幾種電池在線探測技術比較分解

幾種蓄電池在線探測技術分解

一、蓄電池落后的原由及測試緊要性

閥控式鉛酸電池（VRLA）從一開始便被稱為免維護電池，而加工廠家又承諾該電池的使用壽命為10~20年（最少為8年），這樣就給我們電力系統維護人員一種誤解，仿佛這種電池既耐用又完全不要維護，許多用戶從裝上電池后就基本上沒有進行過維護和管理，在90年代初，隨著使用時間的上升，使用的VRLA電池出現了很多往日未遇到的新問題，例如電池殼變形、電解液滲漏、電極腐蝕、容量不足、電池端電壓不平均等，VRLA電池內部接線柱、同極的連接片以及電極接頭的腐蝕而斷裂的現象也比開口式電池更常發生，這些故障都導致容量損失，但VRLA電池端電壓與放電能力無相關性，這使使用單位不易掌握VRLA電池的耐久性和失效問題。我們維護部門往日往往只重視備用電源的設備部分的維護和管理，而忽視電池包的重大用途，殊不知斷電的危險很大程度上就潛伏在電池包。整組電池充電的特性是，如電池包內有一個或幾個老化電池，其容量必然變小，充電器給電池包充電時，老化電池因容量小，將很快洋溢。充電器會誤以為整組電池已洋溢而轉為浮充狀態，以恒定電壓和小電流給電池包充電。其余狀態良好的電池不可能洋溢。電池包將以老化電池的容量為標準進行充放電，經多次浮充--放電--均充--放電--浮充的惡性循環，容量不斷下降，電池后備時間縮短。

所以如不按時測試，電池和電池包的定期測試和在線監測是非常緊要和非得的，已經是是電源系統中非常緊要的環節。但是，從多年的運行維護效果來看，關于蓄電池進行電壓測試已經不能充足反應蓄電池的問題，預警性和前瞻性較差，無法準確及時找出老化電池。因為浮充電壓小幅值的差異監測并沒有方法差別和解決，也就是關于電池性能變壞，電池容量已經大幅下降的老化電池的準確判斷，電壓參數無能為力，而是當放電時發現某電池的放電電壓（或曲線）異常才有警告，但一般為時已晚。

倘若無法十分清楚地知道蓄電池內部性能參數，如蓄電池的內阻、當前的剩余容量，倘若蓄電池包中有落后的蓄電池,也無法提前準確判斷和維護，所以蓄電池的內阻和當前的剩余容量的監測可以作為我們有效的手段，VRLA電池和電池包在運行過程中，隨著使用時間的新增必然會有個別或部分電池因內阻變大，呈退行性老化現象，踐行證明，整組電池的容量是以狀況最差的那一塊電池的容量值為準，而不是以均勻值或額定值（初始值）為準，當電池的實際容量下降到其本身額定容量的90%以下時，電池便進入衰退期，當電池容量下降到原來的80%以下時，電池便進入急劇的衰退狀況，衰退期很短，這時電池包已存在極大的事故隱患。

鉛酸電池的工作原理為“雙硫酸鹽化理論”，其結構部件緊要為正極板（pbO2）、負極板（鉛等重金屬合金）、板柵等，鉛酸電池在放電時會形成結晶體，充電時鉛離子被還原為金屬鉛。倘若我們使用或維護不當，如常常充電不足或過放電，在電池正、負極板接線柱上會逐漸形成一種粗大而堅硬的pbSO4結晶體，這種現象稱為“不可逆化的硫酸鹽化”，簡稱“硫化”。“硫化”使蓄電池內阻增大、容量下降，這種不可逆的硫酸鹽化的原由是硫酸鉛的重結晶，粗大的結晶形成之后溶解度減少，硫酸鉛的重結晶使晶體體積變大，是由于多晶體傾向于其表面自由能的結果。所以，電池出現硫化是蓄電池內阻新增的緊要原由，而這對電池的使用壽命影響很大，使用什么樣的辦法進行內阻參數的探測將影響在線監測的最終效果。

在以上的背景下，前段時間的關于蓄電池的在線監測設備進行了深入的調研，以及參加了中試所對六家在線監測設備廠家進行產品實驗，調研后發現各自有其不同的探測辦法,總結下來緊要是三大類，這幾類在效果上分解起來有著分明的差別：

