蓄電池在線檢測技術(shù)原理分析

丁聰 黃 赟 王天翔 柯成

1．上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司；2中國移動通信集團(tuán)上海有限公司

引言

目前在通信行業(yè)閥控鉛酸蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)中，國內(nèi)外較為普遍采用的蓄電池電壓巡檢模式，近10年來此類技術(shù)的產(chǎn)品和方案，在中高壓直流操作電源、通信電源系統(tǒng)、UPS電源、EPS電源中得到廣泛的應(yīng)用。但在設(shè)計院設(shè)計方案和運(yùn)營商用戶的實際使用中始終存在一個困惑：僅通過蓄電池浮充狀態(tài)下電壓的變化，難以體現(xiàn)蓄電池真實的充放電性能變化。對于終端用戶來說，更加關(guān)注蓄電池在線檢測技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)蓄電池性能的劣化、容量落后，并對此趨勢進(jìn)行有效的把控，防止因為蓄電池組故障而帶來的通信用電的隱患以及相關(guān)生產(chǎn)事故。

1 蓄電池運(yùn)行前期的現(xiàn)場數(shù)據(jù)

圖1．1中蓄電池是某運(yùn)營商分公司單組32節(jié)蓄電池組的實時采集數(shù)據(jù)。蓄電池的電池配置電壓為380V，每組32節(jié)，單節(jié)電池規(guī)格為12V100Ah，投運(yùn)時間為1年。從圖1．1中可以看出，蓄電池組單節(jié)電池的浮充電壓屬于正常范圍，且電壓的一致性較好，但通過單節(jié)內(nèi)阻參數(shù)，存在內(nèi)阻最大（16．2 mΩ）與內(nèi)阻最?。?0．4 mΩ），可見蓄電池組性能一致性的差異所在。

圖1．1 蓄電池組1單體的浮充電壓與內(nèi)阻直方圖

圖1．2是通過單體的電壓曲線圖，明顯可見32節(jié)蓄電池的電壓較為均衡，彼此偏差較小。

圖1．2 蓄電池單體電壓差異比

如果將蓄電池內(nèi)阻曲線與電壓曲線同步于同一圖中（圖1．3），不難看出問題所在，即雖然單節(jié)電池電壓連貫一致，單體電壓差異很小，但蓄電池內(nèi)阻參數(shù)偏差很大，實際放電或存在因整體一致性差而導(dǎo)致整組放電容量失效情況。

圖1．3 蓄電池組單體的浮充電壓與內(nèi)阻一致性差異比較

由此可見，僅通過蓄電池電壓（在線運(yùn)行參數(shù)）在線檢測與后臺數(shù)據(jù)分析比較，是無法發(fā)現(xiàn)蓄電池真實的充放電性能的。蓄電池在線檢測必須著重關(guān)注其內(nèi)部參數(shù)，即性能參數(shù)。

2 蓄電池運(yùn)行參數(shù)與性能參數(shù)

閥控鉛酸蓄電池有兩類指標(biāo)，一類是在線運(yùn)行參數(shù)，另一類是內(nèi)部參數(shù)（即性能參數(shù)）。

在線運(yùn)行參數(shù)是通過外部電源施加于蓄電池的，同時外部電源是可以調(diào)整的參數(shù)，如充、放電電流、溫度及工作電壓等。而內(nèi)部參數(shù)，也稱性能參數(shù)是蓄電池固有的，是真實表征蓄電池性能的參數(shù)，如電池的內(nèi)阻、容量等。

閥控鉛酸蓄電池浮充電壓、充放電電流及溫度是電池運(yùn)行的重要參數(shù)，這些參數(shù)的準(zhǔn)確性及科學(xué)性可以確保閥控鉛酸蓄電池長期可靠運(yùn)行，是安全可靠的必需條件。所以，目前動環(huán)系統(tǒng)均將上述運(yùn)行參數(shù)作為必須測量的項目，并加以嚴(yán)密的在線監(jiān)測和后臺管理，這是保證蓄電池正常工作的條件。

