蓄电池在线内阻监测技术及运用

　　摘要：通过分析直流操作电源系统中VRLA蓄电池运行状况和电池失效的常见现象，研完了蓄电池在线监洲管理系统应解决的关键问题，主要包括：(1)监测管理系统的合理结构；(2)电池组及电池单体的电压、电流巡检与数据分析；(3)电池单体的内阻测量；(4)电池运行事件记录；(5)远程管理。重点介绍了结合BM一6500电池管理系统在直流操作电源系统的应用情况。
　　关键词：蓄电池；监测；内阻测量；在线维护

0 引言
　　目前，阀控式铅酸蓄电池在电力操作电源、通信电源中广泛使用，由于阀控式铅酸蓄电池结构的特殊性，在运行中可靠地检测蓄电池的性能，并有针对性地对蓄电池进行维护变得困难但又很迫切。从电源系统运行的高可靠性要求，各类蔷电池监测系统也在广泛使用。但不同的测试模式对蓄电池的性能状况反映也不一样，多年的研究和运用表明，内阻检测是目前最为可靠的测试方式之一，而蓄电池的不同失效模式对内阻的反映情况也不一样，了解蓄电池的内阻和各种失效模式的关系，合理地分析阀控式铅酸蓄电池的内阻数据，有利于更好地对蓄电池进行检测和维护。近年来，由于原材料的涨价，国内很多阀控式铅酸蓄电池厂家采用了很多新的生产工艺，由此而来对新工艺蓄电池内阻数据分析也发生了新的变化。合理地选择此类蓄电池内阻数据基准，对判断阀控式铅酸蓄电池性能有很大的帮助；合理地运用内阻数据维护蓄电池，对延长蓄电池的使用寿命有很大的作用，为获得最大的安全效益和经济效益有着很重要的意义。

1 常见的蓄电池失效模式
　　对于阀控式铅酸电池，通常的性能变坏原因有：电池失水、极板群的腐蚀、活性物质的脱落、深放电引起的钝化和深度放电后的恢复等，以下是几种性能变坏的情况。

l.1 电池失水
　　铅酸蓄电池失水会导致电解液比重增高或电池正极栅板的腐蚀，使电池的活性物质减少，从而使电池的容量降低而失效。

　　阀控式铅酸蓄电池充电后期，正极释放的氧气与负极接触，发生反应，重新生成水，即

　　使负极由于氧气的作用处于欠充电状态，因而不产牛氢气。这种正极的氧气被负极铅吸收，再进一步化合成水的过程，即所谓阴极吸收。

　　在上述阴极吸收过程中，由于产生的水在密封情况下不能溢出，因此阀控式密封铅酸蓄电池可免除补加水维护，这也是阀控式密封铅酸蓄电池称为免维护电池的由来。但在充电过程中，当充电电压超过2．35V／单体时就有可能使气体逸出。因为此时电池体内短时间产生了大量气体来不及被负极吸收，压力超过某个值时，便开始通过单向排气阀排气，排出的气体虽然经过滤酸垫滤掉了酸雾，但必竟使电池损失了气体，也等于失水，所以阀控式密封铅酸蓄电池对充电电压的要求是非常严格的，绝对不能过充电。

1．2 负极板硫酸化
　　电池负极栅板的主要活性物质是海棉状铅，电池充电时负极栅板发生如下化学反应

   
 　　放电过程发生的化学反应是这一反应的逆反应，当阀控式密封铅酸蓄电池的荷电不足时，在电池的正负极栅板上就有PbSO4存在，PbSO4长期存在会失去活性，不能再参与化学反应，这一现象称为活性物质的硫酸化，为防止硫酸化的形成，电池必须经常保持在充足电的状态，蓄电池绝对不能过放。

1．3 正极板腐蚀
　　由于电池失水，造成电解液比重增高，过强的电解液酸性加剧正极板腐蚀，防止极板腐蚀必须注意防止电池失水现象发生。

1．4 热失控
　　热失控是指蓄电池在恒压充电时，充电电流和电池温度发生一种累积性的增强作用，并逐步损坏蓄电池。造成热失控的根本原冈是浮充电压过高。

　　一般情况下，浮充电压定为2.23～2.25V/单体(25℃)比较合适。如果不按此浮充范围工作，而是采用2．35V／单体(25℃)，则连续充电4个月就可能出现热失控；或者采用230V/单体(25℃)，连续充电6～8个月就可能出现热失控；如果是采用2．28V／单体(25℃)，则连续12～18个月就会出现严重的容量下降，进而导致热失控。热失控的直接后果是蓄电池的外壳鼓包、漏气，电池容量下降，最后失效。

2 阀控铅酸蓄电池内阻模型研究
　　阻抗分析是电化学研究中的常用方法，是电池件能研究和产品设汁的必要手段。
　　图l所示为常用的铅酸电池阻抗的等效电路。

　　文献研究中将Warburg阻抗表示为一个电阻和电容串联组成的阻抗ZW。

   
　　式中：λ为Warburg系数，表示反应物和生成物的扩散性质特性；
      ω为角频率。
　　电池的阻抗包括欧姆电阻和正负极阻抗，即

   
　　电池阻抗是一个复阻抗，在其它条件不变的情况下，与测试频率有关。
　　通常情况的内阻星指某一固定频率下的内阻值，对于一般的VRLA蓄电池，多数采用低于100 Hz的频率．在实际使用中常把复阻抗的模称为内阻。

2．1 内阻在线测量方法
　　备用场合使用的VRLA电池一般容量很大，在几十到数千安时，电池的内阻值很小。由于阻值低，电池正负极输出感应的电压幅值很小，尤其是在线测量时电池端存在充电纹波和负载变动时的动态变化，要准确测量内阻是有一定难度的。常见的内阻测试方法有以下几种。