二、交流探測法技術分解

交流法就是向蓄電池注入一個低頻率的交流信號，由于蓄電池內部存在的阻抗，注入信號后測量其反饋的電流信號，進行信號解決，比較注入信號與反饋信號的差異，從而測得蓄電池內阻。交流法測量蓄電池阻抗依靠于高速的數字信號解決技術，但是在系統中的高頻模塊組成的充電機與外界噪音對信號的干擾無法徹底消除。

其原理可以用以下簡單的公式表示：R=△V/△I

依據以上說明，以及在中試所的實驗中所看到的探測結果來進行分解，關于交流法有以下幾點看法：

1、關于交流注入法實際上只能含義為蓄電池的阻抗。

2、如右圖一所示，一個單體的容量由正負極板形成的,是傳導通路的兩個平行部分。通過交流信號或做阻抗探測時,通路中任何部分的電阻新增都會由電容器掩蓋。同時，不同頻率的信號所測得的值也不同，對注入信號要求很高，如頻率的穩定度和正弦波純度都筆直影響著探測結果。另外，在線探測時也易受充電器的紋波融洽波的干擾。

3、由于小容量蓄電池的內阻是毫歐級的數值，而大容量的蓄電池其內阻將是微歐級，從交流法的探測原理上我們知道，依賴測量其反饋的電流信號，進行信號解決，比較注入信號與反饋信號的差異得出內阻，但交流法的電流幅值非常小，一般1A（為了戒備對系統的影響，不能太大），這么小的電流要在微歐級的微電阻上測量其差異變化，所以關于信號解決精度要求非常苛刻、嚴格，非常容易受到充電機與外界噪音對信號的干擾，導致探測結果的離散性大。

4、在直流系統中注入一個交流信號源，從本質上就對系統造成了污染，雖然廠家在不斷研究降低頻率（實際上是向直流逼近），但幅值不得不提高，但作為一個信號源不是負載，幅值的提高對系統將會對系統設備正常運行造成嚴重影響，因為我們知道對高頻充電模塊能夠進行冗余并聯是關于各模塊的輸出特性有嚴格要求的。

三、某公司的離線內阻探測辦法技術分解

依據某公司的解析，其蓄電池的在線監測是結合對放電曲線的分解，進行多項探測，進行綜合判斷，包括以下三點內容：

1、動態大電流（>100A）沖擊負載放電，在短時間內得到電池瞬間的放電曲線，測得內阻：內阻=（蓄電池電動勢-蓄電池電壓）/放電電流。

2、靜態小電流恒流放電，測得蓄電池容量：蓄電池容量=放電電流X時間。

3、對以上參數通過計算機進行綜合計算分解，得出對電池性能的準確評估。

依據以上說明，以及在中試所的實驗中所看到的探測結果來進行分解，關于某公司的探測辦法有以下幾點看法：

1、放電曲線固然是測試蓄電池性的傳統的有效的辦法，但在實際在線運行過程中，考慮蓄電池的循環壽命，不可能頻繁的對蓄電池進行容量探測，盡管是靜態小電流恒流放電過程，因為我們電力系統是不準許在線運行的蓄電池長時間處于放電狀態的，所以依據以上蓄電池容量=放電電流X時間的計算公式，在放電時間不足夠的條件下測得的容量不是蓄電池實際容量。

靜態小電流恒流放電探測容量法在線探測結果是不可信的，首先蓄電池包在線運行狀態中，充電機是在不斷為蓄電池供應充電電流的，這個電流是隨電池的負載的變化而自動調節，所以要怎么樣保證靜態小電流恒流放電是一個不可在線處理的問題。

2、從內阻計算公式中，蓄電池電動勢是指蓄電池的開路電壓，蓄電池電壓是指蓄電池帶載后的閉合回路的電壓，由此我們可以知道探測內阻的過程存在二個問題：

一個在探測時非得斷開蓄電池包才可獲取電動勢，這種過程務必使蓄電池包處于開路狀態，在運行中的蓄電池包要處于開路狀態是一個不準許出現的情況，即使是短時的都會存在較大的安全隱患。

二個電動勢與大電流放電后的電壓進行比較計算出的電壓差△U，這個電壓差存在具有很大的不穩定性、很大的離散性，不同的浮充電壓下△V會完全不同，另外其放電時間是極短，時間的取值及誤差會根本上影響電壓的取值，一旦時間大于一個電池的開始極化時間，其內阻就已經不是一具電池的真正的內阻了，與實際的內阻值相去甚遠。

