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ups蓄电池内阻测量技术的分析

文章发布时间:2010-10-23 15:02来源:upsclan.com 作者:upsclan 关注次数:

摘要:本文讨论了蓄电池内阻的几种测量方法,并着重讨论了交流测量法的特点,并讨论了内阻在诊断蓄电池性能,及时发现落后电池中的使用方法。结合大量的工程数据,验证内阻作为判据的有效性。

    后备电源的使用场合,往往采用的蓄电池容量很大,在几十到数千安时,电池的内阻值很小,随电池容量的增大,内阻减小,例如3000Ah的电池,其内阻值一般在50-70微欧。由于测量值的微小,为提高在线测量的准确度,因此需要考虑充电机存在充电纹波以及负载的微小变动。
1直流方法
    直流方法是在电池组两端接入放电负载,测量电压的变化(U1-U2)和电流值(I)计算电池的内阻(R)。
    R=(U1-U2)/I
    蓄电池从浮充状态切换到放电状态,典型的电压跌落过程如图3-4所示。通过一个专用的设备实现指定的恒流(一般采用较大电流,如40A以上),进行电压跌落的观察,测量两个电压值U1与U2,通过上式,计算得到蓄电池的内阻值。

 
ups蓄电池内阻测量技术的分析
 

 
    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;另外,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。实际测量中,直流方法所得数据的重复性较差,其测量结果的偏差很难达到10%以下。
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,ΔI = Imax Sin(2πft),产生的电压响应为:
    ΔV = Vmax Sin(2πft + φ)
    若使用受控电压激励,ΔV = Vmax Sin(2πft),产生的电流响应为:
    ΔI = Vmax Sin(2πft - φ)
    两种情况的阻抗均为:
    即阻抗是与频率有关的复阻抗,其模 |Z|= Vmax/Imax, 相角为φ。
    一般情况下激励引起的电压幅值变化小于10mV,这样能保证阻抗测量的线性。使用方波在技术实现上更为简单, 通过改变方波的频率可以测试电池的阻抗谱。
    从理论上讲,向电池馈入一个交流电流信号,测量由此信号产生的电压变化即可测得电池的内阻。
    R = Vav / Iav
    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,会受到充电机或用电负载的影响。射频干扰也影响检波器的输出。
3、内阻在线测量技术分析
    后备电源的使用场合,往往采用的蓄电池容量很大,在几十到数千安时,电池的内阻值很小,随电池容量的增大,内阻减小,例如3000Ah的电池,其内阻值一般在50-70微欧。由于测量值的微小,为提高在线测量的准确度,因此需要考虑充电机存在充电纹波以及负载的微小变动。
3.1、不同测量方法对内阻值的影响
    不同型号的测量仪器可能使用不同的内阻测量方法,尤其是不同的测试频率,所获得的电池内阻数据有较大的差异。美国Midtronics公司采用低频(30Hz)测量蓄电池的电导,而日本HIOKI公司则采用高频(1000Hz)进行阻抗的测量。当然电导与阻抗是一个互为倒数的关系,无论采用哪个名词对于蓄电池性能的判断都是一致的。从蓄电池的阻抗谱图来分析,仪器所测的内阻值除反映了欧姆内阻外,还部分反映了电化学阻抗。
    无论那种测量方法,在数值上存在一定的差异,这当然由于测量原理的不同所致,同时测量的蓄电池内阻的含义不同。以下是对开口铅酸电池和阀控密封铅酸电池(VRLAB)用不同的仪器进行测试的数据对比。
    对一组20只12V38Ah铅酸阀控蓄电池组,分别采用HIOKI3550内阻测试仪(工作频率1000Hz,测量电流为几十mA)和LM系列蓄电池在线监测装置(工作频率10Hz,测量电流1A)测量20只蓄电池的内阻,其结果如图2所示。从图1可以明显看出,LM系列蓄电池在线监测装置所测数据均比HIOKI3550的数值高。但从图2还发现,两种方法测量的数据虽存在差异,但反映蓄电池差异的趋势方面是一致,所以对于蓄电池内阻而言,如何反映蓄电池的差异,即对于内阻参数的合理使用,是重要的。
 
