高可靠电力保障领域的最后一道防线

 

　　1、 引言

　　蓄电池作为直流电源系统的核心组成部分，起着储备电能、应付电网异常和特殊工作情况、维持系统正常运转的关键作用，是需要高可靠电力保障领域的最后一道防线。当前，蓄电池在线监测及状态评估逐渐被人们所重视，在电力、通信等行业应用越来越广泛，然而，蓄电池在线监测及状态评估所采用关键技术—内阻测量技术，并不被人们所了解，还存在模糊的认识。

　　2、 蓄电池状态在线评估

　　目前对蓄电池(落后)状态在线评估有浮充电压监测法和蓄电池内阻监测法。

　　浮充电压监测法过去曾广泛采用，但是理论分析和大量实验证明，浮充电压与蓄电池的(落后)状态及预计使用寿命无关，因此现在已不在用于对蓄电池的状态进行评估。

　　理论分析和大量实验证明，蓄电池(落后)状态及预计使用寿命与其内阻具有密切的关系，目前国内外使用的蓄电池监测设备及蓄电池状态分析设备都是以蓄电池内阻为主要指标，结合蓄电池内阻的变化速率及历史数据，建立专家系统，对蓄电池(落后)状态进行在线评估，预计其使用寿命。

　　电站蓄电池往往采用大容量蓄电池，其内阻极其微小，为几十到数百微欧，甚至接头的紧固的松紧程度都会对测量结果不影响，并且蓄电池在线工作是因为充电装置产生一定的纹波干扰，因而传统的电阻测量技术难以达到要求，应采用微电阻精密测量技术进行蓄电池内阻测量，以对蓄电池内阻微欧级这样微小的变化做出的反映。

　　3、蓄电池的内阻模型

　　图1(a)为蓄电池简化等效电路，图中RC1和RC2分别为正负电极的极化电阻，C1和C2是正负电极的双电层电容，RΩ是蓄电池的欧姆电阻。图(a)还可以进一步简化为(b)，图中R和为蓄电池的极化电阻，C为两电极双电层电容等效值。蓄电池连接部分主要是欧姆电阻，而电极活性物质部分既有欧姆电阻又有极化电阻。

　　

 

　　(1)欧姆电阻：由极板、汇流排、极柱、电解液、隔膜等的电阻组成，它们服从欧姆定律。

　　(2)极化电阻：包括浓差极化电阻和电化学极化电阻，它们由扩散极化电阻、电荷传递电阻组成，是由电极动力学过程和物质转移引起，它们不服从欧姆定律。

　　浓差极化：电流通过蓄电池后，引起正负电极表面附近的电解液浓度变化，进而产生浓极化电动势η+、η-，其大小与电流大小、温度、电极反应速率、电迁移、扩散速度有关。

　　电化学极化：当电流通过蓄电池时，由于电极过程某一步的迟缓，阻碍了电极过程的进行，使电极电位离开平衡电极电位。其大小与电流大小、温度、电极真实有效表面积等因素有关。

　　4、影响蓄电池内阻的因素

　　影响蓄电池内阻的因素主要有：

　　(1) 蓄电池的落后程度：随着蓄电池使用时间的增加，由于电池失水、极板及连接条的腐蚀、极板的硫酸化、极板的变形及活性物质的脱落等因素，造成蓄电池容量减小，蓄电池的内阻逐渐变大。

　　(2) 蓄电池的荷电量：同一只蓄电池，放电程度不同，由于蓄电池电解液深度、电极表面反应物质的厚度、电极表面的孔隙率明显不同，而使蓄电池的内阻差异很大。放电程度越深，蓄电池的内阻越大。

　　因而在对蓄电池落后状态进行评估时，同一生产厂家同一型号的蓄电池应建立统一的内阻标准，应将电池充满电后再进行内阻测量，对照标准对蓄电池落后状态进行评估，如果未充满电，由于无法区分是蓄电池落后状态引起的内阻增加，还是蓄电池荷电状态引起的内阻增加，而使评估失去意义。

　　(3) 温度：随着温度的升高，反应物质的扩散、电荷传递、电极动力学过程和物质转移更容易进行，因而蓄电池内阻减小。

　　(4) 蓄电池的型号：不同生产厂家、不同种类、不同型号的蓄电池，由于电极、电解液、隔膜的材料配方不同、电池的结构不同、装配工艺不同而使蓄电池内阻产生差异。

　　(5) 测量信号频率：目前许多蓄电池内阻测量实际上测的是蓄电池的阻抗，而蓄电池并非纯电阻特性，还包含电容，因而其阻抗大小和测量信号频率有关，使蓄电池内阻测量结果不具有客观性。

　　为使蓄电池内阻测量结果具有客观性，应根据测量信号电流和电压的相位关系，用解析的方法去除蓄电池电容对测量结果的影响，使测量结果和测量信号频率无关，即在任何测量信号频率下，内阻测量结果具有唯一性。

　　(6) 测量时间和测量电流大小：在采用较大测量电流的情况下，在施加测量信号和关闭测量信号的瞬间，由于极化和建立和稳定是个变化的过程，不同的测量电流，不同的测量时间，极化是不同的，使蓄电池内阻测量结果不具有客观性。

