基于內(nèi)阻法測容量在配網(wǎng)自動化中的設計及應用

黃 偉 孫蒙恩

（深圳鹽田供電局，廣東 深圳 518081）

0 引言

隨著時代的發(fā)展，配網(wǎng)自動化是公司優(yōu)化營商環(huán)境、提升供電可靠性和實現(xiàn)“四個大幅減少”等工作的重要支撐手段[1]。蓄電池在配網(wǎng)自動化中具有不可或缺的作用，蓄電池作為電源其容量的檢測非常重要。傳統(tǒng)的蓄電池容量檢測方法是進行整組核對性放電，即把蓄電池組連接到負載箱，然后進行放電，一直放到截止電壓為止，以此來驗證蓄電池的容量。這種方法有很多缺點：測試時間長，風險大，電池組須脫離系統(tǒng)，蓄電池組存儲的化學能全部以熱能形式消耗掉，即浪費電能又費時費力，效率低。針對傳統(tǒng)測試蓄電池容量的方法所存在的不足，該實驗利用實驗數(shù)據(jù)，模擬出一套蓄電池容量和蓄電池阻抗的關系表達式；再通過阻抗的測試得到模擬的容量大小，克服了上述測試的不足，具有較大的推廣應用價值。

1 簡易裝置設計

蓄電池的容量測試方法主要有以下4種：密度法、電壓法、滿容量放電法和內(nèi)阻（電導）法。

密度法以鉛酸蓄電池為例，因為電解液主要是由氧化鉛、鉛以及硫酸鉛共同組成的。所以電解液的密度由氧化鉛、鉛以及硫酸鉛三者的密度共同決定[2]。然而，在應用密度法時有一個關鍵性的問題，在蓄電池使用后期，因為其正負極板由于被腐蝕，氧化鉛、鉛以及硫酸鉛三者的比例已經(jīng)明顯發(fā)生變化，導致蓄電池后期是無法以密度值為依據(jù)來推算其容量的，所以該方法不能普遍推廣。電壓法主要是測量負載電壓和開路電壓，通過測量負載電壓和開路電壓來評估電池的容量[3]。當開路電壓和負載電壓降低時，說明電池的容量也在相應的下降。這種方法不能較為準確地確定容量的大小，應用局限性較大。滿容量放電法是其中最簡單的操作方法，也是最準確測量電池容量的方法。保證電池處在額定電流的情況下，測量其放電過程的容量。該過程耗時較長，且如果使用次數(shù)過于頻繁，容易引起電池的加速老化，極大地縮短了電池的壽命。測量內(nèi)阻（電導）法是根據(jù)蓄電池電阻的大小預測蓄電池的容量。電導的數(shù)值對于蓄電池來說，可以較好地反映出電池穩(wěn)定持續(xù)充電的特性，且可較好地預測電池的容量。由于反復使用電池導致蓄電池內(nèi)部的活性材料在內(nèi)部不斷脫落、消耗，電極板中的電解液揮發(fā)，導致蓄電池整體電阻值增加，從而使蓄電池容量減少。這也充分說明蓄電池的內(nèi)阻可以作為1個標準來評估蓄電池的容量性能。這樣通過電阻的測量來計算蓄電池容量的方法，操作簡單，實用性強[4-5]。

該文設計出一種測量蓄電池容量的簡易裝置。首先，通過電流采集裝置和電壓采集裝置，得到相應電流和電壓的數(shù)值；其次，計算出相應的電阻阻值；最后，依據(jù)電阻和容量的關系模型計算出電池容量的大小。該裝置大部分應用于計算機中，操作簡單，易于實施，對電池基本無損傷，具備在配網(wǎng)自動化終端巡檢、定檢工作中推廣實施的條件。

1.1 設計的架構(gòu)

配網(wǎng)自動化中蓄電池容量測試設計主要分為現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析3個階段。該設計讓配網(wǎng)自動化中電池的內(nèi)阻從現(xiàn)場檢測的電流和電壓值中反應出來，再通過相應的方法傳輸?shù)诫娔X終端，對其內(nèi)阻和電量的關系模型進行分析，可以得出所測蓄電池的容量大小，實現(xiàn)對配網(wǎng)自動化中蓄電池容量的監(jiān)測。

1.2 設計的主體

因為現(xiàn)場檢測階段是該設計最主要的部分，所以重點介紹現(xiàn)場檢測階段。如圖1所示，現(xiàn)場測試電池內(nèi)阻原理主要由高精度A/D轉(zhuǎn)換電路、放電負載、電流采集、電壓采集以及CPU這5個部分組成。接下來將會簡述各部分的作用以及其中的關鍵性問題和改進方法。

