蓄電池內阻在線巡檢與譜分析儀的設計研究

高超

（南方電網深圳供電局有限公司 寶安供電局沙井供電分局，廣東深圳 518000）

0.引言

近年來，隨著科技、民生、工業(yè)等社會領域的發(fā)展，當前市場對電力資源供應需求不斷增加，給電力系統(tǒng)的安全運行造成了較大壓力。蓄電池作為電力系統(tǒng)中的二次系統(tǒng)，承擔著保障電力系統(tǒng)安全運行的重要職責。在各種影響蓄電池性能的因素中，蓄電池本身的容量以及電流負荷等能夠對蓄電池產生巨大的影響。對蓄電池內阻在線巡檢與譜分析儀的設計進行分析，能夠為當前我國電力系統(tǒng)中蓄電池的應用和優(yōu)化提供借鑒的經驗。

1.蓄電池內阻在線巡檢

1.1 蓄電池的作用

從本質上來說，蓄電池是能夠應用于電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中的備用電源，當電力系統(tǒng)發(fā)生運行故障時，蓄電池的應用能夠保障整個電力系統(tǒng)的正常運行?，F階段，蓄電池已經被納入到電力系統(tǒng)當中，在直流供電系統(tǒng)、通信電源系統(tǒng)以及UPS電源系統(tǒng)的運行中發(fā)揮著重要的作用[1]。蓄電池在電力系統(tǒng)中能夠與UPS以及開關電源系統(tǒng)相結合，防止城市的電網電壓出現涌、浪以及瞬變、欠壓等問題，減少這些問題的發(fā)生對電力系統(tǒng)運行安全產生嚴重的影響。在當前市場電力資源需求逐漸增加的背景下，為了能夠在滿足電力資源供應的同時也能夠保障電力系統(tǒng)的運行安全，需要對蓄電池進行恒溫保護和檢測，以便能夠延長蓄電池的使用壽命，在提高電力系統(tǒng)運行效率的同時，也能夠保證電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的正常運行[2]。

1.2 蓄電池容量檢測方法

剩余容量大小會對蓄電池本身的應用性能產生一定的影響，蓄電池在運行中如果存在電量不足的情況，就會使得蓄電池出現自愈失敗的情況，進而導致蓄電池發(fā)生故障。在這種情況下，為了能夠有效保障電力系統(tǒng)的運行安全，就需要對蓄電池的容量進行及時檢測[3]?，F階段，我國應用于電力系統(tǒng)中蓄電池容量的檢測方法主要包括電解液密度法、放電電壓法、放電統(tǒng)計法以及內阻分析法等[4]。

電解液密度法需要將測量儀器深入到蓄電池內部，但蓄電池本身的密閉性很難應用該方法獲得準確的測量結果；放電電壓法主要是檢測蓄電池在放電時端電壓的變化情況，并以此來計算蓄電池中的剩余容量[5]。這種方法會受到蓄電池剩余電量與電壓之間非線性關系的影響，因而測量結果的準確性也比較低；放電統(tǒng)計法主要是在蓄電池完全放電的情況下對其進行測量，需要耗費的測量時間比較長。而內阻分析法主要是依據蓄電池的內部阻抗與荷電程度之間的關系來實現檢測的，不僅不會對蓄電池本身的性能產生影響，還能夠獲得更加準確地測量結果，因而是當前蓄電池容量檢測中最具有應用前景的方法[6]。

2.蓄電池內阻在線巡檢與譜分析儀的具體設計分析

蓄電池內阻在線巡檢方法需要依靠譜分析儀這種專業(yè)的工具來實現，基于當前電力系統(tǒng)對蓄電池性能和運行安全的需求，在應用內阻法來對蓄電池容量進行檢測時，主要可以從以下幾個方面入手：

