蓄電池內(nèi)阻的檢測技術(shù)

1. 直流法測量蓄電池歐姆內(nèi)阻

? ? 對平板式單電極而言，當(dāng)有階躍電流i流過時(shí)，其電壓就會隨時(shí)間t而變化，當(dāng)t＞5× 10-5s時(shí)，電壓變化η可用下式表示。

式中，Cd為電極附近雙電層電容值；i0為交換電流密度；RΩ為電極歐姆內(nèi)阻；N、R、T、F、n均為常數(shù)。

式（4-4）等號右邊的第1項(xiàng)i×RΩ表示電極歐姆內(nèi)阻引起的電壓變化，它與時(shí)間無關(guān)；第2項(xiàng)表示濃差極化隨時(shí)間的變化；第3項(xiàng)表示因給電極附近的雙電層電容充電引起的電壓變化，在t趨于0時(shí)，其值也趨于0；第4項(xiàng)表示電極反應(yīng)的電化學(xué)極化，鉛蓄電池的i0較大，則1/i0必然很小。由此可知，當(dāng)t趨于0時(shí)，η趨于i×RΩ。

? ? 由此看來，在蓄電池中有階躍電流i流過時(shí)，電壓就要發(fā)生變化；只要測出t趨于0時(shí)蓄電池電壓的變化ΔU，就可以算出蓄電池的歐姆內(nèi)阻。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)蓄電池以恒電流I放電時(shí)，測出其在0.5～1ms內(nèi)電壓的變化ΔU1，則由RΩ=ΔU1/I即可算出蓄電池的歐姆內(nèi)阻。

? ? 目前，在一些部門使用的蓄電池電導(dǎo)測試儀，其測試原理與此相似。它將已知頻率（大約為10Hz）和幅度的電壓加在單體蓄電池的端子上，觀察相應(yīng)的電流輸出，用此法測取蓄電池的電導(dǎo)（或電阻）。由于其頻率較低，信號持續(xù)時(shí)間較長（100ms），則測得的電阻中既含有歐姆內(nèi)阻又含有變化著的濃差極化內(nèi)阻（此時(shí)活化極化內(nèi)阻忽略了）。

2.交流法測量蓄電池內(nèi)阻

? ? 由于蓄電池中的電極是多孔性的，而且又是多片電極緊密并聯(lián)在一起的，它的交流阻抗等效電路極其復(fù)雜，至今尚無法從理論上精確地解決，只能根據(jù)在平板電極上得到的理論分析結(jié)果近似地處理蓄電池中的多孔性電極問題。當(dāng)蓄電池中有恒定電流流過時(shí)，其端電壓是隨時(shí)間而變化的，不同時(shí)刻測得的電壓變化中包含了不同的成分，因而用交流法測量的蓄電池內(nèi)阻是隨交流信號的頻率而變化的。過去也曾用交流阻抗法測蓄電池內(nèi)阻，但均得不出準(zhǔn)確的結(jié)果，其主要原因是無法建立準(zhǔn)確的等效電路，并且受外來噪聲的干擾比較嚴(yán)重。

? ? 當(dāng)采用交流法測量蓄電池內(nèi)阻時(shí)，交流信號頻率范圍為0.5Hz～10kHz。雖然蓄電池阻抗模與頻率的對數(shù)之間沒有嚴(yán)格的線性關(guān)系，但在高頻區(qū)（1～10kHz）變化較小，于是取此時(shí)的阻抗模作為蓄電池內(nèi)阻。目前使用的蓄電池電導(dǎo)測試儀，是將已知頻率（10Hz）和幅值（1V）的正弦交流電壓加在蓄電池的兩極柱上，然后測量與電壓相位相同的電流值，由此算出蓄電池的電導(dǎo)（或內(nèi)阻）。雖然從理論上說，加在純電阻負(fù)載上的正弦交流電壓和電流是同相位的，即用電導(dǎo)測試儀測得的蓄電池電導(dǎo)是內(nèi)阻的倒數(shù)，但實(shí)際測得的結(jié)果卻與交流電的頻率有關(guān)，這是由于所用的交流電頻率較低，信號周期時(shí)間長達(dá)100ms，所測得的電阻中既含有金屬電阻，又含有電化學(xué)電阻。因此，用電導(dǎo)測試儀測得的蓄電池電導(dǎo)的含義不夠明確，它既包含了蓄電池的金屬電阻的影響，又包含了電化學(xué)電阻的影響；其次，從所測得的電導(dǎo)來看，小于2500Ah蓄電池的內(nèi)阻在毫歐級，測試過程中接觸電阻引入的誤差接近毫歐級，嚴(yán)重干擾了測試結(jié)果。

