几种蓄电池在线测试技术比较分析

 

几种蓄电池在线测试技术分析

一、蓄电池落后的原因及检测重要 

阀控式铅酸蓄电池（VRLA）从一开始便被称为免维护电池，而生产厂家又承诺该电池的使用寿命为10 ~ 20年（最少为8年），这样就给我们电力系统维护人员一种误解，似乎这种电池既耐用又完全不需要维护，许多用户从装上电池后就基本上没有进行过维护和管理，在90年代初，随着使用时间的增长，使用的VRLA电池出现了很多以前未遇到的新问题，例如电池壳变形、电解液渗漏、电极腐蚀、容量不足、电池端电压不均匀等，VRLA电池内部接线柱、同极的连接片以及电极接头的腐蚀而断裂的现象也比开口式电池更常发生，这些故障都导致容量损失，但VRLA电池端电压与放电能力无相关性，这使使用单位不易掌握VRLA电池的耐久性和失效问题。我们维护部门以前往往只重视备用电源的设备部分的维护和管理，而忽视电池组的重大作用，殊不知断电的危险很大程度上就潜伏在电池组。 整组电池充电的特性是，如电池组内有一个或几个老化电池，其容量必然变小，充电器给电池组充电时，老化电池因容量小，将很快充满。充电器会误以为整组电池已充满而转为浮充状态，以恒定电压和小电流给电池组充电。其余状态良好的电池不可能充满。电池组将以老化电池的容量为标准进行充放电，经多次浮充--放电 --均充--放电--浮充的恶性循环，容量不断下降，电池后备时间缩短。

所以如不定时检测，电池和电池组的定期检测和在线监测是非常重要和必须的，已经是是电源系统中非常重要的环节。但是，从多年的运行维护效果来看，对于蓄电池进行电压检测已经不能充分反应蓄电池的问题，预警性和前瞻性较差，无法准确及时找出老化电池。因为浮充电压小幅值的差异监测并没有办法区别和处理，也就是对于电池性能变坏，电池容量已经大幅下降的老化电池的准确判断，电压参数无能为力，而是当放电时发现某电池的放电电压（或曲线）异常才有警告，但一般为时已晚。

如果无法十分清楚地了解蓄电池内部性能参数，如蓄电池的内阻、当前的剩余容量，如果蓄电池组中有落后的蓄电池,也无法提前准确判断和维护，所以蓄电池的内阻和当前的剩余容量的监测可以作为我们有效的手段，VRLA电池和电池组在运行过程中，随着使用时间的增加必然会有个别或部分电池因内阻变大，呈退行性老化现象，实践证明，整组电池的容量是以状况最差的那一块电池的容量值为准，而不是以平均值或额定值（初始值）为准，当电池的实际容量下降到其本身额定容量的90% 以下时，电池便进入衰退期，当电池容量下降到原来的80%以下时，电池便进入急剧的衰退状况，衰退期很短，这时电池组已存在极大的事故隐患。

铅酸蓄电池的工作原理为“双硫酸盐化理论”，其结构部件主要为正极板（PbO2）、负极板（铅等重金属合金）、板栅等，铅酸蓄电池在放电时会形成结晶体，充电时铅离子被还原为金属铅。如果我们使用或维护不当，如经常充电不足或过放电，在电池正、负极板接线柱上会逐渐形成一种粗大而坚硬的PbSO4结晶体，这种现象称为“不可逆化的硫酸盐化”，简称“硫化”。“硫化”使蓄电池内阻增大、容量下降，这种不可逆的硫酸盐化的原因是硫酸铅的重结晶，粗大的结晶形成之后溶解度减少，硫酸铅的重结晶使晶体体积变大，是由于多晶体倾向于其表面自由能的结果。所以，电池产生硫化是蓄电池内阻增加的主要原因，而这对电池的使用寿命影响很大，使用什么样的方法进行内阻参数的测试将影响在线监测的最终效果。

在以上的背景下，前段时间的对于蓄电池的在线监测设备进行了深入的调研，以及参加了中试所对六家在线监测设备厂家进行产品试验，调研后发现各自有其不同的测试方法,总结下来主要是三大类，这几类在效果上分析起来有着明显的区别：