2.1 蓄電池內阻測試儀

應用內阻法對蓄電池的剩余容量大小進行檢測，首先需要考慮到當前常用蓄電池的內阻大小。由于當前蓄電池的內阻大多為毫歐級，應用原有的兩端子測量技術很難實現對蓄電池剩余容量的精確檢測，因而在對蓄電池內阻測試儀進行設計時，主要應用四端子測量方式[7]。依據蓄電池內阻法的測量原理（如圖1所示），在給運行中的蓄電池施加一個交流電信號之后，對蓄電池兩端的電壓進行測量，再對通過蓄電池的電流進行測量，借助蓄電池兩端瞬時電壓和瞬時電流的相位差來對交流信號的內部阻抗值進行計算[8]。

圖1 蓄電池內阻法測量原理圖

由于這種內阻法主要是借助交流電信號來實現蓄電池容量測量的，因而也可以被稱為交流檢測法。這種方法在實際應用中不依靠蓄電池的放電操作，就可以實現對蓄電池剩余容量的測量，并且可以多次進行測量，也不會對蓄電池本身的運行狀態(tài)和性能產生影響。但由于這種方法在實際應用中需要借助相位法來實現容量的測量，因而會比較容易受到外界噪聲的影響。在這種情況下，就需要對內阻法進行持續(xù)的改進和優(yōu)化，借助快速傅里葉變換來對交流電信號進行幅度譜和相位譜的分析，能夠有效減少噪聲對測量結果產生的影響。

當前應用于蓄電池容量檢測的內阻測試儀，以ITB-712系列型號為主，這種蓄電池內阻測試儀的設計中應用了更先進、技術難度更大的交流內阻技術方案。這種內阻測試儀在實際應用中不僅能夠保障蓄電池在線并機充放電狀態(tài)下測試數據的穩(wěn)定，還融合了蓄電池故障的預警技術，能夠實現對蓄電池故障的及時預警。

2.2 蓄電池巡檢

在依據內阻法完成蓄電池內阻測試儀的設計之后，就可以應用該測試儀來實現對蓄電池的巡檢工作。在對蓄電池的運行狀態(tài)進行巡檢時，首先要確定交流信號源的頻率。在保障城市電網安全運行的前提下，選擇50Hz的市電源作為用于蓄電池安全巡檢的交流信號源頻率，并將該電流利用變壓器進行降壓供電。在對蓄電池的剩余容量進行測量時，首先需要將兩個開關閉合，然后對電池組施加一個正弦交流電流，對經過蓄電池的電流有效值進行測量。在閉合另外2個開關之后，借助兩個采樣電容來實現對蓄電池中交流電壓有效值的測量，再依據測量值計算出蓄電池的電阻?；诋斍半娏ο到y(tǒng)中蓄電池組的運行情況，依據這種方法對每一個蓄電池上的交流電壓有效值進行計算，就能夠得到每個蓄電池的內阻值。

由于當期應用于電力系統(tǒng)中的蓄電池具體型號不同，因而蓄電池的內阻表接線方式也存在一定的差別，而這種差別又會對內阻法的測量結果產生一定的影響。造成這種現象的主要原因是測量線在應用中可能會與電池的連接電纜發(fā)生串聯，將電極樁在內的附加歐姆電阻引到了電池內阻當中。這種現象雖然不會對蓄電池的性能產生一定的影響，但會造成最終的測量結果與實際產生偏差。在這種情況下，就需要對蓄電池進行多次測量，用以多次不同測量結果的真實性和準確性。從當前應用的蓄電池性能來看，蓄電池原本的使用壽命以5年左右為標準，蓄電池內的電阻不會產生較為快速的變化，因而應用內阻法的頻率以每月一次為主要標準。

2.3 蓄電池內阻與剩余容量的關系

在應用內阻法來對蓄電池的剩余容量進行測量之后，就可以依據內阻的變化情況與剩余容量的變化情況來對二者之間的關系進行分析。

如表1所示得知，在蓄電池的剩余容量超過40%時，蓄電池的內阻值大小不會受到放電電流的影響；在蓄電池的剩余容量小于40%時，蓄電池的內阻值則會逐漸增大，且受到放電電流的影響，在放電電流越小的情況下，蓄電池的內阻值增加速度越快。