3.Cellcorder蓄電池多用測試儀的工作原理

? ? Cellcorder蓄電池多用測試儀的工作原理與直流法測量蓄電池歐姆內(nèi)阻的工作原理是相同的，其特點(diǎn)是能更快、更精確地測量。它應(yīng)用現(xiàn)代微處理器和固態(tài)電路控制技術(shù)，整個(gè)測試過程都是在微處理器的控制下完成的。它在正常的測試時(shí)段內(nèi)提供快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并判斷讀數(shù)是否有效，然后對結(jié)果進(jìn)行存儲記錄。

? ? 測量蓄電池內(nèi)阻原理圖如圖4-2所示。在圖4-2中給出了蓄電池負(fù)載放電過程中蓄電池端電壓與電流之間的關(guān)系曲線。蓄電池在負(fù)載接通時(shí)，其內(nèi)阻會造成瞬間電壓降。經(jīng)過3～4s后，負(fù)載放電電流達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，在關(guān)斷負(fù)載放電電流前的瞬間，測量此時(shí)的穩(wěn)定電流值I和電壓值U1。在負(fù)載電流關(guān)斷后，蓄電池端電壓又會恢復(fù)升高。Cellcorder蓄電池多用測試儀能讀取負(fù)載電流關(guān)斷前和關(guān)斷后瞬間的蓄電池端電壓U1、U2，從而簡單地得出Rn=ΔU/I=（U2-U1）/I。

? ? 負(fù)載放電瞬間測試是Cellcorder蓄電池多用測試儀有別于目前市場上的其他蓄電池電導(dǎo)（內(nèi)阻）測試儀的關(guān)鍵特點(diǎn)，并能提供令用戶信服的數(shù)據(jù)。Cellcorder蓄電池多用測試儀的負(fù)載放電電流為20～70A，放電時(shí)間很短，對于額定容量小于1000Ah的蓄電池，只有3～4s；而對于更大容量的蓄電池，放電時(shí)間也只接近10s。為了證實(shí)短時(shí)間大電流的影響和安全性，進(jìn)行了下面的試驗(yàn)。

? ? 一根絕緣導(dǎo)線（AWG20#27英寸長）流過Cellcorder蓄電池多用測試儀的測試電流（20～70A）沒有造成損壞和明顯的發(fā)熱。在實(shí)際測試開始的毫秒級的時(shí)間內(nèi)，Cellcorder蓄電池多用測試儀便能感應(yīng)到放電電流。如果蓄電池的內(nèi)阻很大，則放電電流會很小，放電將被儀器立即終止。因此，負(fù)載放電測試，對帶有腐蝕的內(nèi)部導(dǎo)體的蓄電池來說，除了在內(nèi)部導(dǎo)體上造成特殊燒蝕外，不會產(chǎn)生更嚴(yán)重的損壞。經(jīng)過上萬次蓄電池測試試驗(yàn)，Cellcorder蓄電池多用測試儀的負(fù)載放電測試不會造成蓄電池開路。

? ? Cellcorder蓄電池多用測試儀由于采用了直流技術(shù)，所以它可以準(zhǔn)確地重復(fù)測量在線蓄電池的內(nèi)阻，具有更高精度（分辨率為1μΩ）和較高的重復(fù)精度（±5%）。紋波電流、50/60Hz干擾電磁場、噪聲及正常的浮充電流都不會對儀器讀數(shù)產(chǎn)生影響。