1.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器

通常把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D或ADC）。A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號。因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進行的。簡單來說，就是將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號的1個電子元件。而該文是將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這樣可以方便CPU采集數(shù)據(jù)。因為這些數(shù)字信號并不具有實際的意義，只是可以表示相對的大小。所以該類轉(zhuǎn)換器需要1個參考標準，這也是要在后面加入電壓測量的原因，給出相應的參考標準，使CPU收集的信號有意義。

1.2.2 放電負載

加入負載是對電路的保護，防止在電壓和電流增加的過程中，蓄電池被擊穿，電阻瞬間減少，造成危險。在測試時，通過給出1個變化的電壓值和電流值，測量負載的電流和電壓變化，電壓的變化值除以變化的電流值，可以得出電池加負載總的電阻值，而負載的電阻值可以在加入前就得出，可以通過這樣算出對應的電池內(nèi)阻。

1.2.3 電流采集和電壓采集

電流采集是對蓄電池放電過程中電流大小的測量。通過負載電阻的加入，電流也就會有相應的變化。因為這與蓄電池電阻測試的結(jié)果有直接關系，所以要求電流采集裝置要有比較高的精度，這樣得出的蓄電池內(nèi)阻才能準確。電壓采集和電流采集類似，采集放電負載兩端的電壓，通過電壓和電流的變化，可得出電池內(nèi)部的內(nèi)阻。因此電壓的測量也是要有相應的精準度的。因為電流和電壓的變化是由負載電阻的變化來控制的，所以負載電阻值的選擇可以根據(jù)最初電壓采集的大小來估量。電壓的數(shù)值可以給A/D轉(zhuǎn)換器提供一個相應的參考標準，得出不同數(shù)字信號對應的電壓大小，然后從CPU采集的數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出來，方便進行下一步的分析。

1.2.4 中央處理器（CPU）

CPU作為計算機系統(tǒng)的運算和控制核心，是信息處理、程序運行的最終執(zhí)行單元。CPU自出現(xiàn)以來，在邏輯結(jié)構(gòu)、運行效率以及功能外延上取得了巨大的發(fā)展。CPU是A/D轉(zhuǎn)換器信號的收集裝置。主要是為了方便后面數(shù)據(jù)傳輸和整理。當該處收集的信號和電壓測試出的真實值一一對應時，再進行相應數(shù)據(jù)的處理。

圖1 現(xiàn)場測試電池內(nèi)阻原理圖

以上的5個步驟中，主要是對精確度有一定要求。例如A/D轉(zhuǎn)換器放電負載的內(nèi)阻、電流采集和電壓采集都較高的精度要求，這是為了測出蓄電池的內(nèi)阻更為精準，方便對其容量的預測。

2 內(nèi)阻與容量的關系實驗及結(jié)果分析

2.1 容量的測量

首先，采集各個時間點的電壓數(shù)據(jù)，利用式（1）可以計算出蓄電池的從良作為基準容量，用QC表示。而是壓降時的蓄電池的放電容量。這個可以作為接下來蓄電池容量估算的參考數(shù)據(jù)。蓄電池的容量計算，如公式（1）所示。

式中：T為完全放電的總時長；t為各單位壓降的時間間隔（單位電壓為0.1 V）；為放電電流；為放電電流。

其次，根據(jù)上面的數(shù)據(jù)計算出蓄電池此次放電的容量，用Qt表示，如公式（2）所示。

最后將蓄電池的放電電壓與之前放電記錄的數(shù)據(jù)作對比，找出相應的容量Qv。黃怡然等[6]利用該方法估算出來的蓄電池容量與實測的容量對比，誤差在5%之內(nèi)，基本符合蓄電池容量測試要求。

2.2 電阻的測量

電池內(nèi)阻測量方法在行業(yè)里面主要分為直流放電內(nèi)阻測量法和交流壓降內(nèi)阻測量法。

2.2.1 直流放電內(nèi)阻測量法

直流放電內(nèi)阻測量法主要是根據(jù)物理公式R=U/I，測試設備，讓電池在短時間內(nèi)（一般為2 s～3 s）強制通過1個很大的恒定直流電流（目前一般使用40 A～80 A的大電流），測量此時電池兩端的電壓，并按公式計算出當前的電池內(nèi)阻。該方法有明顯的不足之處：1）只能測量大容量電池或者蓄電池，小容量電池無法在2 s～3 s內(nèi)負荷40 A～80 A的大電流。2）因為當電池通過大電流時，電池內(nèi)部的電極會發(fā)生極化現(xiàn)象，產(chǎn)生極化內(nèi)阻；所以，必須把測量控制在很短的時間以內(nèi)，否則測出的內(nèi)阻值誤差很大。3）大電流通過電池時，會對電池內(nèi)部的電極造成一定損傷。