表1 蓄電池內阻與剩余容量之間的關系

從這一實驗測量結果來看，蓄電池內阻與剩余容量之間的關系主要可以總結出以下幾個特點：首先，蓄電池在初始循環(huán)的狀態(tài)下本身容量會增加；其次，在蓄電池產生低倍率放電的情況下，內阻不會對蓄電池的性能產生較大的影響，而當蓄電池產生高倍率放電的情況下，內阻則會對蓄電池的性能產生較為顯著的影響；最后，盡管內阻法能夠實現對單個蓄電池內置以及剩余容量的測量，但仍無法實現對電力系統(tǒng)中整個蓄電池組內阻以及剩余容量的測量。在蓄電池的內阻突然增大或電導的數據突然減小時，就可以判斷蓄電池的剩余電量為0，因而需要對其進行及時的更換，以便能夠保障電力系統(tǒng)的正常運行。與此同時，應用內阻法對蓄電池的性能進行檢測，還能夠及時發(fā)現蓄電池在運行中存在的一些故障問題。

在蓄電池組進行放電之前，對蓄電池的內阻變化情況進行巡檢之后，可以得到表2所示，依據圖表可以看出，這一蓄電池組中共包含18個蓄電池，而在對蓄電池的內阻進行檢測之后可以發(fā)現，R4、R11、R13、R16、R17的內阻與其他蓄電池的內阻大小之間有著明顯的差別。由此可以看出，這幾節(jié)電池的性能已經發(fā)生了較為嚴重的變化。在這種情況下，就需要對這些內阻存在異常的蓄電池進行及時維護和檢修，用以保障整個蓄電池組在電力系統(tǒng)中的運行安全。

表2 蓄電池內阻的變化情況

除此之外，在應用內阻法來對蓄電池的剩余容量進行測量時，還可以采用半荷內阻法來實現。通過前面的分析可以得知，放電實驗法在實際應用中會對蓄電池本身的性能產生一定的損害。相比之下，應用半荷內阻法，能夠有效減輕這一情況對實際測量結果和蓄電池性能造成的影響。在應用這種方法來對蓄電池的電阻進行測量時，主要是依據蓄電池內阻測試儀測量出的數據來進行蓄電池組放電的電壓曲線來實現的。

如表3所示依據得到的電壓和標準放電比，能夠繪制出電池放電的二折線法電壓曲線，并以此來對蓄電池的內阻和剩余容量進行理論上的分析。在完成以上分析之后，就可以對蓄電池的等效內阻進行測量，并以等效電阻的相關數值來繪制蓄電池組放電的內阻曲線圖，進而更好的研究蓄電池內阻曲線之間的變化規(guī)律。

表3 電池放電下的電壓與標準放電比

蓄電池內阻檢測儀在檢測蓄電池的內阻和剩余容量大小的過程中發(fā)揮著重要的作用。借助蓄電池內阻在線巡檢與譜分析儀來實現對蓄電池性能的檢測和分析，不僅能夠有效減少噪聲對檢測結果造成的影響，還能夠獲得更準確地測量數據，并檢測出蓄電池組中的失效電池，進而保障整個蓄電池組的安全運行?；诒Ｕ衔覈娋W安全運行的主要要求，作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，需要對電力系統(tǒng)中的蓄電池進行及時的安全檢測，才能夠盡量減少蓄電池故障問題對整個電力系統(tǒng)正常運行造成的影響。舉例來說，Fluke BT500系列蓄電池內阻分析儀是一種能夠有效實現蓄電池內阻分析的儀器，這種分析儀能夠實現對數據中心、電信網絡以及配電系統(tǒng)等情況下蓄電池的維護、故障排除以及性能測試功能。

3.結語

應用內阻在線巡檢法來保障蓄電池的應用安全，對保障電力系統(tǒng)的正常運行和電力資源的供應起到了重要的作用。在對蓄電池進行巡檢時，不僅要考慮到蓄電池由于本身容量和運行等方面產生的故障問題，還要重視周邊環(huán)境對蓄電池產生的影響，是否會造成蓄電池性能的損壞和使用壽命的縮短。借助內阻在線巡檢與譜分析儀來對蓄電池進行檢測，能夠有效保障電力系統(tǒng)的正常運行。