二、交流测试法技术分析

交流法就是向蓄电池注入一个低频率的交流信号，由于蓄电池内部存在的阻抗，注入信号后测量其反馈的电流信号，进行信号处理，比较注入信号与反馈信号的差异，从而测得蓄电池内阻。交流法测量蓄电池阻抗依赖于高速的数字信号处理技术，但是在系统中的高频模块组成的充电机与外界噪音对信号的干扰无法彻底消除。

其原理可以用以下简单的公式表示：R=△V/△I

根据以上说明，以及在中试所的试验中所看到的测试结果来进行分析，对于交流法有以下几点看法：

1、对于交流注入法实际上只能定义为蓄电池的阻抗。

2、如右图一所示，一个单体的容量由正负极板形成的, 是传导通路的两个平行部分。通过交流信号或做阻抗测试时, 通路中任何部分的电阻增加都会由电容器掩盖。同时，不同频率的信号所测得的值也不同，对注入信号要求很高，如频率的稳定度和正弦波纯度都直接影响着测试结果。另外，在线测试时也易受充电器的纹波和谐波的干扰。

3、由于小容量蓄电池的内阻是毫欧级的数值，而大容量的蓄电池其内阻将是微欧级，从交流法的测试原理上我们知道，依靠测量其反馈的电流信号，进行信号处理，比较注入信号与反馈信号的差异得出内阻，但交流法的电流幅值非常小，一般1A（为了避免对系统的影响，不能太大），这么小的电流要在微欧级的微电阻上测量其差异变化，所以对于信号处理精度要求非常苛刻、严格，非常容易受到充电机与外界噪音对信号的干扰，导致测试结果的离散性大。

4、在直流系统中注入一个交流信号源，从本质上就对系统造成了污染，虽然厂家在不断研究降低频率（实际上是向直流逼近），但幅值不得不提高，但作为一个信号源不是负载，幅值的提高对系统将会对系统设备正常运行造成严重影响，因为我们知道对高频充电模块能够进行冗余并联是对于各模块的输出特性有严格要求的。

三、某公司的离线内阻测试方法技术分析

根据某公司的介绍，其蓄电池的在线监测是结合对放电曲线的分析，进行多项测试，进行综合判断，包括以下三点内容：

1、动态大电流（>100A）冲击负载放电，在短时间内得到电池瞬间的放电曲线，测得内阻：内阻=（蓄电池电动势-蓄电池电压）/放电电流。

2、静态小电流恒流放电，测得蓄电池容量：蓄电池容量=放电电流X时间。

3、对以上参数通过计算机进行综合计算分析，得出对电池性能的准确评估。

根据以上说明，以及在中试所的试验中所看到的测试结果来进行分析，对于某公司的测试方法有以下几点看法：

1、放电曲线固然是检测蓄电池性的传统的有效的方法，但在实际在线运行过程中，考虑蓄电池的循环寿命，不可能频繁的对蓄电池进行容量测试，尽管是静态小电流恒流放电过程，因为我们电力系统是不允许在线运行的蓄电池长时间处于放电状态的，所以根据以上蓄电池容量=放电电流X时间的计算公式，在放电时间不足够的条件下测得的容量不是蓄电池实际容量。

静态小电流恒流放电测试容量法在线测试结果是不可信的，首先蓄电池组在线运行状态中，充电机是在不断为蓄电池提供充电电流的，这个电流是随电池的负载的变化而自动调节，所以如何保证静态小电流恒流放电是一个不可在线解决的问题。

2、从内阻计算公式中，蓄电池电动势是指蓄电池的开路电压，蓄电池电压是指蓄电池带载后的闭合回路的电压，由此我们可以知道测试内阻的过程存在二个问题：

一个在测试时必须断开蓄电池组才可获取电动势，这种过程务必使蓄电池组处于开路状态，在运行中的蓄电池组要处于开路状态是一个不允许出现的情况，即使是短时的都会存在较大的安全隐患。

二个电动势与大电流放电后的电压进行比较计算出的电压差△U，这个电压差存在具有很大的不稳定性、很大的离散性，不同的浮充电压下△V会完全不同，另外其放电时间是极短，时间的取值及误差会根本上影响电压的取值，一旦时间大于一个电池的开始极化时间，其内阻就已经不是一具电池的真正的内阻了，与实际的内阻值相去甚远。