2.1.1 直流方法
　　直流方法是在电池组两端接入放电负载，根据在不同电流(I1、I2)下的电压变化(U1一U2)来计算内阻值，见图2所示。常采用式(3)计算。

　　由于内阻值很小，在一定电流下的电压变化幅值相对较小，给准确测量带来困难，由于放电过程电压的变化，需要选择稳定区域计算电压变化幅值。实际测最中，苴流方法所得数据的重复性较差，准确度很难达到10％以上。

2．1．2 交流方法
　　交流方法相对直流法要简单。
　　当使用受控电流时，△I=Imaxsinωt，产生的电压响应为

   
　　即阻抗是与频率有关的复阻抗，其相角为φ，而其模|Z|=Vmax/Imax。
　　从理论上讲，向电池馈人一个交流电流信号，测量由此信号产生的电压变化即可测得电池的内阻。即

   
　　式中：Vav为检测到交流信号的平均值；
　　Iav为馈入交流信号的平均值
　　在实际使用中，由于馈入信号的幅值有限，电池的内阻在微欧或毫欧级，因此，产生的电压变化幅值也在微伏级，信号容易受到干扰。尤其是在线测量时，受到的影响更大，采用基于数字滤波器的内阻测量技术和同步检波方法可以克服外界干扰，获得比较稳定的内阻数据。

2．2 不同测量方法对内阻值的影响
　　由于测量方法的不同，蓄电池内阻数值有较大的差异。因此，在研究内阻变化时需要在同一方法下进行测量。

2.3 不同充电状态对内阻值的影响
　　蓄电池处于不同的状态．其内阻值也有很大的差异。放电容量达到80％后，内阻急剧上升。转入充电后，内阻很快恢复到正常数值。

2．4 不同的失效模式对内阻值的影响
　　蓄电池的不同失效模式反映在内阻变化的幅值并不一样。
　　图3是不同劣化模式下的电池放电曲线。与一般的腐蚀模式对比可以发现：同样的欧姆内阻变化幅度，失水模式能提供的输出容量比腐蚀模式的要低。

　　另外的电池劣化模式也从不同的角度影响电池的内阻，除腐蚀和失水外，活性物质的不同结晶状态也影响输出容量和内阻。
　　对处于正常浮充电压一定时间后的电池，可以认为是在完全充电状态。
　　温度对电池内阻影响甚微，低温有些影响。在运行条件较好的场合，可以不考虑温度的影响。
　　目前国内还没有相关的标准对蓄电池内阻数据进行解释说明，只有IEEE Std 1188—1996中对内阻测最和数据分析作了简单的说明，IEEE Std1188一1996指出：内阻受包括物理连接、电解液离子导电性和电极表而的活性物质的活性三方面因素的影响，内阻值与所采用的仪器和测量方法有关，内阻的变化可以当作电池性能或者说容量变化的指示。明显的内阻变化表明蓄电池有大的性能改变，超过30％的变化即可认为明显，但这个变化幅度可能跟不同厂家的电池有关。

3 现场测量与数据分析
　　为了获得可靠数据，我们对装备有动力环境集中监控系统的50组通讯电源的蓄电池进行了测试，其中采用改进工艺的蓄电池有32组，投入运行的时间从2001年8月到2005年lO月，其余的蓄电池为1997年到2000年的老电池，测试的蓄电池均为国产品牌的且广泛使用的型号，所测试的蓄电池生产厂家有3家，本次测试的蓄电池均按重量区分蓄电池的工艺，按厂家的说明书，近些年生产的蓄电池重量均明显小于2001年前相同容量的蓄电池的重量，我们以重量作为区分蓄电池工艺的方法。

　　内阻测试设备使用增强型的BM6500蓄电池监测系统，BM6500采用了交流法的内阻测试系统，增强型的内阻测试精度为2％。
　　现场测试的一组数据如表1所列。

　　蓄电池型号：采用新工艺的GFMGl000AH。
　　投入运行日期：2002年1月。
　　内阻变化率的基准值为2003年5月的测试值。
　　浮充电压最大动态误差为2．340(No．1)-2．219(No．15)=0．121V，大于YD/T799—1996规定最高及最低电压值偏差为50mV，从浮充电压可以知道本组蓄电池的性能并不理想，内阻最大变化率为25.9％(No．12)。
　　图4所示为动力环境集中监控软件中记录的前20分钟放电曲线，放电电流286A。

　　本次测试的所有蓄电池性能分析结果如表2和表3所列。
　　通过分析发现，在蓄电池劣化时，采用新工艺的蓄电池内阻值明显小于采用老工艺的蓄电池，对于新工艺的蓄电池内阻预警值应更为严谨。

4 结语
　　内阻与SOH(State of Health)的关系分析的结论如下。
　　(1)不能直接用内阻数据来计算SOH(State of Health)，而且建立标准亦很困难。内阻不能同容量进行量化表达，只是性能的反映；
　　(2)SOC(State of Charge)和SOH(State of Health)无疑影响电池内阻，劣化的蓄电池内阻都有很大的变化；
　　(3)大容量电池的欧姆内阻很小。其变化幅度就更小，需要相当精度的测试手段；
　　(4)部分电池的内阻变化明显，但此时的电池容量仍可能保持在良好水平；
　　(5)劣化严重的电池其内阻变化数伉将超过某范围；
　　(6)蓄电池的监测应是对蓄电池的运行参数、内阻变化、电压监测等的综合参数监测，对内阻的变化率的监测是很有意义的；
　　(7)新工艺蓄电池的性能、寿命明显低于老的蓄电池，更需要严格监测其运行参数，定期的核对性放电不可缺少。（张庆福）