2.2.2 交流壓降內(nèi)阻測量法

因為電池實際上等效于1個有源電阻，所以，研究人員首先給電池施加了1個固定頻率和固定電流（目前一般使用1 kHz頻率、50 mA小電流），其次對其電壓進行采樣，經(jīng)過整流、濾波等一系列處理，最后通過運放電路計算出該電池的內(nèi)阻值。交流壓降內(nèi)阻測量法的電池測量時間極短，一般需要100 ms。該測量方法的精確度也不錯，測量精度誤差一般在1%～2%。

該實驗為了保障實驗的安全性以及加強對蓄電池的保護，采用的是交流法測量電池內(nèi)阻。首先，在電池上加1個交流測試信號；其次，使用相應的設備測量流過電池的電流I和該電池在該電流下電池的電壓U；最后可以導出阻抗，并計算出相應的電池內(nèi)阻值。阻抗計算公式如公式（3）、公式（4）所示。

由于交流信號頻率較大，在該頻率下可以把電容看成一個導體，選擇性地忽略其影響，測得的數(shù)據(jù)實際上就是電阻。劉險峰等[7]采用該方法得出了阻抗和容量的關系，并做出相應的表格，便于以后通過電阻值對容量進行預測。該方法測量某已工作八年的通信站的蓄電池組容量。實驗可以把測試誤差控制在1%之內(nèi)，完全符合現(xiàn)在設計的標準。

2.3 數(shù)據(jù)處理

如圖2所示，研究人員把用上述測試得到的電阻和電容的結(jié)果輸入到相應的表格中，就可以得到相應電阻和電容的數(shù)值。這里需要注意，當容量衰減過多（低于20%時），內(nèi)阻會出現(xiàn)急劇增加的情況，這會導致結(jié)果出現(xiàn)偏差，因此研究人員對于容量低于20%的情況不做結(jié)果處理。因為溫度對電池的容量是也有一定影響，所以研究人員需要把溫度控制在25 ℃，以保證結(jié)果的準確性。

詳細的步驟如下：1）首先是標準充電，以0.5 C （1.3 A）的恒定電流對電池進行充電到4.20 V；其次，再用恒定電壓對電池充電，直到充電電流降至0.01 C （0.026 A）；再次，將電池靜置1 h；最后，進行容量測試。該方法測出的容量就是電池最初的放電容量。2）在25 ℃的恒溫環(huán)境下，以0.5 C （1.3 A）的電流強度對其充放電，每循環(huán)10圈測試其容量和阻抗，可以得出一系列容量和阻抗的數(shù)據(jù)。做出對應容量和電阻的擬合直線。如圖3所示，可以擬合出一條斜率為13.95525 Ah/Ω，截距是0.0012 Ah的直線，大約方程式為:

y =13.95525x +0.0012

可以根據(jù)電池測出的電阻，預估容量的大小。

圖2 容量和阻抗實驗的測試程序

為了討論新方法的準確性和可靠性，該文還將1組數(shù)據(jù)作為驗證。研究人員首先測出電池實際容量和實際電阻；其次，把實際電阻帶入式（5）；最后，就可以得出相應的預測容量。通過比較實際測得的容量和預測容量，得到相應的誤差研究人員選取了20組數(shù)據(jù)，從中可以明顯看出預測容量和真實容量最大誤差為±4%，這完全符合目前電池容量估算的標準。

實驗結(jié)果表明，容量的大小與電池內(nèi)阻有一定關系，之所以電池容量的衰減很可能隨著電池內(nèi)阻而增加，是因為它們遵循相同的增長趨勢。這樣的線性相關也意味它們最有可能歸因于相同的老化機制。因為蓄電池容量的衰減，一般都是內(nèi)部活性材料的數(shù)量減少，這增加了電子的傳導阻力。所以，電池容量會降低并且電池阻抗也會增加?；谠摾碚摵头椒ㄔO計的電阻和容量關系模型可以通過直接測電池內(nèi)阻的方法實現(xiàn)對容量的檢測。

圖3 容量和阻抗的散點圖和擬合線

圖4 電池實際容量和預測容量的誤差

3 結(jié)語

蓄電池作為配網(wǎng)自動化的核心部件，對于配網(wǎng)自動化的推廣十分重要。該文提出了內(nèi)阻法測容量，只需要測量樣本的電阻值就可以得出蓄電池的容量大小，測量結(jié)果的精度高，預測范圍可以把誤差控制在±5%。依據(jù)該方法設計的測量裝置，可以滿足遠程、實時地了解蓄電池電阻變化的需求。這為工作人員及時維護和延長蓄電池的生命周期提供了關鍵性指標，極大地減少了人力和物力的投入，實現(xiàn)可觀的經(jīng)濟效益。該文的方法具有較強的可操作性和實用性，為以后容量的檢測提出了一種新的方法，也對以后的研究具有重要的借鑒意義。