关于阀控密封铅蓄电池容量与电导的相关性

 摘要: 阀控密封铅蓄电池荷电态在50%以上时,其内阻(或电导)是看不出什么变化的.只是
荷电态在50%以下时,铅蓄电池的内阻才逐渐增大.若将荷电态在0至100%的全部铅蓄电池都统计进去,其容量与电导才有线性相关关系.然而对荷电态大于80%的在线使用的铅蓄电池而言,却不存在上述关系.因而不能用铅蓄电池的电导值去推断在线使用的铅电池的荷电态或健康状态.
关键词: 密封铅蓄电池, 内阻, 电导, 容量, 相关性
中图分类号: TM 912   文献标识码: A
Correlation between Capacity and Conductance of VRLA
               Gui Chang-Qing
     CSIC 712 Research Institute ( Wuhan Hubei 430064)

Abstract: As soon as the state-of-charge for VRLA was more than 50%,the internal resistance (or conductance) would not be changeable almost. only when the state-of-charge was less than 50%, the internal resistance would become larger obviously. Although the correlation between capacity and conductance might exist for these batteries which state-of-charge was  from 0 to 100%, but this correlation would not exist for on-line batteries which capacity must be more than 80%. For this reason the state-of-charge or state-of-health for on-line batteries could not be predicted from it's values of conductance.
Keywords: VRLA, internal resistance, conductance, capacity, correlation

1. 历史回顾
十余年之前,国外报导了对1000Ah阀控密封铅蓄电池剩余容量与电导的统计结果,认为二者之间存在线性相关关系[1],于是有人提出用在线检测到的VRLA电导值去推断电池的剩余容量, 还有人试图根据电导测试结果去予测电池的使用寿命.
然而实际得到的结果并不令人满意.本人曾对阀控密封铅蓄电池电导测试原理与实践作了论述[2],认为对于容量在80%以上的在线使用的阀控密封铅蓄电池,是无法利用电导值去评估电池的荷电态和予测电池的使用寿命的.随后又根据电化学中的交流阻抗原理分析了阀控密封铅蓄电池交流阻抗参数与荷电态的关系[3],并指出了电导测试工作的局限性.
最近看到几位作者(请见2004年”通信电源技术”1-5期)根据国外1992年报导的VRLA容量与电导的相关性,认为可以”通过测定蓄电池的电导值来估计蓄电池容量的大小,进而判断电池的健康状况是完全可行的”, 并且说电池的电导测试会使电池使用维护工作取得突破性进展.但令人不解的是,他们均未提供具体的在线使用的铅蓄电池的电导与容量具有线性相关关系的数据来.
看来有必要进一步深入分析和认识VRLA的容量与电导的关系,实事求是地评价VRLA电导测试仪的作用及测试结果的价值.
2. 电池容量与电导(内阻)的关系
在文献[4]中我们已经系统地介绍了VRLA容量与电导(内阻)的关系.为了说明问题,在此简要介绍一下国内外一些作者的工作结果.
      文献[5]描述了作者对6V/4Ah阀控式密封铅蓄电池交流阻抗测试的结果,表明了在电池剩余容量高于40%的区间内，电池内阻几乎没有变化，并且几乎不受放电电流的影响；当剩余容量小于40%时，电池内阻却明显增大，并且放电电流越小，电池内阻增加越快.
早在30年以前,就有人对开口式自由电解液的铅蓄电池交流阻抗参数(Rp,Cp,Rs,Cs)跟电池荷电态之间的关系进行了研究,结果表明电池荷电态在50%以上时，它们几乎是不变的，只是荷电态在50%以下时才迅速增加[6]。
我们早期对大容量开口式自由电解液的铅蓄电池的内阻测试方法进行研究,结果也观察到同样的情况[7].
文献[8]介绍了用电导测试仪对GFM—840L型阀控式密封铅蓄电池进行电导测试的结果，同样观察到电池荷电态在50%以上时，其内阻几乎是不变的，只是荷电态在50%以下时才迅速增加。
日本汤浅公司提供的产品说明书记载了,使用交流阻抗计(1000Hz)测量VRLA内阻, 结果也表明电池荷电态在50%以上时，其内阻几乎是不变的.
由此可见, 不同时期不同作者的工作都表明,不论是开口式或全密封铅蓄电池、不论是用交流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50%以上时，其内阻或电导几乎没有变化，只是在低于40%时，其内阻值才迅速上升。
3. 对国外统计结果的看法
资料[1]综合了作者们在1992年发表的用Midtronic Celltron and Midtron 电导测试仪对VRLA的测试和统计结果. .图1和图2示出了336块1000Ah密封铅蓄电池用263A放电至1.80V的放电时间跟电池电导之间的关系.可以看出电池放电时间跟电导之间存在线性相关关系,其相关系数R²=0.825. 由此提出对在线使用的电池, 可以用测得的电导值去推测电池的剩余容量.