ups蓄电池内阻测量技术的分析
 

 
    在蓄电池的理论中,始终将蓄电池的内阻作为蓄电池的重要参数加以论述,但在实际中在,如何利用内阻参数的意义上,分歧较多。尤其在用蓄电池的内阻监测蓄电池性能失效方面,存在诸多争论。其实采用不同测量标准、不同条件下的测量蓄电池内阻,并讨论其意义(即与性能、容量等的关联性),由于标准不一,其结论自然不一。为了便于问题的分析,为此引入内阻的相对性、绝对性的概念。
3.2、内阻参数的相对性与绝对性
    内阻存在相对性与绝对性的两方面特性,应充分认识内阻参数相对特性与绝对特性的意义,从而全面把握内阻这一重要参数。
关于内阻参数的相对性方面是指,在众多铅酸蓄电池参数中,其内阻值是一个比较特殊的概念,这主要是因为:
    1、首先作为蓄电池内阻,其包含了欧姆阻抗和极化阻抗,蓄电池内阻是指在某种条件下的数值,如是充电态还是放电态,充、放电的不同阶段,内阻是不同的,只有在明确其状态和明确其测量标准,才能有其具体意义,这是其本质的相对性。
    2、作为测量手段和方法的不同,由于测量原理不同,其包含的意义也不尽相同。这是因为测量方法和手段,对于欧姆阻抗和极化阻抗而言,在采用不同测量方法和手段时,各部分在测量值中所占比例差异较大,所以只有在明确其测量标准后,讨论才具有现实意义,这是蓄电池内阻参数测量方面相对性。
    几十年来,在实践中广泛采用直流放电法,测量蓄电池内阻,即使这样,也同样是一个相对数值。虽然大家沿用至今,但仍然不能将其绝对化。
    近十几年来,随着新技术的涌现,对于内阻测量的新方法,也不断涌出。如果仍然将直流法测量的内阻绝对化,则无法接受新的测量手段带来的对内阻意义的理解。
    关于内阻绝对性是指蓄电池在运行或失效过程中,其内阻的变化是绝对的,从以下几个方面可以明确:
    1)、在实际应用中,目前没有一个蓄电池性能严重衰减或容量严重下降,但其内阻没有变化的实例。通过近十年对蓄电池内阻的研究及国外相关机构的研究报告,都准确地说明了这一点。
    2)、在蓄电池失效模式中(尤其是阀控铅酸蓄电池),无论何种模式的失效,都必然在内阻得以体现。
正是由于内阻的相对性及其变化的绝对性,为实际应用带来了清晰的理论:
    a、只有在同一条件下,同一手段方法测量的内阻才是讨论蓄电池性能的参数的根本;在此标准下,讨论蓄电池内阻变化与蓄电池性能或容量存在其关联性,才可能得出准确可靠的结论。
    b、在同一条件下,采用不同手段方法,测量蓄电池内阻,内阻的含义不尽相同,其数值不可能完全一致。但始终以一种手段方法,测量蓄电池不同条件下的内阻变化,用以考察蓄电池性能状况是可行的。
    c、在不同条件下,采用不同手段方法,测量蓄电池内阻,以期建立蓄电池内阻与蓄电池性能或容量衰减的某种关联,是不能成立的。但可以在相同条件下、相同手段方法下,测量内阻变化值与蓄电池性能状况或容量衰减建立某种关联,这样才能清楚地加以分析。
    4、不同荷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,这可以通过比较蓄电池不同状态下(充电、放电)内阻参数的不同而得到非常有意义的指导。图3是在哈尔滨岁宝电厂直流操作电源中的一组104只蓄电池组(电池电压为2V)中的一只蓄电池,在实际测量过程中,蓄电池自浮充状态下,放电-充电全过程内阻与电压的变化曲线。从图中可以看到:在蓄电池不同的荷电态下,蓄电池的内阻数值是不同的,并且随着荷电的下降,蓄电池内阻呈上升趋势。
 
ups蓄电池内阻测量技术的分析
 

 
    同一只蓄电池在放电结束后转入充电状态,直至充满为止过程中,蓄电池内阻的变化是与电压呈相反趋势,即内阻趋于变小。即在表述蓄电池内阻的同时,注明蓄电池的荷电状态,这是讨论内阻在实际中意义的条件。
图4是蓄电池在不同放电倍率下内阻变化的曲线。
 