然而，在線運(yùn)行參數(shù)，僅是其安全運(yùn)行的必要條件之一，而基于在線運(yùn)行參數(shù)檢測的動環(huán)系統(tǒng)并不能準(zhǔn)確反映閥控鉛酸蓄電池的內(nèi)部固有性能參數(shù)。如果要真正實現(xiàn)對閥控鉛酸蓄電池的科學(xué)化智能化的監(jiān)測管理，就必須監(jiān)測其內(nèi)部性能參數(shù)，真實反映閥控鉛酸蓄電池性能劣化、落后、失效。

此外，通信行業(yè)動環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測浮充狀態(tài)下蓄電池組電壓，本質(zhì)上是基于單體電池浮充電壓的監(jiān)測。當(dāng)外界電源施加電流作用于單體電池，外界的電流與單體電池端電壓相互疊加影響產(chǎn)生單體電池電壓，單體電池電壓累加即蓄電池組總電壓，往往造成正常電池和失效電池在浮充電壓上的差異不大，但整組電池容量上損耗嚴(yán)重。

3 蓄電池運(yùn)行實測數(shù)據(jù)

圖3．1是某運(yùn)營商服役4年的蓄電池組電壓和內(nèi)阻直方圖。該組單體電池內(nèi)阻差異較大，其中No．14、No．15、No．17蓄電池的內(nèi)阻已經(jīng)超出其他電池內(nèi)阻平均值的5倍以上；同時單體電壓上也反應(yīng)出性能差異。其中No．15電池的電壓已經(jīng)低到3V以下（圖3．2）。

圖3．1 蓄電池組單體的浮充電壓與內(nèi)阻直方圖

圖3．2 蓄電池組單體的電壓折線圖

綜合比較電壓和內(nèi)阻，由圖3．3可見，僅通過蓄電池浮充電壓的變化，無法發(fā)現(xiàn)蓄電池性能的差異，更不能發(fā)現(xiàn)蓄電池性能劣化的程度和趨勢。必須通過在線實時監(jiān)測蓄電池內(nèi)阻變化情況，運(yùn)用單體電池電壓和內(nèi)阻的數(shù)據(jù)綜合比較，可以快速掌握蓄電池性能狀況。

圖3．3 蓄電池組單體的電壓和內(nèi)阻曲線圖

4 內(nèi)阻與電池性能關(guān)系驗證

表4．1為在某UPS公司的廠內(nèi)測試。首先選擇一組20節(jié)電池的電池組（電池電壓12V），接入蓄電池在線巡檢儀（內(nèi)阻型），進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻的測試；然后將No．1～No．5更換為已知失效的蓄電池（且是同容量、同狀態(tài)下），進(jìn)行再次測量。

表4．1 不同性能電池內(nèi)阻對照表

為驗證內(nèi)阻與性能劣化的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)行放電測試，將No．1～No．5這5個已知劣化嚴(yán)重電池，與其他電池進(jìn)行比對試驗。這5個電池的容量都在10%，而其他電池容量在80%以上。

圖4．1 電池更換前后內(nèi)阻直方圖

No．1～No．5蓄電池內(nèi)阻前后的變化之大，明確了內(nèi)阻與蓄電池性能的直接關(guān)系。由此可見，通過蓄電池內(nèi)阻參數(shù)的測量，比較蓄電池內(nèi)阻，可以直接反映蓄電池性能的差異，并反映蓄電池劣化的狀況，對于閥控鉛酸蓄電池的早期預(yù)警以及故障診斷，具有重要的實際意義。