　　为使蓄电池内阻测量结果具有客观性，应尽量用较小的信号电流进行内阻测量，根据实验，测量电流应≤0.05C10,其中C10为10小时放电率下蓄电池的容量。使内阻测量结果与测量时间及测量电流大小无关，内阻测量结果具有唯一性。

　　5、交流放电法蓄电池的内阻测量技术

　　交流放电法蓄电池测量技术，是在交流注入法蓄电池内阻测量技术的基础上的更进一步发展，该方法综合了交流注入法和直流放电法的优点。其原理是CPU通过D/A控制智能负载，使蓄电池向智能负载放电，产生一个低频(频率小于100Hz)，幅值约为0.01C10～0.05C10的正弦波交流信号(有效信号，频率为f0，角速度ω0=2πf0)：I=I0Sin(ω0t)，其中C10为10小时放电率下蓄电池的容量。相应地，在电池上产生的电压响应为：U=U0Sin(ω0t+φ)， 阻抗为：Z(ω)= U0/I0×ejφ。

　　交流放电法蓄电池内阻测量原理图、测量信号波形图见图2、图3。

　　

 

　　

 

　　(1) MOS管：MOS管的作用是由CPU通过D/A控制MOS管，使蓄电池向负载放电，产生特定频率的、幅值稳定的正弦波激励信号。

　　(2)多路开关：多路开关由CPU控制，进行信号的切换，以实现蓄电池组中每节蓄电池内阻的测量。

　　(3)耦合电容：耦合电容作用是隔离直流，而使交流信号顺利通过。为保证测量电路的精度，耦合电容要保证严格的匹配性。

　　(4)可编程带通滤波器：蓄电池在线工作时，充电装置纹波电流可能相当大，一些UPS电源的纹波电流有几安甚至几十安，远大于测量信号，如果不采用滤波，后级的放大器将会饱和。带通滤波器的设计可以使频率接近为测量信号频率的信号可以通过，而其他频率的信号不能通过。这样后级的放大器可以将微弱的测量信号进行有效放大。

　　(5)高速同步A/D转换器：该器件为高速同步A/D转换器，实现电流信号和电压信号的高速同步采样，确保电流信号和电压信号的严格的相位关系前提下，将模拟信号转换为数字信号。

　　(6)DSP：虽然经过前级的滤波去除了大部分干扰信号，但仍有相当的干扰信号和有效信号一起被采样进来，如不进行处理，将会严重影响测量精度。由于只有频率为f0的信号为有效信号，利用DSP的数字运算能力，对采样信号用FFT算法分别提取电流、电压采样信号中频率为f0的信号部分进行运算。

　　电流、电压采样信号送入DSP后，DSP对信号进行如下处理：

　　(a) 对电流和电压采样信号进行FFT变换，分别计算出电流信号及电压 信号的频谱分布;

　　(b) 分别提取频率为f0的电流信号和电压信号：

　　电流信号：I=I0Sin(ω0t+φ1)

　　电压信号：U=U0Sin(ω0t+φ2)

　　(c) 计算蓄电池的阻抗、内阻及相位差：

　　阻抗为：Z(ω)= U0/I0×ejφ。

　　相位差为：φ=φ2-φ1

　　蓄电池内阻R=|Z(ω)|×Cosφ

　　(d) 将结果送入CPU，并进一步显示、存贮，以有进行其他分析。

　　(7) CPU：采用Philip公司ARM芯片LPC2478，对各个单元进行控制管理，以及和其他设备进行通讯。

　　交流放电法蓄电池内阻测量的特点：

　　(1) 安全可靠。蓄电池工作主回路不接入任何器件，测量回路设计有10KΩ限流电阻和保险管，测量回路为高阻设计，蓄电池工作回路和测量回路安全独立，互不影响，可以在蓄电池在线工作时更换蓄电池监测设备。

　　(2) 放电电流小，对蓄电池无损害。放电电流为0.01C10～0.05C10，不对蓄电池产生冲击，不会造成栅板变形及活性物质脱落，对蓄电池寿命无影响。

　　(3) 抗干扰性强，适应于对工作中的蓄电池进行实时在线监测。采用可编程带通滤波器进行滤波，并数字信号处理技术对信号进行处理，有效地消除了直流充电装置纹波对测量的影响，具有很好的抗干扰性能，适应于对工作中的蓄电池进行实时在线监测。

　　(4) 测试精度高，状态评估和奉命预测准确。带通滤波器+多级高精度运算放大器+数字信号处理，使蓄电池内阻测试精度远高于传统的直流放电法和交流注入法蓄电池内阻测量技术。准确的蓄电池(老化)状态在线评估及寿命预测要求对蓄电池内阻微欧级这样微小的变化做出的反映，蓄电池内阻在线测试精度要在2%以内，重复精度在1%以内，目前传统的直流放电法和交流注入法是无法达到的。

　　(5) 测试结果是蓄电池的真实内阻，和测量时间、信号频率、测试电流大小无关，具有客观性，也便于数据的横向比较。