? ? Cellcorder蓄電池多用測試儀可以對在線浮充狀況、開路甚至部分放電情況下的蓄電池進(jìn)行測試。它通過定期精確測量蓄電池的電壓、內(nèi)阻，形成數(shù)據(jù)文件，應(yīng)用其蓄電池內(nèi)阻變化趨勢分析軟件，對定期測量的蓄電池內(nèi)阻歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行變化趨勢分析，或者與蓄電池在100%容量時(shí)的內(nèi)阻值（基準(zhǔn)值）進(jìn)行比較，可以判斷和預(yù)測蓄電池的性能。蓄電池內(nèi)阻的變化為蓄電池的老化提供了相關(guān)信息。蓄電池的老化過程取決于設(shè)計(jì)的材料和結(jié)構(gòu)退化的速度。例如，正常的蓄電池壽命是指在溫度為25℃及在特殊的浮充條件和規(guī)定放電深度與頻率情況下的壽命。蓄電池傳導(dǎo)路徑的緩慢腐蝕、極板上活性物質(zhì)的脫落、板柵的變形及蓄電池電解液的揮發(fā)，所有這些自然過程都促使了蓄電池壽命的終結(jié)。內(nèi)阻的增大和容量的減小都是蓄電池老化過程的標(biāo)志。一般，當(dāng)蓄電池的實(shí)際容量小于80%時(shí)，蓄電池性能會急速下降，建議更換該蓄電池。在正常情況下，蓄電池的內(nèi)阻增大是很緩慢的，但是當(dāng)蓄電池的壽命快結(jié)束時(shí)，內(nèi)阻會快速增大。報(bào)廢蓄電池的內(nèi)阻一般比正常的蓄電池內(nèi)阻基準(zhǔn)值高25%，有些甚至高出50%。

? ??蓄電池測試專家們希望得到蓄電池在100%和80%容量時(shí)內(nèi)阻數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)值，以確定蓄電池所處的狀況?；鶞?zhǔn)值取得的最佳時(shí)機(jī)是在蓄電池的安裝工作完成后，對蓄電池進(jìn)行驗(yàn)收時(shí)進(jìn)行容量測試并測定內(nèi)阻。此時(shí)的結(jié)果應(yīng)是非常一致的，這些數(shù)據(jù)應(yīng)保存起來作為基準(zhǔn)值或IEEE/ANSIP-1188中的基準(zhǔn)。以后測量到的內(nèi)阻數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，然后再決定維護(hù)還是更換該蓄電池。另一個(gè)獲取基準(zhǔn)值數(shù)據(jù)的方法，是在對同期同型號的蓄電池測定完容量后，再取得同型號不同時(shí)期蓄電池的數(shù)據(jù)，然后，根據(jù)時(shí)間推移，積累出報(bào)廢或80%容量蓄電池的相關(guān)數(shù)據(jù)。

蓄電池實(shí)際內(nèi)阻測試技術(shù)

（1）蓄電池實(shí)際內(nèi)阻

? ??蓄電池實(shí)際內(nèi)阻由金屬電阻和電化學(xué)電阻組成。內(nèi)阻增大導(dǎo)致鉛酸蓄電池性能退化。容量與內(nèi)阻的關(guān)系曲線是一條近似曲線（并不是一個(gè)簡單的直線關(guān)系，而是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系），如圖4-3所示。

? ??典型的100%容量蓄電池的放電曲線如圖4-4所示。內(nèi)阻增大對蓄電池容量有著負(fù)面的影響，蓄電池內(nèi)阻的功耗為I2×Rn。這部分能量沒有得以真正利用，所以造成了實(shí)際容量的減小。在放電過程中，蓄電池容量減小與蓄電池內(nèi)部金屬電阻、電化學(xué)電阻變化的依賴關(guān)系是不同的。

? ??① 金屬電阻。報(bào)廢蓄電池的反常內(nèi)阻是由蓄電池的極柱、內(nèi)部的匯流排、板柵的化學(xué)腐蝕和焊接質(zhì)量、鑄鉛質(zhì)量低劣造成的，這在蓄電池產(chǎn)品測試時(shí)是很容易檢測出來的。從圖4-5中可以清楚地看到由于大金屬電阻而造成的蓄電池容量的損耗。極柱上輸出電壓從放電開始到結(jié)束一直降低。