图1. 336只1000Ah电池的电导与放电时间  

图2. 336只1000Ah电池的电导与容量记录表

表面上看来这样做是有一定道理的.但应当看到,上述结果是将放电时间接近于0至100%的全部铅蓄电池都统计进去得到的,可是我国标准中规定通信用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.遗憾的是图1数据表明,当电池容量在80%以上时, 看不出容量与电导之间有什么关系.
事实上仔细一看图2的数据即知,具有这种线性相关关系的电池绝大部分都是放电容量低于80%以下的失效电池。在336只电池中，用电导法测得的电池容量在80%以上的好电池只有34只，占总数10.1%，尚有37/336=11% 的好电池被误判为不合格电池，即用电导法对电池的好与坏误判断的准确率只能达到约50%，更不用说用电导值去预测电池的荷电态或使用寿命了.
造成这一结果的根本原因就在于本文前面所说的, 电池荷电态在80%以上时，其内阻(电导)几乎是不变的，当然不会有什么相关性了.其次,由于蓄电池的内阻很小,只有几个
mΩ,测量夹的接触电阻也是mΩ级,因而测量误差会严 重干扰测试结果;再者,不同厂家生产的蓄电池电导测试仪,由于它们使用的信号频率不同,测定的参数不一样(见表1),并且测定的是含有不同成分的内阻,因此即使测试同一块电池,其结果也会理所当然不同.
表1. 某些电池内阻测定仪的特性
仪器型号和生产厂家     信号频率(Hz) 测定的参数
Hewlett-Packard 4328A 1000 阻抗实部
BITE of Biddle Instrument 60 阻抗模数
Celltron 10
Midtron of Midtronics 25 阻抗实部的倒数

但现在仍然有人坚持以新电池的电导值(或最大电导值)的80%作为门限值;也有人认为以电池容量达到额定值的80%时的电导值作为门限值,低于该值的电池就是落后电池.生产和维护实践证明,即使是同一型号同一批的新电池,测得的电导(内阻)值也不相同.显然,上述两个门限值既是不同的数值,又是很难定下来的数值,那么怎么能用它们来判定电池的容量或荷电态呢?
由此看来,虽然 将荷电态在0至100%的全部铅蓄电池都统计进去,其容量与电导之间有线性相关关系.然而对荷电态大于80%的在线使用的铅蓄电池而言, 却不存在上述关系.既然如此,我们何必花那么大的精力去统计必须报废的失效电池的容量与电导之间的关系呢?
再来看看近十几年来国外电池行业的情况.F.Huet[9]经过仔细考察和分析之后指出,在电池行业中,现在已没有人用电导法去现场测定蓄电池的容量了.我们在近十年国外一些著名电池杂志和一些著名厂家出版的电池资料上,再也没见到有人主张用电导值去推断VRLA的荷电态和健康状况态.

4. 合理评价电池电导测试的作用
(1) 不能根据蓄电池的电导值去推断它的放电容量和使用寿命.
其中道理如本文前面所述.
  (2) 有助于发现失效电池
由图2统计的结果可以看出,在336只1000Ah电池中,根据电导测试结果判定为失效的电池数为296只,比真正失效电池数(265个)多11.7%,即误判率为11.7%.
当然,测量电池的浮充电压比测量电池的内阻(电导)要简单得多,从电池浮充电压的变化是很容易发现失效电池或落后电池的(落后电池不一定是失效电池).
(3) 检查电池是否失水
由于VRLA采用贫液式设计,电池的放电容量对电解液量非常敏感.电池一旦失水,放电容量就会下降,内阻就会加大.因而若发现电池电导迅速下降,就有可能是电池失水的信号.
(4) 电导测试仪是有用的
电池电导测试仪本身是无可非议的.不能用它来予测密封铅蓄电池的容量或寿命,这不是仪器之过,这是由密封铅蓄电池本身决定了的.若用它予测其他类型电池的容量[9],只要实践证明可行,仪器仍然会大有用武之地.

5. 结束语
任何一台测试仪器都有其独特的工作原理,该工作原理也是建立在一定的理论分析和假设基础之上的.因而任何一台测试仪器都有其一定的适用范围,过高地估计它的适用性,往往会给实际工作带来误导作用.蓄电池电导测试仪也不例外.
科学是不断发展的,人类对事物的认识也是不断深入的.实践永远是检验真理的唯一标准.一旦实践证明以前的看法不完善,就应当实事求是地修正它.
  
  
参  考  文  献
1. David O.  Feder Mark J. Hlavac W K , evaluating the State-of-health of flooded and Valve-Regulated Lead/acid batteries, A Comparison of Conductance testing with Traditional methods [J], J. Power Sources, 1993, 46(2-3),  391-415.
2. 桂长清, 阀控密封铅蓄电池电导测试原理和实践 [J], 电源技术, 1993, 23, 266-270.
3. 桂长清, 阀控密封铅蓄电池阻抗参数与荷电态 [J], 通信电源技术, 2002 (4) 1-5.
4. 桂长清,柳瑞华, 密封铅蓄电池的电导与容量的关系 [J], 电池, 2002 (2) , 74-76.
5. 余沛亮,陈体衔, 阀控密封铅蓄电池内阻 [J], 蓄电池, 1995 (3),  3-5.
6. Gopikanth M L. Sathyanarayana S., Impedance parameters and the state-of-charge,  (Ⅱ) lead acid battery [J], J. Appl. Electrochemistry, 1979(9),  369-379.
7. 桂长清, 包发新, 大容量电池欧姆内阻的测定 [J], 电源技术, 1984(6),  13-15.
8. 徐曼珍, 在线测量VRLA电池荷电态技术进展, 通信电源技术交流论文集,P.14-19, 1998 威海.
9. F.Huet, A review of impedance measurements for determination of the state-of-charge or state-of-health of secondary batteries [J] J.Power Sources ,
70(1998) 59-69.
10. 桂长清, 密封铅蓄电池荷电态予测技术 [J], 电池,2003 (5) 319-321.