這種辦法屬于估值算法，很難實現精確的對具有微量特點的蓄電池內阻進行探測，分辯率較低，在中試所的實驗中在有意識松動連接片時，探測儀無法發現其連接的異常變化，這種探測驗證了以上的分解。

四、美國Albér公司的純直流瞬間大電流放電法技術分解

如圖二所示，由被測電池向負載放出大電流(50-70A)，時間約3.25秒，測量放電電壓穩定后的瞬間斷電壓差△V(V2－V1)與電流值(I)的比值計算出電池的內阻R內阻＝△V/I；直流放電法測內阻為Albér公司專利(專利號：U.S.patentNo.5.744.962)。

純直流瞬間大電流放電法采用加純阻性負載法，是利用零瞬間技術(ZEROTIME)，考慮到蓄電池斷開負載后其電勢會馬上回升的特性，在斷開瞬間同時讀取通路與斷路電壓以及通斷電流差，從而計算出精確的內阻。

依據以上說明，以及在中試所的實驗中所看到的探測結果來進行分解，關于美國Albér的探測辦法有以下幾點看法：

1、美國Albér的探測精度、穩定性很好，Albér是測量放電電壓穩定后的瞬間斷電壓差，△V=(V2－V1)；取值的辦法須具有特殊性、有效性，該辦法取的電壓差具有很好的穩定性，探測時間足夠進入一個穩定期，時間的誤差會根本與電壓的取值無關，同時也跳過初始放電過程中下降變化段，排除電壓和電流下降過程的交流分量，從而確保計算的值是直流電阻值，使其能真正反映電池特性。同時，由于探測電流大、不受電池電容的影響（圖三所示），不但使壓差讀數精確，而且具備很好的抗干擾能力，讀數穩定，不受充電回路波紋電壓的影響，可以有效的、充足發現其電阻內部結構的纖細變化，而且其探測電流大，回路中紋波、諧波和尖峰都不會影響其探測的誤差值。

2、無需使蓄電池脫機，戒備了系統安全性的隱患；從實驗結果中可以看到，靜態與動態探測結果一致性很好。

3、Albér公司的探測數據的分辯率非常高，從中試所的實驗中雖沒有對大容量的電池進行內阻測試，但進行了一項非常有價值的探測，就是關于蓄電池間連接狀態進行測試，對蓄電池間的連接鏍絲有意松動，唯有美國Albér公司的儀器能準確的發現纖細變化，從這一點上體現了探測數據的分辯率非常高，這關于大容量蓄電池來講是非常緊要的，因為電力系統所用的蓄電池都大于300AH，與汽車工業、電動車的電池相差很遠，其內阻僅幾百微歐（零點幾毫歐），倘若沒有一個高分辯率的儀器是無法準確發現微量內阻值的趨勢變化，從而找出落后的電池。

4、關于這么大的電流是不是對蓄電池有傷害的問題，依據規程探測中的電流與探測時間的對應關系計算辦法，假設按70A為一個小時放電率計算，電池安時數在137AH以上都是正常的探測，何況是瞬間？可見70A的大電流瞬間放電完全在蓄電池的準許工作電流范圍和時間內，不會對電池造成任何傷害。我們以蓄電池進行在線監測的目的是積累蓄電池的運行內阻數據，得到它的運行趨勢，提前發現蓄電池變壞的拐點，將故障排除在發生前,所以，我認為利用大電流符合電力系統對電池負荷能力的測試要求，真切反映了電池的負荷承受能力和使用性能。

5、產品智能化——內阻數據分解是這一產品的另一方面的關鍵技術，依據Albér供應的資料及對Albér的知道，Albér依據30年的探測相關經驗和幾十萬次試驗探測總結，同時經過美國AT&T電信公司在20年對該產品使用的實際工作總結，得出蓄電池的內阻大于初始值的25%時，蓄電池容量將低于80%的結論。

五、結論

依據最近省公司的《廣東電網公司變電站直流系統技術規范》對蓄電池內阻不能大于標稱值50%、蓄電池間內阻一致性要求不大于10%的要求，結合我們所使用的蓄電池容量都是300AH、500AH、800AH居多，這些電池內阻都是幾百微歐，屬于一種微電阻領域，即使是50%的標準，其絕對值都不會很大，所以要能有效、準確監測到蓄電池內阻和電池間連接狀態以及蓄電池內阻在運行中的變化趨勢，惟有選擇分辯率高、精度高、探測穩定、一致性強的探測儀器。

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