? ??② 電化學(xué)電阻。涂層、電解質(zhì)和隔板組成了蓄電池內(nèi)阻中的電化學(xué)部分。蓄電池長期使用造成的活性物質(zhì)減少、涂層老化、閥控蓄電池電解液比重的變化，以及隔板成分或其表面的化學(xué)構(gòu)成的改變，閥控蓄電池電解液的干涸，都使電化學(xué)電阻增大。圖4-6說明了蓄電池的電化學(xué)電阻特性。除非蓄電池進(jìn)行過度放電，否則，它的容量不會有明顯減小。

? ??金屬電阻和電化學(xué)電阻構(gòu)成了蓄電池實(shí)際內(nèi)阻，內(nèi)阻的增大導(dǎo)致蓄電池實(shí)際容量的減小。因此，通過采用專用測試儀器對蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行測試，可評價(jià)蓄電池的優(yōu)劣，估算蓄電池的剩余容量。

（2）蓄電池實(shí)際內(nèi)阻測試方法的原理

? ? ALBERCORP的專利技術(shù)（U.S.PATENTNO：5，744，962）測試蓄電池實(shí)際內(nèi)阻的原理是：測出蓄電池對負(fù)載放電（70A左右）的電壓降和斷開負(fù)載時(shí)的瞬間電壓恢復(fù)，再測出蓄電池極柱上此電壓和電流的瞬間變化，便可推導(dǎo)出相應(yīng)蓄電池實(shí)際內(nèi)阻。內(nèi)阻測試公式為

? ? 式中，U1為蓄電池瞬間電流對負(fù)載放電的電壓值；U2為斷開負(fù)載時(shí)的瞬間恢復(fù)的電壓值；I為瞬間對負(fù)載放電電流。由于采用快速的采樣速度完全能準(zhǔn)確地采集U1、U2、I，并即時(shí)計(jì)算，A/D轉(zhuǎn)換器能在有效地測量直流參數(shù)的同時(shí)，將蓄電池的交流信號忽略掉，因此，儀器能精確地測出內(nèi)阻，同時(shí)抗干擾能力強(qiáng)，重復(fù)性好，可在高噪聲的環(huán)境中對蓄電池進(jìn)行在線測試。另外，根據(jù)采集的浮充電壓與采集放電后的電壓之差，對同類、同組的蓄電池進(jìn)行比較，即可知道蓄電池性能的優(yōu)劣。

? ? 以每只蓄電池出廠前廠家給出的在額定容量下的內(nèi)阻值或用戶驗(yàn)收時(shí)測得的在額定容量下的內(nèi)阻值為基準(zhǔn)值（參考值），進(jìn)行比較，分析評估蓄電池性能的優(yōu)劣。實(shí)踐證明，通常當(dāng)蓄電池內(nèi)阻高于基準(zhǔn)值的25%時(shí)，往往已無法通過容量測試；當(dāng)高于基準(zhǔn)值的50%時(shí)，完全不必進(jìn)行容量測試即可更換。

5.蓄電池內(nèi)阻的在線測試結(jié)果分析

? ? 目前，進(jìn)口和國產(chǎn)的用于在線測試蓄電池內(nèi)阻或電導(dǎo)的測試儀已在一些部門得到應(yīng)用，然而在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，通過在線檢測蓄電池內(nèi)阻（電導(dǎo)）來判斷蓄電池的性能并不令人滿意。這些采用AC測試方法的測試儀，在測量蓄電池內(nèi)阻（電導(dǎo)）時(shí)離散性較大，重復(fù)精度較差。為此對3種不同蓄電池測試儀的測量結(jié)果進(jìn)行分析對比，利用蓄電池內(nèi)阻變化趨勢分析軟件，對定期測量的蓄電池內(nèi)阻歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行變化趨勢分析，來判斷和預(yù)測蓄電池的性能，作為蓄電池容量測試的預(yù)估測試和替代方法，并提出了對落后蓄電池容量的測試方法。