ups蓄电池内阻测量技术的分析
 

 
    从该曲线图可以看出:随放电电流的改变,其内阻变化的曲线不同;但无论是在什么放电倍率下的电流,在放电初期,蓄电池的内阻是不随放电电流的改变而改变,即当蓄电池放电初期,内阻是一个相对稳定的数值,并不随外界的条件的改变而变化。
    而当蓄电池处于在放电初期阶段,可以认为蓄电池处于充满电的状态;通过以上分析,自然得出这样的结论:在蓄电池浮充充满电状态下,蓄电池的内阻是一个相对稳定的数值,其不随外界条件的改变而变化。
    这一个结论带来积极的实际意义是:是否可以在蓄电池放电初期,通过测量内阻的变化,作为蓄电池性能劣化的判断依据,抑或可以直接反映蓄电池性能变化。
    5、现场数据比对
    图5与表1是在长春诚高公司进行的厂内测试的电池内阻直方图以及数据列表。首先选择一组20只电池的电池组(电池电压12V),接入LM系列蓄电池在线监测装置系统,进行蓄电池内阻的测试;然后将No1~No5更换为已知失效的蓄电池(且是同容量、同状态下),进行再次测量。为验证内阻与性能劣化的关系,进行放电测试,与其他电池进行比对试验,这5只电池的容量都在10%,而其他电池容量在80%以上。
 
ups蓄电池内阻测量技术的分析
 

 
    从表4可以看出NO1~NO5蓄电池更换前后的内阻变化之大,从内阻的变化可以看出蓄电池性能的差异。
表1不同性能电池内阻对照表
第一次测量
第二次测量
序 号
电压(V)
内阻(mΩ)
序 号
电压(V)
内阻(mΩ)
1-P
12.461
10.85
1-P
更换为性能劣化的蓄电池
12.695
19.78
2-S
12.729
15.89
2-S
10.411
129.07
3-P
12.390
11.63
3-P
12.658
18.20
4-P
12.690
11.13
4-P
12.645
17.98
5-S
12.745
15.23
5-S
12.601
18.40
6-S
12.718
15.46
6-S
12.697
14.98
7-S
12.749
15.52
7-S
12.722
15.10
8-S
12.734
15.56
8-S
12.709
15.21
9-P
12.711
10.54
9-P
12.685
10.37
10-S
12.757
15.61
10-S
12.734
15.15
11-S
12.836
15.03
11-S
12.812
14.68
12-S
12.821
14.20
12-S
12.789
13.82
13-P
12.695
10.43
13-P
12.670
10.25
14-P
12.377
11.34
14-P
12.363
11.11
15-S
12.743
15.87
15-S
12.722
15.39
16-P
12.331
11.87
16-P
12.312
11.49
17-S
12.820
15.08
17-S
12.791
14.69
18-P
12.436
11.06
18-P
12.415
11.01
19-P
14.475
11.07
19-P
12.454
10.89
20-P
12.793
10.41
20-P
12.764
10.35

    为此,可以验证:通过蓄电池内阻参数的测量,比较蓄电池内阻,可以反映蓄电池性能的差异,并因此反映蓄电池劣化的状况,这对于阀控铅酸蓄电池的早期预警以及诊断,具有重要的实际意义。
5、结论
    图6是一般研究普遍认同的电池老化与内阻变化的关系,即内阻变化一般经历3个阶段:
    1、投运初期,电池进入稳定运行期间,电池内阻有所下降;
    2、在电池正常运行的很长一段时间,内阻保持相对稳定;
    3、在电池寿命终结前的一段时间,内阻呈快速上升趋势。

 

ups蓄电池内阻测量技术的分析
 

 
    IEEE Std 1188-1996中对内阻测量和数据分析作了说明,指出内阻受包括物理连接、电解液离子导电性和电极表面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20%的变化即可认为是明显变化,但这个变化幅度可能跟不同厂家的电池有关。
    在铅酸蓄电池运行条件下,如何明确检测蓄电池失效是目前蓄电池使用者尤为关注的。根据作者的研究及国外的研究,有这样一个假设是成立的:电池组的失效总是从少数电池失效开始的。这就要求在检测电池组是否失效时,以测蓄电池组中每一只电池失效为前提条件。同时,只要是一只或几只电池性能出现首先衰减,如不进行及时的处理,则该组蓄电池在不久将会出现性能严重下降的状况。
    根据作者的近十年的研究表明,得到一个有实际指导意义的结论:当某一只电池(或一组蓄电池中的几只)其内阻上升到一定幅度,该(组)电池将无法通过容量测试。如上一节中的现场测量与数据分析2中的5只蓄电池内阻。
    内阻与SOH的关系分析的结论:
    1、SOC和SOH无疑影响电池内阻。
    2、不同测量原理影响蓄电池内阻测量值。
    3、蓄电池荷电态不同影响蓄电池内阻的测量值
    4、劣化严重的电池其内阻变化数值将超过某范围。
    5、采用同一测量原理、在同一荷电态下,观察蓄电池内阻的变化绝对值ΔR,可以作为判断蓄电池劣化的判据。
 
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