一種新的基于模型的多頻點技術檢測蓄電池內阻與容量相關度研究介紹

文章中的關鍵詞：蓄電池荷電量、內阻、電池模型

Key words:  capacity of battery,  SOC（state of charge） of battery,  battery impedance,

circuit model of battery

摘要：文章介紹了一種新的基于模型的蓄電池檢測技術手段，通過現場實驗數據的積累與分析，對蓄電池內阻與荷電量的關系進行了分析。提出了一種新的基于模型的多頻點蓄電池荷電量的預測技術。

對于蓄電池運行狀態的評估，要取決于以下兩個參量：

1. 荷電量（SOC）：是指蓄電池當前的實際荷電量或能夠放出的容量，用核容放電法可以確定，其單位是Ah。
2. 容量（C）：是指充分充電的情況下，蓄電池的zui大荷電量或放電量，其單位是Ah。

容量是對蓄電池劣化狀態的評估，而荷電量則是對蓄電池充電狀態的評估。在電力系統中，雖然蓄電池一直處于充電狀態，但由于蓄電池的不均衡性，很難保證荷電量=容量。

實際運行中，蓄電池過充或欠充的不均衡現象的普遍存在。欠充的蓄電池，只是其荷電量是不足，但其容量是正常的。這類蓄電池，只需做均衡處理后，即可正常使用。

但是，現有的蓄電池維護技術手段，并未區分蓄電池荷電量與容量的關系，簡單地把蓄電池的荷電量等同于蓄電池的容量，把許多荷電量不足但容量正常的蓄電池，當作容量不足的劣化蓄電池來看待。實際工作中，把欠充的蓄電池當作劣化蓄電池來處理，要求退出或更換，造成不必要的浪費。

因此，如何準確的預估出蓄電池的荷電量及容量，從而判斷落后蓄電池是處于不均衡狀態還是劣化狀態，意義重大。

2、蓄電池荷電量與內阻關系的實驗分析

在蓄電池快速測試實踐中，比較突出的問題是荷電量和內阻的關系。為了驗證蓄電池荷電量和內阻的關系，我們針對廣州移動常用的VRLA蓄電池進行了實驗驗證：

1. 測試設備：（1）PITE3919多頻點蓄電池容量分析儀

            （2）PITE3930智能電池活化儀

2）蓄電池（廣東移動通信機房常用）：

     華達2V蓄電池300Ah、500Ah、800 Ah各6節；

     雙登2V蓄電池300Ah、500Ah、800 Ah各6節；

     南都2V蓄電池300Ah、500Ah、800 Ah各6節。

3）內阻測試頻率：5Hz、15Hz；

4）測試溫度：25±2℃

5）放電：恒流放電：I₁₀，截止電壓：1.8V；

   充電：恒流充電：I₁₀，限壓:2.35V；

         恒壓充電: 2.35V,電流降至0.05 I₁₀時結束。

以下是一組典型的測試數據（引自2011年10月27日10#電池測試數據）：

電池型號：YUASA UXL330-2N：

圖1：測試信號分別為5Hz、15Hz測試阻抗（單位為微歐）和核電量（SOC）的關系

圖2：放電過程中電池電壓的變化

從圖1可以看出：

1. 不同測試頻率下，蓄電池的阻抗有明顯不同；
2. 蓄電池荷電量（SOC）在100~20%時，電池阻抗基本沒有變化；
3. 蓄電池荷電量（SOC）在20%以下時，電池阻抗才有顯著變化。
4. 蓄電池荷電量（SOC）大，其內阻就小。

    下面圖3和表1更清楚說明電池內阻隨著SOC的變化的情況。

圖3：放電過程中測試信號分別為5Hz、15Hz測試電池阻抗的變化率

表1：放電過程中測試信號分別為5Hz（Z1）、15Hz（Z2）電池阻抗的變化率

從以上分析可以看出：

1. 蓄電池荷電量（SOC）≥20%時，常規方法測得的蓄電池阻抗和電池電量幾乎沒有相關性；
2. 電池阻抗測量值易受測試條件（如不同廠家的測試儀表、測試線夾、電池連接線、電池極柱連接螺絲表面氧化層等）影響，測試的誤差較大；

由于以上兩點可以看出，通過實際測量電池阻抗發現電池異常時，蓄電池荷電量實際已不足20%。

目前，和IEEE標準相似，我國相關標準要求變電站蓄電池容量≥80%為合格，電池容量≤80%為不合格，而國內和國外常規電池內阻測試儀表內阻測試精度一般為5%左右，加上實際測試條件諸多因素的影響，因而目前用蓄電池內阻測試的方法判斷蓄電池的容量，只能找出嚴重落后的蓄電池（電池容量≤20%），而仍有相當數量的落后蓄電池（例如容量SOC在20~80%之間）在變電站使用，可能直到下一個核容放電周期才被發現，嚴重危及變電站的安全！

那么除了核容放電測試以外，還有沒有快速并且較為準確檢測蓄電池容量的其他方法呢？

1. 新的基于模型的蓄電池檢測技術介紹

蓄電池是一個極為復雜的系統，其放電及充電反應是復雜的化學及電化學過程，真正決定蓄電池容量及荷電量的是電池的化學和電化學狀態。不同的研究者提出了不同的電池模型，其中較為簡單、被大家普遍認可的是如下電池模型：

圖4：蓄電池電路模型

圖4蓄電池電路模型中，各符號的含義如下：

E：蓄電池電動勢；

R1：蓄電池歐姆電阻，包括極板、極柱、溶液、隔膜的電阻及接觸電阻；

R2：蓄電池極化電阻，包括電化學極化和濃差極化的電阻；

C2：電極雙電層電容。

根據上述的電路模型，蓄電池復阻抗計算公式如下：

式中：f為測試信號頻率。

從式中可以看出，如果采用多個頻率進行測試，可以建立聯立方程，分別計算出蓄電池歐姆電阻、極化電阻、電容、電感等特性參數。

深圳市博億智能設備科技有限公司根據電池的物理模型，使用多頻點蓄電池測試技術，對不同廠家、不同容量、使用年限不同的電池，進行了大量的試驗。圖5是一組實驗結果。從圖5可以看出，電極雙電層電容C2對電池容量是極為敏感的，可作為蓄電池荷電量的指標；蓄電池極化電阻R2對充電過程的化學反應很敏感，可以作為電池充滿電的標志，防止電池過充時，出現水解副反應造成失水，繼而降低電池的使用壽命。

圖5：基于模型的蓄電池各參數關系曲線圖

4、結論

在理論分析及大量試驗基礎上，深圳市博億智能設備科技有限公司提出了一種全新的蓄電池荷電量測試方法，并據此開發研制出了多頻點蓄電池容量分析儀，采用多個頻率對蓄電池進行測試。同時，采用數字信號分析處理技術，準確測量并計算出蓄電池的歐姆電阻、極化電阻、電容、電感等特性參數，*不需要對蓄電池進行核容放電，只需利用這些參數和電池容量的對應關系，即可以對荷電量在0%~）的蓄電池，快速準確地測量出其真實荷電量，從而得出蓄電池內阻與其容量相關性的結論。