5 內(nèi)阻監(jiān)測的應(yīng)用

由于蓄電池內(nèi)阻測量的工作原理不同；不同蓄電池廠家，在極板、板珊的成分、電解液的濃度、隔膜的選擇不同和內(nèi)阻不同；另外由于蓄電池荷電態(tài)不同，蓄電池的內(nèi)阻值不同，如何選擇合適有效的內(nèi)阻測量方法來還原蓄電池劣化的狀況是蓄電池內(nèi)阻檢測應(yīng)用的關(guān)鍵。

5.1 不同測量方法對內(nèi)阻值的影響

不同型號的測量儀器可能使用不同的內(nèi)阻測量方法，尤其是不同的測試原理，所獲得的電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)有較大的差異。無論哪種測量方法，在數(shù)值上存在一定的差異，這是由于測量原理的不同所致，同時測量的蓄電池內(nèi)阻的含義不同。

對一組20節(jié)12V38Ah鉛酸閥控蓄電池組，分別采用HIOKI內(nèi)阻測試儀（工作頻率1000Hz）和LM103蓄電池在線巡檢儀（工作頻率10Hz）測量20節(jié)蓄電池的內(nèi)阻，其結(jié)果如圖5．1所示。BIS蓄電池在線診斷裝置所測數(shù)據(jù)均比HIOKI的數(shù)值高。雖然兩種方法測量的數(shù)據(jù)存在差異，但反映蓄電池差異的趨勢方面是一致。

圖5．1 不同測試方法的鉛酸蓄電池內(nèi)阻

5.2 不同荷電狀態(tài)對內(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，通過比較蓄電池不同狀態(tài)下（充電、放電）內(nèi)阻參數(shù)而獲得有意義的指導(dǎo)。圖5．2是某運(yùn)營商的高壓直流操作電源中的一組104節(jié)蓄電池（電池電壓為2V），在實際測量過程中，蓄電池自浮充狀態(tài)下，放電-充電全過程內(nèi)阻與電壓的變化曲線?？梢?，蓄電池不同的荷電態(tài)下，蓄電池的內(nèi)阻數(shù)值是不同的，并且隨著荷電的下降，蓄電池內(nèi)阻呈上升趨勢。

圖5．2 放電/充電過程電壓/內(nèi)阻變化

同一個蓄電池在放電結(jié)束后轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)，直至充滿為止的過程中，蓄電池內(nèi)阻的變化是與電壓呈相反趨勢，即內(nèi)阻趨于變小。即在表述蓄電池內(nèi)阻的同時，必須注明蓄電池的荷電狀態(tài)，對于分析內(nèi)阻才有價值。

圖5．3是蓄電池在不同放電倍率下內(nèi)阻變化的曲線。

圖5．3 不同放電倍率下蓄電池內(nèi)阻的變化

隨放電電流的改變，其內(nèi)阻變化的曲線不同；但無論是在什么放電倍率下的電流，在放電初期，蓄電池的內(nèi)阻是不隨放電電流的改變而改變，即當(dāng)蓄電池放電初期，內(nèi)阻是一個相對穩(wěn)定的數(shù)值，并不隨外界條件的改變而變化。

當(dāng)蓄電池處于放電初期階段，假定蓄電池處于充滿電的狀態(tài)，蓄電池的內(nèi)阻是一個相對穩(wěn)定的數(shù)值，其不隨外界條件的改變而變化?？梢?，在蓄電池放電初期，通過測量內(nèi)阻的變化，作為蓄電池性能劣化的判斷依據(jù)，可直接反映蓄電池性能變化。

5.3 內(nèi)阻與剩余容量的相關(guān)性研究

筆者通過大量測試數(shù)據(jù)分析了阻抗與SOH之間的相關(guān)性?？偨Y(jié)如下：

(1)電池的劣化失效遵循一定的規(guī)律；

(2)一些類型的電池劣化引起阻抗變化；

(3)在蓄電池劣化的初期，其阻抗的變化不易察覺；

嚴(yán)重失效的電池其阻抗變化強(qiáng)烈，即用阻抗方法能發(fā)現(xiàn)所有嚴(yán)重失效的電池。某國外研究機(jī)構(gòu)通過168節(jié)1000Ah的電池現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)說明阻抗的倒數(shù)（電導(dǎo)）與劣化程度的相關(guān)性。