这种方法属于估值算法，很难实现精确的对具有微量特征的蓄电池内阻进行测试，分辩率较低，在中试所的试验中在有意识松动连接片时，测试仪无法发现其连接的异常变化，这种测试验证了以上的分析。

四、美国Albér公司的纯直流瞬间大电流放电法技术分析

如图二所示，由被测电池向负载放出大电流(50-70A)，时间约3.25秒，测量放电电压稳定后的瞬间断电压差△V(V2－V1) 与电流值 (I) 的比值计算出电池的内阻 R内阻＝△V/I；直流放电法测内阻为 Albér 公司专利(专利号：U.S.Patent No.5.744.962)。

纯直流瞬间大电流放电法采用加纯阻性负载法，是利用零瞬间技术(ZERO TIME)，考虑到蓄电池断开负载后其电势会马上回升的特性，在断开瞬间同时读取通路与断路电压以及通断电流差，从而计算出精确的内阻。

根据以上说明，以及在中试所的试验中所看到的测试结果来进行分析，对于美国Albér的测试方法有以下几点看法：

1、美国Albér的测试精度、稳定性很好，Albér是测量放电电压稳定后的瞬间断电压差，△V=(V2－V1)；取值的方法须具有特殊性、有效性，该方法取的电压差具有很好的稳定性，测试时间足够进入一个稳定期，时间的误差会根本与电压的取值无关，同时也跳过初始放电过程中下降变化段，排除电压和电流下降过程的交流分量，从而确保计算的值是直流电阻值，使其能真正反映电池特性。同时，由于测试电流大、不受电池电容的影响（图三所示），不但使压差读数精确，而且具备很好的抗干扰能力，读数稳定，不受充电回路波纹电压的影响，可以有效的、充分发现其电阻内部结构的细微变化，而且其测试电流大，回路中纹波、谐波和尖峰都不会影响其测试的误差值。

2、无需使蓄电池脱机，避免了系统安全性的隐患；从试验结果中可以看到，静态与动态测试结果一致性很好。

3、Albér公司的测试数据的分辩率非常高，从中试所的试验中虽没有对大容量的电池进行内阻检测，但进行了一项非常有价值的测试，就是对于蓄电池间连接状态进行检测，对蓄电池间的连接镙丝有意松动，唯有美国Albér公司的仪器能准确的发现细微变化，从这一点上体现了测试数据的分辩率非常高，这对于大容量蓄电池来讲是非常重要的，因为电力系统所用的蓄电池都大于300AH，与汽车工业、电动车的电池相差很远，其内阻仅几百微欧（零点几毫欧），如果没有一个高分辩率的仪器是无法准确发现微量内阻值的趋势变化，从而找出落后的电池。

4、对于这么大的电流是否对蓄电池有伤害的问题，根据规程测试中的电流与测试时间的对应关系计算方法，假设按70A为一个小时放电率计算，电池安时数在137AH以上都是正常的测试，何况是瞬间？可见70A的大电流瞬间放电完全在蓄电池的允许工作电流范围和时间内，不会对电池造成任何伤害。我们以蓄电池进行在线监测的目的是积累蓄电池的运行内阻数据，得到它的运行趋势，提前发现蓄电池变坏的拐点，将故障排除在发生前,所以，我认为利用大电流符合电力系统对电池负荷能力的检测要求，真实反映了电池的负荷承受能力和使用性能。

5、产品智能化——内阻数据分析是这一产品的另一方面的关键技术，根据Albér提供的资料及对Albér的了解，Albér根据30年的测试经验和几十万次实验测试总结，同时经过美国AT&T电信公司在20年对该产品使用的实际工作总结，得出蓄电池的内阻大于初始值的25%时，蓄电池容量将低于80%的结论。

五、结论

根据最近省公司的《广东电网公司变电站直流系统技术规范》对蓄电池内阻不能大于标称值 50%、蓄电池间内阻一致性要求不大于10%的要求，结合我们所使用的蓄电池容量都是300AH、500AH、800AH居多，这些电池内阻都是几百微欧，属于一种微电阻范畴，即使是50%的标准，其绝对值都不会很大，所以要能有效、准确监测到蓄电池内阻和电池间连接状态以及蓄电池内阻在运行中的变化趋势，只有选择分辩率高、精度高、测试稳定、一致性强的测试仪器。