蓄電池，測量比重和直接觀察的方法都難以實(shí)施，使用者很希望通過一種儀器來直接測量蓄電池的劣化程序(SOH)和荷電狀態(tài)(SOC)。實(shí)際使用中，能夠直接測量的參數(shù)除電流、電壓外，蓄電池內(nèi)阻(或電導(dǎo))是可以直接測量的一個(gè)參數(shù)，內(nèi)阻(或電導(dǎo))測試儀是一種普遍應(yīng)用的測量工具。
測量電池內(nèi)阻，能夠立即判斷嚴(yán)重失效的電池或存在連接問題的電池，內(nèi)阻的小幅度增加可能說明電池的劣化。由于VRLA蓄電池劣化機(jī)理的復(fù)雜性和失效模式的不同，內(nèi)阻增加與劣化程度的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

內(nèi)阻在線測量方法研究
備用場合使用的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。隨電池容量的增大，內(nèi)阻減小，例如3000Ah的電池，其內(nèi)阻值一般在50~70mW。由于阻值低，電池正負(fù)極輸出直流電壓，要準(zhǔn)確測量內(nèi)阻是有一定難度的，尤其是在線測量時(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。
直流方法
在電池組兩端接入放電負(fù)載，測量電壓的變化(U1-U2)和電流值(I)，根據(jù)歐姆定律計(jì)算電池的內(nèi)阻(R)。
蓄電池從浮充狀態(tài)切換到放電狀態(tài)，典型的電壓跌落過程如圖1所示。停止充電后，電池回落到某平衡電位，接入放電負(fù)載后，電壓發(fā)生階躍變化。這樣，內(nèi)阻的計(jì)算不能使用浮充電壓和放電工作電壓的差值來計(jì)算，使用開路平衡電位與放電工作電壓的差值時(shí)也不夠穩(wěn)定。因此，在放電過程改變電流可以克服平衡電位不穩(wěn)定的因素。采用式(1)，根據(jù)在不同電流(I1、I2)下的電壓變化(U1-U2)來計(jì)算內(nèi)阻值。
                        (1)
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)際測量中，直流方法所得數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差、準(zhǔn)確度很難達(dá)到10%以上。
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)，艻 = Imax Sin(2pft),產(chǎn)生的電壓響應(yīng)為：
芕 = Vmax Sin(2pft +f)          (2)
若使用受控電壓激勵(lì)，芕=Vmax Sin(2pft ),產(chǎn)生的電流響應(yīng)為：
芕 = Vmax Sin(2pft-f)           (3)
兩種情況的阻抗均為：
                      (4)
阻抗是與頻率有關(guān)的復(fù)阻抗，其模 |Z|= Vmax/Imax, 相角為f。
一般情況下，激勵(lì)引起的電壓幅值變化小于10mV，這樣能保證阻抗測量的線性。使用方波在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上更為簡單， 通過改變方波的頻率可以測試電池的阻抗譜。
理論上，向電池饋入一個(gè)交流電流信號(hào)，測量由此信號(hào)產(chǎn)生的電壓變化即可測得電池的內(nèi)阻。
R = Vav/Iav                              (5)
式中，Vav為檢測到交流信號(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mW或mW級(jí)，因此，產(chǎn)生的電壓變化幅值也在mW級(jí)，信號(hào)容易受到干擾。尤其是在線測量時(shí)，會(huì)受到充電機(jī)或用電負(fù)載的影響。工頻和射頻干擾也影響讀數(shù)。
采用同步檢波方法可以部分克服外界干擾，獲得比較穩(wěn)定的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。同步檢波電路如圖2所示，由時(shí)鐘觸發(fā)同步激勵(lì)信號(hào)和檢波電路的相位。
基于數(shù)字濾波器的內(nèi)阻測量技術(shù)
由于直流方法和交流方法較難得到高準(zhǔn)確度的數(shù)值，本研究中采用了數(shù)字濾波技術(shù)提高測量準(zhǔn)確度。
在線測量主要存在以下因素影響測量：測量線耦合的高頻干擾信號(hào)；50Hz工頻干擾；充電機(jī)低頻紋波；充電或放電的電壓緩變；負(fù)載的不規(guī)則變動(dòng)。
對(duì)于高頻干擾，一方面通過硬件低通濾波削減，另一方面，在有效的A/D采樣頻率下進(jìn)行平滑濾波處理。有效信號(hào)組成如圖3所示。
本研究中設(shè)計(jì)了專用的激勵(lì)裝置，向電池組饋入受控交流信號(hào)，測量電路采集被測電池的交流電壓信號(hào)。為消除上述影響因素，采用了IIR數(shù)字濾波技術(shù)。一般化的IIR濾波器如式(6)表示

(6)
IIR的差分方程表示為

(7)
采用直接方式即可實(shí)現(xiàn)差分方程運(yùn)算。圖4是采用橢圓濾波器設(shè)計(jì)的帶通濾波器，M=N=11，具有良好的下降斜率，在通帶和阻帶內(nèi)均為等紋波。表1是采用IIR濾波器量程為50mW的實(shí)測數(shù)據(jù)，表明該方法具有良好的線性和重復(fù)性。

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。圖5中數(shù)值較高的數(shù)據(jù)是在浮充狀態(tài)下測得的，停止浮充、轉(zhuǎn)入放電后電池內(nèi)阻變小。變化幅度均勻，平均為6.5%，可以解釋為浮充狀態(tài)下極化內(nèi)阻的影響。
圖6是接近10小時(shí)率放電時(shí)的電壓變化和內(nèi)阻變化曲線。測試VRLA電池型號(hào)為GFM-1000Ah，投運(yùn)時(shí)間為3年。由圖6的數(shù)據(jù)可知，電池進(jìn)入放電狀態(tài)后，內(nèi)阻由浮充狀態(tài)的值下降到某穩(wěn)定值，此數(shù)值在電池放電的平臺(tái)期穩(wěn)定上升，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。

VRLA蓄電池內(nèi)阻監(jiān)測技術(shù)總結(jié)
內(nèi)阻受包括物理連接、電解液離子導(dǎo)電性和電極表面活性物質(zhì)的活性3方面因素的影響，內(nèi)阻值與所采用的儀器和測量方法有關(guān)，內(nèi)阻的變化可以當(dāng)作電池性能或容量變化的指示。
內(nèi)阻與SOH關(guān)系分析的結(jié)論：SOC和SOH無疑影響電池內(nèi)阻；環(huán)境溫度亦影響電池內(nèi)阻，尤其是低頻下的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程受到擴(kuò)散控制；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)精度的測試手段；不能直接用內(nèi)阻數(shù)據(jù)來計(jì)算SOH，而且建立標(biāo)準(zhǔn)也很困難。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；劣化嚴(yán)重的電池其內(nèi)阻變化數(shù)值將超過某范圍?！?/P>

參考文獻(xiàn)
1 張紀(jì)元. 閥控鉛酸蓄電池的使用和維護(hù).電池. Vol:27,No.6, 1997:278-281
2 胡信國，毛賢仙. 閥控式密封鉛酸蓄電池的最新進(jìn)展. 電源技術(shù). Vol 24 No 4, pp.230-237,2000
3 劉軍賢，楊秀敏.閥控式密封鉛酸蓄電池早期失效問題的分析與研究. CIBF. Beijing,1999