圖5．4 電池電導(dǎo)與劣化程度的關(guān)系

6 蓄電池檢測對節(jié)能和環(huán)保的影響

蓄電池檢測對于節(jié)能環(huán)保的意義是多方面的。

（1）根據(jù)上文所述，蓄電池的狀態(tài)與蓄電池的當(dāng)前內(nèi)阻存在密切關(guān)系。蓄電池內(nèi)阻的增加會導(dǎo)致放電時端電壓下降，電池內(nèi)耗上升，進(jìn)而導(dǎo)致放電效率的下降，總放電量的下降。因此，進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻的監(jiān)測，及時剔除、更換內(nèi)阻過大的蓄電池可以有效的減少蓄電池放電時的內(nèi)耗，提高整組蓄電池的放電效率。在放電量需求相同的條件下，蓄電池總消耗容量下降，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)能的目的。

（2）單節(jié)壞電池（或內(nèi)阻過大的電池）會影響到整組蓄電池的表現(xiàn)。蓄電池組中的壞電池會在充放電中出現(xiàn)過充電、過放電現(xiàn)象，繼續(xù)使用可能導(dǎo)致正、負(fù)極活性物質(zhì)的可逆性遭到損壞，在自身損壞的同時還會導(dǎo)致整組電池的容量明顯減少，放電電壓無法保證，放電效率下降等能耗上升的問題。

（3）電池組中存在壞電池會影響到整組電池的使用壽命。如果一組蓄電池中部分電池的內(nèi)阻與其他電池差距過大，在充電時得到的充電電壓就不平均，無論充電電壓不足或者充電電壓過高都會導(dǎo)致蓄電池組失效變快。及時發(fā)現(xiàn)蓄電池組中內(nèi)阻異常的電池可以有效的延長整租蓄電池使用壽命，進(jìn)而在降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源的同時，實現(xiàn)了對環(huán)境的保護(hù)。

7 結(jié)論

動環(huán)系統(tǒng)檢測的蓄電池浮充電壓實時數(shù)據(jù)，作為在線運(yùn)行參數(shù)對蓄電池的性能無直接關(guān)聯(lián)性；而蓄電池內(nèi)阻作為內(nèi)部參數(shù)，即性能參數(shù)，對于分析蓄電池的性能有直接關(guān)聯(lián)性。依據(jù)諸多實際項目，筆者認(rèn)為蓄電池內(nèi)阻參數(shù)可作為蓄電池性能判斷依據(jù)，支持依據(jù)如下：

1)蓄電池內(nèi)阻的研究及國外相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究報告顯示，近二十年來無一例外的一個蓄電池性能嚴(yán)重衰減或容量嚴(yán)重下降，但其內(nèi)阻沒有變化的實例。

2)在蓄電池性能失效時（尤其是閥控鉛酸蓄電池），無論何種模式的失效，都必然體現(xiàn)內(nèi)阻異常。

綜合實踐數(shù)據(jù)，總結(jié)如下：

（1）同一條件，同一手段方法測量內(nèi)阻，才是討論蓄電池性能的參數(shù)的根本；在此標(biāo)準(zhǔn)下，蓄電池內(nèi)阻變化與蓄電池性能或容量存在直接關(guān)聯(lián)性，且能夠得出準(zhǔn)確可靠的結(jié)論。

（2）同一條件，不同手段方法測量內(nèi)阻，內(nèi)阻的代表含義不盡相同，其數(shù)值不可能完全一致，不具備可比性，但有趨勢性。

（3）不同條件，采用不同手段方法測量內(nèi)阻，以達(dá)到建立蓄電池內(nèi)阻與性能或容量衰減的某種關(guān)聯(lián)。