（1）數(shù)據(jù)收集例如，用3種不同廠家的蓄電池內(nèi)阻（電導(dǎo)）測試儀，對同一組蓄電池進(jìn)行在線測試，測試結(jié)果如表4-2所示，發(fā)現(xiàn)相同蓄電池的測量電導(dǎo)（或折算成電導(dǎo)）差異較大。

? ? 從表4-2中的測試數(shù)據(jù)可以看出，蓄電池組中1號蓄電池的電導(dǎo)最大（內(nèi)阻最?。?，20號蓄電池的電導(dǎo)最?。▋?nèi)阻最大），3種測試儀的測試結(jié)果相對值表現(xiàn)出一致性。采用HIO-KI的內(nèi)阻測試儀的測量值（內(nèi)阻）偏大，折算成電導(dǎo)偏??；采用MIDTRONICS的電導(dǎo)測試儀的測量值（電導(dǎo)）偏大，折算成內(nèi)阻偏小；采用ALBERCORP測試儀的測試結(jié)果與采用MIDTRONICS的測試結(jié)果相近，即使如此，其電導(dǎo)平均值之間的差異也為8.6%。

? ? 蓄電池內(nèi)阻（或電導(dǎo)）的測量值，應(yīng)與用同一種測試儀測量的蓄電池內(nèi)阻（或電導(dǎo)）基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，才能可靠判斷和預(yù)估蓄電池的性能。對定期測量的同一蓄電池內(nèi)阻的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行變化趨勢分析，或者與蓄電池在100%容量時(shí)的內(nèi)阻值（基準(zhǔn)值）進(jìn)行比較，才能可靠判斷和預(yù)測蓄電池的性能。

（2）落后蓄電池在線測試方法分析

? ? 從上面的分析中得知，要測準(zhǔn)運(yùn)行中的蓄電池組的容量，必須用深放電恒流控制的方法；從蓄電池容量試驗(yàn)的方法又知，可以用測量的落后蓄電池的容量來代替整組蓄電池的容量。從現(xiàn)有電源系統(tǒng)中查找落后蓄電池可用監(jiān)控系統(tǒng)。這樣一來就形成了用監(jiān)控系統(tǒng)來查找落后蓄電池，為落后蓄電池進(jìn)行容量試驗(yàn)創(chuàng)造條件，再來導(dǎo)出整組蓄電池容量的新方法，即蓄電池容量測試法，也就是對用監(jiān)控系統(tǒng)判斷出的落后蓄電池進(jìn)行容量測試。

? ? 落后蓄電池容量測試法可以離線進(jìn)行，也可以在線進(jìn)行，不影響設(shè)備的正常使用。單體蓄電池在充電時(shí)的電壓是2.18V（浮充電壓設(shè)定值），升到2.35V（低壓恒壓充電的規(guī)定值），它的最大變化量是ΔU=2.35V-2.18V=0.17V；放電時(shí)的初始電壓是2.18V，下降到1.8V（容量試驗(yàn)電壓終止值），它的最大變化量是ΔU=2.18V-1.8V=0.38V，所以單體蓄電池的充、放電電壓變化為0.17～0.38V（浮充供電時(shí)的供電電壓）。落后蓄電池容量測試法的優(yōu)點(diǎn)是簡單、操作方便、測量準(zhǔn)確、不影響電路正常工作，但它要有3個(gè)先決的條件。

? ??① 必須要有具有監(jiān)控系統(tǒng)的電源系統(tǒng)，并且監(jiān)控要能夠檢查到每只蓄電池，或者能用智能檢測器、電導(dǎo)儀等確切查出落后蓄電池。

? ? ② 購買的活化儀，不但要能充電，而且要能放電，放電時(shí)要能夠按指定的小時(shí)率恒流放電，并用軟件計(jì)算出放出容量。

? ? ③ 測試前整組蓄電池必須處在正常浮充狀態(tài)下，工作中不允許對蓄電池組進(jìn)行充、放電工作。